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Matsuzawa & Okada Lab. . Matsuzawa & Okada Lab. . 2011/09/13 低電圧動作にむけたMOM容量を用いた 比較器のオフセット補償 ◎真野息吹, 宮原正也, 松澤昭 東京工業大学大学院理工学研究科

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低電圧動作にむけたMOM容量を用いた比較器のオフセット補償

◎真野息吹, 宮原正也, 松澤昭

東京工業大学大学院理工学研究科

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発表内容

• 研究背景

• Flash型 A/D変換器と比較器の構成

• 容量型オフセット補償

• シミュレーション結果

• まとめ

2012/09/13

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研究背景

• CMOSプロセスの微細化の進展

• ポータブル機器の省電力化の要求

MOM容量を用いた比較器のオフセット補償を検討

UWB等の高速無線通信をターゲットとした、

0.5V 7bit Flash型A/D変換器(Flash ADC)を開発

低電圧電源で動作するA/D変換器(ADC)が必要

Flash ADCの変換精度は、比較器のオフセットによって劣化する。

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Flash型 A/D変換器

• 高速変換

• 低分解能

• 比較器のオフセットが変換精度に影響

ENOB vs. offset @VDD=0.5V 7bit

S/H

S/H

2N-1

2N-2

S/H

S/H

1

2

Reference ladder

Vinp

Vrefp

Vrefm

Vinm

Nbits E

ncoder

N Dout

ENOBを6.5bit以上とするためには、σ<2.2mVが必要

5.5

6

6.5

7

0 1 2 3 4 5 6 EN

OB

[bit

]

OFFSET σ[mV]

0.5Vで有効に動作するオフセット補償が求められる。

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比較器の構造

2012/08/07 I.Mano, Tokyo Tech

ダブルテールラッチ型[1]

[1]Masaya Miyahara,A-SSCC,pp.269-22,Nov.2008

if Vinp>Vinm

• 初段のダイナミックアンプと

後段のラッチで構成。

• Trのスタック数が少ないため

低電圧動作に向いている。

Voutp Voutm

CLK

M1

M2

M3

M4

M5

M6

M7

M8

Vinp Vinm

1stOutp 1stOutm

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容量型オフセット補償

2012/09/13 I.Mano, Tokyo Tech

初段の出力に可変容量

CCALを追加することにより、

スルーレートを調整し、

オフセットをキャンセルする。

容量型オフセット補償の適用によって

• 消費電力が 増加

• 遅延時間が 増加

CCALをなるべく小さくする必要がある。

[2] D. Paik, et al., IEICE TRANS, pp.456-470, Feb.2012.

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容量型オフセット補償の補償幅

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Veff : 入力差動対の有効ゲート電圧

Cp : 初段出力の寄生容量

補償可能幅ΔV (入力換算)[2]

容量

可変幅

中心値

CCAL vs. calibration code

[3] G. Van der Plas, et al., IEEE ISSCC,pp.566-567, Feb.2006.

• ΔVの上限は、Veff と容量変化率ΔC/Cにより決まる。

• Cp/CによってΔVが減少する。

電源電圧の減少によってVeffが減少 (Veff = 91mV @ VDD=0.5V)

ΔV = 18mVを得るためには ΔC/C>0.4 が必要

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可変容量( MOS バラクタ)

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従来手法

MOS バラクタ

容量密度が高い

(3.46 fF/μm2) 最小容量が小さい

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.3 0.6 0.9 1.2

ΔC

/C

電源電圧VDD[V]

容量変化率が小さい

(VDD=0.5V ΔC/C=0.24)

ΔVMAX = 11mV

MOSバラクタでは、必要な補償幅を得ることができない。

@Veff=91mV

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可変容量(MOM容量)

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提案手法

MOM容量

容量密度が小さい

(0.84 fF/μm2) 容量変化率が大きい

(VDD=0.5V ΔC/C=1.14)

ΔVMAX = 52mV @Veff=91mV

最小容量が小さい

バイナリで重みづけした、配線間容量(MOM容量)と MOS switchで構成

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可変容量の比較

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補償範囲と必要な容量の関係

VDD=0.5V Veff = 91mV

MOM容量の利用により、

C/Cpを0.52と、小さく設定することが可能。

消費電力や変換時間の増加を抑えることが期待される。

0

2

4

6

8

10

0 5 10 15 20

C/Cp

ΔV [mV]

MOSバラクタ

MOM容量

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シミュレーション結果

w/o CAL

TIMING

CAL

[4]

C CAL

MOM

capacitor

C [fF] ―― ―― 16

σoffset [mV] 6.34 2.87 1.45

Area[μm2] 100 220 210

Delay[ps] 460 516 593

Power

@100MHz[μW] 3.6 6.3 4.8

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CMOS 90nm

with FBB

5bit calibration

VDD = 0.5V

VDD=0.5Vにて、MOM容量を用いた容量型補償を比較器に適用し、特性をシミュレーションによって確認

[4]Masaya Miyahara,

A-SSCC, 6-5,

pp 177-180,

Nov.2010

MOM容量を用いた容量型キャリブレーションによって、

オフセットのばらつきをσ=1.45mV に抑制。(ENOB 6.75bit相当)

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まとめ

• 容量オフセット補償において、

補償可能幅 ΔV=18mV を得るためには、ΔC/C>0.4

となる可変容量が必要となることを示した。

• MOSバラクタ : ΔC/C=0.24

MOM容量 : ΔC/C=1.14

MOM容量を用いることにより、オフセット補償範囲幅の改善と消費電力の削減が期待される。

• MOM容量を用いた容量型オフセット補償によって、

比較器のオフセットをσ=1.45mV に抑えることが可能であることを、シミュレーションによって確認した。

2012/09/13

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ご清聴ありがとうございました。

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