Analysis and Design of a Wide-Bandwidth Low Power Sigma-Delta ADC in CMOS Technology

L’evoluzione delle tecnologie CMOS ha portato a molte sfide per i designer di circuiti analogici. La riduzione delle dimensioni dei transistor ha un grande impatto sul design del circuito analogico, in quanto ne degrada in modo considerevole le performance. Ad esempio, la ridotta tensione di alimentazione e la degradazione delle caratteristiche dei dispositivi sono problemi inevitabili per i designer di dispositivi CMOS. In quanto interfaccia tra i circuiti analogici e quelli digitali, il convertitore Analogico Digitale (ADC) si sta muovendo verso tecnologie CMOS ultra-scalate al fine di godere dei vantaggi che lo scaling tecnologico porta sulla circuiteria digitale. Questo pone una crescente difficoltà nel design degli ADC. I convertitori Sigma-Delta sono dei promettenti candidati per la conversione analogico-digitale (A/D). La ragione di ciò è duplice. Da un lato, a differenza degli altri convertitori che necessitano di elementi molto performanti per ottenere risoluzioni elevate, i convertitori Sigma-Delta mostrano una elevata robustezza alle imperfezioni dei blocchi che li compongono. Questo è ottenuto grazie ad un esteso utilizzo di cricuiteria digitale, che nelle tecnologie CMOS scalate risulta preferibile grazie al suo basso consumo di potenza e all’elevata densità. D’altra parte, anche il numero di applicazioni industriali è cresciuto. Infatti, a cominciare dalle prime applicazioni in campo audio, possiamo trovare convertitori Sigma-Delta in una gran varietà di interfacce A/D, come strumentazioni biomediche fino al campo delle comunicazioni. Nonostante l’architettura Sigma-Delta sia un soggetto ormai maturo, ci sono tutt’ora diverse questioni irrisolte. A causa della presenza di un elemento fortemente non lineare, il quantizzatore, all’interno del loop di feedback, l’analisi esatta della modulazione Sigma-Delta risulta complicata. In questa tesi, un approccio a livello circuitale e a livello di sistema viene presentato per il design di un convertitore ADC a bassa potenza e a bassa tensione di alimentazione in tecnologia nanometrica CMOS. Nella prima parte di questo lavoro, viene introdotta una particolare topologia Sigma-Delta adatta al design di convertitori in tecnologia nanometrica. La caratteristica piú portante di questa topologia è la funzione di trasferimento tra ingresso e uscita unitaria. Viene presentata un’analisi dettagliata, portando alla scelta ottimizata di parametri di sistema. Viene inoltre presentata una nuova circuiteria digitale per estendere l’uso del modulatore Sigma-Delta a bande più elevate. La seconda parte di questa tesi è dedicata al design circuitale. Il principale raggiungimento di questo lavoro è un modulatore Sigma-Delta in tecnologia 65nm con un range dinamico di 94dB. Il consumo di potenza è 407uW in un banda di 500kHz con una tensione di alimentazione di 1.2V. Questo design dimostra che la topologia Sigma-Delta feedforward è una scelta eccellente per il design di ADC a bassa potenza, elevata banda ed elevata risoluzione in tecnologie nanometriche CMOS.