Hur optimeras strömstyrning i DAC-design för hög precision och energieffektivitet?

Modelleringen och designen av digitalt-analog omvandlare (DAC) kräver noggrant övervägande av många parametrar för att uppnå både hög prestanda och effektiv strömförbrukning. Ett av de mest utmanande aspekterna är att säkerställa att systemet bibehåller hög signal-till-brusförhållande (SNR) och samtidigt minimerar strömförbrukningen. Denna avvägning är särskilt viktig i sammanhang där en låg spänning (0.9V) används som kärnspänning, vilket kräver innovativa lösningar på både arkitektur- och komponentnivå.

I DAC32-modulatorn, som är konstruerad för att ha en signifikant förbättrad SNR, har olika åtgärder vidtagits för att reducera de negativa effekterna av kvantiseringsbrus. Bland dessa är en betydande optimering av feedbackvägen och användningen av en loopfilter med en inre upplösning på 5 bitar, vilket leder till ett förbättrat signal-till-kvantiseringsbrusförhållande (SQNR) på hela 8 dB. Denna finjustering minimerar kvantiseringsbrusets påverkan till under 1 dB och gör att termiskt brus, som är den primära begränsningen i modulatorns SNR, får en mer framträdande roll.

Den feedbacktopologi som används för DAC1 är en push-pull strömstyrd metod som utnyttjar en 0.9V kärnspänning. Strömstyrkan hos transistorerna N1 och P1 är noggrant justerad för att säkerställa en exakt drift vid en överföringsspänning av 400mV. Detta gör att det inte behövs negativa spänningar eller högre spänningar än kärnspänningen för att uppnå de önskade resultat, vilket leder till en mycket effektiv strömförbrukning. I många andra DAC-designer används ofta externa strömförsörjningar för att maximera strömkällaöverdrivningen, men här har denna metod undvikits för att hålla strömförbrukningen minimal.

För att ytterligare förbättra prestanda och minimera störningar i systemet används en AUXDAC som styr justeringen av DAC1-enhetcellens ström. AUXDAC är en statisk enhet som använder en pMOS-strömkällaarray för att justera spänningen på bakgrunden till transistorn N1. Detta gör det möjligt att kontrollera strömflödet utan att generera störande brus, vilket är viktigt för att upprätthålla stabiliteten i systemet. AUXDAC:en är utformad för att vara strömsnål och förbrukar endast en minimal mängd ström (8.7μA) vid maximal inställning, vilket ytterligare bidrar till den totala energieffektiviteten.

En annan viktig aspekt är användningen av en PRBS-generator (Pseudorandom Binary Sequence) för att testa och justera systemet. Denna teknik möjliggör en exakt uppmätning av enhetcellens strömstyrning och förbättrar noggrannheten i mätningar av DAC-strömmarna, vilket gör det möjligt att finjustera systemet ytterligare.

I praktiken har denna metod visat sig ge en mycket effektiv strömstyrning och förbättrad prestanda jämfört med traditionella DAC-designs. En viktig observation är att designen inte bara optimerar för strömförbrukning, utan också för att minska störningar och bibehålla noggrannhet i hela systemet. Den minskade felmarginalen och ökade signal-till-brusförhållande gör det möjligt för systemet att leverera resultat på hög nivå även vid lägre spänningar och strömmar.

Endtext

Hur kroppsbiasering kan förbättra linjäriteten och bandbredden i T&H-förstärkare

T&H-förstärkare (track-and-hold amplifiers) är avgörande komponenter i många kommunikationssystem och mätinstrument. Dessa förstärkare används för att hålla en signal vid en viss nivå under en bestämd tidsperiod, vilket är nödvändigt för att möjliggöra noggranna mätningar och signalbehandling. En viktig aspekt för att optimera T&H-förstärkare är deras linjäritet och bandbredd. Genom att använda kroppsbiasering (body-biasing) kan både linjäriteten och bandbredden förbättras, vilket gör det möjligt att uppnå bättre prestanda i höga frekvenser.

I T&H-förstärkare kan transistorns transkonduktans gM1 och schmittsbrytaren RON3 vara styrda genom kroppsbiaseringen (VBB), vilket i sin tur påverkar systemets överföringsfunktion och poler. Genom att tillämpa framåt-biasering på M3-brytaren kan man flytta polen i systemet, vilket ökar signal-brusförhållandet (SNR) vid höga ingångsfrekvenser. Detta innebär att signalstyrkan vid högre frekvenser får fördel av den ökade linjäriteten.

När en BE-buffer (back-end buffer) adderas till systemet minskar dock bandbredden. Detta beror på de strikta kraven för sampling, som enbart gäller för front-end-delen. För att minska den totala effekten på energiförbrukningen reduceras därför gM4 för BE-bufferten. Det innebär att en kompromiss måste göras mellan att förbättra linjäriteten och att bibehålla en hög bandbredd.

För att förstå hur kroppsbiasering påverkar linjäriteten i en T&H-förstärkare är det viktigt att analysera de olika källorna till icke-linjäritet. Den största källan till icke-linjäritet är ON-resistansen (rON) hos T&H-brytaren. Denna resistans är beroende av ingångssignalen, och förändringar i denna resistans påverkar tidkonstanten för T&H, vilket leder till en fördröjning som är beroende av ingångsfrekvensen. Denna modulering av ON-resistansen kan beräknas och jämföras med simuleringar för att kvantifiera icke-linjäriteten.

En annan källa till icke-linjäritet är laddinjektion (charge injection), som orsakas av signalberoende förändringar i kanalens laddning. Denna distorsion är i allmänhet mindre betydande än rON, särskilt vid små amplituder och stora kapaciteter, vilket minskar dess inverkan på linjäriteten.

Genom att kombinera alla dessa icke-linjäritetskällor kan den totala linjäriteten i T&H-förstärkaren beräknas. Vid en viss framåt-biasering på M3-brytaren kan ON-resistansen justeras, vilket inte bara utökar bandbredden utan också förbättrar linjäriteten. Det har visats att genom att tillämpa framåt-biasering upp till −0,3V kan linjäriteten förbättras med upp till 9 dB vid höga ingångsfrekvenser. Detta resultat har verifierats både genom simulering och mätning.

Trots denna förbättring är det viktigt att komma ihåg att de linjära prestanda vid utgången också påverkas av FE-buffer och BE-buffer. Dessa buffertar bidrar till den totala linjäriteten, men deras inverkan minskar när framåt-biaseringen blir för stark, eftersom både ON- och OFF-resistans minskar, vilket kan förstöra linjäriteten.

För att optimera en T&H-förstärkare krävs noggrann avvägning mellan att maximera linjäritet och bibehålla tillräcklig bandbredd. Det är viktigt att förstå att kroppsbiasering är en kraftfull metod för att påverka både linjäriteten och bandbredden, men att denna metod måste hanteras med försiktighet för att inte försämra andra parametrar som påverkar systemets totala prestanda. För att nå optimala resultat kan det vara nödvändigt att finjustera parametrarna för varje specifik applikation och teknologin som används.

Hur effektiv är användning av kroppsbias i moderna FDSOI-teknologier och hur påverkar det designen av ADC?

I den här artikeln undersöks hur kroppsbias (body bias) påverkar prestanda och designen av komparatorer och analog-till-digitalomvandlare (ADC) i avancerade FDSOI-teknologier. Traditionellt har bulk CMOS-processer haft betydande begränsningar när det gäller kroppsbias, särskilt när det gäller hur stor spänningsintervall som kan appliceras och hur effektivt det kan göras. I motsats till detta erbjuder FDSOI-teknologier med "flipped well" (FW) arkitektur nya möjligheter som förbättrar både linjäriteten och flexibiliteten i designen av sådana system.

En väsentlig fördel med denna nya arkitektur är att den tillåter kroppsbiasning (FBB) för både nMOS och pMOS-enheter utan att riskera latch-up, ett problem som traditionellt begränsat användningen av kroppsbias i bulk CMOS-teknologier. I FDSOI-teknologin appliceras positiva och negativa kroppsbias (VBB,n för nMOS och VBB,p för pMOS), vilket ger en högre grad av kontroll över enheternas tröskelspänning (VTH). I synnerhet är sambandet mellan tröskelspänningen och kroppsbias spänningen linjärt i denna teknik, vilket möjliggör en mer exakt och pålitlig justering av spänningen vid användning av ADCs.

Vid designen av en Flash-ADC baserad på denna metod har forskarna utvecklat en bulk-driven flashreferensgenerator. Genom att använda en enkel differenspar för att skapa referensspänningar minskas effekterna av parasitiska kapaciteter och spänningskoppling som kan uppstå i traditionella system. Detta minskar inte bara den totala strömförbrukningen utan förbättrar även stabiliteten i R-trappan, vilket är avgörande för noggrannheten i ADCs.

Genom att förstå sambandet mellan kroppsbias och tröskelspänning kan ingenjörerna nu justera tröskelspänningen linjärt med VBB för att skapa mer exakta och pålitliga referensnivåer för ADC. Simuleringar har bekräftat att variationen i full-skala-området (FSR) för dessa enheter över olika processhörn (PVT) är mycket liten, endast +/−0,7%, vilket gör denna teknik särskilt användbar i högpresterande tillämpningar där noggrannhet och effektivitet är kritiska.

När det gäller det praktiska genomförandet av denna teknik, måste den noggrant beakta de olika typerna av offset i komparatorerna. För att minska de slumpmässiga offseten kan storleken på ingångstransistorerna i preamplifiern ökas, vilket gör att kapacitansen också ökar. Detta är en avvägning som måste göras för att uppnå en balanserad design som ger både hög noggrannhet och låg effektförbrukning.

Det är viktigt att förstå att även om kroppsbiasningstekniker i FDSOI-teknologier kan leda till en betydande förbättring i prestanda och effektivitet, är det fortfarande en teknisk utmaning att hantera och minimera offset i komparatorerna. Denna aspekt måste tas i beaktande vid design och tillverkning för att säkerställa att ADC:n fungerar optimalt under olika förhållanden och att den går att kalibrera på ett effektivt sätt.