Contribution à la conception d'un modulateur sigma-delta passe-bande à temps continu pour la conversion directe de signaux radiofréquences PDF Download
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Author: Emilie Avignon
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Languages : fr
Pages : 180
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Book Description
La conversion sigma-delta passe-bande à temps continu constitue une approche intéressante pour la conversion directe de signaux radiofréquences. Elle laisse présager une précision accrue en raison du sur-échantillonnage et de la mise en forme du bruit de quantification, pour une consommation et une surface d’implantation moindre comparée aux autres dispositifs. Les difficultés de réalisation de ce type de circuit, investiguées dés le début des années 90, résident essentiellement dans l’intégration des résonateurs (Gm-C ou Gm-LC) avec des composants passifs de bonne qualité. Par ailleurs, la vitesse de fonctionnement est limitée par la technologie. Dans ce contexte et pour faire un premier pas vers des systèmes de conversions rapides et agiles sur une bande de fréquence limitée, nous avons exploré la faisabilité d’un convertisseur sigma-delta passe-bande à fréquence centrale ajustable au travers de la conception, en technologie GaAs P-HEMT 0.2 μm, d’un modulateur sigma-delta prototype dont la fréquence centrale de travail est réglable. L’architecture du modulateur conçu comprend un retard supérieur à une période d’échantillonnage et le filtre de boucle est implanté en parallèle, avec des résonateurs de type Gm-LC à résistance négative, afin d’assurer à la fois la stabilité et la précision du dispositif. Le réglage de la fréquence centrale s’opère par le biais de varicaps sur le résonateur d’entrée. La conception et l’implantation du circuit nous ont permis de développer une méthodologie générale basée sur des simulations mixtes (niveau fonctionnel, niveau transistor), de mettre en évidence les difficultés techniques de réalisation et de proposer des solutions, de cerner les sensibilités majeures aux dispersions technologiques, mais aussi d’évaluer, par des simulations au niveau transistor, les performances pouvant être atteintes par ce type de dispositif de conversion. Pour une fréquence centrale de 750 MHz et une fréquence de sur-échantillonnage de 3 GHz, la résolution sur une bande de 4 MHz s’élève à 10 bits. La fréquence centrale du modulateur peut être réglée de 725 MHz où la résolution atteint 9 bits à 750 MHz où la résolution atteint 10 bits.
Author: Emilie Avignon
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Languages : fr
Pages : 180
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La conversion sigma-delta passe-bande à temps continu constitue une approche intéressante pour la conversion directe de signaux radiofréquences. Elle laisse présager une précision accrue en raison du sur-échantillonnage et de la mise en forme du bruit de quantification, pour une consommation et une surface d’implantation moindre comparée aux autres dispositifs. Les difficultés de réalisation de ce type de circuit, investiguées dés le début des années 90, résident essentiellement dans l’intégration des résonateurs (Gm-C ou Gm-LC) avec des composants passifs de bonne qualité. Par ailleurs, la vitesse de fonctionnement est limitée par la technologie. Dans ce contexte et pour faire un premier pas vers des systèmes de conversions rapides et agiles sur une bande de fréquence limitée, nous avons exploré la faisabilité d’un convertisseur sigma-delta passe-bande à fréquence centrale ajustable au travers de la conception, en technologie GaAs P-HEMT 0.2 μm, d’un modulateur sigma-delta prototype dont la fréquence centrale de travail est réglable. L’architecture du modulateur conçu comprend un retard supérieur à une période d’échantillonnage et le filtre de boucle est implanté en parallèle, avec des résonateurs de type Gm-LC à résistance négative, afin d’assurer à la fois la stabilité et la précision du dispositif. Le réglage de la fréquence centrale s’opère par le biais de varicaps sur le résonateur d’entrée. La conception et l’implantation du circuit nous ont permis de développer une méthodologie générale basée sur des simulations mixtes (niveau fonctionnel, niveau transistor), de mettre en évidence les difficultés techniques de réalisation et de proposer des solutions, de cerner les sensibilités majeures aux dispersions technologiques, mais aussi d’évaluer, par des simulations au niveau transistor, les performances pouvant être atteintes par ce type de dispositif de conversion. Pour une fréquence centrale de 750 MHz et une fréquence de sur-échantillonnage de 3 GHz, la résolution sur une bande de 4 MHz s’élève à 10 bits. La fréquence centrale du modulateur peut être réglée de 725 MHz où la résolution atteint 9 bits à 750 MHz où la résolution atteint 10 bits.
Author: Nejmeddine Jouida
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Languages : fr
Pages : 0
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Le travail de recherche que nous présentons dans cette thèse s'inscrit dans le domaine de la conception des circuits et systèmes pour la numérisation des signaux radio large bande multistandard. La finalité de ces travaux est l'établissement de nouvelles méthodologies de conception des circuits analogiques et mixtes VLSI, et à faible consommation pour le convertisseur analogique numérique (CAN). Nous proposons l'utilisation d'un CAN de type S? complexe passe-bande à temps-continu pour l'architecture Low-IF. Ce qui permet de simplifier l'étage analogique en bande de base en esquivant le besoin de circuits tels que le contrôleur de gain automatique, le filtre anti-repliement et les filtres de rejection d'images. Le récepteur est plus linéaire et présente un degré d'intégrabilité adéquat pour les applications multistandard de type Radio logicielle Restreinte (SDR). La première contribution consiste à proposer une méthodologie originale et complètement automatisée de dimensionnement du modulateur ?? pour la réception SDR. Une nouvelle stratégie de stabilisation, basée sur le placement des zéros et des pôles du filtre de boucle, est élaborée permettant ainsi de simplifier le passage du temps-discret vers le temps-continu par une simple correspondance entre les domaines pour les intégrateurs et les résonateurs du filtre de boucle. La deuxième contribution concerne la construction d'une architecture générique du modulateur ?? complexe à temps-continu en suivant une méthodologie originale. Les éléments de base de cette architecture sont les deux modulateurs ?? passe-bas pour les voies I et Q à temps-continu. Les deux filtres de boucles sont en couplage croisé en structure polyphase, ce qui permet le décalage vers la fréquence intermédiaire du récepteur. Nous avons conçu un outil de dimensionnement sous MATLAB pour les modulateurs S? multistandard stables d'ordre élevés à temps-continu, passe bas, passe-bande réel et complexe. La troisième contribution de ces travaux concerne la proposition d'une méthodologie de conception avancée de circuits mixtes VLSI pour les CANs de type ??. Cette méthodologie de conception permet une combinaison des approches descendante 'Top-down' et montante 'Bottom-up', ce qui rend possible l'analyse des compromis de conception par l'utilisation concurrente des circuits au niveau transistor et des modèles comportementaux. Cette approche permet de faire allier à la fois la précision et la vitesse de processus de simulation lors de la conception des CANs de type ??. La modélisation comportementale du modulateur S?, en utilisant le langage VHDL-AMS, nous a permis de développé une bibliothèque de modèles permettant la prise en compte des imperfections tels que le bruit, le jitter, le retard de boucle au niveau comportemental. Afin d'illustrer la méthodologie de conception proposée, un exemple de la vérification par la simulation mixte est fourni à travers la conception d'un quantificateur en technologie CMOS. L'extraction des paramètres des imperfections du schéma au niveau transistor a permit d'enrichir le modèle comportemental et de prévenir les anomalies causant la dégradation des performances du modulateur S?.
Author: Sorore Benabid
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Languages : fr
Pages : 181
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CE TRAVAIL DE THESE S’INTEGRE DANS LE CADRE DE LA CONVERSION ANALOGIQUE-NUMERIQUE SIGMA-DELTA, ADAPTEE AUX APPLICATIONS DEMANDANT UNE GRANDE PRECISION. LE BUT EST D’ETUDIER LA FAISABILITE D’UNE NOUVELLE ARCHITECTURE PARALLELE DE MODULATEUR SIGMA-DELTA MULTIBIT PASSE-BANDE UTILISANT DES FILTRES LC INTEGRES, COMPATIBLES AVEC DES APPLICATIONS HAUTES FREQUENCES. UNE CONCEPTION AU NIVEAU TRANSISTOR NOUS A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE LES PRINCIPALES CONTRAINTES LIEES A LA REALISATION DE LA PARTIE ANALOGIQUE DU MODULATEUR (RESONATEUR GMLC, CAN, CNA) SUR UNE TECHNOLOGIE STANDARD CMOS 0.35μM, A SAVOIR: LA MAUVAISE QUALITE DES INDUCTANCES INTEGREES, LA LIMITATION EN GAIN ET EN FREQUENCE, LA NON LINEARITE ET LE RETARD. NOUS AVONS PROPOSE UN SCHEMA D'AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL A TRANSCONDUCTANCE (GM) AYANT UNE BONNE LINEARITE. UNE STRUCTURE DE SOURCES DE COURANT COMMUTEES A ETE PROPOSEE PERMETTANT D'AMELIORER LES PERFORMANCES DYNAMIQUES DU CNA 3-BITS. EN UTILISANT DEUX CAN 3-BITS EN ALTERNANCE, NOUS AVONS PU ECHANTILLONNER A 1.2GHZ ET RENDRE INTEGRABLE LA CELLULE RESONANTE GMLC CENTREE AUTOUR DE 300MHZ. DE PLUS, A CETTE FREQUENCE, L'INDUCTANCE INTEGREE PRESENTE DES PERTES OHMIQUES CONSIDERABLES QUI REDUISENT FORTEMENT LE FACTEUR DE QUALITE DU FILTRE ET RAJOUTENT UN RETARD DANS LA BOUCLE. POUR CONSERVER LES PERFORMANCES DU MODULATEUR, NOUS AVONS RETENUE UNE TECHNIQUE DE COMPENSATION ACTIVE DU FACTEUR DE QUALITE. LES RESULTATS DE SIMULATION AU NIVEAU TRANSISTOR DE LA BOUCLE DU MODULATEUR INDIQUENT UNE RESOLUTION DE L’ORDRE DE 13 BITS DANS UNE BANDE DE 6MHZ.
Author: Abdeljalil Yahia
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Languages : fr
Pages : 151
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Ce travail est consacré à la conception automatisée des convertisseurs analogique-numérique sigma-delta passe-bande (PB) à temps continu (TC). Une étude générale sur la conversion sigma-delta pour les modulateurs passe-bas et passe-bande a d'abord été menée. La modélisation, la stabilité et l'évaluation de leurs performances y sont abordées. Différentes architectures déjà développées, ainsi que leurs caractéristiques, leurs avantages et leurs limites fonctionnelles sont ensuite succinctement présentées. La conception de modulateurs sigma-delta PB à TC est ensuite abordée. Une méthode utilisant l'invariance impulsionnelle pour transformer un modulateur à temps discret en un modulateur à temps continu a été développée. Elle a conduit à une procédure automatique implémentée sous Matlab. Ces transformations et modélisations permettent de simuler des architectures à TC en utilisant des outils de simulations plus rapides que les simulateurs analogiques. Une nouvelle méthode d'analyse et de synthèse des modulateurs sigma-delta PB à TC est présentée. Elle rend possible la synthèse de modulateurs sigma-delta ayant un retard supérieur à une période d'échantillonnage, pourvu qu'un bouclage soit ajouté à l'entrée du CAN. Nous avons montré que la résolution dépend du choix de son emplacement. Une série de simulations a été réalisée sur des modulateurs sigma-delta PB d'ordre 8, afin de valider la méthode générale. La faisabilité du modulateur est assurée en prenant en compte une éventuelle dispersion des composants. Ainsi, des valeurs de retard supérieures à la période d'échantillonnage peuvent maintenir une marge de gain du filtre de la boucle directe compatible, avec de bonnes performances. Dans cette analyse, la sensibilité de cette marge de gain par rapport aux variations du retard réelles est analysée. Toujours dans un souci de faisabilité, la sensibilité des performances par rapport à la dispersion sur le retard réel a été minimisée.
Author: Julien Goulier
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Languages : fr
Pages : 158
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Ce travail de recherche porte sur la conversion analogique numérique delta sigma à temps continu passe-bas, et plus particulièrement sur les difficultés de réalisation de ce type de convertisseur. L'objectif global de ces recherches était la mise en place d'une méthode de conception adaptée. Dans un premier temps, le travail s'est focalisé sur le calcul d'architecture et l'obtention de coefficients adaptés à une spécification donnée. L'impact des imperfections d'horloge sur les performances de ces convertisseurs a ensuite été étudié et une méthode analytique d'estimation des dégradations introduites par l'intermédiaire de l'horloge a été proposée. Ces deux étapes clefs lors de la réalisation d'un delta sigma à temps continu ont été intégrées à un flot de conception complet allant des spécifications à l'implémentation sur silicium. Finalement, ce flot de conception a été utilisé pour réaliser un modulateur delta sigma à temps continu en technologie CMOS065 pour une application WLAN.
Author: Jurgen van Engelen
Publisher: Springer Science & Business Media
ISBN: 1475745869
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 190
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Sigma delta modulation has become a very useful and widely applied technique for high performance Analog-to-Digital (A/D) conversion of narrow band signals. Through the use of oversampling and negative feedback, the quantization errors of a coarse quantizer are suppressed in a narrow signal band in the output of the modulator. Bandpass sigma delta modulation is well suited for A/D conversion of narrow band signals modulated on a carrier, as occurs in communication systems such as AM/FM receivers and mobile phones. Due to the nonlinearity of the quantizer in the feedback loop, a sigma delta modulator may exhibit input signal dependent stability properties. The same combination of the nonlinearity and the feedback loop complicates the stability analysis. In Bandpass Sigma Delta Modulators, the describing function method is used to analyze the stability of the sigma delta modulator. The linear gain model commonly used for the quantizer fails to predict small signal stability properties and idle patterns accurately. In Bandpass Sigma Delta Modulators an improved model for the quantizer is introduced, extending the linear gain model with a phase shift. Analysis shows that the phase shift of a sampled quantizer is in fact a phase uncertainty. Stability analysis of sigma delta modulators using the extended model allows accurate prediction of idle patterns and calculation of small-signal stability boundaries for loop filter parameters. A simplified rule of thumb is derived and applied to bandpass sigma delta modulators. The stability properties have a considerable impact on the design of single-loop, one-bit, high-order continuous-time bandpass sigma delta modulators. The continuous-time bandpass loop filter structure should have sufficient degrees of freedom to implement the desired (small-signal stable) sigma delta modulator behavior. Bandpass Sigma Delta Modulators will be of interest to practicing engineers and researchers in the areas of mixed-signal and analog integrated circuit design.
Author: Christophe Flouzat
Publisher:
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Category :
Languages : fr
Pages : 196
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Résumé anglais
Author: NIcolas Beilleau
Publisher:
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Languages : en
Pages : 103
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Architecture de récepteur RF basée sur un convertisseur analogique numérique (CAN) de type Sigma-Delta (SD) passe-bande (PB) travaillant aux fréquences RF. Ceci est rendu possible par l'utilisation d'un résonateur LC implémenté dans la boucle du modulateur SD. 1- Modulateurs Sigma-Delta à résonateurs LC. Le premier problème dans la conception des modulateurs Sigma-Delta à résonateurs LC est de trouver les coefficients de la fonction de transfert du bruit. Ces modulateurs sont différents de ceux à base d'intégrateurs par le fait qu'ils permettent un moins grand nombre de contre-réactions et donc moins de degrés de liberté pour le calcul de la fonction de transfert du bruit. Ceci a été résolu en ajoutant sur un même nœud plusieurs signaux séparés par un délai. Cette solution a été étendue pour concevoir des modulateurs avec des filtres de boucle ayant un nombre limité de signaux de contre-réaction comme deux résonateurs LC couplés magnétiquement. L'utilisation de FIRDACs, qui sont des convertisseurs numériques-analogiques (CNA) séparés par des délais, pour les contre-réactions à l'entrée et à la sortie du filtre permet d'avoir un nombre suffisant de coefficients pour obtenir la fonction de transfert du bruit désirée. 2- Modulateurs Sigma-Delta Sous-échantillonnés. La fréquence d'échantillonnage des modulateurs Sigma-Delta PB est souvent choisie, pour les simplifications qu'elle permet, comme 4 fois la fréquence centrale du signal d'entrÈe. En considérant un signal d'entrée à 2,5GHz ceci implique une fréquence d'échantillonnage à 10GHz ce qui est trop haut pour une conception faible consommation du modulateur Sigma-Delta et des circuits numériques qui le suivent. La technique du sous-échantillonnage permet de réduire la fréquence d'échantillonnage du modulateur en faisant attention aux repliements du bruit et du signal. Pour palier à un des problèmes du sous-échantillonnage, un CNA sinusoïdale est utilisé dans la boucle de contre-réaction à la place d'un CNA rectangulaire suivis d'un mélangeur. Les CNA sinusoïdaux ont aussi l'avantage de diminuer la sensibilité des performances du modulateur à la jitte d'horloge. De plus, pour éviter que le modulateur ne devienne instable, le délai de boucle doit être pris en compte dans le calcul des coefficients. Une méthode automatique du calcul des coefficients d'un modulateur SD PB LC à sous-échantillonnage a donc été développée. 3- Filtre LC intégré faible tension. L'insertion d'un filtre LC dans une boucle de SD implique des contraintes sur sa conception que l'on ne retrouve pas lorsque celui-ci est isolé. Ainsi la connection d'un DAC sinusoïdale différentiel sur les nœuds d'un filtre LC impose la tension d'alimentation de ce dernier et apour conséquence de limiter ses performances. Ceci est démontré avec la définition d'une procédure de conception automatique dans l'environnement CAIRO+ qui aboutie à une génération extrêmement simple de plusieurs circuits sous différentes tension d'alimentation. 4- Convertisseur numérique-analogique sinusoïdale Pour permettre l'utilisation du sous-échantillonnage et diminuer l'effet de la jitte d'horloge dans le modulateur SD, plusieurs structures de CNA sinusoïdales ont été proposées. Leurs erreurs sur la valeur des coefficients et les différences entre les signaux différentiels sont étudiées pour mesurer l'effet direct sur les performances du modulateur et pour savoir comment elles favorisent l'effet de la jitte d'horloge. En prenant en compte ces imperfections une procédure de conception est proposée. De plus, le CNA étant relié au filtre, ses éléments parasites dégradent le facteur de qualité du résonateur et décale sa fréquence centrale. Laconception du filtre doit donc être révisée après celle du CAN. 5- Implémentation et mesures d'un modulateur Sigma-Delta RF. Afin de valider les différents aspects théoriques de ce travail, la conception d'un modulateur SD différentiel du 2nd ordre utilisant un résonateur LC et sous-échantillonné a été effectuée en technologie CMOS 0,13μm avec des inductances intégrées. Un filtre LC avec un facteur de qualité de 80 a été utilisé avec des CNA sinusoïdaux pour convertir un signal de 2.442GHz en un flux de bits a 3,256GEchantillons/s. La mise en forme de l'horloge a été intégrée a lapuce. Le modulateur atteind n simulation une dynamique et un rapport signal sur bruit de 45dB sur une bande de 25MHz. Il occupe une surface de 1,7mm2 et à une fréquence d'échantillonnage de 3,256GHz doit consommer 30mA sous 1,2V. (La fabrication, le test et les mesures se sont déroulés a ST-Microelectronics, Crolles, France).
Author: Erwin Janssen
Publisher: Springer
ISBN: 9789400713888
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 248
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Book Description
The aim of this book is to expand and improve upon the existing knowledge on discrete-time 1-bit look-ahead sigma-delta modulation in general, and to come to a solution for the above mentioned specific issues arising from 1-bit sigma-delta modulation for SA-CD. In order to achieve this objective an analysis is made of the possibilities for improving the performance of digital noise-shaping look-ahead solutions. On the basis of the insights obtained from the analysis, several novel generic 1-bit look-ahead solutions that improve upon the state-of-the-art will be derived and their performance will be evaluated and compared. Finally, all the insights are combined with the knowledge of the SA-CD lossless data compression algorithm to come to a specifically for SA-CD optimized look-ahead design.
Author: Văn Tâm Nguyêñ
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 190
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Book Description
Le CAN basé sur la modulation sigma delta est capable de fournir une très haute résolution. Bien qu'il nécessite un suréchantillonnage, il est peu sensible aux imperfections des composants. Il est donc très populaire pour les applications de bande étroite demandant une haute résolution.Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'extension de ses applications vers une bande passante plus large. Nous avons d'abord étudié l'architecture sigma delta parallèle et proposé une nouvelle architecture basant sur la modulation sigma delta passe-haut et l'entrelacement temporel permettant de réduire significativement le problème caractéristique du parallélisme, à savoir la disparité entre les canaux.Nous avons ensuite étudié le modulateur sigma delta passe-haut et proposé une implémentation en technique des capacités commutées. Ce nouveau modulateur, contrairement au modulateur classique, est immune au bruit de basse fréquence et peut être utilisé non seulement dans une architecture parallèle, mais aussi de façon autonome.Nous avons aussi modélisé la plupart de non-idéalités du modulateur en VHDL-AMS pour arriver à une méthodologie de conception descendante qui permet de dériver les spécifications de tous les blocs du circuit à partir de performance visée pour le système complet. L'implémentation d'un modulateur sigma delta passe-haut d'ordre 2 et un CAN sigma delta passe-haut en combinant avec l'entrelacement temporel a été réalisée en CMOS 0,35 micromètre.Enfin, notre travail nous a permis de démontrer non seulement l'avantage du modulateur sigma delta passe-haut, mais aussi un perspective prometteur du CAN sigma delta parallèle pour les applications de très large bande.
