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JSSC 2020第11期Power Management40nm

An Energy-Efficient Time-Domain Incremental Zoom Capacitance-to-Digital Converte

提出一种基于时间域增量式电容数字转换器的高能效设计
76-dB SNDR, 0.083 nJ/conversion, 0.29 fF分辨率
电容数字转换器时间域ΔΣ调制器低功耗VCO积分器高能效
▸创新点1：采用VCO积分器替代传统OTA积分器，这是一种电路创新，通过电压控制振荡器（VCO）实现积分功能，避免了传统OTA的高功耗和有限直流增益问题，显著降低了功耗并提高了积分精度。
▸创新点2：时间域ΔΣ调制器实现低功耗设计，属于系统创新，利用时间域信号处理替代传统电压域处理，减少了模拟电路复杂度，同时实现了76-dB SNDR的高性能指标。
▸创新点3：低过采样率（OSR=15）下实现高精度，这是方法创新，通过优化调制器结构和数字处理算法，在较低过采样率下仍能达到0.29 fF的分辨率，提升了能效比（0.083 nJ/conversion）。
▸创新点4：整体架构采用增量式两步转换，结合了粗调和细调阶段，系统创新地平衡了转换速度和精度，相比同类设计能效提升超过两倍。
Abstract
This article presents an incremental two-step capacitance-to-digital converter (CDC) with a time-domain /Delta1/Sigma1modulator (TD /Delta1/Sigma1M). Unlike the classic two-step CDCs, this work replaces the operational transconductance ampli- fier (OTA)-based active- RC integrator by a voltage-controlled oscillator (VCO)-based integrator, which is mostly digital and low-power. Featuring the infinite dc gain and intrinsic quanti- zation in phase domain, this TD /Delta1/Sigma1M enables a CDC design