Frequency-translating delta-sigma modulation for bandpass analog-to-digital conversion of high- frequency signals

A traditional heterodyne receiver downconverts its input signal to one or more intermediate frequencies (IFs) before digitizing it at baseband.In a digital-IF receiver, the input signal is digitized directly at an IF using a bandpass analog-to-digital converter (ADC).Accordingly, the digital-IF receiver replaces the image-reject mixers and baseband filters of a heterodyne receiver with accurate and efficient digital functions, and therefore provides greater potential for reconfigurability.In order to maximize the advantages of a digital-IF receiver, a common design objective is to position the bandpass ADC as close as possible to the antenna, and to operate on the input signal at a high IF.A bandpass ADC is efficiently implemented using a delta-sigma (ΔΣ ) modulator, which can provide high-resolution A/D (analog-to-digital) conversion over a relatively narrow band around an IF.In order to operate on high-IF signals, conventional bandpass ΔΣ modulators require high-frequency filters and high sampling rates, which can result in high sensitivity to circuit non-idealities and high power consumption.These disadvantages are addressed by the frequency-translating ΔΣ modulator, which uses downconversion mixing inside its ΔΣ loop to process high-IF signals using low sampling rates and primarily low-frequency filters.This thesis investigates frequency-translating ΔΣ modulators for direct A/D conversion of high-IF signals.It first analyses the system architecture and performance limitations of an existing type of frequency-translating ΔΣ modulator that is based on image-reject mixing.This analysis is supported by an initial study on the effect of timing errors in a conventional ΔΣ modulator.The thesis then introduces a novel frequency-translating ΔΣ modulator that is based on single-path mixing.The advantages of the presented single-path architecture are demonstrated using an experimental ΔΣ modulator.i ii The experimental ΔΣ modulator is designed to digitize a 4 MHz input-signal band that is centred at an IF of 225 MHz.It uses a local oscillation signal with a frequency of 200 MHz to downconvert this input-signal band to an IF of 25 MHz inside its ΔΣ loop, and samples at 100 MHz.The experimental prototype was fabricated in a standard 65 nm CMOS process.It achieves a peak SNDR of 55 dB and a dynamic range of 57.5 dB, while consuming 13 mW from a 1-V power supply.It has a full-scale range of 700 mV P-P . RésuméUn récepteur hétérodyne traditionnel transpose un signal en entrée vers une ou plusieurs fréquences intermédiaires (FI) avant de le numériser à la bande de base.Dans un récepteur numérique FI, le signal en entrée est numérisé directement à la fréquence FI à l'aide d'un convertisseur analogique-numérique passe-bande.Par conséquent, le récepteur numérique FI remplace les mélangeurs de réjection d'image et les filtres à bande de base d'un récepteur hétérodyne traditionnel par des fonctions numériques précises et efficaces.De ce fait, le récepteur numérique FI offre plus de possibilités de reconfiguration.Afin de maximiser les avantages d'un récepteur numérique FI, un objectif de conception fréquent consiste à placer le convertisseur analogique-numérique passe-bande aussi près que possible de l'antenne et de numériser le signal en entrée à une fréquence FI élevée.Un convertisseur analogique-numérique passe-bande peut être réalisé efficacement en utilisant un modulateur delta-sigma (ΔΣ).En effet, ce dernier procure une conversion A/N (analogique-numérique) à haute résolution sur une bande relativement restreinte centrée autour d'une fréquence FI.Afin de fonctionner sur des signaux à fréquences FI élevées, les modulateurs ΔΣ passe-bande classiques requièrent des filtres hautes-fréquences et des fréquences d'échantillonnage élevées, ce qui peut les rendre très sensibles aux non-idéalités du circuit et mener à une consommation électrique importante.Il est possible de remédier à ces inconvénients en utilisant un modulateur ΔΣ à transposition de fréquence.En effet, ce dernier utilise des mélangeurs dans sa boucle ΔΣ pour traiter des signaux à fréquence FI élevée à des fréquences d'échantillonnage faibles avec principalement des filtres basses-fréquences.iii iv Cette thèse étudie l'utilisation de modulateurs ΔΣ à transposition de fréquence pour une conversion A/N directe de signaux à fréquence FI élevée.Elle analyse d'abord l'architecture et les limitations de performance d'un modulateur ΔΣ à transposition de fréquence basé sur un mélangeur de réjection d'image.Cette analyse est appuyée par une étude initiale effectuée sur l'effet d'erreurs d'horloge sur un modulateur ΔΣ classique.Cette thèse introduit ensuite un nouveau modulateur ΔΣ à transposition de fréquence basé sur un mélangeur de mono-trajet.Les avantages de cette architecture sont démontrés à l'aide d'un prototype de modulateur ΔΣ.Le prototype de modulateur ΔΣ est conçu afin de numériser une bande de signaux en entrée de 4 MHz centrée autour d'une FI de 225 MHz.Il utilise un signal à oscillation locale d'une fréquence de 200 MHz pour transposer cette bande de signaux en entrée vers 25 MHz à l'intérieur de sa boucle ΔΣ et effectue l'échantillonnage à 100 MHz.Ce prototype a été réalisé en utilisant un procédé CMOS standard de 65 nm.Il a un SNDR de 55 dB et une gamme dynamique de 57.5 dB tout en consommant 13 mW pour une alimentation de 1-V.Sa plage d'amplitude maximale est de 700 mV P-P .I would like to express my deepest gratitude to my supervisor, Prof. Anas Hamoui, for giving me the opportunity to study with him at McGill.He taught me so much during the six years that I worked under his supervision, in particular about analog integrated-circuit design and technical writing.Furthermore, he provided me with many opportunities to experience the engineering community, both near and far, for which I will always be grateful.I wish that he could be here to see the results of his tireless devotion to his students.I would like to thank Prof. Gordon

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