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1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Analog-Digital Wandler Integrating single-slope and dual-slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach.

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1 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Analog-Digital Wandler Integrating single-slope and dual-slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet Ladungsinjektion Rauschen Flash ADC ADC basiert auf sukzessiven Approximationen Current-mode DAC Matching Charge redistribution ADC Subranging ADCs Fehlerkorrektur Zyklischer ADC Sigma-Delta ADC Switched capacitors Multiply by 2 Schaltung

2 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) 0123 Vin DNL Code Analoges Mittelwert für Code 0 Vin-Code*SlopePerfekt Realistisch

3 3Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Flash ADC Schnell Hoher Leistungsverbrauch ~ SNR 3 KL Ain Dout Flash ADC Komparator Widerstände

4 4Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Einfacher komparator Geschwindigkeit ~ Ibias/C Fehlerquelle: Mismatch zwischen Transistoren InN InPOut

5 5Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Matching Matching hängt von Transistorfläche ab!

6 6Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Komparator mit Offset-Kompensation Vref Vsig Vth f1a f1 f2 C

7 7Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Komparator mit Offset-Kompensation Vref Vsig Vth f1a=1 f1=1 f2 C Vref+Voffs Vth Rückkopplung!

8 8Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Komparator mit Offset-Kompensation Vref Vsig Vth f1a f1 f2 C Vref+Voffs Vth

9 9Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Komparator mit Offset-Kompensation Vref Vsig Vth f1a f1 f2=1 C Vref+Voffs+(Vsig-Vth) Vsig

10 10Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Komparator mit Offset-Kompensation Vref Vsig Vth f1a f1 f2=1 C Vref+Voffs+(Vsig-Vth) Vsig

11 11Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Ladungsinjektion NN

12 12Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Ladungsinjektion NN

13 13Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Ladungsinjektion NN

14 14Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Ladungsinjektion NN

15 15Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Ladungsinjektion NN

16 16Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Kompensierung von Ladungsinjektion Vref Vsig Vth f1a f1 f2 C A B C

17 17Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Kompensierung von Ladungsinjektion Vref Vsig Vth f1a=1 f1=1 f2 C Vref Vth A B C

18 18Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Kompensierung von Ladungsinjektion Vref Vsig Vth f1a f1=1 f2 C A B C Vref-QC/C Vth

19 19Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Kompensierung von Ladungsinjektion Vref Vsig Vth f1a f1 f2 C A B C Vref-QC/C-QA/Cp Vth-QA/Cp Cp

20 20Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Kompensierung von Ladungsinjektion Vref Vsig Vth f1a f1 f2=1 C A B C Vref-QC/C+(Vsig-Vth) Vsig Cp

21 21Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Zweistufiger Komparator Vref f1aa=1 Vref Vsig Vth f1a=1 f1=1 f2 C Vref Vth A B C C2 D

22 22Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Zweistufiger Komparator Vref f1aa=1 Vref Vsig Vth f1a f1=1 f2 C A B C Vref-QC/C Vth C2 D

23 23Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Zweistufiger Komparator Vref f1aa Vref-QD/C2 Vref Vsig Vth f1a f1=1 f2 C A B C Vref-QC/C Vth C2 D

24 24Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Zweistufiger Komparator Vref f1aa Vref-QD/C2-A1(Vsig-Vth) C2 D Vref Vsig Vth f1a f1 f2=1 C A B C Vref-QC/C+(Vsig-Vth) Vsig Cp

25 25Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Volldifferentieller Komparator f1aa VsigP VthP f1a f1 f2 VsigN VthN f1 f2 f1af1aa

26 26Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Komparator mit positiver Rückkopplung VsigP VthP f1a f1 f2 VsigN VthN f1 f2 f1a f1aa f2a

27 27Ausgewählte 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 verteiltThermodynamik Energie Ein Freiheitsgrad!

28 28Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Single-Slope ADCs Einfach Gute Genauigkeit Langsam C VIn Ramp AND Clk CNT VIn Ramp Zeit wird gezählt

29 29Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Integrating single-slope ADCs A C -Vin Thr AND Clk CNT R C T v Zeit wird gezählt Thr Vout

30 30Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Integrating dual-slope ADC A -Vin Ref AND Clk CNT R C T v C Thr Zeit wird gezählt Thr Vout T1T2

31 31Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Integrator A C A C A C A C A C

32 32Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Stromquelle als Last Spannungsverstärkung ist größer für kleinere Biasströme Ids VdsVdssat Vgs1 Vgs2 Vgs3 Vgs

33 33Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Stromquelle als Last V I Vin Vout TL

34 34Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Common-Source Verstärker Eingang Ausgang Rg Rd||Rds Cg Cf Cd

35 35Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Integrator (Rg, Rd -> ) Eingang Ausgang Rg Rd||Rds Cg Cf Cd

36 36Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC basiert auf sukzessiven Approximationen DAC K Ain D ? DAC Komparator

37 37Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC basiert auf sukzessiven Approximationen - Algorithmus i=1 VDA=Vref/2 VDA=VDA+Ref/2 i+1 VDA=VDA-Ref/2 i+1 B(n-i) = 0B(n-i) = 1 i = i +1 nein Vin>VDA ja

38 38Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs DAC – Realisierung mit Stromquellen KL Din Aout

39 39Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs DAC - Matching KL Din Aout

40 40Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Realisierung der Logik DAC K Ain D ? DAC K Ain D ? 1 Schieberegister Latch Kombinatorische Logik

41 41Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC basiert auf sukzessiven Approximationen – Algorithmus2 i=1 VDA=Vref/2 Vin=Vin-Ref/2 i+1 Vin=Vin+Ref/2 i+1 B(n-i) = 0B(n-i) = 1 i = i +1 nein Vin>Vref/2 ja

42 42Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref

43 43Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref 0 Vin

44 44Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref 0 Vin

45 45Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin 0 1

46 46Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin 0 1

47 47Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin+Vre/2 Vref 0 oder 1

48 48Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin+Vre/2 Vref 0!

49 49Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin Vref 1

50 50Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin+Vref/4 0 0 oder 1

51 51Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin+Vref/4 0 1

52 52Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin+Vref/4+Vref/8 0 0 oder 1

53 53Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin+Vref/4+Vref/8 0 1

54 54Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin+Vref/4+Vref/8 0 0 oder 1

55 55Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin+Vref/4+Vref/8 0 1

56 56Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin+Vref/4+Vref/8 0 1 ADC = 0111

57 57Ausgewählte 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 nein Vin>0 ja

58 58Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs 4-bit Subranging ADC SH2bit ADC2bit DAC + 2bit ADC 0123 X4 Ain N1N2 Vin, Vdac Vin x x- +

59 59Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs 4-bit Subranging ADC 2bit ADC2bit DAC2bit ADC X Vin x- + x Vin, Vdac

60 60Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs 4-bit Subranging ADC 2bit ADC2bit DAC3bit ADC X Vin x- + x Vin, Vdac

61 61Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs 3-bit Subranging ADC 1.5bit ADC1.5bit DAC1.5bit ADC 01 X2 x- + Vin x Vin, Vdac

62 62Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Algorithmischer ADC 1.5bit ADC1.5bit DAC X2 x- + x Vin 01 Vin, Vdac

63 63Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Algorithmischer ADC 1bit ADC1bit DAC 0 1 X2 x- + x Vin Vin, Vdac

64 64Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs - ADC 1bit ADC1bit DAC 0 1 x- + Vin x Half range Vin, Vdac

65 65Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs - ADC 1bit ADC1bit DAC

66 66Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs - ADC 1bit ADC1bit DAC

67 67Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Switched Capacitor f1 f2 V1V2 V1V2

68 68Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Switched Capacitor f1 f2 V1V2 f1 f2 V1V2 Q=V1XC Q=V2XC Δ Q=(V1-V2)XC =(V1-V2)XCXf CK

69 69Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Kondensator und parasitäre Kapazitäten T B T B f1 f2 T B =(V1-V2)X(C+C T )XfCK

70 70Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Ladungspumpe f1 f2 V1V2 V2*

71 71Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Ladungspumpe f1 f2 V1V2 V2* f1 f2 V1 V2 V2* Q=(V1-V2)C 1/R=C

72 72Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Negativer Widerstand f1f2 f1 V1V2 V2*

73 73Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Negativer Widerstand f1f2 f1 V1V2 V2* f1f2 f1 V1V2 V2* Q=(V1-V2)C 1/R=-C

74 74Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Negativer Widerstand V1V2 V2* 1/R=-C V1V2 V2*

75 75Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker – Switched Capacitor

76 76Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs SC – Multiply by two circuit Vin Ck1 Ck1del Ck2 Ck1 Ck1del Ck2 2Vin Vout

77 77Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs SC – Multiply by two circuit Q Q 0V Vin

78 78Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs SC – Multiply by two circuit Q Q 0V Vin

79 79Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs SC – Multiply by two circuit 2Q 0V Vin 0V 2Vin

80 80Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs SC – Multiply by two circuit 2Q 0V Vin 0V 2Vin Floating switches

81 81Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Constant Resistance Floating Switch 0 Vdd 0 Vin QQ Vin+Vdd Principle Off StateOn State

82 82Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Constant Resistance Floating Switch Q On: Vdd Off: Vdd+Vin Off: 0 On: Vdd+Vin Off: Vdd On: Vdd+Vin On: Vdd Off: Vdd Gate: 2Vdd Gate: Vdd Gate: Vin On: Vin Off: Vin On: Vin Off: 0 Gate: Vdd+Vin Gate: 0 Practical implementation of switches Wich gate voltages do we need to control the transistors?

83 83Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Constant Resistance Floating Switch Q OnB 2Vdd Vdd 0 On OnB How to generate the gate voltages? Practical implementation of switch drivers Level shifter!

84 84Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Constant Resistance Floating Switch Q OnB 2Vdd Vdd 0 On OnB Where to connect wells? Level shifter!

85 85Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Constant Resistance Floating Switch 0-Vdd 2Vdd-Vdd Vdd-2Vdd Vdd-0 2Vdd-Vdd Vdd-2Vdd In Out Implementation of the level shifter

86 86Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Subtraction of Reference Voltage Vin Ck1 Ck1del Ck2 Ck1 Ck1del Ck2 2Vin+aVref-bVref -Vref+Vref Vout

87 87Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC Cell Vin Ck1 Ck1del Ck2 -Vref+Vref -Vref/4 +Vref/4 Ld=Ck2 En -Vref En +Vref Vout

88 88Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Pipeline and Cyclic ADC Ck1Ck2 Ck1Ck2 Ck1Ck2Ck1Ck2 Ck1Ck2 S In Pipeline CyclicNeeds two iputs and sample signal

89 89Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Cyclic ADC Cell Ck1 Ck1del SB Ck2 -Vref+Vref Vin S SS S Ck2 To Comp Ck2 Comp

90 90Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Cyclic ADC Cell Ck1 Ck1delCk2 -Vref+Vref Ck2 1

91 91Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Cyclic ADC Cell 1

92 92Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Cyclic ADC Cell -Vref+Vref 2

93 93Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Cyclic ADC Cell 2

94 94Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Cyclic ADC Cell -Vref+Vref 4

95 95Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Schnellere Schaltung 1

96 96Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Schnellere Schaltung -Vref+Vref 2

97 97Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Schnellere Schaltung -Vref+Vref 2

98 98Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Schnellere Schaltung -Vref+Vref 4

99 99Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Schnellere Schaltung -Vref+Vref 4

100 100Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Schnellere Schaltung -Vref+Vref 8

101 101Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Cyclic ADC Cell with parallel S+A Vin Ck1 Ck2 -Vref+Vref Ck2 Ck1del Vin S S SB In Ck2 Ck1 Ck2del S In -Vref+Vref Ck2 Comp Ck1 Comp To Comp

102 102Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Types of Amplifier Single Input, Single Output Fully Differential Pseudo-Differential

103 103Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Fully Differential Amplifier with CM Feedback InPInN CMOutPOutNOutPOutN CM FeedbackFolded Cascode Amplifier

104 104Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs 3-Stage Pseudo-Differential Amplifier InPInNCM OutN OutP

105 105Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Symmetry of the Differential Circuit VinP Ck1 Ck2 -Vref +Vref Ck2 Ck1del VinP S S SB InP Ck2 Ck1 Ck2del S InP -Vref+Vref To Comp VinN Ck1 Ck2 Ck1del S Ck2 InN Ck1 Ck2del Ck1 Ck2 S SB To Comp S S Ground in Single endend c. is mid point in differential circ. SignalN = (SignalN+SignalP)/2+ (SignalN-SignalP)/2

106 106Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Fully Differential Amp VinP Ck1 Ck2 -Vref +Vref Ck2 Ck1del VinP S S SB InP Ck2 Ck1 Ck2del S InP -Vref+Vref To Comp VinN Ck1 Ck2 Ck1del S Ck2 InN Ck1 Ck2del Ck1 Ck2 S SB To Comp S S

107 107Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Common Mode Bias VinP Ck1 Ck2 -Vref+Vref Ck2 Ck1del VinP S S SB InP Ck2 Ck1 Ck2del S InP -Vref+Vref To Comp VinN Ck1 Ck2 Ck1del S Ck2 InN Ck1 Ck2del Ck1 Ck2 S SB To Comp S S CM

108 108Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Pseudo-Differential Amp VinP Ck1 Ck2 -Vref+Vref Ck2 Ck1del VinP S S SB InP Ck2 Ck1 Ck2del S InP -Vref+Vref To Comp VinN Ck1 Ck2 Ck1del S Ck2 InN Ck1 Ck2del Ck1 Ck2 S SB To Comp S S CM

109 109Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Common Mode Bias VinP Ck1 Ck2 -Vref+Vref Ck2 Ck1del VinP S S SB InP Ck2 Ck1 Ck2del S InP -Vref+Vref To Comp VinN Ck1 Ck2 Ck1del S Ck2 InN Ck1 Ck2del Ck1 Ck2 S SB To Comp S S CM

110 110Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Common Mode Subcircuit VinCM Ck1 Ck2 Ck1del VinCM S S SB InCM Ck2 Ck1 Ck2del S InCM S

111 111Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Auto-Zero Feedback


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