Design Strategies and Modelling of Low-Power Sigma-Delta Analog-to-Digital Converters

Oggi, i dispositivi portatili sono diventati la forza trainante del mercato consumer e nuove sfide stanno emergendo per aumentarne le prestazioni, pur mantenendo un ragionevole tempo di vita della batteria. Il dominio digitale è la miglior soluzione per realizzare funzioni di elaborazione del segnale, grazie alla scalabilità della tecnologia CMOS, che spinge verso l'integrazione a livello sub-micrometrico. Infatti, la riduzione della tensione di alimentazione introduce limitazioni severe per raggiungere un range dinamico accettabile nel dominio analogico. Minori costi, minore consumo di potenza, maggiore resa e una maggiore riconfigurabilità sono i principali vantaggi dell'elaborazione dei segnali nel dominio digitale. Da più di un decennio, diverse funzioni puramente analogiche sono state spostate nel dominio digitale. Ciò significa che i convertitori analogico-digitali (ADC) stanno diventando i componenti chiave in molti sistemi elettronici. Essi sono, infatti, il ponte tra il mondo digitale e analogico e, di conseguenza, la loro efficienza e la precisione spesso determinano le prestazioni globali del sistema. I convertitori Sigma-Delta sono il blocco chiave come interfaccia in circuiti a segnale-misto ad elevata risoluzione e basso consumo di potenza. I tools di modellazione e simulazione sono strumenti efficaci ed essenziali nel flusso di progettazione. Sebbene le simulazioni a livello transistor danno risultati più precisi ed accurati, questo metodo è estremamente lungo a causa della natura a sovracampionamento di questo tipo di convertitore. Per questo motivo i modelli comportamentali di alto livello del modulatore sono essenziali per il progettista per realizzare simulazioni veloci che consentono di identificare le specifiche necessarie al convertitore per ottenere le prestazioni richieste. Obiettivo di questa tesi è la modellazione del comportamento del modulatore Sigma-Delta, tenendo conto di diverse non idealità come le dinamiche dell'integratore e il suo rumore termico. Risultati di simulazioni a livello transistor e dati sperimentali dimostrano che il modello proposto è preciso ed accurato rispetto alle simulazioni comportamentali.

Numerical modelling of unsteady mixed flows

This thesis concerns mixed flows (which are characterized by the simultaneous occurrence of free-surface and pressurized flow in sewers, tunnels, culverts or under bridges), and contributes to the improvement of the existing numerical tools for modelling these phenomena. The classic Preissmann slot approach is selected due to its simplicity and capability of predicting results comparable to those of a more recent and complex two-equation model, as shown here with reference to a laboratory test case. In order to enhance the computational efficiency, a local time stepping strategy is implemented in a shock-capturing Godunov-type finite volume numerical scheme for the integration of the de Saint-Venant equations. The results of different numerical tests show that local time stepping reduces run time significantly (between −29% and −85% CPU time for the test cases considered) compared to the conventional global time stepping, especially when only a small region of the flow field is surcharged, while solution accuracy and mass conservation are not impaired. The second part of this thesis is devoted to the modelling of the hydraulic effects of potentially pressurized structures, such as bridges and culverts, inserted in open channel domains. To this aim, a two-dimensional mixed flow model is developed first. The classic conservative formulation of the 2D shallow water equations for free-surface flow is adapted by assuming that two fictitious vertical slots, normally intersecting, are added on the ceiling of each integration element. Numerical results show that this schematization is suitable for the prediction of 2D flooding phenomena in which the pressurization of crossing structures can be expected. Given that the Preissmann model does not allow for the possibility of bridge overtopping, a one-dimensional model is also presented in this thesis to handle this particular condition. The flows below and above the deck are considered as parallel, and linked to the upstream and downstream reaches of the channel by introducing suitable internal boundary conditions. The comparison with experimental data and with the results of HEC-RAS simulations shows that the proposed model can be a useful and effective tool for predicting overtopping and backwater effects induced by the presence of bridges and culverts.