Download Un Modulador Sigma Delta de Tiempo Continuo en Circuito Integrado

UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA
CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E
INGENIERÍAS
MAESTRÍA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y
COMPUTACIÓN
TESIS DE MAESTRIA
Un Modulador Sigma Delta de Tiempo Continuo
en Circuito Integrado
Presentado por:
Ing. Sergio Arturo Rios Salcedo
Director de Tesis:
Dr. Agustín Santiago Medina Vázquez
Guadalajara, Jalisco. Febrero del 2014
III
Abstract
Este trabajo de tesis hace una aportación al análisis y modelado de los moduladores Sigma-Delta
en tiempo continuo. Se analiza cada uno de los bloques que conforman este sistema, así como de
los efectos que tienen sobre el modulador. Se resumen las topologías más utilizadas haciendo
énfasis en las ventajas y desventajas que cada una ofrece.
Se realiza un análisis sobre las técnicas de diseño en circuitos integrados, ya que aunque
actualmente existen numerosas investigaciones sobre las técnicas de diseño de moduladores
para intentar mejorar y optimizar su resolución y dar mayor estabilidad para un consumo de
potencia determinado, la implementación del mismo requiere de otras habilidades para que el
sistema funcione correctamente en la tecnología a utilizar.
Finalmente, se ha validado la metodología del ciclo de diseño propuesta mediante la simulación y
fabricación de un circuito integrado CMOS de 0.35 µm donde se implementa un modulador SigmaDelta en tiempo continuo para bajo consumo de potencia.
V
Índice
Agradecimientos .................................................................................................................................. I
Abstract .............................................................................................................................................. III
Índice ................................................................................................................................................... V
Índice de Figuras ............................................................................................................................... VII
Capítulo 1 Introducción ....................................................................................................................... 1
1.1 Antecedentes. ........................................................................................................................... 2
1.2 Justificación. .............................................................................................................................. 3
1.3 Planteamiento del problema. ................................................................................................... 3
1.4 Objetivos ................................................................................................................................... 4
1.4.1 Objetivos Generales. .......................................................................................................... 4
1.4.2 Objetivos Particulares. ....................................................................................................... 4
1.5 Hipótesis .................................................................................................................................... 5
1.6 Metodología .............................................................................................................................. 5
1.7 Estructura del documento......................................................................................................... 6
Capítulo 2 Diseño del Modulador
.................................................................................................. 7
2.1 Diseño de Circuitos Integrados Analógicos. .............................................................................. 7
2.2 Tecnología de 0.35um. .............................................................................................................. 8
2.3 Herramientas CAD. .................................................................................................................... 9
2.4 Parámetros para el modulador
. ........................................................................................ 10
2.4.1 Potencia y ruido. .............................................................................................................. 15
2.4.2 CAD de sobremuestreo. ................................................................................................... 16
2.4.3 Desempeño de los Convertidores de Sobremuestreo. .................................................... 17
2.4.4 Moduladores
2.4.5 Modulador
. ............................................................................................................. 17
de primer orden. ..................................................................................... 19
2.4.6 Incremento del desempeño de los Moduladores
2.4.7 Arquitecturas del Modulador
. ..................................................... 19
de un solo lazo y un solo bit. ...................................... 21
2.5 Otros antecedentes. ................................................................................................................ 24
VI
Capítulo 3 Etapas del Modulador
................................................................................................ 25
3.1 Integrador................................................................................................................................ 25
3.1.1 OTA de dos o más etapas. ................................................................................................ 25
3.1.2 OTA en espejo de corriente.............................................................................................. 27
3.1.3 OTA en espejo de corriente con salida clase AB. ............................................................. 29
. . ‘et oali e ta ió del
odo o ú
o
o - ode feed a k , CMFB . ................... 31
3.1.5 OTA utilizado. ................................................................................................................... 31
3.2 Comparadores de Voltaje........................................................................................................ 33
3.2.1 Características estáticas. .................................................................................................. 34
3.2.2 Características dinámicas. ................................................................................................ 36
3.2.3 Comparadores en lazo abierto. ........................................................................................ 37
3.2.4 Comparadores tipo latch basados en la pre amplificación. ............................................. 38
3.2.5 Comparador con divisor resistivo (Resistor Divider Comparator). .................................. 39
3.2.6 Comparador usado. .......................................................................................................... 41
3.3 Circuitos de conmutación........................................................................................................ 44
3.3.1 Fenómeno de inyección de carga..................................................................................... 47
. . Efe to de Feedth ough de a ga. .................................................................................. 48
3.3.3 Compuerta de transmisión............................................................................................... 51
3.3.4 Circuitos de conmutación utilizados. ............................................................................... 52
Capítulo 4 Validación del Diseño ....................................................................................................... 55
4.1 Esquemáticos y simulaciones de cada bloque. ....................................................................... 55
4.1.1 El Amplificador de Transconductancia (OTA). .................................................................. 55
4.1.2 El OTA como Integrador. .................................................................................................. 60
4.1.3 El Comparador. ................................................................................................................. 62
4.1.4 El conmutador como CDA. ............................................................................................... 66
4.2 Esquemático y simulaciones del sistema completo. ............................................................... 69
4.3 Layout. ..................................................................................................................................... 72
Capítulo 5 Conclusiones .................................................................................................................... 75
5.1 Trabajos futuros. ..................................................................................................................... 76
Referencias ........................................................................................................................................ 77
Apéndice A Parámetros de Spice [51] ............................................................................................... 81
Apéndice B Lista de términos y acrónimos ....................................................................................... 83