Study and design of analog to digital and digital to analog converters

Abstract

In today’s technology with the vast implementation of digital processing analog−to−digital and digital−to−analog converters are some of the most important blocks. The increasing speed of the digital electronics, the demand for higher resolution and at the same time lower current consumption pushes the envelope in data converter design.In this thesis, a novel technique for distributed sampling analog-to-digital converters, offering offset minimization and sampling at the same time is presented. Instead of using a typical distributed sample-and-hold architecture and various offset cancellation techniques, this technique combines the two at the preamplifier of the analog-to-digital converter, reducing the area, current consumption and further making the interface of the converter easier by avoiding a large input capacitance. A high-speed analog-to-digital converter based on this technique is presented.Furthermore, two adaptive data converters are presented. A successive approximation analog-to-digital converter with about half the silicon footprint compared to typical designs, and a 14-bit integrating analog-to-digital converter. In addition, a buffering/offset cancellation technique for complementary rail-to-rail input amplifiers suitable for interfacing continuous time sigma-delta converters is presented. Using this technique, a rail-to-rail continuous time buffer closely matches the performance of chopping amplifiers without the need for an area consuming output filter.Lastly the design methodology of a high-speed current-steering DAC for transceiver applications is presented along with a simplified mathematical expression for the calculation of the necessary current source output impedance.

Καθώς η τεχνολογία οδηγείται στην πλήρη ψηφιοποίηση της πληροφορίας οι μετατροπείς αναλογικών σημάτων σε ψηφιακά και το αντίστροφο βρίσκονται στο επίκεντρο. Η συνεχής ζήτηση για μετατροπείς μεγαλύτερης διακριτικής ικανότητας και ακρίβειας, για αύξηση του ρυθμού μετατροπής και συγχρόνως για την μείωση της κατανάλωσης κάνουν την μελέτη αυτών των κυκλωμάτων επιτακτική.Στην διατριβή αυτή, παρουσιάζεται μια τεχνική για μετατροπείς αναλογικού σήματος σε ψηφιακό αρχιτεκτονικής κατανεμημένης δειγματοληψίας (distributed sampling) που προσφέρει εκτός της δειγματοληψίας μείωση της τάσης εκτροπής (offset). Επειδή αυτή η τεχνική μειώνει το offset της πρώτης βαθμίδας της αλυσίδας του μετατροπέα, προσφέρει την δυνατότητα χρήσης μικρότερων τρανζίστορ και συνεπώς μειώνει την χωρητικότητα εισόδου κάνοντας ευκολότερη την σύνδεση του μετατροπέα με τις προηγούμενες βαθμίδες. Παρουσιάζεται ένας μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό βασισμένος σε αυτή την τεχνική.Επιπλέον, παρουσιάζονται δυο προσαρμοζόμενοι μετατροπείς. Ένας μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό τύπου διαδοχικών προσεγγίσεων (successive approximation) που καταλαμβάνει περίπου την μισή επιφάνεια σε σχέση με ένα τυπικό μετατροπέα του ιδίου τύπου και ένας μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό τύπου διπλής κλήσης που προσφέρει μεγάλη ακρίβεια μετατροπής. Παρουσιάζεται ακόμα ένας απομονωτής εισόδου μεγάλου δυναμικού εύρους εισόδου, κατάλληλος για μετατροπείς σίγμα−δέλτα (sigma-delta) συνεχούς χρόνου, που προσφέρει παρεμφερή χαρακτηριστικά με έναν ενισχυτή chopping χωρίς να κάνει χρήση χαμηλοπερατού φίλτρου εξόδου, μειώνοντας την επιφάνεια ολοκλήρωσης.Τέλος παρουσιάζεται η σχεδίαση ενός υψίσυχνου μετατροπέα ψηφιακού σήματος σε αναλογικό τύπου μεταγωγής ρευμάτων (current-steering) υψηλής γραμμικότητας βασισμένος σε μαθηματική ανάλυση που οδήγησε στον καθορισμό εξίσωσης που βοηθά στον καθορισμό τον προδιαγραφών βασικών κυκλωμάτων.