Projeto e análise de moduladores sigma-delta em tempo contínuo aplicados à conversão AD

Abstract

Conversores analógico-digitais (ADCs) têm papel fundamental na implementação dos sistemas-em-chip, do inglês System-on-Chip (SoC), atuais. Em razão dos requisitos destes sistemas e dos compromissos entre as características fundamentais dos ADCs, como largura de banda, consumo de energia e exatidão, diversas topologias e estratégias para sua implementação em circuitos integrados (CIs) têm sido desenvolvidas através dos tempos. Dentre estas topologias, os conversores sigma-delta (SDC) têm se destacado pela versatilidade, aliada ao baixo consumo e excelente exatidão. Inicialmente desenvolvidos e empregados para a conversão de sinais de baixa frequência e com operação em tempo discreto (DT), esta classe de conversores têm evoluído e nos últimos anos está sendo desenvolvida para operar em tempo contínuo e ser empregada na conversão de sinais com frequências de centenas de kHz a dezenas de MHz. Neste trabalho, os moduladores sigma-delta em tempo contínuo (SDMs-CT) são estudados, visando sua aplicação à conversão analógico-digital (AD). Os SDMs-CT oferecem vantagens significativas sobre seus homólogos em tempo discreto, como menor consumo de energia, maior largura de banda do sinal de entrada e filtro anti-alias, do inglês anti-alias filter (AAF), implícito. Entretanto, os SDMs-CT apresentam limitações adicionais, responsáveis pela degradação de seu desempenho, como os efeitos do jitter do sinal de relógio, o atraso excessivo do laço de realimentação, do inglês Excess Loop Delay (ELD), e as limitações impostas aos integradores analógicos. Após o estudo e análise de SDMs-CT e de suas limitações, foi desenvolvido um modelo comportamental no ambiente Matlab/Simulink R , que permite a simulação do impacto destas limitações no modulador, possibilitando a obtenção de uma estimativa mais aproximada do seu desempenho. Com base nestas simulações foi possível a determinação das especificações mínimas de cada bloco analógico que compõe o modulador (como o slew rate, a frequência de ganho unitário (fu) e o ganho DC dos amplificadores operacionais utilizados nos integradores) e os valores toleráveis de ELD e jitter do sinal de relógio. Adicionalmente, neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia para simulação de SDMs-CT compostos por DACs a capacitor chaveado e resistor, do inglês Switched-Capacitor-Resistor (SCR). Com base neste modelo e no estudo das diferentes topologias de SDMs, um circuito foi desenvolvido para aplicação em receptores de RF, sendo do tipo passa-baixas de laço único, do inglês single-loop, single-bit, de terceira ordem, voltado ao baixo consumo de energia. Este circuito foi desenvolvido em tecnologia CMOS IBM de 130 nanômetros, tendo sido enviado para fabricação. Através das simulações pós-leiaute realizadas espera-se que seu desempenho fique próximo ao que tem sido publicado recentemente sobre SDMs-CT passa-baixas de laço único e single-bit.

Analog-to-Digital Converters (ADCs) play a fundamental role in the implementation of current systems-on-chip (SoC). Due to the requirements of these systems and the tradeoffs between the main ADCs characteristics, such as signal bandwidth, power consumption and accuracy, many topologies and strategies for their implementation in integrated circuits (ICs) have been developed through the ages. Among these topologies, the sigmadelta converters (SDC) have highlighted the versatility combined with low power consumption and excellent accuracy. Initially developed and used for the conversion of low frequency signals and operation in the discrete time (DT) domain, this class of converters have been evolved and developed over the past to operate in continuous time domain for the conversion of signals with frequencies of hundreds of kHz up to tens of MHz. In this work, continuous time sigma-delta modulators (CT-SDMs) are studied focusing its application to the analog-to-digital (AD) conversion. CT-SDMs offer significant advantages over their discrete-time counterparts, such as lower power consumption, higher input signal bandwidth and implicit anti-alias filter (AAF). However, CT-SDMs present additional limitations that are responsible for their performance degradation, such as the clock jitter, Excess Loop Delay (ELD) and the limitations imposed on the analog integrators. After the study and analysis of CT-SDMs and their performance limitations, a behavioral model approach was developed in the Matlab/Simulink R environment, which allows the simulation of the limitations impact on the modulator, allowing the obteinment of a more accurate estimate of its performance. Based on these simulations it was possible to determine the minimum specifications for each block that composes the analog modulator (such as slew rate, the unity gain frequency (fu) and the DC gain of the operational amplifiers used in integrators) and tolerable values of ELD and clock jitter. Additionally, it was developed in this work a methodology for simulate CT-SDMs with Switched-Capacitor- Resistor (SCR) DACs that provide exponential waveforms. Based on this model and the study of different SDMs topologies, it was developed a low-pass, single-loop, single-bit, third order circuit focused on low-power intended for application in RF receivers. This circuit was developed in an IBM 130 nanometers CMOS technology, and was send to manufacturing. Based on the post-layout simulations it is expected to have performance close to what has been recently published of low-pass, single-loop, single-bit CT-SDMs.