Design of high-performance delta-sigma time-to-digital converter

Abstract

최근 CMOS 공정이 발달함에 따라서 공금전압은 낮아지고 있는 반면 디지털 회로의 switching speed는 증가하고 전력 소모는 감소하고 있다. 그러나 아날로그 회로는 공정 발달에 의하여 트랜지스터의 intrinsic gain 감소하고 있을뿐만 아니라 낮아진 공급 전압으로 인하여 낮은 voltage headroom 문제가 발생하게 되어, 고성능 아날로그 회로의 설계는 점점 더 어려워 지고 있다. 따라서 최근에는 기존 analog-intensive한 신호처리 회로 대신 Digital-intensive한 혼성신호 회로에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그 중에 한 분야로 Time-domain 신호처리 기술이 각광을 받고 있다. 이는 기존의 voltage-domain 신호처리와는 달리 time-domain에서 신호를 정의 및 연산하는 방법으로서 기존의 디지털 회로와 유사성을 갖고 있다. 다시 말해, time-domain 신호는 아날로그 정보를 표현 하지만, 형태는 디지털 (VDD or GND) 인 특징이 있다. 따라서 아날로그 신호처리를 logic gate를 기반으로 구현될 수 있으므로, time-domain 신호처리 기술은 미래 CMOS 공정에 매우 적합한 신호처리 방식이 될 수 있다.

Time-to-Digital Converter (TDC)는 time-domain 신호처리의 대표적인 회로이며 시간 정보를 양자화 하는 역할을 하는 회로이다. 기존 Voltage-domain 신호처리 방식에서의 Analog-to-Digital Converter (ADC)와 개념적으로 동일한 것이며, 입력 신호가 전압이 아닌 시간이라는 차이점이 있다. 기존의 TDC연구는 ADC의 구조를 모방하는 연구에 집중 되어 왔으며, 이러한 TDC들은 ADC와 마찬가지로 Nyquist-rate TDC 및 Delta-Sigma TDC로 그 종류를 구분할 수 있다. 하지만 현재 대부분의 TDC연구는 빠른 변환속도를 갖는 Nyquist-rate TDC 개발에 연구가 집중되어 온 반면, 고 해상도 및 넓은 동적 범위를 제공할 수 있는 Delta-Sigma TDC에 관한 연구가 미약한 상황이다. Delta-Sigma TDC는 양자화 잡음을 noise-shaping시킴으로써 Nyquist-rate TDC보다 높은 해상도와 넓은 dynamic range를 제공할 수 있는 장점이 있습니다. 따라서 본 연구에서는 고성능 TDC설계를 위하여 고차 Delta-Sigma TDC에 관한 연구를 진행하였으며 MASH구조를 이용한 2차 Delta-Sigma TDC와 single-loop 구조를 이용한 4차 Delta-Sigma TDC를 설계하였다. 또한 개발된 TDC들이 외부 환경 요인 (온도, 전압)에 의하여 그 동작 특성이 쉽게 바뀔수 있는 점을 보정하기 위한 background calibration 회로를 개발하였다. 본 박사과정 연구에서의 연구 결과는 아래와 같이 요약할 수 있다.

1) MASH TDC: MASH TDC란 1차 Delta-Sigma TDC 들을 cascade하여 고차 Delta-Sigma TDC를 구현하는 방법이다. 그러나 기존 MASH TDC들은 stage간 mismatch로 인하여 고성능TDC를 설계하는데 어려움이 있었다. 따라서 기존의 연구는 mismatch영향을 최소화하기 위한 복잡한 디지털 보상회로를 설계하는데 집중되었다. 본 연구에서는 gated switched-ring oscillator (GSRO) 라는 회로를 개발하였으며, 이를 MASH구조에 적용하여 추가적인 디지털 보상회로가 없이 mismatch 영향을 최소화하는 방법에 관하여 연구하였다.

2) Single-loop TDC: MASH구조는 차수가 높아질수록, stage수가 증가하며 이에 따라 전력소모 및 시스템복잡도 또한 증가하는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 single-loop Delta-Sigma TDC 구조에 관한 연구를 실시하였다. 제안된 구조를 완성하기 위하여 time-domain 아날로그 신호를 처리할 수 있는 time-domain 아날로그 필터 설계에 관한 연구를 진행하였다. 또한 이를 구현하기 위하여, 시간 신호를 처리할 수 있는 시간 저장기, 덧셈기에 관한 연구도 진행하였다. 그 결과, time-domain 아날로그 필터를 기반으로 하는 고차 single-loop Delta-Sigma TDC를 설계할 수 있었다. 측정결과, 기존의 발표된 어떠한 Delta-Sigma TDC와 비교해 봐도 에너지 변환효율이 가장 우수한 TDC를 설계 할 수 있었다.

3) Temperature-independent Delta-Sigma TDC: 온도 변화에 둔감하게 동작할 수 있는 TDC설계에 관한 연구를 진행하였다. 기존에 개발된 TDC들은 그 동작 특성이 환경변화에 민감하게 변하는 큰 단점이 존재한다. 본 연구에서는, 환경변화에 둔감하게 동작할 수 있도록 real-time background calibration회로를 개발하여 Delta-Sigma TDC에 적용하였다. 측정결과, 온도/전압 변화에 매우 둔감하게 동작하는 것을 확인할 수 있었다.