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높은 정확도를 가진 집적 커패시터 기반의 10비트 250MS/s 1.8mm2 85mW 0.13um CMOS A/D 변환기
사두환,이승훈,김영록,최희철 대한전자공학회 2006 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.43 No.11
This work proposes a 10b 250MS/s 1.8mm2 85mW 0.13um CMOS A/D Converter (ADC) for high-performance integrated systems such as next-generation DTV and WLAN simultaneously requiring low voltage, low power, and small area at high speed. The proposed 3-stage pipeline ADC minimizes chip area and power dissipation at the target resolution and sampling rate. The input SHA maintains 10b resolution with either gate-bootstrapped sampling switches or nominal CMOS sampling switches. The SHA and two MDACs based on a conventional 2-stage amplifier employ optimized trans-conductance ratios of two amplifier stages to achieve the required DC gain, bandwidth, and phase margin. The proposed signal insensitive 3-D fully symmetric capacitor layout reduces the device mismatch of two MDACs. The low-noise on-chip current and voltage references can choose optional off-chip voltage references. The prototype ADC is implemented in a 0.13um 1P8M CMOS process. The measured DNL and INL are within 0.24LSB and 0.35LSB while the ADC shows a maximum SNDR of 54dB and 48dB and a maximum SFDR of 67dB and 61dB at 200MS/s and 250MS/s, respectively. The ADC with an active die area of 1.8mm2 consumes 85mW at 250MS/s at a 1.2V supply. 본 논문에서는 차세대 디지털 TV 및 무선 랜 등과 같이 고속에서 저전압, 저전력 및 소면적을 동시에 요구하는 고성능 집적시스템을 위한 10b 250MS/s 1.8mm2 85mW 0.13um CMOS A/D 변환기 (ADC)를 제안한다. 제안하는 ADC는 요구되는 10b 해상도에서 250MS/s의 아주 빠른 속도 사양을 만족시키면서, 면적 및 전력 소모를 최소화하기 위해 3단 파이프라인 구조를 사용하였다. 입력단 SHA 회로는 게이트-부트스트래핑 (gate-bootstrapping) 기법을 적용한 샘플링 스위치 혹은 CMOS 샘플링 스위치 등 어떤 형태를 사용할 경우에도 10비트 이상의 해상도를 유지하도록 하였으며, SHA 및 두개의 MDAC에 사용되는 증폭기는 트랜스컨덕턴스 비율을 적절히 조정한 2단 증폭기를 사용함으로써 10비트에서 요구되는 DC 전압 이득과 250MS/s에서 요구되는 대역폭을 얻음과 동시에 필요한 위상 여유를 갖도록 하였다. 또한, 2개의 MDAC의 커패시터 열에는 소자 부정합에 의한 영향을 최소화하기 위해서 인접신호에 덜 민감한 향상된 3차원 완전 대칭 구조의 커패시터 레이아웃 기법을 제안하였으며, 기준 전류 및 전압 발생기는 온-칩 RC 필터를 사용하여 잡음을 최소화하고, 필요시 선택적으로 다른 크기의 기준 전압을 외부에서 인가할 수 있도록 설계하였다. 제안하는 시제품 ADC는 0.13um 1P8M CMOS 공정으로 제작되었으며, 측정된 DNL 및 INL은 각각 최대 0.24LSB, 0.35LSB 수준을 보여준다. 또한, 동적 성능으로는 200MS/s와 250MS/s의 동작 속도에서 각각 최대 54dB, 48dB의 SNDR과 67dB, 61dB의 SFDR을 보여준다. 시제품 ADC의 칩 면적은 1.8mm2이며 전력 소모는 1.2V 전원 전압에서 최대 동작 속도인 250MS/s일 때 85mW이다.
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저전력 멀티미디어 응용을 위한 10b 100 MSample/s $1.4\;mm^2$ 56 mW 0.18 um CMOS A/D 변환기
민병한,박희원,채희성,사두환,이승훈,Min Byoung-Han,Park Hee-Won,Chae Hee-Sung,Sa Doo-Hwan,Lee Seung-Hoon 대한전자공학회 2005 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.42 No.12
This work proposes a 10b 100 MS/s $1.4\;mm^2$ CMOS ADC for low-power multimedia applications. The proposed two-step pipeline ADC minimizes chip area and power dissipation at the target resolution and sampling rate. The wide-band SHA employs a gate-bootstrapping circuit to handle both single-ended and differential inputs with 1.2 Vp-p at 10b accuracy while the second-stage flash ADC employs open-loop offset sampling techniques to achieve 6b resolution. A 3-D fully symmetrical layout reduces the capacitor and device mismatch of the first-stage MDAC. The low-noise references are integrated on chip with optional off-chip voltage references. The prototype 10b ADC implemented in a 0.18 um CMOS shows the maximum measured DNL and INL of 0.59 LSB and 0.77 LSB, respectively. The ADC demonstrates the SNDR of 54 dB, the SFDR of 62 dB, and the power dissipation of 56 mW at 100 MS/s. 본 논문에서는 저 전력 멀티미디어 응용을 위한 10b 100 MS/s $1.4\;mm^2$ CMOS A/D 변환기(ADC)를 제안한다. 제안하는 ADC는 해상도 및 속도 사양을 만족시키면서, 면적 및 전력 소모를 최소화하기 위해 기존의 다단 구조가 아닌 2단 파이프라인 구조를 사용하였다. 그리고 10 비트 해상도에서 1.2 Vp-p의 단일 및 차동 입력 신호 처리 대역폭을 넓히기 위해 입력 샘플-앤-홀드 증폭기에는 게이트-부트스트래핑 회로를 적용하며, 6 비트 해상도를 필요로 하는 두 번째 단의 flash ADC에는 오픈-루프 오프셋 샘플링 기법을 적용하였다. 또한 커패시터 등 소자 부정합에 의해 해상도에 크게 영향을 줄 수 있는 MDAC의 커패시터에는 3차원 완전 대칭 구조를 갖는 레이아웃 기법을 제안하였다. 기준 전류/전압 발생기는 온-칩으로 집적하여 잡음 에너지를 줄였으며, 필요시 선택적으로 다른 크기의 기준 전압을 외부에서 인가하도록 설계하였다. 제안하는 10b 시제품 ADC는 0.18 um CMOS 공정으로 제작되었고, 측정된 DNL 및 INL은 각각 0.59 LSB, 0.77 LSB 수준을 보여준다. 또한 100 MS/s의 샘플링 속도에서 SNDR 및 SFDR이 각각 54 dB, 62 dB 수준을 보였으며, 전력 소모는 56 mW이다.
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