Programmatic Design of Time-Based Analog-to-Digital Converter Sub-Blocks

Abstract

Modern analog-to-digital converters (ADCs) are realized as integrated circuits (ICs), which contain both analog and digital circuitry on a single semiconductor die. The downscaling of CMOS device size has increased the speed and reduced the area of the ICs, but also increased design challenges especially in analog circuits due to the lowered supply voltage. To tackle these design challenges in analog circuits, time-based signal processing has been introduced. In time-based signal processing, the conventional analog voltage and current signals are substituted with a time signal which represents the analog amplitude data as varying length time pulses. These time pulses are binary by nature, which allows them to be processed with efficient digital circuits.

Analog circuit design also suffers from the lack of mature design automation tools when compared to their digital counterparts. One answer for this deficiency is the generator-based synthesis methods which allow the creation of circuit generators. Circuit generators are reusable design sequences that produce schematics and layouts of the design matching the given input specifications.

This thesis evaluates the feasibility of the generator-based synthesis methods in context of designing sub-blocks for a time-based analog-to-digital converter. In order to evaluate the feasibility of the given approach, a voltage-to-time converter circuit generator for a time-based ADC is implemented with the generator-based approach Berkeley Analog Generator. To better examine the benefits of the given approach and improve the systematicity of the implementation process, the approach is integrated into an existing programmatic IC design workflow.

Results show that the circuit generator implementation becomes useful when multiple iterations of design parameters are required to improve the circuits performance in the post-layout verifications. It is also shown that the sub-circuit generators can be very effective when the circuit needs to be matched for the higher-level design. However, it is concluded that as the complexity and the number of devices in the design increases, the writing of efficient circuit generators becomes increasingly challenging and time consuming. Moreover, it is shown that the circuit generators do not support well the reiteration of the circuit topology, and the possible reiterations of the topology can cause significant reductions for the effectiveness of the circuit generator implementation.

Modernit analogia-digitaali-muuntimet (A/D-muuntimet) toteutetaan integroiduille piireille, jotka koostuvat sekä analogisista, että digitaalisista piirilohkoista. CMOS mikropiiritekniikan kehittyminen on mahdollistanut integroitujen laitteiden koon pienentämisen, minkä seurauksena integroitujen piirien nopeus on kasvanut ja pinta-ala on pienentynyt. Laitteiden pienempi koko vaatii kuitenkin pienemmän käyttöjännitteen käyttämistä piireissä, mikä vaikeuttaa varsinkin analogisten piirilohkojen suunnittelua. Vastauksena näihin suunnitteluhaasteisiin on kehitetty aikaan pohjautuvaa signaalin käsittelyä, missä analogiset jännite- ja virtasignaalit esitetään eri pituisina aikapulsseina, joita voidaan prosessoida digitaalisilla piirilohkoilla.

Integroitujen piirien suunnittelua voidaan helpottaa automaattisten suunnitteluohjelmistojen avulla. Digitaalisen piirisuunnittelun ohjelmistot voivat automatisoida ison osan piirikuvioiden suunnitellusta, kun taas analogisen suunnittelun ohjelmistot ovat paljon rajoittuneempia tästä näkökulmasta. Yhtenä ratkaisuna tähän ongelmaan on ehdotettu generaattoripohjaista piirikuviosynteesiä, mikä mahdollistaa piirigeneraattoreiden luomisen. Piirigeneraattorit tuottavat parametrisoituja piiriobjekteja, jotka vastaavat tiettyjä suunnittelijan asettamia määrittelyjä.

Tämän työn tavoitteena on arvioida generaattoripohjaisten piirikuviosynteesien soveltuvuutta aikapohjaisen A/D-muuntimen osalohkojen suunnittelun yhteydessä. Tavoitteen saavuttamiseksi, aikapohjaiseen A/D-muuntimeen toteutetaan aika-jännite-muunnin-osalohko, käyttäen generaattoripohjaista synteesimenetelmää Berkeley Analog Generator. Kyseinen metodi integroidaan osaksi olemassa olevaa ohjelmallista piirisuunnittelumetodiikkaa systemaattisuuden parantamiseksi, ja jotta sen hyötyjä voidaan tutkia mielekkäämmin.

Tulokset osoittavat, että piirigeneraattorit ovat hyödyllisiä, jos piiri vaatii monia iteraatioita eri parametreilla suorituskyvyn maksimoimiseksi. Työssä myös todetaan, että pienemmät osageneraattorit osoittautuvat hyödyllisiksi, kun ne pitää sovittaa osaksi suurempaa kokonaisuutta. Työssä kuitenkin huomataan, että kun toteutuksessa vaadittavien laitteiden lukumäärä kasvaa, tulee piirigeneraattorin toteuttamisesta entistä haasteellisempaa sekä aikaa vievää. Lisäksi huomataan, että piirigeneraattorit eivät sovellu hyvin tapauksiin, joissa piirin topologia vaatii muutoksia. Piiritopologian muuttuessa generaattorit osoittautuvat haasteellisiksi ja menettävät tehokkuuttaan.