Analoge Schaltungen profitieren im Vergleich zu digitalen Schaltungen nur wenig von den Vorteilen moderner Technologien, da die abnehmenden Versorgungsspannungen deren Dynamikbereich reduzieren und gleichzeitig mehr Leistung zur Rauschminimierung benötigen. Es war und ist daher nur konsequent möglichst viele Signalverarbeitungsaufgaben in die digitale Domäne zu verlagern, in der die Vorteile moderner Technologien mit kleinsten Strukturgrößen zum Tragen kommen. Als weitere Konsequenz hieraus stieg der Bedarf nach schnellen Datenkonvertern mit großer Bandbreite und großem Dynamikbereich als Schnittstelle zwischen der analogen und digitalen Domäne rasch an.

Der Delta Sigma (∆Σ) Modulator ist eine der gebräuchlichsten Datenkonverterrealisierung mit hoher Abtastrate, ermöglicht eine hohe Auflösung im zu betrachtenden Spannungsbereich und bietet gleichzeitig die Möglichkeit einer effektiven Rauschunterdrückung. Der Mod- ulator erzeugt einen pulsweitenmodulierten digitalen Datenstrom, ist darüber hinaus einfach aufgebaut und besteht im Wesentlichen aus analogen Integratoren und Komparatoren. ∆Σ Modulatoren werden häufig für schmalbandige Empfänger, Medizin- und Sensoranwendungen eingesetzt. Herkömmliche Operationsverstärker (Op-Amps oder OTAs) als eine Hauptkomponente dieser Datenkonverter limitieren jedoch zunehmend deren Leistungsfähigkeit. Aufgrund der niedrigen Versorgungsspannungen sind Entwickler zunehmend gehalten Folded-Cascode-, Multistage-Kaskaden- und Bulk-Driven-Topologien in ihren Schaltungsentwürfen einzusetzen. Die bei Multistage-Kaskaden sehr hohe Verstärkung und Bandbreite wird meist mit Stabilitätsproblemen aufgrund der hohen Anzahl von verstärkenden Stufen bzw. Rückkopplungen mit großen Kompensationskapazitäten erkauft. Es war daher nur konsequent, leistungseffiziente Switched-Capacitor (SC) Schaltungstechniken auf der Basis von Invertern, Komparatoren und Spannungsfolgern zu favorisieren.

In dieser Arbeit wird ein alternativer Ansatz zum Entwurf von ∆Σ Modulatoren unter Verwendung von Current Conveyor (CCII) der zweiten Generation untersucht. Bei diesen Mod- ulatoren werden die herkömmlichen, auf Operationsverstärkern basierenden SC-Integratoren durch solche mit CCIIs ersetzt. Die auftretenden Entwurfsprobleme, wie beispielsweise die Nichtidealitäten der CCIIs werden in der Anwendung der SC-Integratoren diskutiert und Lösungen aufgezeigt. Weiterhin werden Entwurfsraumexplorationen zwischen verschiedenen Komponenten durch Analyse herkömmlicher und verbesserter SC-Schaltungen durchgeführt. Ferner wird ein adaptives Kalibrierungsverfahren mit nur wenigen zusätzlichen Komponenten beschrieben, das den Einsatz des Modulators über einen weiten Bereich von Abtastfrequenzen bei gleichzeitig optimaler Performanz, kleinem Silizium-Flächenbedarf und niedriger Leistungsaufnahme ermöglicht.

Die behandelten CCII Integratoren sind in einem Entwurfsbeispiel eines ∆Σ Modulators 4.Ordnung (2-2 Kaskade) in 90nm/1V UMC Technologie exemplarisch unter Verwendung des Europractice Services gefertigt worden. Messungen zeigen ein gegenüber herkömmlichen zeit-diskreten Architekturen vergleichbares Rausch/Störverhältnis (Signal to Noise+Distortion Ratio (SNDR)) sowie einen vergleichbaren Dynamikbereich (Dynamic Range (DR)), bei jedoch deutlich reduzierter Schaltungskomplexität und geringerer Anzahl der Verstärkerstufen.