Analysis and Design of a Wide-Bandwidth Low Power Sigma-Delta ADC in CMOS Technology

The evolution of the CMOS technology brings many challenges to analog designers. The scaling-down of the transistor feature size has a big impact on analog circuit design, because it considerably degrades the performance of an analog circuit. For instance, the reduced supply voltage and the degraded device characteristics are inevitable problems for CMOS designers. As an interface between the analog circuit and the digital circuit, the Analog-to-Digital Converter (ADC) is moving into scaled nanometer CMOS technologies due to the advantages for the digital circuit. This put increasingly difficult demands on the design ADCs. Sigma-Delta ADCs are promising candidates for the Analog-To-Digital (A/D) conversion. The reason for that is twofold. One the one hand, unlike the other converters that need accurate building blocks to obtain high resolution, Sigma-Delta converters show low sensitivity to the imperfections of their building blocks. This is achieved thanks to the extensive use of digital circuitry, which is preferred in CMOS technologies due to their low power and high density characteristics. On the other hand, the number of applications with industrial interest has also grown. In fact, starting from the earliest in the audio band, we can find Sigma-Delta converters in a large variety of A/D interfaces, ranging from instrumentation to communications. Despite the fact that Sigma-Delta is a mature subject, there are still many unanswered questions. Due to the incorporation of a highly non-linear element (the quantizer) in the feedback loop, the exact analysis of Sigma-Delta modulation is a very challenging task. In this thesis the circuit level approach and the system level approach are presented for low-power, low-voltage Sigma-Delta ADC design in nanometer CMOS technologies. In the first part of this work, a full-feedforward Sigma-Delta topology suitable for the Sigma-Delta ADC design in nanometer CMOS technologies is introduced. The most important feature of this topology is that the signal transfer function is unity, which is fairly indipendent of the building block characteristics. A detailed analysis is presented in this text, leading to optimized system-level parameters. Also a new digital circuitry is presented in order to extend the usage of Sigma-Delta modulators at higher signal bandwidths. The second part of the thesis is dedicated to the circuital design. The main achievement is a 65nm CMOS Sigma-Delta modulator with 94dB Dynamic Range (DR). The power dissipation is 407uW in a 500kHz signal bandwidth under a 1.2V power supply voltage. This design proves that the feedforward Sigma-Delta topology is an excellent topology for low-power, high bandwidth and high resolution Sigma-Delta ADC designs in nanometer CMOS technologies.

L’evoluzione delle tecnologie CMOS ha portato a molte sfide per i designer di circuiti analogici. La riduzione delle dimensioni dei transistor ha un grande impatto sul design del circuito analogico, in quanto ne degrada in modo considerevole le performance. Ad esempio, la ridotta tensione di alimentazione e la degradazione delle caratteristiche dei dispositivi sono problemi inevitabili per i designer di dispositivi CMOS. In quanto interfaccia tra i circuiti analogici e quelli digitali, il convertitore Analogico Digitale (ADC) si sta muovendo verso tecnologie CMOS ultra-scalate al fine di godere dei vantaggi che lo scaling tecnologico porta sulla circuiteria digitale. Questo pone una crescente difficoltà nel design degli ADC. I convertitori Sigma-Delta sono dei promettenti candidati per la conversione analogico-digitale (A/D). La ragione di ciò è duplice. Da un lato, a differenza degli altri convertitori che necessitano di elementi molto performanti per ottenere risoluzioni elevate, i convertitori Sigma-Delta mostrano una elevata robustezza alle imperfezioni dei blocchi che li compongono. Questo è ottenuto grazie ad un esteso utilizzo di cricuiteria digitale, che nelle tecnologie CMOS scalate risulta preferibile grazie al suo basso consumo di potenza e all’elevata densità. D’altra parte, anche il numero di applicazioni industriali è cresciuto. Infatti, a cominciare dalle prime applicazioni in campo audio, possiamo trovare convertitori Sigma-Delta in una gran varietà di interfacce A/D, come strumentazioni biomediche fino al campo delle comunicazioni. Nonostante l’architettura Sigma-Delta sia un soggetto ormai maturo, ci sono tutt’ora diverse questioni irrisolte. A causa della presenza di un elemento fortemente non lineare, il quantizzatore, all’interno del loop di feedback, l’analisi esatta della modulazione Sigma-Delta risulta complicata. In questa tesi, un approccio a livello circuitale e a livello di sistema viene presentato per il design di un convertitore ADC a bassa potenza e a bassa tensione di alimentazione in tecnologia nanometrica CMOS. Nella prima parte di questo lavoro, viene introdotta una particolare topologia Sigma-Delta adatta al design di convertitori in tecnologia nanometrica. La caratteristica piú portante di questa topologia è la funzione di trasferimento tra ingresso e uscita unitaria. Viene presentata un’analisi dettagliata, portando alla scelta ottimizata di parametri di sistema. Viene inoltre presentata una nuova circuiteria digitale per estendere l’uso del modulatore Sigma-Delta a bande più elevate. La seconda parte di questa tesi è dedicata al design circuitale. Il principale raggiungimento di questo lavoro è un modulatore Sigma-Delta in tecnologia 65nm con un range dinamico di 94dB. Il consumo di potenza è 407uW in un banda di 500kHz con una tensione di alimentazione di 1.2V. Questo design dimostra che la topologia Sigma-Delta feedforward è una scelta eccellente per il design di ADC a bassa potenza, elevata banda ed elevata risoluzione in tecnologie nanometriche CMOS.