Analog-Digital Wandler

Präsentation zum Thema: "Analog-Digital Wandler"—  Präsentation transkript:

1 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

2 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

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

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

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

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

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

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

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

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

11 Ladungsinjektion Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs N

12 Ladungsinjektion Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs N

13 Ladungsinjektion Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs N

14 Ladungsinjektion Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs N

15 Ladungsinjektion Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs N

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

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

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

19 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

20 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

21 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

22 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

23 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

24 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

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

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

27 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

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

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

30 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

31 Integrator Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs C C C A

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

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

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

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

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

37 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

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

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

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

41 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

42 ADC mit gewichteten Kondensatoren
Vin Vref Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

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

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

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

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

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

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

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

52 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

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

54 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

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

56 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

57 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

58 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

59 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

60 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

61 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

62 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

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

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

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

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

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

68 <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

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

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

71 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

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

73 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

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

75 Verstärker – Switched Capacitor
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

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

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

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

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

82 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

83 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

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

85 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

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

87 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

88 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

89 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

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

91 Cyclic ADC Cell 1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

93 Cyclic ADC Cell 2 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

95 Schnellere Schaltung 1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

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

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

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

101 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

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

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

104 3-Stage Pseudo-Differential Amplifier
OutP OutN InN CM InP Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

105 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

106 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

107 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

108 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

109 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

110 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

111 Auto-Zero Feedback Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs