Analog-Digital Wandler

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1 Analog-Digital Wandler
Integrating single-slope and dual-slope ADCs Flash ADC ADCs basiert auf sukzessiven Approximationen Subranging ADCs Zyklischer ADC Sigma-Delta ADC 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 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

25 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

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

27 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

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

29 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

30 StartIn & ~ Finish & ~Done
Asynchroner ADC Sample In Hi K Lo OR 8C 4C 2C C Done ~Reset Bit1 Bit0 Ready Bit StartIn & ~ Finish & ~Done StartIn 1 Comp Done Done & Hi & ~Finish Finish Res Res Res Res StartOut Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

31 Asynchroner ADC: Komparator
res InP InN OutP OutN res res res Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

32 StartIn & ~ Finish & ~Done
Asynchroner ADC Sample 8C 4C 2C C In Hi K Lo OR 8C 4C 2C C Done Evaluate ~Reset Bit1 Bit0 Ready Bit StartIn & ~ Finish & ~Done StartIn 1 Comp Done Done & Hi & ~Finish Finish Res Res Res Res StartOut Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

33 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

34 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

35 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

36 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

37 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

38 4-bit Subranging ADC Vin, Vdac + Ain SH 2bit ADC 2bit DAC 2bit ADC X4 + - N1 N2 1 2 3 Vin x Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

39 4-bit Subranging ADC Vin, Vdac + Ain SH 2bit ADC 2bit DAC 2bit ADC X4 + - N1 N2 1 2 3 Vin x Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

40 4-bit Subranging ADC Vin, Vdac + 2bit ADC 2bit DAC 3bit ADC X2 + - N1 N2 1 2 3 Vin x Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

41 3-bit Subranging ADC Vin, Vdac + 1.5bit ADC 1.5bit DAC 1.5bit ADC X2 + - Vin -1 1 x Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

42 3-bit Subranging ADC Vin, Vdac + 1.5bit ADC 1.5bit DAC 1.5bit ADC X2 + - Vin -1 1 x Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

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

46 Algorithmischer ADC Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Vin, Vdac + 1 1.5bit ADC 1.5bit DAC 2 X2 + - Vin -1 1 x Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

47 Algorithmischer ADC Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Vin, Vdac + 1 1.5bit ADC 1.5bit DAC 2 X2 + - Vin -1 1 x Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

48 Algorithmischer ADC Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Vin, Vdac + 2 1.5bit ADC 1.5bit DAC 2 X2 + - Vin -1 1 x Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

49 Algorithmischer ADC Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Vin, Vdac + 2 1.5bit ADC 1.5bit DAC 2 X2 + - Vin -1 1 x Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

50 Algorithmischer ADC Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Vin, Vdac + 2 1.5bit ADC 1.5bit DAC 3 X2 + - Vin -1 1 x Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

51 Algorithmischer ADC Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Vin, Vdac + 2 1.5bit ADC 1.5bit DAC 3 X2 + - Vin -1 1 x Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

53 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

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

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

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

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

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

59 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

60 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

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

62 Cyclic ADC Cell 1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

64 Cyclic ADC Cell 2 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

66 Schnellere Schaltung 1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

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

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

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

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

72 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

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

74 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 Ck1del Ck2del Ck1 Ck2 VinN InN InN Ck1 Ck2 Ck2 Ck1 To Comp SB S Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

75 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

76 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

77 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

91 Ladungspumpe Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
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

92 Ladungspumpe Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs V1 V2
1/R=-C Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs