コンパレータノイズが a/d コンバータの性能に与える影響に関する研究
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Matsuzawa& Okada Lab.
Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of TechnologyMatsuzawa
& Okada Lab.Matsuzawa Lab.Tokyo Institute of Technology
コンパレータノイズが A/D コンバータの性能に与える影響に関する研究
◎ 吉原 慶,浅田 友輔,宮原 正也,岡田 健一,松澤 昭
東京工業大学大学院理工学研究科電子物理工学専攻
2008/09/17 K. Yoshihara, Tokyo Tech.
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発表内容• 研究背景• A/D コンバータの動作原理
– Flash ADC– Subranging ADC– SAR ADC
• 解析結果• まとめ
2008/09/17 K. Yoshihara, Tokyo Tech.
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研究背景-中速・中分解能の A/D変換には、オペアンプベースのADCである Pipeline ADCが用いられていたが、近年ではコンパレータベースの SAR ADCも用いられるようになってきた。そのため、より詳細なコンパレータの解析が必要である。
-コンパレータベースの ADC において、コンパレータノイズが性能に与える影響についての解析を行った。
Type , Year Speed [MS/s] FoM [fJ]
[1] Pipeline , 2000 40 1900
[2] SAR , 2000 0.5 3830
[3] Pipeline , 2008 100 62
[4] SAR , 2008 40 54
sf
ENOB2
PowerFoM
sf: サンプリング 周波数
ENOB: 有効ビット
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Vout
Vref
Vin
コンパレータノイズ
Vin
VrefVout
-ノイズの影響により、コンパレータの出力が変化する点が幅を持つようになる(不感帯と呼ばれる)。
02.6
76.1SNRENOB
有効ビット
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ADC 特徴Flash Subranging SAR
速度 高速 低速
分解能 低 高
消費電力 大 小
コンパレータ動作回数
2n-1 個 ×1回 2n/2 個 ×2 回 1 個 ×n 回
1.0E-03
1.0E-02
1.0E-01
1.0E+00
1.0E+01
1.0E+02
1.0E+03
1.0E+04
1.0E+05
1.0E+00 1.0E+02 1.0E+04 1.0E+06 1.0E+08FoM[fJ ]
Spe
ed[M
S/s
]
Subranging 2006SAR 2006Flash 2006Subranging 2007SAR 2007Flash 2007Subranging 2008SAR 2008Flash 2008
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Flash ADC
VinVref
. . . .
n bit
1
2
2n-2
2n-1
Encoder
0
1
1
1
00
1
1
Vin
Vref
コンパレータ動作回数 2n-1 個 ×1 回
-コンパレータを 2n-1 個並列に配置し、同時に比較を行う。ノイズの影響は全コンパレータで一様。
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Subranging ADC
コンパレータ動作回数 2n/2 個 ×2 回
- Flash ADC を二段階に分け、変換を行う。上位ビットの変換はノイズの許容範囲が広い。
Vin
++
-
n/ 2 bitDAC
n/ 2 bitflashADC
n/ 2 bitflashADC
Vref
Vref 2n/ 2
uppern/ 2 bit
lowern/ 2 bit
0
1
1
1
Vin
Vref
0
0
0
1
Vref
2n/ 2
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SAR ADC
コンパレータ動作回数 1 個 ×n 回
- DAC の出力を上位ビットから順に 1 とし、比較を行い確定していく。下位ビットの変換ではノイズによる誤変換を起こす確率が高い。
Vin
Register
n bitDAC
n bit
VrefDACout
Vin
Vref
2
3Vref
4
1 0 0 1 1 11 0 0 0
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SAR ADC でのノイズの影響Flash ADC SAR ADC
-コンパレータノイズが一様とすると、 SAR ADC のノイズによる影響は Flash ADC と同程度となる。
MSB MSB-1 MSB-2
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ENOB 理論式
Flash、 Subranging型 :コンパレータノイズの標準偏差
n
iiin
1
212
1
SAR型: i 番目の変換動作時のコンパレータノイズi-ノイズパワー:
i 2
2
SubrangingFlash, 2/121log66.1ENOB
nrefV
n
ENOBSAR ENOBFlash,subranging≈
-ノイズパワー: ,量子化ノイズ: ,信号電力:22
22
1
refV2
212
1
n
refV
2
3
2/121log212log10SNR
nref
n
V
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-ノイズによる ENOB の低下は、コンパレータの比較回数に依らずほぼ同程度となった。
シミュレーション結果
Flash Subranging SAR
5.06 5.10 5.05
ENOB@=0.5
4.6
4.8
5
5.2
5.4
5.6
5.8
6
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6[LSB]
ENO
B
FlashSubrangingSARapproximation
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まとめ• コンパレータノイズによる ENOB の劣化
は、比較回数の違いがほぼ影響しないことを確認した。
Flash Subranging SAR
5.06 5.10 5.05
ENOB@=0.5
• 今後、各変換毎にコンパレータノイズを変化させ、ノイズによる影響のより詳細なシミュレーションを行う必要がある。
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参考文献
[1]I. Mehr and L. Singer, “A 55-mW, 10-bit, 40-Msample/s Nyquist-Rate CMOS ADC,” IEEE JSSC, vol.36, no.3, pp.318-325, March 2000.
[2]J. Park, H.J. Park, J.W. Kim, S. Seo and P. Chug, “A 1mW 10-bit 500KSPS SAR A/D Converter,” IEEE ISCAS, pp.581-584, May 2000.
[3]M. Boulemnakher, E.Andre, J.Roux and F. Paillardet, “A 1.2V 4.5mW 10b 100MS/s Pipeline ADC in a 65nm CMOS,” ISSCC Digest of Technical Papers, pp.250-611, February 2008.
[4]V. Giannini, P. Nuzzo, V. Chironi, A. Baschirotto, G. Van der Plas and J. Craninckx, “An 820uW 9b 40MS/s Noise-Tolerant Dynamic-SAR ADC in 90nm Digital CMOS,” ISSCC Digest of Technical Papers, pp.238-610, February 2008.
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Vref
Vref
2
3Vref
4
1 0 0 1 1 11 0 0 0
DACout
Vin
Vout=39Vout_error=40
Vref
Vref
2
3Vref
4
1 0 0 0 0 01 1 1 1
DACout
Vin
Vout=32Vout_error=31
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nrefq VV 2/1LSB:
量子化ノイズ→ 12
2qV,コンパレータノイズ→2 ,信号電力→
2
2
2
2
1
qnV
2
3
22
2
121log212log10
12
2
2
21
log10SNRq
n
q
qn
VV
V
2
2
3
2/121log66.1
02.6
76.1121log212log66.1
02.6
76.1SNRENOB
nref
q
n
Vn
V
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sigma0 sigma1 sigma2 sigma3 sigma4 sigma5 コンパレータノイズ 信号パワー 理論値 Sim値 ENOB Sim 誤差率0.5 0.5 0.5 0 0 0 6.67572E-06 0.125 36.65212 49.46479 5.796034 5.79874 0.04670.5 0.5 0.5 0.125 0.125 0.125 1.00136E-05 0.125 36.14628 50.46479 5.712006 5.687708 -0.425390.5 0.5 0.5 0.25 0.25 0.25 2.00272E-05 0.125 34.90827 51.46479 5.506358 5.476471 -0.542780.5 0.5 0.5 0.375 0.375 0.375 3.67165E-05 0.125 33.40567 52.46479 5.256755 5.227174 -0.562740.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 6.00815E-05 0.125 31.91511 53.46479 5.009154 5.027118 0.358624
6bit SAR ADC で σ を変化させたときの理論値とシミュレーションの誤差
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