Architectural Alternatives to Implement High-Performance Delta-Sigma Modulators

Le besoin d'appareils portatifs, de téléphones intelligents et de systèmes microélectroniques implantables médicaux s'accroît remarquablement. Cependant, l'optimisation de l'alimentation de tous ces appareils électroniques portables est l'un des principaux défis en raison du manque de piles à grande capacité utilisées pour les alimenter. C'est un fait bien établi que le convertisseur analogique-numérique (CAN) est l'un des blocs les plus critiques de ces appareils et qu'il doit convertir efficacement les signaux analogiques au monde numérique pour effectuer un post-traitement tel que l'extraction de caractéristiques. Parmi les différents types de CAN, les modulateurs Delta Sigma (��M) ont été utilisés dans ces appareils en raison des fonctionnalités alléchantes qu'ils offrent. En raison du suréchantillonnage et pour éloigner le bruit de la bande d'intérêt, un CAN haute résolution peut être obtenu avec les architectures ��. Il offre également un compromis entre la fréquence d'échantillonnage et la résolution, tout en offrant une architecture programmable pour réaliser un CAN flexible. Ces CAN peuvent être implémentés avec des blocs analogiques de faible précision. De plus, ils peuvent être efficacement optimisés au niveau de l'architecture et circuits correspondants. Cette dernière caractéristique a été une motivation pour proposer différentes architectures au fil des ans. Cette thèse contribue à ce sujet en explorant de nouvelles architectures pour optimiser la structure ��M en termes de résolution, de consommation d'énergie et de surface de silicium. Des soucis particuliers doivent également être pris en compte pour faciliter la mise en œuvre du ��M. D'autre part, les nouveaux procédés CMOS de conception et fabrication apportent des améliorations remarquables en termes de vitesse, de taille et de consommation d'énergie lors de la mise en œuvre de circuits numériques. Une telle mise à l'échelle agressive des procédés, rend la conception de blocs analogiques tel que un amplificateur de transconductance opérationnel (OTA), difficile. Par conséquent, des soins spéciaux sont également pris en compte dans cette thèse pour surmonter les problèmes énumérés. Ayant mentionné ci-dessus que cette thèse est principalement composée de deux parties principales. La première concerne les nouvelles architectures implémentées en mode de tension et la seconde partie contient une nouvelle architecture réalisée en mode hybride tension et temps.

Abstract

The need for hand-held devices, smart-phones and medical implantable microelectronic sys-tems, is remarkably growing up. However, keeping all these electronic devices power optimized is one of the main challenges due to the lack of long life-time batteries utilized to power them up. It is a well-established fact that analog-to-digital converter (ADC) is one of the most critical building blocks of such devices and it needs to efficiently convert analog signals to the digital world to perform post processing such as channelizing, feature extraction, etc. Among various type of ADCs, Delta Sigma Modulators (��Ms) have been widely used in those devices due to the tempting features they offer. In fact, due to oversampling and noise-shaping technique a high-resolution ADC can be achieved with �� architectures. It also offers a compromise between sampling frequency and resolution while providing a highly-programmable approach to realize an ADC. Moreover, such ADCs can be implemented with low-precision analog blocks. Last but not the least, they are capable of being effectively power optimized at both architectural and circuit levels. The latter has been a motivation to proposed different architectures over the years.This thesis contributes to this topic by exploring new architectures to effectively optimize the ��M structure in terms of resolution, power consumption and chip area. Special cares must also be taken into account to ease the implementation of the ��M. On the other hand, advanced node CMOS processes bring remarkable improvements in terms of speed, size and power consumption while implementing digital circuits. Such an aggressive process scaling, however, make the design of analog blocks, e.g. operational transconductance amplifiers (OTAs), cumbersome. Therefore, special cares are also taken into account in this thesis to overcome the mentioned issues. Having had above mentioned discussion, this thesis is mainly split in two main categories. First category addresses new architectures implemented in a pure voltage domain and the second category contains new architecture realized in a hybrid voltage and time domain. In doing so, the thesis first focuses on a switched-capacitor implementation of a ��M while presenting an architectural solution to overcome the limitations of the previous approaches. This limitations include a power hungry adder in a conventional feed-forward topology as well as power hungry OTAs.