Design and optimization of high speed flash analog-to-digital converters in SiGe BiCMOS technologies

par Philipp Ritter

Thèse de doctorat en Electronique, élecrotechnique, automatique

Sous la direction de Bruno Allard et de Michael Möller.

Le président du jury était Manfred Berroth.

Le jury était composé de Bruno Allard, Michael Möller, Manfred Berroth, Hassan Aboushady, Eric Tournier, Stéphane Le Tual.

Les rapporteurs étaient Manfred Berroth, Hassan Aboushady.

  • Titre traduit

    Conception et Optimisation de convertisseurs AD à haute vitesse


  • Résumé

    Le Convertisseur Analogique Numérique (CAN) est une brique essentielle de la ré- ception et du traitement des données à très haut débit. L’architecture de type "flash" effectue la quantification en comparant simultanément le signal analogique d’entrée à l’ensemble des références du codeur, ce qui en fait, par construction, l’architecture la plus rapide de CAN. Par le passé, cette architecture a démontré des capacités de codage supérieures à 20GS/s dans les conditions de Nyquist. Cependant, cette capac- ité à travailler à très haute vitesse a donné le jour à des réalisations très consommantes (plusieurs Watts) donc peu efficaces énergétiquement. Cette thèse explore différentes approches d’optimisation de l’efficacité énergétique des CAN "flash". Afin de min- imiser la consommation du CAN, il n’y a pas d’Echantillonneur-Bloqueur (EB) en tête du circuit. Les étages d’entrée du codeur sont ainsi exposés à la pleine bande passante du signal, à savoir DC-10GHz. Ceci impose des contraintes très strictes sur la précision temporelle de la détection et de la quantification du signal. L’essentiel de cette thèse est donc concentré sur l’analyse des effets hautes frèquences impactant la conception des éléments frontaux du CAN. La validité et l’efficacité des méthodes présentées sont démontrées par des mesures autour d’un CAN 6 bit 20 GS/s. En em- pruntant les techniques de conception des circuits ultra-rapides et en exploitant le po- tentiel haute-fréquence de la technologie à l’état de l’art SiGe BiCMOS, un circuit complètement analogique a ainsi pu être réalisé. Ce CAN est mono-voie et n’a besoin d’aucune calibration ou correction, ni d’assistance digitale. Avec à peine 1W, ce cir- cuit atteint un record d’efficacité énergétique dans l’état de l’art des CAN rapides non entrelacés.


  • Résumé

    High speed Analog-to-Digital Converters (ADC) are essential building blocks for the reception and processing in high data rate reception circuits. The flash ADC archi- tecture performs the digitization by comparing the analog input signal to all refer- ence levels of the quantization range simultaneously and is thus the fastest architecture available. In the past the flash architecture has been employed successfully to digitize signals at Nyquist rates beyond 20 GS/s. However the inherent high speed operation has led to power consumptions of several watts and hence to poor energy efficien- cies. This thesis explores approaches to optimize the energy efficiency of flash ADCs. In particular, no dedicated track-and-hold stage is used at the high speed data input. This imposes very stringent requirements on the timing accuracy and level accuracy in the high speed signal distribution to the comparators. The comparators need to ex- hibit a very high speed capability to correctly perform the quantization of the signal against the reference levels. The main focus of this thesis is hence the investigation of design relevant high frequency effects in the analog ADC frontend, such as the bandwidth requirement of overdriven comparators, the data signal distribution over a passive transmission line tree and the dynamic linearity of emitter followers. The correctness and efficacy of the presented methods is demonstrated by measurement results of a 6 bit 20 GS/s Nyquist rate flash ADC fabricated within the context of this work. The demonstrator ADC operates without time interleaving, no calibration or correction whatsoever is needed. By employing design techniques borrowed from high speed analog circuits engineering and by exhausting the high speed potential of a state-of-the-art SiGe BiCMOS production technology, a flash ADC with a record energy efficiency could be realized.

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