8-BIT 1 GS/S ADC architecture and 4-BIT flash ADC for +10 GS/S time interleaved ADC in 65nm CMOS technology

Haberleşme sistemlerinin veri aktarım sıklıkları ve bant genişlikleri sürekli olarak artmaktadır. Sayısal yarıiletken teknolojilerindeki gelişmeler, haberleşme sistemlerindeki işaret işleme kısımlarını sayısal domenine almıştır. Sayısal işaret işlemenin avantajları, ideal olmayan durumlara yüksek tolerans, gerçekleme kolaylığı, bir fonksiyonu gerçeklemek için gereken alanın dolayısıyla maliyetin düşük olması ve yeni teknolojilere taşınabilme olarak sayılabilir. Bu avantajlardan faydalanmak için analog işaretleri sayısal domene almada köprü görevi görecek yüksek hızlı analog-sayısal dönüştürücülere(ADC) ihtiyaç vardır. Kablolu ve kablosuz haberleşme teknolojilerinde 10 GHz'yi de aşan bant genişlikleri tek kanallı ADCleri bu iş için elverişsiz kılmaktadır. Zaman aralıklı ADCler gerek ulaşabilecekleri dönüştürme hızı gerek güç verimliliği açısından iyi bir aday olarak karşımıza çıkar. Zaman aralıklama, tek kanallı eş ADClerin sıra ile kullanılması esasına dayanmaktadır. Sıradaki örneği alan ADC, sıra tekrar kendisine gelene kadar bu örneği dönüştürür. Dolayısıyla toplam dönüştürme hızı, tek bir dönüştürücünün hızı ile kanal sayısının çarpımı kadar olmaktadır. Bu şekilde yüksek dönüştürme hızları elde edilebilir. Ayrıca bu şekilde tek kanal ADCler daha fazla hız elde etmek için güç bakımından verimsiz oldukları noktalara itilmez ve daha verimli yapılar ortaya çıkar. Zaman aralıklı ADClerdeki kanal uyumsuzlukları performansı düşürmektedir. Bu hatalar temel olarak dengesizlik, kazanç ve zamanlama uyumsuzluklarından ileri gelmektedir. Zamanlama hataları kestirilmeleri ve düzeltilmeleri noktasında diğerlerinden daha zorludur ve bu durum yüksek frekanslarda daha da zorlaşmaktadır. Zaman aralıklı ADClerdeki zamanlama hatalarının kestirilmeleri ve düzeltilmeleri güncel bir araştırma konusu teşkil etmektedir. Hataların kalibrasyonu ön planda veya arka planda yapılabilir. Arka planda yapılan kalibrasyon sistemin işlerliği ile ilgili herhangi bir sıkıntı yaratmaması ve değişen çevre şartlarına uyum sağlayabilme esnekliği açısından daha avantajlıdır. Zaman aralıklama hataları frekans spektrumunda çıkıntılar(spur) oluşturmaktadır. Bu çıkıntılar, güçlü olmaları durumunda alıcı kısmındaki devreleri sıkıştırma noktasına iterek modülasyonlu işaretlerin sezilmesini zorlaştırabilir veya giriş işaretini tamamen engelleyebilirler. Dolayısıyla kanal uyumsuzluk hataları özellikle kablosuz haberleşme sistemleri için sorun teşkil etmektedir. Bu sorunlardan kurtulmak için kanalları rastgele kullanmaya dayanan bir teknik önerilmiştir. Bu teknik ile kanallardan kaynaklanan hatalar çıkışa rastgele bir sırayla etki yaptıklarından gürültü gibi bir karaktere geçerler. Dolayısıyla frekans spektrumundaki çıkıntılar söndürülmüş olur. Tekniğin bir diğer avantajı arka planda çalışmasıdır. Ancak dikkat edilmelidir ki bu teknik bir hata düzeltme tekniği değildir, dolayısıyla sistemin işaretgürültü oranını iyileştirmemektedir. Kanal uyumsuzluk hatalarının kestirilmesi gibi, saat işaretlerinin dağıtılması da artan kanal sayısı ile zorlaşmaktadır. Ayrıca yüksek kanal sayısına sahip olan zaman aralıklı ADClerde saat işareti dağıtımının tükettiği güç yüksek seviyelere ulaşabilir. Belli bir dönüştürme hızı için kanal sayısını düşük tutmak ise kanal ADClerinin dönüştürme hızlarını arttırmak ile mümkündür. ADClerin hızları yüksek tutulurken aynı zamanda güç verimliliği de yüksek tutulmalıdır. Bu hedefler doğrultusunda 8-bit 1 GS/s bir çevrimde birden fazla bit dönüştüren bir SAR ADC yapısı önerilmiştir. Bir çevrimde birden fazla bit dönüştüren SAR ADCler, tek kanalda yüksek hızlara çıkmak konusunda sıkça kullanılan bir yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır. Bunun yanında ilk üç en anlamlı bit bir flash ADC ile dönüştürüldüğünden önemli hız kazanımları elde edilir. Flash ADC çıkışında bir kod çözücü yapısı kullanılmaması da zaman kazanımında etkilidir. Önerilen ADC yapısında özgün bir dönüştürme algoritması kullanılmaktadır. Algoritma temel olarak, dönüştürme fazlarına fazladan seviyeler eklemek ve fazların aralıklarını kesiştirmek sureti ile devre bloklarının hata toleranslarını arttırmasına dayanmaktadır. Bu nedenle herhangi bir kalibrasyon sistemine ihtiyaç duyulmaz dolayısıyla güç tüketimi azaltılabilir. Bu yapının gerçeklenebilmesi için çoklu seviye üreten bir ön kuvvetlendirici önerilmiştir. Önerilen ön kuvvetlendirici yapısı nedeniyle, algoritmadaki farklı fazlar için tek bir ön kuvvetlendirici kullanılabilmektedir. Bu sayede farklı ön kuvvetlendiricilerden kaynaklanacak dengesizlik uyumsuzluklarının da önüne geçilmiş olur. Yüksek hızlı veri dönüştürücülerin gerçeklenmesindeki en etkili devre bloğu, kendisi de 1 bitlik bir ADC olarak sayılabilecek karşılaştırıcı devreleridir. Karşılaştırıcı devresinin hızı, doğruluğu ve güç tüketimi bir ADCnin ilgili performans parametrelerini doğrudan etkilemektedir. Yüksek karşılaştırma hızlı özgün bir gömülü ön kuvvetlendiricili karşılaştırıcı devre önerilmiştir. Yapı geleneksel dinamik sezme kuvvetlendiricisi devresi temel alınarak tasarlanmıştır. Ek olarak giriş farksal kuvvetlendirici bölümüne bir statik akım kaynağı bağlanmıştır. Bu şekilde dinamik karşılaştırıcı yapısına ön kuvvetlendirici gömülmüş olur. Yapı geleneksel yapılara nazaran, hız, dengesizlik, güç tüketimi ve geri tepme gürültüsü açısından iyileştirmeler içermektedir. 8-bit 1 GS/s bir çevrimde birden fazla bit dönüştüren SAR ADC yapısı, ilk 3 biti olabildiğince hızlı dönüştürmek için bir flash ADC yapısı kullanmaktadır. Flash ADC yapılarının önemli hız avantajlarına rağmen, karşılaştırıcı devrelerin dengesizlik ve geri tepme gürültüsü performansı düşürmektedir. Önerilen gömülü ön kuvvetlendiricili karşılaştırıcı devresi dengesizlik performansını ve geri tepme gürültüsünü iyileştirmektedir. Ancak geri tepme gürültüsünden kaynaklanan hataları tam olarak çözmek adına, referans gerilimleri de giriş işaretleri gibi örneklenebilir. Bu teknik ile karşılaştırıcı geri tepme gürültüsünün giriş ve referans gerilimi üzerindeki etkisi eşitlenmekte ve geri tepme gürültüsünün etkisi bertaraf edilmektedir. ADC girişleri örneklenerek geldiğinden ve örnekleme devrelerindeki bir hata doğrudan ADCye iletileceğinden bu devrelerin performansı çok önemlidir. Çapraz bağlamalı anahtar tekniği kullanılarak anahtarların doğrusallığı iyileştirilmiştir. Aynı zamanda çapraz bağlama tekniği anahtar yük enjeksiyonu hatasını giriş işaretinden bağımsız hale getirmektedir. Bu durum, yukarıda bahsedilen referans örnekleme tekniği ile birleştirildiğinde flash ADC için önemli bir doğruluk iyileştirmesi sağlamaktadır. ADC blokları ST Microelectronics 65 nm CMOS teknolojisinde tasarlanmış ve serimleri yapılmıştır. Serim sonrası benzetim sonuçları tasarımların ve kullanılan tekniklerin doğruluğunu göstermektedir. Tasarlanan ADC Haziran 2015'de üretime yollanmıştır. Kasım 2015'de ölçümlere başlanması planlanmaktadır.