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Optimisation des plages dynamiques des convertisseurs analogique-numérique Sigma-Delta

Collard-Fréchette, Etienne (2012). Optimisation des plages dynamiques des convertisseurs analogique-numérique Sigma-Delta. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les convertisseurs Sigma-Delta combinent les techniques de mise en forme du bruit de quantification et du suréchantillonnage du signal pour diminuer l’impact du bruit de quantification sur le rapport signal à bruit (SNR). Pour maximiser les performances des convertisseurs, de nombreux paramètres doivent être optimisés durant le processus de conception.

La problématique principale de cet ouvrage est l’optimisation des coefficients interétage dumodulateur Sigma-Delta. Ces coefficients peuvent être utilisés pour réduire l’amplitude de sortie des intégrateurs, ce qui permet de réduire la distorsion harmonique ainsi que la consommation en puissance. Cependant, le bruit thermique généré par chaque étape d’intégration est amplifié ce qui réduit le SNR à la sortie du convertisseur. Un compromis acceptable est habituellement atteint au terme d’un processus de conception intuitif après quelques itérations de simulations.

Ce mémoire présente deux nouvelles techniques d’optimisation des convertisseurs Sigma-Delta. La première, appelée méthode des fenêtres, se concentre à minimiser l’amplitude de sortie des intégrateurs en fonction d’une pénalité en SNR. Il s’agit d’un processus itératif qui s’exécute à l’intérieur d’une fenêtre d’opération. La seconde méthode utilise une fonction d’optimisation multicritère afin de minimiser simultanément l’amplitude de sortie des intégrateurs et la somme des capacités du modulateur. La réduction de la taille des capacités permet de réduire la taille du circuit et la puissance consommée. Chacune de ces deux méthodes est illustrée par un exemple d’utilisation. Avec la méthode des fenêtres, l’amplitude de sortie des intégrateurs est davantage réduite. Cependant, cela est obtenue au prix d’une augmentation significative de la somme des capacités du modulateur.

La méthode de minimisationmulticritère peut facilement s’intégrer au processus de conception au niveau système en remplaçant la fonction Matlab généralement utilisée pour effectuer la mise à l’échelle des plages dynamique.

Afin de valider la méthode de minimisation multicritère, des simulations au niveau transistors sont effectuées sur trois configurations différentes. Les deux premières sont issues du processus d’optimisation, l’une favorisant la réduction de l’amplitude des intégrateurs tandis que l’autre favorise la réduction de la taille des capacités. La troisième configuration, issue d’un processus de conception standard, sert de point de référence. Les résultats de ces simulations démontre qu’une configuration optimisée en priorisant la minimisation de l’amplitude des intégrateurs obtient les meilleures performances. Le SNR maximal est supérieur de 3,8 dB et la plage dynamique est supérieure de 2 dB par rapport aux perfomances de la configuration de référence.

Résumé traduit

Sigma-Delta converters combine the techniques of noise shaping and oversampling to reduce the impact of quantization noise on the signal to noise ratio (SNR). To maximize the performance of the converters, many parameters must be optimized during the design process.

The principal problem of this work is the optimization of interstage coefficients of the modulator. These coefficients can be used to reduce the integrator output swing which reduces the harmonic distortion and power consumption. However, the thermal noise generated by each stage of integration is amplified which reduces the SNR at the output of the converter. A compromise is usually reached at the end of the design process after few iterations of simulations.

This paper presents two new techniques to optimize Sigma-Delta converters. The first one, called windows method, is focused on minimizing the output swing of integrators based on a penalty in SNR. This is an iterative process that runs inside a window of operation. The second method uses a multi-criteria optimization function to simultaneously minimize the output swing of the integrators and the sum of the capacitor of the modulator. Reducing the size of the capacitors reduces the circuit size and power consumption. Each of the two methods is illustrated by an example. With the windows method, the integrators output swing is further reduced. However, this greater reduction is achieved at the cost of a significant increase in the sum of the capacitors of the modulator.

The method of multicriteria minimization can be easily integrated in the design process at the system level by replacing the Matlab function commonly used to perform the dynamic range scaling.

To validate the method of multicriteria minimization, transistor level simulation are performed on three different configurations. The first two are from the optimization process, one favoring the reduction of the output swing while the other favors the reduction of the capacitors size. The third configuration is the result of a standard design process. It serves as a reference point. The results of these simulations show that an optimized configuration prioritizing the minimization of the integrators output swing get the best performance. The maximum SNR is higher by 3.8 dB and dynamic range is greater by 2 dB compared to perfomances of the reference configuration.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie électrique" Bibliogr. : f. [103]-105.
Mots-clés libres: Convertisseurs analogique-numérique. Optimisation mathématique. Modulateurs (Électronique) Transistors. Bruit, Forme, Mise, Sigma-Delta, Simulation, Suréchantillonnage, Thermique.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Gagnon, Ghyslain
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt: 20 mars 2012 17:43
Dernière modification: 03 mars 2017 00:48
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/984

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