Design of Integrated Building Blocks for the Digital/Analog Interface

• The integrated circuit has, since it was invented in the late 1950's, undergone a tremendous development and is today found in virtually all electric equipment. The small feature size and low production cost have made it possible to implement electronics in everyday objects ranging from computers and mobile phones to smart prize tags. Integrated circuits are typically used for data communication, signal processing and data storage. Data is usually stored in digital format but signal processing can be performed both in the digital and in the analog domain. For best performance, the right partition of signal processing between the analog and digital domain must be used. This is made possible by data converters converting data between the domains. A device converting an analog signal into a digital representation is called an analog-to-digital converter (ADC) and a device converting digital data into an analog representation is called a digital-to-analog converter (DAC). In this work we present research results on these data converters and the results are compiled in three different categories. The first contribution is an error correction technique for DACs called dynamic element matching, the second contribution is a power efficient time-to-digital converter architecture and the third is a design methodology for frequency synthesis using digital oscillators.The accuracy of a data converter, i.e., how accurate data is converted, is often limited by manufacturing errors. One type of error is the so-called matching error and in this work we investigate an error correction technique for DACs called dynamic element matching (DEM). If distortion is limiting the performance of a DAC, the DEM technique increases the accuracy of the DAC by transforming the matching error from being signal dependent, which results in distortion, to become signal independent noise. This noise can then be spectrally shaped or filtered out and hereby increasing the overall resolution of the system. The DEM technique is investigated theoretically and the theory is supported by measurement results from an implemented 14-bit DAC using DEM. From the investigation it is concluded that DEM increases the performance of the DAC when matching errors are dominating but has less effect at conversion speeds when dynamic errors dominate.The next contribution is a new time-to-digital converter (TDC) architecture. A TDC is effectively an ADC converting a time difference into a digital representation. The proposed architecture allows for smaller and more power efficient data conversion than previously reported and the implemented TDC prototype is smaller and more power efficient as compared to previously published TDCs in the same performance segment.The third contribution is a design methodology for frequency synthesis using digital oscillators. Digital oscillators generate a sinusoidal output using recursive algorithms. We show that the performance of digital oscillators, in terms of amplitude and frequency stability, to a large extent depends on the start conditions of the oscillators. Further we show that by selecting the proper start condition an oscillator can be forced to repeat the same output sequence over and over again, hence we have a locked oscillator. If the oscillator is locked there is no drift in amplitude or frequency which are common problems for recursive oscillators not using this approach. To find the optimal start conditions a search algorithm has been developed which has been thoroughly tested in simulations. The digital oscillator output is used for test signal generation for a DAC or used to generate tones with high spectral purity using DACs.

• Den integrerade kretsen har sedan den uppfanns i slutet av 1950-talet genomgått en enorm utveckling och återfinns idag i princip i all elektronisk utrustning. Den lilla storleken och den låga produktionskostnaden har gjort det möjligt att integrera elektronik i vardagsföremål som datorer och mobiltelefoner och enklare system som till exempel smarta etiketter. Typiska användningsområden för integrerade kretsar är datakommunikation, signalbehandling och datalagring. Data lagras vanligtvis i digitalt format men signalbehandling kan utföras i både den digitala och i den analoga domänen. För att nå bästa prestanda i en krets måste signalbehandlingen delas upp optimalt mellan den digitala och analoga domänen Denna uppdelning möjliggörs med hjälp av dataomvandlare som översätter data mellan de två domänerna. En krets som omvandlar en analog signal till en digital motsvarighet kallas för en analogtill-digital-omvandlare och en krets som ovandlar digitalt data till en analog signal kallas för en digital-till-analog-omvandlare. Denna doktorsavhandling innehåller resultat från forskning gjord på dessa dataomvandlare och resultaten är sammanfattade i tre huvudkategorier. Det första bidraget är en felkorrigeringsmetod för digitaltill-analog-omvandlare, det andra bidraget är en kretsarkitektur för en energieffektiv tid-till-digital-omvandlare och det tredje bidraget är en konstruktionsmetodik för frekvenssyntes med hjälp av digitala svängningskretsar.Noggrannheten hos en dataomvandlare, med andra ord hur noggrannt dataomvandlaren kan omvandla data mellan de två domänerna, begränsas ofta av de fel som uppstår vid tillverkningen av den integrerade kretsen. En typ av fel som uppstår är att dataomvandlarens jämförelsenivåer inte blir lika stora. I frekvensdomänen kommer denna typ av fel resultera i icke önskade harmoniska frekvenser (distorsion) som begränsar dataomvandlarens noggrannhet. Om distorsion, som uppkommer då ett fel beror på dataomvandlarens insignal, begränsar dataomvandlarens prestanda kan den föreslagna felkorrigeringsmetoden omvandla distortionen till brus genom att göra felet oberoende av insignalen. Det resulterande bruset kan sedan formas spektralt eller filteras bort och därmed öka systemets totala prestanda. Den föreslagna korrigeringsmetiden har undersökts teoretiskt och denna teori har sedan verifierats med mätresultat från en kretsimplementation av en 14-bitars digital-till-analog-omvandlare som använder den föreslagna felkorrigeringsmetoden. Mätresultaten visar att metod en höjer prestandan hos dataomvandlaren för låga insignalfrekvenser då det är felen i jämförelsenivåerna som begränsar prestandan. Vid högre insignalfrekvenser är metoden mindre effektiv då andra dynamiska felkällor hos dataomvandlaren istället begränsar noggranheten.Nästa bidrag är en kretsarkitektur till en tid-till-digital-omvandlare. En tid-tilldigital-omvandlare är en särskild sorts analog-till-digital-omvandlare som omvandlar tidsskillanden mellan två signaler till en digital representation. Mätresultat från en kretsprototyp visar att den föreslagna kretsarkitekturen är både mindre och mer energieffektiv än tidigare publicerade kretslösningar.Det tredje bidraget är en konstruktionsmetodik för frekvenssyntes med hjälp av digitala svängningskretsar (oscillatorer). De digitala oscillatorerna genererar en sinusformad utsignal med hjälp av rekursiva algoritmer. Vi visar att prestandan hos digitala oscillatorer, mätt i termer av amplitud- och frekvensstabilitet, till stor utsträckning beror av starttillstånden hos oscillatorerna. Vi visar också att en del starttillstånd tvingar en oscillator att upprepa samma utsignalssekvens om och om igen, vi har då fått vad vi kallar en låst oscillator. Om oscillatorn har låst finns det inte längre någon drift i amplitud eller frekvens vilka är vanliga problem för rekursiva oscillatorer som inte använder denna metod. För att hitta de op timala startvillkoren för oscillatorerna har en sökalgoritm utvecklats. Denna algoritm har testats noggrannt i datorsimuleringar. En digital oscillator är lämplig att användas för testsignalgenerering för digital-tillanalog-omvandlare där kraven på amplitud- och frekvensstabila testsignaler är höga.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Elektroteknik och elektronik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering (hsv//eng)

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)