Continuous-Time ∆Σ Modulators for Ultra-Low-Power Radios

The modern small devices of today require cheap low power radio frequency (RF) transceivers that can provide reliable connectivity at all times. In an RF transceiver, the analog-to-digital converter (ADC) is one of the most important parts and it is also one of the main power consumers. There are several architectures for implementing an ADC, but in the last decade, continuoustime ∆Σ modulators (CT DSMs) have become popular due to their potential of achieving low power consumption and the inherent anti-alias filtering. This thesis investigates different implementations of CT DSMs intended for an ultra-low-power (ULP) receiver operating in the 2.45 GHz ISM band. The main focus is on power saving techniques and jitter insensitive solutions. Papers I and II present a CT DSM with dual switched-capacitor-resistor (DSCR) feedback used in the first DAC. This technique has been developed for the purpose of reducing the jitter sensitivity of the CT DSM while keeping the DAC peak current lower than for conventional SCR feedback. A lower peak current translates into more relaxed slew-rate requirements on the first operational amplifier and thereby less power consumption. Papers III and IV present a low power 2nd-order CT DSM with one operational amplifier. The main objective was to reduce the power consumption of the usually more critical analog part while still achieving a 2nd-order noise shaping. The thesis also examines the possibility of using a successive approximation register (SAR) quantizer instead of the commonly used flash quantizer to reduce the power consumption of the digital part as well. “dissertation” — 2014/8/16 — 2:30 — page iv — #4 “dissertation” — 2014/8/16 — 2:30 — page v — #5 Populärvetenskaplig sammanfattning Små, trådlösa och portabla apparater utgör idag en stor del av vår uppkopplade värld. Under det senaste decenniet har dock flera teknologiska framsteg lett mot en utveckling där allt från maskiner till kläder kommunicerar med varandra. Detta brukar kallas för "sakernas internet" och uppskattas involvera 50 miljarder enheter år 2020. Genom att förse dessa enheter med små och smarta sensorer är det möjligt att känna av omgivningen och samla in olika former av data. Det finns många potentiella applikationer där detta är av intresse t.ex. medicinska implantat, spelkontroller, smarta hus och industriell övervakning. Inom medicinska tillämpningar har sensornätverk redan använts för att hålla reda på patientens tillstånd och olika kroppsvärden. En av de största utmaningarna med sensornätverk är effektförbrukningen som bestämmer hur länge batteriet för en sensor kommer att räcka. Det är viktigt att batteritiden är så lång som möjligt eftersom sensorerna kan vara placerade på ställen som är svåra och farliga att komma åt. Energin från batteriet som sensorn har är det enda energin som den kommer få under dess livslängd. Eftersom batteritekniken går sakta framåt, är det viktigt att utveckla effektiva elektroniska kretsar och algoritmer som minimerar effekten som dras från batteriet. En sensor kräver i slutändan digitala signaler för att uppnå den funktionalitet som anses viktig idag. Eftersom alla signaler i naturen är analoga, måste de omvandlas till digitala signaler. Detta är en uppgift för Analog-till-digital (A/D) omvandlaren som är en viktig del i det radiochip som sänder och tar emot signalerna i sensornätverket. Det kostar energi att omvandla analoga till digitala signaler vilket innebär att A/D omvandlaren är en kritisk komponent och ansvarar för en stor del av energiförbrukningen i ett radiochip. Det finns många typer av A/D omvandlare men under senare tid har ∆Σ modulatorn blivit populär inom många applikationer. “dissertation” — 2014/8/16 — 2:30 — page vi — #6 Den här avhandlingen undersöker flera kretslösningar med syftet att minska känsligheten för tidsfel, så kallad klockjitter, och sänka effektförbrukningen i ∆Σ modulatorn för en lågeffektsradio. Den första ∆Σ modulatorn som konstruerades använde en speciell lösning med dubbla exponentiella pulser för att minska känsligheten för klockjitter. Dessa pulser håller den maximala återkopplingsströmmen på en rimlig nivå och sänker därför strömkravet för den första förstärkaren. Den här tekniken har verifierats med simuleringar och mätningar på ett tillverkat chip. I den andra ∆Σ modulatorn undersöktes ett andra ordningens filter med bara en förstärkare för att minska effektförbrukningen i den analoga delen. Detta resulterade i en låg effektförbrukning medan den övriga prestandan uppfyllde kraven för lågeffektsradion. Den här tekniken har verifierats med simuleringar och mätningar på ett tillverkat chip. Slutligen användes en annan typ av A/D omvandlare s.k. successiv approximation A/D omvandlare som en del i den sistnämnda ∆Σ modulatorn för att ytterligare sänka effekten i den digitala delen. Konceptet har hittills verifierats med simuleringar. Det här arbetet har varit en del av ett större projekt som går ut på att konstruera en mottagarkedja för en lågeffektsradio. Kravet för den totala chipstorleken är 1 mm2 och den maximala effektförbrukningen ska vara 1 mW. Projektet sponsrades av Swedish Foundation for Strategic Research (SSF). “dissertation” — 2014/8/16 — 2:30 — page vii — #7