Pulse-Width Modulation Circuits Using OTAs and Their Applications to Sensor Signal Processing and DC-DC Converters

Abstract

This thesis describes three pulse-width modulation (PWM) modulators using CMOS operational transconductance amplifiers (OTAs), and their applications to sensor signal conditioning circuits and DC-DC converters. The PWM modulators consist of a ramp integrator and current-tunable Schmitt triggers. Prototype circuits built using discrete components exhibit that their duty cycles are linearly controllable. Because of their simple structure, the proposed modulators can be easily fabricated in a monolithic IC. As the first sensor signal-conditioning application, a resistance deviation-to-pulsewidth converter is proposed for interfacing resistive sensors. It consists of a ramp integrator, two resistance-tunable Schmitt triggers, and two logic gates. A prototype circuit, built using discrete components, exhibits a resolution as high as 14 bits and a linearity error less than 0.06% when the output pulse is counted by a 10-MHz clock signal. The proposed circuit is applied to measure temperature difference with the platinum resistance temperature detectors. The measured conversion sensitivity of the temperature difference-to-pulsewidth converter is 5.74 μs/°C and its linearity error is less than 1% in the temperature difference range of 0-100 °C. A bridge resistance deviation-to-pulsewidth converter is proposed for interfacing resistive sensor bridges as the second sensor signal-conditioning circuit. It consists of two voltage-to-current converters, two current-tunable Schmitt triggers, a ramp integrator, and two logic gates. A prototype circuit built using discrete components exhibits a conversion sensitivity amounting to 4.5278 μs/mΩ over the resistance deviation range of 0-2 Ω and a linearity error of less than ±0.01%. As other applications, two 3.3-1 V synchronous buck DC-DC converters are proposed: one uses CMOS OTAs as circuit-building blocks, the other uses current-sensing PWM modulator and OTA-C PI compensator. An error amplifier OTA in a PWM circuit is compensated to improve temperature stability. The temperature coefficient of its transconductance gain is less than 150 ppm/°C over the temperature range of -55-125 °C. For the former proposed converter, the HSPICE simulation results with the 0.35 μm standard CMOS technology show that conversion efficiency is as high as 80% in the load current range of 40-125 mA. For the latter, HSPICE simulation results with 0.25 μm standard CMOS technology show that the conversion efficiency is as high as 80% in the load current range of 20-200 mA, and its maximum efficiency is recorded up to 87%. These results show that the proposed converters are especially adequate for use in battery-operated systems.; 본 논문은 CMOS OTA를 이용한 새로운 세 가지 PWM 변조회로를 제안하고, 이 회로들을 센서 신호처리 회로 및 DC--DC 컨버터 설계에 응용하였다. PWM 변조회로는 램프 적분기와 전류로 조정 가능한 슈미트 트리거로 구성된다. 개별소자를 사용해 제작된 실험회로는 이 회로들의 시비율이 선형적으로 제어 가능한 것을 보여준다. 제안된 PWM 변조회로의 구조가 간단하기 때문에, 제안된 변조회로는 집적회로화에 유리하다. 첫 번째 센서 신호처리 회로 응용으로써, 저항 변화를 펄스폭으로 변환해 저항형 센서를 인터페이스하는 회로를 제안하였다. 이 회로는 램프 적분기, 두 개의 저항으로 조정 가능한 슈미트 트리거, 두 개의 논리회로로 구성된다. 개별소자를 이용해 구성된 실험회로는 10-MHz의 클록 신호로 출력 펄스를 계수하는 경우 14비트 이상의 분해능과 0.06% 이하의 선형오차를 나타낸다. 제안된 회로는 백금-저항 온도검출기를 이용해 온도차를 측정하는데 적용 가능하다. 온도차-펄스폭 변환기의 측정된 변환 감도는 5.74 μs/°C 이고, 0-100 °C의 온도차 범위 내에서 선형오차는 1% 미만이다. 브리지 저항형 센서용 신호처리 회로로써 저항차를 펄스폭 변화로 변환하는 회로 또한 제안되었다. 이 회로는 두 개의 전압-전류 변환회로, 두 개의 전류로 조정 가능한 슈미트 트리거, 램프 적분기, 두 개의 논리회로로 구성된다. 제작된 회로는 0-2 Ω의 저항변화에서 4.5278 μs/mΩ의 변환 감도와 ±0.01% 미만의 선형오차를 나타낸다. 다른 응용으로써, CMOS OTA를 이용해 회로를 구성한 새로운 3.3-1 V 동기정류형 벅 DC-DC 컨버터와, 전류검출형 PWM 변조회로와 OTA-C PI 보상기를 이용한 또 다른 3.3-1 V 동기정류형 벅 DC-DC 컨버터를 제안하였다. PWM 회로 내 오차 증폭기 OTA는 온도 안정성을 향상시키기 위해 보상되었다. 보상된 OTA 전달컨덕턴스 이득의 온도특성은 -55-125 °C의 온도범위에서 150 ppm/°C미만이다. 첫 번째 제안된 DC-DC 컨버터는 0.35 μm 표준 CMOS 공정 파라미터로 HSPICE 시뮬레이션 하였으며, 부하 전류가 40-125 mA인 범위에서 80%의 효율을 나타냈다. 두 번째 컨버터는 0.25 μm 표준 CMOS 공정 파라미터로 시뮬레이션 되었으며, 부하 전류 20-200 mA의 범위 내에서 최대 효율은 87%였다. 이러한 결과는 제안된 DC-DC 컨버터가 배터리로 운용되는 시스템에 적용되기에 적합한 것을 보여준다.