Schleifenfilter höherer Ordnung mit reduzierter Anzahl von Operationsverstärkern in Sigma-Delta Modulatoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der effiziente Entwurf von Schleifenfiltern in Delta-Sigma-Modulatoren ist ein Schlüssel für moderne ADCs. Das Schleifenfilter bestimmt nicht nur die Ordnung der Rauschunterdrückung und damit das ideale Verhältnis des Signal zum Quantisierungsfehler (SQNR), sondern auch das thermische Rauschverhalten (eingangsbezogenes Rauschen), das Linearitätsverhalten und dominiert die Leistungsaufnahme. Die Intention dieses Projekts war, einen generellen Vorteil in der Realisierung des Schleifenfilters mit einer reduzierten Anzahl von Operationsverstärkern zu finden, einer Implementierung, die in der Literatur als Single-Opamp-Resonator (SOR)-Filter beschrieben wird. Da sich die Arbeit weniger vielversprechend entwickelte, als ursprünglich gedacht, wurde der Fokus auf die Untersuchung von leistungseffizienten Operationsverstärker-Architekturen erweitert; in der Literatur werden z. B. Inverter- und Ring-Verstärker (RAMP) basierte Operationsverstärker genannt; beide wurden in den letzten Jahren vereinzelt in Delta-Sigma-Modulatoren eingesezt. Im Rahmen des Projekts konnten wir zeigen, dass die in der Literatur zu findende allgemeine Aussage, dass die einfache Reduktion der Anzahl von Operationsverstärkern im Loopfilter auch die Leistungsaufnahme reduziert, so nicht zutrifft. Abhängig von der gewählten SOR Struktur werden die Anforderungen an die Schaltungsebene sehr hoch, was in der Tat zu einer höheren Leistungsaufnahme führt als bei der klassischen Kette von Integratorfiltern. Dennoch konnten wir in den Arbeiten zeigen, dass Nicht-Idealitäten in SOR basierten Schleifenfilter kompensiert werden können. Diese Möglichkeiten wurden modelliert und in eine existierende Online-Entwurfsumgebung www.sigma-delta.de integriert. Dort wird der Entwurf und die Kompensation der Nicht-Idealitäten heuristisch durchgeführt. Im Hinblick auf leistungseffiziente Operationsverstärker wurden sowohl inverterbasierte als auch ringverstärkerbasierte Designs untersucht. Für die Prototyp-Implementierung eines hocheffizienten Delta-Sigma-Modulators wurden dann dennoch inverterbasierte Verstärker gewählt, da RAMP in älteren Technologieknoten (verwendet wurde eine 180nm CMOS Technologie) eine geringere Leistungseffizienz aufweisen. Die Simulationsergebnisse der Schaltung zeigen, dass die Leistungseffizienz und die Performanz mit dem Stand der Technik konkurrieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Design Approach for Ring Amplifiers”. In: IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers 67.10 (2020), pp. 3444–3457
Joschua Conrad et al.
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“Compensation of Finite GBW in CT Bandpass SDMs Based on Single- OpAmp Resonators with Positive-Feedback”. In: 2021 IEEE 64rd International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS). 2021
Johannes Wagner et al.
