A Role of Sigma Delta Modulators in Touchscreen Controllers

Ing. Lukáš PALOČKO

Doctoral thesis

Abstract:

Táto dizertačná práca je zameraná na analýzu a modelovanie sigma-delta modulátorov. V primeranom rozsahu k práci, je predstavená Cieľová aplikácia zameraná na systémy dotykových obrazoviek. Ďalšou časťou úvodnej kapitoly je diskusia o možnostiach analógovo-číslicového prevodu so zameraním na nízku spotrebu. Zvláštna pozornosť je taktiež venovaná zhodnoteniu senzorov s kapacitným snímaním, ktoré sú využívané v moderných mobilných aplikáciách. V práci je tiež popísaný prieskum možnosti analógovo-číslicového prevodu s minimálnou spotrebou a plochou čipu, ktorý bol založe-ný na datovej sade profesora Murmana. To umožňuje identifikovať vhod-ný typ A/Č prevodníka. Jedna z hlavných častí, syntéza a rozprava o návrhu modulátorov, poskytuje komparačnú štúdiu rôznorodých parametrov, ako napríklad OSR, OBG a pozícia nuly prenosovej funkcie šumu (NTF). Práca prezentuje výsledky syntetizovaných koeficientov modulátorov, ktoré sú priamo zviazané s obvodovými prvkami ako dôsledok dynamického škálovania. Práca si kladie za cieľ poskytnúť ucelený prehľad metodológie a návrhových postupov k identifikácii optimálneho obvodového riešenia (pre sigma-delta modulátory realizované spínanými kapacitormi) so zameraním na nízku spotrebu a minimálnu plochu čipu. Hlavná pozornosť je zameraná na odhad metrík obvodu, ktoré sú výsledom optimalizačnej procedúry. Výhodou tejto metódy je kombinácia obvodovej hierarchie spolu s vlastnosťami na systémovej úrovni, ktoré vieme vyjadriť rovnicami. Výsledkom je optimalizácia obvodu založená na metóde gm/ids (transkonduktančná efektivita) ako dôsledok špecifikácie transkonduktančného aktívneho prvku, ktorá bola získaná na obvodovej úrovni. Optimálny stupeň inverzie pre samostatný MOS tranzistor je výsledkom kompromisu a rovnováhy medzi energetickou spotrebou, veľkosťou kremíkovej plochy a špecifikáciou obvodu. Ďalšie hľadisko, ktorým je potreba sa zaoberať na základe požiadavky na vyššie rozlíšenie systému, je otázka stability modulátorov vyššieho stupňa. Ako dôsledok tejto problematiky je uvedené krátke zhrnutie poznatkov týkajúcich sa amplitúdy, pri ktorej je systém ešte stabilný. A zároveň práca otvára novú diskusiu venovanú kvantizačnému zisku. Práca popisuje komplexnú stratégiu pri navrhovaní modulátorov, kedy je nutné brať v úvahu jednotlivé príspevky (s rôznou prenosovou funkciou) šumových zdrojov, ktoré prispievajú k celkového šumu mudulátora na výstupe a tým ovplyvňujú jeho dynamicky rozsah.

Abstract:

This doctoral work is focused on an analysis, modeling and prototyping of sigma-delta modulators. First, to identify properties of an application, particular attention is paid to the review of the Projected Capacitive Touch Technology (p-cap) sensors and the sensing strategies. Then, the target application - touchscreen systems - is introduced with a discussion of low-power Analog-to-Digital Converters (ADCs). The research of the power-efficient and the area-efficient analog to digital conversion identifies an ADC candidate. The ADC candidate, Sigma-Delta () converter, is introducedas well as the summary of a modulator diversity.At the system and circuit level, this dissertation addresses low-powermodulator design systematically from two aspects: external efforts consid-ering target application and internal efforts considering modulator architec-tures and a circuit implementation. For internal efforts, thesis deals withsynthesis and design considerations of modulators and gives a comparativestudy of the parameters variations such as OSR, OBG and the zero position.This part of the thesis also presents values of the coefficients, which aredirectly related to the circuit elements, as the consequence of the Dynamic-Range Scaling of the modulator. The demand for higher resolution of ADCresults in the stability problem for high-order modulators. Thesis provides short review related to the maximum stable amplitude and opens a newdiscussion of the guantizer gain issues.A primary aim of the doctoral thesis is to give a comprehensive overviewof the methodology and design strategies to identify optimized circuit solu-tion for low-power consumption and small silicon area. Then an estimationof circuit metrics has been identified as one of the most important task ofthe design strategy. The proposed methodology allows designer to consideran implementation of the circuit-level hierarchy with the system-level prop-erties of the modulator. The outcome is a circuit optimization based on thegm/Id methodology for particular modulator topology. The optimum inver-sion level for individual MOS transistor is always an option of the trade-offbetween the power consumption and the silicon area.

Keywords

sigma-delta modulator, touchscreen systems, analog to digital conversion, optimization

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 6. 2019

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Prof. Ing. Jiří Pinker, CSc.

University of West Bohemia

Faculty of Electrical Engineering

Doctoral programme / field:
Electrical Engineering and Informatics / Electronics