42
Electronic Systems Design (ELX304) Lesson 4 – CMOS Analogue design University of Sunderland Page 1 LESSON 4 CMOS ANALOGUE DESIGN INTRODUCTION This lesson discusses those analogue applications suitable for implementation using VLSI and the methodologies used for their construction. YOUR AIMS At the end of this lesson, you should be able to appraise critically the performance/operation of conversion devices between the analogue and digital domains analyse alternative structures used in analogue VLSI Circuits. STUDY ADVICE This particular lesson is designed to be selfcontained. However, the following references will provide additional support material. SUPPORT MATERIAL Allen, P.E., Holberg, D.R. (2002) CMOS Analog Circuit Design. Oxford University Press. Geiger, R. L., Allen, P. E. & Strader, N.R. (1990) VLSI, Design techniques for Analog and digital circuits. McGraw Hill. (Chapter 8) Ismail, M., Fiez, T. (1994) Analogue VLSI: Signal and Information Processing. McGraw Hill. (Chapter 9)

ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland  Page 1 

LESSON 4 

CMOS ANALOGUE DESIGN 

INTRODUCTION This lesson discusses those analogue applications suitable for implementation using VLSI and the methodologies used for their construction. 

YOUR AIMS At the end of this lesson, you should be able to

•  appraise critically the performance/operation of conversion devices between the analogue and digital domains

•  analyse alternative structures used in analogue VLSI Circuits. 

STUDY ADVICE This particular lesson is designed to be self­contained. However, the following references will provide additional support material. 

SUPPORT MATERIAL Allen, P.E., Holberg, D.R. (2002) CMOS Analog Circuit Design. Oxford University Press. 

Geiger, R. L., Allen, P. E. & Strader, N.R. (1990) VLSI, Design techniques for Analog and digital circuits. McGraw Hill. (Chapter 8) 

Ismail, M., Fiez, T. (1994) Analogue VLSI: Signal and Information Processing. McGraw Hill. (Chapter 9)

Page 2: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland Page 2

Page 3: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland  Page 3 

4.1  ANALOGUE VLSI DESIGN To date we have mainly considered the construction of MOS transistors for the implementation of digital logic. In this lesson we will be investigating the use of these technologies for Analogue applications. However, in previous modules analogue circuit design has involved the use of 

i)  Passive Technology: Circuits constructed from Resistors, Capacitors and  Inductors alone, for example filters. 

ii)  Active Technology: Circuits built using electronic amplifiers, for example operational amplifiers. 

In VLSI terms passive technology is not considered as circuits built entirely from resistors and capacitors are wasteful of available silicon area, compared with transistors, and inductor construction is problematic. 

However, amplifier construction can be achieved using Bipolar Junction Technology or CMOS technology and so the basic building blocks for more complex applications are available to the designer for construction within VLSI. The operational amplifier is a particularly useful device as it is a high gain differential amplifier which ideally has the characteristics of high input impedance, low output impedance, high bandwidth and low offset. 

The above schematic shows that in practice, this is achieved using a basic differential amplifier in conjunction with further circuitry specifically designed to improve its overall characteristics. 

Although this lesson will not address operational amplifier design the following table, in conjunction with the recommended reading, identifies circuit designs for anyone wishing to investigate further. 

Differential Amplifier Stage 

High Gain Amplification 

Stage 

Output Buffer 

Differential Input 

Compensation Circuitry 

Bias Circuitry 

Output

Page 4: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland Page 4 

Current Sink Current Mirror Load Differential Amplifier Source Coupled Pair Inverter High Gain Stage Current Sink Load Current Source Bias Circuit Current Mirror Source Follower 

Operational Amplifier 

Output Buffer Current Sink Load 

4.1.1  APPLICATION TECHNOLOGIES The VLSI design technology described in previous lessons has allowed the design of digital Application Specific Integrated Circuits (ASIC's) in house using suitable CAD software. Unfortunately several problems exist using the above technology as it is specifically developed for digital computation and storage. The main problem being low integration levels (large silicon usage) required for analogue IC implementation since it uses hybrid technology in its construction. 

More recently, with the advent of double­polysilicon CMOS (BiMOS) technology, some of these problems have been overcome. In particular, the construction of high value capacitors in a much smaller area than is possible with metal­silicon capacitors is possible by using two polysilicon layers as conducting plates. In addition Bipolar Transistor's, the basic building block of linear analogue IC's, may also be constructed on the same chip providing increased speed, improved noise performance and more precise characteristics than is available using CMOS technology alone. 

As analogue signals exist in continuous time with continuous amplitudes then the previous circuits will be expected to work in the active, linear, region where power consumption is relatively high. However, an alternative solution is to use logic switching at high frequencies, with some form of averaging, so that the digital system appears continuous. The following table illustrates suitable technologies for signal processing applications: 

MOS Digital Logic MOS Analogue Bipolar Digital Logic Bipolar Analogue BiCMOS Optical Gallium­Arsenide Frequency (Hz)  1  10  100  1K  10K  100K  1M  10M  100M  1G  10G 

Seismic  Audio  Telecommunications  Microwave 100G

Page 5: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland  Page 5 

4.2  SIGNAL PROCESSING In signal processing there is a major need to be able to communicate between the Analogue and Digital domains in order to fully utilise the benefits afforded by both technologies. In particular: 

i)  Data Acquisition Systems The collection of continuous signals (audio and video signals, measurements via transducers, etc...) and their subsequent analysis/storage within digital devices (computers, controllers, disks, memories, etc...). For example: 

Multiplexer Analogue Signals 

Sample 

Hold & 

Analogue to 

Digital Converter 

n ­ bit 

Signal Digital 

ii)  Digital Control Systems In order to complete the feedback control loop we require the ability to manipulate a process input, via actuators, using a signal generated by a computer control algorithm. That is: 

Analogue Analogue to 

Digital 

Converter 

n ­ bit 

Signal Digital  Filter 

Signal Amplifier 

Optional Devices 

The following sections will investigate commonly used circuits for constructing the elements identified above.

Page 6: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland Page 6 

4.2.1  DIGITAL TO ANALOGUE CONVERTERS (DAC'S) 

The digital to analogue converter, DAC, is required to provide an analogue output which is proportional to an n­bit digital code input. That is to produce a unique voltage level for each of the possible 2 n digital codes that can occur when using an n­bit converter. Although there are numerous methods of achieving this they all share the following basic structure: 

n ­ bit  Signal Digital 

Scaling Network 

D.Vref  Output Amplifier 

Vout 

Binary Latches 

b1  b2  b3  bn 

Vref Voltage Reference 

where b1  is the Most Significant Bit (MSB) and bn the Least Significant Bit (LSB) which, when switched, lead to changes in analogue voltage equivalent to: 

MSB: V 

b  range 

2 1 ≅ 

and  where  Vrange = Voutmax – Voutmin 

LSB: V 

b  n range 

n  2 ≅ 

and therefore the DAC output will approach that of an ideal analogue output as n→ ∞ . 

Note that the range is actually covered by 2 n –1 bit changes in level then the maximum output voltage obtainable from a DAC is generally

( )

− = −  n range 

n n 

range  V 2 V 

2 1 1 1 

and therefore falls short by one LSB. This is compensated for in practice by some gain/offset trimming outside of the chip.

Page 7: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland  Page 7 

4.2.1.1  SWITCHED RESISTOR NETWORKS (CURRENT SCALING NETWORKS) 

(a) Binary Weighted Vref 

b1 

b2 

b3 

b4 

b5 

b6 

b7 

b8 

2R

4R

8R 

16R 

2 R 7 

6 2 R 

5 2 R _ 

Rf 

Vo 

I 1 

I2 

I3

I4 

I5 

I6

I7 

I8 

Here digital bits which are logic high switch the reference voltage Vref onto the summing amplifier, via an appropriately weighted resistance, to provide the required amount of current. Bits which are logic low ground the appropriate input and produce no current. Thus the i'th bit produces an associated output voltage of 

i i f 

ref  b R 

R V  . 

2 .  1

− − 

Thus, by setting the required Rf  /R ratio and Vref  to provide the required output range then (here with Rf = R/2):

+ + + + + − =  n n 

ref o b b b b b 

V V 2 

.... 16 8 4 2 4 3 2 1 

The major problem with the VLSI construction of the above network is the spread in the required values of the resistance's especially as the number of bits n increases. This causes a doubling of the maximum resistor size for each bit increase in the digital word and therefore, a doubling of the required silicon area. In addition, there are problems regarding the exact value of the resistors (especially the MSB resistor R) if the DAC is to remain 'linear' and expensive trimming may need to be done to ensure accuracy.

Page 8: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland Page 8 

One practical solution to alleviate this problem is to use cascaded structures, that is a parallel/serial hybrid arrangement, where overall conversion speed is sacrificed for accuracy/linearity: 

Another alternative is to use matched FET transistors to provide the appropriate current pull­down. Where a single FET is used to establish the LSB current and 2 n­1 FET’s in parallel to provide the MSB current. 

(b) R­2R Ladder One resistive solution to alleviate these problems is the R­2R Ladder DAC: 

i/2 

i/4 

i/8 

i/16 

i/32 

i/64 

i/128 

i/256 

2R Vref 

b1 

b2 

b3

b4 

b5 

b6 

b7 

b8 

Rf 

Vo 

I 1 

I2 

I3

I4 

I 5 

I6

I7 

I8 

2R 

2R 

2R

2R 

2R

2R 

2R 

Here, a current divider network is used to generate the desired op­ amp input currents of the required magnitude for each bit. However, only two values of resistor are required and therefore their manufacture is easier, even though there are almost twice as many resistors required. Since the right hand end of the 2R resistors will be connected to ground irrespective of the bit switch position, either directly (bi = 0) or via the op­amps virtual earth (bi=1), then: 

R V 

= i  ref 

and, as above

+ + + + + − =  n 

n f ref o 

b b b b b R R 

V V 2 

.... 16 8 4 2 

. .  4 3 2 1 

1:16 Resistor Divider Network 

Bits 1­4 Generates 'bit' 

switched currents of I/2, I/4, I/8 and I/16 

I  From Inverting Op­Amp 

Bits 5­8 

(Structure as Bits 1­4)

Page 9: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland  Page 9 

One of the problems with the R­2R ladder network is that there are up to 2 n­1 floating nodes in the arrangement. That is nodes that have a relatively large resistance to ground which are then susceptible to parasitic capacitance. The need to charge/discharge these 'capacitors' reduces the operating speed of the converter. 

In order to develop Bipolar versions of the ladder converter then BJT's with appropriate Emitter area's (since Emitter area is proportional to emitter current) must be used to sink the bit controlled currents. That is: 

Vref 

Rf 

Vo 

'Base' 

Vee 

Bit Controlled Switching Network 

BJT Switches with Binary Weighted Emitter Area's 

'Emitter' R­2R Ladder Network 

To overcome the need for BJT's with varying 'size' of emitter then the R­2R network must be placed between the op­amp and the bit switching network. All the BJT emitters can then be connected to Vee with resistors of the same value, and thereby pass the same current. 

4.2.1.2  SWITCHED VOLTAGE NETWORKS Here, every possible output voltage level is generated via a reference voltage and a series resistance network. The appropriate level being switched through to the amplifier via a bit controlled switching network. The resulting converter has a regular structure and is therefore ideal for MOS technology. However, the required area of the converter increases rapidly as the number of bits increase. In addition, speed is reduced as parasitic capacitance's arise at the ‘floating’ nodes. 

Both of which can be improved by replacing the switching network to 2 n bit level switches fed via an n to 2 n decoder for large bit converters.

Page 10: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland Page 10 

4.2.1.3  SWITCHED CAPACITOR NETWORKS (CHARGE SCALING NETWORKS) 

Commencing with initially uncharged capacitor's a two­phase clock is used to share the total charge which is applied to a capacitor array. For example consider the following arrangement: 

During φ1 of the clock all the DAC's capacitors are discharged. Whilst during φ2 the capacitors associated with the relevant bits are: 

i)  bi = 0  left uncharged (connected to ground ) ii)  bi = 1  charged (connected to Vref) 

The output voltage, V0, reflects the sum of capacitors that are charged, Cc, with respect to the total capacitance in the network, 2C. That is, for any digital code then the following network exists: 

Vref  Vo 

Cc 

2C­Cc 

and therefore Vo Vref 

Cc Cc  C  Cc 

Cc C 

=  = + − (  ) 2  2 

The accuracy of the above device is limited by the accuracy of the ratio between the capacitors and the area required is a function of the number of bits. MOS accuracy is around 0.1%, so that 10 bit resolution is possible. However the area required would require a ratio of 1024:1 between the MSB and the LSB, which is clearly undesirable. To overcome this then other scaling approaches are required such as the cascaded approaches shown previously (for current scaling).

φ2 

1 φ b2 . 

b2 .

φ2 

C/2

φ2 

1 φ b1 . 

b1 .

φ2 

Vref 

+ _  V0

φ2 

1 φ bn . 

bn .

φ2 

C/2 n­1 C/2 n­1 

1 φ

Page 11: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland  Page 11 

4.2.1.4  CHARGE REDISTRIBUTION DAC Here, the operation of the converter is sequential. That is information is passed down a network using switches to isolate, for an n­bit converter then n clock pulses are required before conversion can take place ad is therefore slower in operation than the previous parallel structures. 

clk 

Vref  Vo Vc1  Vc2 C1  C2 

bit.clk 

bit.clk  Reset 

Before conversion commences Vc2, and therefore Vo (Vo = Vc2), is set to zero via the Reset signal. Then capacitor C1 is charged to Vref if bit = 1 or discharged if bit = 0. On the clock pulse going high, clk, then the charge is shared between C1 and C2 such that Vc1 = Vc2. The process repeating for the required number of clock pulses. 

Note: The converter commences with the LSB decision, which is then repeatedly halved at each clock, until finally the MSB decision is applied. 

WORKED EXAMPLE 1 Show the conversion of the signal 0101 (MSB to LSB) using a charge distribution DAC with C1 = C2.

Page 12: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland Page 12 

SOLUTION 

CLK 

0.0 

0.25 

0.5 

0.75 

1.0 

time 

0.0 

0.25 

0.5 

0.75 

1.0 

time 

Vc1/Vref 

Vc2/Vref 

b4 (1)  b3 (0)  b2 (1)  b1 (0) 

Although the converter structure is very simple the control circuitry required to operate the device is not. In addition its accuracy is somewhat limited by parasitic capacitance and clock feed through errors. 

4.2.1.5  ALGORITHMIC DAC'S Algorithmic devices consist of unit delays and weighted summers which rely upon the LSB decision to ripple through to the output a stage at a time. For analysis purposes the unit of time delay (clock)  is represented in the z­transformation form, where: 

One clock Delay 

n  clock Delays

− ≡

− 

z z  n 

In addition these devices are bipolar in nature and hence a logic high and low are represented by a 1 and  –1 respectively. Consider the structure of a 4­bit converter:

Σ  Z ­1 Σ  Z ­1 Σ  Z ­1 Σ  Z ­1 

­Vref +Vref 

b4  b3  b2  b1 

0  Vo C B A  1/2  1/2  1/2 

LSB  MSB 

which can be represented by the equation 

1 1 here w . 2 

..... . 2 4 

. 2 3 

. 2 2 

. 1 ) (  1 4 

3 3 

2 2 1 + ≤ ≤ −

+ + + + + = − −

− − − − i 

n n  b Vref z bn z b z b z b z b z Vo

Page 13: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland  Page 13 

Note: 

The output of the converter will range between ± − − 

2  1 2  1 

n  Vref .  for 

all possible digital inputs. 

The main advantage of the algorithmic converter is that it does not rely upon capacitor/resistor ratio's for its accuracy. However, the amplifiers required to provide the gain of a half do and therefore so does the overall network. The converter is also slow in operation due to its sequential operation. 

Note: Note that for an n­bit conversion n clocks are required. However clock control is not necessary as the converter will ripple through to the correct conversion value provided sufficient time is left to allow for the propagation delay of the LSB through the circuit. 

WORKED EXAMPLE 2 Show the conversion of the digital word 1101 (MSB to LSB) using a bipolar algorithmic DAC. 

SOLUTION Following the signals rippling down the network at the applied clocks then 

A B C 

Position in 

Network Vo 

1               2              3              4 Clock No. 

Vref 

Vref Vref 

­Vref Vref  Vref  Vref ­Vref/2  ­Vref/2  ­Vref/2 Vref/2  3Vref/4  3Vref/4 3Vref/2  5Vref/4  11Vref/8 

Check via 

Vref Vref z Vo 8 11 

2 1 

2 1 

2 1 

1 ) (  3 2 =

+ −

+ + =

Page 14: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland Page 14 

4.2.2  ANALOGUE TO DIGITAL CONVERTER’S (ADC'S) 

An analogue to digital converter, ADC, is used to convert an analogue input signal into an equivalent n­bit digital word.  In general the all zero's digital word is used to represent the minimum analogue value in the range and the all one's case the maximum. However, due to constructional problems offset, gain and nonlinearity errors may exist in practice. 

As was the case for DAC’s, both serial and parallel forms of ADC exist although the majority employ feedback and have the following basic structure: 

+ _ 

Control Logic 

DAC 

n­bit 

word Digital 

Analogue Input 

equivalent 

Error 

DAC 

Vin 

Vd Analogue 

It is simply the form of the control logic used during the conversion that distinguishes one converter from another. 

4.2.2.1  COUNTER ADC The most simple form of where the control logic is simply a clock operated counter which, after a start conversion signal which resets the counter, continues a digital count until the analogue equivalent of the digital word, Vd, bcomes greater than the analogue input, Vin. Where upon the count ceases and the digital word is held for output. 

100% 

75% 

50% 

25% 

0% 

Vd 

Time (clock Pulses) 

Vin 

1 LSB 

1 clock

Page 15: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland  Page 15 

Note that the conversion time is proportional to the size of Vin and that the rate of change of the count for an n­bit ADC covering the range Vspan (operating at a clock frequency fc) is: 

Vspan  fc  Volts n 2 .  / sec 

A simple extension to the Counter ADC is the Tracker ADC where an Up/Down counter is used depending upon whether Vin is bigger than Vd or not respectively. Thus the analogue input is continuously tracked at a maximum rate which is dependant upon the minimum loop operating time (hence the maximum clock frequency), the analogue range and the number of bits as above. 

4.2.2.2  SUCCESSIVE APPROXIMATION ADC (SAC) In order to speed conversion times up then the SAC decides upon the correct value for the MSB to the LSB in sequence. 

100% 

75% 

50% 

25% 

0% 

Vd 

Time (clock Pulses) 

Vin 

In order to achieve this, the control logic required becomes more complex than for previous approaches. Generally, a shift register is used to identify each bit (from MSB to LSB) in turn and the decision is then based upon the sign of the error between Vd and Vin. The conversion may be terminated by sending the shift register to the all zero's case whereupon no further changes in output can occur.

Page 16: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland Page 16 

+  _ Vin 

error 

DAC 

1  1  1 

K  J clr  K  J clr  K  J clr 

clk 

start '0' 

MSB  LSB 

&  &  & 

start clk 

n­bit shift register 

Thus, although the maximum clock frequency may be slower due to the longer loop times required to perform the control logic correctly, then approximately n clock pulses are required for an n­ bit converter irrespective of the range and the value of the input, thus SAC conversion time is n/fc. 

WORKED EXAMPLE 3 Show the 4­bit SAC conversion (using the above structure) of an analogue input of 70% of its range. 

SOLUTION 

OUTPUT Operation      Shift Register  Flip­Flop  DAC  Error 

Output  Outputs  inputs  Status 

Start  1 0 0 0  0 0 0 0  1 0 0 0  1    (Vd = 50%) clk 1  0 1 0 0  1 0 0 0  1 1 0 0  0    (Vd = 75%) clk 2  0 0 1 0  1 0 0 0  1 0 1 0  1    (Vd = 62.5%) clk 3  0 0 0 1  1 0 1 0  1 0 1 1  1    (Vd = 68.75%) clk 4+  0 0 0 0  1 0 1 1  1 0 1 1  etc...

Page 17: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland  Page 17 

4.2.2.3  SERIAL ADC'S (SLOPE CONVERTERS) The basis of the majority of serial converters is the integrator and the most commonly employed device are Slope Converters. 

(a)  Single Slope ADC’s Single slope devices operate by counting the time (on a clocked counter) taken for an integrated reference voltage to become equal to the analogue input. That is, the higher the value of the input voltage, the longer the integration of the reference voltage takes to reach this value, the higher the digital count reached. Hence to ramp to maximum Vin, thus the integration rate is:

− = =

 

n span in 

ref 

V t V V 

RC  1 2 1 

max δ δ 

However, this means that their accuracy is critically dependant upon matching the R­C values of the integrator to the correct ratio to the clock frequency. The nature of the devices operation means that conversion time can take anywhere up to 2 n clocks (not including reset). 

(b) Dual Slope ADC’s A common structure for the implementation of a dual slope device is shown below: 

­Vref 

Interface  =1 

'0' 

&  & 

clk 

Counter 

up 

Q  Q MSB 

_ Vin '0'

'1' 

0v 

Register clk 

The major benefit of the dual slope approach is that both the charging and discharging times are dependant upon the integrator gain RC and therefore its accuracy is no longer critical. Consider the following waveforms:

Page 18: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland Page 18 

Thus considering the integrator output signal during the conversion then, at its maximum value (Vin * ) then

=

 

out ref 

in  f ADC V 

RC f V 

RC 1 1 2 1 

which simplifies to

( ) 1 2 −

=  n 

ref 

in out  V 

V ADC 

Hence its output is not dependant upon the integrator’s slope or the clock frequency and is therefore very accurate. However, it does take approximately 2(2 n ) clocks to convert. 

Integrator 

Comparator 

Nand 2 

Counter 

­Vin/RC  +Vref/RC 

+15 

­15 1 

Interface & Ex­Or 

Nand 1 1 

clk  clk  counter disabled 

+ve edge for storage in register 

111..11 

000..00 

clocked on counter reset 

Conversion time 

count stored 

Vin *

Page 19: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland  Page 19 

4.2.2.4  ALGORITHMIC ADC 

This particular structure shows a Bipolar device which can convert in the range –Vref to +Vref. The actual sign of Vref which is applied to the summer being dependant upon the sign of the previous comparators output: 

Previous bit decision high, sum –Vref Previous bit decision low, sum +Vref 

Its accuracy is dependant upon the accuracy of the multipliers (x2) and the characteristics of the summers/comparators. 

WORKED EXAMPLE 4 Consider the a 4­bit converter with a Vref of 10V converting an analogue input of  +4V. 

SOLUTION MSB:  4V > 0V therefore MSB = +1 Voltage fed to next stage is  2 *  4V – Vref  =  –2V Bit 2: –2V < 0V  "  Bit 2 = –1  Voltage fed to next stage is  2 * –2V + Vref  =  6V Bit 3:  6V > 0V  "  Bit 3 = +1 Voltage fed to next stage is  2 *  6V – Vref  =  2V LSB:  2V > 0V      "  Bit 4 = +1 End of  Conversion, Result 1011. 

To check the result, use the formulae:

( ) ( )  Volts b b b b Vref Vd  375 . 4 = 4375 . 0 10 = 16 1 

8 1 

4 1 

2 1 10 2 . 2 . 2 . 2 . =  4 

4 3 

3 2 

2 1 

1

+ + − = + + + − − − − 

The above form of converter is a serial pipeline device which has the disadvantage that it will take n clocks to perform a single conversion (although a conversion is produced at each clock). 

MSB 

Vin 

+  _ 

2 Z ­1 

+  _ 

2 Z ­1 

+  _ 

LSB 

+Vref 

­Vref 

+1  ­1  +1  ­1

Σ Σ

Page 20: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland Page 20 

The converter can be operated iteratively, to save silicon area, using the form: 

+ _  Digital 

Output 

Vref 

Vb x2 Sample and hold 

Vref 

Gnd (0V) ­1 + 

Vin 

Va 

Note: The above converter is unipolar in operation of span Vref. To directly construct the previous bipolar device then you must compare with respect to 0V and switch +/– Vref. 

WORKED EXAMPLE 5 Show how the iterative form of a unipolar algorithmic ADC provides an 8­bit conversion of  7V (Vref=10V). 

SOLUTION For 8­bit conversion then 8 clock pulses are required, where the initial switch position only is at Vin, and 

Clock No.  1  2  3  4  5  6  7  8 Va/Vref  0.7  0.4  0.8  0.6  0.2  0.4  0.8  0.6 Vb/Vref  1.4  0.8  1.6  1.2  0.4  0.8  1.6  1.2 Output  1  0  1  1  0  0  1  1 

Check: 

Vd  Volts =  =  0.69922 10 1 2 

0 4 

1 8 

1 16 

0 32 

0 64 

1128 

1256

+ + + + + + +

Page 21: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland  Page 21 

4.2.2.5  PARALLEL ADC 

Vin Vref 

+ _ 

+ _ 

+ _ 

+ _ 

+ _ 

+ _ 

+ _ 

Digital Encoding Network 

Digital Output 

7/8Vref 

6/8Vref 

5/8Vref 

4/8Vref 

3/8Vref 

2/8Vref 

1/8Vref 

Shift Register 

Parallel operation ensures that this particular ADC is the quickest in terms of conversion. The conversion time being limited only to that of the transmission times of the slowest comparator, Encoding network and shift register. However, accuracy problems do exist due to the large number of identical resistors (of value R) and comparator's required in addition to the large silicon area which is required. Since a doubling in area is required for each single bit increase in the converter alternative parallel/series combinations are used to trade off the silicon area against speed of conversation, e.g 

Vin  +_  2 n Vin*  Parallel 

ADC Converter 

n/2 bit 

DAC Parallel ADC 

Converter 

n/2 bit 

Shift Register 

n bit Digital Output

Page 22: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland Page 22 

4.2.3  SAMPLE­HOLD NETWORKS The purpose of the sample­hold is to maintain the sampled (pulse) signal for a finite time (T – sampling time) to allow any further operations, such as A­D conversion, to take place correctly. In its simplest form it consists of a switched capacitor: 

Vin  Vout 

Vin 

+ _ 

+ _ 

Control Gate 

Vout 

The major problem with capacitor storage devices being the conflict of requirements in terms of its charging/discharging times. That is a small value of C is required for quick acquisition (charging from the last input value to the present) of data, but a large value of C is required for long term storage of this value. In the arrangement above the capacitor will charge, when the FET is on, at a rate determined by the output resistance of the amplifier, Ro, and the 'on' resistance of the FET, RDS. If these are small then the rate of charge of the capacitor will be limited by the maximum current, I, which the amplifier can deliver: 

dVc dt 

I C 

To improve the acquisition time then some form of current amplifier is used to increase I. The following device utilises an external complementary emitter follower. 

Vin  + _ 

Control Gate 

+ _ 

Vout 

­V 

+V 

It should be noted that the inclusion of this extra 'integrator' in the control loop can cause some stability problems. Capacitors with polycarbonate, polyethylene or polystyrene dielectrics are

Page 23: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland  Page 23 

recommended as their decay rate is slower and they have less absorption (causing the capacitor to remember its last voltage level after a sudden change). 

4.3  SWITCHED CAPACITOR FILTER’S Signal processing also requires the use of active circuits in order to amplify, integrate and filter signals. Previous modules illustrated the requirement to use operational amplifiers with suitable resistor/capacitor arrangements connected about them to achieve this. However, previous lessons have also shown that accuracy and physical size limitations exist whenever these passive components are constructed in silicon. One commonly employed solution to these problems is to replace the resistor's with a switched capacitor (SC) structure. The subsequent arrangement of FET switches and capacitor(s) may be used to restrict current flow with the additional benefit of decreased power consumption. 

Consider the two arrangements below: 

In order to determine the effective resistance, Reff, of the SC network, note that for network a): 

R V V = I  out in − 

In network b) charge is switched across the network during each clock phase providing that the clock frequency, fc, is much sufficiently large that the changes in voltage across the network are small. This is a limiting factor although a high clock frequency is required if operation is to appear continuous anyway. The analysis of such circuits requires the calculation of the average current I1 that flows into the SC network for each clock phase. Thus

( ) ( ) ( )  T T T 

T t dq dt 

dt t dq 

T dt t i 

T I 

0 1 1 

1 1

= = = ∫ ∫ 

I1 R 

Vin  C Vin 

T1  T2 

Vout  Vout

φ1 φ2 

a) Standard Resistor  b) Switched Capacitor 'Resistor' 

I1

Page 24: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland Page 24 

Therefore, for the above circuit, then (assuming that the voltages are approximately constant over the clock period, T:

φ1 (0 to T/2): ( ) [ ] ( ) Vout Vin C = t dq  T/2 0 − 1

φ2 (T/2 to T): ( ) [ ]  0 1  = t dq  T T/2 

Thus ( ) ( ) Vout Vin C f T Vout Vin C = I  C 1 − =

−  . 

and therefore fc . C 

= C T R eff 

1 = 

Let us consider the use of the above SC network to construct a passive RC filter: 

From previous lessons, and the above analysis, then: 

RC Filter  Time Constant (τ  ) 

Accuracy  CMOS Implementation 

Passive R.C  C 

C R R δ δ

+  % 20 5 → SC 

R C C f C .  C 

f f 

C C 

C C δ δ δ

− −  % 1 . 0 ≅ 

And hence the relative accuracy of the capacitors makes the SC variant more accurate, particularly as the clock frequency variation, δfc, is generally very small. 

Vin  Vin Vout  Vout 

a) Passive RC Filter  b) Switched Capacitor RC Filter 

CR C 

T1

φ1 

T2

φ2 

C

Page 25: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland  Page 25 

WORKED EXAMPLE 6 Using the above RC network what would be the capacitor ratio required to construct a passive RC filter of Bandwidth 1KHz and clock frequency 200KHz 

SOLUTION Noting that a first order filters 3dB bandwidth is 1/τ then 

005 . 0 200 1 

10 200 10 1 / 

3 3 = =

× ×

= = C 

dB R 

f W B 

C C 

4.3.1  ALTERNATIVE SC NETWORKS The SC network outlined above is a parallel realisation. Other forms of network commonly used are 

4.3.1.1  SERIES SC NETWORK

φ2 φ1 

Vi  Vo 

4.3.1.2  SERIES­PARALLEL SC NETWORK 

C1 C2 

Vi  Vo

φ1 φ2 

Req = 1 

C.fc 

Req = 1 

(C1+C2).fc

Page 26: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland Page 26 

4.3.1.3  BILINEAR SC NETWORK 

Vi  Vo

φ1 φ2 

C

φ1 φ2

4.3.1.4  STRAY INSENSITIVE SC NETWORK 

Vi

φ2 φ1 

Vo C1

φ2 φ1 C A  C B 

One of the most commonly used networks practically. Here capacitor C1 is charged (from Vi) during φ1 of the clock. and the charge is then passed on to the operational amplifiers inverting input during φ2 of the clock for integration. When the capacitor is not being charged/discharged  it is disconnected. 

However during φ1 of the clock, CA charges its ‘stray capacitance’ to Vi while CB  is discharged. The other φ2 operated FET being effectively grounded via the φ1 operated FET and the virtual earth of the op­amp and therefore remains uncharged. During φ2 the charged CA  is discharged and the uncharged CB  is paralled with the virtual earth of the op­amp and therefore remains uncharged. Therefore the stray capacitances CA and CB do not contribute charge to C1 or C2 and hence do not affect the accuracy of the circuits operation. 

Req = 1 

4C.fc 

Req = 1 

C.fc

Page 27: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland  Page 27 

4.3.2  SWITCH CAPACITOR ‘ACTIVE’ FILTER CIRCUITS 

SC networks, combined with an operational amplifier, can be used to implement  active filter circuits. For example consider the integrator shown below: 

Vi 

C2 

Vo _ 

+ C1

φ2 φ1 

Analysis of the above integrator, replacing the SC network by Reff, shows that 

Vo  s Vi  s  sR  C  s 

fc  C C eff 

(  ) (  ) 

. =  = − − 1 

2 1  1 

4.3.2.1  ‘RESISTIVE’ FEEDBACK CIRCUITS The above procedure can be used to establish various filter circuits simply by applying the required feedback around the operational amplifier. For example consider the construction of a non­inverting First Order Low Pass Filter (LPF): 

Vo

φ2 φ1 

Vi 

+

φ2 φ1

φ2 φ1 

C2 

Cr  C 

C1

Page 28: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland Page 28 

However, the arrangement shown above is impractical as the feedback path is always disconnected, since φ1 and φ2 are never ‘on’ simultaneously. Therefore a practical realisation of the above is: 

Vo

φ2 φ1 

Vi 

+

φ2 φ1 

C2 

Cr  C

φ1 

C1 

Which is a First order Non­inverting amplifier of steady state gain, Avo, where 

Avo  ff  ff ff 

C  C C 

=  = Re  Re Re 1  2 

1  2 2

+ + 

The steady state gain is independent of the clock frequency because both the SC networks in the feedback path operate at the same frequency. 

And whose time constant, τ, is

τ  =  =  = C  q  C Cr  fc 

T C Cr r .Re 

. . 

Using the above SC networks, any type of filter may be constructed using the design techniques proposed by Butterworth, Chebyshev, etc.

Page 29: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland  Page 29 

4.3.2.2  FREQUENCY RESPONSE The ability of the switched capacitor networks to approximate their continuous time counterparts is best shown by analyzing their respective frequency responses. Let us once again consider the passive first order low pass filter (LPF) and its parallel switched capacitor equivalent: 

Using Laplace transforms, the transfer function of the continuous circuit can be shown to be

( ) 1 / 

1 1 

1 1 

0 + =

+ =

+ =

ω τ  s s sRC s H 

which, by replacing s by jω provides the frequency response whose magnitude and phase are described via

( ) ( )  1 / 

1 2 

0 + =

ω ω ω j H  and

( )

− = ∠ − 

1 tan ω ω ω j H 

However, analysis of the switched capacitor equivalent requires the use of discrete time theory using difference equations and z­ transforms. Consider the switched capacitor circuit at the end of the (n–1)th clock period, then 

Prior to φ1: 

During φ1: 

Vin  Vin Vout  Vout CR C

φ1 φ2 

Vi (n­1)  CR  Vo(n­1) C Vo(n­1) 

Vi (n­1)  CR  Vo(n­1) C Vi(n­1)

Page 30: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland Page 30 

Start of φ2: 

Therefore the next output voltage, Vo(n), of the above circuit can be found after the charge in the above circuit has been shared, that is

( ) ( ) ) 1 ( ) ( ) ( ) 1 ( − − = − − =  n V n V C n V n V C I  o o o i R 

) 1 ( ) 1 ( ) ( −

+

+ −

+

=  n V C C 

C n V C C 

C n V  o R 

i R 

R o 

To find the z­transfer function we simply replace V(n–m) by V(z).z ­m and equate terms, hence 

) ( 1 ) (  1 1  z V z C C 

C z C C 

C z V  i R 

R o

− −

+

=

+

− 

therefore (α = C/CR)

( ) ( ) ( )

+ −

+ =

+ −

+ =

+

+

= = + −

α α α α α α  1 / 1 

1 1 

1 / 1 1 1 

1 ) ( ) ( 

1 1 

z z z 

z C C 

z C C 

z V z V z H 

whose frequency response can be found by replacing z +1 by e jωt where from eulers theory 

e jωt ≅ cos(ωt)+jsin(ωt) hence

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) t j t t j t e H  t j

ω α α ω α α α ω ω α ω 

sin 1 cos 1 1 

1 / sin cos 1 

1 1

+ + − + =

+ − +

+ = 

whose magnitude and phase are described via

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) t t t t 

e H  t j

ω α α ω α α ω α α ω α

ω 

cos 1 1 2 1 1 

sin 1 cos 1 2 cos 1 

1 2 2 2 2 2 − + +

= + + − + − +

and

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

+ −

− =

− +

+ − = ∠ − −

α α ω ω

α ω α ω α ω 

1 / cos sin tan 

cos 1 sin 1 tan  1 1 

t t 

t t e H  t j 

Vi (n­1)  CR  Vo(n­1) C Vi(n­1) 

Vo(n) CR  C 

Vi(n­1) + _  Vo(n­1) 

+ _

Page 31: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland  Page 31 

The following diagram shows the comparison between the desired frequency response of the normalized (ωo=1) continuous time LPF and its switch capacitor alternative for various ωc/ωo ratios, noting the design equations: 

c ω ω

β =  therefore o c 

T βω

π ω

π  2 2 = = 

and 

R eff  C 

T R =  therefore T T 

CR C C 

eff 

R ω α  1

= = = 

hence 

demonstrating clearly  the effect of clock frequency, ωc, on the overall response of the filter. The faster the clock the smaller the charge transferred, the closer the switched capacitor becomes to its continuous counterpart. 

10 ­1  10 0 

10 1 

10 2 

0.1 

0.2 

0.3 

0.4 

0.5 

0.6 

0.7 

0.8 

0.9 

1

ω/ωc 

Magnitude 

Normalised (ω1 = 1) 1 st order LPF

ωc/ωo = 10

ωc/ωo = 100

Page 32: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland Page 32 

WORKED EXAMPLE 7 Show that the discrete time transfer function is the same when a first order LPF is constructed using series and parallel SC networks. 

SOLUTION Consider the series 1 st order LPF  Network:

φ2 φ1 

CR Vi  Vo C 

Then, from the end of the (n–1)th clock period: 

During φ1: 

Start of φ2: 

Therefore the next output voltage, Vo(n), of the above circuit can be found after the charge in the above circuit has been shared, that is 

Which is the same as in the parallel SC case above, hence 

) 1 ( ) 1 ( ) ( −

+

+ −

+

=  n V C C 

C n V C C 

C n V  o R 

i R 

R o 

Because the difference equations and effective resistance for both SC networks are the same, T/CR, then so must their transfer functions and frequency response characteristics. 

Vi (n­1) 

Vi (n­1) CR 

Vo(n­1) C 

discharged 

CR 

Vo(n­1) C 0 

Vo(n) 

CR  C Vi(n­1) 

Vo(n­1) + _

Page 33: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland  Page 33 

SUMMARY This lesson has introduced the use of VLSI design for analogue circuit applications. The majority of analogue applications fall into the general area of signal processing and therefore the material covered has demonstrated the use of digital technology to construct circuits capable of conditioning analogue signals and/or converting between the analogue/digital domains. 

In terms of circuit construction, the basic building block of analogue circuits is the operational amplifier which itself can be manufactured from bipolar or CMOS technology. In this lesson, only a basic introduction to the design of high gain amplifier circuits and the compensation sub­circuits required to achieve ‘ideal’ characteristics. Interested parties are encouraged to read Allen & Holberg (see the lessons references) which cover the topic in much greater detail. 

Finally, the use of switched capacitor networks to minimize silicon area and improve accuracy has been investigated. Basically, switched storage structures have been used to control current flow, via charge transfer, in order to achieve the desired behaviour, provided that the switching frequency is considerably higher (>10) than the bandwidth required of the circuit in question.

Page 34: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland Page 34

Page 35: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland  Page 35 

SELF­ASSESSMENT QUESTIONS 

QUESTION 1 Show that the output voltage of a switched capacitor Network DAC of section 4.2.1.3 is given by 

Vref C Cc Vo

 2 

and sketch the characteristics of a 3­bit converter. 

QUESTION 2 What modifications are required to convert the bipolar algorithmic DAC of section 4.2.1.5 in order to achieve unipolar operation of 0­Vref volts? 

QUESTION 3 The following circuit shows a single slope ADC converter (ignoring reset and based around the dual slope device of section 4.2.2.3). Sketch its conversion operation and evaluate an expression for its output. 

QUESTION 4 How would you construct a unipolar version (span Vref) of the algorithmic ADC of section 4.2.2.4? Demonstrate your solution by showing 8­bit conversion of 6V assuming the reference voltage is 10V. 

QUESTION 5 Evaluate the effective resistance of the Bilinear SC network of section 4.3.1.3. 

clk 

Counter up

ADCout 

+ _ 

Vin 

0v 

+ _ 

­Vref

Page 36: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland Page 36

Page 37: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland  Page 37 

ANSWERS TO SELF­ASSESSMENT QUESTIONS 

ANSWER 1 From section 4.2.1.3 the network effectively looks like a capacitive potential divider with C1 = CC and C2 = 2C – CC. Thus as the impedance of a capacitor is 1/jωC then

+

+

+

+

+  2 1 

2 1 

2 1 

2 1 

2 1 

2 1 

2 0 

1 1 

1 1 

C C C = 

C C C C 

C = 

C C 

C = 

jωω jωω 

jωω = Z Z 

Z = V V 

ref 

Therefore

− +  C C 

= C C C 

C = 

V V  C 

C C 

ref  2 2 0 

For a n­bit converter then: 

00...00:  CC = 0,  and  V0 = 0 00…01:  CC = C/2 n­1 ,  and  V0 = Vref/2 n­1 

. 11…11:  CC = 2C – C/2 n­1 , and V0 = (1 – 1/2 n )Vref 

Hence for a 3­bit converter the following characteristics will arise: 

000          001           010          011           100          101           110         111 

8­Bit Digital Code 

Vref 

7Vref/8 

3Vref/4 

5Vref/8 

Vref/2 

3Vref/8 

Vref/4 

Vref/8 

V0 

Ideal

Page 38: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland Page 38 

ANSWER 2 The only way to change the output range of an algorithmic DAC is to switch from different reference levels. For a unipolar output of 0 to Vref  volts then, as the output is approximately twice the common input (at the limits of converter operation): 

i)  For 0V out when all bits are low they must connect to 0V ii)  For Vref out when all bits are high they must connect to Vref/2 volts, hence: 

Which can be represented by the equation 

1 0 here w 2 

. 2 

..... . 2 4 . 

2 3 . 

2 2 . 1 ) (  1 

4 3 

3 2 

2 1 

1 + ≤ ≤

+ + + + + = − −

− − − − i 

ref n n  b 

V z bn z b z b z b z b z Vo 

Note that the output of the converter will actually range between 

0 and  ref n  V

− 

2 1 

That is it will fall one LSB short of Vref. This would be acceptable for large bit DAC’s but if precision is required then Vref/2 must be trimmed to 

2 1 2 2  ref n 

n  V

− 

1/2 Σ  Z ­1 Σ  Z ­1

Σ  Z ­1 Σ 

Z ­1 

Vref/2 

b4  b3  b2  b1 

0  V0 1/2 

LSB  MSB 

1/2

Page 39: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland  Page 39 

ANSWER 3 From the circuit provided then the following signals will arise during conversion: 

Inspection of the integrator output shows

=

out 

in ref 

f ADC V 

V RC t 

V  1 δ δ 

which simplifies to

( )  c ref 

in out  f RC 

V V 

ADC

Hence its output is dependant upon the integrator’s slope and the clock frequency. 

Integrator 

Comparator 

And 

Counter 

+Vref/RC 

0 1 

clk counter disabled 

111..11 

000..00 Conversion time 

count stored 

Vin

Page 40: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland Page 40 

ANSWER 4 Note the first comparison, and all there after, requires a MSB value to be set if the input is greater than half the unipolar range, that is Vref/2. This compares with the unipolar structure of the iterative form, shown in section 4.2.2.4, as here the comparator is before the 2­multiplier. 

Hence 

MSB: 6V > 5V therefore MSB =  1  Voltage fed to next stage is  2 * 6V – 10 =  2V Bit 2: 2V < 5V       "  Bit 2 =  0  Voltage fed to next stage is  2 * 2V +  0 =  4V Bit 3: 4V < 5V       "  Bit 3 =  0  Voltage fed to next stage is  2 * 4V +  0 =  8V Bit 4: 8V > 5V       "  Bit 4 =  1  Voltage fed to next stage is  2 * 8V – 10 =  6V Bit 5: 6V > 5V       "  Bit 5 =  1  Voltage fed to next stage is  2 * 6V – 10 =  2V Bit 6: 2V < 5V       "  Bit 6 =  0  Voltage fed to next stage is  2 * 2V +  0 =  4V Bit 7: 4V < 5V       "  Bit 7 =  0  Voltage fed to next stage is  2 * 4V +  0 =  8V LSB: 8V > 5V  "  LSB =  1  End of  Conversion, Result 10011001. 

To check the result, use the formulae:

( ) 8 8 

7 7 

6 6 

5 5 

4 4 

3 3 

2 2 

1 1  2 . 2 . 2 . 2 . 2 . 2 . 2 . 2 . = − − − − − − − − + + + + + + +  b b b b b b b b Vref Vd 

therefore

( )  Volts Vd  977 . 5 = 5977 . 0 10 = 256 1 

128 0 

64 0 

32 1 

16 1 

8 0 

4 0 

2 1 

10 =

+ + + + + + + 

MSB 

Vin 

+  _ 

2 Z ­1 

+  _ 

2 Z ­1 

+  _ 

LSB 

­Vref 

+1  ­1  +1  ­1

Σ Σ

Vref/2 Vref/2 Vref/2

Page 41: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland  Page 41 

ANSWER 5 Therefore, for the above circuit, then (assuming that the voltages are approximately constant over the clock period, T: 

End of φ1 (T/2): ( ) [ ] ( ) out in T/2 0  V V C = t dq − 1 

End of φ2 (T): ( ) [ ] ( ) in out T T/2  V V C = t dq − 1 

Thus the charge change from phase to phase is

( ) [ ] ( ) ( ) ( ) ( ) out in in out out in  V V C V V C V V C = t dq  2 

1 − = − − −  2 1

φ φ 

Since a period covers two such changes then

( ) ( ) out in C out in 

1  V V C f T V V C 

= I − = − 

. 4 4 

and therefore 

fc . C = 

C T R eff  4 

1 4

=

Page 42: ELX304-Topic5-Lesson 4_pr2.pdf

Electronic Systems Design (ELX304)  Lesson 4 – CMOS Analogue design

University of Sunderland Page 42