Diseño de convertidores sigma-delta de bajo consumo
- Autores: Enrique López Morillo
- Directores de la Tesis: Ramón González Carvajal (dir. tes.), Fernando Muñoz Chavero (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2013
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Antonio J. Torralba Silgado (presid.), Antonio López Martín (secret.), Jose Mariano Jimenez Fuentes (voc.), José Millet Roig (voc.), Iván Jesús Rebollo Pimentel (voc.)
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- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
Los moduladores sigma-delta (SD) son una de las arquitecturas más populares para el diseño de convertidores A/D integrados debido principalmente a que, al basarse en una estructura realimentada, son especialmente insensibles a las imperfecciones del circuito y a las tolerancias de los componentes comparados con otras alternativas. Este hecho les permite alcanzar altas resoluciones mediante bloques analógicos de bajas prestaciones convirtiéndose en una arquitectura muy adecuada para la fabricación de circuitos integrados en tecnología CMOS. Los moduladores SD utilizan sobremuestreo de señal para alcanzar altas resoluciones, por lo que tradicionalmente han sido particularmente adecuados y eficientes en aplicaciones de bajo ancho de banda. Sin embargo, con el escalado tecnológico se empiezan a utilizar para aplicaciones de relativamente alta velocidad, como los receptores de comunicaciones.
En los últimos años, potenciado por la expansión de las comunicaciones inalámbricas, se ha producido un gran aumento de la demanda de dispositivos portátiles de cada vez mayor funcionalidad, mayor capacidad de procesamiento y velocidad de transmisión. Como consecuencia de esta creciente demanda de capacidad en los dispositivos portátiles, se ha producido un amento del consumo de potencia de los circuitos electrónicos que los componen, lo que disminuye de forma dramática la vida útil de las baterías disponibles actualmente.
Adicionalmente, el problema se agrava si se añade la miniaturización a la lista de características deseadas, ya que la búsqueda de menor tamaño y peso en los dispositivos limita la tensión de alimentación de las baterías y la cantidad de energía son capaces de almacenar.
Esta problemática ha centrado la atención de la comunidad científica y ha exigido un importante esfuerzo investigador en los últimos años, produciéndose una mejora progresiva de la eficiencia energética de los bloques analógicos y de señal mixta en tecnología CMOS. Este esfuerzo cobra mayor importancia en convertidores A/D, cuyo diseño de bajo consumo ha sido un área de investigación fundamental para la obtención de sistemas destinados a dispositivos portables alimentados por baterías. Como resultado de todo este esfuerzo encaminado a reducir el consumo de potencia del bloque ADC, la eficiencia energética alcanzada empieza a posibilitar condiciones de portabilidad para algunas aplicaciones que, por requerir un consumo ultra-bajo, tradicionalmente no han sido portables, como ciertas aplicaciones biomédicas. Además se abre el horizonte para la aparición de dispositivos sensores inalámbricos con autonomía energética, que serían alimentados mediante mecanismos de energy harvesting, operando toda su vida útil con energía captada del entorno, sin necesidad de mantenimiento para recargar o sustituir sus baterías. Para este tipo de aplicaciones se requieren moduladores SD integrados con consumos de potencia del orden de microwatios, lo que supone un gran desafío para el diseñador, que se incrementa si además se añaden restricciones de área (y por tanto optimización de coste de fabricación) y robustez frente a variaciones de las condiciones de operación.
En esta tesis se proponen técnicas de diseño que permitan reducir el consumo de potencia en moduladores SD y su operación con baja tensión de alimentación en sus dos vertientes más generales:
1. Moduladores SD de tiempo discreto.
2. Moduladores SD de tiempo continuo.
Para verificar experimentalmente las técnicas propuestas se han diseñado, fabricado y caracterizado moduladores SD seleccionado campos de aplicación muy demandantes en términos de eficiencia energética.
En primer lugar se ha diseñado un modulador SD en tiempo discreto destinado a un sistema portable de medición de señales biomédicas, concretamente señales cerebrales del electroencefalograma (EEG), para realizar registro de larga duración utilizado en el diagnostico de pacientes de epilepsia. Para su operación con baja tensión de alimentación y ultra-bajo consumo se han utilizado de forma extensiva técnicas basadas en el transistor QFG tanto para la implementación de switches como para etapas de salida clase AB en los amplificadores operacionales. Para validar el uso de las técnicas mencionadas en el diseño de moduladores, se ha fabricado un modulador SD de 10 bits de rango dinámico y solo 25Hz de ancho de banda en una tecnología CMOS de 0.5¿m. El modulador fabricado presenta un consumo de potencia de tan solo 140nW, el más bajo que se ha publicado en conversión A/D con especificaciones similares de ancho de banda, y muy buena eficiencia energética consiguiendo la mejor FOM de todos los convertidores para aplicaciones biomédicas considerados en la comparativa a excepción de [Yan06].
En segundo lugar se han diseñado moduladores SD de tiempo continuo para interfaces de sensores en nodos inalámbricos alimentados por energy harvesting basado en un sistema RFID pasivo. Siguiendo la tendencia actual de simplificación de la circuitería analógica con el objetivo de minimizar el consumo de potencia, se han propuesto estructuras basadas en realimentación local que llevan a la implementación de moduladores SD con una arquitectura robusta y extremadamente simple sin necesidad de usar OTAs o amplificadores operacionales tradicionales. Además de bajo consumo de potencia, otros requisitos buscados en el diseño de estos moduladores es una ocupación de área en el estado del arte y robustez frente a posibles variaciones de las condiciones de alimentación, habituales en sistemas alimentados mediante energy harvesting. Para verificar experimentalmente las estructuras utilizadas se han fabricado moduladores SD de 8 bits de rango dinámico y 25kHz de ancho de banda en una tecnología CMOS de 0.35¿m. Se han fabricado dos versiones del modulador construidas mediante la misma estructura basada en realimentación local y distintos rangos de señal de entrada. Ambas versiones satisfacen las especificaciones de resolución con alta eficiencia energética y, en particular la versión 2, muy cercana al estado del arte. Ambas versiones del modulador SD presentan el consumo de área más bajo de los convertidores A/D publicados hasta la fecha en el mismo rango de resolución y ancho de banda.
La tesis presenta resultados experimentales de los moduladores diseñados para ambos campos de aplicación, que demuestran la viabilidad de las técnicas propuestas logrando que ambas implementaciones se sitúen muy cerca del estado del arte en cuanto a la eficiencia energética conseguida.
