Low Power Analog to Digital Converters in Advanced CMOS Technology Nodes

The dissertation presents system and circuit solutions to improve the power efficiency and address high-speed design issues of ADCs in advanced CMOS technologies. For image sensor applications, a high-performance digitizer prototype based on column-parallel single-slope ADC (SS-ADC) topology for readout of a back-illuminated 3D-stacked CMOS image sensor is presented. To address the high power consumption issue in high-speed digital counters, a passing window (PW) based hybrid counter topology is proposed. To address the high column FPN under bright illumination conditions, a double auto-zeroing (AZ) scheme is proposed. The proposed techniques are experimentally verified in a prototype chip designed and fabricated in the TSMC 40 nm low-power CMOS process. The PW technique saves 52.8% of power consumption in the hybrid digital counters. Dark/bright column fixed pattern noise (FPN) of 0.0024%/0.028% is achieved employing the proposed double AZ technique for digital correlated double sampling (CDS). A single-column digitizer consumes total power of 66.8μW and occupies an area of 5.4 µm x 610 µm. For mobile/wireless receiver applications, this dissertation presents a low-power wide-bandwidth multistage noise-shaping (MASH) continuous-time delta-sigma modulator (CT-ΔΣM) employing finite impulse response (FIR) digital-to-analog converters (DACs) and encoder-embedded loop-unrolling (EELU) quantizers. The proposed MASH 1-1-1 topology is a cascade of three single-loop first-order CT-ΔΣM stages, each of which consists of an active-RC integrator, a current-steering DAC, and an EELU quantizer. An FIR filter in the main 1.5-bit DAC improves the modulator’s jitter sensitivity performance. FIR’s effect on the noise transfer function (NTF) of the modulator is compensated in the digital domain thanks to the MASH topology. Instead of employing a conventional analog direct feedback path, a 1.5-bit EELU quantizer based on multiplexing comparator outputs is proposed; this approach is suitable for highspeed operation together with power and area benefits. Fabricated in a 40-nm low-power CMOS technology, the modulator’s prototype achieves a 67.3 dB of signal-to-noise and distortion ratio (SNDR), 68 dB of signal-to-noise ratio (SNR), and 68.2 dB of dynamic range (DR) within 50.5 MHz of bandwidth (BW), while consuming 19 mW of total power (P). The proposed modulator features 161.5 dB of figure-of-merit (FOM), defined as FOM = SNDR + 10 log10 (BW/P)

High-Bandwidth Voltage-Controlled Oscillator based architectures for Analog-to-Digital Conversion

The purpose of this thesis is the proposal and implementation of data conversion open-loop architectures based on voltage-controlled oscillators (VCOs) built with ring oscillators (RO-based ADCs), suitable for highly digital designs, scalable to the newest complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) nodes. The scaling of the design technologies into the nanometer range imposes the reduction of the supply voltage towards small and power-efficient architectures, leading to lower voltage overhead of the transistors. Additionally, phenomena like a lower intrinsic gain, inherent noise, and parasitic effects (mismatch between devices and PVT variations) make the design of classic structures for ADCs more challenging. In recent years, time-encoded A/D conversion has gained relevant popularity due to the possibility of being implemented with mostly digital structures. Within this trend, VCOs designed with ring oscillator based topologies have emerged as promising candidates for the conception of new digitization techniques. RO-based data converters show excellent scalability and sensitivity, apart from some other desirable properties, such as inherent quantization noise shaping and implicit anti-aliasing filtering. However, their nonlinearity and the limited time delay achievable in a simple NOT gate drastically limits the resolution of the converter, especially if we focus on wide-band A/D conversion. This thesis proposes new ways to alleviate these issues. Firstly, circuit-based techniques to compensate for the nonlinearity of the ring oscillator are proposed and compared to equivalent state-of-the-art solutions. The proposals are designed and simulated in a 65-nm CMOS node for open-loop RO-based ADC architectures. One of the techniques is also validated experimentally through a prototype. Secondly, new ways to artificially increase the effective oscillation frequency are introduced and validated by simulations. Finally, new approaches to shape the quantization noise and filter the output spectrum of a RO-based ADC are proposed theoretically. In particular, a quadrature RO-based band-pass ADC and a power-efficient Nyquist A/D converter are proposed and validated by simulations. All the techniques proposed in this work are especially devoted for highbandwidth applications, such as Internet-of-Things (IoT) nodes or maximally digital radio receivers. Nevertheless, their field of application is not restricted to them, and could be extended to others like biomedical instrumentation or sensing.El propósito de esta tesis doctoral es la propuesta y la implementación de arquitecturas de conversión de datos basadas en osciladores en anillos, compatibles con diseños mayoritariamente digitales, escalables en los procesos CMOS de fabricación más modernos donde las estructuras digitales se ven favorecidas. La miniaturización de las tecnologías CMOS de diseño lleva consigo la reducción de la tensión de alimentación para el desarrollo de arquitecturas pequeñas y eficientes en potencia. Esto reduce significativamente la disponibilidad de tensión para saturar transistores, lo que añadido a una ganancia cada vez menor de los mismos, ruido y efectos parásitos como el “mismatch” y las variaciones de proceso, tensión y temperatura han llevado a que sea cada vez más complejo el diseño de estructuras analógicas eficientes. Durante los últimos años la conversión A/D basada en codificación temporal ha ganado gran popularidad dado que permite la implementación de estructuras mayoritariamente digitales. Como parte de esta evolución, los osciladores controlados por tensión diseñados con topologías de oscilador en anillo han surgido como un candidato prometedor para la concepción de nuevas técnicas de digitalización. Los convertidores de datos basados en osciladores en anillo son extremadamente sensibles (variación de frecuencia con respecto a la señal de entrada) así como escalables, además de otras propiedades muy atractivas, como el conformado espectral de ruido de cuantificación y el filtrado “anti-aliasing”. Sin embargo, su respuesta no lineal y el limitado tiempo de retraso alcanzable por una compuerta NOT restringen la resolución del conversor, especialmente para conversión A/D en aplicaciones de elevado ancho de banda. Esta tesis doctoral propone nuevas técnicas para aliviar este tipo de problemas. En primer lugar, se proponen técnicas basadas en circuito para compensar el efecto de la no linealidad en los osciladores en anillo, y se comparan con soluciones equivalentes ya publicadas. Las propuestas se diseñan y simulan en tecnología CMOS de 65 nm para arquitecturas en lazo abierto. Una de estas técnicas presentadas es también validada experimentalmente a través de un prototipo. En segundo lugar, se introducen y validan por simulación varias formas de incrementar artificialmente la frecuencia de oscilación efectiva. Para finalizar, se proponen teóricamente dos enfoques para configurar nuevas formas de conformación del ruido de cuantificación y filtrado del espectro de salida de los datos digitales. En particular, son propuestos y validados por simulación un ADC pasobanda en cuadratura de fase y un ADC de Nyquist de gran eficiencia en potencia. Todas las técnicas propuestas en este trabajo están destinadas especialmente para aplicaciones de alto ancho de banda, tales como módulos para el Internet de las cosas o receptores de radiofrecuencia mayoritariamente digitales. A pesar de ello, son extrapolables también a otros campos como el de la instrumentación biomédica o el de la medición de señales mediante sensores.Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Juan Pablo Alegre Pérez.- Secretario: Celia López Ongil.- Vocal: Fernando Cardes Garcí