Design of wideband high-resolution low-pass continuous-time delta-sigma modulators in CMOS process

Conception de modulateurs Delta-Sigma passe-bas en technologie CMOS pour des applications à large bande passante et haute résolution

Hussein Fakhoury (1)

1 LTCI - Laboratoire Traitement et Communication de l'Information

The market of A/D converters can be segmented in two categories. From one side we distinguish the Intellectual Property (IP) blocks that are generally optimized for a specific application. On the other side, the general-purpose discrete Integrated Circuits (ICs) that are designed such as they could be used in different applications. This thesis work deals with the second category. It is part of a research and development program initiated in 2010 in the European project FP7 SACRA, whose purpose was to study the feasibility of a delta-sigma (DS) analog-to-digital converter that could compete with the pipeline architecture for applications that require high bandwidth (≥10MHz) and high resolution (>10-bit) such as medical imaging, wireless and wireline communications, video or instrumentation. Currently, the pipeline is still largely predominant for such applications and the few commercial wideband solutions based on a DS architecture have a signal bandwidth limited to 10 MHz or 25 MHz while consuming respectively 100mW and 20mW for an ENOB around 12-bit. This manuscript summarizes the design, fabrication and measurement of a low-pass CT DS modulator with a signal bandwidth of 40MHz, while targeting an effective resolution of 12-bit and a power consumption of less than 100mW.

Le marché des convertisseurs analogique-numérique peut être segmenté en deux catégories de circuits. Nous distinguons d’une part, les blocs de propriété intellectuelle (IP) qui sont généralement optimisés pour une application spécifique. Et d’autre part, les circuits intégrés discrets qui sont conçus pour répondre aux besoins d’une plus large gamme d’applications. Ce travail de thèse concerne la deuxième catégorie de composants. Il s’inscrit dans le cadre d'un programme de recherche et développement initié en 2010 dans le projet européen FP7 SACRA et dont le but était d'étudier la faisabilité d'un convertisseur analogique-numérique Delta-Sigma (DS) qui pourrait rivaliser avec l'architecture pipeline pour des applications nécessitant une large bande passante (≥10MHz) et une haute résolution (>10-bit) comme l’imagerie médicale, les communications numériques sans fils ou câblées, la vidéo ou encore l’instrumentation. Ce manuscrit synthétise les travaux de conception, fabrication et mesure d’un modulateur DS Passe-bas à temps continu avec une bande passante de 40MHz, et visant une résolution effective de 12-bit tout en consommant moins de 100mW.

Mots clés: CMOS; Wideband; High resolution; Continuous time; Low-pass; Pipeline; Delta-Sigma

Mots clés: Haute résolution; CMOS; Large-bande; Temps continu; Passe-bas; Pipeline; Delta-Sigma

Domaines: Electronique; Micro et nanotechnologies/Microélectronique

Hussein Fakhoury. Design of wideband high-resolution low-pass continuous-time delta-sigma modulators in CMOS process. Electronics. Télécom ParisTech, 2014. English. ⟨NNT : 2014ENST0088⟩. ⟨tel-01387774⟩