Design of a continuous time Delta-Sigma modulator for energy measurement using diamond detectors
Conception d’un modulateur Delta-Sigma à temps continu pour la mesure d’énergie utilisant des détecteurs diamant
Résumé
The design of continuous-time Delta-Sigma analog-to-digital converters is often considered complex and difficult. It requires knowledge, intuition, creativity and technical expertise. Up to now, this type of architecture does not appear in the field of designing integrated electronic circuit for particle detection. However, we believe that it can provide interesting solutions, as we will show here in the case of energy measurement systems.This thesis work is part of a research project entitled DIAMASIC. The aim is to develop an integrated readout electronics of a hodoscope detection system using diamond detectors in the context of beam monitoring for the treatment of tumors using hadrontherapy. This system must allow a spatio-temporal tagging of the used particles known as "hadron" to guarantee the safety of the patient during the treatment. This electronics is composed of two parts: a time measurement system and an energy measurement system. The design of the latter requires an ADC.This manuscript synthesizes the modeling, design and simulation of a continuous-time low-pass Delta-Sigma modulator with a bandwidth of 10MHz (can reach 40 MHz) and targeting a resolution of 8bits with a reasonable power consumption. The first step was to analyze the possible architectures of different modulators in order to guarantee the desired specifications. Following this study, we proposed a topology for a fifth order CRFF (Cascaded Resonator Feed-Forward) modulator with an internal quantizer of 3bits resolution and an oversampling rate of 8. In order to validate these choices and to study the impact of the imperfections linked to each block (non-idealities), we have developed a modeling methodology based on the paradigm known as Model-Based Design (MBD) through the use of SIMULINK graphical models and MATLAB scripts. This approach permitted us to specify the capabilities of each part of the modulator and also to make optimizations in terms of complexity, stability and power consumption. The data extracted from the modeling part are used in the implementation phase in a 130nm CMOS technology. The theoretical sizing of the transistors is done using the gm/Id methodology. The details of this method are discussed for the design of the amplifiers used to build the integrators of the loop filter. The results of different electrical simulations are presented, they show that the proposed architecture reaches a resolution of 8bits in a bandwidth of 10MHz.Finally, a comparison between the modeling results and the different electrical simulations on CADENCE has been presented and the performance gap is analyzed and some solutions are proposed aiming for improvements before the fabrication of the circuit.
La conception des convertisseurs analogique numérique de type Delta-Sigma à temps continu est souvent considérée comme complexe et difficile. Elle nécessite des connaissances, de l'intuition, de la créativité et de l'expertise technique. Jusqu'à présent, ce type d'architecture n'apparaît pas dans le domaine de la conception des circuits électroniques intégrées pour la détection de particules. Pourtant, nous pensons qu'il peut apporter des solutions intéressantes, comme nous allons le montrer dans le cas des systèmes de mesure d'énergie.Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet de recherche intitulé DIAMASIC. Le but est de développer une électronique de lecture intégrée d’un système de détection hodoscope utilisant des détecteurs diamant dans le cadre de monitorage de faisceaux pour le traitement de tumeurs par hadronthérapie. Ce système doit permettre un étiquetage spatio-temporel des particules utilisées connu sous le nom « hadron » pour garantir la sécurité du patient pendant ce type de traitement. Cette électronique est composée de deux parties : un système de mesure de temps et un système de mesure d’énergie. Pour ce dernier, la conception d’un CAN est nécessaire.Ce manuscrit synthétise les travaux de modélisation, conception et simulation d’un modulateur Delta-Sigma passe-bas à temps continu avec une bande passante de 10MHz (Peut atteindre 40 MHz) et visant une résolution de 8bits avec une consommation raisonnable. Dans un premier temps, nous avons réalisé une analyse des architectures possibles des différents modulateurs pour arriver à garantir le cahier des charges voulu. Suite à cette étude, nous avons proposé une topologie d’un modulateur de type CRFF “Cascaded Resonator Feed-Forward” du cinquième ordre avec un quantificateur interne d’une résolution de 3bits et un taux de sur-échantillonnage de 8. Pour valider ces choix et étudier l’impact des imperfections liées à chaque bloc, nous avons développé une méthodologie de modélisation basée sur le paradigme connu sous le nom du Model-Based Design (MBD) via des modèles graphiques SIMULINK et des scripts MATLAB. Cette approche nous a permis de spécifier les performances de chaque partie du modulateur et aussi de faire des optimisations en termes de complexité, stabilité et consommation. Les données extraites de la partie de modélisation sont utilisées dans la phase d'implémentation en technologie CMOS 130nm. Le dimensionnement théorique des transistors est réalisé en utilisant la méthodologie gm/Id. Les détails de cette méthode sont discutés pour la conception des amplificateurs utilisés dans le filtre de la boucle. Les résultats de différentes simulations électriques sont présentés, elles montrent que l’architecture proposée atteint une résolution de 8bits dans une bande passante de 10 MHz.Finalement, une comparaison entre les résultats de modélisation et les différentes simulations électriques sur CADENCE a été présentée et l’écart de performance est discuté avec des propositions d’amélioration avant la fabrication du circuit.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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