Design of a 10 bit quantizer for a 800 MHz/2 Gsps time-interleaving VCO-based A/D converter in 28nm CMOS technology

This thesis presents a 10-bit resolution and 800 MHz bandwidth Analog-to-Digital Converter based on a Voltage-Controlled Oscillator, with a sample rate of 2 GHz. Featuring a 16x Time-Interleaved structure, it is a highly digital time-based data converter and, thanks to this, fully compatible with technology scaling. This work has been carried on with a Matlab model development of the complete 16x Time-Interleaved system and with the design, together with physical implementations in 28nm CMOS technology node, of the core of each sub-ADC channel, i.e. the design of critical blocks (such as Ring Oscillator and digital elements) defining ultimate resolution for the complete Analog-to-Digital converter. With an area of 0.0015mm2, the single physically implemented core provides a VCO tuning range of 9.3 GHz, which corresponds to a maximum obtainable resolution for the global converter of 10.07 bits. The average power consumption for the single core is less than 500uW.

Questo lavoro di tesi presenta un convertitore Analogico/Digitale ad alta risoluzione (10 bit) e a banda larga (800 MHz), basato su un oscillatore controllato in tensione e con una frequenza di clock di 2 GHz. Si tratta di un convertitore time-based con una struttura Time-Interleaved a 16 canali, principalmente composto da elementi digitali e, per questo, caratterizzato da performance che beneficiano del technology scaling. Questo convertitore è presentato e studiato, nella sua versione completa 16x, con un modello sviluppato in Matlab, mentre il core di ogni canale (cioè l'insieme dei blocchi critici che definiscono la risoluzione massima ottenibile, come il Ring Oscillator e altri blocchi digitali) è stato progettato e implementato in tecnologia 28nm CMOS. L'area finale ottenuta per il singolo core è 0.0015mm2, con un tuning range del VCO di 9.3 GHz che si traduce in una risoluzione ultima per l'intero convertitore di 10.07 bit. La potenza dissipata dal core è, in media, minore di 500uW.