Design of Low Power and Power Scalable Pipelined ADC Using Current Modulated Power Scale

This work represents a power scalable pipelined ADC, which achieves low power variation depends upon the sampling rate and enables variation in throughput. The keys to power scalability at high sampling rates were current modulation-based architecture and the development of novel rapid power-on Op-amp, which can completely and quickly power on/off by the feedback approach. The result achieved in this design is as high as 50 Msps and as low as 1 ksps, keeping some important parameters of ADC as ENOB and SNDR are almost constant. Power variation in ADC has a flexible range from 7.5 µW to 17 mW, which is lower power consumption than previous works

Transistor-Level Synthesis of Pipeline Analog-to-Digital Converters Using a Design-Space Reduction Algorithm

A novel transistor-level synthesis procedure for pipeline ADCs is presented. This procedure is able to directly map high-level converter specifications onto transistor sizes and biasing conditions. It is based on the combination of behavioral models for performance evaluation, optimization routines to minimize the power and area consumption of the circuit solution, and an algorithm to efficiently constraint the converter design space. This algorithm precludes the cost of lengthy bottom-up verifications and speeds up the synthesis task. The approach is herein demonstrated via the design of a 0.13 μm CMOS 10 bits@60 MS/s pipeline ADC with energy consumption per conversion of only 0.54 pJ@1 MHz, making it one of the most energy-efficient 10-bit video-rate pipeline ADCs reported to date. The computational cost of this design is of only 25 min of CPU time, and includes the evaluation of 13 different pipeline architectures potentially feasible for the targeted specifications. The optimum design derived from the synthesis procedure has been fine tuned to support PVT variations, laid out together with other auxiliary blocks, and fabricated. The experimental results show a power consumption of 23 [email protected] V and an effective resolution of 9.47-bit@1 MHz. Bearing in mind that no specific power reduction strategy has been applied; the mentioned results confirm the reliability of the proposed approach.Ministerio de Ciencia e Innovación TEC2009-08447Junta de Andalucía TIC-0281

Low power 9-bit 500 kS/s 2-stage cyclic ADC using OTA variable bias current

This paper presents a 9-bit, 2-stage cyclic analog to digital converter (ADC) with a variable bias current control circuitry to reduce its power dissipation. Each stage outputs a three-bit digital word and the circuit requires four subcycles to perform a whole conversion. Since the accuracy required is higher in the first stage and first subcycle and decreases in subsequent cycles, the bias current of each operational transconductance amplifier is regulated depending on the subcycle of the conversion process. The resolution and sampling frequency of the converter make it suitable to be integrated with 8-bit CMOS imagers with column-parallel ADC architectures. The ADC has been designed using a 1.2 V 110 nm CMOS technology and the circuit consumes 27.9 µW at a sampling rate of 500 kS/s. At this sampling rate and at a 32 kHz input frequency, the circuit achieves 56 dB of SNDR and 9 bit ENOB. The Figure of Merit is 109 fJ/step.This work has been partially funded by Spanish Ministerio de Ciencia e Innovación (MCI), Agencia Estatal de Investigación (AEI) and European Region Development Fund (ERDF/FEDER) under grant RTI2018-097088-B-C3

Parametric analog signal amplification applied to nanoscale cmos wireless digital transceivers

Thesis presented in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the subject of Electrical and Computer Engineering by the Universidade Nova de Lisboa,Faculdade de Ciências e TecnologiaSignal amplification is required in almost every analog electronic system. However noise is also present, thus imposing limits to the overall circuit performance, e.g., on the sensitivity of the radio transceiver. This drawback has triggered a major research on the field, which has been producing several solutions to achieve amplification with minimum added noise. During the Fifties, an interesting out of mainstream path was followed which was based on variable reactance instead of resistance based amplifiers. The principle of these parametric circuits permits to achieve low noise amplifiers since the controlled variations of pure reactance elements is intrinsically noiseless. The amplification is based on a mixing effect which enables energy transfer from an AC pump source to other related signal frequencies. While the first implementations of these type of amplifiers were already available at that time, the discrete-time version only became visible more recently. This discrete-time version is a promising technique since it is well adapted to the mainstream nanoscale CMOS technology. The technique itself is based on the principle of changing the surface potential of the MOS device while maintaining the transistor gate in a floating state. In order words, the voltage amplification is achieved by changing the capacitance value while maintaining the total charge unchanged during an amplification phase. Since a parametric amplifier is not intrinsically dependent on the transconductance of the MOS transistor, it does not directly suffer from the intrinsic transconductance MOS gain issues verified in nanoscale MOS technologies. As a consequence, open-loop and opamp free structures can further emerge with this additional contribution. This thesis is dedicated to the analysis of parametric amplification with special emphasis on the MOS discrete-time implementation. The use of the latter is supported on the presentation of several circuits where the MOS Parametric Amplifier cell is well suited: small gain amplifier, comparator, discrete-time mixer and filter, and ADC. Relatively to the latter, a high speed time-interleaved pipeline ADC prototype is implemented in a,standard 130 nm CMOS digital technology from United Microelectronics Corporation (UMC). The ADC is fully based on parametric MOS amplification which means that one could achieve a compact and MOS-only implementation. Furthermore, any high speed opamp has not been used in the signal path, being all the amplification steps implemented with open-loop parametric MOS amplifiers. To the author’s knowledge, this is first reported pipeline ADC that extensively used the parametric amplification concept.Fundação para a Ciência e Tecnologia through the projects SPEED, LEADER and IMPAC

Low power VCO-based analog-to-digital conversion

textThis dissertation presents novel two stage ADC architecture with a VCO based second stage. With the scaling of the supply voltages in modern CMOS process it is difficult to design high gain operational amplifiers needed for traditional voltage domain two-stage analog to digital converters. However time resolution continues to improve with the advancement in CMOS technology making VCO-based ADC more attractive. The nonlinearity in voltage-to-frequency transfer function is the biggest challenge in design of VCO based ADC. The hybrid approach used in this work uses a voltage domain first stage to determine the most significant bits and uses a VCO based second stage to quantize the small residue obtained from first stage. The architecture relaxes the gain requirement on the the first stage opamp and also relaxes the linearity requirements on the second stage VCO. The prototype ADC built in 65nm CMOS process achieves 63.7dB SNDR in 10MHz bandwidth while only consuming 1.1mW of power. The performance of the prototype chip is comparable to the state-of-art in terms of figure-of-merit but this new architecture uses significantly less circuit area.Electrical and Computer Engineerin

Concepts for smart AD and DA converters

This thesis studies the `smart' concept for application to analog-to-digital and digital-to-analog converters. The smart concept aims at improving performance - in a wide sense - of AD/DA converters by adding on-chip intelligence to extract imperfections and to correct for them. As the smart concept can correct for certain imperfections, it can also enable the use of more efficient architectures, thus yielding an additional performance boost. Chapter 2 studies trends and expectations in converter design with respect to applications, circuit design and technology evolution. Problems and opportunities are identfied, and an overview of performance criteria is given. Chapter 3 introduces the smart concept that takes advantage of the expected opportunities (described in chapter 2) in order to solve the anticipated problems. Chapter 4 applies the smart concept to digital-to-analog converters. In the discussed example, the concept is applied to reduce the area of the analog core of a current-steering DAC. It is shown that a sub-binary variable-radix approach reduces the area of the current-source elements substantially (10x compared to state-of-the-art), while maintaining accuracy by a self-measurement and digital pre-correction scheme. Chapter 5 describes the chip implementation of the sub-binary variable-radix DAC and discusses the experimental results. The results confirm that the sub-binary variable-radix design can achieve the smallest published current-source-array area for the given accuracy (12bit). Chapter 6 applies the smart concept to analog-to-digital converters, with as main goal the improvement of the overall performance in terms of a widely used figure-of-merit. Open-loop circuitry and time interleaving are shown to be key to achieve high-speed low-power solutions. It is suggested to apply a smart approach to reduce the effect of the imperfections, unintentionally caused by these key factors. On high-level, a global picture of the smart solution is proposed that can solve the problems while still maintaining power-efficiency. Chapter 7 deals with the design of a 500MSps open-loop track-and-hold circuit. This circuit is used as a test case to demonstrate the proposed smart approaches. Experimental results are presented and compared against prior art. Though there are several limitations in the design and the measurement setup, the measured performance is comparable to existing state-of-the-art. Chapter 8 introduces the first calibration method that counteracts the accuracy issues of the open-loop track-and-hold. A description of the method is given, and the implementation of the detection algorithm and correction circuitry is discussed. The chapter concludes with experimental measurement results. Chapter 9 introduces the second calibration method that targets the accuracy issues of time-interleaved circuits, in this case a 2-channel version of the implemented track-and-hold. The detection method, processing algorithm and correction circuitry are analyzed and their implementation is explained. Experimental results verify the usefulness of the method

Aportaciones al diseño de ADCs en tecnologías nanométricas y para entornos de alta radiación

El trabajo presentado a lo largo de esta Tesis Doctoral está intrínsecamente relacionado con la evolución del diseño de circuitos integrados analógicos y de señal mixta empleando tecnologías nanométricas. En los últimos años, el desarrollo de dichas tecnologías ha posibilitado un avance gigantesco en cuanto a funcionalidad y velocidad de los sistemas de comunicaciones, provocando un gran auge en los sistemas de comunicaciones, con especial relevancia de los estándares inalámbricos. No obstante, también han surgido nuevos retos a nivel arquitectural y de diseño derivados, en gran medida, de los efectos del escalado tecnológico, que obligan a la búsqueda de nuevas soluciones para adecuarse a unas restricciones cada vez más exigentes. En la presente Tesis Doctoral se han realizado aportaciones en dos ámbitos destinados a aplicaciones de interés para el diseño microelectrónico analógico en tecnologías nanométricas: 1. Diseño de convertidores Analógico-Digital de muy alta velocidad. Los nuevos estándares de comunicaciones de banda ancha o la mayor velocidad de lectura de los soportes de almacenamiento de información incrementan la necesidad de mayor velocidad de conversión en el diseño de convertidores Analógico-Digital (A/D). Los convertidores con arquitectura flash o de conversión directa suelen ser los más utilizados para este tipo de aplicaciones. Sin embargo, la resolución de dichos convertidores se ve seriamente comprometida por el error de offset de los comparadores utilizados, que en tecnologías nanométricas resulta especialmente sensible a las variaciones de procesos. Las prestaciones de las técnicas tradicionales se ven afectadas por los efectos del escalado, siendo necesario emplear nuevas técnicas que permitan alcanzar los requerimientos con un consumo energético eficiente. 2. Diseño robusto de circuitos analógicos para aplicaciones espaciales y nucleares. Las frecuencias de trabajo cada vez más elevadas y dimensiones de los transistores más y más pequeñas hacen que la influencia de los Efectos de Eventos Singulares (SEE) sea cada vez más crítica, tanto en los circuitos digitales como analógicos. La evolución de las tecnologías CMOS ha contribuido a incrementar los riesgos de errores críticos en circuitos en entornos de alta radiación, donde la interacción de iones pesados con los componentes analógicos puede dar lugar a variaciones transitorias o permanentes en su comportamiento. Por una parte, las frecuencias de funcionamiento cada vez más altas pueden incrementar la sensibilidad ante la captura de Eventos Singulares Transitorios (SET), aumentando el riesgo de propagación de errores. Además, los SET son fuertemente dependientes de la configuración eléctrica de los dispositivos, pudiendo afectar muy seriamente al rendimiento e incluso a la funcionalidad de los circuitos. Es por ello que el estudio de estos impactos y su influencia en circuitos analógicos ha adquirido en los últimos años una enorme relevancia, ya que un análisis de las posibles vulnerabilidades puede proporcionar información clave para el diseño de sistemas robustos contra la radiación. Dentro del primer ámbito de investigación se ha diseñado un convertidor A/D de 6 bits de tipo flash para el estándar de comunicaciones Ultra-WideBand (UWB). En primer lugar, se han estudiado de las limitaciones que imponen las tecnologías nanométricas con vistas a su aplicación al diseño microelectrónico en convertidores de alta velocidad y bajo consumo. Se ha determinado que el comportamiento de los convertidores A/D de tipo flash está limitado por errores causados por las mayores variaciones en los procesos. Mediante el análisis de la literatura, se han estudiado e identificado diferentes técnicas y tendencias seguidas por la comunidad científica en los últimos años con el objetivo de incrementar la eficiencia energética en el ámbito considerado. En concreto, se han descrito y referido numerosas técnicas de compensación, interpolación, submuestreo y simplificación de la circuitería analógica. Como principal aportación original en este campo, se propone una técnica novedosa de calibración para compensación de offset y mismatch en el dominio analógico. Sobre la topología básica de un convertidor flash, se emplean técnicas de interpolación capacitiva para disminuir el número de amplificadores, mejorando las prestaciones en consumo sobre esquemas tradicionales. El esquema propuesto no usa capacidades a la entrada del convertidor, reduciendo así la carga en la misma y disminuyendo el consumo de los bloques anteriores. Además, la técnica presentada requiere de una única fase de reloj, disponiendo los amplificadores de más tiempo de trabajo en cada ciclo, resultando en una menor exigencia en sus prestaciones y ahorro en consumo. En el ámbito del diseño microelectrónico para aplicaciones en entornos de alta radiación, la principal aportación de esta Tesis Doctoral ha sido el desarrollo de un nuevo software de ayuda al diseño de circuitos robusto a radiación: AFTU (Analog Fault Tolerant University of Seville Debugging System). En el contexto considerado y en el marco de proyectos financiados por la Agencia Espacial Europea (Cosmic Vision, FTU2), se constata la necesidad de seguir una estricta metodología de evaluación y test de los circuitos diseñados para asegurar el correcto funcionamiento en entornos de alta radiación. El conocimiento de las partes más vulnerables a los efectos de la radiación es un punto crítico para el diseño tolerante a fallos de circuitos microelectrónicos en aplicaciones para el espacio, y se requiere una herramienta que permita un análisis rápido de vulnerabilidades en etapas tempranas de diseño. A lo largo de esta Tesis, se describe la arquitectura de la herramienta desarrollada, así como las principales características, parámetros de interés y ejemplos que permitan conocer su uso y potencialidad. Para evaluar y depurar el funcionamiento de la misma se ha evaluado la sensibilidad a SET de diferentes circuitos reales, empleando tanto diseños propios como ajenos analizados en colaboración con empresas. Esta evaluación ha permitido tanto depurar los errores detectados en el prototipo inicial, como definir nuevas heurísticas para el análisis de sensibilidad, así como incorporar paulatinamente nuevas tecnologías sobre las que poder realizar el análisis de sensibilidad ante SEE. Se incluyen en esta Tesis Doctoral algunos ejemplos de circuitos analizados, como muestra del potencial de la herramienta desarrollada

Subsampling receivers with applications to software defined radio systems

Este trabajo de tesis propone la utilización sistemas basados en submuestreo como una alternativa para la implementación de la etapa de down-conversion de los receptores de radio frecuencia (RF) empleados para aplicaciones multi-estándar y SDR (Software Defined Radio). El objetivo principal será el de optimizar el diseño en cuanto a flexibilidad y simplicidad, las cuales son propiedades inherentes en los sistemas basados en submuestreo. Por tanto, como reducir el número de componentes al mínimo es clave cuando un mismo receptor procesa diferentes estándares de comunicación, las arquitecturas basadas en submuestreo han sido seleccionadas, donde la reusabilidad de los componentes empleados es posible, así como la reducción de los costes totales de los receptores de comunicación y de los equipos de certificación que emplean estas arquitecturas. Un motivo adicional por el que los sistemas basados en submuestreo han sido seleccionados es el concerniente a la topología del receptor. Como la idea de la tecnología SDR es implementar todas las funcionalidades del receptor (filtrado, amplificación) en el dominio digital, el convertidores analógico-digital (ADC) deberá estar localizado en la cadena de recepción lo más cerca posible a la antena, siendo el objetivo final el convertir la señal directamente de RF a digital. Sin embargo, con los actuales ADC no es posible implementar esta idea debido al alto ancho de banda que necesitarían sin perder resolución para cubrir las especificaciones de los estándares de comunicaciones inalámbricas. Por tanto, los sistemas basados en submuestreo se presentan como la opción más adecuada para implementar este tipo de sistemas debido a que pueden muestrear la señal de entrada por debajo de la tasa de Nyquist, si se cumplen ciertas restricciones en cuanto a la elección de la frecuencia de muestreo. De este modo, los requerimientos del ADC serán relajados ya que, usando estas arquitecturas, este componente procesará la señal a frecuencias intermedias. Una vez se han introducido los conceptos principales de las técnicas de submuestreo, esta tesis doctoral presenta el diseño de una tarjeta de adquisición de datos basada en submuestreo con la finalidad de ser implementada como un receptor de test y certificación de banda ancha. El sistema propuesto proporciona una alta resolución para un elevado ancho de banda, a partir del uso de un S&H de bajo jitter y de un convertidor analógico digital ADC que trabaja a frecuencias intermedias. El sistema es implementado usando dispositivos comerciales en una placa de circuito impreso diseñada y fabricada, y cuya caracterización experimental muestra una resolución de más 8 bits para un ancho de banda analógico de 20 MHz. Concretamente, la resolución medida será mayor de 9 bits hasta una frecuencia de entrada de 2.9 GHz y mayor de 8 bits para una frecuencia de entrada de hasta 6.5 GHz, lo cual resulta suficiente para cubrir los requerimientos de la mayor parte de los actuales estándares de comunicaciones inalámbricas (GPS, GSM, GPRS, UMTS, Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX). Sin embargo, los receptores basados en submuestreo presentan algunos importantes inconvenientes, como son adicionales fuentes de ruido (jitter y plegado de ruido térmico) y una dificultad añadida para implementarlo en escenarios multi-banda y no lineales. Acerca del plegado de ruido en la banda de interés, esta tesis propone el uso de una técnica basada en una arquitectura de reloj múltiple con el objetivo de aumentar la resolución y cubrir un número mayor de estándares para su test y certificación. Empleando una frecuencia de muestreo mayor para el caso del S&H, se conseguirá reducir este efecto, aumentando la resolución en aproximadamente 0.5-1 bit respecto al caso de sólo usar una fuente de reloj. Las expresiones teóricas de esta mejora son desarrolladas y presentadas en esta tesis, siendo posteriormente corroboradas de modo experimental. Por otra parte, esta tesis también propone novedosas técnicas para la aplicación de estos sistemas de submuestreo en entornos multi-banda y no lineales, los cuales presentan desafíos adicionales por el hecho de existir la posibilidad de solapamiento entre la señal de interés y los otros canales de comunicación, así como de solapamiento con sus armónicos. De este modo, esta tesis extiende el uso de los sistemas basados en submuestreo para este tipo de entornos, proponiendo técnicas para la elección de la frecuencia óptima de muestreo que evitan el solapamiento entre señales, a la vez que consiguen incrementar la resolución del receptor. Finalmente, se presentará la optimización en cuanto a características de ruido de un receptor concreto para aplicaciones de banda dual en entornos no lineales. Dicho receptor estará basado en las técnicas de reloj múltiple presentadas anteriormente y en una estructura de multi-filtro entre el S&H y el ADC. El sistema diseñado podrá emplearse para diversas aplicaciones a ambos lados de la cadena de comunicación, tal como en receptores de detección de espectro para radio cognitiva, o implementando el bucle de realimentación de un transmisor para la linealización de amplificadores de potencia. Por tanto, la presente tesis doctoral cuenta con tres contribuciones diferenciadas. La primera de ellas es la dedicada al diseño de un prototipo de recepción multi-estándar basado en submuestreo para aplicaciones de test y certificación. La segunda aportación es la dedicada a la optimización de las especificaciones de ruido a partir de las técnicas presentadas basadas en reloj múltiple. Por último, la tercera contribución principal es la relacionada con la extensión de este tipo de técnicas a sistemas multi-banda en entornos no lineales. Todas estas contribuciones han sido estudiadas teóricamente y experimentalmente validadas

Time-based, Low-power, Low-offset 5-bit 1 GS/s Flash ADC Design in 65nm CMOS Technology

Low-power, medium resolution, high-speed analog-to-digital converters (ADCs) have always been important block which have abundant applications such as digital signal processors (DSP), imaging sensors, environmental and biomedical monitoring devices. This study presents a low power Flash ADC designed in nanometer complementary metal-oxide semiconductors (CMOS) technology. Time analysis on the output delay of the comparators helps to generate one more bit. The proposed technique reduced the power consumption and chip area substantially in comparison to the previous state-of-the-art work. The proposed ADC was developed in TSMC 65nm CMOS technology. The offset cancellation technique was embedded in the proposed comparator to decrement the static offset of the comparator. Moreover, one more bit was generated without using extra comparators. The proposed ADC achieved 4.1 bits ENOB at input Nyquist frequency. The simulated differential and integral non-linearity static tests were equal to +0.26/-0.17 and +0.22/-0.15, respectively. The ADC consumed 7.7 mW at 1 GHz sampling frequency, achieving 415 fJ/Convstep Figure of Merit (FoM)

Design of Power/Analog/Digital Systems Through Mixed-Level Simulations

In recent years the development of the applications in the field of telecommunications, data processing, control, renewable energy generation, consumer and automotive electronics determined the need for increasingly complex systems, also in shorter time to meet the growing market demand. The increasing complexity is mainly due to the mixed nature of these systems that must be developed to accommodate the new functionalities and to satisfy the more stringent performance requirements of the emerging applications. This means a more complex design and verification process. The key to managing the increased design complexity is a structured and integrated design methodology which allows the sharing of different circuit implementations that can be at transistor level and/or at a higher level (i.e.HDL languages).In order to expedite the mixed systems design process it is necessary to provide: an integrated design methodology; a suitable supporting tool able to manage the entire design process and design complexity and its successive verification.It is essential that the different system blocks (power, analog, digital), described at different level of abstraction, can be co-simulated in the same design context. This capability is referred to as mixed-level simulation.One of the objectives of this research is to design a mixed system application referred to the control of a coupled step-up dc-dc converter. This latter consists of a power stage designed at transistor-level, also including accurate power device models, and the analog controller implemented using VerilogA modules. Digital controllers are becoming very attractive in dc-dc converters for their programmability, ability to implement sophisticated control schemes, and ease of integration with other digital systems. Thus, in this dissertation it will be presented a detailed design of a Flash Analog-to-Digital Converter (ADC). The designed ADC provides medium-high resolution associated to high-speed performance. This makes it useful not only for the control application aforementioned but also for applications with huge requirements in terms of speed and signal bandwidth. The entire design flow of the overall system has been conducted in the Cadence Design Environment that also provides the ability to mixed-level simulations. Furthermore, the technology process used for the ADC design is the IHP BiCMOS 0.25 µm by using 50 GHz NPN HBT devices