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An 11-bit, 12.5-MHz, Low-Power, Low-Voltage, Continuous-Time Sigma-Delta Modulator in 0.13 µm CMOS Technology
Di Gioia, Eugenio
Der Trend der letzten Jahre in der Industrie der integrierten Schaltungen hat sich immer mehr von der analogen zur digitalen Welt verschoben. Dank der CMOS Technologie ist eine beeindruckende Miniaturisierung der aktiven elektronischen Bauelemente möglich gewesen, welche eine Reduzierung der Herstellungskosten sowie die Massenproduktion von komplexen Schaltungen auf einem einzigen Chip ermöglicht. Die natürlichen Kandidaten für Technologien mit sehr hohem Integrationsgrad (VLSI) sind Digital-Schaltungen, da diese relativ einfach verkleinert werden können mit erheblicher Erhöhung der Betriebsgeschwindigkeit. Andererseits sind geradezu alle natürlichen Signale analog und benötigen dedizierte Schaltungen für deren Umwandlung in die digitale Form, um diese Signale mit Digital-Schaltungen weiter verarbeiten zu können. Diese Schaltungen werden Analog-Digital-Umwandler genannt (ADC) und finden in praktisch allen Geräten Anwendung, welche sich mit natürlichen Signalen wie Bildern, Ton, Temperatur, Radiofrequenz-Signalen, etc. befassen. Um die Kosten der Geräte zu minimieren, ist die Integration der ADC auf demselben Chip, welcher die Digital-Schaltungen enthält, höchst wünschenswert. Moderne hochminiaturisierte CMOS-Technologien sind aber nicht sehr geeignet für Analogschaltungen, da sie bescheidene analoge elektrische Eigenschaften aufweisen. Um dies zu meistern, werden besondere ADC-Topologien benötigt, welche genügend robust sind, um in einer CMOS-Technologie mit einer Strukturgröße von ca. 100 Nanometern implementiert zu werden. Eine vielversprechende Architektur für CMOS-Prozesse ist der zeitkontinuierliche Sigma-Delta-Modulator (ΣΔ). Diese Architektur erzielt große Genauigkeit und Performance, indem der Hauptvorteil moderner CMOS-Technologien ausgenutzt wird: die hohe Geschwindigkeit. In dieser Arbeit wird eine Studie über leistungsarme zeitkontinuierliche ΣΔ-Modulatoren mit hoher Geschwindigkeit präsentiert. Diese Klasse von Modulatoren findet eine mögliche Anwendung in tragbaren breitbandfähigen Mobilfunkgeräten der nächsten Generation. Der Autor konzentriert sich auf die Design-Strategien auf Architektur- und Transistorebene mit dem Ziel, die Verlustleistung des Modulators ohne Beeinträchtigung dessen Auflösung zu reduzieren. Der in dieser Arbeit präsentierte Modulator basiert auf einem 0.13 µm CMOS-Prozess und erzielt eine effektive Auflösung von 11 Bits bei einer Signal-Bandbreite von 12.5 MHz und einer Verlustleistung von 11.4 mW. Es wird gezeigt, wie das unvermeidbare Excess-Loop-Delay, welches die erzielbare Performance verschlechtert, kompensiert werden kann. Diese Technik wird auf ein resonator-basiertes, zeitkontinuierliches Schleifenfilter angewendet. Ein Modell für das Design von RC-Integratoren, welche auf zweistufigen Miller-kompensierten Operationsverstärkern basieren, wird erläutert. Ferner wird eine widerstandsbasierte Feed-Forward Filterarchitektur implementiert, um die Verlustleistung des Schleifenfilters zu reduzieren. Ein zusätzlicher Vorteil bezüglich der Verlustleistung ist erzielt worden, indem zwei verschiedene DAC-Stufen, welche Bestandteile des Modulators sind, in einem einzelnen DAC zusammengefasst werden ohne die Funktionalität des Modulators zu verändern. Der vorgeschlagene Modulator erzielt gemäß Post-Layout-Simulationen im Vergleich mit dem heutigen Stand der Technik einen sehr guten Gütefaktor.
The trend of the last years in the industry of integrated circuits has shifted more and more from the analog toward the digital world. Thanks to the CMOS technology an impressive miniaturization of the electronic active elements has been made possible, which allows for low cost and mass production of complex circuits on a single chip. The natural candidates for very large-scale integration (VLSI) technologies are digital circuits since these can be relatively easily scaled down with large improvements in the operating speed. On the other hand virtually all natural signals are of analog nature, requiring dedicated circuits converting these signals in the digital form, in order to process them with the digital circuitry. Such circuits are named analog-to-digital converters (ADC) and find wide diffusion in all devices dealing with natural signals like images, sound, temperature, radio signals, etc. In order to reduce the equipment cost the integration of the ADC on the same chip containing the digital circuits is highly desirable. Actually, modern highly miniaturized CMOS technologies are not very suitable for analog circuits, as they feature rather poor analog electrical properties. To cope with this, particular ADC topologies are required which are robust enough to be implemented in CMOS technology with a feature size in the order of 100 nanometers. One of the most promising architecture for CMOS processes is the continuous-time sigma-delta (ΣΔ) modulator. This achieves very large accuracy and performance by optimally using the main advantage of the modern CMOS technology: high speed. In this work a study of low-power, high-speed continuous time ΣΔ modulators is presented. A possible application of this class of modulators is represented by high-speed portable communication devices of the next generation. The author focuses on design strategies at architectural and transistor level in order to keep to power consumption to a very low amount without sacrificing the modulator resolution. The modulator proposed in this work is based on a 0.13 µm CMOS process and achieves an effective resolution of 11 bits at a signal bandwidth of 12.5 MHz dissipating 11.4 mW of power. It is shown how to compensate for the unavoidable excess loop delay which degrades the performance achievable, applying this technique to a resonator-based continuous-time loop filter. A model is illustrated enabling the design of RC-integrators based on two-stage Miller compensated operational amplifiers. Furthermore a resistor-based feed-forward loop filter topology is implemented to reduce the power consumption of the filter. Another low-power benefit is achieved by merging two DAC into a single DAC without altering the functionality of the modulator. The proposed modulator obtains a very good figure of merit according to post-layout simulation results when compared to the literature state-of-the-art.
