[论文解读] A Multi-Gigahertz Analog Transient Recorder Integrated Circuit

Stuart Kleinfelder|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2015

Analog and Mixed-Signal Circuit Design参考文献 12被引用 8

一句话总结

本论文展示了一款采用1.2 µm CMOS工艺制造的单片式四通道、多吉赫兹模拟瞬态记录器集成电路，利用开关电容采样保持电路和高速、基于延迟线的写入时钟，实现了5 GHz采样率、350 MHz带宽、0.7 ps均方根孔径不确定性以及2000:1的信噪比。该设计采用512抽头边缘敏感有源延迟线，结合前瞻逻辑与16路交错技术，生成3.2 ns宽、间隔200 ps的采样时钟，实现对瞬态信号的精确捕获。

ABSTRACT

A monolithic multi-channel analog transient recorder, implemented using switched capacitor sample-and-hold circuits and a high-speed analogically-adjustable delay-line-based write clock, has been designed, fabricated and tested. The 2.1 by 6.9 mm layout, in 1.2 micron CMOS, includes over 31,000 transistors and 2048 double polysilicon capacitors. The circuit contains four parallel channels, each with a 512 deep switched-capacitor sample-and-hold system. A 512 deep edge sensitive tapped active delay line uses look-ahead and 16 way interleaving to develop the 512 sample and hold clocks, each as little as 3.2 ns wide and 200 ps apart. Measurements of the device have demonstrated 5 GHz maximum sample rate, at least 350 MHz bandwidth, an extrapolated rms aperture uncertainty per sample of 0.7 ps, and a signal to rms noise ratio of 2000:1.

研究动机与目标

• 开发一种高带宽、低抖动的模拟瞬态记录器，用于在科学与工业应用中捕获快速电瞬态信号。
• 通过集成模拟延迟线实现亚吉赫兹采样率，并具备精确的定时控制。
• 通过先进的时钟生成技术与开关电容技术，最大限度降低高速采样系统中的孔径不确定性和噪声。
• 在紧凑的2.1 × 6.9 mm版图中，实现完全单片化、多通道解决方案，包含31,000个晶体管与2048个电容。
• 在真实硅片实现中验证采样率、带宽与信噪比等性能指标。

提出的方法

• 系统采用四个并行通道，每个通道配备512抽头的开关电容采样保持阵列，实现高分辨率瞬态捕获。
• 512抽头边缘敏感抽头有源延迟线生成采样时钟，通过16路交错实现精细的定时分辨率。
• 采用前瞻逻辑以减少延迟线中的传播延迟，并改善时钟偏移控制。
• 写入时钟信号宽度为3.2 ns，间隔200 ps，理论上可实现5 GHz采样率。
• 该设计采用1.2 µm CMOS工艺实现，包含2048个双多晶硅电容与31,000多个晶体管，芯片尺寸为2.1 × 6.9 mm。
• 通过模拟控制延迟线，可对采样时刻进行精细调节，以实现最优瞬态捕获。

实验结果

研究问题

• RQ1 单片式模拟瞬态记录器能否在CMOS工艺下实现超过5 GHz的采样率？
• RQ2 在完全集成的多通道瞬态记录系统中，可实现的带宽与信噪比是多少？
• RQ3 如何通过模拟延迟线最小化高速采样电路中的孔径不确定性？
• RQ4 带有前瞻逻辑的交错延迟线在多大程度上可减少采样时钟的定时抖动？
• RQ5 紧凑型多通道开关电容系统能否在瞬态信号采集中保持高保真度？

主要发现

• 所制造的集成电路实测最大采样率达到5 GHz，验证无误。
• 系统表现出最低350 MHz的带宽，适用于高带宽瞬态信号。
• 外推得到的每样本均方根孔径不确定性为0.7 ps，表明具有极高的定时精度。
• 信噪比达到2000:1，证实其具备优异的动态范围与低噪声性能。
• 512抽头延迟线生成了3.2 ns宽、间隔200 ps的时钟信号，支持精确的高速采样。
• 该器件成功在2.1 × 6.9 mm芯片上实现并测试，采用1.2 µm CMOS工艺，包含31,000个晶体管与2048个电容。