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High Signal-to-Noise Ratio Successive Approximation Analog to Digital Converters

Masoume Akbari

Ph.D. thesis (2022)

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Abstract

High channel-density data acquisition systems require high-performance and wide-bandwidth multi-channel analog to digital converters (ADCs). This demand resulted in an approach to designing hybrid structures. Noise-shaping successive approximation register (NS-SAR) ADCs have shown power/area-efficient performance combining the advantages of SAR ADCs and delta-sigma (ΔΣ) modulators. Being technology scaling friendly, NS-SAR ADCs will remain a promising solution in the future. Improving the performance of NS-SAR ADCs without increasing the complexity of circuit design and calibration methods is a crucial requirement. On the other hand, multi-step hardware-sharing hybrid incremental ADCs (IADCs) have presented the best performance for the multi-channel applications, adding several advantages to ΔΣMs. Narrow bandwidth, high power consumption of the operational transconductance amplifiers (OTA)-based integrators and multi-bit quantizers, high oversampling ratio (OSR), and complex hybrid architectures limit the efficiency of IADCs. This thesis contributes to this topic by proposing two ADC structures based on NS-SAR ADCs. First, multi-stage noise-shaping (MASH) architecture enhances the NS order of NSSAR ADCs, adding a second stage with relaxed design requirements without significant additional complexity and power consumption. This ADC is implemented in ST-28nm fully depleted silicon-on-insulator (FD-SOI) technology, achieving a fourth-order NS operation with an signal-to-noise-and-distortion-ratio (SNDR) of 75 dB and OSR of 10 at a bandwidth of 100 kHz. Second, using the proposed MASH NS-SAR structure in a two-step incremental mode augments the NS order to six and achieves a resolution suitable for the multi-channel data acquisition system combining advantages of multi-step IADCs, NS-SAR ADCs, and MASH topology. Lower required OSR, low-power SAR quantizers, and low-gain amplifierbased error feedback (EF) instead of OTA-based cascaded integrator feedforward (CIFF) loop filters address the limitations of hybrid multi-step IADCs. A macro-model simulation in Cadence Spectre® was performed to verify the proposed idea. Furthermore, SIMULINKbased simulations, modeling the circuit imperfections and the derived analytical equations, predict the proposed architecture's performance and power consumption.

Résumé

Les systèmes d'acquisition de données nécessitent des convertisseurs anaologique numérique (CAN) multicanaux, offrant de hautes performances et des larges bandes passantes. Ces besoins ont abouti à la conception de structures hybrides. Les CAN à registre d'approximations successives avec mise en forme du bruit (NS-SAR) ont montré des performances très intéressantes en termes d'énergie/surface en combinant les avantages des CAN à registre d'approximations successives et ceux à modulateurs delta-sigma (ΔΣMs). Étant compatibles avec de haut niveau d'intégration technologique, les CAN NS-SAR resteront une solution prometteuse dans l'avenir. Améliorer les performances des CAN NS-SAR sans augmenter la complexité de la conception des circuits et des techniques d'étalonnage est une exigence primordiale. D'autre part, les CAN incrémentiels hybrides (IADC) à partage de matériel et multi-étapes ont présenté les meilleures performances pour les applications multicanaux en ajoutant plusieurs avantages aux ΔΣMs. Les principaux facteurs qui limitent l'efficacité des IADC sont la bande passante étroite, la grande consommation d'énergie des intégrateurs basés sur l'amplificateur à transimpédance (OTA) des quantificateurs à plusieurs bits, le taux élevé de suréchantillonnage (OSR) et la complexité des architectures hybrides. Cette thèse contribue à ce sujet en proposant deux architectures de CAN basées sur des CAN NS-SAR. Premièrement, l'architecture de mise en forme du bruit à plusieurs étages (MASH) améliore l'ordre de mise en forme du bruit (NS) des CAN NS-SAR, en ajoutant une deuxième étape avec des exigences de conception assouplies et, sans excès significatif de complexité et de consommation d'énergie supplémentaires. Ce CAN est implémenté en technologie ST-28nm FD-SOI, réalisant une opération de NS de quatrième ordre avec un rapport signal sur bruit et sur distorsion (SNDR) de 75 dB et un taux de suréchantillonnage (OSR) de 10 avec une bande passante de 100 kHz. Deuxièmement, l'utilisation de la structure MASH NS-SAR proposée dans un mode incrémental en deux étapes augmente l'ordre de NS à six et atteint une résolution adéquate pour un système d'acquisition de données multicanal combinant les avantages des IADC multi-étapes, le CAN NS-SAR et la topologie MASH. Les structures proposées dans cette thèse sont caractérisées par un OSR requis plus faible, des quantificateurs SAR à faible puissance et un retour d'erreur (EF) basé sur un amplificateur à faible gain au lieu de filtres à boucle d'intégration en cascade (CIFF) basés sur des OTA de haute performance. Une simulation à l'aide d'un macro-modèle dans Cadence Spectre® a été réalisée pour vérifier l'idée proposée. De plus, des simulations basées sur SIMULINK®, modélisant les imperfections des circuits, et les équations analytiques dérivées prédisent les performances ainsi que la consommation d'énergie de l'architecture proposée.

Department: Department of Electrical Engineering
Program: Génie électrique
Academic/Research Directors: Yvon Savaria and Mohamad Sawan
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10486/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 06 Feb 2023 15:06
Last Modified: 10 Feb 2024 08:37
Cite in APA 7: Akbari, M. (2022). High Signal-to-Noise Ratio Successive Approximation Analog to Digital Converters [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10486/

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