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Systematischer Entwurf analoger Low-Power Schaltungen in CMOS anhand einer kapazitiven Sensorauslese

Bechen, Benjamin

In der Mikroelektronik sind energiesparende Schaltungen von wachsender Bedeutung, insbesondere für batteriebetriebene Geräte oder passive Transpondersysteme. Während sich mit digitalen Low-Power Schaltungen relativ viele Arbeiten beschäftigt haben, gibt es in der analogen Schaltungstechnik Bedarf an Hilfestellungen für die Entwicklung von analogen Low-Power Schaltungen. Aus diesem Grund ist das Thema dieser Arbeit der systematische Entwurf analoger Schaltungen mit minimalem Leistungsverbrauch. Der systematische Verlauf wird hier am Beispiel einer Ausleseschaltung für monolithisch integrierbare, kapazitive Drucksensoren durchgeführt. Dabei wird die Minimierung der Leistung auf verschiedenen Ebenen untersucht. Die drei Hauptebenen befinden sich in der Technologie, der Schaltungstechnik und der Systemarchitektur, wobei die beiden letzteren den Schwerpunkt dieser Arbeit bilden. Für die Ansatzmöglichkeit in der Technologie wird auf Leckströme, Low-Voltage Tauglichkeit und Technologierobustheit eingegangen. Auf der Ebene der Schaltungstechnik wird die beste Leistungseffizienz am Beispiel eines Tiefpasses erster Ordnung mit einem bestimmten Signal-zu-Rausch Verhältnis SNR für vier verschiedene Schaltungstechniken bestimmt. Die Systemarchitektur wurde am Beispiel ADU (Analog-Digital-Umsetzer) Architektur untersucht. Auch hier wird das theoretische Minimum des Leistungsverbrauchs für ein bestimmtes SNR angegeben. Das theoretische Minimum stellt gleichzeitig das Minimum für die Praxis dar. Auf die Limitierung durch die Paarungsgenauigkeit der Bauelemente wird nicht eingegangen, da diese immer von der Technologie abhängt. Zum besseren Vergleich von ADUs, die in verschiedenen Technologien gefertigt worden sind, wird ein technologieunabhängiges Figure of Merit eingeführt. Dabei wird gezeigt, dass die fortschreitende Technologieskalierung in CMOS hilft, dem theoretischen Minimum näher zu kommen. Die wichtigsten Komponenten für die Realisierung einer kapazitiven Sensorsignalauslese werden vorgestellt, und teilweise einer genaueren Rauschbetrachtung unterzogen. Als Sensorauslese wird zum einen ein einfaches System nach dem Oszillatorprinzip vorgeschlagen. Zum anderen bietet sich eine Kombination aus C/U-Konverter und ADU an. Eine Untersuchung der Leistungseffizienz der Sensorauslese nach dem Oszillatorprinzip zeigt im Vergleich zur Untersuchung der ADUs, dass eine Kombination aus ADU und C/U-Konverter vom Leistungsverbrauch her günstiger ist. Der SAR (Successive Approximation Register) ADU und der zyklische ADU sind als Testchip gefertigt worden, und die sonstigen Komponenten wurden zur Simulation aufgebaut. Der zyklische ADU ist mit einer neuartigen Mismatch-Kompensation versehen worden, welche die Anwendung der Switched-Opamp (SOA) Technik erlaubt, um die Verstärker in einer Phase abzuschalten. Weiterhin wird für den zyklischen ADU eine Architektur vorgeschlagen, die mit einem einzigen Verstärker auskommt. Beim SAR ADU wird eine Architektur vorgeschlagen, welche die Anzahl an Einheitskondensatoren reduziert.

In microelectronics energy efficient circuits are of increasing interest, especially for battery powered devices or passive transponders. While the expertise in the area of digital low-power circuits is well-known, for analog circuit design there is a need for support. Due to this reason, the present work deals with the systematic development of analog circuits dissipating minimal power. The systematic approach is given by the example of a sensor readout circuit for a monolithic integrated, capacitive pressure sensor. For this reason the minimization of the power consumption is investigated at several abstraction levels. The three main abstraction levels are the technology, the circuit technique, and the system architecture, whereas this work focuses on the last two abstraction levels. At technology level the leakage currents, the suitability for low-voltage and the technology robustness can be investigated. The best power efficiency at the abstraction level circuit technique is determined for the example of a first order low pass, which has to provide a certain signal-to-noise ratio SNR. This is performed for four different circuit techniques. The system architecture is examined for the example of ADC (analog-to-digital converter) architectures. Again, the theoretical minimum of the power consumption for a given SNR is determined. This theoretical minimum also provides the practical limit. The limitation due to matching of the components is not considered here, because the matching always depends on the used technology. For a better comparison of ADCs processed in different technologies, a technology independent figure of merit is introduced. There it is shown that the proceeding technology downscaling in CMOS helps to approach the theoretical minimum. The essential components for the realization of a signal readout for a capacitive sensor are presented and partially a more precise noise analysis is carried out. As a sensor readout on the one hand a basic system using the oscillating principle is proposed. On the other hand, a combination of a capacitance-to-voltage (C/V) converter and an ADC is developed. A comparison of the power efficiency shows that the combination of a C/V-converter and an ADC is superior to the sensor readout according the oscillator principle. A SAR (successive approximation register) ADC and a cyclic ADC have been fabricated as a testchip, and the remaining components were simulated. The cyclic ADC utilizes a new mismatch compensation technique, which allows the use of the switched-opamp (SOA) technique in order to turn off the amplifiers in one phase. Furthermore, for the cyclic ADC an architecture with only one amplifier necessary is proposed. For the SAR ADC an architecture with a reduced number of unity capacitors is given.

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Bechen, Benjamin: Systematischer Entwurf analoger Low-Power Schaltungen in CMOS anhand einer kapazitiven Sensorauslese. 2008.

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