kT/C 잡음 제거 기법을 적용한 16 비트 이산 신호 다이나믹 줌 아날로그/디지털 변환기 = A 16-bit Discrete-Time Dynamic Zoom ADC with kT/C Noise Cancellation

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis presents a discrete-time dynamic zoom analog-to-digital converter (ADC) for low-frequency sensor applications. The proposed zoom ADC consists of a 6-bit asynchronous successive-approximation-register (SAR) ADC, a second-order delta-sigma modulator, a digital logic block incorporating data-weighted averaging (DWA), and a kT/C noise cancellation block. By employing the kT/C noise cancellation technique, the required sampling capacitance can be significantly reduced. This reduction not only alleviates the driving load of the front-end stage but also decreases the capacitor-array area and the dynamic power required to drive the sampling capacitors. As a result, the proposed zoom ADC achieves an effective resolution exceeding 16 bits with a sampling capacitance of only 2.2 pF.
The proposed zoom ADC was implemented in a 180-nm CMOS process with a 1.8-V supply voltage and occupies an active area of 0.296 mm². It operates at a sampling frequency of 512 kHz and achieves an oversampling ratio (OSR) of 512 for a signal bandwidth of 500 Hz. The ADC consumes 286.3 µW of power. For a 100-Hz sinusoidal input signal, the measured peak signal-to-noise-and-distortion ratio (SNDR) is 98.34 dB. The measured dynamic range (DR) is 103.51 dB.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 논문의 구성 4
• 제 2 장 다이나믹 줌 아날로그/디지털 변환기 5
• 2.1 축차 근사형 아날로그/디지털 변환기 5
• 2.2 델타-시그마 변조기 6
• 2.3 이산 시간 다이나믹 줌 아날로그/디지털 변환기 9
• 2.3.1 오버레인징 9
• 2.3.2 다이나믹 줌-인 11
• 2.3.3 대역 외 잡음(Fuzz) 13
• 제 3 장 kT/C 잡음 14
• 3.1 kT/C 잡음 개요 14
• 3.1.1 열잡음 (Thermal noise) 14
• 3.1.2 샘플링 회로에서의 열잡음 14
• 3.2 kT/C 잡음 저감 기법 16
• 3.2.1 입력 환산 잡음 16
• 3.2.2 잡음 저감 기법 구조 17
• 3.3 kT/C 잡음 제거 기법 18
• 3.3.1 출력 오프셋 제거 기법 18
• 3.3.2 kT/C 잡음 제거 기법 동작 19
• 제 4 장 제안하는 다이나믹 줌 아날로그/디지털 변환기 22
• 4.1 설계 사양 22
• 4.2 전체 구조 23
• 4.3 시스템 레벨 설계 24
• 4.4 스위치 레벨 설계 27
• 4.4.1 kT/C 잡음 제거 상세 28
• 4.4.2 시뮬레이션 30
• 4.5 회로 설계 31
• 4.5.1 증폭기 32
• 4.5.2 6 비트 비동기 축차 근사형 아날로그/디지털 변환기 34
• 4.5.3 Bandgap Reference (BGR) 37
• 4.5.4 디지털 로직 38
• 4.6 칩 제작 및 측정 결과 40
• 4.7 요약 43
• 제 5 장 결 론 44
• [참고 문헌] 45