Wideband Time-Based Data Converters

Okko Järvinen

Wideband Time-Based Data Converters

Julkaisun otsikon käännös: Laajakaistaiset aikapohjaiset muuntimet

Okko Järvinen

Elektroniikan ja nanotekniikan laitos

Tutkimustuotos: Doctoral Thesis › Collection of Articles

Abstrakti

Integroitujen piirien nopea teknologinen kehitys on mahdollistanut entistä laskentakykyistempien ja energiatehokkaampien järjestelmien, kuten esimerkiksi älypuhelimien, toiminnan. Nykypäivän älypuhelimet käsittelevät valtavan määrän tietoa, mikä myös vaatii suuren langattoman tiedonsiirtonopeuden. Uusi viidennen sukupolven radiostandardi tukee suuria kaistanleveyksiä ja vastaavia korkeita tiedonsiirtonopeuksia, jotka puolestaan vaativat nopeita analogia-digitaalimuuntimia (A/D-muunnin). CMOS-teknologian skaalaus parantaa digitaalisten piirien toimintaa jatkuvasti, mutta se heikentää samanaikaisesti analogisten piirien toimintaa. Tästä syystä digitaalisiin piirirakenteisiin pohjautuvia ratkaisuja tarvitaan korkean suorituskyvyn A/D-muuntimien toteuttamiseksi moderneilla CMOS-teknologioilla. Yksi lähestymistapa on aikapohjaiset A/D-muuntimet, jotka muuntavat ensin analogisen jännitesignaalin aikatasoon, missä sen sisältämä tieto käsitellään digitaalisilla piirirakenteilla tarkkaa ajoitusta hyödyntämällä. Tämä työ tutkii aikapohjaisiin A/D-muuntimiin liittyviä menetelmiä tarkastelemalla jännite-aika sekä aika-digitaali -muunnoksia. Yksi työn keskeisistä tuloksista on syklisesti kytketyn silmukkaoskillaattorin (engl. cyclic-coupled ring oscillator, CCRO) hyödyntäminen tarkan aikaresoluution saavuttamiseksi aika-digitaalimuuntimessa. Työssä on suunniteltu ja toteutettu kaksi prototyyppisirua 28 nanometrin CMOS teknologialla, jotka havainnollistavat työssä kehitettyjä piirimenetelmiä. Ensimmäinen prototyyppisiru sisältää 100--750 megahertsin CCRO aika-digitaalimuuntimen, joka saavuttaa 9.29 bitin lineaarisen resoluution sekä 4.4 pikosekunnin aikaresoluution. Mitatut tulokset todentavat CCRO:n toteuttaman joustavan viiveinterpoloinnin sekä korostavat CCRO-rakenteen potentiaalia aika-digitaalimuuntimissa. Toinen prototyyppisiru havainnollistaa aikalomituksen hyödyntämisen aikapohjaisessa A/D-muuntimessa. Prototyyppisiru sisältää 2 gigahertsin aikalomitetun aikapohjaisen A/D-muuntimen, joka saavuttaa 40 desibelin signaali-kohina-särösuhteen. Siru sisältää lisäksi 1.5 gigahertsin aikalomitetun aika-digitaalimuuntimen, joka saavuttaa 10.1 bitin lineaarisen resoluution 2.3 pikosekunnin aikaresoluutiolla. Prototyyppisiruilta mitatut tulokset näyttävät työssä esitettyjen menetelmien tehokkuuden ja soveltuvuuden korkean nopeuden A/D-muuntimiin.

Julkaisun otsikon käännös	Laajakaistaiset aikapohjaiset muuntimet
Alkuperäiskieli	Englanti
Pätevyys	Tohtorintutkinto
Myöntävä instituutio	Aalto-yliopisto
Ohjaaja	Ryynänen, Jussi, Vastuuprofessori Kosunen, Marko, Ohjaaja Unnikrishnan, Vishnu, Ohjaaja
Kustantaja	Aalto University
Painoksen ISBN	978-952-64-0998-6
Sähköinen ISBN	978-952-64-0999-3
Tila	Julkaistu - 2022
OKM-julkaisutyyppi	G5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

integroidut piirit
aikapohjainen
analogia-digitaalimuunnin
jännite-aikamuunnin
aika-digitaalimuunnin

Pääsy asiakirjaan

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-0999-3

Siteeraa tätä

@phdthesis{58579145ec6d48d1842258e66585ea03,

title = "Wideband Time-Based Data Converters",

abstract = "Rapid development of integrated circuit (IC) technologies has enabled the emergence of powerful and energy-efficient electronic systems such as smart phones. Nowadays, such devices can process immense amounts of data, which places stringent requirements on wireless data transmission and reception. The new fifth generation (5G) standard supports wide bandwidths and high data rates, which necessitates high-speed analog-to-digital converters (ADCs). The ongoing CMOS process scaling continues to improve the performance of digital circuits, while posing additional challenges for the circuit structures used for the necessary analog functions. Hence, digital-intensive ADC solutions are needed to realize high-performance ADCs in modern CMOS processes. One such design approach is time-based ADCs, where analog information is mapped to the time intervals of a digital signal, and is processed by mostly digital circuit structures. This work explores techniques related to time-based and digital-intensive analog-to-digital (A/D) conversion in terms of voltage-to-time (V/T) and time-to-digital (T/D) conversion. One of the central outcomes of the research is the use of a cyclic-coupled ring oscillator (CCRO) to achievesub-gate-delay time resolution in a time-to-digital converter (TDC). Two prototype ICs are implemented in a 28-nm CMOS process to demonstrate the circuit concepts developed in this work. The first prototype IC demonstrates a 100--750-MS/s CCRO-TDC, which achieves a peak linear resolution of 9.29 bits and a sub-gate-delay time resolution of 4.4 ps. The results verify the robust delay interpolation provided by the CCRO, and highlight the potential of CCROs in time-domain converter applications. The second prototype IC demonstrates the application of time-interleaving (TI) to the time-based converter. The IC contains a time-based TI-ADC with 2-GS/s sample rate and 40-dB SNDR, as well as a 1.5-GS/s TI-TDC with a 10.1-bit linear resolution at 2.3-ps time resolution. The implemented designs demonstrate the effectiveness of the developed time-based circuit concepts in the context of wideband time-based ADCs.",

keywords = "integrated circuits, time-based, analog-to-digital converter, voltage-to-time converter, time-to-digital converter, integroidut piirit, aikapohjainen, analogia-digitaalimuunnin, j{\"a}nnite-aikamuunnin, aika-digitaalimuunnin, integrated circuits, time-based, analog-to-digital converter, voltage-to-time converter, time-to-digital converter",

author = "Okko J{\"a}rvinen",

year = "2022",

language = "English",

isbn = "978-952-64-0998-6",

series = "Aalto University publication series DOCTORAL THESES",

publisher = "Aalto University",

number = "157",

address = "Finland",

school = "Aalto University",

}

TY - BOOK

T1 - Wideband Time-Based Data Converters

AU - Järvinen, Okko

PY - 2022

Y1 - 2022

N2 - Rapid development of integrated circuit (IC) technologies has enabled the emergence of powerful and energy-efficient electronic systems such as smart phones. Nowadays, such devices can process immense amounts of data, which places stringent requirements on wireless data transmission and reception. The new fifth generation (5G) standard supports wide bandwidths and high data rates, which necessitates high-speed analog-to-digital converters (ADCs). The ongoing CMOS process scaling continues to improve the performance of digital circuits, while posing additional challenges for the circuit structures used for the necessary analog functions. Hence, digital-intensive ADC solutions are needed to realize high-performance ADCs in modern CMOS processes. One such design approach is time-based ADCs, where analog information is mapped to the time intervals of a digital signal, and is processed by mostly digital circuit structures. This work explores techniques related to time-based and digital-intensive analog-to-digital (A/D) conversion in terms of voltage-to-time (V/T) and time-to-digital (T/D) conversion. One of the central outcomes of the research is the use of a cyclic-coupled ring oscillator (CCRO) to achievesub-gate-delay time resolution in a time-to-digital converter (TDC). Two prototype ICs are implemented in a 28-nm CMOS process to demonstrate the circuit concepts developed in this work. The first prototype IC demonstrates a 100--750-MS/s CCRO-TDC, which achieves a peak linear resolution of 9.29 bits and a sub-gate-delay time resolution of 4.4 ps. The results verify the robust delay interpolation provided by the CCRO, and highlight the potential of CCROs in time-domain converter applications. The second prototype IC demonstrates the application of time-interleaving (TI) to the time-based converter. The IC contains a time-based TI-ADC with 2-GS/s sample rate and 40-dB SNDR, as well as a 1.5-GS/s TI-TDC with a 10.1-bit linear resolution at 2.3-ps time resolution. The implemented designs demonstrate the effectiveness of the developed time-based circuit concepts in the context of wideband time-based ADCs.

AB - Rapid development of integrated circuit (IC) technologies has enabled the emergence of powerful and energy-efficient electronic systems such as smart phones. Nowadays, such devices can process immense amounts of data, which places stringent requirements on wireless data transmission and reception. The new fifth generation (5G) standard supports wide bandwidths and high data rates, which necessitates high-speed analog-to-digital converters (ADCs). The ongoing CMOS process scaling continues to improve the performance of digital circuits, while posing additional challenges for the circuit structures used for the necessary analog functions. Hence, digital-intensive ADC solutions are needed to realize high-performance ADCs in modern CMOS processes. One such design approach is time-based ADCs, where analog information is mapped to the time intervals of a digital signal, and is processed by mostly digital circuit structures. This work explores techniques related to time-based and digital-intensive analog-to-digital (A/D) conversion in terms of voltage-to-time (V/T) and time-to-digital (T/D) conversion. One of the central outcomes of the research is the use of a cyclic-coupled ring oscillator (CCRO) to achievesub-gate-delay time resolution in a time-to-digital converter (TDC). Two prototype ICs are implemented in a 28-nm CMOS process to demonstrate the circuit concepts developed in this work. The first prototype IC demonstrates a 100--750-MS/s CCRO-TDC, which achieves a peak linear resolution of 9.29 bits and a sub-gate-delay time resolution of 4.4 ps. The results verify the robust delay interpolation provided by the CCRO, and highlight the potential of CCROs in time-domain converter applications. The second prototype IC demonstrates the application of time-interleaving (TI) to the time-based converter. The IC contains a time-based TI-ADC with 2-GS/s sample rate and 40-dB SNDR, as well as a 1.5-GS/s TI-TDC with a 10.1-bit linear resolution at 2.3-ps time resolution. The implemented designs demonstrate the effectiveness of the developed time-based circuit concepts in the context of wideband time-based ADCs.

KW - integrated circuits

KW - time-based

KW - analog-to-digital converter

KW - voltage-to-time converter

KW - time-to-digital converter

KW - integroidut piirit

KW - aikapohjainen

KW - analogia-digitaalimuunnin

KW - jännite-aikamuunnin

KW - aika-digitaalimuunnin

KW - integrated circuits

KW - time-based

KW - analog-to-digital converter

KW - voltage-to-time converter

KW - time-to-digital converter

M3 - Doctoral Thesis

SN - 978-952-64-0998-6

T3 - Aalto University publication series DOCTORAL THESES

PB - Aalto University

ER -

Wideband Time-Based Data Converters

Abstrakti

Tutkimusalat

Pääsy asiakirjaan

Sormenjälki

Siteeraa tätä