Academic literature on the topic 'Discrete Time Sigma Delta Modulation'

Les amplificateurs de puissance, éléments constitutifs essentiels de tout système de télécommunication, vont jouer un rôle capital dans le développement des futurs systèmes de communication. Aujourd'hui l'amélioration des amplificateurs de puissance nécessite un progrès technologique au niveau du composant lui même mais doit aussi tenir compte d'une approche plus globale. En particulier, le progrès dans les traitements numériques permet aujourd'hui de corriger en amont certaines distorsions qui seront générées en aval de la chaîne de communication. La pré-distorsion numérique est une technique de correction des amplificateurs de puissance qui connaît un intérêt grandissant de par son intégration complètement numérique et par les gains en linéarité et en consommation. Cette technique nécessite une voie de retour dont un élément critique est le convertisseur analogique-numérique. Ce composant doit répondre à des contraintes de résolution, de bande passante et de linéarité élevées. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle architecture de convertisseur analogique-numérique à base de modulateurs Sigma-Delta passe-bande. Cette architecture tire partie du fonctionnement passe bande des modulateurs que nous faisons travailler en parallèle, chacun centré sur différentes fréquences, mais aussi d'un agencement en cascade particulier pour éliminer le signal utile, qui est de forte puissance, dans le but de diminuer les contraintes de dynamique.La conception haut niveau et les simulations ont été menées pour des systèmes à temps discret et aussi à temps continu et a nécessité le développement d'outils adaptés de simulation se basant sur la boîte à outils Delta Sigma Toolbox de Richard Schreier<br>Power amplifiers, which are essential elements of any communication system, will play a crucial role in the development of future communication systems. Today improving power amplifiers requires technological advances at the circuit device level, but one also must consider a more global approach. In particular, advances in digital processing can now correct in the early stage of the communication chain some distortions that are generated downstream in the chain. Digital pre-distortion is a correction technique for power amplifiers that has a growing interest because of its completely digital implementation and of its gains in linearity and energy consumption. This technique requires a feedback path where the analog-to-digital converter is a critical element. This component must satisfy the constraints of high resolution , wide bandwidth, and high linearity. In this thesis, we propose a new architecture of analog-to-digital converter based on bandpass Delta-Sigma modulators. This architecture takes advantage of operating bandpass modulators that are designed to work in parallel, each focusing on different frequencies, but also of a particular cascading arrangement to eliminate the useful signal, which has a high power, in order to reduce dynamics constraints. High-level design and simulations were carried out for discrete time and continuous time systems and also required the development of appropriate simulation tools

Dans cette thèse, les recherches ont été menées à des niveaux d'abstraction différents pour optimiser le fonctionnement du modulateur ΣΔ passe-haut (PH). Une approche « top-down » est adoptée pour atteindre cet objectif. Au niveau de l'architecture du récepteur RF, le nouvellement créé récepteur Fs/2 est sélectionné pour sa grande compatibilité avec modulateur ΣΔ PH comparé aux architectures de réception: zéro-IF et faible-IF. Après avoir défini la topologie du récepteur, l'architecture du modulateur ΣΔ est adressée. Nous proposons une nouvelle architecture du deuxième ordre dont la fonction de transfert du signal est unitaire. Elle est plus avantageuse que d'autres topologies en termes de complexité et de performance. Puisque le modulateur de second ordre est incapable de fournir les performances requises, les structures en cascade ou MASH pour l'opération PH sont explorées. La topologie GMSCL (Generalized Multi-Stage Closed Loop) est choisie et une technique récemment proposée est appliquée pour linéariser le CNA de retour. En plus, cette technique augmente la plage dynamique du convertisseur. Ensuite, après une analyse comparative approfondie, le meilleur filtre HP est choisie pour ce modulateur. Il a les avantages d'avoir une basse consommation, une superficie réduite et un bruit moins important. Enfin, l'architecture GMSCL PH proposée est validée en CMOS 65nm. Les applications visées sont l'UMTS avec 3.84MHz bande de conversion à 80 dB de la plage dynamique et WiMAX avec 25MHz de bande passante à 52dB de dynamique.

Les récentes avancées technologiques des microphones de type microsystème électromécanique (MEMS) leurs permettent une utilisation sur une large gamme d’amplitudes sonores. Leur niveau de bruit ayant baissé, il devient possible de capter des sons provenant d’une distance plus lointaine, tandis que l’augmentation de leur pression acoustique maximale leur permet de ne pas saturer dans un environnement très bruyant de type concert ou évènement sportif. Ainsi le système électronique de conversion analogique-numérique connecté au microphone devient l’élément limitant les performances du système d’acquisition acoustique. Un besoin de nouvelles architectures de conversion analogique-numérique ayant une plage dynamique augmentée se fait donc ressentir. Par ailleurs, ces microphones étant de plus en plus utilisés dans des systèmes fonctionnant sur batterie, la contrainte de limitation de la consommation devient importante.Dans la bande de fréquences audio, les convertisseurs analogiques-numériques de type sigma-delta sont les plus aptes à obtenir une grande résolution combinée à une faible consommation. Ils sont divisés en deux grandes familles: ceux à temps discret utilisant principalement des circuits à capacités commutées, et ceux à temps continu utilisant des circuits classiques. Cette thèse se concentre sur l’étude et la conception de chacun des deux types de convertisseurs sigma delta, en insistant sur la faible consommation, le faible coût de production (surface occupée) et la robustesse du circuit, cela en vue d’une production de masse pour équipements portables.La conception d’un convertisseur analogique numérique de type sigma-delta à temps discret a été réalisé, ce dernier atteignant un rapport signal sur bruit de 100 décibels sur une bande de 24kHz, pour une puissance consommée de seulement 480μW. Pour limiter la consommation, de nouveaux amplificateurs à base d’inverseurs sont utilisés, et dont la robustesse contre les variations du procédé de fabrication ou de la température a été améliorée. Les spécifications ont été définies grâce au développement d’un modèle de haut-niveau précis, ce qui permet d’éviter le surdimensionnement tout en atteignant les performances voulues. Enfin, un grand ratio de suréchantillonnage a été choisi afin de réduire l’espace utilisé par les capacités commutées, minimisant le coût de fabrication.Après une étude théorique de l’équivalence entre les modulateurs sigma-delta à temps discret et à temps continu, ainsi que des spécificités propres aux modulateurs à temps continu, une réalisation de ces derniers a été effectuée. Celui-ci atteint un rapport signal sur bruit de 95 décibels sur une bande de fréquence de 24kHz, tout en consommant 142μW. Pour réduire la consommation ainsi que l’espace utilisé, un filtre de boucle du second-ordre a été réalisé avec un seul amplificateur, et le quantificateur fait aussi office d’intégrateur grâce à l’utilisation d’une structure d’oscillateurs contrôlés en tension. Ce quantificateur à base d’oscillateurs est réalisé par des cellules numériques, réduisant la consommation et l’espace utilisé, mais est hautement non-linéaire. Cette non-linéarité a été prise en compte par des choix architecturaux afin de ne pas réduire les performances finales du modulateur<br>The recent technological advances in microelectromechanical system (MEMS) microphones allow them to be used on a large sound amplitude range. Due to their lower noise level, it becomes possible to capture sound from a faraway distance, while their increased acoustic overload point gives them the ability to capture sound without saturation in a loud environment like a concert or a sport event. Thus, the electronic analog / digital conversion system connected to the microphone becomes the limiting element of the acoustic acquisition system performance. There is then a need for a new analog / digital conversion architecture which has an increased dynamic range. Furthermore, since more and more of these microphones are used in battery-powered devices, the power consumption limitation constraint becomes of high importance.In the audio frequency band, the sigma-delta analog / digital converters are the ones most able to provide a high dynamic range combined to a limited power consumption. They are split in two families: the discrete-time ones using switched-capacitors circuits and the continuous-time ones using more classical structures. This thesis concentrates on the study and the design of both of these two types of sigma-delta converters, with an emphasis on the low-power consumption, the low production cost (area occupied) and the circuit robustness, in sight of a mass production for portable devices.A discrete-time sigma-delta modulator design has been made, the latter reaching a signal to noise ratio of 100dB on a 24kHz frequency bandwidth, for a power consumption of only 480μW. To limit the power consumption, new inverter-based amplifiers are used, with an improved robustness against the variations of the fabrication process or the temperature. Amplifier specifications are obtained thanks to an accurate high-level model developed, which allows to avoid over-design while ensuring that the wanted performances are reached. Finally, a large oversampling ratio has been used to reduce the switched-capacitors area, lowering the modulator cost.After a theoretical study of the equivalence between discrete-time and continuous-time modulators, and of continuous-time modulators specificities, a design of the latter has been made too. It reaches a signal to noise ratio of 95dB on a 24kHz bandwidth, while consuming 142μW. To reduce the power consumption and the occupied area, a second-order loop filter is implemented using a single amplifier, and the quantizer uses a VCO-based structure that provides inherently an integrating stage. The VCO-based quantizer is made using digital cells, lowering the consumption and area, but is highly non-linear. This non-linearity has been handled by architectural choices to not influence the final modulator performances

The design of several low-pass IIR time-mode filters for use as reconstruction filters in digital-to-time conversion (DTC) applications is proposed. Previously, such reconstruction filters were implemented using phase-locked loops. The proposed filters are constructed from a simple digital-like structure involving voltage-controlled delay units. The resulting circuits require very small silicon area and consume very little power. A first-order filter design for wideband reconstruction applications was fabricated in a 0.13 um CMOS process occupying a silicon area of 170 um x 100 um and consumes 670 uW. The results prove for the first time that the concept of time-mode filtering is feasible in a CMOS monolithic process. Another design, intended for narrowband sigma-delta phase signal generation applications, is proposed that utilizes similar building blocks but uses a filter topology that is better suited for implementations with transfer functions having low-frequency poles. High-order realizations can be constructed as a cascade of several first-order sections. Such an approach will be demonstrated in the design of a sigma-delta phase-encoding signal-generation scheme.<br>Dans cette dissertation nous proposons plusieurs filtres IIF passe-bas qui opèrent en mode temps. Ces dispositifs sont conçus pour être utilisé comme filtres de reconstruction dans les convertisseurs numérique-temps (CNT). Dans le passé, de tels filtres ont été implémenté à partir de boucles à verrouillage de phase. Les filtres proposés dans cette thèse sont construits à partir d'une simple structure numérique impliquant des unités de retards commandés en tension. Les circuits résultant de cette approche requièrent de petites surfaces sur silicium et consomment très peu d'énergie. Un filtre du premier ordre pour les applications larges bandes a été fabriqué dans un processus CMOS 0.13 um. Le filtre occupe une surface de silicium de 170 um x 100 um et consomme 670 uW. Les résultats montrent pour la première fois que la notion de filtrage en mode temps est possible dans un processus CMOS monolithique. Un autre filtre destiné à des applications de génération de signal de phase sigma-delta à bande étroite est aussi proposé. Ce filtre utilise des blocs de construction similaire au premier mais utilise une topologie qui est mieux adapté pour les implémentations de fonctions de transfert ayant des pôles à forte valeur de Q. Les filtre d'ordre supérieur peuvent être construits en cascadant plusieurs filtres du premier ordre. Une telle approche sera démontrée par la conception d'un système de génération de signaux de phase codes en sigma-delta.

An anti-aliasing filter that incorporates a sampler is proposed. Its architecture is inspired by the anti-aliasing filtering property of continuous-time (CT) delta-sigma (DS) modulators. However, contrary to CT DS modulators, the proposed sampling anti-aliasing filter is not sensitive to clock jitter. Furthermore, its key characteristics include: 1) high suppression of aliases - for example, compared to a Butterworth filter of the same order - owing to its notches at multiples of the sampling frequency; 2) high-pass shaping of sampling errors, similar to the shaping of quantization noise in DS modulators; and 3) its alias suppression is preserved over a broad range of sampling frequencies, thereby enabling its use as a general-purpose intellectual property (IP) block. Thus, the proposed sampling anti-aliasing filter is particularly attractive at the input of noise-shaping analog-to-digital converters (ADCs), such as discrete-time (DT) DS ADCs. Its performance advantages are derived theoretically and confirmed through simulations.<br>Un filtre anticrénelage qui incorpore un échantillonneur est proposé ci-après. Son architecture s'inspire des proprietés d'anticrénelage des modulateurs delta-sigma (DS) en temps continu (TS). Néanmoins, contrairement aux modulateurs DS TC, le filtre proposé n'est pas victime de la sensibilité au bruit d'horloge. De plus, ce filtre anticrénelage possède entre autres les qualités suivantes: 1) Réduction élevée des créneaux non désirés - en comparaison par exemple aux crénaux d'un filter Butterworth du même ordre - ceci grâce à la présence de points rejet dans le réponse du filtre aux multiples de la fréquence d'èchantillonnage; 2) Transformation passe-haut des erreurs d'échantillonnage, de façon similaire à la transfomation du bruit de quantification dans les modulateurs DS; 3) Préservation de la suppression des créneaux a travers une bande large de fréquences d'échantillonnage; ce qui en permet l'usage banalisé sous forme de block de propriété intellectuelle (PI). Ainsi, le filtre d'échantillonnage anticrénelage proposé ci-après est particulièrement adéquat à l'entrée de la transformation de bruit d'un convertisseur analogue-numérique (CAN) comme les CAN a temps discrets. La performance de ce filtre est dérivée de manière théorique et confirmée par des simulations.