Continuous-Time Delta-Sigma Modulators for Ultra-Low-Power Radios

Abstract: Popular Abstract in Swedish Små, trådlösa och portabla apparater utgör idag en stor del av vår uppkopplade värld. Under det senaste decenniet har dock flera teknologiska framsteg lett mot en utveckling där allt från maskiner till kläder kommunicerar med varandra. Detta brukar kallas för "sakernas internet" och uppskattas involvera 50 miljarder enheter år 2020. Genom att förse dessa enheter med små och smarta sensorer är det möjligt att känna av omgivningen och samla in olika former av data. Det finns många potentiella applikationer där detta är av intresse t.ex. medicinska implantat, spelkontroller, smarta hus och industriell övervakning. Inom medicinska tillämpningar har sensornätverk redan använts för att hålla reda på patientens tillstånd och olika kroppsvärden. En av de största utmaningarna med sensornätverk är effektförbrukningen som bestämmer hur länge batteriet för en sensor kommer att räcka. Det är viktigt att batteritiden är så lång som möjligt eftersom sensorerna kan vara placerade på ställen som är svåra och farliga att komma åt. Energin från batteriet som sensorn har är det enda energin som den kommer få under dess livslängd. Eftersom batteritekniken går sakta framåt, är det viktigt att utveckla effektiva elektroniska kretsar och algoritmer som minimerar effekten som dras från batteriet. En sensor kräver i slutändan digitala signaler för att uppnå den funktionalitet som anses viktig idag. Eftersom alla signaler i naturen är analoga, måste de omvandlas till digitala signaler. Detta är en uppgift för Analog-till-digital (A/D) omvandlaren som är en viktig del i det radiochip som sänder och tar emot signalerna i sensornätverket. Det kostar energi att omvandla analoga till digitala signaler vilket innebär att A/D omvandlaren är en kritisk komponent och ansvarar för en stor del av energiförbrukningen i ett radiochip. Det finns många typer av A/D omvandlare men under senare tid har Delta-Sigma modulatorn blivit populär inom många applikationer. Den här avhandlingen undersöker flera kretslösningar med syftet att minska känsligheten för tidsfel, så kallad klockjitter, och sänka effektförbrukningen i Delta-Sigma modulatorn för en lågeffektsradio. Den första Delta-Sigma modulatorn som konstruerades använde en speciell lösning med dubbla exponentiella pulser för att minska känsligheten för klockjitter. Dessa pulser håller den maximala återkopplingsströmmen på en rimlig nivå och sänker därför strömkravet för den första förstärkaren. Den här tekniken har verifierats med simuleringar och mätningar på ett tillverkat chip. I den andra Delta-Sigma modulatorn undersöktes ett andra ordningens filter med bara en förstärkare för att minska effektförbrukningen i den analoga delen. Detta resulterade i en låg effektförbrukning medan den övriga prestandan uppfyllde kraven för lågeffektsradion. Den här tekniken har verifierats med simuleringar och mätningar på ett tillverkat chip. Slutligen användes en annan typ av A/D omvandlare s.k. successiv approximation A/D omvandlare som en del i den sistnämnda Delta-Sigma modulatorn för att ytterligare sänka effekten i den digitala delen. Konceptet har hittills verifierats med simuleringar. Det här arbetet har varit en del av ett större projekt som går ut på att konstruera en mottagarkedja för en lågeffektsradio. Kravet för den totala chipstorleken är 1 mm^2 och den maximala effektförbrukningen ska vara 1 mW. Projektet sponsrades av Swedish Foundation for Strategic Research (SSF).