Analog-to-Digital Conversion: Analog-to-Digital Conversion.part1.rar

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 About this Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Components and Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1 MathematicalTools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 TheFourierTransform. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 FourierAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.3 Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.4 LaplaceTransform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.5 The z-transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.6 Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2 Resistivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.2 Voltage andTemperatureCoefficient . . . . . . . . . . . . 29
2.2.3 Measuring Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.4 Electromigration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.5 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3 MaxwellEquations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.1 Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.2 EnergyinaCoil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.3 Straight Wire Inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.4 SkinEffect andEddyCurrent . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.5 Transformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.6 Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.7 Energy in Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.8 PartialCharging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.9 DigitalPowerConsumption . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.10 Coaxial Cable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.4 Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.1 Semiconductor Resistivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.2 Voltage andTemperatureCoefficient . . . . . . . . . . . . 49
ix
x Contents
2.4.3 MatchingofResistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4.4 MOS Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.4.5 Capacitance Between Layers . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.4.6 Voltage andTemperatureCoefficient . . . . . . . . . . . . 56
2.4.7 Matching of Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.4.8 Thepn-junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.4.9 TheBipolarTransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.5 TheMOSTransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.5.1 WeakInversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.5.2 Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.5.3 Drain Voltage Influence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.5.4 Large Signal and Small Signal . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.5.5 High-frequency Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.5.6 Gate Leakage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.5.7 TemperatureCoefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.5.8 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.5.9 Latch-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.5.10 Enhancement and Depletion . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.5.11 Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.6 Network Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.6.1 Kirchhoff’s Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.6.2 Two-portNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.6.3 EnergyandPower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.6.4 Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.6.5 Opamps andOTAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.6.6 DifferentialDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.6.7 Switched-capacitor Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.6.8 Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
2.7 ElectronicCircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.7.1 ClassificationofAmplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.7.2 One-transistorAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
2.7.3 The Inverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.7.4 Source Follower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.7.5 TheDifferentialPair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.7.6 Degeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.7.7 CurrentMirror . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.7.8 DarlingtonPair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
2.7.9 Cascode and Regulated Cascode . . . . . . . . . . . . . . 110
2.7.10 Single-stageAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
2.7.11 Miller Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
2.7.12 Choosing the W/L Ratios in a Miller Opamp . . . . . . . . 118
2.7.13 Dominant-pole Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
2.7.14 Feedback in Electronic Circuits . . . . . . . . . . . . . . . 120
2.7.15 BiasCircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
2.7.16 Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Contents xi
3 Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.1 Sampling in Time and Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.1.1 Folding Back of Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
3.1.2 Sampling and Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
3.1.3 SamplingofNoise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
3.1.4 Jitter of the Sampling Pulse . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
3.2 Time-discrete Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3.2.1 FIR Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3.2.2 Half-band Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
3.2.3 Down Sample Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
3.2.4 IIR Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4 Sample and Hold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.1 Track-and-Hold and Sample-and-Hold Circuits . . . . . . . . . . . 155
4.2 Artifacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.3 Capacitor and Switch Implementations . . . . . . . . . . . . . . . 160
4.3.1 Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4.3.2 Switch Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4.3.3 BottomPlateSampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.3.4 The CMOS Bootstrap Technique . . . . . . . . . . . . . . 165
4.3.5 Buffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.4 Track-and-Hold Circuit Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.4.1 Basic Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.4.2 Amplifying Track-and-Hold Circuit . . . . . . . . . . . . . 171
4.4.3 Correlated Double Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4.4.4 ABipolarExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.4.5 DistortionandNoise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5 Quantization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5.1 Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.1.1 Integral Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.1.2 Differential Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5.2 TheQuantizationError . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
5.2.1 One-bitQuantization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
5.2.2 2–6bitQuantization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.2.3 7-bit and Higher Quantization . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.3 Signal-to-Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
5.3.1 RelatedDefinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
5.3.2 Non-uniformQuantization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
5.3.3 Dither . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
5.3.4 DNLandSNR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
6 Reference Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
6.1 General Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
6.2 Bandgap Reference Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.2.1 Bipolar Bandgap Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
xii Contents
6.2.2 CMOS Bandgap Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
6.2.3 Low-voltage Bandgap Circuits . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.3 Alternative References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
7 Digital-to-Analog Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
7.1 UnaryandBinaryRepresentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
7.1.1 DigitalRepresentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.1.2 PhysicalDomain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7.2 Digital-to-Analog Conversion Schemes . . . . . . . . . . . . . . . 209
7.2.1 DAConversionintheVoltageDomain . . . . . . . . . . . 209
7.2.2 R-2R Ladders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.2.3 Digital-to-Analog Conversion in the Current Domain . . . 214
7.2.4 Semi-digital Filter/Converters . . . . . . . . . . . . . . . . 220
7.2.5 DAConversionintheChargeDomain . . . . . . . . . . . 221
7.2.6 DAConversionintheTimeDomain . . . . . . . . . . . . 224
7.2.7 Class-DAmplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
7.3 Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
7.3.1 Limits to Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
7.4 Methods to Improve Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
7.4.1 CurrentCalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
7.4.2 Dynamic Element Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
7.4.3 Data-weightedAveraging . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
7.5 Digital-to-AnalogConversion: ImplementationExamples . . . . . 239
7.5.1 Resistor Ladder Digital-to-Analog Converter . . . . . . . . 239
7.5.2 CurrentDomainDigital-to-AnalogConversion . . . . . . . 242
7.5.3 AComparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
7.5.4 An Algorithmic Charge-based Digital-to-Analog Converter 244
8 Analog-to-Digital Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
8.1 TheComparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
8.1.1 The Dynamics of Transistor Comparator . . . . . . . . . . 253
8.1.2 Hysteresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
8.1.3 Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
8.1.4 Metastability and Bit-Error Rate . . . . . . . . . . . . . . 258
8.1.5 Kick-back . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
8.1.6 Comparator Schematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
8.1.7 Auto-zeroComparators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
8.2 Full-flashConverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
8.2.1 Ladder Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
8.2.2 ComparatorYield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
8.2.3 Decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
8.2.4 AveragingandInterpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
8.2.5 Technology Scaling for Full-flash Converters . . . . . . . . 277
8.2.6 FoldingConverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
8.3 Sub-ranging Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
Contents xiii
8.4 PipelineConverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
8.4.1 Error Sources in Pipeline Converters . . . . . . . . . . . . 286
8.4.2 DigitalCalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
8.5 1.5BitPipelineAnalog-to-DigitalConverter . . . . . . . . . . . . 289
8.5.1 Designof aStage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
8.5.2 Redundancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
8.5.3 PipelineVariants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
8.6 Successive Approximation Converters . . . . . . . . . . . . . . . 296
8.6.1 Charge-redistributionConversion . . . . . . . . . . . . . . 298
8.6.2 AlgorithmicConverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
8.7 Linear Approximation Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
8.8 Time-interleavingTime-discreteCircuits . . . . . . . . . . . . . . 305
8.9 AnImplementationExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
8.9.1 AnAuto-zeroComparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
8.9.2 Full-flashAnalog-to-DigitalConverter . . . . . . . . . . . 310
8.9.3 Successive-approximation Analog-to-Digital Converter . . 311
8.9.4 Multi-step Analog-to-Digital Converter . . . . . . . . . . . 312
8.9.5 AComparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
8.10 Other Conversion Ideas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
8.10.1 Level-crossingAnalog-to-DigitalConversion . . . . . . . . 314
8.10.2 Asynchronous Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
8.10.3 Time-relatedConversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
8.10.4 TheVernier/NoniusPrinciple . . . . . . . . . . . . . . . . 318
8.10.5 TheFloating-pointConverter . . . . . . . . . . . . . . . . 318
9 Sigma-delta Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
9.1 Oversampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
9.2 Noise Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
9.3 Sigma-delta Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
9.3.1 Sigma-deltaDigital-to-AnalogConversion . . . . . . . . . 334
9.4 Time-discrete Sigma-delta Modulation . . . . . . . . . . . . . . . 334
9.4.1 A First Order Modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
9.4.2 A Second Order Modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
9.4.3 Cascaded Sigma-delta Modulator . . . . . . . . . . . . . . 339
9.5 Time-continuous Sigma-delta Modulation . . . . . . . . . . . . . 341
9.5.1 A First-order Modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
9.5.2 Higher Order Sigma-delta Converters . . . . . . . . . . . . 345
9.5.3 Time-discrete and Time-continuous Sigma Delta
Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
9.6 Multi-bit Sigma-delta Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
9.7 Various Forms of Sigma-delta Modulation . . . . . . . . . . . . . 353
9.7.1 Complex Sigma-delta Modulation . . . . . . . . . . . . . . 353
9.7.2 Asynchronous Sigma-delta Modulation . . . . . . . . . . . 353
9.7.3 Input Feed-forward Modulator . . . . . . . . . . . . . . . 354
9.7.4 Band-pass Sigma-delta Converter . . . . . . . . . . . . . . 355
xiv Contents
9.7.5 Sigma Delta Loop with Noise-shaping . . . . . . . . . . . 356
9.7.6 IncrementalSigma-deltaConverter . . . . . . . . . . . . . 356
10 Characterization and Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
10.1 TheTestHardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
10.2 Measurement Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
10.2.1 INLandDNL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
10.2.2 HarmonicBehavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
10.3 SelfTesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
11 Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
11.1 Technology Roadmap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
11.1.1 Power Supply and Signal Swing . . . . . . . . . . . . . . . 370
11.1.2 Feature Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
11.1.3 Process Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
11.2 Variability: an Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
11.3 DeterministicOffsets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
11.3.1 Offset Caused by Electrical Differences . . . . . . . . . . . 376
11.3.2 Offset Caused by Lithography . . . . . . . . . . . . . . . . 377
11.3.3 ProximityEffects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
11.3.4 TemperatureGradients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
11.3.5 OffsetCausedbyStress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
11.3.6 Offset Mitigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
11.4 Random Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
11.4.1 Random Fluctuations in Devices . . . . . . . . . . . . . . 386
11.4.2 MOSThresholdMismatch . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
11.4.3 CurrentMismatchinStrongandWeakInversion . . . . . . 392
11.4.4 MismatchforVariousProcesses . . . . . . . . . . . . . . . 394
11.4.5 Application to Other Components . . . . . . . . . . . . . . 396
11.4.6 ModelingRemarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
11.5 Consequences for Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
11.5.1 Analogdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
11.5.2 DigitalDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
11.5.3 Drift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
11.5.4 Limits of Power and Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . 401
11.6 Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
11.7 Substrate Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
12 System Aspects of Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
12.1 System Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
12.1.1 Specification of Functionality . . . . . . . . . . . . . . . . 416
12.1.2 Signal Processing Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
12.1.3 Input Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
12.1.4 Conversion of Modulated Signals . . . . . . . . . . . . . . 422
12.2 ComparingConverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
12.3 LimitsofConversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
Contents xv
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
2 Components and Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
3 Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
4 Sample-and-Hold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
5 Quantization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
6 Reference Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
7 Digital-to-AnalogConversion . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
8 Analog-to-DigitalConversion . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
9 Sigma-deltaConversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
10 Characterization and Specification . . . . . . . . . . . . . . 444
11 PhysicalRestrictions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
12 System Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447

感谢楼主分享

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网速慢，下不了，急啊

Noise Shaping  嘛意思呀？

Tanks  a lot !

一本AD的书居然还讲趋肤效应，看看怎么回事