design of mixed-mode ics - module 3

126
Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais Mistos Jader A. De Lima UFSC, 2013 A/D Converters Prof. Jader A. De Lima

Upload: universidade-federal-de-santa-catarina

Post on 26-Jun-2015

338 views

Category:

Design


1 download

DESCRIPTION

A/D Converters

TRANSCRIPT

Page 1: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

A/D Converters

Prof. Jader A. De Lima

Page 2: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

A/D and D/A Converters

Page 3: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

High-speed ADC applications

Page 4: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Performance of recently published ADCs: resolution versus speed.

Page 5: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

ADC architectures trade-off

Page 6: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 7: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 8: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

ADC static transfer characteristic

Page 9: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Ex: 10-bit resolution ADC

Page 10: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

A/D Converter (Nyquist Rate)

Page 11: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 12: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 13: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 14: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• Differential Non-Linearity (DNL) error is the difference between an actual step width and the ideal value of 1LSB (or ± 0.5LSB);

• No missing codes: DNL should be less than 1LSB (+/- 0.5LSB)

Page 15: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 16: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• Integral Non-Linearity (INL) is defined as the maximum deviation of the ADC transfer function from the ideal transfer

Page 17: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Texas Instruments ADC104S021

Page 18: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 19: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 20: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 21: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 22: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

fin = 39.9KhzSNR ~80dB ~13 bits (ADC104S021)

SNR_IDEAL = 6.02 (N) +1.76 (only quantization noise!!)

(best-case: assumption that quantization noise is uniformly distributed)

Page 23: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

ENOB (Effective Number of Bits): A measure of overall accuracy under real-world conditions

Page 24: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

overall noise picked up by A/D

Page 25: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

generation of spurious second and third-order products

Page 26: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Assumption: quantization noise is uniformly distributed Real SFDR measurement

Page 27: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 28: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

THD < 0.001%@1KHz

Page 29: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

DC:i)integral and differential nonlinearity errors: irreducible distortion, as ADC output is not continuous , but quantized. Even perfect ADC exhibit some integral and differential nonlinearity.ii)noise:

a: quantization error - inherent to data conversion processb: generated within the converter itself.

iii)channel-to-channel offset: difference in the characteristics of analog input channels

Error (Distortion) Sources in ADCs

AC:i)THD: ratio of all harmonics generated to the original signal frequency.ii)channel crosstalk: signal interference analog input channels.

Page 30: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 31: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 32: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• 2N – 1 comparators • typically consume more power than other ADC architectures• generally limited to 8-bits resolution• relatively low resolution and expensive• ideal for applications requiring very large bandwidth • exceed giga-sample per second (Gsps) conversion rates• each comparator represents 1 LSB• output code can be determined in one compare cycle.

FLASH ADC

Page 33: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 34: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

00111111

00001111

00000001

01100110

01111111

00000111

00001111

00011111

00000011

00111100

01010101

00001111

00110011

Thermometer Gray Binary

G3 G2 G1 B3 B2 B1T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Page 35: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 36: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 37: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• Typical CMOS comparator

Page 38: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Latch Regeneration

• exponential regeneration due to positive feedback of M7 and M8

VDD

VSS

Vo

Φ PA tracking Latch reseting

Latchregenrating

Vo+

Vo-

Page 39: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

(1) large differential input voltage(2) small differential input voltage (3) zero differential input voltage

ΔVIN: the differential input voltage at the time of latching, A = the gain of the preamp at the time of latching, = regeneration time constant of the latch, t = the time that has elapsed after the comparator output is latched

Page 40: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 41: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Interpolation A/D Converters

Page 42: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Uniformly spaced zero-crossings in flash ADCs

……

Vi

VR1

VR2

VR3

Vo1

Vo2

Vo3

Vo1 Vo

2 Vo3

VR1 VR

2 VR3

Page 43: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Resistive Interpolation

• Intermediate zero-crossings are recovered by interpolation.

• DNL is improved by voltage interpolation.

• Requires overlapped linear regions b/t adjacent preamps.

Vo1 Vo

2 Vo3

VR1 VR

2 VR3

……

Vi

VR1

VR3

Vo1

Vo2

Vo3

Page 44: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Interpolation Nonlinearity

• Nonlinear TF of preamps cause errors in the interpolated zero-crossings.

• Interpolation nonlinearity directly translates into DNL and INL.

• Impedance mismatch due to interpolation also causes dynamic errors.

VA

VB/4+VA*3/4

VA/2+VB/2

VB*3/4+VA/4

VB

A

B

A

B

Page 45: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 46: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 47: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

4-bit interpolating flash A/D Converter

2n latches

Page 48: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Integrating A/D Converter

• input voltage (-VIN) is integrated for a fixed number of clock periods, 2n.

• It then"de-integrates" Vmax by changing to +VREF at input and counts the number of clock cycles k until it crosses zero.

• since peak amplitudes of rising and falling ramps are equal

ref

inn

V

V2k

• Single, dual and multi-slope ADCs can achieve high resolutions of 16-bits or more are relatively inexpensive and dissipate materially less power.

Page 49: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 50: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Successive-approximation A/D

• quick convertion time and moderate complexity• binary-search algorithm

Page 51: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• The method uses one clock period for the S&H and one clock period for the determination of every bit (n + 1) clock intervals for an n-bit conversion

Page 52: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Pipeline (sub-ranging, half-flash) A/D Converter• it reduces the number of bits to be converted into smaller groups, which are then run through a lower resolution flash converter.• 100Msps at 8 to 14-bit resolutions• compared to a flash converter, this approach reduces the number of comparators and logic complexity

Page 53: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Component Accuracy

•Digital error correction does not correct gain or linearity errors in the individual DAC and gain amplifiers.

•The front-end S&Hs and DAC actually need about, say,12-bit accuracy, whereas the components in subsequent stages require less accuracy (for example, 10-bit accuracy for Stage 2, 8-bit for Stage 3, and so forth).

•This need for reduced accuracy is because the later stages’ error terms are divided down by the preceding interstage gain(s).

•This fact is often exploited to save additional power by making the pipelined stages progressively smaller

Page 54: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

2-bit stage:

Page 55: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• each stage resolves a few bits quickly and transfers the residue to the followingstage so that the residue can be resolved further in the subsequent stages

• on each stage a DAC converts the output of the coarse ADC back to analog and subtracts from the input. The residue is then amplified.

latency time increases with number of stages K. Delay = (K+1) clock cycles

Page 56: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

two-step algorithm: two clock periods, one for converting the MSBs and the other for the LSBs.

Page 57: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 58: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

http://www.maximintegrated.com/app-notes/index.mvp/id/1023

Page 59: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Charge-Redistribution Successive Approximation ADC

Page 60: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• Ex: 5-bit charge-redistribution A/D Converter

1. Sample Mode: in this first step, all capacitors are charged to Vin

Page 61: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

2. Hold Mode: The comparator is activated by opening S2, and then all capacitors are switched to ground Vx = -VinS1 is switched, so that VREF is applied to the capacitor array, during next step (bit cycling)

Page 62: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

3. Bit cycling: The largest capacitor (16C in the example) is switched to VREF Vx = -Vin + VREF/2. If VX is negative, then Vin > VREF/2 and MSB capacitor (16C) remains connected to VREF, with b1 considred now =1. Otherwise, the MSC capacitor is reconnected to ground and b1 is taken as 0. This process is repeated N times, with a smaller capacitor being switched each time, until the conversion is finished.

Page 63: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 64: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Exercise: Find intermediate node voltages at Vx during the operation of the 5-bit ADC below, when Vin = 1.15V and VREF = 2V.

Page 65: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

A/D Converters

Page 66: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

SNR = 6.02N + 1.76dB

noise energy spread over a wider frequency range

Page 67: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 68: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 69: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• each factor-of-4 oversampling increases the SNR by 6dB, and each 6dB increase is equivalent to gaining one bit.•A 1-bit ADC with 24x oversampling achieves a resolution of four bits• to achieve 16-bit resolution , one must oversample by a factor of 415, which is not realizable noise shaping technique

Page 70: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

( )OSRNSNR log1076.102.6 dB

4x OSR → 6 dB = 1bit

oversampling alone is not efficient enough to improve SNR in the band of interest.

Page 71: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Noise Shaping:

• Integrator has a high-pass response to quantization noise

Page 72: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 73: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

with noise shaping (first-order loop):

( )OSRNSNR 2log03.917.576.102.6 dB

2x OSR → 1.5bit resolution

( )OSRNSNR 10log3017.576.102.6 dB

Page 74: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

to prevent aliasing

• anti-alias filtering at ADC input

Page 75: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• Aliasing means that frequency components in ADC input signal higher than half the sampling rate of the ADC, appear in the sampled signal at a frequency below half the sampling rate.

Page 76: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Delta modulation and demodulation

Predictor of x(t)

Page 77: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• Delta modulation is based on quantizing the signal amplitude change from sample to sample rather its absolute value (rate of change)

• since the integrator output tries to predict the input x(t), the integratorworks as a predictor.

• prediction-error term x(t) – x(t) is quantized and used to make the next prediction.

• prediction error (delta modulation output) is integrated in the receiver just as it is in the feedback loop receiver predicts the input signals

Page 78: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 79: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

modulation

Page 80: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 81: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• Bitstream: one-bit serial signal with a very high bit rate - its average level represents the average input signal level.

Page 82: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 83: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• the term Sigma-Delta comes from putting the integrator (sigma) in front of the delta modulator. modulator produces a bitstream, whose average level represents the input signal level.

• input to the integrator is the difference between the input signal x(t) and thequantized output value y(n), converted back to the predicted analog signal, x(t).

• difference x(t) - x(t) at the integrator input is equal to the quantization error.

• error is summed up in the integrator and then quantized by the 1-bit ADC

Page 84: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 85: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 86: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 87: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• in each clock cycle, output of the modulator is either plus or minus full scale, according to the results of the 1-bit A/D conversion

• when the sinusoidal x(t) is close to a plus full scale, the output is positive during most clock cycles. Conversely, when x(t) is close to minus full scale, output is mostly negative. In both cases, the local average of the modulator output tracks the analog input.

• When x(t) is near zero, the modulator output varies rapidly between a plus and aminus full scale with approximately zero mean.

Page 88: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• if the analog input is 0V (ac), the integrator will have no tendency to ramp either positive or negative, except in response to the feedback voltage

FF output will continually oscillate between "high" and "low," as the feedback system goes back and forth, trying to maintain the integrator output at 0V.

Page 89: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• averaging 4 samples gives 2 bits of resolution• averaging 8 samples gives 3 bits of resolution

Page 90: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 91: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 92: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Comparator (discretizer)

• loop integrates the error between the sampled signal and the input signal• signal is low-passed and noise is high-passed the signal is left unchanged as long as its bandwidth doesn’t exceed the filter’s cutoff frequency, but the Σ−Δ loop pushes the noise into higher frequencies

Page 93: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 94: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 95: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 96: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 97: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Spectrum of 2nd-order modulator

Ref: Schreirer and Temes, Understanding Delta-Sigma Data Converters, IEEE Press

Page 98: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• 2nd-order modulator

• Continuous-Time (CT) Integrators

Page 99: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• 2nd-order modulator

• Discrete-Time (DT) Integrators

Page 100: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 101: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

( )( )12

22 12122

3

L

xOVR

BLASNR

• L : loop order• B: no. of bits in discriminator• Ax = 2B - 1

Page 102: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 103: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 104: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Ref: Kester, M. - Analog Devices, MT - 022 Tutorialhttp://www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-022.pdf

Page 105: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

OL (overload level) : defined as the maximum input signal amplitude for which A/D still operates correctly

Ref: Marques et al. “Optimal Parameters for Modulator Topologies”, IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS—II: ANALOG AND DIGITAL SIGNAL PROCESSING, VOL. 45, NO. 9, SEPTEMBER 1998

Page 106: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

2nd-order 1-bit SD; OSR = 1024MHz/(2 x 3.4Khz) = 150.5

Ref: Daubert et al. “A Transistor-Only Current-Mode C A Modulator”, IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 27. NO. 5. MAY 1992

Page 107: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Ref: Matlab + Simulink analysis, J A De Lima

Page 108: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• decimation is used in a ADC to

i)downsampling (eliminate redundant data at the output); re-sample the signal at Nyquist rate. ii)attenuate noise above baseband

• Nyquist theorem: sample rate only needs to be 2x the input-signal bandwidth to reliably reconstruct the original signal

• However, the input signal was grossly oversampled to reduce the quantization noise

there is redundant data that can be eliminated without introducing distortion to the conversion result.

Decimation

Page 109: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Decimation reduces the original sampling rate to a lower rate, the opposite of interpolation.

Essentially, decimation is both an averaging filter functionand a rate reduction function performed simultaneously.

output sampling rate by ignoring all but every Mth sample

Page 110: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 111: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 112: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 113: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• decimation comb filter

• programmable decimation ratio

• the digital filter is generally designed so that zeros occur at the mainsfrequencies of 50 Hz/60 Hz.

Page 114: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 115: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• - ADC can also be viewed as a synchronous voltage-to-frequency converter followed by a counter.

“If the number of "1"s in the output data stream is counted over a sufficient number of samples, the counter output will represent the digital value of the input”

•This method of averaging only works for dc or very slowly changing input signals. •2N clock cycles must be counted in order to achieve N-bit effective resolution, thereby severely limiting the effective sampling rate.

Page 116: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 117: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 118: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

SIGMA – DELTA BLOCK

DECIMATION FILTER

Analog input

1100000110000011 Avg.= (6/16 )= 0.375

0110

16 - one bit stream

One 4 - bit representation

16:1 Decimation

Over sampled at 16 times

Page 119: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

speed is exchanged for resolution

Page 120: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1

0

1In

pu

tDecimation from fs' = 30720 Hz to fs = 1920 Hz (16:1)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

0.5

1

Sig

ma

De

lta

Ou

tpu

t

0 10 20 30 40 50 60-1

0

1

Decim

ate

d o

utp

ut

Page 121: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

http://www.triadsemi.com/2007/01/25/how-to-design-a-16-bit-sigma-delta-analog-to-digital-converter/

Page 122: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 123: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 124: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

Page 125: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

• Both output transistors operate in push-pull mode

• bitstream is amplified to the high level of the power supply and is available at the output with low impedance

Page 126: Design of Mixed-Mode ICs - Module 3

Introdução ao Projeto de CI´s de Sinais MistosJader A. De Lima UFSC, 2013

MeritsHigh resolution at Low costVery efficient noise handlingLess stringent Anti-aliasing filter requirements

DemeritsSeveral clock cycles settling time or latency due to

delays in digital filtering stageLonger conversion time, typically 100000 samples/s for

16-bit resolution and 1000 samples/s for 24-bit resolutionLimited to low frequency applications as over sampling

becomes tough for high frequency applications