Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Timing Uncertainty in Sigma-Delta Analog-to-Digital Converters
KTH, School of Information and Communication Technology (ICT), Electronic, Computer and Software Systems, ECS.
2006 (English)Doctoral thesis, monograph (Other scientific)
Abstract [sv]

Denna avhandling presenterar en undersökning av orsakerna och effekterna av timingosäkerhet i Sigma-Delta Analog-Digital-Omvandlare, med speciellt fokus på Sigma-Delta av den switchade kapacitanstypen. Det undersökta området för orsakerna till timingosäkerhet är digital klockgenerering och området för effekterna är sampling. Upplösningsnivån på analysen i detta arbete börjar på beteendenivå och slutar på transistornivå.

Samplingskretsen är den intuitiva komponenten att söka i efter orsakerna till effekterna av timing-osäkerhet i en Analog-Digital-Omvandlare eftersom transformationen från reell tid till digital tid sker i samplingskretsen. Därför har prestandaeffekterna av timingosäkerhet i den typiska samplingskretsen för switchad kapacitans Sigma-Delta Analog-Digital-Omvandlare analyserats utförligt, modellerats och beskrivits i denna avhandling. Under analysprocessen har idéer om förbättrade samplingskretsar med naturlig tolerans mot timing-osäkerhet utvecklats och analyserats, och presenteras även. Två typer av förbättrade samplingstopologier presenteras: parallelsamplern och Sigma-Delta-samplern. Den första erhåller tolerans mot timing-osäkerhet genom att utnyttja ett teorem inom statistiken medan den andra är tolerant mot timing-osäkerhet p.g.a. spektral formning som trycker ut brus ur signalens frekvensband.

Digital klockgenerering är ett fundamentalt steg i genereringen av multipla klocksignaler som behövs t.ex. i switchade kapacitansversioner av Sigma-Delta Analog-Digital-Omvandlare. Klockgeneratorkretsarna konverterar en tidsreferens, d.v.s. en klocksignal, som vanligen kommer från en faslåst loop till multipla tidsreferenser. De två typerna av klockgenereringskretsar som behandlas i denna avhandling används för att skapa två icke-överlappande klockor från en klocksignal. Processen som undersökts och beskrivits är hur matningsspänningsbrus och substratbrus omvandlas till timing-osäkerhet då en referenssignal passerar genom en av ovannämnda klockgenereringskretsar.

Resultaten i denna avhandling har erhållits genom olika analystekniker. Modelleringarna och beskrivningarna har utförts från ett matematiskt och fysikaliskt perspektiv. Detta har fördelen av att kunna förutsäga prestandainfluenser som olika kretsparametrar har utan att behöva utföra datorsimuleringar. Svårigheterna med den matematiska och fysikaliska modelleringen är balansgången mellan olöslighet och överförenkling som måste hittas. Den andra infallsvinkeln är användandet av datorbaserade simuleringsverktyg både för beskrivnings- och verifieringsändamål. Simuleringsverktygen som använts är MATLAB och Spectre/Cadence. Som nämnts har deras syfte varit både som modell- och beskrivningsverifiering och även som ett sätt att erhålla kvantitativa resultat. Generellt talat bryter simuleringsverktyg den mentala kopplingen mellan resultat och diverse kretsparametrar och det kan vara svårt att uppnå en solid prestandaförståelse. Dock är det ibland bättre att erhålla ett prestandamått utan full förståelse än inget mått alls.

Abstract [en]

This dissertation presents an investigation of the causes and effects of timing uncertainty in Sigma-Delta Analog-to-Digital Converters, with special focus on the switched-capacitor Sigma-Delta type. The investigated field for cause of timing uncertainty is digital clock generation and the field for effect is sampling. The granularity level of the analysis in this work begins at behavioral level and finishes at transistor level.

The sampling circuit is the intuitive component to look for the causes to the effects of timing uncertainty in an Analog-to-Digital Converter since the transformation from real time to digital time takes place in the sampling circuit. Hence, the performance impact of timing uncertainties in a typical sampling circuit of a switched-capacitor Sigma-Delta Analog-to-Digital Converter has been thoroughly analysed, modelled, and described in this dissertation. During the analysis process, ideas of improved sampling circuits with inherent tolerance to timing uncertainties were conceived and analysed, and are also presented. Two cases of improved sampling topologies are presented: the Parallel Sampler and the Sigma- Delta sampler. The first obtains its timing uncertainty tolerance from taking advantage of a theorem in statistics whereas the second is tolerant against timing uncertainties because of spectral shaping that effectively pushes the in-band timing noise out of the signal band.

Digital clock generation is a fundamental step of generating multiple clock signals that are needed for example in switched-capacitor versions of Sigma-Delta Analog-to-Digital Converters. The clock generation circuitry converts a single time reference, i.e. a clock signal, usually coming from a phase-locked loop into multiple time references. The two types of clock-generation circuits that are treated in this dissertation are used to create two nonoverlapping clocks from a single clock signal. The process that has been investigated and described is how power-supply noise and substrate noise transforms into timing uncertainty when a reference signal is passed through one of the aforementioned clock generation circuits.

The results presented in this dissertation have been obtained using different analysis techniques. The modelling and descriptions have been done from a mathematical and physical perspective. This has the benefit of predicting the performance impact by different circuit parameters without the need for computer based simulations. The difficulty with the mathematical and physical modelling is the balance that has to be found between intractability and oversimplification. The other angle of approach has been the use of computer based simulations for both description and verification purposes. The simulation tools that have been used in this work are MATLAB and Spectre/Cadence. As mentioned, their purpose has been both for model and description verification and also as a means of obtaining result metrics. Generally speaking, simulation tools mentally decouple the result from the various circuit parameters and reaching a solid performance understanding can be difficult. However, obtaining a performance metric without full comprehension can at times be better than having no metric at all.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH , 2006. , p. xiii, 157
Keywords [en]
timing uncertainty, clock jitter, Sigma-Delta Analog-to-Digital Converter, sampling, clock generation, power-supply noise, substrate noise
National Category
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-4243ISBN: 91-7178-515-9 (print)ISBN: 978-91-7178-515-2 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-4243DiVA, id: diva2:11421
Public defence
2006-12-20, E, KTH Forum, Isafjordsgatan 39, Kista, 13:00
Opponent
Supervisors
Note
QC 20100921Available from: 2006-12-15 Created: 2006-12-15 Last updated: 2010-09-21Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(4966 kB)4452 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 4966 kBChecksum MD5
3989c07c96b9e5e259cef2eaa5d53635f36db876682ba23caa307f8ca60b0715d7937180
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Strak, Adam
By organisation
Electronic, Computer and Software Systems, ECS
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 4452 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

isbn
urn-nbn

Altmetric score

isbn
urn-nbn
Total: 897 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf