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

Circuitos digitais e mistos CMOS com aplicação em medidor de energia

The design of digital and mixed CMOS integrated circuits for energy meters is required in applications where energy measurement systems are installed with fast processing and low power consumption. The great challenge is to understand its operation and investigate topologies and/or design methodologies that allow to solve the difficulties in the design of integrated digital and mixed circuits, in order to find a good compromise between processing speed, power consumed and occupied area. In this work we present the development of new digital and mixed circuits to be used in an energy meter. The digital circuits uses a bypassing technique which avoids redundant calculations. This technique was applied in the low power multiplier, reducing its consumption by 40%. For the high-pass filter, the power consumption was reduced by 15%. And the low-pass filter had the consumption reduced by 26%. A pseudo-parallel sigma-delta modulator that was optimized at system level to attain maximum SNR using minimum capacitance values so that speed requirements of the analog blocks could be alleviated in order to reduce power consumption. The developed PSDM was verified by post-layout simulations, reaching a dynamic range of 99.8 dB for a signal bandwidth of 2 kHz, with an oversampling ratio of 128, occupying an area of 0.16 mm2 and consuming only 52.5 µW.O projeto de circuitos integrados CMOS digitais e mistos para medidores de energia se mostra necessário em aplicações nas quais se deseja diagnosticar sistemas de medição de energia elétrica com rapidez de processamento e/ou baixo consumo de potência. O grande desafio está em compreender o seu funcionamento e investigar topologias e/ou metodologias de projeto que permitam solucionar as dificuldades no projeto de circuitos integrados digitais e mistos, com o objetivo de otimizar o compromisso entre rapidez de processamento, potência consumida e área ocupada. Neste trabalho apresentamos o desenvolvimento de novos circuitos digitais e mistos para serem utilizados em um medidor de energia. Os circuitos digitais se utilizam de uma técnica de desvio que evita cálculos redundantes. Essa técnica foi aplicada no multiplicador de baixo consumo, reduzindo seu consumo em 40%. Já para o filtro passa-altas, o consumo foi reduzido em 15%. E o filtro passa-baixas teve o consumo reduzido em 26%. Um modulador sigma delta pseudo-paralelo foi otimizado ao nível do sistema para atingir o SNR máximo usando valores de capacitância mínimos para que os requisitos de velocidade dos blocos analógicos pudessem ser aliviados para reduzir o consumo de energia. O PSDM desenvolvido foi verificado por simulações pós-leiaute, atingindo uma faixa dinâmica de 99,8 dB para uma largura de banda do sinal de 2 kHz, com uma razão de sobre-amostragem de 128, ocupando uma área de 0,16 mm2 e consumindo apenas 52,5 µW