Zeit-variante Architekturen und Stabilitätskriterien für Inkrementelle Sigma-Delta Modulatoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Maurits Ortmanns
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 288845960

Das beantrage Forschungsprojekt verfolgt das Ziel eines systematischen Entwurfsprozesses für inkrementelle Sigma-Delta A/D Umsetzer fortzusetzen. Diese Art von A/D Umsetzern zeigt im Stand der Technik besonders bei kleinen bis moderaten Umsetzraten und sehr hohen Auflösungen besonderes Potenzial; jüngste Arbeiten zeigen auf, dass auch gänzlich neue, schnelle ADC auf dem Prinzip von inkrementellen ADC arbeiten können. Bisherige Entwurfsansätze sind aber auf empirische Entwurfsregeln beschränkt, wenden meist das Wissen von kontinuierlich arbeitenden, normalen Sigma-Delta Wandlern an, haben nicht die Möglichkeit, Nichtidealitäten einzubeziehen, und bieten daher nicht die Möglichkeit eines systematischen Entwurfsprozesses. In Vorarbeiten wurde u.a. gezeigt, dass diese Art von ADC aufgrund der inkrementellen Arbeitsweise das Potenzial hat, zeitvariante Architekturen mit zeitabhängigen Nichtidealitäten gewinnbringend einzusetzen. Niedrige Nichtidealitäten zu Beginn und hohe Nichtidealitäten am Ende eines Umsetzungszyklus erlauben Leistungsersparnis bei fast gleich bleibender Performanz. Der Entwurfsprozess für solche zeitvarianten Architekturen und deren Optimierung gegenüber zeitvarianten Nichtidealitäten ist jedoch bisher nicht abschließend erforscht. Darüber hinaus ist der inkrementelle (mit einem zeitkontinuierlichen Schleifenfilter realisierte) Sigma-Delta Modulator ein zeitvariantes, gemischt zeitdiskret-zeitkontinuierliches System, das aufgrund der internen Quantisierung hochgradig nichtlinear ist. Obschon viele Analysemethoden für das Stabilitätsverhalten von frei laufenden Sigma-Delta Modulatoren beschrieben wurden, wird davon in der Praxis oft nur die einfachste Variante genutzt, von der in Simulationen oft gezeigt wurde, dass sie für inkrementelle ADC ungeeignet ist. Deshalb soll sich dieses Forschungsvorhaben neben dem optimalen Entwurfsprozess von zeitvarianten Architekturen von inkrementellen Wandlern außerdem deren Stabilitätsverhalten widmen. Stabilitätsmetriken werden auf die inkrementelle Arbeitsweise angewandt und mit gewöhnlichen adhoc Stabilitätsmetriken frei-laufender Sigma-Delta Modulatoren verglichen. Damit ist beabsichtigt, den Entwurfsprozess und schlussendlich die Leistungseffizienz für das Schaltungsdesign von inkrementellen Sigma Delta Wandlern maßgeblich zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen