A 8b Time-Interleaved Time-Domain ADC with Input-Independent Background Timing Skew Calibration

Posted 2023-02-27 夏风喃喃

A 20GS/s 8b Time-Interleaved Time-Domain ADC with Input-Independent Background Timing Skew Calibration

作者：Minglei Zhang, Yan Zhu, Chi-Hang Chan, Rui P. Martins
机构：State-Key Laboratory of Analog and Mixed-Signal VLSI, IME, University of Macau, Macao, China
期刊：Symposium on VLSI Circuits
时间：2021

摘要

本文介绍了一种基于直接时间估计的时间交织（TI）ADC背景定时偏差校准方法，以实现与输入无关的快速收敛特性。无论24个校准周期的校准输入条件如何，它在奈奎斯特输入时抑制20GS/s 8×TI-ADC低于‒50dB的定时杂散。8b时域TI-ADC实现91.3fJ/迭代步长的$Fo{M}_{Walden}$和>16GHz带宽。

关键词

背景，时间偏斜校准，时域ADC，时间交错ADC，输入无关

文章目录

• A 20GS/s 8b Time-Interleaved Time-Domain ADC with Input-Independent Background Timing Skew Calibration
• • 摘要
  • 关键词
  • 一. 介绍
  • 二. 校准细节和ADC架构
  • 三. 测量结果
  • 四. 参考文献

一. 介绍

对于10GS/s以上的中分辨率ADC，时间交织（TI）架构是不可避免的。与偏移和增益失配相比，定时偏差校准具有相当大的挑战性，因为其误差随输入频率和振幅的增加而增加。使用PVT跟踪能力，背景定时倾斜校准更可靠，同时不会中断转换，但通常会限制输入条件。现有技术[1]要求宽范围的固定输入，而[2]和[3]使输入条件变得足够繁忙。但是，额外的专用通道[2]会导致时变ADC输入阻抗，闪存ADC[3]会限制整体转换速度。嵌入式DAC[4]通过在内部生成校准信号来避免外部输入，但更换校准通道会定期干扰TI-ADC输入条件的一致性。本工作通过时间比较直接提取子ADC采样时钟的定时漂移，开发了一种与输入无关的背景定时偏差校准，使得校准与ADC输入路径及其量化信息完全解耦。在具有奈奎斯特输入的20GS/s TI-ADC中，所提出的技术在24k样本中抑制了低于‒50dB的定时杂散。

二. 校准细节和ADC架构

图1示出了直接基于时间的时钟偏移估计的原理，其目的是通过定时比较将子ADC的所有采样时钟（$K_S<i>$，i＝0-7，2.5GHz）对准全局时钟（$F20$，20GHz）。当$K_S<i>$=0时，其对应的时间比较器的输出为$T<i>$=0。在$K_S<i>$的上升沿，如果它领先于F20的上升沿，则时间比较器延迟（~ 12fs@0.5ps领先时间）后，$T<i>$立即变高。相反，$T<i>$在$F20$的下一个下降沿处，另一个时间比较器延迟（~ 23fs@0.5ps滞后时间）后给出高值。这两种情况下的比较器延迟因初始条件不同而不同。根据图1，$K_S<i>$（≈$F20$）上升沿和$T<i>$之间的时间间隔(≈上述两种情况中的T分别为~ 12ps和~ 48ps)。然后，比较器输出端的与门分别将它们更新为~ 7ps和~ 43ps，从而呈现之后2b TDC的输入（$STA<i>$与$STO<i>$）时差$T_{IN}$。2b TDC量化与定时歪斜信息相关联的$T_{IN}$以启用自适应歪斜控制。模拟结果（图1）表明，当定时偏差远离时间比较器的±30fs亚稳范围时，2b TDC可以很好地识别具有25ps阈值的偏差极性。此外，为了屏蔽比较器噪声（RMS=7.5fs）以及$K_S<i>$和F20的时钟抖动的影响，2b TDC输出的1000次迭代统计用于单个校准决策。

除了噪声之外，时间比较器offset还降低了时钟偏移校准精度，如图2所示，在背景中移除了时钟偏移校准精度。在offset校准期间（$EN\_C/O=1$），ADC采样时钟$C{K}_S<i>$应用于两个输入比较器，同时还使用$D_O<i>$（=$SIGN<i>$）上的1000个统计信息，以~5fs的步长进行$O{S}_i<6:0>$的offset反馈校准。在偏斜校准期间（$EN\_C/S=1$），$C{K}_S<i>$通过2b TDC输出$D_{S2}<i>$和$D_{S1}<i>$上的1000个统计数据与CK20对齐，并以~ 45fs的步长控制偏斜控制代码$S{K}_i<6:0>$。剩余的误差源，包括添加的开关、布局布线和采样开关，进一步降低了校准精度，使用1.2V电源，厚金属布线和快速断开路径将其最小化。Monte Carlo仿真表明，上述总误差源贡献了~ 100fs 3σ 歪斜值。

图3显示了20GS/s 8×交错ADC的体系结构，该ADC具有用于高输入带宽的嵌入式VTC缓冲器，与分层电压缓冲器相比，在能效和线性方面具有显著优势。子ADC将450mV输入信号转换为~ ±180ps$\Delta T<i>$，并由8b 2.5GS/s流水线TDC[5]量化。时序偏差检测和量化都是带调谐单元的片上逻辑，而$D_{S2/S1}$和$D_O$的统计逻辑是片外实现。自适应编码控制在前7个周期中采用二进制搜索，然后采用5个单调搜索周期，以加快收敛速度。

三. 测量结果

TI-ADC采用65nm CMOS工艺(图4，0.22$m{m}^2$)。在数字域消除了通道间的offset和增益误差。20GS/s TI-ADC在奈奎斯特输入下实现38.8dB SNDR和52.5dB SFDR，其中时序倾斜校准将最大时序杂散从-34.6dB降低到-55.2dB，如图5所示。

在图6中，使用输入差分探头测量的输入带宽为>16GHz。图7给出了测量到的校正收敛过程，包括时间比较器offset和时序倾斜，倾斜控制码锁定后，2b TDC的平均输出很好地在边界内(进入±30fs亚稳态范围)。所有5个被测芯片在校准后的Nyquist输入都有< -50dB的最大时序杂散。TI-ADC核心从1V电源消耗125.1mW，此外，时序倾斜校准单元从1.2V电源消耗4.8mW，激活率为10%(图2中的EN)，这得益于其输入无关和快速收敛的特性。

表Ⅰ总结和比较了性能，时域ADC的动态特性也允许在16GS/s下的0.85V转换，同时保持类似的量化精度，但具有更好的FoMs。该工作实现了一个快速和无输入信号的背景时序倾斜校准，精度~ 100fs。

四. 参考文献