[Ebook] Analog-Digital Converters for Industrial Applications

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1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Definition of Performance Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 DC Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.2 AC Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.3 Digital Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.1.4 Power Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.1.5 Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2 Overview of ADCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.1 Pipeline ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.2.2 SAR ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.2.3 Delta-Sigma ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.3 ADCs Used in Industrial Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.3.1 Electrical Motor Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.3.2 Power Monitoring Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2 ADCs Based on Successive Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.1 Sample and Hold (S&H) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.2 Capacitive DAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.2.1 Basic CDAC Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.2.2 Trim Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.2.3 Implementation of a Pseudo Differential 16 bit CDAC . . . 70
2.3 Comparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.3.1 Basic Comparator Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.3.2 Layout Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.3.3 Noise Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.3.4 Dynamic Errors in the Comparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.4 Dynamic Error Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
2.5 Reference Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.5.1 Internal Reference Buffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.5.2 Reference with External Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2.5.3 An Improved Reference Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.5.4 Noise of the Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.6 Noise Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
2.6.1 A Novel Oversampling Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
2.6.2 Noise and Distortion Caused by the Power Supply . . . . . . 113
2.7 Limitations and Next Steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3 Advanced SAR ADC Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.1 Floating CDAC Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.2 Dual CDAC Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.3 Digital Trim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
3.4 INL Trim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
3.4.1 Calculation of the INL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3.4.2 INL Compensation Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
3.4.3 Results and Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
3.5 Novel Method to Measure Capacitive Matching . . . . . . . . . . . . . . 155
3.6 Zero-Power Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
3.7 Highest Performance SAR ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3.7.1 Architecture of the Highest Performance ADC . . . . . . . . . 174
3.7.2 Process Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
3.7.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
3.8 Lowest Power SAR ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
3.8.1 Process Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3.8.2 Implementation and Design Challenges . . . . . . . . . . . . . . 195
3.8.3 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
4 Basics on Delta-Sigma Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
4.1 Delta-Sigma ADCs with Higher Order . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
4.2 Multi-bit Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
4.2.1 Calibration Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
4.2.2 Dynamic Element Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
4.3 Dithering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
4.4 Feed-Forward Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
4.5 Switched-Capacitor Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
4.6 Differential Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
4.7 Bandwidth and Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
4.8 Offset Cancellation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
4.8.1 Correlated Double Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
4.8.2 Chopper Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
4.9 Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
5 Continuous-Time Delta-Sigma ADCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
5.1 Clock Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
5.1.1 Resistive Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
5.1.2 Return-to-Zero Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
5.1.3 Capacitive Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
5.1.4 Current Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
5.1.5 Multi-bit Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
5.2 Excess-Loop Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
5.3 Integrator Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
5.4 CM Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
6 External Driver Circuitry and Test of ADCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
6.1 External Connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
6.1.1 Driving Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
6.1.2 Reference Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
6.1.3 Grounding and Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
6.1.4 Digital Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
6.2 Test Methods and Production Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
6.2.1 DC Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
6.2.2 AC Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
6.2.3 Power Consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
6.2.4 Functionality and Continuity Testing . . . . . . . . . . . . . . . . 294
6.3 Quality Control in the Mass Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
6.3.1 Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
6.3.2 Capability Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
6.3.3 Lab-to-Final Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
6.3.4 Correlation Lockout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
6.3.5 Quality Control Run . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
6.3.6 Quality Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
7 Digital-to-Analog Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
7.1 DAC Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
7.2 Current Steering DAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
7.3 String DAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
7.4 R-2R DAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
7.5 Delta-Sigma DAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

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