2阶增量型ADC---天津大学研究生e-Learning平台

用于CMOS图像传感器的极低电压的IncrementalADC技术研究1天津大学ASIC设计中心报告人：王鹏日期：2014.04.15目录传统Σ-ΔADC概述应用于图像传感器的IncrementalADC基于C类反相器的低电压积分器设计结果天津大学ASIC设计中心2背景概述背景简介天津大学ASIC设计中心31.CMOS图像传感器高速发展ADC精度需求提高2.CMOS工艺尺寸减小数字电路供电电压下降，但模拟电路供电电压仍然很难降低天津大学ASIC设计中心4Sigma-deltaADC优势：1.过采样2.噪声整形。3.电路匹配性要求低4.结构简单，面积小实现高精度利于小尺寸低电压的实现应用在图像传感器领域这种工作在接近直流状态的Sigma-deltaADCIncrementalADC传统sigma-delta天津大学ASIC设计中心5u(n)H(z)e(n)x(n)-++y(n)zEzNTFzUzSTFzYfs/2-fs/20Se(f)fb-fbNyquistA/DOversamplingA/D传统Σ-ΔADC与IDC6传统Σ-ΔADC1.输入输出信号为连续交流信号。2.电路匹配性要求低。3过采样和噪声整形可以实现高精度。4.应用在音频和通信领域。IncrementalADC1.输入输出信号为离散直流信号，每个采样周期需要对整个电路进行复位2.传统Σ-ΔADC中过采样N相当于IDC中单个值量化次数，N值越高，精度越高。3.有高增益需求。4应用在图像传感器和直流测量领域。5.类似于传统奈奎斯特ADC天津大学ASIC设计中心IncrementalDataConverter天津大学ASIC设计中心7•1978,Plassche首次引入了一阶增量型数据转化器结构•1985,RobertandValencic更为详尽的介绍相似的结构在低电压CMOS环境下的应用，并命名这种ADC为‘incrementalA/Dconverter’。•2004,Markus介绍了改进型的IDC,并清晰完整的解释了IDC的理论和应用，并命名为‘incrementalΔΣconverter’•2009年，YoungcheolChae等人将这种ΔΣADC应用在了CMOS图像传感器领域。1阶增量型ADC天津大学ASIC设计中心8经过N个周期：量化精度：计数器输出值量化误差：Vin111zz111zDout积分器计数器ResetResetdiVrefVE(z)11[1]NinirefiVdVVNNN121bitreflsbnNoutiirefVVDdNVnqVbit2nN1阶增量型ADC天津大学ASIC设计中心9缺点：速度慢，要实现n位精度需要个时钟周期2n1阶优点：结构简单，有很好的线性2阶增量型ADC天津大学ASIC设计中心10udout比较器Reset111zz积分器Reset111zz积分器Reset2111z滤波器Reset111z滤波器diV1V22阶前馈式增量型ADC每次量化前对积分器滤波器进行复位V1[0]=V2[0]=0.2阶增量型ADC天津大学ASIC设计中心111100111100021212121111121000[1][0][0]=[0][][]=([])[1][0][0][0][2][1][1][1][0][][]([])inrefinrefNNNinirefinirefiiiNNkinirefkkiVVVdVVdVVNVidVVidVVVVVVVVVVVNVkVidV时域分析积分器输出为2阶增量型ADC天津大学ASIC设计中心12112002[]=(1)NkrefinikirefVVNVdNNV量化公式（滤波器输出）2(1)[]2outinrefrefNNVNDVVV量化精度max222(1)bitreflsbnVVVNN量化误差2[]-2refVNqV2logN(N1)1n低电压电路实现天津大学ASIC设计中心13•尺寸减小，供电电压降低，但由于MOS管阈值电压不可能和电源电压等成比例减小（由于漏电流等原因），模拟电路的低电压仍不好实现。KeyOTAIDC调制器中主要模块为开关电容积分器低电压电路实现天津大学ASIC设计中心14传统开关电容积分器基于反相器的积分器天津大学ASIC设计中心15C类反相器OTADDTNTPVVV输入管PMOS和NMOS稳定时工作在亚阈值区，其静态电流为很低的亚阈值电流C类亚阈值反相器1DDVV基于反相器的积分器天津大学ASIC设计中心16采样阶段积分阶段(n)(n)(n1)SIIOIOCVCVCV()()11oXoffXoffoXoffCXCXoffoffVAVVAVAVVAVAVVVVAVVVAA基于反相器的积分器天津大学ASIC设计中心17反相器积分建立过程1212(t)C12OXOXoffiddTHWCLVSRWCCtLVVVV122122(t)(t)(1)OXOXWCtCLOXdWCtCLWCeLVSRIe3(t)tFoisVRVpVFet基于反相器的积分器天津大学ASIC设计中心181.5uA静态电流，极低功耗基于反相器的积分器天津大学ASIC设计中心19GaindenpendenceofaninverteronprocessvariationDCGain(dB)80828486889092949698NumberofOccurence051015202530Number改进后反相器性能标准工艺角仿真，直流增益85dB，相位裕度78°蒙特卡洛仿真显示其增益衰减到78dB设计完成天津大学ASIC设计中心20行为仿真天津大学ASIC设计中心21OSR=200，Fin=30K,调制器情况下行为仿真电路实现天津大学ASIC设计中心22CSCSCSCCCCCICIVCMVCMVCMDoutP1P1P1dP2dP1P2P1P1P2dP1dVrefhVreflP2dPrstPrstVinP1dVCMVCMVCMP2P2P2dCSCSP1P2VCM单端前馈式1位量化调制器，供电电压1V,时钟频率10MHz仿真结果天津大学ASIC设计中心23调制器加两级积分器滤波后频谱OSR=200ENOB=11.8bit仿真结果天津大学ASIC设计中心24MAXINL=0.726LSBMAXDNL=0.608LSBDCOFFSET=0.1mV天津大学ASIC设计中心25进一步工作展望下一步工作展望天津大学ASIC设计中心261.进一步优化电路性能，改进电路结构。2.补充进一步可靠性仿真。3.绘制版图和进行后仿真4.完成数字电路的搭建和综合5.完成大小论文的工作和撰写参考文献天津大学ASIC设计中心27[1]JánosMárkus,JoséSilvaandGaborC.Temes.TheoryandApplicationsofIncrementalConverters.IEEETransactionsonCircuitandSystemsI:RegularPapers.2004,51(4):678-690.[2]V.Quiquempoix,P.Deval,J.Márkus,etal.Alow-power22-bitincrementalADC[J].IEEEJournalofSolid-StateCircuits,2006,41(7):1562-1571.[3]S.Chatterjee,Y.Tsividis,andP.Kinget.0.5-VanalogcircuittechniquesandtheirapplicationinOTAandfilterdesign.IEEEJournalofSolid-StateCircuits,2005,40(12):2373–2387.[4]YoungcheolChae,GunheeHan.Lowvoltage,lowpower,inverter-basedswitched-capacitordelta-sigmamodulator[J].IEEEJournalofSolid-StateCircuits.2009,44(2):458–472.[5]F.MichelandM.S.J.Steyaert.A250mV7.5W61dBSNDRRCΔΣmodulatorusingnear-threshold-voltage-biasedinverteramplifiersin130nmCMOS.IEEEJournalofSolid-StateCircuits.2012,47(3):709-721.[6]H.Roh,H.KimandY.Choi,etal.A0.6-Vdelta-sigmamodulatorwithsub-thresholdleakagesuppressionswitches.IEEETransactionsonCircuitandSystemsII:ExpressBriefs.2009,56(11):1549-7747.[7]L.Yao,M.S.J.Steyaert,andW.Sansen.A1-V140-W88-dBaudiosigma-deltamodulatorin90-nmCMOS.IEEEJournalofSolid-StateCircuits.2004,39(11):1809-1818.[8]P.Y.Wu,V.S.-L.Cheung,andH.C.Luong.A1-V100-MS/s8-bitCMOSswitched-opamppipelinedADCusingloading-freearchitecture.IEEEJournalofSolid-StateCircuits.2007,42(4):730-738.[9]S.S.Rajput,S.S.Jamuar.Lowvoltageanalogcircuitdesigntechniques.IEEECircuitsandSystemsMagazine.2002,2(1):24-42.[10]YoungcheolChae,JiminCheon,andSeunghyunLim,etal.A2.1MPixels,120Frame/sCMOSImageSensorWithColumn-ParallelADCArchitecture[J].IEEEJournalofSolid-StateCircuits.2011,46(1):236-247.[11]K.CornelissensandM.Steyaert.DesignconsiderationsforcascadeAdc’s.IEEETransactionsonCircuitandSystemsII:ExpressBriefs.2008,55(5):389-393.[12]FangTang,BoWangandAmineBermak.80dBDynamicRange100KHzBandwidthInverter-basedΣ∆ADCforCMOSImageSensor.2012IEEEInternationalSymposiumonCircuitsandSystems(ISCAS).2012,3094–3097.[13]HaoLuo,YanHan,RayC.C.Cheung,A0.8-V230-uW98-dBDRInverter-BasedΣΔModulatorforAudioApplications[J].IEEEJournalofSolid-StateCircuits.2013，48(10):Inpress.天津大学ASIC设计中心28