Reference-Free CMOS Pipeline Analog-to-Digital Converters

این کتاب نشان می‌دهد که مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال با کمک دیجیتال تنها راه مقابله با عملکرد ضعیف آنالوگ ناشی از مقیاس‌بندی فناوری نیستند. این تکنیک‌های مختلف طراحی آنالوگ را تشریح می‌کند که بدون استفاده از هر نوع مدار کالیبراسیون دیجیتال، سطح و بازده انرژی را افزایش می‌دهد. این تکنیک‌ها شامل خود بایاس برای بهبود PVT، طراحی مبتنی بر اینورتر برای بهبود نسبت سرعت/قدرت، افزایش دو حاصل از مجموع ولتاژ به‌جای توزیع مجدد شارژ، و جابجایی مرجع حالت جریان به‌جای جابجایی مرجع ولتاژ است. این تکنیک‌ها با هم اجازه می‌دهند تا مساحت و راندمان توان بلوک‌های ساختمان اصلی یک مرحله مبتنی بر مبدل دیجیتال به آنالوگ (MDAC) را افزایش دهند، یعنی کوانتایزر فلاش، تقویت‌کننده و شبکه خازن سوئیچ‌شده MDAC. با تکمیل تحلیل‌های نظری تکنیک‌های مختلف، یک تقویت‌کننده ترانس رسانایی عملیاتی کارآمد پیاده‌سازی شده و به صورت تجربی مشخص می‌شود. علاوه بر این، یک خط لوله با رزولوشن متوسط-کم بدون مرجع با سرعت بالا با زمان درهم ADC که از تمام تکنیک‌ها و مدارهای طراحی ذکر شده استفاده می‌کند، ارائه، پیاده‌سازی و به صورت تجربی مشخص می‌شود. گفته می شود که این ADC بدون مرجع است زیرا مانع از هرگونه ولتاژ مرجع می شود، بنابراین در مصرف برق و مساحت صرفه جویی می شود، زیرا مدارهای مرجع ضروری نیستند. نتایج تجربی پتانسیل تکنیک‌هایی را نشان می‌دهد که اجرای مدارهای کارآمد منطقه و توان را ممکن می‌سازد.

This book shows that digitally assisted analog to digital converters are not the only way to cope with poor analog performance caused by technology scaling. It describes various analog design techniques that enhance the area and power efficiency without employing any type of digital calibration circuitry. These techniques consist of self-biasing for PVT enhancement, inverter-based design for improved speed/power ratio, gain-of-two obtained by voltage sum instead of charge redistribution, and current-mode reference shifting instead of voltage reference shifting. Together, these techniques allow enhancing the area and power efficiency of the main building blocks of a multiplying digital-to-analog converter (MDAC) based stage, namely, the flash quantizer, the amplifier, and the switched capacitor network of the MDAC. Complementing the theoretical analyses of the various techniques, a power efficient operational transconductance amplifier is implemented and experimentally characterized. Furthermore, a medium-low resolution reference-free high-speed time-interleaved pipeline ADC employing all mentioned design techniques and circuits is presented, implemented and experimentally characterized. This ADC is said to be reference-free because it precludes any reference voltage, therefore saving power and area, as reference circuits are not necessary. Experimental results demonstrate the potential of the techniques which enabled the implementation of area and power efficient circuits.