High performance adaptive sigma delta modulator designs

Abstract

Bu çalışmada, Sigma Delta modülatörlerde bulunan tümlev alıcı devrenin doyumproblemine değişik iki tane çözüm önerilmiştir. Doyum, Sigma Delta modülatörlerinindinamik giriş alanını sınırlamaktadır. Bu nedenle, tümlev alıcı devrenin doyuma ulaşmasımodülatör çıkısının doğruluğunu ve geçerliliğini koruması açısından kesinlikleengellenmelidir.Önerilen ilk sistem, tümlev alıcı devrenin çıkışı doyum sınırına yaklaştığında durumuönceden algılayıp devrenin kazancını yeni duruma geri besleme yoluna fazladan birkondansatör ekleyerek uyarlamakta ve böylelikle tümlev çıkışında doyum yüzünden oluşankırpılmaları engellemektedir. Yapılan bu işlem sonucunda tümlev üstünde yapılan toplamaişleminin adım büyüklüğü düşürülmektedir. Tümlev, doyum bölgesinden uzaklaştığındaise eklenen kondansatör devreden çıkarılmaktadır. Önerilen bu yöntem, tasarlanan birkontrol devresi sayesinde hayata geçirilmektedir.Önerilen ikinci yöntem, aynı probleme değişen şekilli çok bitli bir kuantalayıcıkullanarak çözüm bulmaya çalışmaktadır. Tek bit kullanan Sigma Delta modülatörleri çokbit kullananlara kıyasla doyum problemine karşı daha çok dayanıklılık göstermektedir.Buna karşın çok bitli Sigma Delta modülatörlerin daha iyi işaret-gürültü oranı olduğubilinmektedir. Önerilen devre, bahsedilen doyum bölgesinden uzakta çok bitli, doyumbölgesinde ise tek bitli bir modülatör gibi davranarak bu iki sistemin iyi özelliklerindenaynı anda faydalanmaktadır.

In this work two different solutions to the saturation problem of the integratorbuilding block of Sigma Delta modulators are presented. Saturation causes an error thatlimits the dynamic input range of the Sigma Delta A/D converters. Therefore, integratormust be prevented from entering saturation in order to get correct and meaningful data outof the modulator.In the first proposed solution, when the output voltage of the integrator reaches theedge of saturation, designed circuit properly adapts the gain of the integrator to prevent itfrom clipping by simply adding an extra capacitor to the feedback path of the opamp andeventually decreases the summing step size of the integrator. Conversely, when theintegrator output moves away from the saturation region, the added capacitor is removedfrom the circuit. This process is accomplished with help of a control circuit consisting ofSchmitt Triggers and logic circuits.Second method tries to solve the problem by using a non-uniform multi-bit quantizerarchitecture. One bit SD modulators are more resistant to the clipping effect of thesaturation compared to multi-bit architectures. However it is also known that multi-bit SDarchitectures have much better SNR properties than one bit modulators. The proposedcircuit tries to take advantage of both architectures by acting like a multi-bit modulatorwhen output of the integrator is far away from saturation region and like a one bitmodulator when the circuit enters into saturation.