Design of Energy-Efficient A/D Converters with Partial Embedded Equalization for High-Speed Wireline Receiver Applications

As the data rates of wireline communication links increases, channel impairments such as skin effect, dielectric loss, fiber dispersion, reflections and cross-talk become more pronounced. This warrants more interest in analog-to-digital converter (ADC)-based serial link receivers, as they allow for more complex and flexible back-end digital signal processing (DSP) relative to binary or mixed-signal receivers. Utilizing this back-end DSP allows for complex digital equalization and more bandwidth-efficient modulation schemes, while also displaying reduced process/voltage/temperature (PVT) sensitivity. Furthermore, these architectures offer straightforward design translation and can directly leverage the area and power scaling offered by new CMOS technology nodes. However, the power consumption of the ADC front-end and subsequent digital signal processing is a major issue. Embedding partial equalization inside the front-end ADC can potentially result in lowering the complexity of back-end DSP and/or decreasing the ADC resolution requirement, which results in a more energy-effcient receiver. This dissertation presents efficient implementations for multi-GS/s time-interleaved ADCs with partial embedded equalization. First prototype details a 6b 1.6GS/s ADC with a novel embedded redundant-cycle 1-tap DFE structure in 90nm CMOS. The other two prototypes explain more complex 6b 10GS/s ADCs with efficiently embedded feed-forward equalization (FFE) and decision feedback equalization (DFE) in 65nm CMOS. Leveraging a time-interleaved successive approximation ADC architecture, new structures for embedded DFE and FFE are proposed with low power/area overhead. Measurement results over FR4 channels verify the effectiveness of proposed embedded equalization schemes. The comparison of fabricated prototypes against state-of-the-art general-purpose ADCs at similar speed/resolution range shows comparable performances, while the proposed architectures include embedded equalization as well

Accelerated Successive Approximation Technique for Analog to Digital Converter Design

This thesis work presents a novel technique to reduce the number of conversion cycles for Successive Approximation register (SAR) Analog to Digital Converters (ADC), thereby potentially improving the conversion speed as well as reducing its power consumption. Conventional SAR ADCs employ the binary search algorithm and they update only one bound, either the upper or lower bound, of the search space during one conversion cycle. The proposed method, referred to as the Accelerated-SAR or A-SAR, is capable of updating both the lower and upper bounds in a single conversion cycle. Even in cases that it can update only one bound, it does more aggressively. The proposed technique is implemented in a 10-bit SAR ADC circuit with 0.5V power supply and rail-to-rail input range. To cope with the ultra-low voltage design challenge, Time-to-Digital conversion techniques are used in the implementation. Important design issues are also discussed for the charge scaling array and Voltage Controlled Delay Lines (VCDL), which are important building blocks in the ADC implementation

Design of High-Speed Power-Efficient A/D Converters for Wireline ADC-Based Receiver Applications

Serial input/output (I/O) data rates are increasing in order to support the explosion in network traffic driven by big data applications such as the Internet of Things (IoT), cloud computing and etc. As the high-speed data symbol times shrink, this results in an increased amount of inter-symbol interference (ISI) for transmission over both severe low-pass electrical channels and dispersive optical channels. This necessitates increased equalization complexity and consideration of advanced modulation schemes, such as four-level pulse amplitude modulation (PAM-4). Serial links which utilize an analog-to-digital converter (ADC) receiver front-end offer a potential solution, as they enable more powerful and flexible digital signal processing (DSP) for equalization and symbol detection and can easily support advanced modulation schemes. Moreover, the DSP back-end provides robustness to process, voltage, and temperature (PVT) variations, benefits from improved area and power with CMOS technology scaling and offers easy design transfer between different technology nodes and thus improved time-to-market. However, ADC-based receivers generally consume higher power relative to their mixed-signal counterparts because of the significant power consumed by conventional multi-GS/s ADC implementations. This motivates exploration of energy-efficient ADC designs with moderate resolution and very high sampling rates to support data rates at or above 50Gb/s. This dissertation presents two power-efficient designs of ≥25GS/s time-interleaved ADCs for ADC-based wireline receivers. The first prototype includes the implementation of a 6b 25GS/s time-interleaved multi-bit search ADC in 65nm CMOS with a soft-decision selection algorithm that provides redundancy for relaxed track-and-hold (T/H) settling and improved metastability tolerance, achieving a figure-of-merit (FoM) of 143fJ/conversion step and 1.76pJ/bit for a PAM-4 receiver design. The second prototype features the design of a 52Gb/s PAM-4 ADC-based receiver in 65nm CMOS, where the front-end consists of a 4-stage continuous-time linear equalizer (CTLE)/variable gain amplifier (VGA) and a 6b 26GS/s time-interleaved SAR ADC with a comparator-assisted 2b/stage structure for reduced digital-to-analog converter (DAC) complexity and a 3-tap embedded feed-forward equalizer (FFE) for relaxed ADC resolution requirement. The receiver front-end achieves an efficiency of 4.53bJ/bit, while compensating for up to 31dB loss with DSP and no transmitter (TX) equalization

Design Techniques for High-Performance SAR A/D Converters

The design of electronics needs to account for the non-ideal characteristics of the device technologies used to realize practical circuits. This is particularly important in mixed analog-digital design since the best device technologies are very different for digital compared to analog circuits. One solution for this problem is to use a calibration correction approach to remove the errors introduced by devices, but this adds complexity and power dissipation, as well as reducing operation speed, and so must be optimised. This thesis addresses such an approach to improve the performance of certain types of analog-to-digital converter (ADC) used in advanced telecommunications, where speed, accuracy and power dissipation currently limit applications. The thesis specifically focuses on the design of compensation circuits for use in successive approximation register (SAR) ADCs. ADCs are crucial building blocks in communication systems, in general, and for mobile networks, in particular. The recently launched fifth generation of mobile networks (5G) has required new ADC circuit techniques to meet the higher speed and lower power dissipation requirements for 5G technology. The SAR has become one of the most favoured architectures for designing high-performance ADCs, but the successive nature of the circuit operation makes it difficult to reach ∼GS/s sampling rates at reasonable power consumption. Here, two calibration techniques for high-performance SAR ADCs are presented. The first uses an on-chip stochastic-based mismatch calibration technique that is able to accurately compute and compensate for the mismatch of a capacitive DAC in a SAR ADC. The stochastic nature of the proposed calibration method enables determination of the mismatch of the CAPDAC with a resolution much better than that of the DAC. This allows the unit capacitor to scale down to as low as 280aF for a 9-bit DAC. Since the CAP-DAC causes a large part of the overall dynamic power consumption and directly determines both the sizes of the driving and sampling switches and the size of the input capacitive load of the ADC and the kT/C noise power, a small CAP-DAC helps the power efficiency. To validate the proposed calibration idea, a 10-bit asynchronous SAR ADC was fabricated in 28-nm CMOS. Measurement results show that the proposed stochastic calibration improves the ADC’s SFDR and SNDR by 14.9 dB, 11.5 dB, respectively. After calibration, the fabricated SAR ADC achieves an ENOB of 9.14 bit at a sampling rate of 85 MS/s, resulting in a Walden FoM of 10.9 fJ/c-s. The second calibration technique is a timing-skew calibration for a time-interleaved (TI) SAR ADC that calibrates/computes the inter-channel timing and offset mismatch simultaneously. Simulation results show the effectiveness of this calibration method. When used together, the proposed mismatch calibration technique and the timing-skew calibration technique enables a TI SAR ADC to be designed that can achieve a sampling rate of ∼GS/s with 10-bit resolution and a power consumption as low as ∼10mW; specifications that satisfy the requirements of 5G technology

8-bit 1 Gs/s Adc Architecture And 4-bit Flash Adc For +10 Gs/s Time Interleaved Adc In 65nm Cmos Technology

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2015Haberleşme sistemlerinin veri aktarım sıklıkları ve bant genişlikleri sürekli olarak artmaktadır. Sayısal yarıiletken teknolojilerindeki gelişmeler, haberleşme sistemlerindeki işaret işleme kısımlarını sayısal domenine almıştır. Sayısal işaret işlemenin avantajları, ideal olmayan durumlara yüksek tolerans, gerçekleme kolaylığı, bir fonksiyonu gerçeklemek için gereken alanın dolayısıyla maliyetin düşük olması ve yeni teknolojilere taşınabilme olarak sayılabilir. Bu avantajlardan faydalanmak için analog işaretleri sayısal domene almada köprü görevi görecek yüksek hızlı analog-sayısal dönüştürücülere(ADC) ihtiyaç vardır. Kablolu ve kablosuz haberleşme teknolojilerinde 10 GHz'yi de aşan bant genişlikleri tek kanallı ADCleri bu iş için elverişsiz kılmaktadır. Zaman aralıklı ADCler gerek ulaşabilecekleri dönüştürme hızı gerek güç verimliliği açısından iyi bir aday olarak karşımıza çıkar. Zaman aralıklama, tek kanallı eş ADClerin sıra ile kullanılması esasına dayanmaktadır. Sıradaki örneği alan ADC, sıra tekrar kendisine gelene kadar bu örneği dönüştürür. Dolayısıyla toplam dönüştürme hızı, tek bir dönüştürücünün hızı ile kanal sayısının çarpımı kadar olmaktadır. Bu şekilde yüksek dönüştürme hızları elde edilebilir. Ayrıca bu şekilde tek kanal ADCler daha fazla hız elde etmek için güç bakımından verimsiz oldukları noktalara itilmez ve daha verimli yapılar ortaya çıkar. Zaman aralıklı ADClerdeki kanal uyumsuzlukları performansı düşürmektedir. Bu hatalar temel olarak dengesizlik, kazanç ve zamanlama uyumsuzluklarından ileri gelmektedir. Zamanlama hataları kestirilmeleri ve düzeltilmeleri noktasında diğerlerinden daha zorludur ve bu durum yüksek frekanslarda daha da zorlaşmaktadır. Zaman aralıklı ADClerdeki zamanlama hatalarının kestirilmeleri ve düzeltilmeleri güncel bir araştırma konusu teşkil etmektedir. Hataların kalibrasyonu ön planda veya arka planda yapılabilir. Arka planda yapılan kalibrasyon sistemin işlerliği ile ilgili herhangi bir sıkıntı yaratmaması ve değişen çevre şartlarına uyum sağlayabilme esnekliği açısından daha avantajlıdır. Zaman aralıklama hataları frekans spektrumunda çıkıntılar(spur) oluşturmaktadır. Bu çıkıntılar, güçlü olmaları durumunda alıcı kısmındaki devreleri sıkıştırma noktasına iterek modülasyonlu işaretlerin sezilmesini zorlaştırabilir veya giriş işaretini tamamen engelleyebilirler. Dolayısıyla kanal uyumsuzluk hataları özellikle kablosuz haberleşme sistemleri için sorun teşkil etmektedir. Bu sorunlardan kurtulmak için kanalları rastgele kullanmaya dayanan bir teknik önerilmiştir. Bu teknik ile kanallardan kaynaklanan hatalar çıkışa rastgele bir sırayla etki yaptıklarından gürültü gibi bir karaktere geçerler. Dolayısıyla frekans spektrumundaki çıkıntılar söndürülmüş olur. Tekniğin bir diğer avantajı arka planda çalışmasıdır. Ancak dikkat edilmelidir ki bu teknik bir hata düzeltme tekniği değildir, dolayısıyla sistemin işaretgürültü oranını iyileştirmemektedir. Kanal uyumsuzluk hatalarının kestirilmesi gibi, saat işaretlerinin dağıtılması da artan kanal sayısı ile zorlaşmaktadır. Ayrıca yüksek kanal sayısına sahip olan zaman aralıklı ADClerde saat işareti dağıtımının tükettiği güç yüksek seviyelere ulaşabilir. Belli bir dönüştürme hızı için kanal sayısını düşük tutmak ise kanal ADClerinin dönüştürme hızlarını arttırmak ile mümkündür. ADClerin hızları yüksek tutulurken aynı zamanda güç verimliliği de yüksek tutulmalıdır. Bu hedefler doğrultusunda 8-bit 1 GS/s bir çevrimde birden fazla bit dönüştüren bir SAR ADC yapısı önerilmiştir. Bir çevrimde birden fazla bit dönüştüren SAR ADCler, tek kanalda yüksek hızlara çıkmak konusunda sıkça kullanılan bir yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır. Bunun yanında ilk üç en anlamlı bit bir flash ADC ile dönüştürüldüğünden önemli hız kazanımları elde edilir. Flash ADC çıkışında bir kod çözücü yapısı kullanılmaması da zaman kazanımında etkilidir. Önerilen ADC yapısında özgün bir dönüştürme algoritması kullanılmaktadır. Algoritma temel olarak, dönüştürme fazlarına fazladan seviyeler eklemek ve fazların aralıklarını kesiştirmek sureti ile devre bloklarının hata toleranslarını arttırmasına dayanmaktadır. Bu nedenle herhangi bir kalibrasyon sistemine ihtiyaç duyulmaz dolayısıyla güç tüketimi azaltılabilir. Bu yapının gerçeklenebilmesi için çoklu seviye üreten bir ön kuvvetlendirici önerilmiştir. Önerilen ön kuvvetlendirici yapısı nedeniyle, algoritmadaki farklı fazlar için tek bir ön kuvvetlendirici kullanılabilmektedir. Bu sayede farklı ön kuvvetlendiricilerden kaynaklanacak dengesizlik uyumsuzluklarının da önüne geçilmiş olur. Yüksek hızlı veri dönüştürücülerin gerçeklenmesindeki en etkili devre bloğu, kendisi de 1 bitlik bir ADC olarak sayılabilecek karşılaştırıcı devreleridir. Karşılaştırıcı devresinin hızı, doğruluğu ve güç tüketimi bir ADCnin ilgili performans parametrelerini doğrudan etkilemektedir. Yüksek karşılaştırma hızlı özgün bir gömülü ön kuvvetlendiricili karşılaştırıcı devre önerilmiştir. Yapı geleneksel dinamik sezme kuvvetlendiricisi devresi temel alınarak tasarlanmıştır. Ek olarak giriş farksal kuvvetlendirici bölümüne bir statik akım kaynağı bağlanmıştır. Bu şekilde dinamik karşılaştırıcı yapısına ön kuvvetlendirici gömülmüş olur. Yapı geleneksel yapılara nazaran, hız, dengesizlik, güç tüketimi ve geri tepme gürültüsü açısından iyileştirmeler içermektedir. 8-bit 1 GS/s bir çevrimde birden fazla bit dönüştüren SAR ADC yapısı, ilk 3 biti olabildiğince hızlı dönüştürmek için bir flash ADC yapısı kullanmaktadır. Flash ADC yapılarının önemli hız avantajlarına rağmen, karşılaştırıcı devrelerin dengesizlik ve geri tepme gürültüsü performansı düşürmektedir. Önerilen gömülü ön kuvvetlendiricili karşılaştırıcı devresi dengesizlik performansını ve geri tepme gürültüsünü iyileştirmektedir. Ancak geri tepme gürültüsünden kaynaklanan hataları tam olarak çözmek adına, referans gerilimleri de giriş işaretleri gibi örneklenebilir. Bu teknik ile karşılaştırıcı geri tepme gürültüsünün giriş ve referans gerilimi üzerindeki etkisi eşitlenmekte ve geri tepme gürültüsünün etkisi bertaraf edilmektedir. ADC girişleri örneklenerek geldiğinden ve örnekleme devrelerindeki bir hata doğrudan ADCye iletileceğinden bu devrelerin performansı çok önemlidir. Çapraz bağlamalı anahtar tekniği kullanılarak anahtarların doğrusallığı iyileştirilmiştir. Aynı zamanda çapraz bağlama tekniği anahtar yük enjeksiyonu hatasını giriş işaretinden bağımsız hale getirmektedir. Bu durum, yukarıda bahsedilen referans örnekleme tekniği ile birleştirildiğinde flash ADC için önemli bir doğruluk iyileştirmesi sağlamaktadır. ADC blokları ST Microelectronics 65 nm CMOS teknolojisinde tasarlanmış ve serimleri yapılmıştır. Serim sonrası benzetim sonuçları tasarımların ve kullanılan tekniklerin doğruluğunu göstermektedir. Tasarlanan ADC Haziran 2015'de üretime yollanmıştır. Kasım 2015'de ölçümlere başlanması planlanmaktadır.Data rate of communication systems constantly increasing . Rapid scaling of digital semiconductor technologies has moved the signal processing of these systems to digital domain. Therefore high-speed ADCs are required to form the bridge to take the analog signals in digital domain. Data rates exceeding 10 Gbps makes the use of single channel ADCs unfeasible on this purpose. A power efficient solution is time-interleaving. Time-interleaving relaxes the speed requirements on single channel ADCs and lets designers to focus on power efficiency of the ADC. Channel mismatches in time-interleaved ADCs causes performance degradation. Errors arise mainly due to offset, gain and timing mismatch of channels. Among them, timing error is the most problematic since estimation of timing errors becomes more cumbersome in high-frequencies. Estimation and correction of timing errors in time-interleaved ADCs are hot topics of research. Calibration of errors can be on background or on foreground. Background calibration is more desirable since it allows system to adapt to changing conditions while not hindering the operation of the ADC. Time interleaving errors generate spurs on the spectrum. Spurs are problematic for the wireless communication systems, since they may block the input signal. In order to extinguish the spurs a channel randomization technique is proposed. Technique is based on randomly taking one of the ADC channels to make the errors of the channels noise-like term. It is advantageous since it works on background. Technique maintains a spur-free spectrum however does not improve the SNR of the system. Estimation of channel mismatch errors and clock distribution in a time-interleaved ADC becomes tedious as the number of channels increase. In order to keep the channel number low, channels should be fast while being power efficient. To satisfy this task, an 8-bit 1 GS/s multi-bit per cycle ADC is proposed. ADC employs a novel search algorithm based on redundancy. No calibration scheme required thanks to the algorithm therefore the power efficiency of the system can be increased. In order to realize the multi-bit per cycle structure, a multiple-threshold generation preamp is proposed. Comparators are the most important part of an ADC. Comparator specifications such as speed, accuracy and power consumption directly affect the relative specifications of the whole ADC. A novel latch with embedded preamp is proposed. Novel structure has latch regeneration time, offset, power consumption and kickback noise improvements over the conventional structures. 8-bit 1 GS/s multi-bit per cycle SAR ADC employs a flash ADC to perform the coarse conversion benefit from its speed. Although flash ADCs are fast, offset and kickback noise of comparators can penalize their accuracy. Proposed latch with embedded preamp improves the offset performance. To solve the kickback issue, reference voltages of the flash ADC are sampled. This technique is based on equalizing the kickback for both input and reference voltages therefore eliminating the effect. Sampling network of the ADC is critically important since any error made in the sampling phase directly passes to the ADC. Bootstrapped switches are used to improve the linearity of the switches. By using bootstrap switches, charge injection can be made signal independent. If it is combined with the reference sampling technique used in flash ADC, effects of charge injection can be diminished significantly. ADC blocks are designed and laid out in ST Microlectronics 65 nm process. Postlayout simulations have proven the efectiveness of the proposed techniques and blocks. Tape-out was done in July 2015. Measurements is expected to take place in November 2015.Yüksek LisansM.Sc

Design of Analog-to-Digital Converters with Embedded Mixing for Ultra-Low-Power Radio Receivers

In the field of radio receivers, down-conversion methods usually rely on one (or more) explicit mixing stage(s) before the analog-to-digital converter (ADC). These stages not only contribute to the overall power consumption but also have an impact on area and can compromise the receiver’s performance in terms of noise and linearity. On the other hand, most ADCs require some sort of reference signal in order to properly digitize an analog input signal. The implementation of this reference signal usually relies on bandgap circuits and reference buffers to generate a constant, stable, dc signal. Disregarding this conventional approach, the work developed in this thesis aims to explore the viability behind the usage of a variable reference signal. Moreover, it demonstrates that not only can an input signal be properly digitized, but also shifted up and down in frequency, effectively embedding the mixing operation in an ADC. As a result, ADCs in receiver chains can perform double-duty as both a quantizer and a mixing stage. The lesser known charge-sharing (CS) topology, within the successive approximation register (SAR) ADCs, is used for a practical implementation, due to its feature of “pre-charging” the reference signal prior to the conversion. Simulation results from an 8-bit CS-SAR ADC designed in a 0.13 μm CMOS technology validate the proposed technique

Design of an Integrated CMOS Transceiver with Wireless Power and Data Telemetry with Application to Implantable Flexible Neural Probes

Recent developments in implantable medical devices (IMDs) have created a need for communication systems integrated directly into the implant with feedback data for various sensing systems. The need for modern communication techniques, power delivery systems, and usable interfaces for smart implants present an interesting challenge for engineers trying to provide doctors and medical professionals with the best resources available for medical research. This dissertation will cover the design of an integrated CMOS transceiver and near-field inductive link used for an IMD and the accompanying CMOS front end for the application space of neural recording in the brain of lab mice. The design process of the CMOS IC, along with thinning techniques, the nearfield inductive link, and the design of an external reading system will be discussed in detail. The various wireless power and data telemetry techniques applicable for IMDs and their strengths and weaknesses will also be described. Software techniques and implementation for real-time analysis of a high data rate communication system from the designed IMD will be covered. Finally, transceiver verification will be given for both power and data telemetry under various scenarios, with front end verification performed via controlled lab bench experiments using input sinusoidal wave forms