Untersuchung rekonfigurierbarer Eigenschaften zeitdiskreter Signalverarbeitungssysteme und Entwurfsverfahren für rekonfigurierbare abgetastete Datensysteme der Nachrichtentechnik
Final Report Abstract
Die Kommunikationstechnik profitiert erheblich von Fortschritten in der Mikroelektronik. Ein Beispiel ist der Mobilfunkbereich, in dem in den letzten Jahren eine Vielzahl an verschiedenen Kommunikationsstandards entwickelt wurde. Um diese unterschiedlichen Standards zu unterstützen, wurden rekonfigurierbare digitale Systeme eingeführt, die mittlerweile sehr verbreitet sind. Dieser Trend motiviert die Entwicklung von rekonfigurierbaren analogen Schaltungen zur Unterstützung dieser Systeme. Da Komponenten in rekonfigurierbaren Schaltungen wiederverwendet werden, wird dadurch der benötigte Hardwareaufwand und somit die Leistungsaufnahme minimiert, was sich wiederum als vorteilhaft für portable Elektronik erweist. Das beantragte Projekt behandelt speziell das Thema der analog/digital-Umsetzung durch Delta-Sigma (??) Modulatoren. Bandpass-AE Modulatoren sind ein wichtiger Bestandteil von Telekommunikationssystemen, da sie die Datenwandlung im Zwischenfrequenzbereich ermöglichen, wodurch die Signalverarbeitung in den digitalen Teil verschoben wird. Aufder Architekturebene lassen sich Bandpass-AE Modulatoren durch Resonatoren realisieren. Die Resonatoren ihrerseits lassen sich entweder durch z-1 Verzögerungselemente oder zi / (1 - z-1) Integratoren ( i = 0,1) implementieren. Integratoren hingegen lassen sich sowohl direkt als auch durch rückgekoppelte z-1 Zellen verwirklichen. Die Kernidee des Projekts war daher eine Implementierung von z-1 Elementen auf Schaltungsebene in einer Switched-Capacitor Technik mit Hilfe von Operationsverstärkern. Dadurch soll eine optimale Ausnutzung und Chipfläche und eine reduzierte Leistungsaufnahme für rekonfigurierbare A E Modulatoren erreicht werden. Der erste Schritt war daher eine ausführliche Untersuchung der Realisierbarkeit dieser Idee. Um diesen Lösungsansatz und die Robustheit der entwickelten Schaltungen zu bewerten, wurden diese Schaltungen analysiert, hinsichtlich ihrer Nichtidealitäten modelliert und in einem Schaltungssimulator mit Hilfe von Monte-Carlo Simulationen simuliert. Es folgte eine Gegenüberstellung der Ergebnisse dieser Analysen für z-1- und Integrator-basierte Resonatoren. Eine wichtige Vorgabe war die Parametrisierbarkeit der Schaltung, d.h. zum Beispiel eine einstellbare Resonanz- und Betriebsfrequenz. Dabei wurde festgestellt, dass Resonatoren, die mit Hilfe von z-1 Zellen realisiert wurden, große Nachteile hinsichtlich der Effekte der nichtidealen Operationsverstärkereigenschaften aufweisen, die die oben genannte Idee nicht bzw. nur schwer und mit vielen Kompromissen umsetzbar machen. Eine alternative Herangehensweise, deren Erfolgsaussichten im weiteren Verlauf des Projekts bewertet wurden, verwendet anstatt der Operationsverstärker eine neue Klasse von Schaltungen, die auf Komparatoren basiert. Zeitdiskrete abgetastete Schaltungen, die nach diesem Prinzip arbeiten, werden als Komparator-basierte Switched-Capacitor (comparator-based switched-capacitor, CBSC) Schaltungen bezeichnet. Um die Realisierbarkeit dieser neuen Idee zu untersuchen, wurden sowohl Verzögerungszellen als auch Integratoren mit Hilfe des CBSC Prinzips implementiert. Diese Schaltungen wurden dann verwendet, um eine Reihe von Delta-Sigma Modulatoren unterschiedlicher Ordnung zu entwerfen. Eine dieser Implementierungen wurde einer praktischen Verifikation wegen in Form eines Siliziumchips verwirklicht, welches in einer 0,13 pm Technologie hergestellt wurde. Um die Verifikation durchzuführen, wurden geeignete Leiterplatten entworfen und in der Testumgebung eingesetzt. Das Ergebnis dieser neuen Untersuchungen kann als erfolgreich bewertet werden und weist interessante Perspektiven für zukünftige Entwürfe nach dem CBSC Prinzip auf. Obwohl in diesem Projekt nur Datenwandler betrachtet wurden, ist eine Anwendung der entwickelten Ideen auf weitere Klassen von Schaltungen wie zum Beispiel Filter und Verstärker oder neuere Technologiegenerationen naheliegend und vielversprechend.
Publications
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"Delta-sigma modulators based on a new class of switched-capacitor crcuits," in Proc. of Kleinheubacher Tagung, (Kleinheubach, Germany), Sep 2006
M. Momeni, D. Prelog, B. Horvat, and M. Glesner
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"Design of delta-sigma modulators with comparator-based switched-capacitor gain stages," in IEEJ Intl. AVLSIWS Digest of Technical Papers, (Hangzhou, China), pp. 6-12, Nov 2006
M. Momeni, D. Prelog, B. Horvat, and M. Glesner
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"Cascade delta-sigma modulator with pseudo-differential comparator-based switched-capacitor gain stage," Analog Integrated Circuits and Signal Processing, vol. 51, pp. 201-206, Jun 2007
D. Prelog, M. Momeni, B. Horvat, and M. Glesner
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"Analysis of circuit nonidealities in switched-capacitor resonators," in IEEJ Intl. AVLSIWS Digest of Technical Papers, (Istanbul, Turkey), pp. 115-120, Jul-Aug 2008
M. Momeni, D. Prelog, H.-P. Keil, and M. Glesner
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"Comparator-based switched-capacitor delta-sigma modulation," Journal of Contemporary Engineering Sciences, vol. 1, pp. 1-13, Jan 2008
M. Momeni, D. Prelog, B. Horvat, and M. Glesner
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"Comparison of opamp-based and comparator-based delta-sigma modulation," in Proc. Design, Automation and Test in Europe Conference and Exhibition, (Munich, Germany), pp. 688-693, Mar 2008
M. Momeni, P. B. Bacinschi, and M. Glesner
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"Impact of circuit nonidealities on the implementation of switched-capacitor resonators," in Proc. IEEE Asia-Pacific Conference on Circuits and Systems, (Macau, China), pp. 1624-1627, Nov-Dec 2008
M. Momeni, A. Guntoro, H.-P. Keil, and M. Glesner
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"Influence of circuit nonidealities on switched-capacitor resonators," in Proc. Intl. Conference on Signals and Electronic Systems. (Krakow, Poland), pp. 14-17. Sep 2008
M. Momeni, A. Guntoro, H.-P. Keil, and M. Glesner
