Analysis and development of a built-in self-test circuit for charge redistribution SAR ADCs

Analog-to-digital converters (ADCs) provide a bridge between the analog and digital world. Numerous types of converters have been designed using the best technology available, resulting in high-resolution or high-speed converters that can be applied, for example, in signal processing systems. This market in particular is rapidly expanding, hence high-resolution ADCs are becoming more and more popular since they’re well fitted due to the accuracy they provide. Commonly implemented in these converters is the successive approximation method. Accuracy and linearity in this type of systems are mainly determined by the digital-to-analog converter (DAC) block, while the speed is influenced mostly by the comparator performance and the settling time of the DAC. This work explores a technique that allows us to check the performance of an ADC after production, improving the speed of this step in the manufacturing process while maintaining the same level of accuracy provided by commonly used test methods. The concept relies on a built-in self-test circuit (BIST) present within the micro controller itself that is able to verify the state of the ADC; the BIST is applied to a charge redistribution successiveapproximation register (SAR) ADC where the critical block to check is represented by the DAC realized through a switched capacitor array. In this instance, the BIST consists of a similar capacitor array which, following a predetermined algorithm, will be able to estimate the mismatch present within the capacitors of the DAC, equivalently evaluating the static performances of the ADC in terms of linearity.

I convertitori analogico-digitali (ADC) rappresentano un ponte tra il mondo analogico e quello digitale. Numerosi tipi di convertitori sono stati progettati utilizzando le migliori tecnologie disponibili, dando vita a convertitori ad alta risoluzione o ad alta velocità che possono essere applicati, ad esempio, in sistemi di elaborazione di segnale. Questo mercato, in particolare è in rapida espansione e ADC ad alta risoluzione stanno diventando sempre più popolari poichè ben si adattano allo scopo, grazie all’elevata precisione che forniscono. Comunemente implementata in questi convertitori, è la tecnica delle approssimazioni successive. Precisione e linearità in questo tipo di sistemi sono determinati principalmente dal convertitore digitale-analogico (DAC), mentre la velocità è influenzata sopratutto dalle prestazioni del comparatore e dal tempo di assestamento del DAC. Questo lavoro di tesi esplora una nuova tecnica che consente di verificare le prestazioni di un ADC in fase di produzione, migliorando la velocità di questo step nel processo produttivo, pur mantenendo lo stesso livello di precisione fornito da altri metodi di test comunemente utilizzati. Il concetto si basa su un circuito di self-test integrato (BIST) presente all’interno del microcontrollore stesso, in grado di verificare lo stato dell’ADC; Il BIST viene applicato ad un ADC con SAR (registro ad approssimazioni successive) a ridistribuzione di carica, dove il blocco critico da verificare è rappresentato dal DAC realizzato tramite un array di condensatori commutati. In questo caso, il BIST è costituito da un array di condensatori analogo che, seguendo un algoritmo predeterminato, sarà in grado di stimare il mismatch presente all’interno dei condensatori del DAC, valutando in modo equivalente anche le prestazioni statiche dell’ADC in termini di linearità.