Low-pass CMOS Sigma-Delta Converter

A crescente necessidade em dar-se uma melhor saúde à população obriga ao desenvolvimento de novos e melhores dispositivos médicos. Atualmente, uma área de desenvolvimento importante é a de dispositivos portáteis para análise de sinais biológicos, tais como o eletrocardiograma ou o electroencefalograma, ajudando os profissionais de saúde a fazer rápidos diagnósticos no terreno, ou mesmo para serem usados por cidadãos que necessitem de vigilância constante. O desenvolvimento destes aparelhos traz novos desafios para a comunidade cientifica, nomeadamente na interface analógico/digital, na qualidade dos dados obtidos e no gasto energético. Para se conceber um bom dispositivos médico é necessário um conversor analógico/digital para frequências baixas, com baixo consumo energético e elevada resolução. Esta dissertação começa por fornecer ao leitor a teoria básica sobre conversores analógico/digital (ADC) e estado de arte. Como principal objetivo do trabalho desenvolvido, é descrito o desenho de um ADC baseado numa arquitetura Sigma-Delta que vá de encontro aos requisitos mencionados. O conversor foi implementado numa tecnologia 130 nm CMOS, usando uma frequência de amostragem de 1 MHz, com uma largura de banda de 1 kHz e tensão de alimentação 1,2 V. É usada, nos integradores do sigma-delta, uma invulgar tipologia de Opamp de forma a obter um ganho elevado, sem recurso a técnicas cascode. O quantizador possui uma resolução de 1,5 bits e é realizado com dois comparadores dinâmicos, de forma a minimizar o consumo energético.The growing need to provide better health for the population requires the development of new and better medical devices. Portable devices for the analysis of biological signals, such as the electrocardiogram or electroencephalogram, is nowadays an important development, helping health professionals to come up with fast diagnoses on the field, or even for use by citizens who require constant vigilance . Developing these devices brings new challenges to the scientific community, namely at the analog/digital interface, the quality of data and power consumption. In order to design a good medical device it is necessary an analog/digital converter for low frequencies, with low power consumption and high resolution. This dissertation begins by providing the reader with the basic theory of analog/digital (ADC) and its state of the art. The main goal of the work is the design of an ADC based on a Sigma-Delta architecture that meets the necessary medical requirements. The converter was implemented in a 130 nm CMOS technology using a sampling frequency of 1 MHz, with a bandwidth of 1 kHz, and a source voltage of 1.2 V. The integrators of sigma-delta employs an unusual Opamp typology in order to reach a high gain, without resourcing to cascode techniques. The quantizer has a resolution of 1.5 bits and is realized with two dynamic comparators, in order to minimize power consumption