Design of Low-Voltage Low-Power CMOS Delta-Sigma A/D Converters

طراحی مبدل های A/D کم مصرف CMOS دلتا سیگما امکان سنجی طراحی مبدل های آنالوگ به دیجیتال دلتا سیگما را برای ولتاژ تغذیه بسیار پایین (کمتر از 1.5 ولت) و عملکرد کم توان در فرآیندهای استاندارد CMOS. تکنیک انتخاب شده برای پیاده سازی، تکنیک Opamp سوئیچ شده است که عملکرد خازن سوئیچ شده را در ولتاژ تغذیه پایین بدون نیاز به اعمال چند برابر کننده ولتاژ یا دستگاه های VtMOST پایین ارائه می دهد.
روشی برای پیاده‌سازی توپولوژی‌های مدولاتور کلاسیک تک حلقه و آبشاری دلتا سیگما با انتگرال‌کننده‌های نیمه تاخیر ارائه شده است. این توپولوژی ها به منظور یافتن پارامترهایی که عملکرد را از نظر حداکثر SNR به حداکثر می رساند، مورد مطالعه قرار می گیرند. بر اساس یک مدل خطی، کاهش عملکرد مدولاتورهای تک حلقه ای مرتبه بالاتر و مدولاتورهای آبشاری، در مقایسه با یک مدولاتور ایده آل فرضی، کمی سازی می شوند.
مروری بر تکنیک‌های طراحی خازن سوئیچ‌شده ولتاژ پایین، مانند استفاده از ضرب‌کننده‌های ولتاژ، دستگاه‌های VtMOST پایین و تکنیک Opamp سوئیچ‌شده، ارائه شده است. یک بحث عمیق در مورد وضعیت فعلی تکنیک Opamp سوئیچ شده، تکنیک Opamp سوئیچ شده اصلی تک سر، تکنیک Opamp سوئیچ اصلاح شده، که امکان عملکرد ولتاژ تغذیه پایین تر و اجرای دیفرانسیل از جمله تکنیک های کنترل حالت رایج را می دهد را پوشش می دهد.
محدودیت های اعمال شده بر مدارهای آنالوگ توسط عملکرد ولتاژ تغذیه پایین مورد بررسی قرار می گیرد. چندین بلوک ساختمانی مدار ولتاژ پایین، که برخی از آنها جدید هستند، مورد بحث قرار گرفته است. یک کلاس ولتاژ پایین جدید AB OTA، به ویژه برای کاربردهای Opamp سوئیچ دیفرانسیل مناسب، همراه با یک تقویت کننده بازخورد حالت مشترک و یک مقایسه کننده ارائه و تجزیه و تحلیل شده است.
به عنوان بخشی از یک رویکرد طراحی سیستماتیک از بالا به پایین، انتقال شارژ غیر ایده‌آل سلول یکپارچه‌ساز Opamp سوئیچ شده، بر اساس چندین مدل از ویژگی‌های غیر ایده‌آل opamp اصلی مدل‌سازی می‌شود. شبیه‌سازی‌های رفتاری انجام‌شده با این مدل‌ها، مشخصات opamp مورد نیاز را به دست می‌دهند که تضمین می‌کند عملکرد مورد نظر در یک پیاده‌سازی برآورده می‌شود.
تجزیه و تحلیل مصرف برق انجام می شود. تأثیر همه پارامترهای طراحی، به ویژه ولتاژ پایین منبع تغذیه، برجسته شده است. دستورالعمل‌های طراحی برای عملکرد کم توان تقطیر شده است.
دو پیاده سازی همراه با نتایج اندازه گیری ارائه شده است. اولین مورد، اجرای تک سر یک ADC دلتا سیگما است که با ولتاژ تغذیه 1.5 ولت کار می کند و 100 میلی گرم وات برای محدوده دینامیکی 74 دسی بل در پهنای باند 3.4 کیلوهرتز مصرف می کند. اجرای دوم دیفرانسیل است و با 900 میلی ولت کار می کند. محدوده دینامیکی 77 دسی بل در پهنای باند 16 کیلوهرتز به دست می آورد و 40 میلی گرم وات مصرف می کند.
طراحی مبدل‌های ولتاژ پایین CMOS Delta-Sigma A/D برای مهندسین و محققان طراحی آنالوگ ضروری است.

Design of Low-Voltage Low-Power CMOS Delta-Sigma A/D Converters investigates the feasibility of designing Delta-Sigma Analog to Digital Converters for very low supply voltage (lower than 1.5V) and low power operation in standard CMOS processes. The chosen technique of implementation is the Switched Opamp Technique which provides Switched Capacitor operation at low supply voltage without the need to apply voltage multipliers or low VtMOST devices.
A method of implementing the classic single loop and cascaded Delta-Sigma modulator topologies with half delay integrators is presented. Those topologies are studied in order to find the parameters that maximise the performance in terms of peak SNR. Based on a linear model, the performance degradations of higher order single loop and cascaded modulators, compared to a hypothetical ideal modulator, are quantified.
An overview of low voltage Switched Capacitor design techniques, such as the use of voltage multipliers, low VtMOST devices and the Switched Opamp Technique, is given. An in-depth discussion of the present status of the Switched Opamp Technique covers the single-ended Original Switched Opamp Technique, the Modified Switched Opamp Technique, which allows lower supply voltage operation, and differential implementation including common mode control techniques.
The restrictions imposed on the analog circuits by low supply voltage operation are investigated. Several low voltage circuit building blocks, some of which are new, are discussed. A new low voltage class AB OTA, especially suited for differential Switched Opamp applications, together with a common mode feedback amplifier and a comparator are presented and analyzed.
As part of a systematic top-down design approach, the non-ideal charge transfer of the Switched Opamp integrator cell is modeled, based upon several models of the main opamp non-ideal characteristics. Behavioral simulations carried out with these models yield the required opamp specifications that ensure that the intended performance is met in an implementation.
A power consumption analysis is performed. The influence of all design parameters, especially the low power supply voltage, is highlighted. Design guidelines towards low power operation are distilled.
Two implementations are presented together with measurement results. The first one is a single-ended implementation of a Delta-Sigma ADC operating with 1.5V supply voltage and consuming 100 &mgr;W for a 74 dB dynamic range in a 3.4 kHz bandwidth. The second implementation is differential and operates with 900 mV. It achieves 77 dB dynamic range in 16 kHz bandwidth and consumes 40 &mgr;W.
Design of Low-Voltage Low-Power CMOS Delta-Sigma A/D Converters is essential reading for analog design engineers and researchers.