The Design of Low-Voltage, Low-Power Sigma-Delta Modulators

تکنیک های نمونه برداری بیش از حد مبتنی بر مدولاسیون سیگما-دلتا به طور گسترده برای پیاده سازی رابط های آنالوگ/دیجیتال در فناوری های CMOS VLSI استفاده می شود. این رویکرد نسبتاً به عیوب در فرآیند تولید حساس نیست و مزایای بی‌شماری را برای تحقق مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (A/D) با وضوح بالا در محیط ولتاژ پایین ارائه می‌دهد که به طور فزاینده‌ای توسط فناوری‌های پیشرفته VLSI و قابل حمل مورد نیاز است. سیستم های الکترونیکی در طراحیمدولاتورهای سیگما-دلتای ولتاژ پایین، کم توان، تحلیلی از اتلاف توان در مدولاتورهای سیگما-مثلایی ارائه شده است و اجرای ولتاژ پایین یک مبدل A/D عملکرد صوتی دیجیتال بر اساس نتایج این تحلیل شرح داده شده است.
اگرچه معمولاً می توان با کاهش ولتاژ منبع تغذیه در مدارهای دیجیتال صرفه جویی قابل توجهی در توان حاصل کرد، اما اتلاف توان در مدارهای آنالوگ در واقع با کاهش ولتاژ تغذیه افزایش می یابد. معماری های نمونه برداری بیش از حد، ابزاری بالقوه کم مصرف برای پیاده سازی مبدل های A/D با وضوح بالا هستند، زیرا تعداد و پیچیدگی مدارهای آنالوگ را در مقایسه با مبدل های نرخ نایکیست کاهش می دهند. در واقع، نشان داده شده است که اتلاف توان یک مدولاتور سیگما-دلتا می تواند به یک انتگرالگر منفرد با وضوح و پهنای باند مورد نیاز برای یک برنامه خاص نزدیک شود. در این تحقیق تأثیر پارامترهای مختلف بر اتلاف توان مدولاتور مورد ارزیابی قرار گرفته و استراتژی‌هایی برای طراحی یک پیاده‌سازی با توان کارآمد شناسایی شده است.
طراحی مدولاتورهای سیگما-دلتای ولتاژ پایین و کم توان با مروری بر تبدیل A/D آغاز می‌شود و بر مدولاتورهای سیگما-مثلتا تأکید می‌کند. این شامل تجزیه و تحلیل دقیق نویز در مدولاتورهای سیگما-مثلث، تجزیه و تحلیل اتلاف توان در مدارهای یکپارچه کننده، و پرداختن به مسائل عملی در طراحی مدار و آزمایش یک مدولاتور با وضوح بالا است.
طراحی مدولاتورهای سیگما-دلتای ولتاژ پایین و کم توان مورد توجه مهندسان و محققان مجرب در زمینه طراحی مدارهای مجتمع سیگنال مختلط و آنالوگ خواهد بود.

Oversampling techniques based on sigma-delta modulation are widely used to implement the analog/digital interfaces in CMOS VLSI technologies. This approach is relatively insensitive to imperfections in the manufacturing process and offers numerous advantages for the realization of high-resolution analog-to-digital (A/D) converters in the low-voltage environment that is increasingly demanded by advanced VLSI technologies and by portable electronic systems. In The Design ofLow-Voltage, Low-Power Sigma-Delta Modulators, an analysis of power dissipation in sigma-delta modulators is presented, and a low-voltage implementation of a digital-audio performance A/D converter based on the results of this analysis is described.
Although significant power savings can typically be achieved in digital circuits by reducing the power supply voltage, the power dissipation in analog circuits actually tends to increase with decreasing supply voltages. Oversampling architectures are a potentially power-efficient means of implementing high-resolution A/D converters because they reduce the number and complexity of the analog circuits in comparison with Nyquist-rate converters. In fact, it is shown that the power dissipation of a sigma-delta modulator can approach that of a single integrator with the resolution and bandwidth required for a given application. In this research the influence of various parameters on the power dissipation of the modulator has been evaluated and strategies for the design of a power-efficient implementation have been identified.
The Design of Low-Voltage, Low-Power Sigma-Delta Modulators begins with an overview of A/D conversion, emphasizing sigma-delta modulators. It includes a detailed analysis of noise in sigma-delta modulators, analyzes power dissipation in integrator circuits, and addresses practical issues in the circuit design and testing of a high-resolution modulator.
The Design of Low-Voltage, Low-Power Sigma-Delta Modulators will be of interest to practicing engineers and researchers in the areas of mixed-signal and analog integrated circuit design.