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저전력 센서 인터페이스를 위한 1.2V 90dB CIFB 시그마-델타 아날로그 모듈레이터
A 1.2V 90dB CIFB Sigma-Delta Analog Modulator for Low-power Sensor Interface 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.22 no.3, 2018년, pp.786 - 792  

박진우 (Department of Electronics Engineering, Kumoh National Institute of Technology) ,  장영찬 (Department of Electronics Engineering, Kumoh National Institute of Technology)

초록
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본 논문에서는 저전력 센서용 아날로그-디지털 변환기를 위한 cascade of integrator feedback (CIFB) 구조의 3차 시그마-델타 아날로그 모듈레이터가 제안된다. 제안된 시그마-델타 아날로그 모듈레이터는 gain-enhanced current-mirror 기반 증폭기를 사용하는 3개의 스위치 커패시터 적분기, 단일 비트 비교기, 그리고 비중첩 클럭 발생기로 구성된다. 160의 오버 샘플링 비율과 90.45dB의 신호 대 잡음비를 가지는 시그마-델타 아날로그 모듈레이터는 1.2V 공급 전압의 $0.11{\mu}m$ CMOS 공정으로 설계되며, $0.145mm^2$의 면적과 $341{\mu}W$의 전력을 소모한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A third-order sigma-delta modulator with the architecture of cascade of integrator feedback (CIFB) is proposed for an analog-digital converter used in low-power sensor interfaces. It consists of three switched-capacitor integrators using a gain-enhanced current-mirror-based amplifier, a single-bit c...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 시그마-델타 ADC는 오버 샘플링(oversampling) 기술과 잡음 변형(Noise shaping) 기술을 사용하여 양자화 잡음(Quantization noise)을 효과적으로 억제함으로써 신호 대역 내에서 높은 신호 대 잡음비(SNR: Signal-to-noise ratio)를 구현할 수 있다. 본 논문에서는 모바일 센서 인터페이스에 적용될 수 있는 저전력 시그마-델타 아날로그 모듈레이터를 제안한다. 특히, 센서를 통해 입력된 아날로그 신호를 높은 해상도의 디지털 신호로 변환하되, 저면적 및 저전력으로 구현할 수 있는 설계를 제안한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
시그마-델타 ADC의 장점은 무엇인가? 이를 위해 고해상도의 ADC가 요구되는데, 시그마-델타 ADC가 주로 사용된다. 시그마-델타 ADC는 오버 샘플링(oversampling) 기술과 잡음 변형(Noise shaping) 기술을 사용하여 양자화 잡음(Quantization noise)을 효과적으로 억제함으로써 신호 대역 내에서 높은 신호 대 잡음비(SNR: Signal-to-noise ratio)를 구현할 수 있다. 본 논문에서는 모바일 센서 인터페이스에 적용될 수 있는 저전력 시그마-델타 아날로그 모듈레이터를 제안한다.
아날로그-디지털 컨버터의 기능은 무엇인가? 이러한 센서로부터 획득된 아날로그 신호는 디지털 신호 처리를 위해 디지털 신호로의 변환이 요구된다. 이를 위해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터(ADC: analog-to-digital converter)의 연구가 지속적으로 진행되고 있다[1]-[4]. 상술한 각종 센서에서는 수 kHz의 저주파 대역의 신호를 정밀하게 데이터 변환을 수행한다.
시그마-델타 모듈레이터에 노이즈가 발생하지 않는 이유는 무엇인가? 시그마-델타 모듈레이터에 사용되는 양자화기는 높은 정확도가 요구되지 않는다. 양자화기에서 발생하는 양자화 잡음은 루프 필터를 거치면서 이루어지는 잡음 정형 기법으로 인해 신호 대역 내에서 크게 감쇄된다. 따라서 양자화기의 비이상적인 노이즈가 발생하더라도 시그마-델타 모듈레이터의 최종 출력에는 대부분 억제되어 나타나지 않기 때문에 양자화기에 대한 설계 부담이 완화된다[4].
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참고문헌 (10)

  1. A. Nikas, O. Leman, H. Zhou, J. L. Lagos, B. J. Vinchhi, and J. Hauer, "A 83dB SNDR low power readout ASIC for piezoresistive nanogauge based gyroscopes," IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), pp. 2238-2241, 2016. DOI:10.1109/ISCAS.2016.7539028 

  2. H. Xu, X. Liu and L. Yin, "A Closed-Loop $\Delta$ $\Sigma$ Interface for a High-Q Micromechanical Capacitive Accelerometer With 200 ng/ $\surd$ Hz Input Noise Density," IEEE J. Solid-State Circuits, vol.50, no.9, pp. 2101-2112, 2015. DOI:10.1109/JSSC.2015.2428278 

  3. Z. Tan, R. Daamen, A. Humbert, Y. V. Ponomarev, Y. Chae, and M. A. P. Pertijs, "A 1.2-V 8.3-nJ CMOS Humidity Sensor for RFID Applications," IEEE J. Solid-State Circuits, vol.48, no.10, pp. 2469-2477, 2013. DOI:10.1109/JSSC.2013.2275661 

  4. M. Honarparvar, M. Safi-Harb, and M. Sawan, "An Amplifier-Shared Inverter-Based MASH Structure $\Delta$ $\Sigma$ Modulator For Smart Sensor Interfaces," IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), pp. 2250-2253, 2016. DOI:10.1109/ISCAS.2016.7539031 

  5. J. M. de la Rosa and R. del Rio, CMOS Sigma-Delta Converters: Practical Design Guide, John Wiley & Sons, Ltd., 2013. 

  6. J. Roh, S. Byun, Y. Choi, H. Roh, Y.-G. Kim and J.-K. Kwon, "A 0.9-V 60- ${\mu}$ W 1-Bit Fourth-Order Delta-Sigma Modulator With 83-dB Dynamic Range," IEEE J. Solid-State Circuits, vol.43, no.2, pp. 361-370, 2008. DOI:10.1109/JSSC.2007.914266 

  7. R. Schereier, J. Silva, J. Steensgaard and Gabor C. Temes, "Design-Oriented Estimation of Thermal Noise in Switched-Capacitor Circuits," IEEE Trans. Circuits and Systems I, Regular Papers, vol.52, no.11, pp. 2358-2368, 2005. DOI:10.1109/TCSI.2005.853909 

  8. R. J. Baker, CMOS: Mixed-Signal Circuit Design, Wiley, 2002. 

  9. L. Yao, M. S. J. Steyaert, and W. Sansen, "A 1-V 140- ${\mu}$ W 88-dB Audio Sigma-Delta Modulator in 90-nm CMOS," IEEE J. Solid-State Circuits, vol.39, no.11, pp. 1809-1818, 2004. DOI:10.1109/JSSC.2004.835825 

  10. B. Nikolic, V. G. Oklobdzija, V. Stojanovic, W. Jia, J. K.-S. Chiu, and M. M.-T. Leung "Improved sense-amplifier-based flip-flop: design and measurements," IEEE J. Solid-State Circuits, vol.35, no.6, pp. 876-884, 2000. DOI:10.1109/4.845191 

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