Progettazione di un ADC sigma-delta per giroscopi MandNems a lettura piezoresistiva

This thesis work is placed in the context of development of analog-to-digital converters with high resolution and low flicker noise for piezoresistive M&NEMS gyroscopes with the goal of satisfying navigation-grade requirements. Initially two architectures of second order continuous time sigma-delta modulators were studied in order to extract the specifications to design the converter at transistor-level. Close attention was paid to the specifications of the input integrator which constitutes the ultimate limit for the noise and offset performance of the modulator. Then two configurations of amplifiers belonging to the family of chopper amplifiers were studied and sized. These amplifiers use a technique called "chopping" to reach performance in terms of input referred flicker noise significantly superior than that of amplifiers which do not use such technique. Successively a final sizing of the chopper amplifier which reached the required specifications was made. Finally the amplifier was used to design a second order continuous time sigma-delta modulator in CIFF form which was simulated with special attention to the shaping of the quantization noise.

Questo lavoro di tesi si pone nel contesto dello sviluppo di convertitori analogico-digitali ad alta risoluzione e basso rumore flicker per giroscopi M&NEMS a lettura piezoresistiva con l'obiettivo di soddisfare i requisiti di navigation-grade. Nella prima fase è stato condotto uno studio preliminare in cui sono state prese in esame e modellizzate due architetture di modulatori sigma-delta tempo continui del secondo ordine con lo scopo di estrarre le specifiche per l'implementazione a transistor-level del convertitore. E' stata data particolare attenzione alle specifiche dell'integratore che si trova all'ingresso del modulatore il quale costituisce il blocco più critico per la perfomance in termini di rumore ed offset del modulatore. Successivamente è stato fatto uno studio teorico con relativi dimensionamento e simulazioni di due configurazioni di amplificatori che prendono il nome di chopper amplifiers, i quali grazie ad una tecnica chiamata "chopping" raggiungono prestazioni in termini di rumore flicker riferito all'ingresso nettamente superiori a quelle raggiunte da amplificatori che non fanno uso di questa tecnica. Poi è stato fatto un dimensionamento finale del chopper amplifier in modo da soddisfare le specifiche richieste. Infine l'amplificatore è stato usato per realizzare un modulatore sigma-delta tempo continuo del secondo ordine di tipo CIFF di cui è stato simulato il corretto funzionamento con particolare attenzione allo shaping del rumore di quantizzazione