Convertisseurs analogique-numérique sigma-delta passe-bande radio-fréquence

par NIcolas Beilleau

Thèse de doctorat en Informatique, télécommunications et électronique

Sous la direction de Alain Greiner.

Soutenue en 2008

à Paris 6 .

  • Titre traduit

    RF bandpass sigma-delta modulators


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  • Résumé

    Architecture de récepteur RF basée sur un convertisseur analogique numérique (CAN) de type Sigma-Delta (SD) passe-bande (PB) travaillant aux fréquences RF. Ceci est rendu possible par l'utilisation d'un résonateur LC implémenté dans la boucle du modulateur SD. 1- Modulateurs Sigma-Delta à résonateurs LC. Le premier problème dans la conception des modulateurs Sigma-Delta à résonateurs LC est de trouver les coefficients de la fonction de transfert du bruit. Ces modulateurs sont différents de ceux à base d'intégrateurs par le fait qu'ils permettent un moins grand nombre de contre-réactions et donc moins de degrés de liberté pour le calcul de la fonction de transfert du bruit. Ceci a été résolu en ajoutant sur un même nœud plusieurs signaux séparés par un délai. Cette solution a été étendue pour concevoir des modulateurs avec des filtres de boucle ayant un nombre limité de signaux de contre-réaction comme deux résonateurs LC couplés magnétiquement. L'utilisation de FIRDACs, qui sont des convertisseurs numériques-analogiques (CNA) séparés par des délais, pour les contre-réactions à l'entrée et à la sortie du filtre permet d'avoir un nombre suffisant de coefficients pour obtenir la fonction de transfert du bruit désirée. 2- Modulateurs Sigma-Delta Sous-échantillonnés. La fréquence d'échantillonnage des modulateurs Sigma-Delta PB est souvent choisie, pour les simplifications qu'elle permet, comme 4 fois la fréquence centrale du signal d'entrÈe. En considérant un signal d'entrée à 2,5GHz ceci implique une fréquence d'échantillonnage à 10GHz ce qui est trop haut pour une conception faible consommation du modulateur Sigma-Delta et des circuits numériques qui le suivent. La technique du sous-échantillonnage permet de réduire la fréquence d'échantillonnage du modulateur en faisant attention aux repliements du bruit et du signal. Pour palier à un des problèmes du sous-échantillonnage, un CNA sinusoïdale est utilisé dans la boucle de contre-réaction à la place d'un CNA rectangulaire suivis d'un mélangeur. Les CNA sinusoïdaux ont aussi l'avantage de diminuer la sensibilité des performances du modulateur à la jitte d'horloge. De plus, pour éviter que le modulateur ne devienne instable, le délai de boucle doit être pris en compte dans le calcul des coefficients. Une méthode automatique du calcul des coefficients d'un modulateur SD PB LC à sous-échantillonnage a donc été développée. 3- Filtre LC intégré faible tension. L'insertion d'un filtre LC dans une boucle de SD implique des contraintes sur sa conception que l'on ne retrouve pas lorsque celui-ci est isolé. Ainsi la connection d'un DAC sinusoïdale différentiel sur les nœuds d'un filtre LC impose la tension d'alimentation de ce dernier et apour conséquence de limiter ses performances. Ceci est démontré avec la définition d'une procédure de conception automatique dans l'environnement CAIRO+ qui aboutie à une génération extrêmement simple de plusieurs circuits sous différentes tension d'alimentation. 4- Convertisseur numérique-analogique sinusoïdale Pour permettre l'utilisation du sous-échantillonnage et diminuer l'effet de la jitte d'horloge dans le modulateur SD, plusieurs structures de CNA sinusoïdales ont été proposées. Leurs erreurs sur la valeur des coefficients et les différences entre les signaux différentiels sont étudiées pour mesurer l'effet direct sur les performances du modulateur et pour savoir comment elles favorisent l'effet de la jitte d'horloge. En prenant en compte ces imperfections une procédure de conception est proposée. De plus, le CNA étant relié au filtre, ses éléments parasites dégradent le facteur de qualité du résonateur et décale sa fréquence centrale. Laconception du filtre doit donc être révisée après celle du CAN. 5- Implémentation et mesures d'un modulateur Sigma-Delta RF. Afin de valider les différents aspects théoriques de ce travail, la conception d'un modulateur SD différentiel du 2nd ordre utilisant un résonateur LC et sous-échantillonné a été effectuée en technologie CMOS 0,13µm avec des inductances intégrées. Un filtre LC avec un facteur de qualité de 80 a été utilisé avec des CNA sinusoïdaux pour convertir un signal de 2. 442GHz en un flux de bits a 3,256GEchantillons/s. La mise en forme de l'horloge a été intégrée a lapuce. Le modulateur atteind n simulation une dynamique et un rapport signal sur bruit de 45dB sur une bande de 25MHz. Il occupe une surface de 1,7mm2 et à une fréquence d'échantillonnage de 3,256GHz doit consommer 30mA sous 1,2V. (La fabrication, le test et les mesures se sont déroulés a ST-Microelectronics, Crolles, France)

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XII-103 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 99-103. 74 réf. bibliogr.

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  • Bibliothèque : Université Pierre et Marie Curie. Bibliothèque Universitaire Pierre et Marie Curie . Section Mathématiques-Informatique Recherche.
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  • Cote : T Paris 6 2008 541
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