High Speed A/D Converters: Understanding Data Converters Through SPICE

238 Pages·2002·12.145 MB·English

by  Moscovici Alfi (auth.)

HIGH SPEED A/D CONVERTERS
Understanding Data Converters
Through SPICE
THE KLUWER INTERNATIONAL SERIES
IN ENGINEERING AND COMPUTER SCIENCE
ANALOG CIRCUITS AND SIGNAL PROCESSING
Consulting Editor. Mohammed Ismail. Ohio State University
Related Titles:
ANALOG TEST SIGNAL GENERATION USING PERIODIC -ENCODED DATA
STREAMS
B. Dufort, G.W. Roberts
ISBN: 0-7923-7211-5
HIGH-ACCURACY CMOS SMART TEMPERATURE SENSORS
A. Bakker, J. Huijsing
ISBN: 0-7923-7217-4
DESIGN, SIMULATION AND APPLICATIONS OF INDUCTORS AND TRANSFORMERS
FOR Si RF Ics
A.M. Niknejad, R.G. Meyer
ISBN: 0-7923-7986-1
DESIGN AND IMPLEMENTATION
B.E. Jonsson
ISBN: 0-7923-7871-7
RESEARCH PERSPECTIVES ON DYNAMIC TRANSLINEAR AND LOG-DOMAIN
CIRCUITS
W.A. Serdijn, J. Mulder
ISBN: 0-7923-7811-3
CMOS DATA CONVERTERS FOR COMMUNICATIONS
M. Gustavsson, J. Wikner, N. Tan
ISBN: 0-7923-7780-X
DESIGN AND ANALYSIS OF INTEGRATOR-BASED LOG -DOMAIN FILTER CIRCUITS
G.W. Roberts, V. W. Leung
ISBN: 0-7923-8699-X
VISION CHIP
A. Moini
ISBN: 0-7923-8664-7
COMPACT LOW-VOLTAGE AND HIGH-SPEED CMOS, BiCMOS AND BIPOLAR
OPERATIONAL AMPLIFIERS
K-J. de Langen, J. Huijsing
ISBN: 0-7923-8623-X
CONTINUOUS-TIME DELTA-SIGMA MODULATORS FOR HIGH-SPEED A/D
CONVERTERS: Theory, Practice and Fundamental Performance Limits
J.A. Cherry, W. M. Snelgrove
ISBN: 0-7923-8625-6
LEARNING ON SILICON: Adaptive VLSI Neural Systems
G. Cauwenberghs, M.A. Bayoumi
ISBN: 0-7923-8555-1
ANALOG LAYOUT GENERATION FOR PERFORMANCE AND MANUFACTURABILITY
K. Larnpaert, G. Gielen, W. Sansen
ISBN: 0-7923-8479-2
CMOS CURRENT AMPLIFIERS
G. Palmisano, G. Palumbo, S. Pennisi
ISBN: 0-7923-8469-5
HIGH SPEED A/D CONVERTERS
Understanding Data Converters
Through SPICE
Alfi Moscovici
KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS
NEW YORK, BOSTON, DORDRECHT, LONDON, MOSCOW
(cid:72)(cid:37)(cid:82)(cid:82)(cid:78)(cid:44)(cid:54)(cid:37)(cid:49)(cid:29) (cid:19)(cid:16)(cid:22)(cid:19)(cid:25)(cid:16)46994(cid:16)4
(cid:51)(cid:85)(cid:76)(cid:81)(cid:87)(cid:3)(cid:44)(cid:54)(cid:37)(cid:49)(cid:29) (cid:19)(cid:16)7923-7276(cid:16)X
(cid:139)(cid:21)(cid:19)(cid:19)(cid:21)(cid:3)(cid:46)(cid:79)(cid:88)(cid:90)(cid:72)(cid:85)(cid:3)(cid:36)(cid:70)(cid:68)(cid:71)(cid:72)(cid:80)(cid:76)(cid:70)(cid:3)(cid:51)(cid:88)(cid:69)(cid:79)(cid:76)(cid:86)(cid:75)(cid:72)(cid:85)(cid:86)
(cid:49)(cid:72)(cid:90)(cid:3)(cid:60)(cid:82)(cid:85)(cid:78)(cid:15)(cid:3)(cid:37)(cid:82)(cid:86)(cid:87)(cid:82)(cid:81)(cid:15)(cid:3)(cid:39)(cid:82)(cid:85)(cid:71)(cid:85)(cid:72)(cid:70)(cid:75)(cid:87)(cid:15)(cid:3)(cid:47)(cid:82)(cid:81)(cid:71)(cid:82)(cid:81)(cid:15)(cid:3)(cid:48)(cid:82)(cid:86)(cid:70)(cid:82)(cid:90)
(cid:51)(cid:85)(cid:76)(cid:81)(cid:87)(cid:3)(cid:3)(cid:139)(cid:21)(cid:19)(cid:19)1(cid:3)(cid:46)(cid:79)(cid:88)(cid:90)(cid:72)(cid:85)(cid:3)(cid:36)(cid:70)(cid:68)(cid:71)(cid:72)(cid:80)(cid:76)(cid:70)(cid:3)(cid:51)(cid:88)(cid:69)(cid:79)(cid:76)(cid:86)(cid:75)(cid:72)(cid:85)(cid:86)
(cid:36)(cid:79)(cid:79)(cid:3)(cid:85)(cid:76)(cid:74)(cid:75)(cid:87)(cid:86)(cid:3)(cid:85)(cid:72)(cid:86)(cid:72)(cid:85)(cid:89)(cid:72)(cid:71)
(cid:49)(cid:82)(cid:3)(cid:83)(cid:68)(cid:85)(cid:87)(cid:3)(cid:82)(cid:73)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:76)(cid:86)(cid:3)(cid:72)(cid:37)(cid:82)(cid:82)(cid:78)(cid:3)(cid:80)(cid:68)(cid:92)(cid:3)(cid:69)(cid:72)(cid:3)(cid:85)(cid:72)(cid:83)(cid:85)(cid:82)(cid:71)(cid:88)(cid:70)(cid:72)(cid:71)(cid:3)(cid:82)(cid:85)(cid:3)(cid:87)(cid:85)(cid:68)(cid:81)(cid:86)(cid:80)(cid:76)(cid:87)(cid:87)(cid:72)(cid:71)(cid:3)(cid:76)(cid:81)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:92)(cid:3)(cid:73)(cid:82)(cid:85)(cid:80)(cid:3)(cid:82)(cid:85)(cid:3)(cid:69)(cid:92)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:92)(cid:3)(cid:80)(cid:72)(cid:68)(cid:81)(cid:86)(cid:15)(cid:3)(cid:72)(cid:79)(cid:72)(cid:70)(cid:87)(cid:85)(cid:82)(cid:81)(cid:76)(cid:70)(cid:15)
(cid:80)(cid:72)(cid:70)(cid:75)(cid:68)(cid:81)(cid:76)(cid:70)(cid:68)(cid:79)(cid:15)(cid:3)(cid:85)(cid:72)(cid:70)(cid:82)(cid:85)(cid:71)(cid:76)(cid:81)(cid:74)(cid:15)(cid:3)(cid:82)(cid:85)(cid:3)(cid:82)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:85)(cid:90)(cid:76)(cid:86)(cid:72)(cid:15)(cid:3)(cid:90)(cid:76)(cid:87)(cid:75)(cid:82)(cid:88)(cid:87)(cid:3)(cid:90)(cid:85)(cid:76)(cid:87)(cid:87)(cid:72)(cid:81)(cid:3)(cid:70)(cid:82)(cid:81)(cid:86)(cid:72)(cid:81)(cid:87)(cid:3)(cid:73)(cid:85)(cid:82)(cid:80)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:51)(cid:88)(cid:69)(cid:79)(cid:76)(cid:86)(cid:75)(cid:72)(cid:85)
(cid:38)(cid:85)(cid:72)(cid:68)(cid:87)(cid:72)(cid:71)(cid:3)(cid:76)(cid:81)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:56)(cid:81)(cid:76)(cid:87)(cid:72)(cid:71)(cid:3)(cid:54)(cid:87)(cid:68)(cid:87)(cid:72)(cid:86)(cid:3)(cid:82)(cid:73)(cid:3)(cid:36)(cid:80)(cid:72)(cid:85)(cid:76)(cid:70)(cid:68)
(cid:57)(cid:76)(cid:86)(cid:76)(cid:87)(cid:3)(cid:46)(cid:79)(cid:88)(cid:90)(cid:72)(cid:85)(cid:3)(cid:50)(cid:81)(cid:79)(cid:76)(cid:81)(cid:72)(cid:3)(cid:68)(cid:87)(cid:29)(cid:3)(cid:3) (cid:75)(cid:87)(cid:87)(cid:83)(cid:29)(cid:18)(cid:18)(cid:78)(cid:79)(cid:88)(cid:90)(cid:72)(cid:85)(cid:82)(cid:81)(cid:79)(cid:76)(cid:81)(cid:72)(cid:17)(cid:70)(cid:82)(cid:80)
(cid:68)(cid:81)(cid:71)(cid:3)(cid:46)(cid:79)(cid:88)(cid:90)(cid:72)(cid:85)(cid:10)(cid:86)(cid:3)(cid:72)(cid:37)(cid:82)(cid:82)(cid:78)(cid:86)(cid:87)(cid:82)(cid:85)(cid:72)(cid:3)(cid:68)(cid:87)(cid:29) (cid:75)(cid:87)(cid:87)(cid:83)(cid:29)(cid:18)(cid:18)(cid:72)(cid:69)(cid:82)(cid:82)(cid:78)(cid:86)(cid:17)(cid:78)(cid:79)(cid:88)(cid:90)(cid:72)(cid:85)(cid:82)(cid:81)(cid:79)(cid:76)(cid:81)(cid:72)(cid:17)(cid:70)(cid:82)(cid:80)
In loving memory of my mother Marieta
Contents
Acknowledgements
Preface
A/D TERMINOLOGY 1
1.1 THE STATIC PARAMETERS 1
1.1.1 Offset error 2
1.1.2 Gain error 2
1.1.3 Integral Linearity Error (ILE) 2
1.1.4 Differential Linearity Error (DLE) 5
1.2 THE DYNAMIC PARAMETERS 7
1.2.1 Total Harmonic Distortion (THD) 7
1.2.2 Signal-to-Noise Ratio (SNR) 7
1.2.3 Signal-to-Noise and Distortion Ratio (SINAD) 8
1.2.4 Spurious-Free Dynamic Range (SFDR) 8
1.2.5 Aperture uncertainty 9
1.2.6 Frequency aliasing 11
1.2.7 Linearity effects on A/D behavior 13
1.2.8 Effects of A/D resolution on SFDR 14
1.2.9 Rectangular window – an example 19
1.3 THE FFT ANALYSIS 20
Contents
viii
THE COMPARATOR 25
1.1ACOMPARATOR MACRO-MODEL 28
1.2COMPARATOR DELAY RELATIVE TO INPUT OVERDRIVE 32
1.3PROPAGATION DELAY RELATIVE TO SLEW RATE 35
1.4PULSE REPRODUCTION FIDELITY 37
1.5 ACMOS COMPARATOR MODEL 40
FLASH A/D 45
1.1A PRACTICAL 3-BIT A/D 49
1.2A 6-BIT A/D 53
1.3ILE / DLE ERROR EFFECTS ON SINAD 55
1.4DELAY BETWEEN ANALOG-INPUT AND CLOCK 57
1.4.1 Column delays in 6-b A/D – example 60
1.5 SLEW RATE LIMITATION 62
1.5.1 6-b A/D with non-symmetric slew limited comparator 62
TRACK AND HOLD AMPLIFIER 67
1.1THA – THE SPICE MODEL 75
1.2ERRORS AFFECTING THA ACCURACY 77
1.2.1 Holding capacitor voltage-coefficient 77
1.2.2 Switch resistance modulation 79
1.2.3 Hold mode feedthrough 84
1.2.4 Sampling instance distortion 85
1.2.5 Hold command jitter 89
Contents ix
SARA/D 95
1.1 PHYSICAL LIMITATIONS IN A SARA/D 102
1.1.1 A/D Static errors 102
1.1.2 A/D Dynamic errors 103
1.1.3 Loop speed 105
1.1.4 Dynamic A/D performance 107
1.2 TIME INTERLEAVED CONVERTERS 109
1.2.1 Offset error 112
1.2.2 Gain error 112
1.2.3 Sampling instant error 113
FOLDING A/D CONVERTERS 119
1.1 THE ANALOG PREPROCESSOR 120
1.2 FOLDING PREPROCESSOR UNIT – AN EXAMPLE 130
1.3 THE LINEAR INTERPOLATOR 134
1.4 FOLDING 8-BIT A/D – AN EXAMPLE 137
1.4.1 Folding A/D converter dynamic performance 139
1.4.2 FoldingA/D static errors anddynamic behavior 140
PIPELINED A/D CONVERTER 147
1.1 COMPONENT ACCURACY REQUIREMENTS 152
2.1 ERRORS IN A PRACTICAL PIPELINED A/D 155
2.2 ERRORS CORRECTION – ANEXAMPLE 158
2.3 RESIDUE D/A ERROR 166
x Contents
SERIALPIPELINE A/DWITH 1.5-BIT /STAGE 171
1.1 AN 8-BIT SERIAL PIPELINED A/D - EXAMPLE 180
1.1.1 Capacitance mismatch in the MDAC 184
1.1.2 Errors due to input coupling into the MDAC ref. 187
1.1.3 Errors due to input coupling into the comparator ref. 188
Bibliography 193
Index 227
Acknowledgements
If it seems unduly clear to you, you must have misunderstood what I said.
Alan Greenspan
I would like to thank many of the colleagues that served as catalysts for
this work. I am particularly thankful to Dr. R. Schmidt and Dr. G.S. Ostrem
for their constructive comments in reviewing the manuscript, to Mr. S.
Hisano, Mr. P. Kalthoff and Mr. B. Runco for their stimulating
conversations during my stint at S.P.T. Messrs. S. Michaels, S. Sacks, W.
Grandner, C. diFazio and Dr. A. Grebene were some of my best mentors.
Those friends and numerous others with whom I spent many hours working
on A/Ds have made the world of data converters more fascinating to me
along the years.
Above all to my wife Michal my daughters Miri and Dana and my dad
Yacov go special thanks for being a constant source of encouragement
during the many hours that went into preparing this book. The only regret I
have is that this work took valuabletime away from them.
Finally I would like to thank professor Mohammad Ismail for reviewing
the manuscript and Mr. Carl Harris at Kluwer Academic Publishers for
taking a chance on this first-time author and to Ms. Deborah Doherty for
taking the time to help in formatting the book.
Alfi Moscovici, Colorado Springs, October 2000