High frequency behavioral modeling of second-order sigma delta modulators

Abstract

Sigma delta modulators (ΣΔMs) form part of the core of today’s mixed-signal de- signs. They are cornerstone components of oversampled data converters. Such data converters take advantage of digital signal processing techniques and VLSI technology to provide high performance with low sensitivity to analog component imperfections and noisy conditions. The ongoing research on these devices shows the potential of ΣΔ data converters as a promising candidate for high-speed, high-resolution, and low-power mixed-signal interfaces. As for any electronic system, efficient modeling and simulation tools are essential in the design cycle of oversampled converters, particularly for their embedded ΣΔMs. Although transistor-level simulation is the most accurate approach known for these components, this method becomes impractical for complex systems due to the long computational time required. This situation has led circuit designers to consider alternate modeling techniques. Among these, the simulation of ΣΔMs using behavioral models has become the focus of attention for a large portion of the design community. This thesis presents an accurate behavioral model of a high speed, second-order, multi-bit ΣΔM using VHDL-AMS as the modeling language. The model addresses several nonidealities such as the integra- tor dynamics, thermal noise, jitter noise, and capacitance mismatch. The proposed model provides a reliable tool for the design of low-power, high-speed ΣΔMs. Results from simulations of a second-order multi-bit ΣΔM demonstrate the model to be valid and accurate when compared to SPICE and experimental data.

Los moduladores sigma delta (EAMs) forman una parte básica en muchos diseños contemporáneos de circuitos de señal mixta, como componentes fundamentales de los convertidores de data sobre-muestreados. Estos convertidores aprovechan técnicas de procesamiento digital de señales y de tecnología VLSI para proveer alto funcionamiento con baja sensibilidad a ruido y a imperfecciones de componentes analógicos. La investigación en curso sobre estos dispositivos muestra el potencial de los convertidores EA como un candidato prometedor para interfaces de señales-mixtas de alta velocidad, alta resolución y baja potencia. Como para cualquier sistema electrónico, el modelaje eficiente y la simulación son herramientas esenciales en el ciclo del diseño de los convertidores sobre-muestreados, particularmente para sus EAMs. La simulación a nivel de transistores es la técnica conocida más exacta para estos componentes, pero resulta impráctica para diseños complejos por el largo tiempo que requiere la simulación. Esta situación ha movido a los diseñadores a considerar técnicas alternas de modelaje. Entre estas, el modelaje de comportamiento se ha convertido en un foco de atención para gran parte de la comunidad cientifica. Esta tesis presenta un modelo comprensivo del comportamiento de un 2AM de segundo-orden de múltiples bits y de alta-velocidad usando VHDL-AMS como el lenguaje de modelaje. El modelo trata varias no-idealidades tales como la dinámica del integrador, el ruido termal, el ruido jitter y las desviaciones en los valores de capacitancia. Los modelos propuestos proporcionan una herramienta confiable en el diseño de los EAMs de alta veloci- dad y baja potencia. Resultados de simulaciones para un EAM de segundo-orden de múltiples bits demuestran que el modelo es válido y exacto en comparación con simulaciones en SPICE y con datos experimentales.