[논문 리뷰] Calibrating Control-Bounded ADCs

Hampus Malmberg, Till Mettler외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 12.

Analog and Mixed-Signal Circuit Design인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 제어 제한형 아날로그-디지털 컨버터(CBADC)의 성능 저하를 줄이기 위해 디지털 추정 필터 校정 방법을 제안한다. 아날로그 프론트엔드 구성 요소의 변동으로 인한 성능 저하를 보완하기 위해, 재귀적 최소 제곱법(RLS)을 사용해 디지털 추정 필터를 校정함으로써, 렙프로프 프론트엔드의 행동 모의 및 트랜지스터 수준 모의에서 근사 명목 성능을 복원한다. 캘리브레이션 후 80.4 dB SNDR를 달성하였으며, 캘리브레이션 전에는 58.3 dB SNDR를 기록하였다.

ABSTRACT

The paper considers the calibration of control-bounded analog-to-digital converters. It is demonstrated that variations of the analog frontend can be addressed by calibrating the digital estimation filter. In simulations (both behavioral and transistor level) of a leapfrog analog frontend, the proposed calibration method restores essentially the nominal performance. Moreover, with digital-filter calibration in mind, the paper reformulates the design problem of control-bounded converters and thereby clarifies the role of sampling, desired filter shape, and nominal conversion error.

연구 동기 및 목표

• CBADC의 아날로그 프론트엔드 구성 요소의 변동에 대한 민감도를 해결하기 위해.
• 디지털 추정 필터 캘리브레이션을 통해 이러한 변동을 보완할 수 있음을 보여주기 위해.
• 제어 제한형 컨버터의 설계 문제를 재구성하여 샘플링, 필터 형상, 명목 오차의 역할을 명확히 하기 위해.
• 행동 모의 및 트랜지스터 수준 모의를 통한 검증을 통해 캘리브레이션 방법을 검증하기 위해.
• 캘리브레이션을 통해 아날로그 설계와 디지털 추정을 분리하여 강건한 성능을 달성할 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 캘리브레이션 오차 ec[k]를 최소화하기 위해 재귀적 최소 제곱법(RLS)을 사용해 디지털 추정 필터 계수 hℓ를 캘리브레이션한다.
• 추정된 신호 전달 함수와 실제 신호 전달 함수 간 오차를 최소화하는 필터 계수 hℓ를 캘리브레이션 대상으로 삼는다.
• 시스템을 자극하고 필터 응답을 추정할 수 있도록 알려진 자극으로서의 참조 신호 s0[k] ∈ {±1}을 사용한다.
• 임펄스 응답 ˜gu(t)를 통해 노이즈 전달 함수(NTF)와 신호 전달 함수(STF) 간의 관계를 활용한다.
• 제어 신호 sℓ[k]의 이산 시간 컨볼루션에 캘리브레이션을 적용하여, gℓ(t)의 변동을 보완하기 위해 hℓ를 조정한다.
• 디지털 추정기에서 샘플링을 강제함으로써, CBADC를 연속 시간 필터 설계 과제로 재구성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디지털 필터 캘리브레이션은 CBADC의 아날로그 프론트엔드 변동을 효과적으로 보완할 수 있는가?
• RQ2 구성 요소 불일치가 존재하는 조건에서 캘리브레이션 방법은 신호 대 잡음 및 왜곡 비율(SNDR)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 샘플링과 참조 신호 s0[k]는 디지털 추정기의 캘리브레이션을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 고정된 參考 필터와 비교할 때, 제안된 캘리브레이션 방법의 성능은 어떻게 다른가?
• RQ5 트랜지스터 수준 구현에서 캘리브레이션은 명목 성능을 얼마나 복원할 수 있는가?

주요 결과

• 캘리브레이션된 디지털 필터는 렙프로프 프론트엔드의 행동 모의에서 근사 명목 수준의 성능을 복원한다.
• 트랜지스터 수준 모의에서 캘리브레이션된 필터는 80.4 dB SNDR를 달성하였으며, 캘리브레이션되지 않은 필터는 58.3 dB SNDR를 기록하였다.
• RLS 기반 적응을 통해 캘리브레이션 오차 ec[k]를 임의로 작게 만들 수 있다.
• 이 방법은 아날로그 재조정이 필요 없이 구성 요소의 변동을 성공적으로 보완한다.
• 캘리브레이션 과정을 통해 아날로그 프론트엔드 설계와 디지털 추정을 분리하여, 공정 컬럼 전역에서 강건한 성능을 달성할 수 있다.
• 모의 결과는 디지털 추정기가 필터 캘리브레이션을 통해 아날로그 프론트엔드의 변동을 효과적으로 보완할 수 있음을 확인한다.