• Journal of Semiconductor Engineering
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• 제2권1호
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• pp.99-108
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• 2021

Successive Approximation Register (SAR) Analog-to-Digital Converters (ADC) seem to become the hottest ADC architecture during the past decade in implementing energy-efficient high performance ADCs. In this overview, we will review what kind of circuit techniques and architectural advances have contributed to place the SAR ADC architecture at its current position, beginning from a single SAR ADC and moving to various hybrid architectures. At the end of this overview, a recently reported compact and high-speed SAR-Flash ADC is introduced as one design example of SAR-based hybrid ADC architecture.

• 전자공학회논문지
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• 제53권7호
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• pp.17-26
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• 2016

본 논문에서는 무선 통신 시스템 및 휴대용 비디오 처리 시스템과 같은 다양한 시스템 반도체 응용을 위한 12비트 60MS/s 0.18um CMOS Flash-SAR ADC를 제안한다. 제안하는 Flash-SAR ADC는 고속으로 동작하는 flash ADC의 장점을 이용하여 우선 상위 4비트를 결정한 후, 적은 전력 소모를 갖는 SAR ADC의 장점을 이용하여 하위 9비트를 결정함으로써 해상도가 증가함에 따라 동작 속도가 제한이 되는 전형적인 SAR ADC의 문제를 줄였다. 제안하는 ADC는 전형적인 Flash-SAR ADC에서 고속 동작 시 제한이 되는 입력 단 트랙-앤-홀드 회로를 사용하지 않는 대신 SAR ADC의 C-R DAC를 단일 샘플링-네트워크로 사용하여 입력 샘플링 부정합 문제를 제거하였다. 한편, flash ADC에는 인터폴레이션 기법을 적용하여 사용되는 프리앰프의 수를 절반 수준으로 줄이는 동시에 SAR 동작 시 flash ADC에서 불필요하게 소모되는 전력을 최소화하기 위해 스위치 기반의 바이어스 전력 최소화 기법을 적용하였다. 또한 고속 동작을 위해 SAR 논리회로는 TSPC 기반의 D 플립플롭으로 구성하여 범용 D 플립플롭 대비 논리회로 게이트 지연시간을 55% 감소시킴과 동시에 사용되는 트랜지스터의 수를 절반 수준으로 줄였다. 시제품 ADC는 0.18um CMOS 공정으로 제작되었으며, 측정된 DNL 및 INL은 12비트 해상도에서 각각 최대 1.33LSB, 1.90LSB이며, 60MS/s 동작 속도에서 동적성능은 최대 58.27dB의 SNDR 및 69.29dB의 SFDR 성능을 보인다. 시제품 ADC의 칩 면적은 $0.54mm^2$이며, 1.8V 전원전압에서 5.4mW의 전력을 소모한다.

• 전자공학회논문지
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• 제53권7호
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• pp.27-38
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• 2016

본 논문에서는 저전력 복합 스위칭 기법을 기반으로 하여 $0.16mm^2$의 면적을 가지는 12비트 30MS/s SAR ADC를 제안한다. 제안하는 ADC에 적용된 복합 스위칭 기법은 기존의 monotonic 스위칭 기법에 $V_{CM}$ 기반의 스위칭 기법을 접목한 것으로써 SAR ADC의 선형성을 제한하는 동적 오프셋 문제를 최소화하는 동시에 평균 스위칭 전력소모도 최소화할 수 있다. 제안하는 C-R 하이브리드 DAC 회로에는 균등 분할 커패시터 구조 및 기준전압 레인지 스케일링 기법을 적용하여 입력신호와 기준전압의 범위를 일치시키면서 12비트 해상도에서 사용되는 단위 커패시터의 총 개수를 64개로 줄이는 동시에 효율적으로 $V_{CM}$ 기반의 스위칭을 수행하여 전체적인 회로를 간소화하였다. 한편, 제안하는 SAR ADC의 SAR 논리회로에는 D 플립플롭 기반이 아닌 래치구조의 레지스터를 사용하여 빠르고 안정적인 SAR 동작을 구현하였으며, 출력 값을 디코더 논리회로 없이 DAC의 스위치에 직접 인가하여 면적 및 전력소모를 줄였다. 제안하는 SAR ADC는 0.18um CMOS 공정으로 제작되었으며, 측정된 DNL 및 INL은 12비트 해상도에서 각각 최대 0.85LSB, 2.53LSB이고, 30MS/s 동작속도에서 동적성능은 최대 59.33dB의 SNDR 및 69.83dB의 SFDR을 보인다. 제안하는 시제품 ADC는 1.8V 전원전압에서 2.25mW의 전력을 소모한다.

• 한국정보통신학회:학술대회논문집
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• 한국정보통신학회 2012년도 춘계학술대회
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• pp.88-90
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• 2012

본 논문은 rail-to-rail 입력 범위를 가지는 10-bit 10-MS/s 비동기 축차근사형 (SAR: successive approximation register) 아날로그-디지털 변환기 (ADC: analog-to-digital converter)를 제안한다. 제안된 SAR ADC는 커패시터 디지털-아날로그 변환기 (DAC: digital-to-analog converter), SAR 로직, 그리고 비교기로 구성된다. 외부에서 공급되는 클럭의 주파수를 낮추기 위해 SAR 로직과 비교기에 의해 비동기로 생성된 내부 클럭을 사용한다. 또한 높은 해상도를 구현하기 위해 오프셋 보정기법이 적용된 시간-도메인 비교기를 사용한다. 면적과 전력소모를 줄이기 위해 분할 캐패시터 기반 차동DAC를 사용한다. 설계된 비동기 SAR ADC는 0.18-um CMOS 공정에서 제작되며, core 면적은 $420{\times}140{\mu}m^2$이다. 1.8 V의 공급전압에서 0.818 mW의 전력 소모와 91.8 fJ/conversion-step의 FoM을 가진다.

• 전기학회논문지
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• 제68권1호
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• pp.90-97
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• 2019

The charge redistribution digital-to-analog converter(CR-DAC) is often used for successive approximation register analog-to-digital converter(SAR ADC) that requiring low power consumption and small circuit area. However, CR-DAC is required 2 to the power of N unit capacitors to generate reference voltage for successive approximation of the N-bit SAR ADC, and many unit capacitors occupy large circuit area and consume more power. In order to improve this problem, this paper proposes SAR ADC using series capacitor DAC. The series capacitor DAC is required 2(1+N) unit capacitors to generate reference voltage for successive approximation and charges only two capacitors of the reference generation block. Because of these structural characteristics, the SAR ADC using series capacitor DAC can reduce the power consumption and circuit area. Proposed SAR ADC was designed in CMOS 180nm process, and at 1.8V supply voltage and 500kS/s sampling rate, proposed 6-bit SAR ADC have signal-to-noise and distortion ratio(SNDR) of 36.49dB, effective number of bits(ENOB) of 5.77-bit, power consumption of 294uW.

• 한국정보통신학회논문지
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• 제20권12호
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• pp.2317-2325
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• 2016

본 논문은 reference driver를 이용한 10비트 10MS/s 축차근사형(SAR: Successive Approximation Register) 아날로그-디지털 변환기(ADC: Analog-to-Digital Converter)를 제안한다. 제안하는 SAR ADC는 커패시터형 디지털-아날로그 변환기(CDAC: Capacitive Digital-to-Analog Converter), 비교기, SAR 로직, 그리고 공급 전압 노이즈에 대한 내성을 향상시키는 reference driver로 구성된다. ${\pm}0.9V$의 아날로그 입력전압을 가지는 SAR ADC를 위해 reference driver는 0.45V, 1.35V의 기준 전압을 생성한다. 설계된 SAR ADC는 $0.18{\mu}m$ CMOS 공정을 이용하여 제작되었으며 1.8V의 공급전압을 사용하였다. 제안된 SAR ADC는 reference driver를 이용하여 +/- 200mV의 공급 전압 변화에서도 ${\pm}0.9V$의 입력 범위를 유지한다. 10MS/s의 샘플링 주파수에서 5.32mW의 전력을 소모한다. 측정된 ENOB는 9.11 비트 이며, DNL과 INL은 각각 +0.60/-0.74 LSB와 +0.69/-0.65 LSB이다.

• 한국정보전자통신기술학회논문지
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• 제16권6호
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• pp.454-464
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• 2023

본 논문은 센서 노드 응용을 위한 1MS/s의 샘플링 속도를 가지는 저전력 8비트 비동기 축차근사형(successive approximation register, SAR) 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter, ADC)를 제안한다. 이 ADC는 선형성을 개선하기 위해 부트스트랩 스위치를 사용하며, 공통모드 전압(Common-mode voltage, VCM) 기반의 커패시터 디지털-아날로그 변환기 (capacitor digital-to-analog converter, CDAC) 스위칭 기법을 적용하여 DAC의 전력 소모와 면적을 줄인다. 외부 클럭에 동기화해서 동작하는 기존 동기 방식의 SAR ADC는 샘플링 속도보다 빠른 클럭의 사용으로 인해 전력 소비가 커지는 단점을 가지며 이는 내부 비교를 비동기 방식으로 처리하는 비동기 SAR ADC 구조를 사용하여 해결할 수 있다. 또한, 낮은 해상도의 설계에서 발생하는 큰 디지털 전력 소모를 줄이기 위해 동적 논리 회로를 사용하여 SAR 로직를 설계하였다. 제안된 회로는 180nm CMOS 공정으로 시뮬레이션을 수행하였으며, 1.8V 전원전압과 1MS/s의 샘플링 속도에서 46.06𝜇W의 전력을 소비하고, 49.76dB의 신호 대 잡음 및 왜곡 비율(signal-to-noise and distortion ratio, SNDR)과 7.9738bit의 유효 비트 수(effective number of bits, ENOB)를 달성하였으며 183.2fJ/conv-step의 성능 지수(figure-of-merit, FoM)를 얻었다. 시뮬레이션으로 측정된 차동 비선형성(differential non-linearity, DNL)과 적분 비선형성(integral non-linearity, INL)은 각각 +0.186/-0.157 LSB와 +0.111/-0.169 LSB이다.

• JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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• 제11권1호
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• pp.23-32
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• 2011

A 40 fJ/c-s, 1 V, 10-bit SAR ADC is presented for energy constrained wearable body sensor network application. The proposed 10-bit dual sampling capacitive DAC topology reduces switching energy by 62% compared with 10-bit conventional SAR ADC. Also, it is more robust to capacitor mismatch than the conventional architecture due to its cancelling effect of each capacitive DAC. The proposed SAR ADC is fabricated in 0.18 ${\mu}m$ 1P6M CMOS technology and occupies 1.17 $mm^2$ including pads. It dissipates only 1.1 ${\mu}W$ with 1 V supply voltage while operating at 100 kS/s.

• 전기전자학회논문지
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• 제22권4호
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• pp.1218-1221
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• 2018

본 논문은 두 배의 rail-to-rail 입력 전압 범위를 갖는 저-전력 0.6-V 10-bit 200-kS/s successive approximation register(SAR) analog-to-digital converter(ADC)를 제안한다. 제안된 near-threshold voltage(NTV)의 전원 전압을 갖는 회로는, 본질적인 입력 신호 전력 부족을 두 배의 rail-to-rail 입력 전압 범위를 구현함으로써 극복하였다. 이 회로는 일반적인 NTV 회로에 비해 4배의 입력 신호 전력을 갖게 되고, 그로써 SAR ADC의 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)를 개선했다. 제안된 ADC는 65-nm CMOS 공정을 이용하여 제작되었다. 0.6-V 전원 전압과 $2.4-V_{pp}$(차동쌍)의 입력 전압, 200-kS/s에서 ADC의 SNDR은 59.87 dB이며 전력 소모는 364.5-nW이다. ADC 코어가 차지하는 면적은 $84{\times}100{\mu}m^2$이다.

• 센서학회지
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• 제27권1호
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• pp.31-35
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• 2018

This paper describes a low-power, SNDR (signal-to-noise and distortion ration) enhanced SAR (successive approximation register) type 12b ADC (analog-to-digital converter) with noise shaping technique. For low power consumption and small chip size of the DAC (digital-to-analog converter), the top plate sampling technique and the dummy capacitor switching technique are used to implement 12b operation with a 10b capacitor array in DAC. Noise shaping technique is applied to improve the SNDR by reducing the errors from the mismatching of DAC capacitor arrays, the errors caused by attenuation capacitor and the errors from the comparator noise. The proposed SAR ADC is designed with a $0.18{\mu}m$ CMOS process. The simulation results show that the SNDR of the SAR ADC without the noise shaping technique is 71 dB and that of the SAR ADC with the noise shaping technique is 84 dB. We can achieve the 13 dB improvement in SNDR with this noise shaping technique. The power consumption is $73.8{\mu}W$ and the FoM (figure-of-merit) is 5.2fJ/conversion-step.