An 8-Bit Three-Comparator SAR ADC With Back- ground Comparator Swapping Offset Calibration Using MUX-delay Exclusion and LSB Averaging

Abstract

This dissertation presents an 8-bit 600-MS/s three-comparator SAR ADC with a background comparator swapping offset calibration method. The proposed SAR ADC employs three comparators, which increase the conversion speed by excluding the comparator reset time from the decision loop. The proposed comparator swapping offset calibration method, which alternates the roles of the comparators, calibrates the offset mismatch between comparators based on LSB conversion, achieving rapid offset con- vergence and input signal independence. Furthermore, the proposed method eliminates the need for an additional calibration phase or an extra reference comparator. The additional delay introduced by the com- parator swapping mechanism is excluded from the conversion loop by the proposed MUX-delay exclusion technique. Finally, an LSB averaging technique is introduced, which reuses calibration data to reduce com- parator noise and mitigate the input parasitic capacitance of the three-comparator structure without addi- tional decisions or sizing overhead. Fabricated in a 28-nm CMOS LP process, the prototype ADC occupies 0.0024 mm² and consumes 1.07 mW from a 1.0-V supply. Measurement results demonstrate an SNDR of 44.67 dB and an SFDR of 59.58 dB, achieving a Walden FoM of 12.8 fJ/conversion-step. PhD/EC 20184023|본 논문은 백그라운드 비교기 스와핑 오프셋 교정 방법을 적용한 8 비트 600-MS/s 3-비교기 SAR ADC 를 제안한다. 제안하는 SAR ADC 는 세 개의 비교기를 사용하여 비교기 리셋 시간을 결정 루프에서 제외함으로써 변환 속도를 향상시킨다. 제안하는 비교기 스와핑 오프셋 교정 방법은 비교기들의 역할을 교대로 전환하여 LSB 변환을 기반으로 비교기 간 오프셋 불일치를 교정하며, 빠른 오프셋 수렴과 입력 신호 독립성을 달성한다. 또한, 별도의 교정 단계나 추가적인 기준 비교기가 필요하지 않다. 비교기 스와핑 메커니즘으로 인해 발 생하는 추가 지연은 제안하는 MUX 지연 제거 기법을 통해 변환 루프에서 제외된다. 마지 막으로, LSB 평균화 기법을 도입하여 교정 데이터를 재활용함으로써 추가적인 변환 횟수나 면적 오버헤드 없이 비교기 노이즈를 감소시키고 3-비교기 구조의 입력 기생 커패시턴스를 완화한다. 28-nm CMOS LP 공정으로 제작된 프로토타입 ADC 는 0.0024 mm²의 면적을 차지하 며 1.0-V 전원에서 1.07 mW 를 소비한다. 측정 결과, SNDR 및 SFDR 은 각각 44.67 dB 및 59.58 dB 를 달성하였으며, Walden 성능 지수 12.8 fJ/conversion-step 을 기록하였다. PhD/EC 20184023