Высокоуровневое проектирование аналоговых дискретных сигма-дельта модуляторов

Аннотация

Интегральные схемы сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей в сравнении с преобразователями на основе других архитектур находят широкое применение в приборах сбора и обработки информации благодаря более высокой эффективной разрядности. Важный функциональный блок в их составе --- это сигма-дельта модулятор. Рассмотрены программные инструменты высокоуровневого проектирования аналоговых дискретных сигма-дельта модуляторов. Приведен маршрут высокоуровневого проектирования схем данного типа, описаны факторы, осложняющие его. Рассмотрены наиболее часто применяемые три программных средства автоматизированного высокоуровневого проектирования аналоговых дискретных сигма-дельта модуляторов, работающих на трех разных программных платформах. Для каждого подхода к проектированию показан пример работы с программой --- расчет масштабирующих коэффициентов аналогового дискретного сигма-дельта модулятора с заданными исходными параметрами. Выполнен сравнительный анализ рассмотренных программных инструментов, отмечены особенности их использования, преимущества и недостатки. Исследование показало, что для более эффективного достижения целей использования представленных программных средств следует комбинировать их в маршруте проектирования. Приведены рекомендации для разработчиков аналоговых дискретных сигма-дельта модуляторов по вариантам использования рассмотренных инструментов проектирования

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Хальзев С.Е., Макарчук В.В., Волков И.В. и др. Высокоуровневое проектирование аналоговых дискретных сигма-дельта модуляторов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2024, № 2 (147), с. 125--144. EDN: RASAFQ

Литература

[1] De la Rosa J.M. Sigma-delta converters: practical design guide. Hoboken, John Wiley & Sons, 2018.

[2] Волков И.В., Новосёлов А.С. Особенности реализации операционного усилителя для 12-разрядного конвейерного АЦП, изготовленного в рамках технологического процесса с топологическими нормами 0,35 мкм. Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы, 2023, № 2, с. 61--75.

[3] Волков И.В., Фокин Ю.М., Хальзев С.Е. Быстродействующий активный дифференциатор с низким уровнем нелинейных искажений. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2017, № 6 (117), с. 40--53. DOI: https://doi.org/10.18698/0236-3933-2017-6-40-53

[4] Самонов А.А. Проектирование универсального аналогового ядра сигма-дельта АЦП звукового диапазона. В кн.: Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем--2005. М., ИППМ РАН, 2005, с. 366--373.

[5] Pavan S., Schreier R., Temes G.C. Understanding delta-sigma data converters. Hoboken, John Wiley & Sons, 2017.

[6] Деменков Н.П., Микрин Е.А. Управление в технических системах. М., Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017.

[7] Razavi B. Design of analog CMOS integrated circuits. New York, McGraw-Hill Education, 2017.

[8] Baker R.J. CMOS circuit design, layout, and simulation. Hoboken, John Wiley & Sons, 2019.

[9] Sansen W. Analog design essentials. New York, Springer Science & Business Media, 2006.

[10] Вонг Б.П., Миттал А., Цао Ю. и др. Нано-КМОП-схемы и проектирование на физическом уровне. М., Техносфера, 2014.

[11] Эннс В.И., Кобзев Ю.М. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем. М., Горячая линия--Телеком, 2005.

[12] Wagner J., Vogelmann P., Ortmanns M. On the optimization of DT incremental sigma-delta modulators in combination with CoI reconstruction filters. Proc. NGCAS, 2018, pp. 82--85. DOI: https://doi.org/10.1109/NGCAS.2018.8572108

[13] Сатышев В.И. Современные подходы к проектированию многоканальных дельта-сигма АЦП. Информатика, телекоммуникации и управление, 2022, т. 15, № 2, с. 25--31. DOI: https://doi.org/10.18721/JCSTCS.15202

[14] Markus J., Silva J., Temes G.C. Design theory for high-order incremental converters. IEEE Int. Symp. Intelligent Signal Processing, 2003, pp. 3--8. DOI: https://doi.org/10.1109/ISP.2003.1275804

[15] Markus J., Silva J., Temes G.C. Theory and applications of incremental ΣΔ converters. IEEE Trans. Circuits Syst. I Regul. Pap., 2004, vol. 51, no. 4, pp. 678--690. DOI: https://doi.org/10.1109/TCSI.2004.826202

[16] Tan Z., Chen C.-H., Chae Y., et al. Incremental delta-sigma ADCs: a tutorial review. IEEE Trans. Circuits Syst. I Regul. Pap., 2020, vol. 67, no. 12, pp. 4161--4173. DOI: https://doi.org/10.1109/TCSI.2020.3033458

[17] Ruiz-Amaya J., de la Rosa J.M., Fernandez F.V., et al. High-level synthesis of switched-capacitor, switched-current and continuous-time Σ∆ modulators using SIMULINK-based time-domain behavioral models. IEEE Trans. Circuits Syst. I Regul. Pap., 2005, vol. 52, no. 9, pp. 1795--1810. DOI: https://doi.org/10.1109/TCSI.2005.852479

[18] Лаврентьев М.В., Круглов Ю.В. Выбор архитектуры многокаскадного сигма-дельта модулятора на основе оценки "просачивающегося" шума квантования и физического шума. Известия высших учебных заведений. Электроника, 2005, № 3, с. 40--45.

[19] Del Rio R., Medeiro F., Perez-Verdu B., et al. CMOS cascade sigma-delta modulators for sensors and telecom. New York, Springer Science & Business Media, 2006.

[20] Bruckner T., Zorn C., Anders J., et al. A GPU-accelerated web-based synthesis tool for CT sigma-delta modulators. IEEE Trans. Circuits Syst. I Regul. Pap., 2014, vol. 61, no. 5, pp. 1429--1441. DOI: https://doi.org/10.1109/TCSI.2013.2289408

[21] Wagner J., Ortmanns M., de la Rosa J.M. Man or machine --- design automation of delta-sigma modulators. IEEE ISCAS, 2018, pp. 4229--4232. DOI: https://doi.org/10.1109/ISCAS.2018.8351706