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Tipo: Dissertação
metadata.dc.title: Modelagem comportamental e elétrica de um modulador sigma-delta em tempo contínuo de baixa tensão para a faixa de áudio
Autor(es): Cortez, Matheus
Primeiro Orientador: Aguirre, Paulo César Comassetto de
Coorientador: Girardi, Alessandro Gonçalves
Resumo: A migração do processamento de sinais para o domínio digital permite resultados mais confiáveis e eficientes em relação ao processamento de sinais em domínio contínuo. Os circuitos digitais vem sendo comumente aprimorados, tornando seus circuitos cada vez mais complexos, precisos e rápidos. No entanto, como a natureza dos sinais de áudio é analógica, há a necessidade do uso de conversores analógico-digitais (ADCs) de alta resolução para uma aquisição de áudio com alta relação sinal-ruído (SNR), capazes de transformar uma informação analógica em palavras digitais para que os núcleos de processamento digital possam processar as informações com maior desempenho. Esta dissertação apresenta uma modelagem comportamental e elétrica de um modulador sigma-delta em tempo contínuo (CT-SDM) para faixa de áudio com capacidade de operação em baixa tensão de alimentação. Neste trabalho é desenvolvido o modelo comportamental de 2 CT-SDMs com diferentes topologias de conversores digital-analógico (DAC) de realimentação. O primeiro é um CT-SDM com DAC do tipo non-return-to-zero (NRZ) de 1-bit implementado com um inversor CMOS e o segundo utiliza um filtro de resposta finita ao impulso (FIR) de 6 taps como DAC de realimentação, sendo que este último se mostrou a melhor escolha pois apresentou uma redução na área e consumo do primeiro estágio integrador. Uma metodologia baseada em circuitos programados em VerilogA é utilizada para estimar os requisitos mínimos do amplificador operacional utilizado no primeiro integrador, que apresenta um maior impacto à performance do CT-SDM. Por fim, é apresentado o projeto elétrico do CT-SDM utilizando um DAC do tipo FIR de 6-taps em tecnologia CMOS de 0,18 μm e tensão de alimentação de 0,5 V. O CT-SDM foi simulado utilizando os circuitos projetados à nível de transistor e mantendo o 2º e 3º integradores com modelos de amplificadores ideais programados em VerilogA. Os resultados das simulações transientes conservativas sem e com ruído resultaram em uma relação sinal-ruído e distorção (SNDR) e número efetivo de bits (ENOB) de 95,71 dB/15,60 bits e 82,28 dB/13,37 bits, respectivamente. Este CT-SDM apresentou um consumo de 40,02 μW resultando em uma Figura de mérito (FoM) de Walden de 94,50 fj/conv., desconsiderando a potência do 2° e 3° integradores. Palavras-chave: Modulação Sigma-delta, Conversor Analógico-Digital, Sinais de Áudio, Baixa Tensão.
Abstract: The migration of signal processing to the digital domain allows for more reliable and efficient results compared to continuous domain signal processing. Digital circuits have been commonly improved, making their circuits increasingly complex, accurate, and fast. However, as the nature of audio signals is analog, there is a need to use high-resolution analog-to-digital converters (ADCs) for an audio acquisition with a high signal-to-noise ratio (SNR), capable of transforming analog information in digital words so that the digital processing cores can process the information with greater performance. This master’s dissertation presents a behavioral and electrical modeling of a continuous-time sigma-delta modulator (CT-SDM) for the audio range capable of operating at low voltage. The behavioral model of 2 CT-SDMs with different feedback digital-to-analog converter (DAC) topologies is developed. The first is a CT-SDM with a 1-bit non-return-to-zero (NRZ) DAC implemented with a CMOS inverter and the second uses a finite impulse response (FIR) filter of 6 taps as feedback DAC. The latter proved to be the best choice as it presented a reduction in the area and power consumption of the first integrating stage. A methodology based on circuits programmed in VerilogA is used to estimate the minimum requirements of the operational amplifier used in the first integrator, which has a greater impact on the performance of the CT-SDM. Finally, the electrical design of the CT-SDM is presented using a 6-tap FIR type DAC in 0.18 μm CMOS technology and 0.5 V supply voltage. The CT-SDM was simulated using circuits designed at the transistor level and keeping the 2nd and 3rd integrators with ideal amplifier models programmed in VerilogA. The results of conservative transient simulations without and with noise resulted in a signal-to-noise-and-distortion ratio (SNDR) and effective mumber of bits (ENOB) of 95.71 dB/15.60 bits and 82.28 dB/13.37bits, respectively. This CT-SDM presented a power consumption of 40.02 μW, resulting in a Walden Figure of Merit (FoM) of 94.50 fj/conv., without considering the power of the 2nd and 3rd integrators. Keywords: Sigma-Delta Modulation, Analog-to-Digital Converter, Audio Signals, Low Voltage.
metadata.dc.subject: Engenharia elétrica
Modulação sigma-delta
Conversores analógicos-digitais
Sinais de áudio
Baixa tensão
Electrical engineering
Analog-to-digital converters
Sigma-delta modulation
Audio signals
Low voltage
CNPQ: CNPQ::ENGENHARIAS
Idioma: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
metadata.dc.publisher: Universidade Federal do Pampa
Sigla da Instituição: UNIPAMPA
Campus: Campus Alegrete
Curso: Mestrado Acadêmico em Engenharia Elétrica
metadata.dc.identifier.citation: CORTEZ, Matheus. Modelagem comportamental e elétrica de um modulador sigma-delta em tempo contínuo de baixa tensão para a faixa de áudio. Orientador: Paulo César Comassetto de Aguirre. 2023. 102p. Alegrete. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal do Pampa, Campus Alegrete, Alegrete, 2023.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
metadata.dc.identifier.uri: https://repositorio.unipampa.edu.br/jspui/handle/riu/8741
metadata.dc.date.issued: 20-Oct-2023
???org.dspace.app.webui.jsptag.ItemTag.appears???Mestrado em Engenharia Elétrica

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Matheus Cortez - 2023.pdf3.84 MBAdobe PDF???org.dspace.app.webui.jsptag.ItemTag.view???


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