İKİNCİ DERECE DELTA-SİGMA MODÜLATÖR TASARIMI Murat DOĞU Bölümü: Elektronik Mühendisliği Danışmanı: Yar. Doç. Dr. Devrim Yılmaz AKSIN 15.06.2018

İçindekiler ΔΣ Temel Özellikler İkinci Derece Delta-Sigma Modülatör Fazla Örnekleme (Oversampling) Gürültü Şekillendirme (Noise Shaping) İkinci Derece Delta-Sigma Modülatör İkinci Derece Modülatör Simulink Modeli Tranzistör Seviyesinde Tasarım Kuvvetlendirici Tasarımı Komparator Tasarımı Anahtar Tasarımı Saat İşareti Üreteci Tasarımı Modülatör Sisteminin Kurulması Kaynaklar Ekler 15.06.2018

Fazla Örnekleme (Oversampling) Alçak Frekansta Örnekleme Yüksek Frekansta Örnekleme 15.06.2018

Gürültü Şekillendirme (Noise Shaping) Birinci Derece Delta-Sigma Modülatör Gürültü şekillendirmeyi sağlar Örnekleme Frekansını 2 katına çıkarmak: Tek başına 0.5 bit 1. Derece ΔΣ ile 1.5 bit 2. Derece ΔΣ ile 2.5 bit fazladan çözünürlük sağlar. Gürültü Transfer Fonksiyonları [1] 15.06.2018

İkinci Derece Delta-Sigma Modülatör 15.06.2018

İkinci Derece Modülatör Simulink Modeli Modülatör Giriş ve Çıkış İşaretleri Yakınlaştırılmış Grafik 15.06.2018

İkinci Derece Modülatör Simulink Modeli DC Giriş Cevabı İkinci Derece Modülatör PSD Grafiği Ölçülen SNR değeri 99.7 dB [-1.1, 1.1] giriş aralığında modülatör düzgün çalışmaktadır. 15.06.2018

Simülasyon Sonuçları Model üzerinde bazı değişiklikler yapılarak, uygulamada karşılaşılan genel idealsizlikler modellenmiş, buna göre kurulacak olan devrede elemanların sahip olması gereken özellikler belirlenmiştir. Sunum kapsamında sadece bunların sonuçlarına yer verilmiştir. Kuvvetlendirici DC Kazancı > 55 dB Kuvvetlendirici Kazanç-Band Genişliği > 40 MHz Yükselme Eğimi > 250 M V/s Örnekleme Kapasitesi ≥ 1 pF 15.06.2018

Kuvvetlendirici Tasarımı Aynalama Devresi Giriş Katı Katlanmış Kaskod Katı Ortak Taban Geribesleme (Common Mode Feedback) Devresi 15.06.2018

Kuvvetlendirici Performansı Kuvvetlendirici AC Cevabı Diferansiyel çıkış için - 81 dB DC kazanç 2 pF yük kapasitesi için 187 MHz band genişliği 5.28 mW güç harcaması Birim Geribeslemeli Durumda Sinüs Cevabı 15.06.2018

Ön Kuvvetlendirici Kısmı Komparator Tasarımı Ön Kuvvetlendirici Kısmı Tutucu Kısmı 15.06.2018

Komparator Giriş, Çıkış ve Saat İşareti Grafikleri 15.06.2018

Anahtar Tasarımı Transmisyon Kapısı Örnekleme yaparken oturma zamanını anahtar direnci ile örnekleme kapasitesinin RC zaman sabiti belirler. 5 ns oturma zamanı için, 2 pF örnekleme kapasitesi için anahtar direnci 125 Ω olmalıdır. Buna göre tranzistör büyüklükleri NMOS 8/0.35 µm, PMOS 24/0.35 µm olacak şekilde seçilmiştir. 15.06.2018

Saat İşareti Üreteci Tasarımı Örtüşmeyen Saat İşaretlerini Üretmek için Kullanılan Yapı Komparator Tetikleme İşaretini Üretmek için Kullanılan Yapı 15.06.2018

Üretilen Saat İşaretleri S1, S2, S3, S4 ve PHI Örtüşmeyen Saat İşaretleri S1, S3 (300 ps gecikme) 15.06.2018

Modülatör Sisteminin Kurulması İkinci Derece Delta-Sigma Modulatör Devre Şeması [2] C1 = 1 pF C2 = 2 pF 15.06.2018

Modülatör Dalga Şekilleri Birinci İntegratör Giriş ve Çıkış İşaretleri Komparator Çıkışı 15.06.2018

Modülatör Performansı Sistem Çıkışı PSD Grafiği SNR değeri 84.7 dB ölçülmüştür, 13.7 bitlik çözünürlüğe karşı düşmektedir. Daha iyi performans için kuvvetlendirici tasarımı iyileştirilmelidir. 15.06.2018

Kaynaklar [1] Schreier, R., “The Delta-Sigma Toolbox Version 7.3”, Matlab Central, 2009. [2] Brandt, B., Wingard, D., “Second Order Sigma-Delta Modulation for Digital Audio Signal Acquisation”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 23, No.6, Aralık 1988. 15.06.2018

Ekler 15.06.2018

Ekler 15.06.2018

Ekler 15.06.2018

Ekler 15.06.2018

Örnekleme Zamanı Belirsizliği Ekler Örnekleme Zamanı Belirsizliği 15.06.2018

Doğrusal Olmayan Örnekleme Ekler Doğrusal Olmayan Örnekleme 15.06.2018

Ekler Örnekleme Gürültüsü 15.06.2018

Kuvvetlendirici Sonlu Kazancı Ekler Kuvvetlendirici Sonlu Kazancı 15.06.2018

Kuvvetlendirici Sonlu Oturma Zamanı Ekler Kuvvetlendirici Sonlu Oturma Zamanı 15.06.2018

Doğrusal Olmayan Kuvvetlendirici Kazancı Ekler Doğrusal Olmayan Kuvvetlendirici Kazancı 15.06.2018

Kuvvetlendirici Gürültüsü Ekler Kuvvetlendirici Gürültüsü 15.06.2018

Kuvvetlendirici Ofseti Ekler Kuvvetlendirici Ofseti 15.06.2018

Kuvvetlendirici Doyumu Ekler Kuvvetlendirici Doyumu 15.06.2018