Projeto do Modulador Sigma Delta

A Figura 4.34 apresenta o esquemático completo do modulador sigma delta. O circuito de teste é apresentado na Figura 4.35. O arquivo em formato SPICE completo do modulador, é apresentado no Anexo B.

A freqüência de sobre-amostragem utilizada é de 5MHz. A tensão de alimentação do circuito é de 5V. As tensões de referência são de +0.75 e -0.75V em torno de um nível médio de 2.5V. Estas tensões de referência inicialmente serão fontes de tensão externas ao chip, e posteriormente, serão implementadas internamente ao chip.

Para analisar o bitstream gerado pelo modulador, os resultados gerados pelo simulador são salvos em um arquivo texto (.txt). Este arquivo contém os valores de tensão de saída do modulador (0 ou 5V), de acordo com a período de amostragem (a cada 200ns, o que corresponde a uma freqüência de 5MHz). Após, analisa-se o bitstream no domínio da freqüência, utilizando-se um script escrito para Matlab.

Como sinal de teste na entrada do modulador, utilizou-se sempre um sinal senoidal de freqüência de 5kHz, devido ao elevado tempo de simulação. A Figura 4.36 e a Figura 4.37 apresentam o resultado da densidade espectral de potência (Power Spectral

Density – PSD) para um sinal de entrada de 1V de amplitude. A Figura 4.38 e a Figura

4.39 apresentam a PSD para um sinal de entrada de amplitude de 0.3V de amplitude. Considerou-se que o valor máximo de entrada do modulador deve ser de 1V de amplitude, ou seja, o modulador aceita um sinal com tensões entre 1.5 e 3.5V (pois as tensões de alimentação são de 0 e 5V).

Foram testados diferentes valores de tensões de entrada. A Figura 4.40 apresenta o resultado de relação sinal ruído para diferentes níveis de tensão de entrada, onde 0 dB representa a tensão de 1V de amplitude. A relação sinal/ruído atinge um valor máximo de 90dB para uma tensão de entrada de 0.3V (ou -10dBV). A extrapolação da curva da Figura 4.40 mostra que o modulador tem uma faixa dinâmica (dynamic range) de 100dB, o que resulta numa resolução efetiva de 16bits.

Figura Figura P S D [ d B ] P S D [ d B ] Figura Figura -200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 -200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 Figura 4. Figura 4. 0 Figura .36 – .37 – 0.2 Figura – PSD do – PSD do 0.2 0.4

PSD of a 1st-Order Sigma-Delta Modulator (detail)

103 Figura 4.35

PSD do

PSD do 0.4

PSD of a 1st-Order Sigma-Delta Modulator (detail)

PSD of a 2nd-Order Sigma-Delta Modulator 35 –

PSD do bitstream

PSD do bitstream 0.6

PSD of a 1st-Order Sigma-Delta Modulator (detail)

PSD of a 2nd-Order Sigma-Delta Modulator Esquema de

bitstream

bitstream

0.6

PSD of a 1st-Order Sigma-Delta Modulator (detail)

PSD of a 2nd-Order Sigma-Delta Modulator Esquema de

bitstream

bitstream

0.8

PSD of a 1st-Order Sigma-Delta Modulator (detail)

Frequency [Hz]

104

PSD of a 2nd-Order Sigma-Delta Modulator

Frequency [Hz] Esquema de

bitstream @ Sinal de entrada = 5kHz e 1V

bitstream @ Sinal de entrada = 5kHz e 1V

1

PSD of a 1st-Order Sigma-Delta Modulator (detail)

Frequency [Hz]

PSD of a 2nd-Order Sigma-Delta Modulator

Frequency [Hz] Esquema de teste do

@ Sinal de entrada = 5kHz e 1V

@ Sinal de entrada = 5kHz e 1V 1

PSD of a 1st-Order Sigma-Delta Modulator (detail)

Frequency [Hz]

SNR = 82.8dB @ OSR=250 Rbit = 13.46 bits @ OSR=250

PSD of a 2nd-Order Sigma-Delta Modulator

Frequency [Hz] este do

@ Sinal de entrada = 5kHz e 1V

@ Sinal de entrada = 5kHz e 1V 1.2

PSD of a 1st-Order Sigma-Delta Modulator (detail)

Frequency [Hz]

SNR = 82.8dB @ OSR=250 Rbit = 13.46 bits @ OSR=250

PSD of a 2nd-Order Sigma-Delta Modulator

Frequency [Hz] este do

@ Sinal de entrada = 5kHz e 1V

@ Sinal de entrada = 5kHz e 1V 1.4

PSD of a 1st-Order Sigma-Delta Modulator (detail)

SNR = 82.8dB @ OSR=250 Rbit = 13.46 bits @ OSR=250

105 PSD of a 2nd-Order Sigma-Delta Modulator

este do modulador

@ Sinal de entrada = 5kHz e 1V

@ Sinal de entrada = 5kHz e 1V 1.4

PSD of a 1st-Order Sigma-Delta Modulator (detail)

SNR = 82.8dB @ OSR=250 Rbit = 13.46 bits @ OSR=250

PSD of a 2nd-Order Sigma-Delta Modulator odulador

@ Sinal de entrada = 5kHz e 1V

@ Sinal de entrada = 5kHz e 1V 1.6

PSD of a 1st-Order Sigma-Delta Modulator (detail)

SNR = 82.8dB @ OSR=250 Rbit = 13.46 bits @ OSR=250

PSD of a 2nd-Order Sigma-Delta Modulator odulador

@ Sinal de entrada = 5kHz e 1V

@ Sinal de entrada = 5kHz e 1V 1.6 1.8 PSD of a 1st-Order Sigma-Delta Modulator (detail)

SNR = 82.8dB @ OSR=250 Rbit = 13.46 bits @ OSR=250

odulador

@ Sinal de entrada = 5kHz e 1V

@ Sinal de entrada = 5kHz e 1V 1.8

x 10 Rbit = 13.46 bits @ OSR=250

106 @ Sinal de entrada = 5kHz e 1V @ Sinal de entrada = 5kHz e 1V 2 x 104 @ Sinal de entrada = 5kHz e 1V @ Sinal de entrada = 5kHz e 1V 2

Figura 4.38 – PSD do bitstream @ Sinal de entrada = 5kHz e 0.3V

Figura 4.39 – PSD do bitstream @ Sinal de entrada = 5kHz e 0.3V – (detalhe na banda)

Figura 4.40 – SNR (dB) vs. Tensão de entrada (dBV) – Valores de Simulação

103 104 105 106 -200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0

PSD of a 2nd-Order Sigma-Delta Modulator

Frequency [Hz] P S D [ d B ] 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 x 104 -200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0

PSD of a 1st-Order Sigma-Delta Modulator (detail)

Frequency [Hz] P S D [ d B ] SNR = 90.2dB @ OSR=250 Rbit = 14.68 bits @ OSR=250

-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Input Amplitude[dBV] S N R [ d B ]

O projeto final do modulador no nível de layout é apresentado na Figura 4.41 Apresenta-se na mesma figura o posicionamento dos blocos do modulador.

Devido à coexistência em um mesmo substrato de sinais analógicos e digitais, o layout do protótipo é um fator critico no projeto de moduladores sigma delta, e por esta razão, é feito todo manualmente.

Algumas precauções foram tomadas com relação ao layout:

O uso separado de fontes de alimentação para os circuitos analógicos e digitais; Foi evitado, quando possível, à sobreposição ou a proximidade entre os sinais analógicos e digitais, escolhendo diferentes canais de roteamento.

Colocação de anéis de guarda em torno dos circuitos analógicos e digitais, evitando a propagação de ruído através do substrato;

Objetivou-se a maior simetria possível do layout;

Os transistores e capacitores foram particionados quando possível, e foi usado o uso da técnica de centróide comum objetivando o casamento entre os transistores.

A área total ocupada pelo modulador é de 0.256105mm2 _{(655um x 391um).}

O layout do modulador foi extraído e o resultado da relação sinal/ruído para uma entrada de 5kHz e 0.3V de amplitude foi de 86.2dB, validando o layout.

Figura 4.41 – Layout do Modulador Sigma Delta SC Gerador Fases Clock Comparador Chaves Analógicas Amplificador Amplificador