Studio dell'architettura e modellizzazione di un ADC Pipeline a 16 bit e 125 MS/s per applicazioni ultrasound

Medical ultrasound imaging systems require high-performance ADCs, characterized by high resolution and high sampling frequency, to accurately digitize the received echo signals while preserving image quality. In this context, this thesis focuses on the implementation of the ideal model of a 16 bit, 125MS/s pipeline ADC for cart-based ultrasound imaging systems. After introducing the block diagram of the ecographic system, the focus is on the receiving chain, with particular attention to the ADC and its design specifications. Different ADC architectures are then compared to identify the best solution to optimize the tradeoff between resolution and conversion speed, leading to the choice of the pipeline ADC. The fundamentals principles of pipeline ADCs are then studied, for example stage resolution, latency, throughtput and redundancy. Redundancy is explored in depth as it enables the implementation of the digital error correction, allowing the converter to tollerate circuit non idealities while maintaining conversion accuracy. The core of the thesis consists in the modeling of the ADC, where the main functional blocks such as the sub-ADC flash, the MDAC, the shift register and the digital correction logic block are individually analyzed. Cadence-Siemens simulations are used to verify both the correct operation of each block and the functionality of the complete converter. Finally, a preliminary implementation of the operational amplifier within the MDAC is proposed using a folded cascode OTA with gain boosting, validating its suitability for meeting the target requirements. The availability of a complete and fully functional ideal model makes it possible to validate the converter architecture before addressing circuit non idealities, thus providing a solid basis for the subsequent designs steps.

I sistemi di imaging ecografico medicale richiedono convertitori analogico-digitali (ADC) ad alte prestazioni, caratterizzati da elevata risoluzione e alta frequenza di campionamento, per digitalizzare accuratamente i segnali di eco ricevuti preservando, al contempo, la qualità dell'immagine. In questo contesto, la presente tesi si concentra sull'implementazione del modello ideale di un ADC pipeline a 16 bit e 125 MS/s per sistemi di imaging ecografico su carrello. Dopo aver introdotto lo schema a blocchi del sistema ecografico, l'attenzione si sposta sulla catena di ricezione, con particolare attenzione all'ADC e alle sue specifiche di progettazione. Vengono quindi confrontate diverse architetture di ADC per identificare la soluzione migliore per ottimizzare il compromesso tra risoluzione e velocità di conversione, giungendo alla scelta dell'ADC pipeline. Vengono quindi studiati i principi fondamentali degli ADC pipeline, tra cui la risoluzione dello stadio, la latenza, il throughput e la ridondanza. La ridondanza viene esplorata nel dettaglio in quanto consente l'implementazione della correzione digitale degli errori, permettendo al convertitore di tollerare le non idealità del circuito mantenendo l'accuratezza della conversione. Il nucleo della tesi consiste nella modellazione dell'ADC, dove i principali blocchi funzionali, come il sub-ADC flash, l'MDAC, lo shift register e il blocco deputato alla correzione digitale, vengono analizzati individualmente. Le simulazioni Cadence-Siemens vengono utilizzate per verificare sia il corretto funzionamento di ciascun blocco sia la funzionalità dell'intero convertitore. Infine, viene proposta un'implementazione preliminare dell'amplificatore operazionale all'interno dell'MDAC utilizzando un OTA folded cascode con gain boosting, dimostrandone l'idoneità a soddisfare i requisiti target. La disponibilità di un modello ideale completo e pienamente funzionale consente di validare l'architettura del convertitore prima di affrontare le non idealità del circuito, fornendo così una solida base per le successive fasi di progettazione.