University of Oulu

Speeding up the settling of switched-capacitor amplifier blocks in analog-to-digital converters

Saved in:
Author: Sun, Jia1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Electrical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 4.5 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526223902
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2019
Publish Date: 2019-11-04
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented, with the assent of the Doctoral Training Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu, for public defence in the Wetteri auditorium (IT115), Linnanmaa, on 14 November 2019, at 12 noon
Tutor: Professor Timo Rahkonen
Reviewer: Associate Professor Jan Hvolgaard Mikkelsen
Associate Professor J Jacob Wikner
Opponent: Professor Mikko Valkama
Description:

Abstract

The goal of this dissertation was to study and model the settling transient response of switched-capacitor (SC) circuit, which is the most important building block of Analog-to-Digital converters (ADCs), and to improve the settling performance of the SC circuit implemented in ADC in CMOS technology.

In the design of the SC circuit, there are common obstacles in obtaining a precise and fast settling with low power consumption. The main contribution of this thesis is to speed up different SC circuits without adding extra power consumption or to achieve the required settling precision with low power consumption.

Two solutions to reduce the power consumption of SC integrators in sigma-delta (SD) ADCs were designed and verified by simulations. These implementations are based on the passive charge redistribution technique by injecting a precalculated open-loop charge in the output of the first integrator. The injected charge was implemented either by a continuous function of the input and feedback voltages or by quantizing to three levels. In both cases, the idea is to minimize the initial transient voltage in the input of the first OTA and hence bypass the slewing of the OTA.

Another approach was proposed for the traditional SC residue circuit of the pipeline ADC, where a load capacitor is connected to the output during the evaluation phase. Here, a pre-charge of the load capacitance can be used. One proposed implementation is called the continuously controlled pre-charged technique. It pre-charges the load capacitor to the proper voltage during the previous phase, connects the pre-charged load capacitor to the output of the OTA during the evaluation phase, and hence pulls the charge sharing so that the initial input step of the OTA is instantaneously minimized. The other implementation called the minimal pre-charged method implemented for the SC residue circuit of the pipeline ADC is to simply pre-charge the load capacitor with the fixed existing voltage, minimized the spread of the initial input voltage. This proposed technique did not require any additional active components.

see all

Tiivistelmä

Kytkettyihin kapasitansseihin (SC-tekniikka) perustuvat vahvistimet ovat CMOS-tekniikkaan perustuvien analogia-digitaalimuuntimien (AD-muunnin) tärkeimpiä osia. Tämän väitöstyön tavoitteena oli tutkia ja mallittaa SC-tekniikkaan perustuvien vahvistinpiirien asettumisaikaa, ja etsiä piiriteknisiä keinoja asettumisajan nopeuttamiseksi.

SC-piirien suunnittelun suurimpia ongelmia on saavuttaa tarkka ja nopea asettuminen mahdollisimman pienellä tehonkulutuksella. Tämän työn päätuloksina on joukko keinoja, joilla voidaan nopeuttaa SC-kytkettyjen vahvistimien asettumista ilman että niiden tehonkulutusta lisätään, tai saavuttaa aiempi suorituskyky pienemmällä tehonkulutuksella. Menetelmät perustuvat siihen, että SC-piirin passiivista varausjakautumista ohjataan niin, että vahvistimen tulosolmussa oleva transientti minimoituu, jolloin vahvistin ei ajaudu virtarajoitteiselle toiminta-alueelle, vaan sen asettuminen nopeutuu merkittävästi.

Sigma-delta-tyyppiset AD-muuntimet koostuvat SC-integraattoreista, ja näiden asettumisen nopeuttamiseen kehitettiin ja varmennettiin simuloiden kaksi tapaa. Varauksen jakautumista autettiin syöttämällä erillisellä varauspumpulla transkonduktanssivahvistimen lähtösolmuun tietty, integraattorin tilasta ja tuloista riippuva varaus. Tällöin vahvistimen tulossa näkyvä alkutransientti pienenee, ja vahvistin ei ajaudu virtarajoitteiselle toiminta-alueelleen, jolloin sen asettumisvirhe pienenee merkittävästi. Varausinjektio toteutettiin kahdella eri tavalla: laskemalla tarvittava varaus joko jatkuvana funktiona tulosignaaleista, tai approksimoimalla sitä muutamalla diskreetillä tasolla.

Pipeline-tyyppisissä AD-muuntimissa peruslohko koostuu SC-kytketystä vahvistimesta, jonka kuormakapasitanssi on kytkettynä vahvistimen lähtöön asettumisen aikana. Tämän kapasitanssin esivaraaminen sopivasti tarjoaa hyvin yksinkertaisen keinon ohjata varausjakautumista niin, että vahvistimen tulossa oleva transientti saadaan minimoitua ja toiminta virtarajoitteisessa moodissa vältettyä. Tässäkin tapauksessa kehitettiin ja varmennettiin kaksi vaihtoehtoista toteutusta. Ensimmäisessä kuormakapasitanssin esivarausjännite lasketaan tulosuureiden jatkuvana funktiona erillisellä summausvahvistimella. Toisessa, hyvin minimalistisessa ratkaisussa esivaraukseen käytetään kolmea käytettävissä olevaa kiinteää jännitettä. Tämä menetelmä ei vaadi lainkaan ylimääräisiä aktiivikomponentteja.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-2390-2
ISBN Print: 978-952-62-2389-6
Issue: 719
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 213 Electronic, automation and communications engineering, electronics
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2019. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.