Two-channel multiplexing sigma-delta ADC for sensor related applications
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2022-10-17
Department
Major/Subject
Micro- and Nanoelectronic Circuit Design
Mcode
ELEC3036
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
en
Pages
81+5
Series
Abstract
Analog-to-digital conversion is used in various applications and new applications are continuously found. Therefore, many different analog-to-digital converters exist for these applications. This thesis focused on the design of third-order discrete-time sigma-delta analog-to-digital converter for sensor related application, although the design is applicable for other applications as well. Main focus for the modulator design is low current consumption and low noise. The building blocks of the sigma-delta converter are designed and simulated on system-level, as well as, with 55-nanometer CMOS technology to functionally operate at sampling frequency of around 3 MHz per channel. The thesis addresses characteristics and trade-offs between converter topologies, subcircuits and design methods. Also, the modulator consist from switched capacitor circuits, hence switched capacitor circuit implementation method is reviewed. Furthermore, design methods of the modulator and subcircuitries used in the thesis are discussed in detail and performance of the designed subcircuits analyzed. The most critical subcircuitries in the design are operational amplifiers and integrators. In addition, we present the designed clocking and switching of the switched capacitor circuits. In the simulations we focus on the most relevant performance parameters of the modulator including, noise, linearity and current consumption. Finally, the thesis closes with the summary of these performance parameters achieved from the simulations with observations made on the results.Analogisen signaalin muuntaminen digitaaliseksi on tarpeellista signaalin käsittelyssä useissa eri käyttökohteissa ja uusia käyttökohteita syntyy jatkuvasti lisää. Näin ollen myös useat erilaiset analogia-digitaalimuuntimet (A/D-muuntimet) ovat tarpeellisia ja jatkuvaa kehitystyötä tarvitaan, jotta voidaan vastata uusien käyttökohteiden tuomiin tarpeisiin. Tässä diplomityössä keskitytään kolmiasteisen diskreettiaikaisen sigmadelta analogia-digitaalimuuntien suunnitteluun antureita varten. Kuitenkin kyseistä muunninta voi hyödyntää myös muissa käyttökohteissa. Suunnittelussa on keskitytty erityisesti pitämään muuntimen kohina ja virrankulutus mahdollisimman matalana. A/D-muunnin on toteutettu CMOS-tekniikalla kytkettyjen kapasitanssien tekniikka (SC-tekniikkaa) hyödyntäen. Muunnin koostuu piirilohkoista, jotka suunnitellaan ja joiden toimintaa ja suorituskykyä analysoidaan simulaatioiden avulla sekä systeemitasolla että 55 nanometrin CMOS-teknologialla noin kolmen megahertsin näytteistystaajuudella. Diplomityössä tuodaan esille hyötyjä ja haittoja eri muunnintopologioiden, piirilohkojen ja suunnittelutekniikoiden välillä ja perustellaan näiden tekijöiden välillä tehdyt valinnat. Lisäksi työssä käytettävät teknologiat ja tekniikat esitellään yksityiskohtaisesti. Kriittisimmät piirilohkot modulaattorissa ovat integraattorit ja niiden operaatiovahvistimet. Myös muut kriittiset tekijät muuntimessa kuten kellotus ja kapasitanssien kytkeminen käydään huolellisesti läpi. Simulaatioissa on keskitytty tärkeimpiin tekijöihin muuntimessa kuten muuntimen lineaarisuuteen, kohinaan ja virrankulutukseen. Lopuksi diplomityö päätetään esittelemällä simulaatioiden tulokset näiden tärkeimpien tekijöiden osalta sisältäen myös tuloksista tehdyt huomiot ja mahdolliset kehityskohteet.Description
Supervisor
Halonen, KariThesis advisor
Aaltonen, LasseKeywords
sigma-delta modulator, ADC, switched capacitor, discrete-time, analog-to-digital conversion
