Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /

Design of a low-noise optoelectronic amplifier channel for a laser radar

Abstract. The goal of this Master’s thesis is to find and develop the best topologies and circuit structures for a low-noise amplifier channel for a laser radar application. In this work different topologies, their strengths, weaknesses and challenges are studied. Low-noise optoelectronic amplifier channels have been used extensively in a variety of applications such as wireless communication, optical receivers and laser radar. The common constraint for all the mentioned applications is the noise. The optical input signal for optoelectronic receivers can be very weak. In order to detect the signal reliably and accurately, the receiver must not add significant noise to the input signal. Therefore, this thesis concentrates on improving the signal to noise ratio (SNR) by minimizing the noise sources, filtering the high frequency noise and amplifying the signal. In addition, the delay of the whole channel should be constant with respect to signal strength, supply voltage etc. variations. This low-noise optoelectronic amplifier channel can be employed in a laser radar to detect the distance of several kilometers.Pienikohinaisen optoelektronisen vahvistinkanavan suunnittelu lasertutkasovellukseen. Tiivistelmä. Tämän diplomityön tavoitteena on etsiä ja kehittää sopivia piiriratkaisuja ja -rakenteita lasertutkan pienikohinaiseen vahvistinkanavaan. Työssä tutkittiin eri rakenteita, niiden vahvuuksia, heikkouksia ja haasteita. Pienikohinaisia optoelektronisia vahvistinkanavia on käytetty paljon useissa sovelluksissa kuten langattomassa viestinnässä, optisissa vastaanottimissa ja lasertutkissa. Näissä sovelluksissa yhteisenä haasteena on kohina. Optoelektronisen vastaanottimen tulosignaali voi olla hyvin heikko, joten tarkan ja luotettavan vastaanoton varmistamiseksi vastaanottimen itsessään tulee olla hyvin pienikohinainen. Tässä työssä keskityttiinkin signaalikohinasuhteen (SNR) optimointiin minimoimalla itse kohinalähteet, suodattamalla korkeataajuista kohinaa ja vahvistamalla signaalia. Lisäksi koko kanavan viive oli pidettävä mahdollisimman vakiona eri signaalitasoilla, eri lämpötiloissa, eri käyttöjännitteillä jne. Työssä kehitettyä optoelektronista vahvistinkanavaa voidaan käyttää lasertutkissa mittaamaan etäisyyksiä kilometrien päässä oleviin kohteisiin

Ultra-Low Power Wake Up Receiver For Medical Implant Communications Service Transceiver

This thesis explores the specific requirements and challenges for the design of a dedicated wake-up receiver for medical implant communication services equipped with a novel “uncertain-IF†architecture combined with a high – Q filtering MEMS resonator and a free running CMOS ring oscillator as the RF LO. The receiver prototype, implements an IBM 0.18μm mixed-signal 7ML RF CMOS technology and achieves a sensitivity of -62 dBm at 404MHz while consuming \u3c100 μW from a 1 V supply

A synchronised Direct Digital Synthesiser

We describe a Direct Digital Synthesiser (DDS) which provides three frequency-locked synchronised outputs to generate frequencies from DC to 160 MHz. Primarily designed for use in a heterodyning range imaging system, the flexibility of the design allows its use in a number of other applications which require any number of stable, synchronised high frequency outputs. Frequency tuning of 32 bit length provides 0.1 Hz resolution when operating at the maximum clock rate of 400 MSPS, while 14 bit phase tuning provides 0.4 mrad resolution. The DDS technique provides very high relative accuracy between outputs, while the onboard oscillator’s stability of ±1 ppm adds absolute accuracy to the design

CMOS Signal Synthesizers for Emerging RF-to-Optical Applications

The need for clean and powerful signal generation is ubiquitous, with applications spanning the spectrum from RF to mm-Wave, to into and beyond the terahertz-gap. RF applications including mobile telephony and microprocessors have effectively harnessed mixed-signal integration in CMOS to realize robust on-chip signal sources calibrated against adverse ambient conditions. Combined with low cost and high yield, the CMOS component of hand-held devices costs a few cents per part per million parts. This low cost, and integrated digital processing, make CMOS an attractive option for applications like high-resolution imaging and ranging, and the emerging 5-G communication space. RADAR techniques when expanded to optical frequencies can enable micrometers of resolution for 3D imaging. These applications, however, impose upto 100x more exacting specifications on power and spectral purity at much higher frequencies than conventional RF synthesizers. This generation of applications will present unconventional challenges for transistor technologies - whether it is to squeeze performance in the conventionally used spectrum, already wrung dry, or signal generation and system design in the relatively emptier mm-Wave to sub-mmWave spectrum, much of the latter falling in the ``Terahertz Gap". Indeed, transistor scaling and innovative device physics leading to new transistor topologies have yielded higher cut-off frequencies in CMOS, though still lagging well behind SiGe and III-V semiconductors. To avoid multimodule solutions with functionality partitioned across different technologies, CMOS must be pushed out of its comfort zone, and technology scaling has to have accompanying breakthroughs in design approaches not only at the system but also at the block level. In this thesis, while not targeting a specific application, we seek to formulate the obstacles in synthesizing high frequency, high power and low noise signals in CMOS and construct a coherent design methodology to address them. Based on this, three novel prototypes to overcome the limiting factors in each case are presented. The first half of this thesis deals with high frequency signal synthesis and power generation in CMOS. Outside the range of frequencies where the transistor has gain, frequency generation necessitates harmonic extraction either as harmonic oscillators or as frequency multipliers. We augment the traditional maximum oscillation frequency metric (fmax), which only accounts for transistor losses, with passive component loss to derive an effective fmax metric. We then present a methodology for building oscillators at this fmax, the Maximum Gain Ring Oscillator. Next, we explore generating large signals beyond fmax through harmonic extraction in multipliers. Applying concepts of waveform shaping, we demonstrate a Power Mixer that engineers transistor nonlinearity by manipulating the amplitudes and relative phase shifts of different device nodes to maximize performance at a specific harmonic beyond device cut-off. The second half proposes a new architecture for an ultra-low noise phase-locked loop (PLL), the Reference-Sampling PLL. In conventional PLLs, a noisy buffer converts the slow, low-noise sine-wave reference signal to a jittery square-wave clock against which the phase of a noisy voltage-controlled oscillator (VCO) is corrected. We eliminate this reference buffer, and measure phase error by sampling the reference sine-wave with the 50x faster VCO waveform already available on chip, and selecting the relevant sample with voltage proportional to phase error. By avoiding the N-squared multiplication of the high-power reference buffer noise, and directly using voltage-mode phase error to control the VCO, we eliminate several noisy components in the controlling loop for ultra-low integrated jitter for a given power consumption. Further, isolation of the VCO tank from any varying load, unlike other contemporary divider-less PLL architectures, results in an architecture with record performance in the low-noise and low-spur space. We conclude with work that brings together concepts developed for clean, high-power signal generation towards a hybrid CMOS-Optical approach to Frequency-Modulated Continuous-Wave (FMCW) Light-Detection-And-Ranging (LIDAR). Cost-effective tunable lasers are temperature-sensitive and have nonlinear tuning profiles, rendering precise frequency modulations or 'chirps' untenable. Locking them to an electronic reference through an electro-optic PLL, and electronically calibrating the control signal for nonlinearity and ambient sensitivity, can make such chirps possible. Approaches that build on the body of advances in electrical PLLs to control the performance, and ease the specification on the design of optical systems are proposed. Eventually, we seek to leverage the twin advantages of silicon-intensive integration and low-cost high-yield towards developing a single-chip solution that uses on-chip signal processing and phased arrays to generate precise and robust chirps for an electronically-steerable fine LIDAR beam

Technical Design Report for the PANDA Micro Vertex Detector

This document illustrates the technical layout and the expected performance of the Micro Vertex Detector (MVD) of the PANDA experiment. The MVD will detect charged particles as close as possible to the interaction zone. Design criteria and the optimisation process as well as the technical solutions chosen are discussed and the results of this process are subjected to extensive Monte Carlo physics studies. The route towards realisation of the detector is outlined

An Optoelectronic Stimulator for Retinal Prosthesis

Retinal prostheses require the presence of viable population of cells in the inner retina. Evaluations of retina with Age-Related Macular Degeneration (AMD) and Retinitis Pigmentosa (RP) have shown a large number of cells remain in the inner retina compared with the outer retina. Therefore, vision loss caused by AMD and RP is potentially treatable with retinal prostheses. Photostimulation based retinal prostheses have shown many advantages compared with retinal implants. In contrary to electrode based stimulation, light does not require mechanical contact. Therefore, the system can be completely external and not does have the power and degradation problems of implanted devices. In addition, the stimulating point is flexible and does not require a prior decision on the stimulation location. Furthermore, a beam of light can be projected on tissue with both temporal and spatial precision. This thesis aims at fi nding a feasible solution to such a system. Firstly, a prototype of an optoelectronic stimulator was proposed and implemented by using the Xilinx Virtex-4 FPGA evaluation board. The platform was used to demonstrate the possibility of photostimulation of the photosensitized neurons. Meanwhile, with the aim of developing a portable retinal prosthesis, a system on chip (SoC) architecture was proposed and a wide tuning range sinusoidal voltage-controlled oscillator (VCO) which is the pivotal component of the system was designed. The VCO is based on a new designed Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) Operational Transconductance Ampli er (OTA) which achieves a good linearity over a wide tuning range. Both the OTA and the VCO were fabricated in the AMS 0.35 µm CMOS process. Finally a 9X9 CMOS image sensor with spiking pixels was designed. Each pixel acts as an independent oscillator whose frequency is controlled by the incident light intensity. The sensor was fabricated in the AMS 0.35 µm CMOS Opto Process. Experimental validation and measured results are provided

A Low-Power, Laser-Based Delta-Sigma Modulator for the Measurement of Atmospheric Gas Composition

With the increased attention on monitoring the atmosphere’s gas composition, new ways of accurately measuring these concentrations are needed. Along with the needed increase in measurement accuracy; size, space, and power reduction is also essential in modern systems. As semiconductor technology has advanced, the abilities to meet the previously mentioned criteria are becoming more realizable. Instrumentation used to measure the atmosphere’s composition is traditionally large, taking up much needed space and using larger amounts of power. While the larger instrumentation provides the necessary accuracy, the other constraints are sacrificed. For this reason, a smaller, yet highly accurate solution is needed. The Proof-of-Concept (POC) solution that is proposed in this thesis is a Delta-Sigma (ΔΣ) Modulator designed in a 0.5 micron (µm) Bulk CMOS Process. Using a 1.55 micron (µm) laser as the signal input while using a specified reference, the Delta-Sigma Modulator will use oversampling and noise shaping to provide an accurate, one-bit digital output count that correlates the difference between the reference signal and the laser’s intensity that is input to the system. This allows for the possibility of a high resolution output, with high accuracy, and significant reductions in space used and power consumed

Advances in Solid State Circuit Technologies

This book brings together contributions from experts in the fields to describe the current status of important topics in solid-state circuit technologies. It consists of 20 chapters which are grouped under the following categories: general information, circuits and devices, materials, and characterization techniques. These chapters have been written by renowned experts in the respective fields making this book valuable to the integrated circuits and materials science communities. It is intended for a diverse readership including electrical engineers and material scientists in the industry and academic institutions. Readers will be able to familiarize themselves with the latest technologies in the various fields