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In this paper, the common method of scaling the feedback coefficients of continuous time sigma delta modulators in order to stabilize the system is enhanced. The presented approach scales the different states of the system instead of the coefficients. The new corresponding coefficients are then calculated from the solution of the state space description. Therewith, it is possible to tune the maximum out-of-band gain directly in continuous time. In addition, the input amplitude distribution between each quantization level of multi bit sigma-delta modulator can be adapted.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Signalübertragungsverhalten von single-bit continuous-time (CT) ΣΔ Modulatoren. Dabei liegt der Fokus der Untersuchung auf dem Peaking der Signaltransferfunktion (STF). Dieser Effekt kann die Performance und die Stabilität des Gesamtsystems negativ beeinflussen, da bei auftretendem STF-Peaking Signale außerhalb des Signalbands verstärkt werden. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Reduktion des Peakings vorgestellt, der auf der Optimierung der Systemdynamik basiert. Dabei werden die Filterkoeffizienten des Modulators systematisch angepasst. Anhand eines Beispielsystems wird gezeigt, dass der Ansatz genutzt werden kann, um das Übertragungsverhalten des Modulators abhängig vom Ausgangssystem zu verändern. So kann entweder die Systemsperformance verbessert werden, ohne Peaking in der STF zu erzeugen, oder das STF-Peaking reduziert werden, ohne die Systemperformance stark zu beeinflussen.

Im Hinblick auf die Optimierung von zeitkontinuierlichen ΣΔ-Wandlern ist ein genaues Verständnis der dynamischen Eigenschaften des Systems von essentieller Bedeutung. In dieser Arbeit wird der ΣΔ-Modulator dafür in die Klasse der Mixed-Signal Systeme eingeordnet und als Übertragungssystem mit geschalteter Rückkopplung betrachtet. Mit diesem Switched-System-Modell können unter Zuhilfenahme einer geeigneten Zustandsraumdarstellung die Signalamplituden der internen Integratoren sowie die Maximalamplitude am Quantisierereingang bestimmt werden. Unter Verwendung einer Worst-Case Analyse ist es damit möglich, Aussagen über den Aussteuerbereich der Integratoren sowie der maximal stabilen Eingangsamplitude zu treffen. Die Vorgehensweise wird anhand eines Beispielmodulators dargestellt.

This paper presents a simplified analysis of the electrode potential upon mismatched, biphasic stimulation using passive discharge techniques, e.g. by shortening of the electrodes. It turns out that especially for microelectrodes the required shorting intervals become as large as to limit a feasible stimulation interval. If no blocking capacitors can be used due to limited space and the degree of miniaturisation, the passive discharge even imposes severe risks to the surrounding tissue and the electrode.

Nichtidealitäten einer Schaltung, wie z.B. nicht ideale Charakteristik des Operationsverstärkers und Streuungen in den Filterkoeffizienten, sind dahingehend bekannt die Effizienz von zeitkontinuierlichen Sigma-Delta Wandlern in drastischer Weise zu reduzieren. Daher stellt diese Veröffentlichung eine mögliche Methode vor, um die genannten Nichtidealitäten durch eine Schätzung mit Hilfe eines Unscented Kalman Filters zu bestimmen und in einem möglichen weiteren Schritt zu korrigieren. Des Weiteren kann durch eine leichte Modifikation des vorgestellten Algorithmus auch gleichzeitig eine implizite Dezimation des Ausgangssignals durchgeführt werden. Hierdurch wird die Gesamteffizienz des vorgestellten Ansatzes gesteigert, da kein zusätzlicher Dezimationsfilter mehr benötigt wird. Simulationsergebnisse des Filteralgorithmus zeigen die prinzipielle Funktion des Algorithmus.

Eine der großen Herausforderungen beim Betrieb von Schaltungen bei extrem niedrigen Versorgungsspannungen ist die starke Zunahme des Einflusses zufälliger Prozessvariationen auf die Verzögerungszeiten der Gatter. Dies erfordert sehr hohe Sicherheitsmargen im Timing der Schaltungen, was zu einer deutlichen Verringerung der Geschwindigkeit und einem Anstieg der Energie pro Operation führt. Asynchrone Schaltungstechniken, die durch ihre Kodierung das Ende einer Operation detektieren können, sind daher bei dieser Anwendung eine interessante Alternative. In dieser Veröffentlichung werden die notwendigen Sicherheitsmargen in Delay-Line basierten Subthreshold-Schaltungen diskutiert und mögliche asynchrone Dual-Rail Entwurfsmethoden vorgestellt. Transistor-Level Simulationsergebnisse für einen einfachen, in den diskutierten Techniken realisierten Zähler werden vorgestellt, um die Funktionsfähigkeit dieser Techniken im Subthreshold-Bereich zu demonstrieren. Multiplizier mit unterschiedlicher Wortbreite dienen als Beispiel für eine komplexere Schaltung, welche bezüglich Geschwindigkeit, Energiebedarf und Flächenaufwand mit einer entsprechenden Standard-Realisierung verglichen wird, was abschließend eine Aussage darüber zulässt, wann die untersuchten Techniken gewinnbringend eingesetzt werden können.

This paper presents novel circuit concepts for integrated rectifiers and voltage converting interfaces for energy harvesting micro-generators. In the context of energy harvesting, usually only small voltages are supplied by vibration-driven generators. Therefore, rectification with minimum voltage losses and low reverse currents is an important issue. This is realized by novel integrated rectifiers which were fabricated and are presented in this article. Additionally, there is a crucial need for dynamic load adaptation as well as voltage up-conversion. A circuit concept is presented, which is able to obtain both requirements. This generator interface adapts its input impedance for an optimal energy transfer efficiency. Furthermore, this generator interface provides implicit voltage up-conversion, whereas the generator output energy is stored on a buffer, which is connected to the output of the voltage converting interface. As simulations express, this fully integrated converter is able to boost ac-voltages greater than |0.35 V| to an output dc-voltage of 2.0 V–2.5 V. Thereby, high harvesting efficiencies above 80% are possible within the entire operational range.

Im vorliegenden Artikel wird eine vollstängige, d.h. unter Einbeziehung des Eingangssignals, Äquivalenz zwischen zeitkontinuierlichen und zeitdiskreten ΣΔ-Modulatoren im Zustandsraum hergeleitet. Es wird ebenfalls gezeigt, wie eine wichtige Nichtidealität, das sog. "excess loop delay", in den Berechnungen berücksichtigt werden kann. Die dargestellte Methode dient dazu, den Entwurf und dabei vor allem die Stabilitätsuntersuchungen, von zeitkontinuierlichen ΣΔs auf die bereits empirisch intensiv erforschten zeitdiskreten Systeme zurückzuführen. In the article at hand a complete equivalency, i.e. including the input signal, between continuous-time and discrete-time ΣΔ-modulators in state-space is derived. In addition, it is shown, how one can incorporate the important non-ideality of "excess loop delay" into the formalism. The method introduced is supposed to facilitate the design, especially the stability analysis part of the design, of continuous-time ΣΔs by making use of the empirically thoroughly examined discrete-time systems.

Dieser Beitrag stellt die Implementierung eines neuartigen Ansatzes einer effizienten Dezimator-Architektur für kaskadierte Sigma-Delta Modulatoren vor. Die Rekombinationslogik kaskadierter Modulatoren und die Korrektur des Verstärkungsfehlers zeitkontinuierlicher (CT) Modulatoren werden in die erste Stufe des Dezimators integriert. Eine entsprechende Filtertopologie wird hergeleitet und auf einem Hardware-Emulator der Firma Mentor Graphics implementiert. Der Vergleich der vorgeschlagenen Struktur mit einer herkömmlichen Implementierung zeigt eine nennenswerte Verbesserung der Effizienz.