La décimation des convertisseurs Sigma-Delta

H. Aboushady

LIP6 1997/041: Rapport de Recherche LIP6 / LIP6 research reports
32 pages - Janvier/January 2001 - French document.

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Thème/Team: Architecture des Systèmes Intégrés et Micro-Électronique

Titre français : La décimation des convertisseurs Sigma-Delta
Titre anglais : Decimation Filters for Sigma-Delta A/D converters

Résumé : La conversion Sigma-Delta est actuellement une technique très répandue dans le domaine de la conversion Analogique-Numérique. Ceci est dû au fait que cette technique est particulièrement adaptée à la technologie utilisée dans la réalisation des circuits VLSI. Contrairement aux autres techniques de conversion A/N, la conversion Sigma-Delta nécessite un post-traitement numérique pour transformer la sortie du modulateur analogique, codée sur 1 bit et échantillonnée à une fréquence OSR_Fn , en une sortie codée sur N bits et échantillonnée à la fréquence de Nyquist Fn. Alors que la performance des convertisseurs (résolution et vitesse) est essentiellement déterminée par le modulateur analogique, le filtre de décimation détermine la surface et la consommation. Dans le filtre de décimation du convertisseur Sigma-Delta, l'ordre du filtre, et par suite le nombre d'opérations par seconde, sont énormes. Ceci est dû au fait que la fréquence d'échantillonnage est très élevée et la bande de transition désirée est très étroite. En utilisant une structure multi-étage multi-cadence, le nombre d'opérations par seconde peut être considérablement réduit. Dans les premiers étages, où la fréquence d'échantillonnage est très élevée, on choisit des filtres avec une large bande de transition. Dans les derniers étages, la fréquence d'échantillonnage est faible, on peut réaliser des filtres avec une bande de transition étroite. Dans ce rapport, nous présentons les différents étages du filtre de décimation. Les méthodes de conception et de simulation de ces filtres sont détaillées. Nous présentons également des architectures optimisées pour des réalisations en silicium.

Abstract : Nowadays, Sigma-Delta is a widely known technique for Analog-to-Digital conversion. This stems from the fact that Sigma-Delta Analog-to-Digital converters can easily be integrated in digital VLSI technologies. Nevertheless, this conversion technique requires digital post-processing in order to transform the 1-bit output of the analog modulator, sampled at a frequency of OSR_Fn, to N-bits, sampled at the Nyquist rate Fn. While the performance of the Sigma-Delta converter (resolution and speed) is usually determined by the analog modulator, the area and power consumption of the decimation filter are crucial for the overall A/D converter. The order and the number of operations per seconde of this decimation filter is very high. This is due to the very high sampling frequency and the very narrow transition-band required in this filter. Multi-rate Multi-stage structure can significantly reduce the required number of operation per second. In the first stages, where the sampling frequency is very high, we use filters with large transition-bands. In the last stages, the sampling frequency is much lower and filters with narrow transition-bands can easily be realized. In this report, we present the different decimation filter stages. The design method and the simulation of these filters are detailed. We also present filter architectures optimized for silicon implementation.

Mots-clés : filtres multi-étage multi-cadence, filtres demi-bande, filtres en peigne, décomposition polyphase, filtres de décimation, filtres numériques, Sigma-Delta, conversion analogique numérique

Key-words : multi-rate multi-stage filters, half-band filters, comb filters, polyphase decomposition,decimation filters, digital filters, Sigma-Delta, analog-to-digital conversion

Publications internes LIP6 1997 / LIP6 research reports 1997

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