143
1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet Ladungsinjektion Rauschen Flash ADC Sukzessive Approximation Current-mode DAC Matching Charge redistribution ADC Subranging ADCs Fehlerkorrektur Zyklischer ADC Sigma-Delta ADC Switched capacitors Multiply by 2

1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

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Page 1: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Intro

Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet Ladungsinjektion Rauschen Flash ADC Sukzessive Approximation Current-mode DAC Matching Charge redistribution ADC Subranging ADCs Fehlerkorrektur Zyklischer ADC Sigma-Delta ADC Switched capacitors Multiply by 2

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2 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC Speed Accuracy (max Signal / max INL, DNL, Noise) Power Resolution (number of output bits)

0 1 2 3

Vin/Vdac

Vin

Vin

Vin

Vin

DNL

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3 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Flash ADC

KL

Ain

Dout

Flash ADC

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4 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Komparator

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5 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Widerstand als Last

Ids

Vds

sat

sat

I

LE

Vdssat

22 thgsox

dssat VVL

WCI

thgsdssat VVV

ds

satds I

LER

thgsoxgs

dssatm VV

L

WC

dV

dIg

2dssatm

ds

VgI

dssat

dsm V

Ig

2

Vgs1

Vgs2

Vgs3

2

2 dssatox

dssat VL

WCI

Vgs<Vt

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6 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Matching

Offset

)('ThGSox VV

L

WCI

)4

(4

4 ' ThiGSox

VV

L

WCI

2/4 ThiThi V

V

WLVThi ~

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7 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Komparator mit Offset-Kompensation

Vref

Vsig

Vth

f1a

f1

f2

C

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8 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Komparator mit Offset-Kompensation

Vref

Vsig

Vth

f1a=1

f1=1

f2

C

Vref+Voffs

Vth

Rückkopplung!

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9 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Komparator mit Offset-Kompensation

Vref

Vsig

Vth

f1a

f1

f2

C

Vref+Voffs

Vth

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10 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Komparator mit Offset-Kompensation

Vref

Vsig

Vth

f1a

f1

f2=1

C

Vref+Voffs+(Vsig-Vth)

Vsig

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11 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Komparator mit Offset-Kompensation

Vref

Vsig

Vth

f1a

f1

f2=1

C

Vref+Voffs+(Vsig-Vth)

Vsig

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12 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Ladungsinjektion

N N

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13 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Ladungsinjektion

N N

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14 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Ladungsinjektion

N N

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15 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Ladungsinjektion

N N

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16 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Ladungsinjektion

N N

THGSoxch VVWLCQ ''

THsigGoxch VVVWLCQ ''

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17 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Kompensierung von Ladungsinjektion

Vref

Vsig

Vth

f1a

f1

f2

C

A

BC

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18 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Kompensierung von Ladungsinjektion

Vref

Vsig

Vth

f1a=1

f1=1

f2

C

Vref

Vth

A

BC

Page 19: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

19 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Kompensierung von Ladungsinjektion

Vref

Vsig

Vth

f1a

f1=1

f2

C

A

BC

Vref-QC/C

Vth

Page 20: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

20 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Kompensierung von Ladungsinjektion

Vref

Vsig

Vth

f1a

f1

f2

C

A

BC

Vref-QC/C-QA/Cp

Vth-QA/Cp Cp

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21 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Kompensierung von Ladungsinjektion

Vref

Vsig

Vth

f1a

f1

f2=1

C

A

BC

Vref-QC/C+(Vsig-Vth)

Vsig Cp

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22 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Zweistufiger Komparator

Vref

f1aa=1Vref

Vref

Vsig

Vth

f1a=1

f1=1

f2

C

Vref

Vth

A

BC

C2

D

Page 23: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

23 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Zweistufiger Komparator

Vref

f1aa=1Vref

Vref

Vsig

Vth

f1a

f1=1

f2

C

A

BC

Vref-QC/C

VthC2

D

Page 24: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

24 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Zweistufiger Komparator

Vref

f1aaVref-QD/C2

Vref

Vsig

Vth

f1a

f1=1

f2

C

A

BC

Vref-QC/C

VthC2

D

Page 25: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

25 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Zweistufiger Komparator

Vref

f1aaVref-QD/C2-A1(Vsig-Vth)

C2

D

Vref

Vsig

Vth

f1a

f1

f2=1

C

A

BC

Vref-QC/C+(Vsig-Vth)

Vsig Cp

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26 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Volldifferentieller Komparator

f1aaVsigP

VthP

f1a

f1

f2

VsigN

VthN f1

f2f1a f1aa

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27 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Komparator mit positiver Rückkopplung

VsigP

VthP

f1a

f1

f2

VsigN

VthN f1

f2f1a

f1aa

f1aaf2a

f2a f2a

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28 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Rauschen

2

2

1CuE kTE

2

1

kTuCE2

1

2

1 2

C

kTu 2

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29 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Ramp ADCs

CVIn

Ramp

AND

Clk

CNT

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30 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Integrating single slope ADC

AC

-Vin

Thr AND

Clk

CNT

R

C

T

v in

th

RCVT

V 1

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31 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Integrating dual slope ADC

A

C

-Vin

Ref

Thr

AND

Clk

CNT

R

C

T

v inRCVT

V 1

1

max

refRCVT

V 1

2

max

ref

in

V

V

T

T

1

2

CThr

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32 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Integrator

A

C

A

C

A

C

A

C

AT

COL ZA 1

AAOL 2

CC

F ZA

AZA ~

1

dttiC

tiCD

tv ininout )(1

)(1

)(

A

C

dttvRC

tv inout )(1

)(

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33 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Widerstand als Last

+

>Vth

-

+

-

>Vth

+

<Vth

A BC

A B C

A – Transistor sperrt

B – Transistor im Sättigung

B – Transistor im linearen Bereich

-

Vout

Vin

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34 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Widerstand als Last

Ids

Vds

sat

sat

I

LE

Vdssat

22 thgsox

dssat VVL

WCI

thgsdssat VVV

ds

satds I

LER

thgsoxgs

dssatm VV

L

WC

dV

dIg

2dssatm

ds

VgI

dssat

dsm V

Ig

2

Vgs1

Vgs2

Vgs3

2

2 dssatox

dssat VL

WCI

Vgs<Vt

Page 35: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

35 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Stromquelle als Last

V

IVin

Vout

dssatLVV min

dsLmRgA

dsLmLmmL

mLdsLm Rg

I

Vg

g

gRgA min

2

1

TL

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36 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

„Common-Source“ Verstärker

01)))1(()(()(2 gdmfgdfddfdgfgdg CRgCRCCRsCCCCCCRRs

1)))1(()(()(

)/1(2

gdmfgdfddfdgfgdg

mfgdm

CRgCRCCRsCCCCCCRRs

gsCRRgEingang

Ausgang

Rg

Rd||Rds

Cg

Cf

Cd

)(1

)11(

)(1

22

ssasa

g

C

RgRs m

f

dmgout Guu

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37 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

„Common-Source“ Verstärker

01)))1(()(()(2 gdmfgdfddfdgfgdg CRgCRCCRsCCCCCCRRs

1)))1(()(()(

)/1(2

gdmfgdfddfdgfgdg

mfgdm

CRgCRCCRsCCCCCCRRs

gsCRRgEingang

Ausgang

Rg

Rd||Rds

Cg

Cf

Cd

)(1

)11(

)(1

22

ssasa

g

C

RgRs m

f

dmgout Guu

)1)(

(

1

m

dfdgfgf g

CCCCCCsC

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38 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC

DACK

Ain

D?

ADC mit sukzessiven Approximationen

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39 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Algorithmus

i=1VDA=Vref/2

VDA=VDA+Ref/2i+1 VDA=VDA-Ref/2i+1

B(n-i) = 0B(n-i) = 1

i = i +1

neinVin>VDA

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40 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DAC

KL

Din

Aout

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41 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DAC

KL

Din

Aout

)('ThGSox VV

L

WCI

)( ThGS

Th

VV

dV

I

dI

L

WC

I

dV

I

dIox

Th

WLdVTh /1~

Page 42: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

42 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC

DACK

Ain

D?

ADC mit sukzessiven Approximationen

DACK

Ain

D?

1

Page 43: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

43 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC

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44 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Algorithmus 2

i=1VDA=Vref/2

Vin=Vin-Ref/2i+1 Vin=Vin+Ref/2i+1

B(n-i) = 0B(n-i) = 1

i = i +1

neinVin>Vref/2

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45 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren

KCC2C4C8C

Vin Vref

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46 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren

KCC2C4C8C

Vin Vref

0

Vin

Page 47: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

47 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren

KCC2C4C8C

Vin Vref

0

Vin

Page 48: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

48 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren

KCC2C4C8C

Vin Vref

-Vin

0

1

Page 49: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

49 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren

KCC2C4C8C

Vin Vref

-Vin

0

1

Page 50: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

50 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren

KCC2C4C8C

Vin Vref

-Vin+Vre/2

Vref

0 oder 1

Page 51: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

51 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren

KCC2C4C8C

Vin Vref

-Vin+Vre/2

Vref

0!

Page 52: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

52 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren

KCC2C4C8C

Vin Vref

-Vin

Vref

1

Page 53: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

53 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren

KCC2C4C8C

Vin Vref

-Vin+Vref/4

0

0 oder 1

Page 54: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

54 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren

KCC2C4C8C

Vin Vref

-Vin+Vref/4

0

1

Page 55: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

55 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren

KCC2C4C8C

Vin Vref

-Vin+Vref/4+Vref/8

0

0 oder 1

Page 56: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

56 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren

KCC2C4C8C

Vin Vref

-Vin+Vref/4+Vref/8

0

1

Page 57: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

57 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren

KCC2C4C8C

Vin Vref

-Vin+Vref/4+Vref/8

0

0 oder 1

Page 58: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

58 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren

KCC2C4C8C

Vin Vref

-Vin+Vref/4+Vref/8

0

1

Page 59: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

59 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC mit gewichteten Kondensatoren

KCC2C4C8C

Vin Vref

-Vin+Vref/4+Vref/8

0

1

ADC = 0111

Page 60: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

60 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Algorithmus

i=1

Vin=2(Vin-Ref/4) Vin=2(Vin+Ref/4)

B(n-i) = 0B(n-i) = 1

i = i +1

neinVin>0

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61 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

4-bit Subranging ADC

SH 2bit ADC 2bit DAC

+

2bit ADC

0 1 2 3

X4

ErrRNRNIn LSBLSB 21 )(4

4/)4/( 21 ErrRNNIn LSB

Ain

N1 N2

Vin/Vdac

Vinx

x-

+

Vin

Err

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62 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

4-bit Subranging ADC

2bit ADC 2bit DAC 2bit ADC

X4

ErrRNRNIn LSBLSB 21 )(4

4/)4/( 21 ErrRNNIn LSB

0 1 2 3

Vin/Vdac

Vin

Err

x-

+

x

Vin

Page 63: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

63 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

4-bit Subranging ADC

2bit ADC 2bit DAC 3bit ADC

X2

ErrRNRNIn LSBLSB 21 )(2

2/)2/( 21 ErrRNNIn LSB

0 1 2 3

Vin/Vdac

Vin

Err

x-

+

x

Vin

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64 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

3-bit Subranging ADC

1.5bit ADC 1.5bit DAC 1.5bit ADC

-1 0 1

X2x-

+

Vin/Vdac

Vin

x

VinErrRNRNIn LSBLSB 21 )(2

2/)2/( 21 ErrRNNIn LSB

Page 65: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

65 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Algorithmischer ADC

1.5bit ADC 1.5bit DAC

X2x-

+

x

Vin

Vin/Vdac

Vin

-1 0 1

Page 66: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

66 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Algorithmischer ADC

1bit ADC 1bit DAC

0 1

X2x-

+

x

Vin

Vin/Vdac

Vin

ErrRbRbRbA nn 021 ...))2)((

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67 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

- ADC

1bit ADC 1bit DAC

0 1

x-

+

Vin/Vdac

Vin

ErrRbRbNA N 01 ...

12 nN

x

Vin

Half range

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68 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

- ADC

1bit ADC 1bit DAC

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69 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

- ADC

1bit ADC 1bit DAC

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70 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Switched Capacitor

f1 f2

V1 V2

V1 V2

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71 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Switched Capacitor

f1 f2

V1 V2

f1 f2

V1 V2

Q=V1XC Q=V2XC ΔQ=(V1-V2)XC

<I>=(V1-V2)XCXfCK

Page 72: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

72 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Kondensator und parasitäre Kapazitäten

TB

T

B

f1 f2

T

B<I>=(V1-V2)X(C+CT)XfCK

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73 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Ladungspumpe

f1 f1

f2 f2

V1 V2

V2* V2*

Page 74: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

74 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Ladungspumpe

f1 f1

f2 f2

V1 V2

V2* V2*

f1 f2

f2 f1

V1V2

V2* V2*

Q=(V1-V2)C

1/R=C

Page 75: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

75 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Negativer Widerstand

f1 f2

f2 f1

V1 V2

V2* V2*

Page 76: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

76 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Negativer Widerstand

f1 f2

f2 f1

V1 V2

V2* V2*

f1 f2

f2 f1

V1 V2

V2* V2*

Q=(V1-V2)CQ=(V1-V2)C

1/R=-C

Page 77: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

77 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Negativer Widerstand

V1 V2

V2* V2*

1/R=-C

V1 V2

V2* V2*

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78 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Verstärker – Switched Capacitor

inV outV

2C

1C

1f

2f

1f2f

2f

inout VC

CV

2

1

inV outV

2C

1C

1f

2f

1f2f

2f

inV outV

1C

1f

2f

1f2f

2f

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79 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

SC – Multiply by two circuit

Vin Ck1

Ck1

Ck1del

Ck2

Ck2 Ck1

Ck1del

Ck2

2Vin

Vout

Page 80: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

80 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

SC – Multiply by two circuit

Q

Q

0V

Vin

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81 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

SC – Multiply by two circuit

Q

Q

0V

Vin

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82 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

SC – Multiply by two circuit

2Q

0V

Vin

0V

2Vin

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83 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

SC – Multiply by two circuit

2Q

0V

Vin

0V

2Vin

Floating switches

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84 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Constant Resistance Floating Switch

0

Vdd

0

Vin Vin

Q Q

Vin+Vdd

Principle

Off State On State

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85 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Constant Resistance Floating Switch

Q

On: VddOff: Vdd+Vin

Off: 0On: Vdd+Vin

Off: VddOn: Vdd+Vin

On: VddOff: Vdd

Gate: 2VddGate: Vdd

Gate: VddGate: Vin

On: VinOff: Vin

On: VinOff: 0

Gate: Vdd+VinGate: 0

Practical implementation of switches

Wich gate voltages do we need to control the transistors?

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86 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Constant Resistance Floating Switch

Q

OnB

2Vdd

Vdd

Vdd

0

Vdd

On

OnB OnB

How to generate the gate voltages?

Practical implementation of switch drivers

Level shifter!

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87 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Constant Resistance Floating Switch

Q

OnB

2Vdd

Vdd

Vdd

0

Vdd

On

OnB OnB

Where to connect wells?

Level shifter!

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88 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Constant Resistance Floating Switch

0-Vdd

2Vdd-Vdd

Vdd-2Vdd

Vdd-0

2Vdd-Vdd

Vdd-2Vdd

In

Out

Implementation of the level shifter

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89 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Subtraction of Reference Voltage

Vin Ck1

Ck1

Ck1del

Ck2

Ck2 Ck1

Ck1del

Ck2

2Vin+aVref-bVref

-Vref +Vref

Vout

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90 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

ADC Cell

Vin Ck1

Ck1

Ck1del

Ck2

Ck2

-Vref +Vref-Vref/4

+Vref/4

Ld=Ck2

En -Vref

En +Vref

Vout

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91 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Pipeline and Cyclic ADC

Ck1 Ck2 Ck1 Ck2 Ck1 Ck2 Ck1 Ck2

Ck1 Ck2

S

In

InPipeline

Cyclic Needs two iputs and sample signal

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92 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Cyclic ADC Cell

Ck1

Ck1del

SB

Ck2

-Vref +Vref

VinS

S S

SVin

Ck2

To Comp

Ck2

Comp

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93 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Ck1

Ck1delCk2

-Vref +Vref

Ck2

1

Page 94: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

94 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

1

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95 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

-Vref +Vref

2

Page 96: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

96 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

2

Page 97: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

97 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

-Vref +Vref

4

Page 98: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

98 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

1

Page 99: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

99 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

-Vref +Vref

2

Page 100: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

100 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

-Vref +Vref

2

Page 101: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

101 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

-Vref +Vref

4

Page 102: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

102 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

-Vref +Vref

4

Page 103: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

103 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

-Vref +Vref

8

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104 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Cyclic ADC Cell with parallel S+A

Vin

Ck1

Ck2

-Vref +Vref

Ck2

Ck1del

VinS

S

SB

In Ck2

Ck1

Ck1

Ck2del

S

In

-Vref +VrefCk2

Comp

Ck1

Comp

To Comp

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105 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Types of Amplifier

Single Input, Single Output

Fully Differential

Pseudo-Differential

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106 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Fully Differential Amplifier with CM Feedback

InPInN CMOutP OutN OutPOutN

CM FeedbackFolded Cascode Amplifier

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107 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

3-Stage Pseudo-Differential Amplifier

InPInN CM

OutNOutP

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108 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Symmetry of the Differential CircuitVinP

Ck1

Ck2

-Vref +Vref

Ck2

Ck1del

VinPS

S SB

InP Ck2

Ck1

Ck1

Ck2del

S

InP

-Vref +Vref

To Comp

VinN

Ck1

Ck2Ck1del

S

Ck2

InNInN

Ck1

Ck2delCk1

Ck2

S SB

To Comp

S

S

Ground in Single endend c. is mid point in differential circ.

SignalN = (SignalN+SignalP)/2+(SignalN-SignalP)/2

Page 109: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

109 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Fully Differential AmpVinP

Ck1

Ck2

-Vref +Vref

Ck2

Ck1del

VinPS

S SB

InP Ck2

Ck1

Ck1

Ck2del

S

InP

-Vref +Vref

To Comp

VinN

Ck1

Ck2Ck1del

S

Ck2

InNInN

Ck1

Ck2delCk1

Ck2

S SB

To Comp

S

S

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110 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Common Mode BiasVinP

Ck1

Ck2

-Vref +Vref

Ck2

Ck1del

VinPS

S SB

InP Ck2

Ck1

Ck1

Ck2del

S

InP

-Vref +Vref

To Comp

VinN

Ck1

Ck2Ck1del

S

Ck2

InNInN

Ck1

Ck2delCk1

Ck2

S SB

To Comp

S

SCM CM

Page 111: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

111 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Pseudo-Differential AmpVinP

Ck1

Ck2

-Vref +Vref

Ck2

Ck1del

VinPS

S SB

InP Ck2

Ck1

Ck1

Ck2del

S

InP

-Vref +Vref

To Comp

VinN

Ck1

Ck2Ck1del

S

Ck2

InNInN

Ck1

Ck2delCk1

Ck2

S SB

To Comp

S

SCM

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112 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Common Mode BiasVinP

Ck1

Ck2

-Vref +Vref

Ck2

Ck1del

VinPS

S SB

InP Ck2

Ck1

Ck1

Ck2del

S

InP

-Vref +Vref

To Comp

VinN

Ck1

Ck2Ck1del

S

Ck2

InNInN

Ck1

Ck2delCk1

Ck2

S SB

To Comp

S

S

CM

CM

Page 113: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

113 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Common Mode SubcircuitVinCM

Ck1

Ck2

Ck2

Ck1del

VinCMS

S SB

InCM Ck2

Ck1

Ck1

Ck2del

S

InCM

S

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114 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Auto-Zero Feedback

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115 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Nonidealities of simple Current Memory Cells

V

IOutput Resistance

Charge Injection

Nonlinearity

Biasing

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116 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Nonidealities of simple Current Memory Cells

V

IOutput Resistance

Charge Injection

Nonlinearity

Biasing

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117 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

An Active Current Memory Cell

Simple Idea, only one problem solved

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118 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Better Implementation

Three problems solved

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119 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Active Current Memory Cell with Switches Shown

Wr Wr Rd

In Out

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120 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Current Memory Cell with Current Replication

Wr Wr Rd

In Out

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121 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Cyclic ADC Principle

CurrentMemory

Cell

-Iref

Store

+Iref

2X

Sig Too High

Too Low

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122 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Cyclic ADC with four Current Cells

Wr

Rd

Ck

Ck Add/Sub

Wr

Rd

Wr

Rd

Ck

Ck Add/Sub

Wr

Rd

Ref

Ref

Ref

Ref

Too High

Too Low

Too High

Too Low

Page 123: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

123 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Cyclic ADC with for Cells – Illustration

1 2

3 4

5 6

Go to 3…

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124 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

wr r r nc

nc nclt lt

nc c c wr

nc nclt lt

rd lt lt rd

wr ncr r

rd lt lt rd

nc wrc c

wr r r nc

rd rdlt lt

nc c c wr

rd rdlt lt

rd lt lt rd

wr ncr r

rd lt lt rd

nc wrc c

S S

2(S-h0R+l0R) 2(S-h0R+l0R)

2(2(2(2(S - h0R + l0R) - h1R + l1R) – h2R + l2R) – h3R + l3R) = Res

wr r r nc

nc nclt lt

S‘

h0 l0

h1 l1

h2 l2

h3 l3

sample state 1 sample state 2 state3 state4

state1 state2 state3 state4 sample state 1

2(2(S-h0R+l0R)-h1R+l1R)

2(2(2(S-h0R+l0R)-h1R+l1R)–h2R+l2R)

memory cell

comparator

rd – readwr – writenc – not connectedr – resetc – comparelt - latched

States:

1. 2.

3. 4.

1. 2.

3. 4.ck2ck1 ck3 ck4

ck6ck5 ck7 ck8 ck9

Res

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125 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DCD2 (CNT = 2)

Reg. cascode

Double sampling

DEPFET

W

NC

R

R

R

R

L

L

NC

R

R

W R

R

L

L

W

R

1234567

1234567

7 7

7

7 76 65 5

543

543

6 67 7

3

Page 126: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

126 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DCD2 (CNT = 3)

01234567

01234567

Reg. cascode

Double sampling

DEPFET

NC

W

R

R

C

C

L

L

W

R

R

NC C

C

L

L

W

R

Z

7 76 65 54 4

54

54

6 67 7

4

Page 127: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

127 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DCD2 (CNT = 4)

Reg. cascode

Double sampling

DEPFET

R

R

W

NC

L

L

R

R

R

W

NC

R L

L

R

R

W

R

01234567

01234567

C

7 76 65 54 4

54

54

6 67 7

4

Page 128: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

128 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DCD2 (CNT = 5)

7 7

Reg. cascode

Double sampling

DEPFET

R

R

NC

W

L

L

C

C

R

NC

W

R L

L

C

C

R

W

54321

54321

6 67 7

Z

7 76 65 54 43 3

5 56 67 7

5

Page 129: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

129 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DCD2 (CNT = 6)

Reg. cascode

Double sampling

DEPFET

W

NC

R

R

R

R

L

L

NC

R

R

W R

R

L

L

R

W

7 7

54321

54321

6 67 7

1

7 76 65 54 43 3

5 56 67 7

5

Page 130: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

130 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DCD2 (CNT = 7)

Double sampling

NC

W

R

R

C

C

L

L

W

R

R

NC C

C

L

L

Reg. cascode

DEPFET

R

W

7 76 6

5432

5432

6 67 7

2

7 76 65 54 43 32 2

6 67 7

6

Page 131: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

131 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DCD2 (CNT = 8)

Double sampling

R

R

W

NC

L

L

R

R

R

W

NC

R L

L

R

R

Reg. cascode

DEPFET

R

W

7 76 6

5432

5432

6 67 7

2

7 76 65 54 43 32 2

6 67 7

6

Page 132: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

132 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DCD2 (CNT = 9)

Double sampling

R

R

NC

W

L

L

C

C

R

NC

W

R L

L

C

C

Reg. cascode

DEPFET

R

W

7 76 65 5

543

543

6 67 7

3

7 76 65 54 43 32 21 1

7 7

7

Page 133: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

133 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DCD2 (CNT = 10)

Reg. cascode

Double sampling

DEPFET

W

NC

R

R

R

R

L

L

NC

R

R

W R

R

L

L

W

R

7 76 65 5

543

543

6 67 7

1234567

1234567

7 7

3

7

Page 134: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

134 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DCD2 (CNT = 11)

Reg. cascode

Double sampling

DEPFET

NC

W

R

R

C

C

L

L

W

R

R

NC C

C

L

L

W

R

7 76 65 54 4

54

54

6 67 7

4

01234567

01234567

Z

Page 135: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

135 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DCD2 (CNT = 12)

Reg. cascode

Double sampling

DEPFET

R

R

W

NC

L

L

R

R

R

W

NC

R L

L

R

R

W

R

7 76 65 54 4

54

54

6 67 7

4

01234567

01234567

C

Page 136: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

136 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DCD2 (CNT = 13)

Reg. cascode

Double sampling

DEPFET

R

R

NC

W

L

L

C

C

R

NC

W

R L

L

C

C

R

W

7 76 65 54 43 3

5 56 67 7

5

7 7

54321

54321

6 67 7

Z

Page 137: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

137 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DCD2 (CNT = 14)

Reg. cascode

Double sampling

DEPFET

W

NC

R

R

R

R

L

L

NC

R

R

W R

R

L

L

R

W

7 76 65 54 43 3

5 56 67 7

5

7 7

54321

54321

6 67 7

1

Page 138: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

138 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DCD2 (CNT = 15)

Double sampling

NC

W

R

R

C

C

L

L

W

R

R

NC C

C

L

L

Reg. cascode

DEPFET

R

W

7 76 65 54 43 32 2

6 67 7

6

7 76 6

5432

5432

6 67 7

2

Page 139: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

139 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DCD2 (CNT = 0)

Double sampling

R

R

W

NC

L

L

R

R

R

W

NC

R L

L

R

R

Reg. cascode

DEPFET

R

W

7 76 65 54 43 32 2

6 67 7

6

7 76 6

5432

5432

6 67 7

2

Page 140: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

140 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DCD2 (CNT = 1)

Double sampling

R

R

NC

W

L

L

C

C

R

NC

W

R L

L

C

C

Reg. cascode

DEPFET

R

W

7 76 65 54 43 32 21 1

7 7

7

7 76 65 5

543

543

6 67 7

3

Page 141: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

141 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DCD2 (CNT = 2)

Reg. cascode

Double sampling

DEPFET

W

NC

R

R

R

R

L

L

NC

R

R

W R

R

L

L

W

R

1234567

1234567

7 7

7

7 76 65 5

543

543

6 67 7

3

Page 142: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

142 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DCD2 (CNT = 3)

01234567

01234567

Reg. cascode

Double sampling

DEPFET

NC

W

R

R

C

C

L

L

W

R

R

NC C

C

L

L

W

R

Z

7 76 65 54 4

54

54

6 67 7

4

Page 143: 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Intro Integrating single slope and dual slope ADCs Integrator 1, 2 Komparator einfach und getaktet

143 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

DCD2 (CNT = 4)

Reg. cascode

Double sampling

DEPFET

R

R

W

NC

L

L

R

R

R

W

NC

R L

L

R

R

W

R

01234567

01234567

C

7 76 65 54 4

54

54

6 67 7

4