Jännite-aikamuuntimen vaikutus aikapohjaisen analogia-digitaalimuuntimen suorituskykyyn

Thumbnail Image

Files

bachelor_Kiviranta_Pauli_2025.pdf (694.36 KB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Bachelor's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-12-12

Department

Major/Subject

Electronics and Electrical Engineering

Mcode

Degree programme

Bachelor's Programme in Electrical Engineering
Sähkötekniikan kandidaattiohjelma
Kandidatprogrammet i elektroteknik

Language

fi

Pages

32

Series

Abstract

Advances in semiconductor technologies have led to reduced performance in analog circuits, including conventional analog-to-digital converters (ADCs). At the same time, ADC performance requirements have increased, driven in part by the demands of fifth-generation (5G) communication systems. Time-based ADCs have emerged as a promising approach to address these challenges because they rely predominantly on digital circuit structures, and their output range is not constrained by the supply voltage, unlike conventional voltage-domain ADCs. However, the performance of time-based converters is frequently limited by the voltage-to-time converter (VTC). This thesis investigates the effect of the VTC on the performance of time-based ADCs. The thesis has been conducted as a literature study using core literature and research publications in the field. It begins with a review of an ideal ADC, its key performance metrics, and conventional voltage-domain ADC architectures to establish the necessary background. Subsequently, time-based ADC principles, three VTC architectures, and one time-to-digital converter (TDC) are analyzed. Finally, the performance of the constant-slope VTC and the variable-slope VTC is evaluated and compared. The results indicate that the constant-slope VTC is better suited for high-resolution ADC applications due to its superior linearity, wider input range, and higher signal-to-noise ratio. In contrast, the variable-slope VTC is more appropriate for high-speed ADCs that do not require high resolution, as it offers higher conversion speed and lower power consumption, albeit at the expense of linearity and input range.

Uudet puolijohdeteknologiat ovat aiheuttaneet haasteita analogiaelektroniikan, kuten perinteisten analogia-digitaalimuuntimien, suorituskyvylle. Lisäksi analogia-digitaalimuuntimien suorituskykyvaatimukset ovat kasvaneet esimerkiksi viidennen sukupolven datayhteyksien myötä. Aikapohjaiset analogia-digitaalimuuntimet ovat yksi lupaavista ehdokkaista vastaamaan edellä mainittuihin haasteisiin, sillä ne voidaan toteuttaa pääosin digitaalisilla piirirakenteilla, eikä käyttöjännite rajoita niiden lähtöaluetta toisin kuin perinteisissä jännitepohjaisissa analogia-digitaalimuuntimissa. Aikapohjaisten analogia-digitaalimuuntimien suorituskykyä rajoittaa kuitenkin usein jännite-aikamuunnin. Tämä työ tutkii jännite-aikamuuntimen vaikutusta aikapohjaisen analogia-digitaalimuuntimen suorituskykyyn. Työ on toteutettu kirjallisuustutkimuksena alan peruskirjallisuuden ja tutkimusartikkelien pohjalta. Aluksi käsitellään ideaalista analogia-digitaalimuunninta, suorituskyvyn mittareita sekä jännitepohjaisia analogia-digitaalimuuntimia työn taustoittamiseksi. Seuraavaksi esitellään aikapohjaiset analogia-digitaalimuuntimet ja käsitellään kolmea jännite-aikamuunninta sekä yhtä aika-digitaalimuunninta. Lopuksi analysoidaan vakioramppi-jännite-aikamuuntimen ja muuttuva-ramppi-jännite-aikamuuntimen suorituskykyä sekä vertaillaan näiden rakenteiden etuja ja soveltuvuutta erityyppisiin analogia-digitaalimuuntimiin. Analyysin perusteella voidaan todeta, että vakioramppi-jännite-aikamuunnin soveltuu korkean resoluution analogia-digitaalimuuntimiin hyvän lineaarisuutensa, laajan tulojännitealueensa ja paremman signaali-kohinasuhteensa ansiosta. Muuttuva-ramppi-jännite-aikamuunnin puolestaan soveltuu korkean nopeuden analogia-digitaalimuuntimiin, joissa ei vaadita korkeaa resoluutiota, sillä sen lineaarisuus on heikompi ja tulojännitealue rajoittuneempi, mutta nopeus korkea ja tehonkulutus alhainen.

Description

Supervisor

Turunen, Markus

Thesis advisor

Porrasmaa, Santeri

Keywords

analogia-digitaalimuunnin, A/D-muunnin, aikapohjainen, jännite-aikamuunnin, VTC, aika-digitaalimuunnin, suorituskyky

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202512199441

Collections

[kand] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC