A low-power succesive approximation register analog-to-digital converter integrated circuit for imaging sensors
Görüntüleme sensörleri için düşük güçlü ardışık yaklaşıklama kaydedicili analog-sayısal çevirici tümleşik devresi
- Tez No: 802639
- Danışmanlar: PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 177
Özet
Bu tez, yeni nesil kızılötesi görüntüleme sensörleri ve tümleşik okuma devreleri için bir CMOS işleminde tasarlanmış düşük güçlü 14 bit ardışık yaklaşıklama kaydedicili (AYK) analog-sayısal çevirici (ASÇ) sunmaktadır. ASÇ, giriş sürücüleri, iki sayısal-analog çevirici (SAÇ) tümleşik devresi, bir karşılaştırıcı ve bir AYK mantığı dâhil olmak üzere 4 ana bileşenden oluşur ve bunların tümü 8 MS/s dönüştürme hızında çalışırken yalnızca 6,3 mW güç harcar. CMOS tümleşik devresi, geleneksel mimarilere kıyasla güç tüketimini azaltmak için 4 ana bileşenin tamamında yeni mimarilere sahiptir ve görüntüleme sensörleri için gerekli olan hızlı bir dönüşüm oranında çalışır. İlk olarak, sürücü devrelerinin güç tüketimini azaltmak için yeni bir yük paylaşım tekniği kullanılmıştır. Bu paylaşım tekniği giriş sürücülerinin çıkışlarının güç tüketimi olmaksızın orta voltaja çekilmesini sağlamaktadır. Böylece giriş sürücüleri raydan raya giriş voltajı sürmesine gerek kalmamıştır. İkinci olarak, kapasitif SAÇ'lerin her biri, yeni bir anahtarlama tekniğine sahip 1 zayıflatıcı kapasitör mimarisine sahip bir bölünmüş kapasitöre sahiptir; bu, son teknolojiye sahip yöntemlere kıyasla güç tüketimini yalnızca %25 oranında azaltmakla kalmaz, aynı zamanda toplam alanı da %75 oranında geleneksel mimarilere göre azaltır. Ek olarak, aynı toplam alanı elde ederken güç tüketimini daha da azaltmak için 2 yeni anahtarlama tekniği daha önerilmiştir. Üçüncü olarak, karşılaştırıcı, sürücü devreleri ve güçlü kollu mandalın güç tüketimini azaltmak için güçlü kol mandalı dâhil olmak üzere yeni bir 2 seviyeli mandala sahiptir. Son olarak, değiştirilmiş bir AYK mantığı, daha az yayılma süresi sağlar ve geleneksel tasarımlara kıyasla AYK dönüşüm döngüsü gecikmesini en aza indirir. Programlanabilir bir sayısal devre ve bir kutuplama devresi, esnek zamanlama ve kutuplama sağlar. Önerilen yeni ASÇ mimarisi, standart 0.18 µm CMOS prosesinde tasarlanmış ve uygulanmış olup, burada 0.5mmx1.3mm ölçülerindedir, 2.5V, 1.8 V besleme voltajından çalışır ve 8 MS/s dönüşüm hızında hassas karşılaştırıcı yokken 6.3 mW harcar. Hassas karşılaştırıcı varken 7.2 mW güç harcar. Tasarlanan tümdevre 92.2 fJ/conv-step başarı performansı göstermektedir ve bizim bilgimize göre daha önce tasarlanmış olan 14 bit analog-sayısal çeviricilerin içinde en iyi değerdir.
Özet (Çeviri)
This thesis presents a low-power 14-bit successive approximation register analog-to-digital converter (ADC) designed in a CMOS process for the next-generation infrared imaging sensors and readout integrated circuits (ROIC). The ADC consists of 4 main components including input drivers, two digital-to-analog converter (DAC) integrated circuits, a comparator, and a SAR logic, all of which dissipate only 6.3 mW while operating at an 8 MS/s conversion rate. The CMOS integrated circuit has novel architectures in all 4 main components to reduce the power consumption compared to the conventional architectures, while operating at a fast conversion rate for a typical 14-bit successive approximation register ADC. Firstly, the power consumption of the input buffers is decreased by using a charge sharing technique between the two DACs. The charge sharing technique reduces the output voltage swing and provides common-mode voltage at the output of the input buffers without any power consumption at the end of each conversion. As a result, the input buffers achieves 50% reduction in the power consumption. Secondly, each of the capacitive DACs has a split capacitor with 1 bridge capacitor architecture with a novel switching method, which not only decreases the power consumption by 25% compared to the state-of-art methods but also reduces the overall area by 75% compared to the conventional DACs with low common-mode voltage variation. In addition, two more optional novel switching method is proposed to decrease the power consumption further while achieving the same reduction in the overall area. Thirdly, there are two different comparator architecture in this thesis. The coarse comparator has a novel 2-level latch architecture including the pre-driver and strong-arm latch to reduce the power consumption of the strong-arm latch while achieving same noise level compared to the state-of-art comparators. The fine comparator has 2 pre-amplifier followed by a strong-arm latch with dynamic inverters to speed up the conversion cycle. Finally, a modified SAR logic provides less propagation time and minimizes the SAR conversion loop delay compared to the conventional design. A programmable digital controller and a bias generator provide flexible timing and biasing. The proposed novel ADC architecture is designed and implemented in a standard 0.18 µm CMOS process, where it measures 0.5mmx1.3mm, operates from a 2.5V and 1.8 V supply voltage, and dissipates 6.3 mW at 8 MS/s conversion rate without the coarse comparator and 7.2 mW at 8 MS/s with the coarse comparator. The Walden figure of merit (FoM)W is 92.2 fJ/conv-step which is the lowest among all the ADCs with integrated input drivers for 14-bit resolution according to the best of our knowledge.
Benzer Tezler
- A 6-bit time-interleaved asynchronous successive approximation register analog-to-digital converter with 1-bit redundancy in 90nm technology
90nm teknolojisinde ekstra 1-bit yedek bilgi ile 6-bit asenkron ayrık zamanlı ardışık yaklaşımlı örneksel sayısal çevirici
ARMAN GALİOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAŞAR GÜRBÜZ
- A small-format microbolometer imaging sensor with digital video outputs
Sayısal video çıkışlı ve küçük boyutlu mikrobolometre görüntüleme sensörü
CEM YALÇIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- A wide bandwidth 8-bit 20 msps sar ADC
Yüksek band genişlikli 8-bit 20 Msps SAR ADC
MUSTAFA ÖZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TÜRKER KÜYEL
- A successive approximation register analog-to-digital converter for low cost microbolometers
Düşük maliyetli mikro ışınımölçerler için ardışık yaklaşıklama kaydedicili analog-sayısal çevirici
YİĞİT UYGAR MAHSERECİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
DR. SELİM EMİNOĞLU
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- A low-power analog-to-digital converter integrated circuit for data acquisition applications
Sinyal alma uygulamaları için düşük güç tüketimli analog-sayısal çevirici tümleşik devresi
SERHAT KOÇAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN