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1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Analog-Digital Wandler Integrating single-slope and dual-slope ADCs Flash ADC ADCs basiert auf sukzessiven.

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1 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

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 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!

7 7Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Single-Slope ADCs Einfach Gute Genauigkeit Langsam C VIn Ramp AND Clk CNT VIn Ramp Zeit wird gezählt

8 8Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Integrating single-slope ADCs A C -Vin Thr AND Clk CNT R C T v Zeit wird gezählt Thr Vout

9 9Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Integrating dual-slope ADC A -Vin Ref AND Clk CNT R C C Thr Zeit wird gezählt Vout TrefTmeas MSB

10 10Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC basiert auf sukzessiven Approximationen DAC K Ain D ? Komparator

11 11Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC basiert auf sukzessiven Approximationen - Algorithmus B(n-i) = 1 VDA+=Vref/2 i B(n-i) = 0 i = i +1 nein Vin>VDA Zeit VDA Vin Vref i=1 VDA=0 B(n-i) = 1 VDA-=Vref/2 i

12 12Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs DAC – Realisierung mit Stromquellen KL Din Aout

13 13Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs DAC - Matching KL Din Aout

14 14Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Realisierung der Logik DAC K Ain ? State Maschine Ready Eval If(Ready&Start) D=1 If(Eval) D=comp Else D=Q Stop StartIn StartOut Reset StartIn ReadyEvalStop ReadyEvalStop 011/0 Ck StartIn StartOut DQ Q

15 15Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref

16 16Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref 0 Vin

17 17Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref 0 Vin

18 18Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin 0 1

19 19Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin 0 1

20 20Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin+Vre/2 Vref 0 oder 1

21 21Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin+Vre/2 Vref 0!

22 22Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin Vref 1

23 23Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin+Vref/4 0 0 oder 1

24 24Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin+Vref/4 0 1

25 25Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin+Vref/4+Vref/8 0 0 oder 1

26 26Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin+Vref/4+Vref/8 0 1

27 27Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin+Vref/4+Vref/8 0 0 oder 1

28 28Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin+Vref/4+Vref/8 0 1

29 29Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC mit gewichteten Kondensatoren K CC2C4C8C VinVref -Vin+Vref/4+Vref/8 0 1 ADC = 0111

30 30Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Asynchroner ADC K C2C4C8C StartIn Comp Finish ~Reset Ready OR 0 StartIn & ~ Finish & ~Done 1 Done Done & Hi & ~Finish Hi Lo Res StartOut Res In Sample Res Bit Bit1Bit0

31 Asynchroner ADC: Komparator 31Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs res InPOutPOutNInN

32 32Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Asynchroner ADC K C2C4C8C StartIn Comp Finish ~Reset Ready OR 0 StartIn & ~ Finish & ~Done 1 Done Done & Hi & ~Finish Hi Lo Res StartOut Res In Res Bit Bit1Bit0 C2C4C 8C Evaluate Sample

33 33Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

34 34Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

35 35Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

36 36Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

37 37Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

38 38Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs 4-bit Subranging ADC SH2bit ADC2bit DAC + 2bit ADC 0123 X4 Ain N1N2 Vin, Vdac Vin x - +

39 SH + Ain N1N2 39Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs 4-bit Subranging ADC 2bit ADC2bit DAC2bit ADC X Vin - + x Vin, Vdac

40 40Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs 4-bit Subranging ADC 2bit ADC2bit DAC3bit ADC X Vin - + x Vin, Vdac + N1N2

41 41Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs 3-bit Subranging ADC 1.5bit ADC1.5bit DAC1.5bit ADC 01 X2 - + Vin x Vin, Vdac +

42 42Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs 3-bit Subranging ADC 1.5bit ADC1.5bit DAC1.5bit ADC 01 X2 - + Vin x Vin, Vdac +

43 43Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Algorithmischer ADC 1.5bit ADC1.5bit DAC X2 - + x Vin 01 Vin, Vdac +

44 44Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Algorithmischer ADC 1.5bit ADC1.5bit DAC X2 - + x Vin 01 Vin, Vdac + 1

45 45Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Algorithmischer ADC 1.5bit ADC1.5bit DAC X2 - + x Vin 01 Vin, Vdac + 1

46 46Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Algorithmischer ADC 1.5bit ADC1.5bit DAC X2 - + x Vin 01 Vin, Vdac + 12

47 47Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Algorithmischer ADC 1.5bit ADC1.5bit DAC X2 - + x Vin 01 Vin, Vdac + 12

48 48Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Algorithmischer ADC 1.5bit ADC1.5bit DAC X2 - + x Vin 01 Vin, Vdac + 22

49 49Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Algorithmischer ADC 1.5bit ADC1.5bit DAC X2 - + x Vin 01 Vin, Vdac + 22

50 50Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Algorithmischer ADC 1.5bit ADC1.5bit DAC X2 - + x Vin 01 Vin, Vdac + 23

51 51Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Algorithmischer ADC 1.5bit ADC1.5bit DAC X2 - + x Vin 01 Vin, Vdac + 23

52 52Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Algorithmischer ADC 1.5bit ADC1.5bit DAC X2 - + x Vin 01 Vin, Vdac +

53 53Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Pipeline and Cyclic ADC Ck1Ck2 Ck1Ck2 Ck1Ck2Ck1Ck2 Ck1Ck2 S In Pipeline CyclicNeeds two iputs and sample signal

54 54Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs SC – Multiply by two circuit Vin Ck1 Ck1del Ck2 Ck1 Ck1del Ck2 2Vin Vout

55 55Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs SC – Multiply by two circuit Q Q 0V Vin

56 56Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs SC – Multiply by two circuit Q Q 0V Vin

57 57Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs SC – Multiply by two circuit 2Q 0V Vin 0V 2Vin

58 58Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Subtraction of Reference Voltage Vin Ck1 Ck1del Ck2 Ck1 Ck1del Ck2 2Vin+aVref-bVref -Vref+Vref Vout

59 59Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ADC Cell Vin Ck1 Ck1del Ck2 -Vref+Vref -Vref/4 +Vref/4 Ld=Ck2 En -Vref En +Vref Vout

60 60Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Cyclic ADC Cell Ck1 Ck1del SB Ck2 -Vref+Vref Vin S SS S Ck2 To Comp Ck2 Comp

61 61Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Cyclic ADC Cell Ck1 Ck1delCk2 -Vref+Vref Ck2 1

62 62Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Cyclic ADC Cell 1

63 63Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Cyclic ADC Cell -Vref+Vref 2

64 64Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Cyclic ADC Cell 2

65 65Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Cyclic ADC Cell -Vref+Vref 4

66 66Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Schnellere Schaltung 1

67 67Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Schnellere Schaltung -Vref+Vref 2

68 68Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Schnellere Schaltung -Vref+Vref 2

69 69Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Schnellere Schaltung -Vref+Vref 4

70 70Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Schnellere Schaltung -Vref+Vref 4

71 71Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Schnellere Schaltung -Vref+Vref 8

72 72Ausgewählte 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

73 73Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Types of Amplifier Single Input, Single Output Fully Differential

74 74Ausgewählte 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.

75 75Ausgewählte 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

76 76Ausgewählte 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

77 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 nein Vin>0 ja

78 78Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Algorithmischer ADC 1bit ADC1bit DAC 0 1 X2 - + x Vin Vin, Vdac +

79 79Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Algorithmischer ADC 1bit ADC1bit DAC 0 1 X2 - + x Vin Vin, Vdac +

80 80Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs - ADC 1bit ADC1bit DAC Vin x In Vin, Vdac ++

81 81Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs - ADC 1bit ADC1bit DAC Vin x In Vin, Vdac ++ in1

82 82Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs - ADC 1bit ADC1bit DAC Vin x In Vin, Vdac ++ in1

83 83Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs - ADC 1bit ADC1bit DAC Vin x In Vin, Vdac ++ in1

84 84Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs - ADC 1bit ADC1bit DAC Vin x In Vin, Vdac ++ in1

85 85Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs - ADC 1bit ADC1bit DAC Vin x In Vin, Vdac ++ in1 - b1R + in2 in1 in1 - b1R

86 86Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs - ADC 1bit ADC1bit DAC Vin x In Vin, Vdac ++ in1 - b1R + in2 in1 in1 - b1R

87 87Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs - ADC 1bit ADC1bit DAC Vin x In Vin, Vdac ++

88 88Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs - ADC 1bit ADC1bit DAC ++

89 89Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs - ADC 1bit ADC1bit DAC +

90 90Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Ladungspumpe f1f2 f1 V1V2 V2*

91 91Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Ladungspumpe f1f2 f1 V1V2 V2* f1f2 f1 V1V2 V2* Q=(V1-V2)C 1/R=-C

92 92Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Ladungspumpe V1V2 V2* 1/R=-C V1V2 V2*


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