1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Analog-Digital Wandler
Integrating single-slope and dual-slope ADCs Flash ADC ADCs basiert auf sukzessiven Approximationen Subranging ADCs Zyklischer ADC Sigma-Delta ADC
2Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
ADC Eigenschaften ADC Eigenschaften: 1) Geschwindigkeit 2) Genauigkeit (Accuracy) max Signal / max (INL, DNL, Noise) 3) Leistungsverbrauch 4) Auflösung (Resolution) (number of output bits)
0 1 2 3 Vin
Vin
Vin
DNL
Code
Analoges Mittelwert für Code 0
Vin-Code*Slope Perfekt
Realistisch
3Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Flash ADC Schnell Hoher Leistungsverbrauch ~ SNR3
KL
Ain
Dout
Flash ADC
KomparatorWiderstände
4Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Einfacher komparator Geschwindigkeit ~ Ibias/C Fehlerquelle: Mismatch zwischen
Transistoren
InN InP Out
5Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Matching
Matching hängt von Transistorfläche ab!
)('ThGSox VV
L
WCI
)4
(4' Thi
GSoxges
VV
L
WCI
2/4 ThiThi VV
WLVThi ~
6Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Rauschen
Die Zahl der Freiheitsgrade eines Systems spielt in der Thermodynamik eine Rolle, da sich die Energie gleichmäßig auf die einzelnen Freiheitsgrade verteilt
2
2
1CuE kTE
2
1
kTuCE2
1
2
1 2
C
kTu 2
Ein Freiheitsgrad!
7Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Single-Slope ADCs Einfach Gute Genauigkeit Langsam
CVIn
Ramp
AND
Clk
CNT
VIn Ramp
Zeit wird “gezählt”
8Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Integrating single-slope ADCs
AC
-Vin
Thr AND
Clk
CNT
R
C
T
v
RC
V
T
V inth Zeit wird “gezählt”
Thr
Vout
Vout
9Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Integrating dual-slope ADC
A
-Vin
Ref
AND
Clk
CNT
R
C
RC
V
T
V in
ref
max
RC
V
T
V ref
meas
max
ref
in
ref
meas
V
V
T
T
CThr
Zeit wird “gezählt”
Vout
Tref Tmeas
MSB
MSB
refref
measin V
T
TV
10Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
ADC basiert auf sukzessiven Approximationen
DACK
Ain
D?
Komparator
11Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
ADC basiert auf sukzessiven Approximationen - Algorithmus
B(n-i) = 1VDA+=Vref/2i
B(n-i) = 0
i = i +1
neinVin>VDA
Zeit
VDA
Vin
Vref
i=1VDA=0
B(n-i) = 1VDA-=Vref/2i
12Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
DAC – Realisierung mit Stromquellen
KL
Din
Aout
13Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
DAC - Matching
KL
Din
Aout
)('ThGSox VV
L
WCI
)( ThGS
Th
VV
dV
I
dI
L
WC
I
dV
I
dIox
Th
WLdVTh /1~
14Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Realisierung der Logik
DACK
Ain
?
State Maschine
Ready
Eval
If(Ready&Start) D=1If(Eval) D=comp
Else D=Q
Stop
StartIn
StartOut
Reset
Reset
StartInReady Eval Stop
Ready Eval Stop
0 1 1/0
Ck
Ck
StartIn
StartOut
D Q
Q
15Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
ADC mit gewichteten Kondensatoren
KCC2C4C8C
Vin Vref
16Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
ADC mit gewichteten Kondensatoren
KCC2C4C8C
Vin Vref
0
Vin
17Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
ADC mit gewichteten Kondensatoren
KCC2C4C8C
Vin Vref
0
Vin
18Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
ADC mit gewichteten Kondensatoren
KCC2C4C8C
Vin Vref
-Vin
0
1
19Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
ADC mit gewichteten Kondensatoren
KCC2C4C8C
Vin Vref
-Vin
0
1
20Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
ADC mit gewichteten Kondensatoren
KCC2C4C8C
Vin Vref
-Vin+Vre/2
Vref
0 oder 1
21Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
ADC mit gewichteten Kondensatoren
KCC2C4C8C
Vin Vref
-Vin+Vre/2
Vref
0!
22Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
ADC mit gewichteten Kondensatoren
KCC2C4C8C
Vin Vref
-Vin
Vref
1
23Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
ADC mit gewichteten Kondensatoren
KCC2C4C8C
Vin Vref
-Vin+Vref/4
0
0 oder 1
24Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
ADC mit gewichteten Kondensatoren
KCC2C4C8C
Vin Vref
-Vin+Vref/4
0
1
25Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
ADC mit gewichteten Kondensatoren
KCC2C4C8C
Vin Vref
-Vin+Vref/4+Vref/8
0
0 oder 1
26Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
ADC mit gewichteten Kondensatoren
KCC2C4C8C
Vin Vref
-Vin+Vref/4+Vref/8
0
1
27Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
ADC mit gewichteten Kondensatoren
KCC2C4C8C
Vin Vref
-Vin+Vref/4+Vref/8
0
0 oder 1
28Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
ADC mit gewichteten Kondensatoren
KCC2C4C8C
Vin Vref
-Vin+Vref/4+Vref/8
0
1
29Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
ADC mit gewichteten Kondensatoren
KCC2C4C8C
Vin Vref
-Vin+Vref/4+Vref/8
0
1
ADC = 0111
30Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Asynchroner ADC
KC2C4C8C
StartIn
Comp
Finish
~Reset
Ready
OR
0
StartIn & ~ Finish & ~Done
1
Done
DoneDone & Hi & ~Finish
Hi
Lo
Res StartOutRes
In
Sample
Res Res
Bit
Bit1 Bit0
Asynchroner ADC: Komparator
31Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
res res
res
res
InP OutP OutNInN
32Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Asynchroner ADC
KC2C4C8C
StartIn
Comp
Finish
~Reset
Ready
OR
0
StartIn & ~ Finish & ~Done
1
Done
DoneDone & Hi & ~Finish
Hi
Lo
Res StartOutRes
In
Res Res
Bit
Bit1 Bit0
C2C4C8C
Evaluate
Sample
33Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
34Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
35Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
36Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
37Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
38Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
4-bit Subranging ADC
SH 2bit ADC 2bit DAC
+
2bit ADC
0 1 2 3
X4
ErrRNRNIn LSBLSB 21 )(4
4/)4/( 21 ErrRNNIn LSB
Ain
N1 N2
Vin, Vdac
Vinx
-
+
Vin
Err 4/)4/)22(22( 00
11
00
11 ErrRccbbIn LSB
SH
+Ain
N1 N2
39Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
4-bit Subranging ADC
2bit ADC 2bit DAC 2bit ADC
X4
0 1 2 3 Vin
Err
-
+
x
Vin
Vin, Vdac
4/)4/)22(22( 00
11
00
11 ErrRccbbIn LSB
4/)4/( 21 ErrRNNIn LSB
ErrRNRNIn LSBLSB 21 )(4
40Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
4-bit Subranging ADC
2bit ADC 2bit DAC 3bit ADC
X2
ErrRNRNIn LSBLSB 2/)(2 21
2/)4/( 21 ErrRNNIn LSB
0 1 2 3 Vin
Err
-
+
x
Vin
Vin, Vdac
+
2/)4/)222(22( 00
11
22
00
11 ErrRcccbbIn LSB
N1 N2
41Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
3-bit Subranging ADC
1.5bit ADC 1.5bit DAC 1.5bit ADC
-1 0 1
X2-
+
Vin
x
VinErrRNRNIn LSBLSB 21 )(2
2/)2/( 21 ErrRNNIn LSB
Vin, Vdac
Err
+
2/)2/)()(( 2211 ErrRcbcbIn LSB
42Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
3-bit Subranging ADC
1.5bit ADC 1.5bit DAC 1.5bit ADC
-1 0 1
X2-
+
Vin
x
VinErrRNRNIn LSBLSB 21 )(2
Vin, Vdac
Err
+
2/)2/( 21 ErrRNNIn LSB
2/)2/)()(( 2211 ErrRcbcbIn LSB
43Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Algorithmischer ADC
1.5bit ADC 1.5bit DAC
X2-
+
x
Vin
Vin
-1 0 1
Vin, Vdac
+
44Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Algorithmischer ADC
1.5bit ADC 1.5bit DAC
X2-
+
x
Vin
Vin
-1 0 1
Vin, Vdac
+1
45Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Algorithmischer ADC
1.5bit ADC 1.5bit DAC
X2-
+
x
Vin
Vin
-1 0 1
Vin, Vdac
+1
46Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Algorithmischer ADC
1.5bit ADC 1.5bit DAC
X2-
+
x
Vin
Vin
-1 0 1
Vin, Vdac
+1 2
47Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Algorithmischer ADC
1.5bit ADC 1.5bit DAC
X2-
+
x
Vin
Vin
-1 0 1
Vin, Vdac
+1 2
48Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Algorithmischer ADC
1.5bit ADC 1.5bit DAC
X2-
+
x
Vin
Vin
-1 0 1
Vin, Vdac
+2 2
49Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Algorithmischer ADC
1.5bit ADC 1.5bit DAC
X2-
+
x
Vin
Vin
-1 0 1
Vin, Vdac
+2 2
50Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Algorithmischer ADC
1.5bit ADC 1.5bit DAC
X2-
+
x
Vin
Vin
-1 0 1
Vin, Vdac
+2 3
51Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Algorithmischer ADC
1.5bit ADC 1.5bit DAC
X2-
+
x
Vin
Vin
-1 0 1
Vin, Vdac
+2 3
52Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Algorithmischer ADC
1.5bit ADC 1.5bit DAC
X2-
+
x
Vin
Vin
-1 0 1
Vin, Vdac
ErrRNRNRNRNIn LSBnLSBnLSBLSB )...))(2(2...(2 121
111 2
)2(2
n
n
i
inin
ErrN
RIn
+
111 2
)2)((2
n
n
i
iniin
Errcb
RIn
53Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Pipeline and Cyclic ADC
Ck1 Ck2 Ck1 Ck2 Ck1 Ck2 Ck1 Ck2
Ck1 Ck2
S
In
InPipeline
Cyclic Needs two iputs and sample signal
54Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
SC – Multiply by two circuit
Vin Ck1
Ck1
Ck1del
Ck2
Ck2 Ck1
Ck1del
Ck2
2Vin
Vout
55Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
SC – Multiply by two circuit
Q
Q
0V
Vin
56Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
SC – Multiply by two circuit
Q
Q
0V
Vin
57Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
SC – Multiply by two circuit
2Q
0V
Vin
0V
2Vin
58Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Subtraction of Reference Voltage
Vin Ck1
Ck1
Ck1del
Ck2
Ck2 Ck1
Ck1del
Ck2
2Vin+aVref-bVref
-Vref +Vref
Vout
59Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
ADC Cell
Vin Ck1
Ck1
Ck1del
Ck2
Ck2
-Vref +Vref-Vref/4
+Vref/4
Ld=Ck2
En -Vref
En +Vref
Vout
60Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Cyclic ADC Cell
Ck1
Ck1del
SB
Ck2
-Vref +Vref
VinS
S S
SVin
Ck2
To Comp
Ck2
Comp
61Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Cyclic ADC Cell
Ck1
Ck1delCk2
-Vref +Vref
Ck2
1
62Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Cyclic ADC Cell
1
63Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Cyclic ADC Cell
-Vref +Vref
2
64Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Cyclic ADC Cell
2
65Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Cyclic ADC Cell
-Vref +Vref
4
66Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Schnellere Schaltung
1
67Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Schnellere Schaltung
-Vref +Vref
2
68Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Schnellere Schaltung
-Vref +Vref
2
69Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Schnellere Schaltung
-Vref +Vref
4
70Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Schnellere Schaltung
-Vref +Vref
4
71Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Schnellere Schaltung
-Vref +Vref
8
72Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Cyclic ADC Cell with parallel S+A
Vin
Ck1
Ck2
-Vref +Vref
Ck2
Ck1del
VinS
S
SB
In Ck2
Ck1
Ck1
Ck2del
S
In
-Vref +VrefCk2
Comp
Ck1
Comp
To Comp
73Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Types of Amplifier
Single Input, Single Output
Fully Differential
74Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Symmetry of the Differential CircuitVinP
Ck1
Ck2
-Vref +Vref
Ck2
Ck1del
VinPS
S SB
InP Ck2
Ck1
Ck1
Ck2del
S
InP
-Vref +Vref
To Comp
VinN
Ck1
Ck2Ck1del
S
Ck2
InNInN
Ck1
Ck2delCk1
Ck2
S SB
To Comp
S
S
Ground in Single endend c. is mid point in differential circ.
75Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Fully Differential AmpVinP
Ck1
Ck2
-Vref +Vref
Ck2
Ck1del
VinPS
S SB
InP Ck2
Ck1
Ck1
Ck2del
S
InP
-Vref +Vref
To Comp
VinN
Ck1
Ck2Ck1del
S
Ck2
InNInN
Ck1
Ck2delCk1
Ck2
S SB
To Comp
S
S
76Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Common Mode BiasVinP
Ck1
Ck2
-Vref +Vref
Ck2
Ck1del
VinPS
S SB
InP Ck2
Ck1
Ck1
Ck2del
S
InP
-Vref +Vref
To Comp
VinN
Ck1
Ck2Ck1del
S
Ck2
InNInN
Ck1
Ck2delCk1
Ck2
S SB
To Comp
S
SCM CM
77Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Zyklische AD Konversion - Algorithmus
i=1
Vin=2(Vin-Ref/4) Vin=2(Vin+Ref/4)
B(n-i) = 0B(n-i) = 1
i = i +1
neinVin>0
ja
78Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Algorithmischer ADC
1bit ADC 1bit DAC
0 1
X2-
+
x
Vin
Vin
Vin, Vdac
+
111 2
22
n
n
i
inin
Errb
RIn
Err
79Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Algorithmischer ADC
1bit ADC 1bit DAC
0 1
X2-
+
x
Vin
Vin
Vin, Vdac
+
111 2
22
n
n
i
inin
Errb
RIn
Err
80Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
- ADC
1bit ADC 1bit DAC
0 1
-
+
Vin
x
Vin
In
Vin, Vdac
+ +
81Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
- ADC
1bit ADC 1bit DAC
0 1
-
+
Vin
x
Vin
In
Vin, Vdac
+ +
in1
82Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
- ADC
1bit ADC 1bit DAC
0 1
-
+
Vin
x
Vin
In
Vin, Vdac
+ +
in1
83Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
- ADC
1bit ADC 1bit DAC
0 1
-
+
Vin
x
Vin
In
Vin, Vdac
+ +
in1
in1
84Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
- ADC
1bit ADC 1bit DAC
0 1
-
+
Vin
x
Vin
In
Vin, Vdac
+ +
in1
in1
85Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
- ADC
1bit ADC 1bit DAC
0 1
-
+
Vin
x
Vin
In
Vin, Vdac
+ +
in1 - b1R + in2
in1
in1 - b1R
86Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
- ADC
1bit ADC 1bit DAC
0 1
-
+
Vin
x
Vin
In
Vin, Vdac
+ +
in1 - b1R + in2
in1
in1 - b1R
87Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
- ADC
1bit ADC 1bit DAC
0 1
-
+
Vin
ErrRbRbInIn nn ...... 11
x
Vin
In
Vin, Vdac
+ +
n
ErrRbbIn n )...( 1
88Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
- ADC
1bit ADC 1bit DAC
+ +
89Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
- ADC
1bit ADC 1bit DAC
+
90Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Ladungspumpe
f1 f2
f2 f1
V1 V2
V2* V2*
91Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Ladungspumpe
f1 f2
f2 f1
V1 V2
V2* V2*
f1 f2
f2 f1
V1 V2
V2* V2*
Q=(V1-V2)CQ=(V1-V2)C
1/R=-C
92Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Ladungspumpe
V1 V2
V2* V2*
1/R=-C
V1 V2
V2* V2*