Timing Uncertainty in Sigma-Delta Analog-to-Digital Converters

Sammanfattning: Denna avhandling presenterar en undersökning av orsakerna och effekterna av timingosäkerhet i Sigma-Delta Analog-Digital-Omvandlare, med speciellt fokus på Sigma-Delta av den switchade kapacitanstypen. Det undersökta området för orsakerna till timingosäkerhet är digital klockgenerering och området för effekterna är sampling. Upplösningsnivån på analysen i detta arbete börjar på beteendenivå och slutar på transistornivå.Samplingskretsen är den intuitiva komponenten att söka i efter orsakerna till effekterna av timing-osäkerhet i en Analog-Digital-Omvandlare eftersom transformationen från reell tid till digital tid sker i samplingskretsen. Därför har prestandaeffekterna av timingosäkerhet i den typiska samplingskretsen för switchad kapacitans Sigma-Delta Analog-Digital-Omvandlare analyserats utförligt, modellerats och beskrivits i denna avhandling. Under analysprocessen har idéer om förbättrade samplingskretsar med naturlig tolerans mot timing-osäkerhet utvecklats och analyserats, och presenteras även. Två typer av förbättrade samplingstopologier presenteras: parallelsamplern och Sigma-Delta-samplern. Den första erhåller tolerans mot timing-osäkerhet genom att utnyttja ett teorem inom statistiken medan den andra är tolerant mot timing-osäkerhet p.g.a. spektral formning som trycker ut brus ur signalens frekvensband.Digital klockgenerering är ett fundamentalt steg i genereringen av multipla klocksignaler som behövs t.ex. i switchade kapacitansversioner av Sigma-Delta Analog-Digital-Omvandlare. Klockgeneratorkretsarna konverterar en tidsreferens, d.v.s. en klocksignal, som vanligen kommer från en faslåst loop till multipla tidsreferenser. De två typerna av klockgenereringskretsar som behandlas i denna avhandling används för att skapa två icke-överlappande klockor från en klocksignal. Processen som undersökts och beskrivits är hur matningsspänningsbrus och substratbrus omvandlas till timing-osäkerhet då en referenssignal passerar genom en av ovannämnda klockgenereringskretsar.Resultaten i denna avhandling har erhållits genom olika analystekniker. Modelleringarna och beskrivningarna har utförts från ett matematiskt och fysikaliskt perspektiv. Detta har fördelen av att kunna förutsäga prestandainfluenser som olika kretsparametrar har utan att behöva utföra datorsimuleringar. Svårigheterna med den matematiska och fysikaliska modelleringen är balansgången mellan olöslighet och överförenkling som måste hittas. Den andra infallsvinkeln är användandet av datorbaserade simuleringsverktyg både för beskrivnings- och verifieringsändamål. Simuleringsverktygen som använts är MATLAB och Spectre/Cadence. Som nämnts har deras syfte varit både som modell- och beskrivningsverifiering och även som ett sätt att erhålla kvantitativa resultat. Generellt talat bryter simuleringsverktyg den mentala kopplingen mellan resultat och diverse kretsparametrar och det kan vara svårt att uppnå en solid prestandaförståelse. Dock är det ibland bättre att erhålla ett prestandamått utan full förståelse än inget mått alls.