Design of sigma-delta modulators for analog-to-digital conversion intensively using passive circuits

This thesis presents the analysis, design implementation and experimental evaluation of passiveactive discrete-time and continuous-time Sigma-Delta (ΣΔ) modulators (ΣΔMs) analog-todigital converters (ADCs). Two prototype circuits were manufactured. The first one, a discrete-time 2nd-order ΣΔM, was designed in a 130 nm CMOS technology. This prototype confirmed the validity of the ultra incomplete settling (UIS) concept used for implementing the passive integrators. This circuit, clocked at 100 MHz and consuming 298 μW, achieves DR/SNR/SNDR of 78.2/73.9/72.8 dB, respectively, for a signal bandwidth of 300 kHz. This results in a Walden FoMW of 139.3 fJ/conv.-step and Schreier FoMS of 168 dB. The final prototype circuit is a highly area and power efficient ΣΔM using a combination of a cascaded topology, a continuous-time RC loop filter and switched-capacitor feedback paths. The modulator requires only two low gain stages that are based on differential pairs. A systematic design methodology based on genetic algorithm, was used, which allowed decreasing the circuit’s sensitivity to the circuit components’ variations. This continuous-time, 2-1 MASH ΣΔM has been designed in a 65 nm CMOS technology and it occupies an area of just 0.027 mm2. Measurement results show that this modulator achieves a peak SNR/SNDR of 76/72.2 dB and DR of 77dB for an input signal bandwidth of 10 MHz, while dissipating 1.57 mW from a 1 V power supply voltage. The ΣΔM achieves a Walden FoMW of 23.6 fJ/level and a Schreier FoMS of 175 dB. The innovations proposed in this circuit result, both, in the reduction of the power consumption and of the chip size. To the best of the author’s knowledge the circuit achieves the lowest Walden FOMW for ΣΔMs operating at signal bandwidth from 5 MHz to 50 MHz reported to date

Design and implementation of a wideband sigma delta ADC

Abstract. High-speed and wideband ADCs have become increasingly important in response to the growing demand for high-speed wireless communication services. Continuous time sigma delta modulators (CTƩ∆M), well-known for their oversampling and noise shaping properties, offer a promising solution for low-power and high-speed design in wireless applications. The objective of this thesis is to design and implement a wideband CTƩ∆M for a global navigation satellite system(GNSS) receiver. The targeted modulator architecture is a 3rdorder single-bit CTƩ∆M, specifically designed to operate within a 15 MHz signal bandwidth. With an oversampling ratio of 25, the ADC’s sampling frequency is set at 768 MHz. The design goal is to achieve a theoretical signal to noise ratio (SNR) of 55 dB. This thesis focuses on the design and implementation of the CTƩ∆M, building upon the principles of a discrete time Ʃ∆ modulator, and leveraging system-level simulation and formulations. A detailed explanation of the coefficient calculation procedure specific to CTƩ∆ modulators is provided, along with a "top-down" design approach that ensures the specified requirements are met. MATLAB scripts for coefficient calculation are also included. To overcome the challenges associated with the implementation of CTƩ∆ modulators, particularly excess loop delay and clock jitter sensitivity, this thesis explores two key strategies: the introduction of a delay compensation path and the utilization of a finite impulse response (FIR) feedback DAC. By incorporating a delay compensation path, the stability of the modulator can be ensured and its noise transfer function (NTF) can be restored. Additionally, the integration of an FIR feedback DAC addresses the issue of clock jitter sensitivity, enhancing the overall performance and robustness of the CTƩ∆M. The CTƩ∆Ms employ the cascade of integrators with feed forward (CIFF) and cascade of integrators with feedforward and feedback (CIFF-B) topologies, with a particular emphasis on the CIFF-B configuration using 22nm CMOS technology node and a supply voltage of 0.8 V. Various simulations are performed to validate the modulator’s performance. The simulation results demonstrate an achievable SNR of 55 dB with a power consumption of 1.36 mW. Furthermore, the adoption of NTF zero optimization techniques enhances the SNR to 62 dB.Laajakaistaisen jatkuva-aikaisen sigma delta-AD-muuntimen suunnittelu ja toteutus. Tiivistelmä. Nopeat ja laajakaistaiset AD-muuntimet ovat tulleet entistä tärkeämmiksi nopeiden langattomien kommunikaatiopalvelujen kysynnän kasvaessa. Jatkuva-aikaiset sigma delta -modulaattorit (CTƩ∆M), joissa käytetään ylinäytteistystä ja kohinanmuokkausta, tarjoavat lupaavan ratkaisun matalan tehonkulutuksen ja nopeiden langattomien sovellusten suunnitteluun. Tämän työn tarkoituksena on suunnitella ja toteuttaa laajakaistainen jatkuva -aikainen sigma delta -modulaattori satelliittipaikannusjärjestelmien (GNSS) vastaanottimeen. Arkkitehtuuriltaan modulaattori on kolmannen asteen 1-bittinen CTƩ∆M, jolla on 15MHz:n signaalikaistanleveys. Ylinäytteistyssuhde on 25 ja AD muuntimen näytteistystaajuus 768 MHz. Tavoitteena on saavuttaa teoreettinen 55 dB signaalikohinasuhde (SNR). Tämä työ keskittyy jatkuva-aikaisen sigma delta -modulaattorin suunnitteluun ja toteutukseen, perustuen diskreettiaikaisen Ʃ∆-modulaattorin periaatteisiin ja systeemitason simulointiin ja mallitukseen. Jatkuva-aikaisen sigma delta -modulaattorin kertoimien laskentamenetelmä esitetään yksityiskohtaisesti, ja vaatimusten täyttyminen varmistetaan “top-down” -suunnitteluperiaatteella. Liitteenä on kertoimien laskemiseen käytetty MATLAB-koodi. Jatkuva-aikaisten sigma delta -modulaattoreiden erityishaasteiden, liian pitkän silmukkaviiveen ja kellojitterin herkkyyden, voittamiseksi tutkitaan kahta strategiaa, viiveen kompensointipolkua ja FIR takaisinkytkentä -DA muunninta. Viivekompensointipolkua käyttämällä modulaattorin stabiilisuus ja kohinansuodatusfunktio saadaan varmistettua ja korjattua. Lisäksi FIR takaisinkytkentä -DA-muuntimen käyttö pienentää kellojitteriherkkyyttä, parantaen jatkuva aikaisen sigma delta -modulaattorin kokonaissuorituskykyä ja luotettavuutta. Toteutetuissa jatkuva-aikaisissa sigma delta -modulaattoreissa on kytketty peräkkäin integraattoreita myötäkytkentärakenteella (CIFF) ja toisessa sekä myötä- että takaisinkytkentärakenteella (CIFF-B). Päähuomio on CIFF-B rakenteessa, joka toteutetaan 22nm CMOS prosessissa käyttäen 0.8 voltin käyttöjännitettä. Suorityskyky varmistetaan erilaisilla simuloinneilla, joiden perusteella 55 dB SNR saavutetaan 1.36 mW tehonkulutuksella. Lisäksi kohinanmuokkausfunktion optimoinnilla SNR saadaan nostettua 62 desibeliin