Characterizing and minimizing spurious responses in Delta-Sigma modulators

Abstract

Oversampling data converters based on Delta-Sigma modulation are a popular solution for modern high-resolution applications. In the design of digital-to-analog or analog-to-digital Delta-sigma converters there are common obstacles due to the difficulties on predicting and verifying their performance. Being a highly nonlinear system, a Delta-Sigma modulator’s (DSM) quantization noise and therefore the spurious tones are difficult to analyze and predict.

Multi-bit DACs can be used to improve the performance and linearize the behavior of DSMs. However, this will give rise to the need for linearizing the multi-bit DAC. A popular DAC linearization method, data weighted averaging (DWA) shapes the DAC mismatch noise spectrum. There are many variants of DWA, for low-pass and band-pass DSMs. This thesis proposes a generalization which integrates a few published variants into one, broader DWA scheme. The generalization enables expanding the tone-suppression studies into a larger concept.

The performance of one- or multibit DSMs is usually verified by simulations. This thesis proposes a simulation-based qualification (characterization) method that can be used to repeatedly verify and compare the performance of multibit DSM with a DAC mismatch shaping or scrambling scheme.

The last contribution of this thesis is a very simple model for tonal behavior. The model enables accurate prediction of spurious tones from both DSMs and DWA-DACs. The model emulates the tone behavior by its true birth-mechanism: frequency modulation. The proposed prediction model for tone-behavior can be used for developing new tone-cancelation methods. Based on the model, a DWA linearization method is also proposed.

Tiivistelmä

Delta-Sigma modulaatio on suosituin tekniikka ylinäytteistävissä datan muuntimissa. Riippumatta toteutustarkoituksesta (analogia-digitaali- tai digitaali-analogia-muunnos), Delta-Sigma (DS) modulaatiossa on yleisesti tunnettuja käyttäytymisen ennustamiseen liittyviä ongelmia. Nämä ongelmat ovat peräisin modulaattorin luontaisesta epälineaarisuudesta: DS-muunnin on nimittäin vahvasti epälineaarinen takaisinkytketty systeemi, jonka harhatoistojen ennustaminen ja analysointi on erittäin hankalaa.

Yksibittisestä monibittiseen DS-muuntimeen siirryttäessä muuntimen suorituskyky paranee, ja muuntimen kohinakäyttäytyminen on lineaarisempaa. Tämä kuitenkin kostautuu tarpeena linearisoida DS-muuntimen digitaali-analogia (D/A) muunnin. Tällä hetkellä tunnetuin linearisointimenetelmä on nimeltään DWA (data weighted averaging) algoritmi. Tässä työssä DWA:lle ja sen lukuisille varianteille esitellään eräänlainen yleistys, jonka avulla algoritmia voidaan soveltaa sekä alipäästö- että kaistanpäästö-DS-muuntimelle.

Kuten tunnettua, DS-modulaattorin analyyttinen tarkastelu on raskasta. Yksi- ja monibittisten DS-muuntimien suunnitellun käyttäytymisen varmistaminen tapahtuukin yleensä simulointien avulla. Työssä esitetään simulointiperiaate, jolla voidaan kvalifioida (karakterisoida) monibittinen DS-muunnin. Tarkemmin, kvalifioinnin kohteena on DWA:n kaltaiset D/A -muuntimien linearisointimentelmät. Kyseessä on pyrkimys ennen kaikkea toistettavaan menetelmään, jolla eri menetelmiä voidaan verrata nopeasti ja luotettavasti.

Tämän väitöstyön viimeinen kontribuutio on matemaattinen malli harhatoistojen syntymekanismille. Mallilla sekä DS-muunnoksen että DWA-D/A -muunnokseen liittyvät harhatoistot voidaan ennustaa tarkasti. Harhatoistot mallinnetaan yksinkertaisella havaintoihin perustuvalla FM-modulaatiokaavalla. Syntymekanismin mallinnus mahdollistaa DS-muuntimien ennustettavuuden ja täten auttaa harhatoiston kumoamismenetelmien kehittämistä. Työssä esitetään yksi matemaattisen mallin avulla kehitetty DWA-D/A -muunnoksen linearisointimenetelmä.