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스위치드 연산증폭기를 이용한 CMOS 단일비트 3차 델타시그마 변조기 설계
Design of a CMOS Single Bit 3rd Order Delta-Sigma Modulator with Switched Operational Amplifier 원문보기

한국통신학회논문지. The journal of Korea Information and Communications Society. 무선통신, v.37A no.8, 2012년, pp.712 - 719  

이한울 (인하대학교 아날로그집적회로설계 연구실) ,  시대 (인하대학교 아날로그집적회로설계 연구실) ,  유태경 (인하대학교 아날로그집적회로설계 연구실) ,  이건 (인하대학교 아날로그집적회로설계 연구실) ,  윤광섭 (인하대학교 전자공학과) ,  이상민 (인하대학교 전자공학과)

초록
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본 논문은 오디오 신호 처리 시스템의 저속 고해상도 ADC를 위해 설계된 CMOS 단일비트 3차 델타시그마 변조기를 설계하였다. 변조기 내 적분기에 사용되는 연산증폭기의 전력소모를 감소시키기 위해서 연산증폭기내 바이어스 전류원에 차단/동작 기능을 하는 스위치를 장착시켰다. 또한 변조기내 스위치의 위치를 최적화 하여 기존의 스위칭 방식에서 발생하는 주파수 특성 변화를 최소화하였다. 단일 비트 3차 델타시그마 변조기 구조를 선택하였으며, 제안한 델타 시그마 변조기의 성능측정결과 전원 전압 3.3V, 샘플링 주파수 6.4MHz, 입력주파수 20KHz에서 17.1mW의 전력소모를 나타냈다. SNDR은 84.3dB, 유효비트수는 13.5비트를 나타내었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents Single-bit Third order Delta-Sigma Modulator, which can be applied to the Low speed High resolution ADC in Audio signal Process System. Whereas the Operational Amplifier in modulator consumed static power dissipation in operating, this modulator used Switching on/off techniques, ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 논문에서는 기본적인 시그마 델타 변조기 구조를 사용하면서도 기존 스위치드 연산증폭기에서 발생하는 주파수 특성 변화, 출력 스윙 제한 등의 문제점들을 개선하고 효과적으로 전력소모를 줄일 수 있는 스위칭 기법을 제시한다[4,5].
  • 본 논문에서는 고해상도 저속 ADC를 위한 싱글 비트 3차 델타시그마 변조기를 제안하였다. 변조기 내 적분기에 사용되는 연산증폭기의 전력소모를 최소화 하기위해 차단/동작 기능을 가지는 스위치드 설계 방식을 사용하였다.
  • 이러한 문제점을 개선하기 위해서 본 연구에서는 그림 4와 같은 스위치드 완전차동 연산증폭기를 제안하였다. 완전차동 구조는 연산 증폭기의 전압이득을 6 dB 향상시키며, 오프셋 전압을 줄일 수 있는 구조이므로 높은 해상도를 필요로 하는 시그마 델타 변조기에 적합하다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
델타 시그마 변조기는 일반적으로 어떻게 구성되어 있는가? 일반적으로 델타 시그마 변조기는 적분기, ADC(Analog-Digital Converter), DAC(Digital-Analog Converter), FF(Flip Flop) 등으로 구성된다. 그 중에서 전력 소모에 가장 큰 영향을 미치는 것은 각 적분기에 사용되는 연산 증폭기이다.
델타 시그마 변조기에서 전력소모에 가장 큰 영향을 미치는 것은 무엇인가? 일반적으로 델타 시그마 변조기는 적분기, ADC(Analog-Digital Converter), DAC(Digital-Analog Converter), FF(Flip Flop) 등으로 구성된다. 그 중에서 전력 소모에 가장 큰 영향을 미치는 것은 각 적분기에 사용되는 연산 증폭기이다. 일반적인 델타 시그마 변조기의 경우 샘플과 적분과정 동안 연산증폭기가 항상 동작 상태에 있어서 연속적으로 전력소모를 하게 되고 이로 인해서 변조기 전체의 전력소모가 증가하게 된다.
나이키스트 변환기의 단점은 무엇인가? 오디오 신호처리 분야에서 사용되는 데이터 변환기는 2~25kHz의 신호대역폭에 대해 15비트 이상의 해상도가 요구되어지고 있다. 기존의 나이키스트(Nyquist rate) 변환기법은 적당한 가격조건하에서 이러한 높은 해상도를 얻을 수 없다. 또한 현재의 VLSI 공정 기술로는 약 0.1%의 수동소자 정합 특성을 제공하므로 15비트 이상의 해상도를 얻기 위해서는 고가의 레이저 트리밍 기법 등을 이용해야만 한다[1,2].
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참고문헌 (11)

  1. Liyuan Liu, Dongmei Li, Liangdong Chen, Yafei Ye, Zhihua Wang, "A 1-V 15-Bit Audio Delta Sigma-ADC in 0.18 um CMOS", IEEE Transactions on Circuits and Systems-I, vol. 59, no.5, pp.915-925, MAY 2012 

  2. Xicheng Jiang, Jungwoo Song, Jianlong Chen, Vinay Chandrasekar, Sherif Galal, Felix Y. L. Cheung, Darwin Cheung, and Todd L. Brooks, "A Low-Power, High-Fidelity Stereo Audio Codec in 0.13 um CMOS ," IEEE J, Solid-State Circuits, vol 47, pp 1221-1231, MAY 2012. 

  3. Keith A. O'Donoghue, Paul J. Hurst and Stephen H. Lewis, Michiel S.J. Steyaert and Willy Sansen, "A Digitally Corrected 5-mW 2-MS/s SC ADC in 0.25-um CMOS With 94-dB SFDR ," IEEE J, Solid-State Circuits, vol 46, pp 2673-2684, NOVEMBER 2011. 

  4. Vincenzo Peulso, Michiel S.J. Steyaert and Willy Sansen, "A 1.5V-100uW Delta Sigma Modulator with 12-b Dynamic Range Using Switched-Opamp Technique," IEEE J, Solid-State Circuits, vol 32, pp 943-952, July 1997. 

  5. Jiri Nedved, Jozef Vanneuville, Dorine Gevaert and Jan Stvenhans, "A Transistor-Only Switched Current Sigma-Delta A/D Converter for a CMOS Speech CODEC," IEEE J, Solid-State Circuits, vol 30, pp 819-822, July 1995. 

  6. Vincenzo Peluso and Willy Sansen, "A 900mV 40uW switched opamp Delta Sigma Modulator with 77dB Dynamic Range", ISSCC98, pp. 68-69, Feb., 1998. 

  7. D. Jons and K. Martin, Analog Integrated Circuit Design, J. Wiley, 1997. 

  8. D. Senderowicz, G. Nicollini, S. Pernici, A. Nagari, P. Confalonieri, and C. Dallavale, "Low-voltage double-sampled ${\Sigma}{\Delta}$ converters," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 32, pp. 1907-1919, Dec. 1997. 

  9. L. Dorrer, F. Kuttner, A. Santner, C. Kropf, T. Hartig, P. Torta, and P. Greco, "A 2.2mW, continuous-time sigma-delta ADC for voice coding with 95 dB dynamic range in a 65 nm CMOS process," in Proc. European Solid-State Circuits Conf. (ESSCIRC), 2006, pp. 195-198. 

  10. J. Goes, B. Vaz, R. Monteiro, and N. Paulino, "A 0.9 V delta sigma modulator with 80 dB SNDR and 83 dB DR using a single-phase technique," in Proc. ISSCC, Feb. 2006, pp. 74-75. 

  11. K.-P. Pun, S. Chatterjee, and P. Kinget, "A 0.5-V 74-dB SNDR 25-kHz continuous-time delta-sigma modulator with a return-to-open DAC," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 42, no. 3, pp. 496-507, Mar. 2007. 

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