Recently, the demand for a high-resolution low-power analog-to-digital converter (ADC) for sensor and audio band applications has been increasing. In response to these requirements, many studies are being conducted on delta-sigma modulator (DSM) that are suitable for high-resolution applications in low-frequency bands. While discrete-time (DT) DSM is robust to process-voltage-temperature (PVT) variation and can operate across multiple frequency bands, DT DSM consumes larger power in amplifiers compared to CT DSM. In this research, the power consumption of DT DSM is significantly reduced by utilizing a dynamic amplifier (DA). In addition, the successive approximation register (SAR) assisted digital noise coupling (DNC) technique is employed to obtain additional noise-shaping orders without an amplifier. Therefore, this research achieves high resolution with low power consumption using a DA and SAR-assisted DNC. This work is implemented in a 28nm CMOS technology and its core layout occupies 0.123mm2. In 25kHz bandwidth with an oversampling ratio (OSR) of 128, this work could achieve signal-to-distortion and noise ratio (SNDR) of 103.5dB with 76.84μW power consumption in post-layout simulation. The Schreier figure of merit (FoMS) derived from the post-layout simulation results is 188.6dB, achieving state-of-the-art performance compared to other ADCs with similar bandwidths.
각종 센서 응용과 가청 주파수 대역에서의 활용을 위해, 높은 해상도와 낮은 전력 소모를 갖는 아날로그-디지털 데이터 변환기에 대한 수요가 증가하고 있다. 이러한 요구에 맞춰, 낮은 주파수 대역에서 고해상도 응용에 적합한 델타-시그마 변환기에 대해 많은 연구가 이루어지고 있다. 이산 시간 델타-시그마 변환기는 주변 환경 변화에 둔감하고 여러 동작 주파수에 걸쳐 동작할 수 있다는 장점이 있지만, 연속 시간 델타-시그마 변환기와 비교하여 증폭기의 전력 소모가 더 크다는 단점이 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하고자 동적 증폭기를 활용하여 이산 시간 델타-시그마 변환기의 전력 소모를 큰 폭으로 감소시켰다. 또한, 축차 비교형 아날로그-디지털 변환기 기반의 디지털 잡음 결합 기술을 이용하여 증폭기 없이 추가적인 잡음 정형 차수를 얻었다. 따라서, 본 연구에서는 동적 증폭기와 축차 비교형 아날로그-디지털 변환기 기반의 디지털 잡음 결합을 이용하여 낮은 전력소모로 높은 해상도를 얻을 수 있도록 하였다. 본 연구는 28nm CMOS 공정을 이용하여 설계되었으며 0.123mm2의 면적을 차지한다. 25kHz의 대역폭에서 128의 오버 샘플링을 이용하였을 때, 포스트 레이아웃 시뮬레이션 결과 76.84μW의 전력 소모로 103.5dB의 신호 대 잡음 및 왜곡 비를 얻을 수 있었다. 포스트 레이아웃 시뮬레이션 결과로부터 도출된 Schreier figure of merit은 188.6dB로, 비슷한 대역폭을 갖는 기존의 아날로그-디지털 데이터 변환기와 비교했을 때 최첨단의 성능을 달성하였다.
