Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

material1 / different / Chung-Yu Wu - Analog Circuit Design

.pdf
Скачиваний:
51
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
29.49 Mб
Скачать

13-5

CHUNG-YU WU

§13-2 Successive-Approximation (SA) ADC's

§13-2.1 Resistor-string SA MOS ADC

Ref. : IEEE J. Solid-State Circuits, vol. Sc-13, pp. 785-791, Dec. 1978.

Conceptual 3-bit unipolar ADC

 

VREF

 

 

 

3R

C C

B B A A

 

 

2

 

 

 

 

R

 

 

 

 

R

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

Comparator

R

 

_

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

Output

 

R

 

VIN

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

R

 

 

 

 

2

 

 

 

 

Typical performance of a 8-bit ADC:

 

 

p-type resistor

Resolution

8 bit

100Ω/

.

Nonlinearity

±

1 LSB

 

 

 

 

2

 

 

DNL

±

1 LSB

 

 

 

 

10

 

 

Conversion time

20 μs

 

 

Input resistance

>1000 MΩ

 

 

Stability (0o - 85oC)

<1/4 LSB

Error Sources:

1.Resistor matching accuracy.

*Dividing the string into several equal lengths and locating them in close proximity.

13-6

CHUNG-YU WU

2.The reverse bias junction voltage of the diffused resistors causes nonlinearity. Bit capacity - Þ W/ ¯ .

3.The small on resistance of the switches can decrease the settling time and reduce the feedthrough effect from the gate voltages. Similary, the switch feedthrough only effects the settling time.

4.Major error source: The feedthrough in the switch transistor Q2.

1MHz clock 2 mV error.

5.Comparator offset error.

§13-2.2 Charge-Balancing SA MOS ADC

Ref. : IEEE J. Solid-State Circuits, pp. 912-920, Dec. 1979.

* Mixed resistor string and binary-weighed cap.

 

 

F

Vref

B

 

 

 

 

3rd

 

 

A

 

-

T1

 

 

 

 

 

MSB

 

 

R

 

MSB Vin

E

F

B

 

2-bits

+

C

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

T2

T1

 

F

B

 

T1

 

Sample

 

 

A

 

data

 

 

 

R

 

 

 

Comparator

 

E

F

B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

 

D

 

2nd

 

C

 

G

 

R/4

 

C

 

 

 

 

 

 

LSB

 

H

 

D

 

MSB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

H

R/4

D

 

T2

 

 

 

 

 

 

 

2

G

 

 

 

C

 

 

 

 

 

R/4

 

 

 

 

 

 

H

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R/8

 

T1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C/16

 

 

 

 

 

1/2 LSB

 

 

 

 

 

 

R/8

 

 

 

 

 

 

 

Shift

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T2

 

C/16

 

 

 

 

8-bit ADC

 

C=20pF

 

Linearity

1/4LSB

Supply Voltage

4.5 - 6.3 V

Conversion Time

100 ms

Current Drain

1.8mA

640 KHz clock

 

VREF Range

0 - 5 V

Analog Input

0 - VDD

Clock Freq. Range

100 - 800 KHz

Components used:

8R's, 4C's, 32 switches.

 

 

 

 

13-7

 

 

 

CHUNG-YU WU

13-bit ADC with laser-cut programmable Si-Cr fuse PROM's.

 

Post-process triming

 

Linearity

1/2 LSB

 

 

Conversion Time

50 μs

 

 

Analog input

Vss ~ Vcc

 

 

Clock freq. range

0.1 ~ 3MHz

 

 

Supply voltage

± 4.5 ~ ±6.3V

 

 

Current drain

5mA

§13-2.3 Charge-Redistribution SA MOS ADC (CRSA ADC)

1. 10-bit CRSA ADC

Ref: IEEE JSSC, vol. SC-10, pp. 371-379, 379-385, Dec.1975.

Operation Procedures

(a) Sample Mode:

(b) Hold Mode:

13-8

CHUNG-YU WU

(c) Redistribution (Approximation) Mode:

S1 Vref ,

Vx = -Vin + Vref /2

 

 

If Vx < 0,

logic 1 in MSB(b4),

Vin > Vref

/2

If Vx > 0,

b4(MSB)=0,

Vin < Vref

/2 and S1 ground

Final Configuration:

Vx = − Vin + Vref ( + b4 + b3 + b2 + b1 + b0 ) ≈ 0 21 22 23 2 4 25

Vx = − Vin + Vref (24 b4 + 23 b3 + 22 b2 +21 b1 + 20 b0 ), Vin > 0 25

13-9

CHUNG-YU WU

Complete ADC block diagram:

Measured Results:

 

 

 

Resolution

10 bits

Gain error

0.05 %

Linearity

± 1 LSB

Sample mode

2.3μs

 

2

acquisition time

 

Input Voltage

0-10 V

Total conversion

22.8 μs

 

 

time

 

Input offset

2mV

 

 

13-10

CHUNG-YU WU

2. 12-bit modified CRSA ADC

Ref.: IEEE J. Solid-State Circuits, vol. sc-14, pp. 920-926, Dec. 1979.

VREF

 

 

 

 

 

R1

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

 

SF

 

 

 

 

 

 

C

Ck

C3

C2

C1

 

 

k+1

 

 

-

R3

2k-1C 2k-2C

2C

C C

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Comparator

 

SA

 

 

 

A

R M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 -1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CLOCK

 

SB

 

 

 

B

R2M

 

 

 

 

SWITCH

 

SUCCESSIVE APPROX. REGISTER

CONTROL

 

 

 

 

+ SWITCH CONTROL LOGIC

 

 

 

VIN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(M+K) BIT OUTPUT OF A/D

START

 

 

 

 

 

 

*SAMPLE

*HOLD

*CHOOSE Vref

VREF

S5

 

Vin

Voltage A-

SA

SB

S1

S2

S3

S4

S5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

 

 

 

 

 

 

 

R1

S4

 

Larger

Vref

-

2

 

ON

ON

 

 

 

 

 

 

 

3/4 VREF

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S3

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1/2 VREF

SA

Smaller

Vref

-

1

 

 

ON

ON

 

R3

S2

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1/4 VREF

2

 

discharge

-

1

ON

 

 

 

 

R4

 

SB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

S1

1

 

set-up

2

1

 

 

ON

ON

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

redistribution

2

1

 

 

ON

ON

 

13-11

 

 

CHUNG-YU WU

Implement:

 

 

 

16 R, 8 ratioed capacitor, 37 MOS

 

R: S/D diffusion, 18Ω/ , 16 R= 9000 Ω

 

C: Unit capacitor, 400 μm2, 0.1 pF

 

Measured data:

 

 

 

Resolution

12 Bits

Area

12,000 mil2

Monotonicity

12 Bits

Power dissipation (15V)

40 mW

Integral Linearity

6 Bits

DNL

1 LSB

 

 

 

2

Input. Offset

5 mV

Total conversion time

50μs

Operational Principle:

Vref

 

 

 

 

 

S5

 

SX

 

 

 

 

 

 

 

-

R1

2k-1C

C

C

+

 

 

S4

 

 

 

Vx

+

SLK

SL2

SL1

-

Comparator

R2

 

 

1

 

 

 

 

S3

SA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S2

2

 

 

 

 

R4

SB

 

 

 

 

S1

1

 

 

 

 

VIN

 

SA

SB

S1

S2

S3

S4

S5

SLK

… . SL2

SL1

Sx

Vx

 

 

 

 

Sample

-

Vin

ON OFF OFF OFF OFF

B

… .

B

B

ON

0

 

 

 

 

 

Hold

-

1

ON

ON

OFF OFF OFF

B

… .

B

B

OFF

-Vin

 

 

 

 

 

 

(0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Choose Vref

-

2

OFF

ON

ON

OFF OFF

B

… .

B

B

OFF

 

 

V

 

(Vref/4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− Vin +

 

ref

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

-

1

OFF OFF

ON

ON

OFF

B

… .

B

B

OFF

− Vin +

2Vref

 

 

 

 

(Vref/2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

2

OFF OFF OFF

ON

OFF

B

… .

B

B

OFF

− Vin +

3Vref

 

 

 

(3Vref/4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Discharge

-

1

ON

OFF OFF OFF OFF

B

… .

B

B

OFF

-Vin

 

 

 

 

(0)

13-12

CHUNG-YU WU

Set up

1

2

OFF OFF OFF

ON

ON

B

… .

B

B

OFF

− Vin +

3Vref

 

 

(Vref) (3Vref/4)

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Redistribution

 

 

-Vin+(3/4)Vref < Vx < -Vin + Vref

 

 

 

 

 

 

1

2

OFF OFF OFF

ON

ON

A

… .

B

B

OFF

− Vin +

3Vref

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 18 Vref

* The last capacitor C is always connected to B.

13-13

CHUNG-YU WU

§13-3 Dual-Slope ( Integrating; Charge-Balancing ) MOS ADC's

4 1 Digit ADC (Modified structure)

2

LATCH, DECODER,

DISPLAY MULTIPLEXER

UP/DOWN RESULTS COUNTER

SEQUENCE COUNTER

/ DECODER

CONTROL

LOGIC

ANALOG

SECTION

CREF

 

REF HI

REF LO

RINT

CINT

X10

 

 

 

 

 

 

 

 

DE

DE

 

 

C2

 

 

 

 

 

 

 

COMPARATOR 1

 

 

 

 

-

-

<10>

 

 

INT1

 

+

COMPARATOR 2

 

 

 

 

 

 

 

 

+

+

A

+

IN HI

DE-

DE+

 

 

BUFFER

INTEGRATOR C3

-

-

 

 

 

 

 

<100>

 

 

DE+

DE-

 

 

 

 

 

COMMON

 

 

ZI , X10

 

 

 

TO DIGITAL

 

 

INT

REST

 

 

 

IN LO

 

 

 

 

SECTION

INT1,IN2,INT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13-14

CHUNG-YU WU

Waveforms observed at the node A :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V '

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

INT1

 

 

 

 

DE1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RESET

 

 

 

 

X10

DE2

 

 

 

 

 

INT(ZI)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

INT2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NOTE: ENCLOSED AREA GREATLY EXPENDED IN TIME AND AMPLITUDE

Operational principles: 1. INT1

REF HI REF LO

 

CREF

 

RINT

CINT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- +

 

 

 

 

 

-

-

 

Comparator 1

 

IN HI

 

 

 

+

Comparator 2

+

 

 

COMMON

+

C3

-

+

 

100p

-

 

 

 

 

 

 

 

IN LO

 

 

 

 

Соседние файлы в папке different