EO_452

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ANALOG/MIXED SIGNAL SAR ADC
32 - ELETTRONICA OGGI 452 - MARZO 2016
Questo microcircuito si caratterizza per la risoluzione
a 13 bit e la velocità di 6,4 MS/s ma soprattutto perché incor-
pora uno schema di rilevamento e correzione errori che con-
sente di ottenere la massima precisione senza penalizzare le
prestazioni e il consumo. Fabbricato con processo CMOS in
geometria di riga da 40 nm il convertitore può essere alimenta-
to con 1 solo Volt e consumare appena 46 µW pur garantendo
un SNDR (Signal-to-Noise and Distortion Ratio) di 64,1 dB. Lo
schema di correzione è introdotto nella retroazione con il DAC
che normalmente serve a reiterare il confronto tante volte quanti
sono i bit di risoluzione desiderati e rappresenta un’importante
innovazione perché ha un’impostazione circuitale molto
semplice che consente di ottenere in 15 confronti la risoluzione
di 13 bit insieme al consumo ultra basso, il che costituisce un
successo perché finora è stato ben difficile superare una decina
di bit di risoluzione senza utilizzare un circuito di calibrazione
con consumo tipico superiore al mW. In pratica, il Redundancy-
Facilitated Error-Detection and Correction Scheme effettua una
retroazione ridondante che serve a calibrare automaticamente
il DAC sul valore ottimale per ogni confronto e a far lavorare il
comparatore (che esegue i confronti) in modalità Low-Power
per i primi dieci cicli di confronto che abbattono la Differential
Non-Linearity (DNL) iniziale e poi in modalità High-Precision per
altri cinque cicli che eliminano la Integral Non-Linearity (INL) in
modo tale da ottenere dopo 15 cicli la completa conversione con
risoluzione di 13 bit. Con quest’approccio l’ADC offre un ENOB
(Effective Number of Bit) di 10,4 bit e un’efficienza di conversione
di 5,5 fJ. A Imec si trovano già due ADC SAR caratterizzati per le
applicazioni Ultra-Low Power e proposti agli OEM che vogliono
sviluppare e realizzare nuovi prodotti per IoT.Pensato per i moduli
radio Ultra-Wide Band c’è un ADC SAR con 16 canali in divisione
di tempo tutti con risoluzione di 5 bit e velocità che può essere
impostata a 0,5 GS/s se si vuole limitare l’alimentazione a 0,75V
e contenere il consumo a 0,47 mW e l’efficienza di conversione
a 36 fJ mentre se si alza l’alimentazione a 1 V allora la velocità di
conversione sale a 1 GS/s, il consumo a 1,6 mW e l’efficienza a
57 fJ. Nelle due configurazioni l’ENOB è rispettivamente pari a
4,7 e 4,8 bit mentre per entrambe la massima non linearità DNL/
INL riscontrabile è inferiore a 0,1 LSB. Con un processo CMOS in
geometria di riga da 90 nm l’area occupata sul silicio è di 0,11
mm2 ed è contenuta in un package Qfn56.
Più versatile è il Flex (o Flexible) ADC SAR nel quale si può con-
figurare sia la risoluzione da 7 fino a 10 bit sia la velocità di con-
versione da 0 fino a 8 MS/s. Non solo ma anche la tensione di
alimentazione di 1 V può essere scesa a 0,7V pur garantendo
una velocità di conversione massima di 2 MS/s. Ovviamente con
la risoluzione cambiano i consumi che a 7 bit sono di 1,61 µW a
0,7V e 13,39 µW a 1V mentre per le stesse due tensioni salgono
rispettivamente a 1,77 e 14,9 µW a 8 bit, a 2,72 e 22,83 µW a 9
bit e a 3,56 e 29,65 µW a 10 bit. Cambiano anche l’efficienza di
conversione e l’ENOB che considerando solo l’alimentazione di
1 V valgono rispettivamente 13,4 fJ e 6,97 bit a 7 bit, 7,7 fJ e 7,89
bit a 8 bit, 7,0 fJ e 8,78 bit a 9 bit e 5,5 fJ e 9,39 bit a 10 bit. Con
geometria di processo Cmos di 90 nm questo ADC occupa 0,047
mm2 ed è contenuto in package Qfn56. Quest’elevata flessibilità è
stata decisa per permetterne l’uso in un ampio range si applica-
zioni a consumo ultra basso come le reti a corto raggio di sensori
alimentati da energy harvester per uso medicale o sportivo op-
pure le reti wireless per la domotica.
Verso gli oggetti IoT intuitivi
Questi ADC fanno parte di una famiglia di moduli a consumo ultra
basso progettati in seno all’Imec fra cui troviamo un trasmettitore
radio per la banda ISM a 2,4 GHz con velocità di 1 Mbps e con-
sumo massimo di 2,5 mW in trasmissione e da 0,9 a 1,2 mW in
ricezione, un modulo per le comunicazioni a corto raggio Ultra-
Wide Band con banda da 6 a 9 GHz, velocità scalabile da 110
kbps a 27 Mbps e consumo di 3,5 mW in trasmissione e 9 mW
in ricezione e, infine, una Event Driven Radio con transceiver a
900 MHz per il controllo remoto dei dispositivi nelle reti wireless
a corto raggio con velocità di 100 kbps e consumo massimo di
150 µW. Questi moduli ULP sono i mattoni fondamentali per le
applicazioni IoT e perciò l’Imec e l’Holst Centre hanno avviato
quest’estate un ambizioso programma di ricerca per sviluppare
i building block degli oggetti Intuitive Internet-of-Things, o IIoT,
I2oT oppure I2oT. L’obiettivo è fare in modo che le reti a corto
raggio di sensori possano configurarsi automaticamente anche
se ai loro nodi ci sono dispositivi di diverso tipo sollevando gli
utenti da ogni preoccupazione. Ciò è particolarmente importante
quando si tratta di sensori medicali da applicare sui pazienti ma
è un valore altrettanto importante per gli I2oT per lo sport o per
la domotica.
Fig. 4 – Nel Flex ADC SAR Imec consente di configurare la risoluzione a 7,
8, 9 o 10 bit e la velocità da 0 a 8 MS/s per ottenere consumi ultra bassi
che vanno da un massimo di 29,65 µW a un minimo di 1,61 µW
Fig. 3 – Occupa 0,11 mm2 l’ADC SAR pensato da Imec per le radio UWB
e offre 16 canali con risoluzione di 5 bit e velocità selezionabile a 0,5
oppure a 1 GS/s