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Optimisation des plages dynamiques des convertisseurs analogique-numérique Sigma-Delta

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École de technologie supérieure
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Abstract

Les convertisseurs Sigma-Delta combinent les techniques de mise en forme du bruit de quantification et du suréchantillonnage du signal pour diminuer l’impact du bruit de quantification sur le rapport signal à bruit (SNR). Pour maximiser les performances des convertisseurs, de nombreux paramètres doivent être optimisés durant le processus de conception. La problématique principale de cet ouvrage est l’optimisation des coefficients interétage dumodulateur Sigma-Delta. Ces coefficients peuvent être utilisés pour réduire l’amplitude de sortie des intégrateurs, ce qui permet de réduire la distorsion harmonique ainsi que la consommation en puissance. Cependant, le bruit thermique généré par chaque étape d’intégration est amplifié ce qui réduit le SNR à la sortie du convertisseur. Un compromis acceptable est habituellement atteint au terme d’un processus de conception intuitif après quelques itérations de simulations. Ce mémoire présente deux nouvelles techniques d’optimisation des convertisseurs Sigma- Delta. La première, appelée méthode des fenêtres, se concentre à minimiser l’amplitude de sortie des intégrateurs en fonction d’une pénalité en SNR. Il s’agit d’un processus itératif qui s’exécute à l’intérieur d’une fenêtre d’opération. La seconde méthode utilise une fonction d’optimisation multicritère afin de minimiser simultanément l’amplitude de sortie des intégrateurs et la somme des capacités du modulateur. La réduction de la taille des capacités permet de réduire la taille du circuit et la puissance consommée. Chacune de ces deux méthodes est illustrée par un exemple d’utilisation. Avec la méthode des fenêtres, l’amplitude de sortie des intégrateurs est davantage réduite. Cependant, cela est obtenue au prix d’une augmentation significative de la somme des capacités du modulateur. La méthode de minimisationmulticritère peut facilement s’intégrer au processus de conception au niveau système en remplaçant la fonction Matlab généralement utilisée pour effectuer la mise à l’échelle des plages dynamique. Afin de valider la méthode de minimisation multicritère, des simulations au niveau transistors sont effectuées sur trois configurations différentes. Les deux premières sont issues du processus d’optimisation, l’une favorisant la réduction de l’amplitude des intégrateurs tandis que l’autre favorise la réduction de la taille des capacités. La troisième configuration, issue d’un processus de conception standard, sert de point de référence. Les résultats de ces simulations démontre qu’une configuration optimisée en priorisant la minimisation de l’amplitude des intégrateurs obtient les meilleures performances. Le SNR maximal est supérieur de 3,8 dB et la plage dynamique est supérieure de 2 dB par rapport aux perfomances de la configuration de référence.

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