Low power continuous time sigma delta modulator and decimation filter design
Düşük güç tüketimli sürekli zaman sigma delta modülator ve örnek seyreltme süzgeci tasarımı
- Tez No: 371841
- Danışmanlar: PROF. GÜNHAN DÜNDAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Boğaziçi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 82
Özet
Sigma Delta analog sayısal çevirici, yüksek çözünürlüğün ihtiyaç duyulduğu alanlarda kullanılmaktadır. Ses uygulamaları da bu alanların başında gelir. Yüksek çözünürlük ile birlikte, analog sayısal çeviricilerin güç tüketimini azaltmakta çok önemli bir tasarım önceliğidir. Sigma Delta analog sayısal çevirici iki ana bloktan oluşur: analog modülatör ve sayısal seyreltme süzgeci. Modülatör aşırı örnekleme ve gürültü şekillendirme işlemlerini kullanarak, gürültüyü yüksek frekanslara atarken, alçak geçiren seyreltme filtresi de örnekleme miktarını düşürür ve aşırı örnekleme sonucu oluşan gereksiz bilginin atılmasını sağlar. Düşük güç tüketimli analog sayısal çevirici tasarımı temel alındığında, çalışamalar genellikle analog kısım üzerine yoğunlaşmaktadır. Sayısal seyreltme süzgeci kısmı da analog kısım kadar güç harcayabilmektedir. Bu tezde, hem düşük güç tüketimli ses frekanslarında çalışan sürekli zaman Sigma Delta modülatör hemde ayrık zamanlı ses frekanslarında çalışan Sigma Delta modulator için seyreltme süzgeci tasarımları yapılmıştır. 2. derece aşırı örnekleme miktarı 128 olan ayrık zamanlı Sigma Delta modülatörünün öncelikle MATLAB programı üzerinde tasarımı yapılmış daha sonar ise Mentor Graphics programında 0.18 µm CMOS teknolojisi kullanılarak şematik olarak gerçeklenmiştir. Basit ve kolay tasarlanabilecek bir yapı tercih edilmiştir. Gücün büyük bir kısmı toplayıcıyı oluşturan işlemsel kuvvetlendiricilerde harcandığı için, düşük tüketimli işlemsel kuvvetlendiriciler tasarlanmıştır. İçerisinde teleskopik kaskod işlemsel kuvvetlendirici barındıran gm-C tipi toplayıcılar kullanılmıştır. Modülatörün güç tüketimi 9.82 µW olarak bulunmuştur. Seyreltme süzgecinin, ayrık zamanlı ses frekanslarında çalışan Sigma Delta modülatör için tasarlanmıştır. Modülatörün aşırı örnekleme miktarı 32, sinyal bant genişliği 25 kHz ve örnekleme miktarı 1.6 MHz'dir. Tasarımdaki öncelikli amaç sayısal seyreltme süzgecinin güç tüketimini analog mdulatörünkinden daha düşük seviyelere düşürmektir. Alandan ve güçten tasarruf sağlamak için çok katlı süzgeç yapısı tercih edilmiştir. 3 katlı yapının birinci katında CIC süzgeç, ikinci ve üçünçü katında ise sırasıyla Yarı-Bant ve Sonlu Dürtü Yanıtlı (FIR) süzgeç bulunmaktadır. Geleneksel yapısının aksine CIC süzgeç tasarımında da 3 katlı yapı kullannılmıştır ve tekrarlı olmayan yapıya dönüştürülmüştür; bu sayede FIR tipinde süzgeç elde edilmiştir. Yarı-Bant Süzgeç katsayıları Parks McCellan algoritması kullanan MATLAB FDAtool aracılığı ile üretilmiştir. FIR Süzgeç katsayıları da GAM algoritması ile elde edilmiştir. GAM algoritması katsayılardaki işaretli ikinin kuvvetleri terimlerini kelime uzunluklarını olabildiğince kısa tutarak azaltır. Yukarıdakilere ek olarak, bir kısım düşük güç tüketimli sayısal tasarım teknikleri uygulanarak, düşük güç tüketimine sahip Örnek Seyreltme Süzgeci elde edilmiştir. Süzgeçler MATLAB Simulink programı ile tasarlanmış, Verilog HDL ile gerçeklenmiş ve Synopsys DC programında 0.18 µm CMOS teknolojisi kullanılarak sentezlenmiştir. 1.8 V besleme geriliminde Örnek Seyreltme Süzgecinin güç tüketimi 7.24 µW olarak ölçülmüştür. Bu değer ayrık zamanlı Sigma Delta analog modülatörün güç tüketiminin yalnızca yalnızca yarısı kadardır.
Özet (Çeviri)
Sigma Delta analog to digital converters (ADC) are widely used in areas where high resolution is needed. Audio applications are one of these areas. Along with high resolution, reducing the power consumption of an ADC is a very significant design problem. A Sigma Delta ADC consists of two main blocks: analog modulator and digital decimation filter. Modulator utilizes oversampling and noise shaping processes in order to move noise to higher frequencies whereas the decimation filter down-samples the sampling frequency and eliminates redundant data which are result of the oversampling process. Concerning low power ADC design, most of the effort is being spent on analog part of the converter. The digital decimation filter can also consume as much power as the analog part. In this thesis, a low power Continuous Time Sigma Delta modulator for audio frequencies and a low power Decimation filter for discrete time Sigma Delta modulator intended for audio application are implemented. A 2nd order continuous time Sigma Delta modulator with an oversampling ratio of 128 is first designed in MATLAB, then the proper architecture is realized in Mentor Graphics schematically using 0.18 µm CMOS technology. Simple and easy to design structure is chosen for the modulator. Most of the power is consumed in operational amplifiers of integrators; therefore, operational amplifiers with low power consumption are designed. gm-C type integrators, which employ telescopic cascode amplifiers as gm unit, are utilized in the design. Power consumption of the modulator is found to be 9.82 µW. A decimation filter is designed for a low power discrete time Sigma Delta modulator intended for audio applications. The modulator has an oversampling ratio of 32, a signal bandwidth of 25 kHz and a sampling frequency of 1.6 MHz. The main goal of the design is to reduce the power consumption of the digital filter below that of the analog modulator. Multistage filter structure is employed in order to save area and power. The first stage of the 3-stage structure is Cascaded Integrator Comb Filter (CIC), the second and third stages are Half-Band (HB) and Finite Impulse Response (FIR) Filters respectively. Unlike conventional form, CIC filter is also implemented in three stages and non-recursive format such that it has FIR transfer function. HB filter coefficients are generated with MATLAB FDAtool which uses Parks McCellan Algorithm. FIR filter coefficients are generated with GAM algorithm which provides coefficients with minimum number of signed power of two (SPT) terms while keeping quantization word length as small as possible. Several low power digital design techniques are applied to filters in order to obtain a low power decimation filter. Filters are designed with MATLAB Simulink tool, realized with Verilog hardware design language (HDL) and synthesized with Synopsys Design Compiler (DC) tool using 0.18 µm CMOS technology. Measured power consumption of the Decimation filter is 7.24 µW under 1.8 V supply voltage, only half of the DT Sigma Delta analog modulator.
Benzer Tezler
- Low power consumption continuous time sigma-delta modulator design
Düşük güç tüketimli sürekli zamanlı sigma-delta modülatör tasarımı
HİKMET ÇELİKER
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. GÜNHAN DÜNDAR
- Design of low power continuous time σ − ∆ analog to digital converters
Düşük güçlü ve gerçek zamanlı analog-sayısal σ − ∆ dönüştürücü tasarımı
SİNA PARSNEJAD
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
YRD. DOÇ. DR. GÜNHAN DÜNDAR
- Low power sigma delta analog to digital converter design methods
Düşük güçlü sigma delta analog sayısal çevirici tasarım yöntemleri
FEYYAZ MELİH AKÇAKAYA
Doktora
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNHAN DÜNDAR
- Design of a continuous-time current-mode sigma-delta analog-to-digital converter
Sürekli zamanlı akım modlu sigma-delta analog / sayısal çevirici tasarımı
AHMET YASİN ÇİTKAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2006
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER CERİD
- Altı sigma kritik başarı faktörlerinin kalite fonksiyon göçerimi yöntemiyle değerlendirilmesi
An assessment of the effectiveness of the six sigma critical success factors using quality function deployment method
BİLGE GÜNAYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesiİşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SITKI GÖZLÜ