KIP publications

year 2023
author(s) Milena Czierlinski
title The implementation of a dual-mode DAC for an SAR ADC
KIP-Nummer HD-KIP 23-01
KIP-Gruppe(n) F9
document type Masterarbeit
Abstract (de)

Diese Arbeit präsentiert die Entwicklung eines dualen Analog-Digital-Wandlers, welcher das Verfahren der sukzessiven Approximation verwendet, für den Einsatz im neuromorphen System BrainScaleS-2. Einerseits wird eine Aufnahmefrequenz von 62.5 MS/s mit 7-Bit Auflösung zur Verfügung gestellt. Andererseits kann die Präzision auf 8-Bit erweitert werden auf Kosten einer reduzierten Aufnahmerate von 15.6 MS/s. Dies wird durch die Kombination von zwei kapazitiven 7-Bit Digital-Analog-Wandlern erreicht, die entweder abwechselnd im schnellen Modus oder gemeinsam im präzisen Modus betrieben werden. Für den letzteren wird ein referenzbezoger set-and-down Schaltungsablauf implementiert, um Zeit und Energie zu sparen. Außerdem wird die LSB Kapazität geteilt, was weitere Energie sowie Fläche spart. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung dieser beiden Umwandlungsmethoden und der Realisierung der Schaltung, welche die Digital-Analog-Wandlung ausführt. Des Weiteren wird das Verhalten des gesamten Analog-Digital-Wandlers in Simulationen unter verschiedenen Betriebsumständen analysiert und die Auswirkungen physikalischer Effekte evaluiert.

Abstract (en)

This thesis presents the development of a dual-mode successive approximation register analog-to-digital converter for the deployment in the neuromorphic system BrainScaleS-2. On the one hand, a sampling frequency of 62.5 MS/s is provided with a 7-bit resolution. On the other hand, the precision can be increased to 8-bit, in exchange for a reduced sampling frequency of 15.6 MS/s. This is achieved by the combination of two capacitive 7-bit digital-to-analog converters, either operating in a time-interleaved fashion in the fast mode, or jointly in the precise mode. For the latter, a single-ended set-and-down switching procedure is implemented to save time and energy. Moreover, the LSB capacitance is split, saving further energy and reducing the area. The focus of this thesis lies on the development of the two conversion methods, as well as the implementation of the digital-to-analog conversion sub-circuit. Furthermore, the performance of the full analog-to-digital converter is analyzed in simulations under various operation conditions and the impact of physical effects is evaluated.

bibtex
@mastersthesis{czierlinski2022ma,
  author   = {Milena Czierlinski},
  title    = {The implementation of a dual-mode DAC for an SAR ADC},
  school   = {Universit├Ąt Heidelberg},
  year     = {2022},
  type     = {Masterarbeit}
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