Decimation Filter Design and Performance Analysis for a High-Speed Sigma-Delta ADC with Minimal Passband Distortion

최소 왜곡의 통과 대역을 가지는 고속 시그마-델타 ADC용 데시메이션 필터의 설계 및 성능 분석

While the oversampling sigma-delta ADCs are known to have high resolution, they often suffer from SNDR losses when operated at a very high data clock. This paper presents a design and implementation of a decimation filter that provides minimum distortion at passband for high-speed sigma-delta ADC. The proposed digital decimation filter employs a butterworth structure, which is a type of an IIR filter. To evaluate the performance of the proposed decimation filter, we implemented a 1-bit, third-order, OSR=64 sigma-delta modulator followed by the proposed decimation filter. Using the simulation ad measurement, we compared the performance of the proposed decimation filter with a conventional CIC(cascaded integrator comb) decimation filter, which is commonly used in most sigma-delta ADCs. The measurement results show that the proposed decimation filter presents substantially lower distortion at passband and thus can provide must higher SNDR.

오버샘플링 방식을 기본으로 하는 시그마-델타 ADC는 고해상도를 구현할 수 있는 반면 고속 동작 시에는 높은 Signal to Noise and Distortion Ratio (SNDR) 성능을 달성하기 어려운 특성이 있다. 특히 데시메이션 필터의 특성에 따른 고속 ADC의 SNDR의 저하가 크다. 본 논문에서는 고속 동작 시에도 시그마-델타 ADC의 높은 SNDR 제공을 위한 데시메이션 필터의 설계 및 구현을 보인다. 이 데시메이션 필터는 넓은 입력 신호 주파수 대역 내에서 신호의 크기 왜곡을 최소화하기 위해 IIR filter 종류의 Butterworth filter 구조로 구성 하였다. 성능을 검증하기 위해 1-bit, 3차, OSR=64인 시그마-델타 모듈레이터를 포함한 시스마-델타 ADC에 제안된 데시메이션 필터를 적용하여 실험을 하였다. 시뮬레이션 실험을 통해 기존에 널리 쓰이던 CIC(cascaded integrator-comb) 방식의 데시메이션 필터 대비 제안된 Butterworth 구조의 데시메이션 필터가 매우 낮은 통과대역 왜곡을 가지며 따라서 높은 SNDR을 제공한다는 결과를 보인다.