A Paradigm Shift in the Design of Analog Circuits Targeting Nanoscale CMOS and Large-scale TFT Technologies

Abstract

Despite the strong developments in complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) or non-CMOS technologies such as, in oxide thin-film transistors (TFTs), their nonidealities and constraints impact on the circuits performance. This aspect is even more relevant in complex circuits, such as in analog-to-digital converters (ADCs), where the design is thorough. Then, using techniques capable to attenuate the impact of these limitations such as, negative feedback, or recurring to almost passive or digital (synthesizable and scalable) circuitry, it is possible to design outstanding ADCs in different technologies. Therefore, two ADCs were designed in this work, using two distinct technologies. A Digital-delta-modulator (DM) with noise-shaping (NS) was designed using a deep-nanoscale CMOS technology. Employing almost passive and digital-circuitry, this topology comprises a split-capacitor 10-bit digital-to-analog converter (DAC) with embedded sample-and-hold (S/H), a pseudo-differential inverter-based switched-capacitor (SC) integrator with a fully-passive SC common mode feedback (CMFB) circuit, a single-bit comparator, an accumulator and a clock and phase generators. Simulations revealed a signal-to-noise-and-distortion ratio (SNDR) close to 74 dB, a 12-bit effective number of bits (ENOB), with a Walden figure-of-merit (FoM), FoMWalden, of 12.5 fJ/conv.-step. Using oxide TFTs, a 2nd-order delta-sigma modulator (DSM) was designed. Given the technology limitations, an almost passive structure was considered, with a design that relied essentially on the comparator project. During schematic simulations, a SNDR close to 69 dB, corresponding to an ENOB of ≈ 11:3-bit, was achieved (FoMWalden of 40 nJ/conv.-step). After the fabrication, individual transistors were characterised but they provided completely different electrical properties from the devices used to create the simulation model. The circuits, where comparators are included, were also measured but fabrication problems were detected. Strategies to mitigate these effects are currently being implemented.

Apesar do forte progresso em tecnologias CMOS e não-CMOS como, por exemplo, em transístores de filme fino (TFTs) de óxido, as suas não-idealidades e restrições têm impacto no desempenho dos circuitos. Este aspecto é ainda mais relevante em circuitos complexos, como no caso dos conversores analógico-digital (ADCs), cujo projeto é extremamente minucioso. Assim, usando técnicas capazes de atenuar o impacto destas limitações, como a retroalimentação negativa, ou recorrendo a circuitos passivos ou digitais (sintetizáveis e escaláveis), é possível projetar ADCs com um bom desempenho. Desta forma, dois ADCs foram projetados neste trabalho usando duas tecnologias distintas. Um modulator-delta (DM) digital com modulação de ruído (NS) foi projetado usando uma tecnologia CMOS. Empregando circuitos maioritariamente passivos e digitais, esta topologia engloba um conversor digital-analógico (DAC) de 10-bit com um condensador de divisão e com um circuito de amostragem e retenção (S/H) embebido, um integrador pseudo-diferencial baseado em inversores e em condensadores comutados (SC) com um circuito de retroalimentação de modo-comum (CMFB) com SC, um comparador de 1-bit, um acumulador e geradores de relógio e de fases. Os resultados de simulação revelaram uma SNDR perto de 74 dB (ENOB de 12-bit), com uma FoMWalden de 12.5 fJ/conv.-step. Usando TFTs de óxido, um modulador delta-sigma (DSM) de 2ª-ordem foi projetado. Considerando as limitações da tecnologia, foi usada uma estrutura passiva e por isso o projeto focou-se essencialmente no comparador. Durante as simulações, uma SNDR perto de 69 dB, correspondendo a uma ENOB de 11.3 bit, foi obtida (FoMWalden de 40 nJ/conv.- step). Após a fabricação, os transístores individuais foram caracterizados mas estes apresentaram propriedades elétricas diferentes das dos dispositivos usados no modelo de simulação. Os circuitos, onde estavam incluídos os comparadores, também foram medidos mas foram detetados problemas durante a fabricação. Estratégias para mitigar estes problemas estão agora a ser implementadas.