A Low-Complexity Delta-Sigma Modulator (<inline-formula> <tex-math notation="LaTeX">$\Delta \Sigma $ </tex-math> </inline-formula>) for Low-Voltage, Low-Power Operation

Abstract

In recent years, inverter-based sigma-delta ( ) modulators have received great attention as a suitable approach for the design of low-voltage, low-power, switched-capacitor . This method uses digital inverters as the active elements to construct the integrators in the loop. In some applications, a reduced silicon area implementation is an important constraint; this demands the use of only one inverter in the integrator. This paper proposes to use the common-source amplifier as the building block to achieve the operation of integration instead of the digital inverter. This leads to the operation of the amplifier in strong inversion combined with low-voltage supply and compact chip area. The idea was confirmed with a prototype fabricated in a 0.5-μm CMOS technology available through Metal Oxide Semiconductor Implementation Service (MOSIS). Using 250 kHz of sampling frequency, measurement results show a signal-to-noise and distortion ratio of 70 dB over a bandwidth of 125 Hz. The circuit consumes 38 μW when powered from a single 1.5-V supply voltage and uses 200 × 260 μm of active area. Circuit simulations in SPICE show the potential of this method to work with 450 mV of power supply in a 50-nm CMOS technology.Résumé-Au cours des dernières années, les modulateurs sigma-delta ( ) à onduleur ont reçu une grande attention comme une approche appropriée pour la conception de condensateur de commutation basse tension, basse puissance. Cette méthode utilise des onduleurs numériques comme éléments actifs pour construire les intégrateurs dans la boucle . Dans certaines applications, l'implémentation de la zone réduite du silicium est une contrainte importante; ceci exige l'utilisation, uniquement, d'un seul onduleur dans l'intégrateur. Cet article propose d'utiliser l'amplificateur source commune comme bloc de construction pour réaliser la fonction d'intégration au lieu de l'onduleur numérique. Cela conduit au fonctionnement de l'amplificateur en forte inversion combiné avec une alimentation basse tension et une zone compacte de la puce. L'idée a été confirmée avec un prototype fabriqué dans une technologie CMOS de 0,5-μm disponible par le biais de Metal Oxide Semiconductor Implementation Service (MOSIS). En utilisant 250 kHz de fréquence d'échantillonnage, les résultats de mesure montrent un rapport signal-bruit et une distorsion de 70 dB sur une bande passante de 125 Hz. Le circuit consomme 38 μW lorsqu'il est alimenté à partir d'une seule source d'alimentation de tension 1,5 V et utilise 200 × 260 μm de la zone active. Les simulations du circuit dans SPICE montrent le potentiel de cette méthode à fonctionner avec 450 mV de tension d'alimentation dans une technologie CMOS 50-nm.