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    High-Speed Low-Power Analog to Digital Converter for Digital Beam Forming Systems

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    abstract: Time-interleaved analog to digital converters (ADCs) have become critical components in high-speed communication systems. Consumers demands for smaller size, more bandwidth and more features from their communication systems have driven the market to use modern complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technologies with shorter channel-length transistors and hence a more compact design. Downscaling the supply voltage which is required in submicron technologies benefits digital circuits in terms of power and area. Designing accurate analog circuits, however becomes more challenging due to the less headroom. One way to overcome this problem is to use calibration to compensate for the loss of accuracy in analog circuits. Time-interleaving increases the effective data conversion rate in ADCs while keeping the circuit requirements the same. However, this technique needs special considerations as other design issues associated with using parallel identical channels emerge. The first and the most important is the practical issue of timing mismatch between channels, also called sample-time error, which can directly affect the performance of the ADC. Many techniques have been developed to tackle this issue both in analog and digital domains. Most of these techniques have high complexities especially when the number of channels exceeds 2 and some of them are only valid when input signal is a single tone sinusoidal which limits the application. This dissertation proposes a sample-time error calibration technique which bests the previous techniques in terms of simplicity, and also could be used with arbitrary input signals. A 12-bit 650 MSPS pipeline ADC with 1.5 GHz analog bandwidth for digital beam forming systems is designed in IBM 8HP BiCMOS 130 nm technology. A front-end sample-and-hold amplifier (SHA) was also designed to compare with an SHA-less design in terms of performance, power and area. Simulation results show that the proposed technique is able to improve the SNDR by 20 dB for a mismatch of 50% of the sampling period and up to 29 dB at 37% of the Nyquist frequency. The designed ADC consumes 122 mW in each channel and the clock generation circuit consumes 142 mW. The ADC achieves 68.4 dB SNDR for an input of 61 MHz.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

    Etude et conception d'algorithmes de correction d'erreurs dans des structures de conversion analogique-numérique entrelacées pour applications radar et guerre électronique

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    The evolution of radar and electronic warfare systems tends to develop digitalreceivers with wider bandwidths. This constraint reaches the Analog to Digital Converters(ADC) which must provide a sample rate higher and higher while maintaining a reducedpower dissipation. A solution to meet this demand is the Time-Interleaved ADC (TIADC)which parallelizes M ADCs, increasing the sampling frequency of an M factor while still ina proportionate relation to the power loss. However, the dynamic performance of TIADCsare reduced by errors related to the mismatches between the sampling channels, due to themanufacturing processes, the supply voltage and the temperature variations. These errors canbe modeled as the result of offset, gain and clock-skew mismatches and globally as from thefrequency response mismatches. It is these last mismatches, unless addressed in the literaturethat carry our work. The objective is to study these errors to derive a model and an estimationmethod then, to propose digital compensation methods that can be implemented on a FPGAtarget.First, we propose a general TIADC model using frequency response mismatches for any Mchannel number. Our model merge a continuous-time description of mismatches and a discretetimeone of the interleaving process, resulting in an expression of the TIADC errors as a linearperiodic time-varying (LPTV) system applied to the uniformly sampled analog signal. Then,we propose a method to estimate TIADC errors based on the correlation properties of theoutput signal for any M channel. Next, we define a frequency response mismatch compensationarchitecture for TIADC errors and we study its performance related to its configuration and theinput signal. We describe an FPGA implementation of this architecture for M=4 interleavedchannels and we study the resources consumption to propose optimisations. Finally, we proposea second compensation method, specific to M=2 interleaved channels and derived from the firstone, but working on the analytical signal from the TIADC output and we compare it to a similarstate-of-the-art method.L’ évolution des systèmes radar et de guerre électronique tend à concevoir desrécepteurs numériques possédant des bandes instantanées de plus en plus larges. Cette contraintese reporte sur les Convertisseurs Analogique-Numérique (CAN) qui doivent fournir une fréquenced’échantillonnage de plus en plus élevée tout en conservant une puissance dissipée réduite. Unesolution pour répondre à cette demande est le CAN à Temps Entrelacés (ET-CAN) qui paralléliseM CANs pour augmenter la fréquence d’échantillonnage d’un facteur M tout en restant dansun rapport proportionné avec la puissance dissipée. Cependant, les performances dynamiquesdes ET-CANs sont réduites par des défauts d’entrelacements liés à des différences de processusde fabrication, de leur tension d’alimentation et des variations de température. Ces défautspeuvent être modélisés comme issus des disparités d’offsets, de gains ou décalages temporels etglobalement comme issus des disparités de réponses fréquentielles. Ce sont sur ces dernièresdisparités, moins traitées dans la littérature, que portent nos travaux. L’objectif est d’étudierces disparités pour en déduire un modèle et une méthode d’estimation puis, de proposer desméthodes de compensation numérique qui peuvent être implémentées sur une cible FPGA.Pour cela, nous proposons un modèle général des disparités de réponses fréquentielles desET-CANs pour un nombre de voies M quelconques. Celui-ci mélange une description continuedes disparités et une description discrète de l’entrelacement, résultant sur une expression desdéfauts des ET-CANs comme un filtrage à temps variant périodique (LPTV) du signal analogiqueéchantillonné uniformément. Puis, nous proposons une méthode d’estimation des disparitésdes ET-CANs basée sur les propriétés de corrélation du signal en sortie du modèle, pour Mvoies quelconques. Ensuite, nous définissions une architecture de compensation des disparitésde réponses fréquentielles des ET-CANs et nous étudions ses performances en fonction de sesconfigurations et du signal en entrée. Nous décrivons une implémentation de cette architecturepour M=4 voies entrelacées sur cible FPGA et nous étudions les ressources consommées afin deproposer des pistes d’optimisation. Enfin, nous proposons une seconde méthode de compensationspécifique au cas M=2 voies entrelacées, dérivée de la première mais travaillant sur le signalanalytique en sortie d’un ET-CAN et nous la comparons à une méthode similaire de l’état del’art

    Correlation-Based Calibration for Nonlinearity Mismatches in Dual-Channel TIADCs

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