Design and investigation of nanometric integrated circuits for all-digital frequency synthesisers

Disertacijoje nagrinėjami daugiajuosčių dažnio sintezatorių blokai, modeliai bei jų kūrimas taikant nanometrines integrinių grandynų technologijas. Iškeliama ir įrodoma hipotezė, kad taikant nanometrines technologijas visiškai skaitmeniniai dažnio sintezatoriai įgalina gauti parametrus, reikiamus daugiajuosčiams belai- džio ryšio siųstuvams-imtuvams. Darbo tikslas – sukurti visiškai skaitmeninio dažnio sintezatoriaus blokus, kuriuos naudojant galima pasiekti reikiamus sinte- zatoriaus, skirto daugiajuosčiams belaidžio ryšio siųstuvams-imtuvams, paramet- rus taikant nanometrines integrinių grandynų gamybos technologijas. Darbe išsp- ręsti tokie uždaviniai: ištirtos dažnio sintezatorių struktūros ir sukurta struktūra, tinkama įgyvendinti taikant nanometrines technologijas, sukurti ir ištirti siūlomos struktūros sintezatorių sudarančių blokų modeliai ir integriniai grandynai. Disertaciją sudaro įvadas, trys skyriai, bendrosios išvados, naudotos literatū- ros ir autoriaus publikacijų disertacijos tema sąrašai ir keturi priedai. Įvadiniame skyriuje aptariama tiriamoji problema, darbo aktualumas, aprašo- mas tyrimų objektas, formuluojamas darbo tikslas bei uždaviniai, aprašoma ty- rimų metodika, darbo mokslinis naujumas, darbo rezultatų praktinė reikšmė, gi- namieji teiginiai bei disertacijos struktūra. Pirmajame skyriuje apžvelgiamos dažnio sintezatorių rūšys, aprašomi pag- rindiniai dažnio sintezatorių parametrai ir dažniausiai naudojamos kokybės funk- cijos. Apžvelgiami dažnio sintezatorių modeliai ir jų veikimas fazės ir dažnio sri- tyse. Aprašomi visiškai skaitmeninio dažnio sintezatoriaus triukšmų šaltiniai. Skyriaus pabaigoje suformuluojami disertacijos uždaviniai. Antrajame skyriuje pasiūlyta ir taikoma nauja kokybės funkcija, leidžianti at- likti daugiajuosčių dažnio sintezatorių palyginamąją analizę. Iškeliami reikalavi- mai pagrindiniams sintezatoriaus blokams, nagrinėjami laikinio skaitmeninio kei- tiklio skiriamosios gebos didinimo būdai, sukurtas naujas laikinio skaitmeninio keitiklio modelis. Siūloma dažnio sintezatoriaus struktūra daugiajuosčiams siųs- tuvams-imtuvams. Trečiajame skyriuje pagal iškeltus reikalavimus daugiajuosčio dažnio sinte- zatoriaus blokams, taikant kompiuterinių skaičiavimų ir eksperimentinius meto- dus yra kuriami ir tiriami laikinio skaitmeninio keitiklio, skaitmeniniu būdu val- domo generatoriaus bei skaitmeninio filtro integriniai grandynai. Disertacijos tema yra atspausdinti 7 moksliniai straipsniai: 4 – mokslo žurna- luose, įtrauktuose į Clarivate Analytics Web of Science duomenų bazę, 1 – tarp- tautinių konferencijų medžiagoje, įtrauktoje į Clarivate Analytics Proceedings duomenų bazę, 2 – mokslo žurnaluose, referuojamuose kitose tarptautinėse duo- menų bazėse. Disertacijoje atliktų tyrimų rezultatai buvo paskelbti devyniose mokslinėse konferencijose Lietuvoje ir užsienyje

Time-based noise-shaping techniques for time-to-digital and analog-to-digital converters

In this dissertation, time-based signal processing techniques and their applications in oversampling and noise-shaping data converters are examined. These techniques demonstrate the ability to shift the burden of high performance analog circuits from the compressed voltage-domain to the augmented time-domain. First, the potential of high order noise-shaping and phase-domain feedback in time-to-digital converters (TDCs) is explored. A prototype phase reference, second-order continuous-time delta-sigma TDC for sensor applications was fabricated in 90nm CMOS and achieves 64 dB dynamic range in 1MHz signal bandwidth. Second, an ultra-high performance oscillator-based delta-sigma modulator architecture is investigated. The proposed circuit is a third-order continuous-time PLL-Based Delta-Sigma Modulator with simulated 77 dB SNDR in 40MHz signal bandwidth with OSR of 16, and is fabricated in 65nm CMOS

Time-Based Analog to Digital Converters.

Low-power, small analog-to-digital converters (ADCs) have numerous applications in areas ranging from power-aware wireless sensing nodes for environmental monitoring to biomedical monitoring devices in point-of-care (PoC) instruments. The work focuses on ultra-low-power, and highly integrated implementations of ADCs, in nanometer-scale complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) very large scale (VLSI) integrated circuit fabrication technologies. In particular, we explore time-based techniques for data conversion, which can potentially achieve significant reductions in power consumption while keeping silicon chip area small, compared to today’s state-of-the-art ADC architectures. Today, digital integrated circuits and digital signal processors (DSP) are taking advantage of technology scaling to achieve improvements power, speed, and cost. Meanwhile, as technology scaling reduces supply voltage and intrinsic transistor gain, analog circuit designers face disadvantages. With these disadvantages of technology scaling, two new broad trends have emerged in ADC research. The first trend is the emergence of digitally-assisted analog design, which emphasizes the relaxation of analog domain precision and the recovering accuracy (and performance) in the digital domain. This approach is a good match to the capabilities of fine line technology and helps to reduce power consumption. The second trend is the representation of signals, and the processing of signals, in the time domain. Technology scaling and its focus on high-performance digital systems offers better time resolution by reducing the gate delay. Therefore, if we represent a signal as a period of time, rather than as a voltage, we can take advantage of technology scaling, and potentially reduce power consumption and die area. This thesis focuses on pulse position modulation (PPM) ADCs, which incorporate time-domain processing and digitally assisted analog circuitry. This architecture reduces power consumption and area significantly, without sacrificing performance. The input signal is pulse position modulated and the analog information is carried in the form of timing intervals. Timing measurement accuracy presents a major challenge and we present various methods in which accuracy can be achieved using CMOS processes. This ‘digital’ approach is more power efficient compared with pure analog solutions, utilized for amplitude measurement of input signals.Ph.D.Electrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/64787/1/naraghi_1.pd

A Sub-Centimeter Ranging Precision LIDAR Sensor Prototype Based on ILO-TDC

This thesis introduces a high-resolution light detection and ranging (LIDAR) sensor system-on-a-chip (SoC) that performs sub-centimeter ranging precision and maximally 124-meter ranging distance. With off-chip connected avalanche photodiodes (APDs), the time-of-flight (ToF) are resolved through 31×1 time-correlated single photon counting (TCSPC) channels. Embedded time-to-digital converters (TDCs) support 52-ps time resolution and 14-bit dynamic range. A novel injection-locked oscillator (ILO) based TDC are proposed to minimize the power of fine TDC clock distribution, and improve time precision. The global PVT variation among ILO clock distribution is calibrated by an on-chip phase-looked-loop (PLL) that assures a reliable counting performance over wide operating range. The proposed LIDAR sensor is designed, fabricated, and tested in the 65nm CMOS technology. Whole SoC consumes 37mW and each TDC channel consumes 788μW at nominal operation. The proposed TDC design achieved single-shot precision of 38.5 ps, channel uniformity of 14 ps, and DNL/INL of 0.56/1.56 LSB, respectively. The performance of proposed ILO-TDC makes it an excellent candidate for global counting TCSPC in automotive LIDAR