Design Considerations for a Low-Power Control-Bounded A/D Converter

Kontrollbegrenset analog-til-digital omforming (control-bounded ADC) er et nylig introdusert konsept som skiller seg fundamentalt fra de fleste konvensjonelle omformingsarkitekturer. De lovende egenskapene ved disse omformerne har blitt studert på et teoretisk nivå i flere år, men det er, så vidt forfatteren vet, foreløpig ikke rapportert noen implementasjon av en slik omformer på transistornivå. I denne avhandlingen fører vi dette nye konseptet ett steg nærmere en fullstendig implementasjon på transistornivå. Det etablerte teoretiske rammeverket er utvidet og anvendt i analyser av ulike kretsimplementasjoner. Et egenutviklet programvarebibliotek bidrar til å effektivisere prosessen med design, simulering og evaluering av kontrollbegrensede A/D-omformere. Kretssimuleringer støtter oppunder resultatene fra den teoretiske analysen. Målet med denne avhandlingen er ikke å presentere en fullstendig implementasjon, men å utforske mulige design av en skalar, kontrollbegrenset A/D-omformer, optimalisert for lavt effektforbruk. Det viktigste resultatet fra denne avhandlingen er derfor oversikten over, og noen mulige løsninger til, kritiske designutfordringer assosiert med den aktuelle høynivåarkitekturen. Nærmere bestemt foreslås en passiv integrator, drevet av en lavstøyforsterker, som et alternativ til å plassere forsterkeren fullstendig på utsiden av A/D-omformeren. De resterende trinnene kan realiseres med Gm-C-integratorer, hvis strømforbruk vil være avhengig av den totale kapasitansen sett fra utgangen av transkonduktoren. Designutfordringer vedrørende presis addisjon av analoge signaler med små kondensatorer er studert i detalj. Spenningsaddisjon med flytende styreelektrode (eng. gate) krever færre aktive komponenter, men spenningsbuffere kan være nødvendig for å unngå problemer med uønsket ladningsflyt i kretsen. For ikke å forstyrre den kapasitive spenningsdelingen og dermed redusere ytelsen, må disse bufferene ha en utgangsmotstand på om lag 1000 Ohm. En alternativ løsning kan være å summere strømmer på transkonduktorenes utganger. Dette eliminerer behovet for spenningsbuffere, men noe ekstra kompleksitet kan være nødvendig for å implementere en liten nok transkonduktans, som er en forutsetning for lavt effektforbruk. Det er også oppdaget at en forsyvning i komparatorenes terskelspenning vil trigge harmonisk forvrengning av partals orden. Kansellering av denne terskelspenningsforsyvningen vil derfor være nødvendig i en fremtidig implementasjon. Mer detalj