Background Calibration Techniques for Pipelined Analog-to-Digital Converters

angelweishan

Background Calibration Techniques for Pipelined Analog-to-Digital Converters

Student : Hung-Chih Liu 刘鸿志
Advisor : Jieh-Tsorng Wu 吴介琮

1 Introduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Principles of Pipelined ADCs 7
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Generalized Mathematical Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Minimal Base-2 Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 Error Sources in a Pipelined Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 Digital Error Correction with Redundancy . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.6 Pipelined ADC Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.6.1 Example 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.6.2 Example 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.6.3 Example 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.7 CMOS Circuit Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3 Pipelined ADC Calibration Techniques 35
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 Analog Calibration Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3 Digital Calibration Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.1 Foreground Calibration Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.2 Correlation-Based Background Calibration . . . . . . . . . . . . 49
3.4 A New Digital Background Calibration technique . . . . . . . . . . . . . 52
3.5 Other Background Calibration Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5.1 Background Calibration Using Reference ADC . . . . . . . . . . 59
3.5.2 DNC Plus GEC Background Calibration . . . . . . . . . . . . . . 61
3.5.3 Redundant Residue Mode for Background Calibration . . . . . . 64
3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4 A 15-b 40 MS/s CMOS Pipelined ADC 69
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.1 Pipeline Stage Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.2 Stage Accuracy Requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3 Analog Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3.1 Operational Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.2 Sample-and-Hold Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3.3 Comparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4 Digital Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.5 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

5 Summary and Future Works 95
5.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.2 Recommendations for Future Investigation . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

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