Modulador sigma-delta con pasabanda LC de tecnología mixta MEMS/BICMOS para muestreo de RF directo.

Modulador sigma-delta (100), que comprende:

un primer DAC (134) comprendido en un primer bucle (146) de realimentación y un segundo DAC (136) comprendido en un segundo bucle (148) de realimentación;

una primera unión aditiva (108) adaptada para sumar una primera corriente (I1) y una corriente (I2) de realimentación del segundo bucle (148) de realimentación;

una segunda unión aditiva (116) adaptada para sumar una tercera corriente (I3) y una corriente (I4) de realimentación del primer bucle (146) de realimentación;

un amplificador (114) de transconductancia conectado eléctricamente a una salida de la primera unión aditiva (108) y a una entrada de la segunda unión aditiva (116); y

caracterizado por

una primera red LC resonante (110) conectada eléctricamente a la primera unión aditiva (108) y adaptada para convertir una señal de corriente sumada en la primera unión aditiva (108) en una señal de voltaje; y una segunda red LC resonante (118) conectada eléctricamente a la segunda unión aditiva (116) y adaptada para convertir una señal de corriente sumada en la segunda unión aditiva (108) en una señal de voltaje, en donde una frecuencia central del modulador sigma-delta se modifica usando por lo menos uno de una pluralidad de conmutadores (204, 208, 212, 220, 224, 228) de un sistema microelectromecánico, MEMS, que forman parte de las redes LC resonantes (110, 118), y

en donde las uniones aditivas (108, 116), el amplificador (114) de transconductancia, el DAC (134, 136, 142, 144), las redes LC resonantes (110, 118) y la pluralidad de conmutadores MEMS (204, 208, 212, 220, 224, 228) están en un sustrato (102).

Modulador sigma-delta con pasabanda LC de tecnología mixta MEMS/BICMOS para muestreo de RF directo.

La presente invención se refiere a un modulador sigma-delta, que comprende una primera unión aditiva, una segunda unión aditiva, un amplificador de transconductancia conectado eléctricamente a una salida de la primera unión aditiva y a una entrada de la segunda unión aditiva y por lo menos un conversor digital-a-analógico.

Se conoce un modulador sigma-delta de este tipo a partir del documento US 5.729.230.

Campo de la Invención La presente invención se refiere además a moduladores sigma-delta y, más particularmente, a un modulador sigmadelta de un solo chip que utiliza la tecnología de sistemas electromecánicos (MEMS) y la tecnología BiCMOS para proporcionar un modulador flexible de baja potencia.

Antecedentes de la Invención Existen dos técnicas básicas para realizar la conversión analógica-a-digital. Un conversor analógico-a-digital (ADC) que usa la primera técnica, conocida como la técnica de la velocidad de Nyquist, genera una señal digital directamente en respuesta a una señal de entrada analógica. El ADC de velocidad de Nyquist muestrea la señal de entrada analógica a dos veces la frecuencia (conocida como la frecuencia de Nyquist) del componente de frecuencia más alto esperado de la señal de entrada. El ADC de velocidad de Nyquist usa una serie de componentes adaptados de manera precisa para digitalizar la señal de entrada. La resolución y la precisión del ADC de velocidad de Nyquist dependen de la adaptación de estos componentes. No obstante, los componentes de alta precisión resultan difíciles de lograr en el procesado convencional de circuitos integrados.

Un ADC que usa la siguiente técnica, conocida como la técnica sigma-delta, representa la señal de entrada analógica generando un flujo continuo de muestras digitales cuya densidad de impulsos es una medida del voltaje en la entrada del ADC. El ADC sigma-delta incluye un modulador sigma-delta y un diezmador. El modulador incluye un cuantificador que genera una señal de salida digital en respuesta a una diferencia filtrada entre la señal de entrada analógica y una señal de realimentación. La señal de realimentación es la señal de salida digital reconvertida en una señal analógica en un conversor digital-a-analógico (DAC) . El modulador está sobremuestreado, lo cual significa que la velocidad de muestreo está por encima de la velocidad de Nyquist. El diezmador remuestrea la salida del modulador y proporciona una palabra de datos de N bites a la velocidad de Nyquist. La técnica sigmadelta logra una alta resolución mediante una temporización precisa en lugar de los componentes adaptados de manera precisa (resistores y condensadores) que requiere el ADC de velocidad de Nyquist.

Un ADC sigma-delta sencillo usa un modulador de primer orden con un único integrador que realiza la función de filtro, un cuantificador de un bite, y un DAC de un bite. Puesto que el cuantificador puede proporcionar la salida del modulador en solamente uno de dos niveles, su funcionamiento es necesariamente lineal. El modulador sigma-delta de primer orden tiene un ruido de cuantificación alto a la frecuencia de muestreo. La acción del filtro en el modulador conforma el ruido de cuantificación de manera que es mayor a frecuencias más altas. De este modo, al conversor se le hace referencia como ADC conformador de ruido. El diezmador incluye también un filtro que presenta una característica de pasobajo con una frecuencia de corte a la frecuencia de Nyquist. Puesto que la frecuencia de muestreo es mucho mayor que la frecuencia de Nyquist, habitualmente el filtro puede atenuar de manera suficiente este ruido de cuantificación fuera-de-banda.

Un ADC de segundo orden que tiene dos filtros en el bucle del modulador presenta un ruido de cuantificación fuerade-banda mayor pero un ruido dentro-de-banda menor que el ADC de primer orden. De este modo, si el ruido fuerade-banda se puede filtrar de manera suficiente, el modulador sigma-delta de segundo orden presenta un mejor rendimiento. La atenuación necesaria se puede lograr si el filtro de diezmado es un orden mayor que el orden del modulador. Se pueden lograr aumentos adicionales del rendimiento usando moduladores de orden superior, aunque los moduladores de orden superior tienden a resultar más difíciles de estabilizar.

Típicamente, los moduladores sigma-delta se implementan diseñando el integrador o bien en el dominio del tiempo discreto (por ejemplo, usando filtros de condensadores conmutados) o bien en el dominio del tiempo continuo (por ejemplo, usando filtros de RC, de transconductores-C, y de LC) . Un inconveniente de los moduladores en tiempo discreto es que en general son más lentos que sus homólogos en tiempo continuo. Por otro lado, los moduladores de tiempo continuo se implementan típicamente con inductores fuera del chip, aunque se han intentado diseños que usan inductores en el chip. No obstante, los diseños con inductores en el chip padecen las limitaciones de la Q disponible para inductores en el chip en silicio y requieren circuitos activos de mejora de la Q, los cuales introducen ruido y distorsión. Los inductores en el chip tienen además un intervalo de frecuencias limitado, para un valor de inductancia dado, sobre el cual se produce cualquier valor significativo de Q. Adicionalmente, la sintonización de la frecuencia central se logra usando unos circuitos activos, lo cual deteriora como resultado el suelo del ruido térmico global del modulador a medida que la frecuencia central se ajusta. Además, dichos diseños carecen de flexibilidad (por ejemplo, la capacidad de ajustar dinámicamente las características del modulador) en las frecuencias de

radiocomunicaciones, y, por lo tanto, no incluyen capacidades de salto de frecuencias de banda ancha.

Por consiguiente, existe en la técnica una necesidad de un modulador sigma-delta de un solo chip que pueda ajustar dinámicamente sus características para proporcionar una capacidad de salto de frecuencias en la banda de las radiofrecuencias (RF) . Adicionalmente, resultaría ventajoso proporcionar un modulador sigma-delta que tuviese un número reducido de circuitos activos de mejora de la Q, y con un valor de inductancia que tenga una capacidad de Q elevada en un ancho de banda amplio.

El documento US 5.729.230, según se menciona en el comienzo, da a conocer una arquitectura sintonizable de tiempo continuo para un modulador sigma-delta que incluye un resonador sintonizable y un cuantificador de baja velocidad de bites, alta velocidad de muestreo, conectado en el bucle de realimentación. El resonador conforma el espectro del ruido de cuantificación de manera que la mayor parte del ruido de cuantificación se produce fuera del espectro de la señal. Una celda de Gm sintonizable sintoniza la frecuencia de resonancia del resonador para maximizar la SNR del modulador. La celda de Gm sintonizable incluye una celda de Gm fija que tiene una transconductancia, un divisor de corriente y un circuito de recombinación que permiten una multiplicación sin afectar a la corriente en modo común de la celda.

El documento GB 2 378 831 A muestra un conversor analógico a digital de radiofrecuencia, que comprende amplificadores de alta ganancia que incorporan filtros pasabanda en forma de resonadores sintonizables individuales sintonizados de manera que sus frecuencias de resonancia se sitúan sustancialmente a la frecuencia de la señal, conectados para implementar el equivalente pasabanda de los integradores en el trayecto directo de un conversor analógico a digital sigma delta. Se dice que el conversor propuesto digitaliza señales hasta en la región de las microondas con una alta precisión.

El documento WO 00/03538 da a conocer un sintonizador de televisión con un dispositivo de sintonización que utiliza circuitos de sintonización conmutables. Cada uno de los circuitos de sintonización incluye una matriz de sintonización conmutada compuesta por una pluralidad de conmutadores electromecánicos microelectrónicos y un sistema de condensadores y/o inductores. Cada uno de los circuitos de sintonización conmutables recibe una señal de control de sintonización que controla la pluralidad respectiva de conmutadores micro-electro-mecánicos para seleccionar uno de los condensadores y/o inductores de entre el sistema de condensadores y/o inductores.

Sumario de la Invención Es un objetivo de la presente invención proporcionar un modulador sigma-delta con características mejoradas, especialmente en relación con el cambio de la frecuencia... [Seguir leyendo]

1. Modulador sigma-delta (100) , que comprende:

un primer DAC (134) comprendido en un primer bucle (146) de realimentación y un segundo DAC (136) comprendido en un segundo bucle (148) de realimentación; una primera unión aditiva (108) adaptada para sumar una primera corriente (I1) y una corriente (I2) de realimentación del segundo bucle (148) de realimentación; una segunda unión aditiva (116) adaptada para sumar una tercera corriente (I3) y una corriente (I4) de realimentación del primer bucle (146) de realimentación; un amplificador (114) de transconductancia conectado eléctricamente a una salida de la primera unión aditiva (108) y a una entrada de la segunda unión aditiva (116) ; y caracterizado por una primera red LC resonante (110) conectada eléctricamente a la primera unión aditiva (108) y adaptada para convertir una señal de corriente sumada en la primera unión aditiva (108) en una señal de voltaje; y una segunda red LC resonante (118) conectada eléctricamente a la segunda unión aditiva (116) y adaptada para convertir una señal de corriente sumada en la segunda unión aditiva (108) en una señal de voltaje, en donde una frecuencia central del modulador sigma-delta se modifica usando por lo menos uno de una pluralidad de conmutadores (204, 208, 212, 220, 224, 228) de un sistema microelectromecánico, MEMS, que forman parte de las redes LC resonantes (110, 118) , y en donde las uniones aditivas (108, 116) , el amplificador (114) de transconductancia, el DAC (134, 136, 142, 144) , las redes LC resonantes (110, 118) y la pluralidad de conmutadores MEMS (204, 208, 212, 220, 224, 228) están en un sustrato (102) .

2. Modulador sigma-delta según la reivindicación 1, en el que por lo menos una red LC (110, 118) incluye una pluralidad de condensadores (206, 210, 214) , y la frecuencia central del modulador (100) se modifica añadiendo y eliminando por lo menos uno de la pluralidad de condensadores (206, 210, 214) de la red LC (110, 118) que usa por lo menos uno de la pluralidad de conmutadores MEMS (204, 208, 212) .

3. Modulador sigma-delta según la reivindicación 1 ó 2, en el que por lo menos una red LC (110, 118) incluye una pluralidad de inductores (222, 226, 230) , y un intervalo de sintonización del modulador (100) se modifica añadiendo y eliminando por lo menos uno de la pluralidad de inductores (222, 226, 230) de la red LC (110, 118) que usa por lo menos uno de la pluralidad de conmutadores MEMS (220, 224, 228) .

4. Modulador sigma-delta según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el por lo menos un amplificador

(114) de transconductancia y el por lo menos un DAC (134, 136, 142, 144) se implementan usando tecnología BiCMOS.

5. Modulador sigma-delta según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende además un sistema digital (150) de control adaptativo.

6. Modulador sigma-delta según la reivindicación 5, en el que el sistema digital (150) de control adaptativo ajusta por lo menos un parámetro del bucle para mantener la estabilidad del modulador sigma-delta (100) .

7. Modulador sigma-delta según la reivindicación 5 ó 6, en el que el sistema digital (150) de control adaptativo ajusta la frecuencia central del modulador (100) .

8. Modulador sigma-delta según la reivindicación 7, en el que la frecuencia central se ajusta para saltar desde una de una pluralidad de frecuencias.

9. Modulador sigma-delta según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el modulador sigma-delta (100) realiza un muestreo directo a radiofrecuencias.

10. Modulador sigma-delta según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende además un amplificador de bajo ruido (LNA) (106) , un amplificador excitador (122) , un comparador (124) , y por lo menos un circuito (130, 138) de retención.

11. Modulador sigma-delta según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que el modulador sigma-delta

(100) se implementa usando una arquitectura diferencial.

12. Modulador sigma-delta según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, que comprende además un diezmador (252) en el sustrato (102) , en donde el diezmador (252) está acoplado operativamente a una salida (128) del modulador sigma-delta (100) .