Time-to-Digital Converter for Wideband Time-Based Analog-to-Digital Converters
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master'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
2018-03-26
Department
Major/Subject
Mikro- ja nanoelektroniikkasuunnittelu
Mcode
ELEC3036
Degree programme
NanoRad - Master’s Programme in Nano and Radio Sciences (TS2013)
Language
en
Pages
65
Series
Abstract
Modern deeply scaled semiconductor processes make the design of voltage-domain circuits increasingly challenging. On the contrary, the area and power consumption of digital circuits are improving with every new process node. Consequently, digital solutions are designed in place of their purely analog counterparts in applications such as analog-to-digital (A/D) conversion. Time-based analog-to-digital converters (ADC) employ digital-intensive architectures by processing analog quantities in time-domain. The quantization step of the time-based A/D-conversion is carried out by a time-to-digital converter (TDC). A free-running ring oscillator -based TDC design is presented for use in wideband time-based ADCs. The proposed architecture aims to maximize time resolution and full-scale range, and to achieve error resilient conversion performance with minimized power and area consumptions. The time resolution is maximized by employing a high-frequency multipath ring oscillator, and the full-scale range is extended using a high-speed gray counter. The error resilience is achieved by custom sense-amplifier -based sampling flip-flops, gray coded counter and a digital error correction algorithm for counter sampling error correction. The implemented design achieves up to 9-bit effective resolution at 250 MS/s with 4.3 milliwatt power consumption.Modernien puolijohdeteknologioiden skaalautumisen seurauksena jännitetason piirien suunnittelu tulee entistä haasteellisemmaksi. Toisaalta digitaalisten piirirakenteiden pinta-ala sekä tehonkulutus pienenevät prosessikehityksen myötä. Tästä syystä digitaalisia ratkaisuja suunnitellaan vastaavien puhtaasti analogisien rakenteiden tilalle. Analogia-digitaalimuunnos (A/D-muunnos) voidaan toteuttaa jännitetason sijaan aikatasossa käyttämällä aikapohjaisia A/D-muuntimia, jotka ovat rakenteeltaan pääosin digitaalisia. Kvantisointivaihe aikapohjaisessa A/D-muuntimessa toteutetaan aika-digitaalimuuntimella. Työ esittelee vapaasti oskilloivaan silmukkaoskillaattoriin perustuvan aika-digitaalimuuntimen, joka on suunniteltu käytettäväksi laajakaistaisessa aikapohjaisessa A/D-muuntimessa. Esitelty rakenne pyrkii maksimoimaan muuntimen aikaresoluution sekä muunnosalueen, sekä saavuttamaan virhesietoisen muunnostoiminnan minimoidulla tehon sekä pinta-alan kulutuksella. Aikaresoluutio on maksimoitu hyödyntämällä suuritaajuista monipolkuista silmukkaoskillaattoria, ja muunnosalue on maksimoitu nopealla Gray-koodi -laskuripiirillä. Muunnosprosessin virhesietoisuus on saavutettu toteuttamalla näytteistys herkillä kiikkuelementeillä, hyödyntämällä Gray-koodattua laskuria, sekä jälkiprosessoimalla laskurin näytteistetyt arvot virheenkorjausalgoritmilla. Esitelty muunnintoteutus saavuttaa 9 bitin efektiivisen resoluution 250 MS/s näytetaajuudella ja 4.3 milliwatin tehonkulutuksella.Description
Supervisor
Ryynänen, JussiThesis advisor
Kosunen, MarkoKeywords
analog-to-digital converter, time-to-digital converter, time-based, time-domain, multipath ring oscillator, gray counter