Band Pass Noise-Shaping Dynamic Element Matching for VCM based SAR-Assisted Pipeline ADCs

Abstract

As the drive for more powerful and capable Analog to Digital Converters (ADCs) increases, so does the need for error mitigation techniques. Components’ mismatch significantly degrades the performance of ADCs by introducing non-linearities that cause high energy spurs in its output spectra. Dynamic Element Matching (DEM) techniques allow for the mitigation and filtering of mismatch error’s spectral influence, known as noise-shaping. Although these tech- niques are most commonly used in Σ∆ ADCs, given that these operate with relatively high Over- sampling Ratios (OSRs) and in the low frequency regime, this work will extend a Data Weight Averaging (DWA) DEM technique to the Successive Approximation Register (SAR) architecture enhanced by the pipeline topology for a band-pass operation and a low Oversampling Ratio (OSR). This extension allows for the utilization of filter transfer functions that are embedded in the DEM technique as general as H (z) = 1 ± Z −a affecting only the mismatch error. The DEM method, accompanied by an output digital filter, results in the significant increase of the Signal to Noise and Distortion Ratio (SNDR) as well as the Spurious Free Dynamic Range (SFDR) of the converter. This work provides the mathematical demonstration and conceptual explanation, the methods to analyze, and the digital implementation required to realize the referred DEM technique.

À medida que a procura para ADCs mais precisos e capazes aumenta, a necessidade para téc- nicas de mitigação de erros é maior. A discrepância entre componentes num conversor, (mis- match), deteriora o desempenho significativamente ao introduzir não-linearidades que causam espúrias de alta energia no espetro de saída. Técnicas de DEM permitem a atenuação ou filtra- gem dos efeitos de mismatch no espetro de saída dos ADCs referida como noise-shaping. Apesar deste tipo de técnicas ser comumente utilizadas em conversores Σ∆, porque DEM beneficia das altas taxas de amostragem e operações a baixas frequências destes conversores, o trabalho apresentado estende uma técnica DEM conhecida como DWA a ADCs de topologia SAR assis- tida por uma estrutura pipeline que possibilitará uma operação de DEM com baixos OSRs e em modos de operação passa-banda. Esta extensão permite a incorporação de filtros gerados pelo algoritmo de DEM de forma geral H (z) = 1 ± Z −a . Esta implementação acompanhada por um filtro digital resulta na melhoria apreciável da SNDR bem como da SFDR do conversor. Este trabalho desenvolve a demonstração matemática para a implementação de DEM, realiza uma explicação conceptual para o fenómeno, os tipos de métodos para análise bem como a implementação digital que é capaz de gerar este algoritmo.