본 논문에서는 차세대 디지털 TV 및 무선 랜 등과 같이 고속에서 저전압, 저전력 및 소면적을 동시에 요구하는 고성능 집적시스템을 위한 10b 250MS/s $1.8mm^2$ 85mW 0.13um CMOS A/D 변환기 (ADC)를 제안한다. 제안하는 ADC는 요구되는 10b 해상도에서 250MS/s의 아주 빠른 속도 사양을 만족시키면서, 면적 및 전력 소모를 최소화하기 위해 3단 파이프라인 구조를 사용하였다. 입력단 SHA 회로는 게이트-부트스트래핑 (gate-bootstrapping) 기법을 적용한 샘플링 스위치 혹은 CMOS 샘플링스위치 등 어떤 형태를 사용할 경우에도 10비트 이상의 해상도를 유지하도록 하였으며, SHA 및 두개의 MDAC에 사용되는 증폭기는 트랜스컨덕턴스 비율을 적절히 조정한 2단 증폭기를 사용함으로써 10비트에서 요구되는 DC 전압 이득과 250MS/s에서 요구되는 대역폭을 얻음과 동시에 필요한 위상 여유를 갖도록 하였다. 또한, 2개의 MDAC의 커패시터 열에는 소자 부정합에 의한 영향을 최소화하기 위해서 인접신호에 덜 민감한 향상된 3차원 완전 대칭 구조의 커패시터 레이아웃 기법을 제안하였으며, 기준 전류 및 전압 발생기는 온-칩 RC 필터를 사용하여 잡음을 최소화하고, 필요시 선택적으로 다른 크기의 기준 전압을 외부에서 인가할 수 있도록 설계하였다. 제안하는 시제품 ADC는 0.13um 1P8M CMOS 공정으로 제작되었으며, 측정된 DNL 및 INL은 각각 최대 0.24LSB, 0.35LSB 수준을 보여준다. 또한, 동적 성능으로는 200MS/s와 250MS/s의 동작 속도에서 각각 최대 54dB, 48dB의 SNDR과 67dB, 61dB의 SFDR을 보여준다. 시제품 ADC의 칩 면적은 $1.8mm^2$이며 전력 소모는 1.2V 전원 전압에서 최대 동작 속도인 250MS/s일 때 85mW이다.
This work proposes a 10b 250MS/s $1.8mm^2$ 85mW 0.13um CMOS A/D Converter (ADC) for high-performance integrated systems such as next-generation DTV and WLAN simultaneously requiring low voltage, low power, and small area at high speed. The proposed 3-stage pipeline ADC minimizes chip area and power dissipation at the target resolution and sampling rate. The input SHA maintains 10b resolution with either gate-bootstrapped sampling switches or nominal CMOS sampling switches. The SHA and two MDACs based on a conventional 2-stage amplifier employ optimized trans-conductance ratios of two amplifier stages to achieve the required DC gain, bandwidth, and phase margin. The proposed signal insensitive 3-D fully symmetric capacitor layout reduces the device mismatch of two MDACs. The low-noise on-chip current and voltage references can choose optional off-chip voltage references. The prototype ADC is implemented in a 0.13um 1P8M CMOS process. The measured DNL and INL are within 0.24LSB and 0.35LSB while the ADC shows a maximum SNDR of 54dB and 48dB and a maximum SFDR of 67dB and 61dB at 200MS/s and 250MS/s, respectively. The ADC with an active die area of $1.8mm^2$ consumes 85mW at 250MS/s at a 1.2V supply.
