Subranging-Analog/Digital-Wandler mit tiefem Leistungsverbrauch für System-on-Chip-Lösungen in Sensor-Anwendungen

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1 Subranging-Analog/Digital-Wandler mit tiefem Leistungsverbrauch für System-on-Chip-Lösungen in Sensor-Anwendungen IMES Institut für Mikroelektronik und Embedded-Systems Roman Willi

2 Inhalt - Einleitung - Anforderungen - Lösungsansätze - Funktionsweise - Realisierung - Messungen - Zusammenfassung 2 Roman Willi

3 Einleitung Wer sind wir? HSR Hochschule für Technik Rapperswil IMES Institut für Mikroelektronik und Embedded-Systems Anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC) - Full-Custom (CMOS Technologien) - Semi-Custom (CMOS Component Array und Bipolar Array) Embedded-Systems - Mikroprozessoren, Mikrokontroller und Signalprozessoren - Programmierbare Bausteine 3 Roman Willi

4 Anforderungen - Sensor-Anwendungen mit tiefem Leistungsverbrauch (Batteriebetriebene Produkte) - In Verbindung mit analoger Signalaufbereitung - In Verbindung mit digitaler Signalverarbeitung ASIC Sensor Filter ADC up 4 Roman Willi

5 Anforderungen Auflösung: 14 Bit Bereich: 0V... 3V Abtastrate: 200kS/s Leistung: möglichst klein (<< 10 mw) Flächenbedarf: < 10 mm 2 Technologie: X-FAB 0.6μm-CMOS-Prozess XC06 Versorgung: 3.3V 5 Roman Willi

6 Lösungsansätze Stand der Technik 6 Roman Willi

7 Lösungsansätze Auswahl Successive-Approximation wenig aktive Elemente Charge-Redistribution-Technik Ladungen statt Ströme 7 Roman Willi

8 Funktionsweise Charge-Redistribution Charge Redistribution C-Array C N =2 N-1 C S N C N-1 =2 N-2 C S N-1 C N-2 =2 N-3 C S N-2 C S 1b C S 1a V x S s + Successive approximation register D N V IN V MID GND V REF 8 Roman Willi

9 Funktionsweise Charge-Redistribution V MID 9 Roman Willi

10 Funktionsweise Charge-Redistribution Integral Non-Linearity (INL) INL [LSB] D Transfer Characteristic INL max Vin [V] Vin [V] (Illustration ohne Quantisierung) 10 Roman Willi

11 Funktionsweise Charge-Redistribution INL [LSB] max INL [LSB] Vin [V] Kond. Abweichung INL [LSB] max INL [LSB] Vin [V] Auflösung 11 Roman Willi

12 Funktionsweise Charge-Redistribution Fazit: Bei einer Auflösung von 14 Bit und einer Kondensatorabweichung von 1% bei Kondensator C14 würde sich einen INL Fehler von LSB ergeben. Bei einer Auflösung von 14 Bit werden 2 14 Einheitskapazitäten benötigt. Extremer Flächenbedarf Grosse Ladungen die umgeladen werden müssen (Stromverbrauch) Lange Einschwingvorgänge 12 Roman Willi

13 Funktionsweise Konzept 14-Bit Subranging/Two-Step ADC Coarse: 6-Bit Successive-Approximation-Charge-Redistribution-ADC Fine: 8-Bit Successive-Approximation-ADC mit R2R-DAC V IN S/H + Fine ADC LSB Coarse ADC DAC D MSB 13 Roman Willi

14 Funktionsweise R2R-DAC (Fine) Successive-Approximation-ADC mit R2R-DAC 14 Roman Willi

15 Funktionsweise R2R-DAC (Fine) R2R-DAC V REF S 1 S N-1 2R 2R 2R 2R R R S N V x V IN + D i Successive approximation register N D + Kleiner INL-Fehler - Leistung - Geschwindigkeit 15 Roman Willi

16 Charge Redistribution C-Array (6Bit) COARSE: Charge Redistribution Successive Approximation ADC (6Bit) Funktionsweise Konzept Successive approximation register COARSE D COARSE 6 32C 16C 8C 4C 2C 1bC 1aC + D i V x S s S C6 S C5 S C4 S C3 S C2 S C1b S C1a 14 D OUT V IN R2R-DAC (8Bit) V MID GND V REF Successive approximation register FINE 8 D FINE V REF S R1 S R7 2R 2R 2R S R8 V RDAC 2R R R FINE: Successive approximation ADC mit R2R DAC (8Bit) Steuerleitungen Analoge- /Datenleitungen Logik 16 Roman Willi

17 Funktionsweise Simulation Übertragungsfunktion INL-Fehler 17 Roman Willi

18 Funktionsweise Kalibrierung Digitale Kalibrierung (Foreground) 18 Roman Willi

19 Funktionsweise Kalibrierung V REF C 1a C 6 = 32C V x V RDAC C 6 = C 5 +C 4 +C 3 +C 2 +C 1b = 31C GND (Beispiel für Korrekturwert von C 6 ) Initialisieren Verhältnis schalten R2R-DAC misst Restspannung Code in Speicher ablegen 19 Roman Willi

20 Digitale Signalverarbeitung Funktionsweise Fehlerkorrektur Messwertkorrektur am Ende jeder Messung Addiert anhand der ermittelten Bits der Coarse-messung den entsprechenden Korrekturwert. 20 Roman Willi

21 Funktionsweise Simulation (mit Fehlerkorrektur) Übertragungsfunktion INL-Fehler 21 Roman Willi

22 Funktionsweise Simulation Ohne Fehlerkorrektur Mit Fehlerkorrektur Standardabweichung Mittelwert 48.8 LSB 132 LSB Standardabweichung Mittelwert LSB 2.42 LSB 22 Roman Willi

23 Realisierung Chip-Foto C-Array (0.14 mm 2 ) R2R-DAC (0.269 mm 2 ) Komparator ( mm 2 ) Digitalteil (2.46 mm 2 ) [82'000 Gatteräquivalent] 23 Roman Willi

24 INL Messungen Ohne Kalibrierung DNL INL-Fehler max INL-Fehler min 26.8 LSB* -31 LSB* DNL-Fehler max DNL-Fehler min 4.3 LSB* -1 LSB* * Einzelmessungen (ohne statistische Aussage) 24 Roman Willi

25 Messungen Mit Kalibrierung** INL DNL INL-Fehler max INL-Fehler min 3.34 LSB* LSB* DNL-Fehler max DNL-Fehler min 2.25 LSB* -1 LSB* * Einzelmessungen (ohne statistische Aussage) ** Vollständige Kalibrierung zur Zeit nur mit externem Digitalteil möglich 25 Roman Willi

26 Messungen Spezifikationen Auflösung: 14 Bit Bereich: 0V... 3V Abtastrate: 200kS/s Leistung: 2.1 mw Flächenbedarf: 7.6 mm 2 (mit Padring, 82'000 Gatteräquivalent) (digital: 2.46 mm 2, analog: mm 2 ) INL: +/- 5 LSB (mit Fehlerkorrektur) DNL: +2.8 / -1 LSB (mit Fehlerkorrektur) Technologie: X-FAB 0.6μm-CMOS-Prozess XC06 Versorgung: 3.3V 26 Roman Willi

27 Messungen Vergleich IMES XS1 (IP) X-FAB aadcc01 (IP) Austriamicros. adc10 (IP) Linear Tech. LTC1864L Analog Dev. AD7949 Auflösung [Bit] Abtastrate [ks/s] Leistung [mw] Flächenbedarf * 0.203* - - [mm 2 ] (nicht optimiert) INL +/- 5 +/- 2 +/ /- 8 +/- 1 [LSB] DNL 2.8 / -1 +/- 1 +/ / -1 +/- 1 Technologie [μm] * IP Block ohne Padring 27 Roman Willi

28 Zusammenfassung Integrierbarer ADC für System-on-Chip-Lösungen. Hohe Auflösung bei tiefem Leistungsverbrauch. Kombination von zwei Wandler Prinzipien. Digitale Kalibrierung zur Kompensation von Matchingfehler. Modifikation Digitalteil für On-Chip-Kalibrierung. 28 Roman Willi

29 29 Roman Willi

30 ANHANG 30 Roman Willi

31 Lösungsansätze Flash ADC + Geschwindigkeit - Auflösung - Leistung - Flächenbedarf => Chipfläche zu gross 31 Roman Willi

32 Lösungsansätze Ramp ADC - Geschwindigkeit + Auflösung ~ Leistung + Flächenbedarf => Zu geringe Geschwindigkeit 32 Roman Willi

33 Lösungsansätze Sigma Delta ADC - Geschwindigkeit + Auflösung - Leistung - Flächenbedarf => grosser Leistungsbedarf 33 Roman Willi

34 Lösungsansätze Pipelined ADC + Geschwindigkeit ~ Auflösung - Leistung - Flächenbedarf => grosser Leistungsbedarf 34 Roman Willi

35 Lösungsansätze Algorithmic ADC ~ Geschwindigkeit ~ Auflösung ~ Leistung + Flächenbedarf => geringe Geschwindigkeit bei mässiger Leistung 35 Roman Willi

36 Lösungsansätze Successive Approximation ADC ~ Geschwindigkeit ~ Auflösung + Leistung + Flächenbedarf 36 Roman Willi

37 Funktionsweise Charge-Redistribution Transfer Characteristic Integral Non-Linearity (INL) (Illustration mit Quantisierung) 37 Roman Willi

38 Ohne Fehlerkorrektur Funktionsweise Simulation Mit Fehlerkorrektur Anzahl Messungen Anzahl Messungen Maximaler INL Fehler [LSB] Maximaler INL Fehler [LSB] Standardabweichung Mittelwert Minimaler Fehler Maximaler Fehler 48.8 LSB 132 LSB 39.9 LSB 301 LSB Standardabweichung Mittelwert Minimaler Fehler Maximaler Fehler LSB 2.42 LSB 0.98 LSB 5.18 LSB 38 Roman Willi

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