Design of A/D converter for a CMOS-based Magnetic Imaging Sensor

Abstract

Este trabalho tem como principal objetivo o desenvolvimento de um Conversor Analógico Digital (ADC), desde a definição da arquitetura, simulação de alto e baixo nível e implementação em CMOS. O ADC a ser desenvolvido faz parte de um sistema que tem como objetivo principal o mapeamento magnético de diferentes corpos através de diversos sensores analógicos concebidos para o efeito, de maneira a que essa mesma imagem magnética possa ser posteriormente processada e analisada num sistema computorizado. Devido à natureza analógica da informação proveniente dos sensores magnéticos, existe a necessidade de fazer a conversão das tensões provenientes destes para formato digital, para que todo o processo de análise desta informação possa ser uma realidade. Como tal, a inclusão de um ADC em tal sistema é algo imprescindível para que o objetivo proposto possa ser atingido com êxito. Deste modo, de maneira a que um elemento tão fulcral, como é um ADC em sistemas deste género, não seja um elemento perturbador ao bom funcionamento de todo o processo de aquisição de informação, um determinado número de restrições (e.g. consumo energético e área de silício ocupada) têm que ser sempre tidas em atenção pois qualquer desrespeito grosseiro para com qualquer uma delas pode revelar-se catastrófico. Sendo este ADC incluído num sistema com tais particularidades, a aplicação necessita de uma taxa de amostragem de 3 MSPS e uma resolução de 12 bits para que este dispositivo possa vir a desempenhar as funções para as quais está a ser concebido (e.g. mapeamento magnético de células presentes numa lamela de microscópio). Neste sentido, a arquitetura SAR foi a escolhida, sendo a tecnologia a CMOS AMS 0.35 μm. No final, foi concebido e simulado em pós-layout um ADC capaz de realizar conversões a uma taxa de 3 MSPS quando alimentado a 3.3 V. A área ativa final que o ADC apresenta é de 0.2625 𝑚𝑚2.

The main goal of this work is the development of an analogic to digital converter (ADC), since the definition of its architecture, low level simulation and CMOS implementation. This ADC will be part of a major system whose purpose is the magnetic mapping of different objects, helped by several analogic sensors designed for this objective. As the nature of this sensors is analogic, some entity as the responsibility to convert this information for a digital representation, in order to process the data in a computerized system. Because of this necessity, the inclusion of an ADC is essential for the main goal to be reached. Thus, in order to prevent any trouble for the final system, this ADC has to respect some restrictions (e.g. power consumption and silicon area) because any disrespect with any one of them could reveal catastrophic consequences. Regarding the particularities of the final system, this ADC should be able to accomplish conversions at a rate of 3 MSPS (Mega Samples per Second) with 12 bits of resolution. In this way, a SAR architecture was chosen and simulated in CMOS AMS 0.35 μm technology. At the end, was designed and simulated in post layout an ADC capable to convert at a rate of 3 MSPS when supplied by 3.3 V. The final active area occupied by this ADC is 0.2625 𝑚𝑚2.