Integration of wideband low power consumption analog-to-digital converter

Abstract

Diplomityössä on tutkittu satelliitti- ja tietoliikennejärjestelmiin soveltuvan liukuhihnatyyppisen analogia-digitaalimuuntimen (AD-muunnin) integrointia. Muuntimen resoluutioksi on spesifioitu 10 bittiä ja näytteistystaajuudeksi 320 MS/s. AD-muunnosta voidaan nopeuttaa käyttämällä useita AD-muuntimia rinnakkain (nk. aikalimitys). Tässä työssä toteutetussa AD-muuntimessa on neljä aikalimitettyä rinnakkaista kanavaa, joiden näytteistystaajuus on 80 MS/s. Muunnin on prosessoitu käyttäen 0,35 um BiCMOS-teknologiaa.

Pinta-alaltaan suurien piirien virrankulutus voi kasvaa hyvinkin suureksi, joten virrankulutus on minimoitava jo suunnitteluvaiheessa. Tässä työssä onkin keskitetty virrankulutuksen pienentämiseen käyttämällä 1,5 bittisiä asteita, kaksoisnäytteistystä ja asteiden parametrien skaalaamista alaspäin muuntimen loppupäätä kohden. Koska vahvistimen asettumisaika rajoittaa kanavan muunnosnopeutta, vahvistimen valinta ja mitoitus ovat tärkeitä suunnittelun vaiheita. Työssä on esitelty ja vertailtu liukuhihnatyyppiselle AD-muuntimelle soveltuvia vahvistintopologioita, ja yksiasteinen BiCMOS- teleskooppivahvistin valittiin mm laajan kaistanleveytensä vuoksi. Vahvistimen simuloinneissa saavutettiin 71 dB avoimen silmukan tasavirtavahvistus ja 1 GHz yksikkövahvistuksen rajataajuus tehonkulutuksen ollessa ainoastaan 7,6 mW.

Muunnin liitettiin nelikerrospiirilevylle mittausta varten. Kellosignaalina käytettiin DLL-kellogeneraattoria (engl. delay locked loop). Tulosignaalin ollessa 147,7 MHz häiriötön dynaaminen alue on -47,9 dB. Muuntimen tehonkulutus on 170 mW käytettäessä 3,3 V jännitelähdettä. Toteutetun muuntimen suorituskykyä on verrattu muihin muuntimiin nk. FoM-laatuluvun (engl. Figure of Merit) avulla. Vertailussa havaittiin, että saavutettu 5,75 pJ:n FoM-arvo on keskiarvoa parempi.