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 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Analoges Mittelwert für Code 0 ADC Eigenschaften ADC Eigenschaften: 1) Geschwindigkeit 2) Genauigkeit (Accuracy) max Signal / max (INL, DNL, Noise) 3) Leistungsverbrauch 4) Auflösung (Resolution) (number of output bits) Code Vin-Code*Slope Perfekt Vin DNL Realistisch 1 2 3 Vin Vin Analoges Mittelwert für Code 0 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Flash ADC  Schnell  Hoher Leistungsverbrauch ~ SNR3 KL Ain Dout Komparator Widerstände Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

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

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

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

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

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

Ladungsinjektion Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs N

Ladungsinjektion Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs N

Ladungsinjektion Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs N

Ladungsinjektion Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs N

Ladungsinjektion Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs N

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Rauschen Ein Freiheitsgrad! Die Zahl der Freiheitsgrade eines Systems spielt in der Thermodynamik eine Rolle, da sich die Energie gleichmäßig auf die einzelnen Freiheitsgrade verteilt Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

Integrating dual-slope ADC -Vin R Ref A C AND CNT Thr Clk Vout v Thr T1 T2 T Zeit wird “gezählt” Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Integrator Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs C C C A

Stromquelle als Last Vgs3 Ids Vgs2 Vgs1 Vdssat Vds Vgs<Vt Spannungsverstärkung ist größer für kleinere Biasströme Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ADC mit gewichteten Kondensatoren Vin Vref Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren K 8C 4C 2C C C Vin Vin Vref Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren K 8C 4C 2C C C Vin Vin Vref Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren -Vin K 8C 4C 2C C C 1 Vin Vref Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren -Vin K 8C 4C 2C C C 1 Vin Vref Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren -Vin+Vre/2 K 8C 4C 2C C C 0 oder 1 Vref Vin Vref Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren -Vin+Vre/2 K 8C 4C 2C C C 0! Vref Vin Vref Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren -Vin K 8C 4C 2C C C 1 Vref Vin Vref Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren -Vin+Vref/4 K 8C 4C 2C C C 0 oder 1 Vin Vref Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren -Vin+Vref/4 K 8C 4C 2C C C 1 Vin Vref Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren -Vin+Vref/4+Vref/8 K 8C 4C 2C C C 0 oder 1 Vin Vref Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren -Vin+Vref/4+Vref/8 K 8C 4C 2C C C 1 Vin Vref Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren -Vin+Vref/4+Vref/8 K 8C 4C 2C C C 0 oder 1 Vin Vref Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren -Vin+Vref/4+Vref/8 K 8C 4C 2C C C 1 Vin Vref Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren -Vin+Vref/4+Vref/8 K 8C 4C 2C C C 1 Vin Vref ADC = 0111 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Zyklische AD Konversion - Algorithmus Vin>0 nein ja B(n-i) = 1 B(n-i) = 0 Vin=2(Vin-Ref/4) Vin=2(Vin+Ref/4) i = i +1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

4-bit Subranging ADC Vin, Vdac + Ain SH 2bit ADC 2bit DAC 2bit ADC X4 + - x N1 N2 1 2 3 Vin x Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

4-bit Subranging ADC Vin, Vdac + 2bit ADC 2bit DAC 2bit ADC X4 - x 1 2 3 Vin x Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

4-bit Subranging ADC Vin, Vdac + 2bit ADC 2bit DAC 3bit ADC X2 - x 1 2 3 Vin x Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

3-bit Subranging ADC Vin, Vdac + 1.5bit ADC 1.5bit DAC 1.5bit ADC X2 - x Vin -1 1 x Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Algorithmischer ADC Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Vin, Vdac + 1.5bit ADC 1.5bit DAC X2 - x Vin -1 1 x Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

 - ADC Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Vin, Vdac + 1bit ADC 1bit DAC - x Vin Half range 1 x Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

 - ADC Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs 1bit ADC 1bit DAC Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

 - ADC Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs 1bit ADC 1bit DAC Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Switched Capacitor Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs V1 V2 f1 f2 V1 V2 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

<I>=(V1-V2)XCXfCK Switched Capacitor f1 f2 f1 f2 V1 V2 V1 V2 Q=V1XC ΔQ=(V1-V2)XC Q=V2XC <I>=(V1-V2)XCXfCK Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

Ladungspumpe Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs f1 f1 V1 V2 f2 f2 V2* V2* Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

Negativer Widerstand f1 f2 V1 V2 f2 f1 V2* V2* Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Negativer Widerstand Q=(V1-V2)C Q=(V1-V2)C f1 f2 f1 f2 V1 V2 V1 V2 f2 f1 f2 f1 V2* V2* V2* V2* 1/R=-C Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Negativer Widerstand V1 V2 V1 V2 V2* V2* V2* V2* 1/R=-C Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Verstärker – Switched Capacitor Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

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

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

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

Constant Resistance Floating Switch Principle Vin+Vdd Vdd Q Q Vin Vin Off State On State Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

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

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

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

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

Pipeline and Cyclic ADC Ck1 Ck2 Ck1 Ck2 Ck1 Ck2 Ck1 Ck2 Cyclic Needs two iputs and sample signal In S Ck1 Ck2 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

Cyclic ADC Cell Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs 1 Ck2 Ck1 Ck2 Ck1del -Vref +Vref Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Cyclic ADC Cell 1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

Cyclic ADC Cell 2 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

Schnellere Schaltung 1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

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

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

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

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

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

Fully Differential Amplifier with CM Feedback Folded Cascode Amplifier CM Feedback InN InP OutP OutN OutN CM OutP Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

3-Stage Pseudo-Differential Amplifier OutP OutN InN CM InP Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

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

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

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

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

Auto-Zero Feedback Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs