Energy-efficient residue amplification techniques for pipelined SAR ADCs

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this dissertation, the suitability of the pipelined SAR ADC for high-speed and high-resolution applications in the context of the recent research trend of Nyquist ADCs. Based on this analysis, proposes various techniques to improve the energy efficiency of pipelined SAR ADCs.
The first study presents a pipelined SAR ADC with a closed-loop two-stage dynamic amplifier. The dynamic amplifier offers PVT robustness due to its closed-loop operation. By applying the cascode configuration to the first stage, a sufficient DC gain of >70dB is achieved with only two stages and its stability is also obtained by using cascode frequency compensation. The implemented ADC in a 65nm CMOS achieves a peak SNDR of 68.8dB and a peak SFDR of 77.5dB with a 2.4MHz input at a sampling rate of 20MS/s while consuming 348μW from a 1.2V supply. It reaches a Schreier FoM of 173.4dB and a FoMW of 7.7fJ/conv.-step. Furthermore, it maintains SNDRs over various sampling rates from 1 to 20MS/s and its power consumption is scaled linearly.
The second study presents a dynamic NC-assisted residue amplifier for a high-speed low-power pipelined SAR ADC. The dynamic NC greatly relaxes the requirements of the residue amplifier. In particular, it can improve the speed of the residue amplifier in an energy-efficient manner compared to static NC-assisted residue amplifier. This brings many advantages to the design of high-speed pipelined SAR ADCs that have not been reported so far. The prototype pipelined SAR ADC is fabricated in a 28-nm CMOS process and achieves 58 dB SNDR and 77.9 dB SFDR for Nyquist input while consuming only 3.9 mW. It corresponds to a FoMW of 16.7 fJ/conv.-step, which is very competitive with the state-of-the-art works.
The third study presents a 10-bit 500-MS/s pipelined SAR ADC with a dynamic NC-assisted residue amplifier fabricated in a 6-nm FinFET process is proposed. The power-efficient dynamic NC is capable of supporting a 1-stage operational transconductance amplifier (OTA), thereby enabling the exploitation of low AOL as loop gain (AL) without the attenuation by β. Moreover, the closed-loop bandwidth (BWCL) can be increased up to the unity-gain frequency (fu). The prototype ADC achieves an SNDR of 53.6 dB and an SFDR of 66.9 dB for Nyquist input, respectively, while consuming only 2.7 mW, resulting in a FoMW of 13.8 fJ/conv.-step.

국문 초록 (Abstract)

이 논문에서는 최근 Nyquist ADC의 연구 동향과 관련하여 고속 및 고해상도 애플리케이션에 대한 파이프라인 SAR ADC의 적합성을 분석합니다. 이러한 분석을 바탕으로 파이프라인 SAR ADC의 에너지 효율을 개선하기 위한 다양한 기법을 제안합니다.
첫 번째 연구에서는 폐쇄 루프 2단계 동적 증폭기가 있는 파이프라인 SAR ADC를 소개합니다. 이 동적 증폭기는 폐쇄 루프 작동으로 인해 PVT 견고성을 제공합니다. 첫 번째 스테이지에 캐스코드 구성을 적용하여 두 단계만으로 70dB 이상의 충분한 DC 이득을 달성하고 캐스코드 주파수 보상을 사용하여 안정성도 확보했습니다. 65nm CMOS에 구현된 ADC는 1.2V 공급에서 348μW를 소비하면서 샘플링 속도 20MS/s의 2.4MHz 입력으로 68.8dB의 피크 SNDR과 77.5dB의 피크 SFDR을 달성합니다. Schreier FoM은 173.4dB, Walden FoM은 7.7fJ/conv.-step에 도달합니다. 또한 1 ~ 20MS/s의 다양한 샘플링 속도에서 SNDR을 유지하며 전력 소비는 선형적으로 증가됩니다.
두 번째 연구에서는 고속 저전력 파이프라인 SAR ADC를 위한 동적 NC 지원 잔류 증폭기를 소개합니다. 동적 NC는 잔류 증폭기의 요구 사항을 크게 완화합니다. 특히 정적 NC 지원 잔류 증폭기에 비해 에너지 효율적인 방식으로 잔류 증폭기의 속도를 향상시킬 수 있습니다. 이는 지금까지 보고되지 않았던 기법으로 고속 파이프라인 SAR ADC의 설계에 많은 이점을 제공합니다. 프로토타입 파이프라인 SAR ADC는 28nm CMOS 공정으로 제작되었으며 3.9mW만 소비하면서 Nyquist 입력에 대해 58dB SNDR 및 77.9dB SFDR을 달성합니다. 이는 16.7 fJ/conv.-step의 Walden FoM에 해당하며, 이는 최첨단 작품과 비교했을 때 경쟁력이 있습니다.
세 번째 연구에서는 6nm FinFET 공정으로 제작된 동적 NC 보조 잔류 증폭기를 갖춘 10비트 500-MS/s 파이프라인 SAR ADC를 제안합니다. 전력 효율적인 동적 NC는 1단 연산 트랜스 컨덕턴스 증폭기를 지원할 수 있으므로 피드백 계수에 의한 감쇠 없이 낮은 개 루프이득을 루프 이득으로 활용할 수 있습니다. 또한 폐쇄 루프 대역폭을 유니티 이득 주파수까지 늘릴 수 있습니다. 프로토타입 ADC는 Nyquist 입력에 대해 각각 53.6dB의 SNDR와 66.9dB의 SFDR를 달성하면서 2.7mW만 소비하여 13.8fJ/conv.-step의 Walden 성능 지수(FoMW)를 구현합니다.

목차 (Table of Contents)

• Table of Contents ……………………………………………………………… i
• List of Table …………………………………………………………..………… iv
• List of Figure ……………………………………………………………………. v
• Abstract ………………………………………………………………………… x
• Chapter 1. Introduction ………………………………………………...……… 1
• 1.1. Motivation and Challenges ……………………………………… 1
• 1.2. Organization of Dissertation ……….……..………………………… 5
• 1.3. Copyright …………………………………………………………… 7
• Chapter 2. Review of the Pipelined SAR ADC …………………...…………… 9
• 2.1. Nyquist ADC overview …………......…….………….…………….. 9
• 2.2. Pipelined SAR ADC .....................................................…………… 13
• 2.3. Residue amplification of the pipelined SAR ADC ……………… 16
• 2.4. Conclusion ........................................................................................ 19
• Chapter 3. A 384-μW 68.8-dB SNDR 20-MS/s Pipelined SAR ADC with a Closed-loop Two-stage Dynamic Amplifier …………………...… 20
• 3.1. Introduction ………………………………………...…………… 21
• 3.2. Proposed pipelined SAR ADC …………………………………… 22
• 3.2.A. The proposed two-stage dynamic amplifier ….........…..…… 22
• 3.2.B. ADC implementation……..………………………………… 29
• 3.3. Measurement results …………….………………………………… 31
• 3.4. Conclusion ………………………………………………………… 35
• Chapter 4. An 11-bit 360-MS/s Pipelined SAR ADC with Feedback Factor Compensation using a Dynamic Negative-C Assisted Residue Amplifier………………………………………………………… 37
• 4.1. Introduction ……………………………..………………………… 37
• 4.2. NC-Assisted Residue Amplifier ..................................................… 34
• 4.3.Proposed Dynamic NC-Assisted Residue Amplifier ……………… 45
• 4.3.A. The NC-assisted residue amplifier .................................. 45
• 4.3.B. Proposed Dynamic NC ……….……………………… 50
• 4.3.C. Intrinsic Negative Resistance and Its Compensation … 53
• 4.3.D. Parasitic Capacitance Impact ….……………………… 54
• 4.3.E. Noise analysis ………………………………………… 56
• 4.3.6. PVT robustness………………………………………… 59
• 4.4. Circuit Implementation …………………………………………… 60
• 4.5. Measurement Results …………………………………………… 65
• 4.6. Conclusion ………………………………………………………… 69
• Chapter 5. A 10-bit 500-MS/s Pipelined SAR ADC with β Compensation in 6-nm FinFET ………………………………………………………… 71
• 5.1. Introduction ………….………………………………………… 71
• 5.2. Proposed pipelined ADC ………………………………….……… 74
• 5.2.A. Comparison of the NC-assisted Residue Amplifiers ...… 74
• 5.2.B. ADC implementation…………………………………… 77
• 5.3. Measurement Results …………………………………………… 82
• 5.4. Conclusion ………………………………………………………… 86
• Chapter 6. Conclusions ……………………………………………………… 88
• References …………………………………………………………………… 90
• List of Publications ………………………………………………………… 97
• 국문 요약 …………………………………………………………………… 99