High-Bandwidth Voltage-Controlled Oscillator based architectures for Analog-to-Digital Conversion

The purpose of this thesis is the proposal and implementation of data conversion open-loop architectures based on voltage-controlled oscillators (VCOs) built with ring oscillators (RO-based ADCs), suitable for highly digital designs, scalable to the newest complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) nodes. The scaling of the design technologies into the nanometer range imposes the reduction of the supply voltage towards small and power-efficient architectures, leading to lower voltage overhead of the transistors. Additionally, phenomena like a lower intrinsic gain, inherent noise, and parasitic effects (mismatch between devices and PVT variations) make the design of classic structures for ADCs more challenging. In recent years, time-encoded A/D conversion has gained relevant popularity due to the possibility of being implemented with mostly digital structures. Within this trend, VCOs designed with ring oscillator based topologies have emerged as promising candidates for the conception of new digitization techniques. RO-based data converters show excellent scalability and sensitivity, apart from some other desirable properties, such as inherent quantization noise shaping and implicit anti-aliasing filtering. However, their nonlinearity and the limited time delay achievable in a simple NOT gate drastically limits the resolution of the converter, especially if we focus on wide-band A/D conversion. This thesis proposes new ways to alleviate these issues. Firstly, circuit-based techniques to compensate for the nonlinearity of the ring oscillator are proposed and compared to equivalent state-of-the-art solutions. The proposals are designed and simulated in a 65-nm CMOS node for open-loop RO-based ADC architectures. One of the techniques is also validated experimentally through a prototype. Secondly, new ways to artificially increase the effective oscillation frequency are introduced and validated by simulations. Finally, new approaches to shape the quantization noise and filter the output spectrum of a RO-based ADC are proposed theoretically. In particular, a quadrature RO-based band-pass ADC and a power-efficient Nyquist A/D converter are proposed and validated by simulations. All the techniques proposed in this work are especially devoted for highbandwidth applications, such as Internet-of-Things (IoT) nodes or maximally digital radio receivers. Nevertheless, their field of application is not restricted to them, and could be extended to others like biomedical instrumentation or sensing.El propósito de esta tesis doctoral es la propuesta y la implementación de arquitecturas de conversión de datos basadas en osciladores en anillos, compatibles con diseños mayoritariamente digitales, escalables en los procesos CMOS de fabricación más modernos donde las estructuras digitales se ven favorecidas. La miniaturización de las tecnologías CMOS de diseño lleva consigo la reducción de la tensión de alimentación para el desarrollo de arquitecturas pequeñas y eficientes en potencia. Esto reduce significativamente la disponibilidad de tensión para saturar transistores, lo que añadido a una ganancia cada vez menor de los mismos, ruido y efectos parásitos como el “mismatch” y las variaciones de proceso, tensión y temperatura han llevado a que sea cada vez más complejo el diseño de estructuras analógicas eficientes. Durante los últimos años la conversión A/D basada en codificación temporal ha ganado gran popularidad dado que permite la implementación de estructuras mayoritariamente digitales. Como parte de esta evolución, los osciladores controlados por tensión diseñados con topologías de oscilador en anillo han surgido como un candidato prometedor para la concepción de nuevas técnicas de digitalización. Los convertidores de datos basados en osciladores en anillo son extremadamente sensibles (variación de frecuencia con respecto a la señal de entrada) así como escalables, además de otras propiedades muy atractivas, como el conformado espectral de ruido de cuantificación y el filtrado “anti-aliasing”. Sin embargo, su respuesta no lineal y el limitado tiempo de retraso alcanzable por una compuerta NOT restringen la resolución del conversor, especialmente para conversión A/D en aplicaciones de elevado ancho de banda. Esta tesis doctoral propone nuevas técnicas para aliviar este tipo de problemas. En primer lugar, se proponen técnicas basadas en circuito para compensar el efecto de la no linealidad en los osciladores en anillo, y se comparan con soluciones equivalentes ya publicadas. Las propuestas se diseñan y simulan en tecnología CMOS de 65 nm para arquitecturas en lazo abierto. Una de estas técnicas presentadas es también validada experimentalmente a través de un prototipo. En segundo lugar, se introducen y validan por simulación varias formas de incrementar artificialmente la frecuencia de oscilación efectiva. Para finalizar, se proponen teóricamente dos enfoques para configurar nuevas formas de conformación del ruido de cuantificación y filtrado del espectro de salida de los datos digitales. En particular, son propuestos y validados por simulación un ADC pasobanda en cuadratura de fase y un ADC de Nyquist de gran eficiencia en potencia. Todas las técnicas propuestas en este trabajo están destinadas especialmente para aplicaciones de alto ancho de banda, tales como módulos para el Internet de las cosas o receptores de radiofrecuencia mayoritariamente digitales. A pesar de ello, son extrapolables también a otros campos como el de la instrumentación biomédica o el de la medición de señales mediante sensores.Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Juan Pablo Alegre Pérez.- Secretario: Celia López Ongil.- Vocal: Fernando Cardes Garcí

Resolution Enhancement of VCO-based ADCs by Passive Interpolation and Phase Injection

Proceeding of: 2019 XXXIV Conference on Design of Circuits and Integrated Systems (DCIS), 20-22 November 2019, Bilbao, SpainThis work describes a simple way to improve the resolution of low-pass voltage-controlled-oscillators based analog-to-digital converters (VCO-based ADCs) implemented with ring-oscillators. We propose to insert a passive resistive network into the differential delay cells of the oscillator to get additional interpolated phases. These interpolated phases are then injected to other similar oscillators. By increasing the number of phases coming from all the oscillators, the effective gain of the system is higher and enhances the resolution of the converter. To validate the idea, a prototype of an open-loop VCO-based ADC was built in VerilogA language with ring-oscillators designed with a 65-nm CMOS process. The results of transient simulations were compared to the results of a behavioral ideal model of the system built in MATLAB. As expected, the signal-to-noise ratio (SNR) was improved in concordance with the increase in the number of phases. Finally, it was checked that the proposed circuit used to extract and inject the interpolated phases did not penalize the total power consumption. The proposed circuit structure is particularly suitable for high-bandwidth applications, where the oversampling ratio (OSR) is strongly restricted and the gain is limited because of the oscillator non-linearity. Due to the highly digital nature of the VCO-based ADC structures, this solution may be of special interest to be implemented in new deep-submicron CMOS processes.This work was supported by the CICYT project TEC2017-82653-R, Spain.Publicad

Ring-oscillator with multiple transconductors for linear analog-to-digital conversion

This paper proposes a new circuit-based approach to mitigate nonlinearity in open-loop ring-oscillator-based analog-to-digital converters (ADCs). The approach consists of driving a current-controlled oscillator (CCO) with several transconductors connected in parallel with different bias conditions. The current injected into the oscillator can then be properly sized to linearize the oscillator, performing the inverse current-to-frequency function. To evaluate the approach, a circuit example has been designed in a 65-nm CMOS process, leading to a more than 3-ENOB enhancement in simulation for a high-swing differential input voltage signal of 800-mVpp, with considerable less complex design and lower power and expected area in comparison to state-of-the-art circuit based solutions. The architecture has also been checked against PVT and mismatch variations, proving to be highly robust, requiring only very simple calibration techniques. The solution is especially suitable for high-bandwidth (tens of MHz) medium-resolution applications (10–12 ENOBs), such as 5G or Internet-of-Things (IoT) devices.This research was funded by Project TEC2017-82653-R, Spain

Time-encoding analog-to-digital converters : bridging the analog gap to advanced digital CMOS? Part 2: architectures and circuits

The scaling of CMOS technology deep into the nanometer range has created challenges for the design of highperformance analog ICs: they remain large in area and power consumption in spite of process scaling. Analog circuits based on time encoding [1], [2], where the signal information is encoded in the waveform transitions instead of its amplitude, have been developed to overcome these issues. While part one of this overview article [3] presented the basic principles of time encoding, this follow-up article describes and compares the main time-encoding architectures for analog-to-digital converters (ADCs) and discusses the corresponding design challenges of the circuit blocks. The focus is on structures that avoid, as much as possible, the use of traditional analog blocks like operational amplifiers (opamps) or comparators but instead use digital circuitry, ring oscillators, flip-flops, counters, an so on. Our overview of the state of the art will show that these circuits can achieve excellent performance. The obvious benefit of this highly digital approach to realizing analog functionality is that the resulting circuits are small in area and more compatible with CMOS process scaling. The approach also allows for the easy integration of these analog functions in systems on chip operating at "digital" supply voltages as low as 1V and lower. A large part of the design process can also be embedded in a standard digital synthesis flow

A Highly Digital VCO-Based ADC With Lookup-Table-Based Background Calibration

CMOS technology scaling has enabled dramatic improvement for digital circuits both in terms of speed and power efficiency. However, most traditional analog-to-digital converter (ADC) architectures are challenged by ever-decreasing supply voltage. The improvement in time resolution enabled by increased digital speeds drives design towards time-domain architectures such as voltage-controlled-oscillator (VCO) based ADCs. The main challenge in VCO-based ADC design is mitigating the nonlinearity of VCO Voltage-to-frequency (V-to-f) characteristics. Achieving signal-to-noise ratio (SNR) performance better than 40dB requires some form of calibration, which can be realized by analog or digital techniques, or some combination. This dissertation proposes a highly digital, reconfigurable VCO-based ADC with lookup-table (LUT) based background calibration based on split ADC architecture. Each of the two split channels, ADC A and B , contains two VCOs in a differential configuration. This helps alleviate even-order distortions as well as increase the dynamic range. A digital controller on chip can reconfigure the ADCs\u27 sampling rates and resolutions to adapt to various application scenarios. Different types of input signals can be used to train the ADC’s LUT parameters through the simple, anti-aliasing continuous-time input to achieve target resolution. The chip is fabricated in a 180 nm CMOS process, and the active area of analog and digital circuits is 0.09 and 0.16mm^2, respectively. Power consumption of the core ADC function is 25 mW. Measured results for this prototype design with 12-b resolution show ENOB improves from uncorrected 5-b to 11.5-b with calibration time within 200 ms (780K conversions at 5 MSps sample rate)

Time-encoding analog-to-digital converters : bridging the analog gap to advanced digital CMOS : part 1: basic principles

The scaling of CMOS technology deep into the nanometer range has created challenges for the design of highperformance analog ICs. The shrinking supply voltage and presence of mismatch and noise restrain the dynamic range, causing analog circuits to be large in area and have a high power consumption in spite of the process scaling. Analog circuits based on time encoding [1], [2] and hybrid analog/digital signal processing [3] have been developed to overcome these issues. Realizing analog circuit functionality with highly digital circuits results in more scalable design solutions that can achieve excellent performance. This article reviews the basic principles of time encoding applied, in particular, to analog-to-digital converters (ADCs) based on voltage-controlled oscillators (VCOs), one of the most successful time-encoding techniques to date

Linearization of Time-encoded ADCs Architectures for Smart MEMS Sensors in Low Power CMOS Technology

Mención Internacional en el título de doctorIn the last few years, the development of mobile technologies and machine learning applications has increased the demand of MEMS-based digital microphones. Mobile devices have several microphones enabling noise canceling, acoustic beamforming and speech recognition. With the development of machine learning applications the interest to integrate sensors with neural networks has increased. This has driven the interest to develop digital microphones in nanometer CMOS nodes where the microphone analog-front end and digital processing, potentially including neural networks, is integrated on the same chip. Traditionally, analog-to-digital converters (ADCs) in digital microphones have been implemented using high order Sigma-Delta modulators. The most common technique to implement these high order Sigma-Selta modulators is switchedcapacitor CMOS circuits. Recently, to reduce power consumption and make them more suitable for tasks that require always-on operation, such as keyword recognition, switched-capacitor circuits have been improved using inverter-based operational amplifier integrators. Alternatively, switched-capacitor based Sigma- Delta modulators have been replaced by continuous time Sigma-Delta converters. Nevertheless, in both implementations the input signal is voltage encoded across the modulator, making the integration in smaller CMOS nodes more challenging due to the reduced voltage supply. An alternative technique consists on encoding the input signal on time (or frequency) instead of voltage. This is what time-encoded converters do. Lately, time-encoding converters have gained popularity as they are more suitable to nanometer CMOS nodes than Sigma-Delta converters. Among the ones that have drawn more interest we find voltage-controlled oscillator based ADCs (VCOADCs). VCO-ADCs can be implemented using CMOS inverter based ring oscillators (RO) and digital circuitry. They also show noise-shaping properties. This makes them a very interesting alternative for implementation of ADCs in nanometer CMOS nodes. Nevertheless, two main circuit impairments are present in VCO-ADCs, and both come from the oscillator non-idealities. The first of them is the oscillator phase noise, that reduces the resolution of the ADC. The second is the non-linear tuning curve of the oscillator, that results in harmonic distortion at medium to high input amplitudes. In this thesis we analyze the use of time encoding ADCs for MEMS microphones with special focus on ring oscillator based ADCs (RO-ADCs). Firstly, we study the use of a dual-slope based SAR noise shaped quantizer (SAR-NSQ) in sigma-delta loops. This quantizer adds and extra level of noise-shaping to the modulator, improving the resolution. The quantizer is explained, and equations for the noise transfer function (NTF) of a third order sigma-delta using a second order filter and the NSQ are presented. Secondly, we move our attention to the topic of RO-ADCs. We present a high dynamic range MEMS microphone 130nm CMOS chip based on an open-loop VCO-ADC. This dissertation shows the implementation of the analog front-end that includes the oscillator and the MEMS interface, with a focus on achieving low power consumption with low noise and a high dynamic range. The digital circuitry is left to be explained by the coauthor of the chip in his dissertation. The chip achieves a 80dBA peak SNDR and 108dB dynamic range with a THD of 1.5% at 128 dBSPL with a power consumption of 438μW. After that, we analyze the use of a frequency-dependent-resistor (FDR) to implement an unsampled feedback loop around the oscillator. The objective is to reduce distortion. Additionally phase noise mitigation is achieved. A first topology including an operational amplifier to increase the loop gain is analyzed. The design is silicon proven in a 130 nm CMOS chip that achieves a 84 dBA peak SNDR with an analog power consumption of 600μW. A second topology without the operational amplifier is also analyzed. Two chips are designed with this topology. The first chip in 130 nm CMOS is a full VCO-ADC including the frequencyto- digital converter (F2D). This chip achieves a peak SNDR of 76.6 dBA with a power consumption of 482μW. The second chip includes only the oscillator and is implemented in 55nm CMOS. The peak SNDR is 78.15 dBA and the analog power consumption is 153μW. To finish this thesis, two circuits that use an FDR with a ring oscillator are presented. The first is a capacity-to-digital converter (CDC). The second is a filter made with an FDR and an oscillator intended for voice activity detection tasks (VAD).En los últimos años, el desarrollo de las tecnologías móviles y las aplicaciones de machine-learning han aumentado la demanda de micrófonos digitales basados en MEMS. Los dipositivos móviles tienen varios micrófonos que permiten la cancelación de ruido, el beamforming o conformación de haces y el reconocimiento de voz. Con el desarrollo de aplicaciones de aprendizaje automático, el interés por integrar sensores con redes neuronales ha aumentado. Esto ha impulsado el interés por desarrollar micrófonos digitales en nodos CMOS nanométricos donde el front-end analógico y el procesamiento digital del micrófono, que puede incluir redes neuronales, está integrado en el mismo chip. Tradicionalmente, los convertidores analógicos-digitales (ADC) en micrófonos digitales han sido implementados utilizando moduladores Sigma-Delta de orden elevado. La técnica más común para implementar estos moduladores Sigma- Delta es el uso de circuitos CMOS de capacidades conmutadas. Recientemente, para reducir el consumo de potencia y hacerlos más adecuados para las tareas que requieren una operación continua, como el reconocimiento de palabras clave, los convertidores Sigma-Delta de capacidades conmutadas has sido mejorados con el uso de integradores implementados con amplificadores operacionales basados en inversores CMOS. Alternativamente, los Sigma-Delta de capacidades conmutadas han sido reemplazados por moduladores en tiempo continuo. No obstante, en ambas implementaciones, la señal de entrada es codificada en voltaje durante el proceso de conversión, lo que hace que la integración en nodos CMOS más pequeños sea complicada debido a la menor tensión de alimentación. Una técnica alternativa consiste en codificar la señal de entrada en tiempo (o frecuencia) en lugar de tensión. Esto es lo que hacen los convertidores de codificación temporal. Recientemente, los convertidores de codificación temporal han ganado popularidad ya que son más adecuados para nodos CMOS nanométricos que los convertidores Sigma-Delta. Entre los que más interés han despertado encontramos los ADCs basados en osciladores controlados por tensión (VCO-ADC). Los VCO-ADC se pueden implementar usando osciladores en anillo (RO) implementados con inversores CMOS y circuitos digitales. Esta familia de convertidores también tiene conformado de ruido. Esto los convierte en una alternativa muy interesante para la implementación de convertidores en nodos CMOS nanométricos. Sin embargo, dos problemas principales están presentes en este tipo de ADCs debidos ambos a las no idealidades del oscilador. El primero de los problemas es la presencia de ruido de fase en el oscilador, lo que reduce la resolución del ADC. El segundo es la curva de conversion voltaje-frecuencia no lineal del oscilador, lo que causa distorsión a amplitudes medias y altas. En esta tesis analizamos el uso de ADCs de codificación temporal para micrófonos MEMS, con especial interés en ADCS basados en osciladores de anillo (RO-ADC). En primer lugar, estudiamos el uso de un cuantificador SAR con conformado de ruido (SAR-NSQ) en moduladores Sigma-Delta. Este cuantificador agrega un orden adicional de conformado de ruido al modulador, mejorando la resolución. En este documento se explica el cuantificador y obtienen las ecuaciones para la función de transferencia de ruido (NTF) de un sigma-delta de tercer orden usando un filtro de segundo orden y el NSQ. En segundo lugar, dirigimos nuestra atención al tema de los RO-ADC. Presentamos el chip de un micrófono MEMS de alto rango dinámico en CMOS de 130 nm basado en un VCO-ADC de bucle abierto. En esta tesis se explica la implementación del front-end analógico que incluye el oscilador y la interfaz con el MEMS. Esta implementación se ha llevado a cabo con el objetivo de lograr un bajo consumo de potencia, un bajo nivel de ruido y un alto rango dinámico. La descripción del back-end digital se deja para la tesis del couator del chip. La SNDR de pico del chip es de 80dBA y el rango dinámico de 108dB con una THD de 1,5% a 128 dBSPL y un consumo de potencia de 438μW. Finalmente, se analiza el uso de una resistencia dependiente de frecuencia (FDR) para implementar un bucle de realimentación no muestreado alrededor del oscilador. El objetivo es reducir la distorsión. Además, también se logra la mitigación del ruido de fase del oscilador. Se analyza una primera topologia de realimentación incluyendo un amplificador operacional para incrementar la ganancia de bucle. Este diseño se prueba en silicio en un chip CMOS de 130nm que logra un pico de SNDR de 84 dBA con un consumo de potencia de 600μW en la parte analógica. Seguidamente, se analiza una segunda topología sin el amplificador operacional. Se fabrican y miden dos chips diseñados con esta topologia. El primero de ellos en CMOS de 130 nm es un VCO-ADC completo que incluye el convertidor de frecuencia a digital (F2D). Este chip alcanza un pico SNDR de 76,6 dBA con un consumo de potencia de 482μW. El segundo incluye solo el oscilador y está implementado en CMOS de 55nm. El pico SNDR es 78.15 dBA y el el consumo de potencia analógica es de 153μW. Para cerrar esta tesis, se presentan dos circuitos que usan la FDR con un oscilador en anillo. El primero es un convertidor de capacidad a digital (CDC). El segundo es un filtro realizado con una FDR y un oscilador, enfocado a tareas de detección de voz (VAD).Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Antonio Jesús Torralba Silgado.- Secretaria: María Luisa López Vallejo.- Vocal: Pieter Rombout

High-Speed and Energy-Efficient Ring-Oscillator for Analog-to-Digital Conversion

The aim of this conference is to offer the possibility to present and discuss new research results on the area of integrated circuits and systems and all its fields of application. A major emphasis has been given in the technical program to emerging topics such as electronic systems for artificial intelligence, reliability of circuits and devices, unconventional computing, smart sensors and other relevant topics. The conference on Design of Circuits and Integrated Systems (DCIS) is an international meeting for researchers in the highly active fields of micro- and nano-electronic circuits and integrated systems. It provides an excellent forum to present and discuss works on the emerging challenges offered by technology, in the areas of modeling, design, implementation and test of devices, circuits and systems. The 35th edition will be organized by Universidad Politécnica de Madrid

Oversampled analog-to-digital converter architectures based on pulse frequency modulation

Mención Internacional en el título de doctorThe purpose of this research work is providing new insights in the development of voltage-controlled oscillator based analog-to-digital converters (VCO-based ADCs). Time-encoding based ADCs have become of great interest to the designer community due to the possibility of implementing mostly digital circuits, which are well suited for current deep-submicron CMOS processes. Within this topic, VCO-based ADCs are one of the most promising candidates. VCO-based ADCs have typically been analyzed considering the output phase of the oscillator as a state variable, similar to the state variables considered in __ modulation loops. Although this assumption might take us to functional designs (as verified by literature), it does not take into account neither the oscillation parameters of the VCO nor the deterministic nature of quantization noise. To overcome this issue, we propose an interpretation of these type of systems based on the pulse frequency modulation (PFM) theory. This permits us to analytically calculate the quantization noise, in terms of the working parameters of the system. We also propose a linear model that applies to VCO-based systems. Thanks to it, we can determine the different error processes involved in the digitization of the input data, and the performance limitations which these processes direct to. A generic model for any order open-loop VCO-based ADCs is made based on the PFM theory. However, we will see that only the first-order case and a second order approximation can be implemented in practice. The PFM theory also allows us to propose novel approaches to both single-stage and multistage VCObased architectures. We describe open-loop architectures such as VCO-based architectures with digital precoding, PFM-based architectures that can be used as efficient ADCs or MASH architectures with optimal noise-transfer-function (NTF) zeros. We also make a first approach to the proposal and analysis of closed loop architectures. At the same time, we deal with one of the main limitations of VCOs (especially those built with ring oscillators), which is the non-linear voltage to- frequency relation. In this document, we describe two techniques mitigate this phenomenon. Firstly, we propose to use a pulse width modulator in front of the VCO. This way, there are only two possible oscillation states. Consequently, the oscillator works linearly. To validate the proposed technique, an experimental prototype was implemented in a 40-nm CMOS process. The chip showed noise problems that degraded the expected resolution, but allowed us to verify that the potential performance was close to the expected one. A potential signal-to-noise-distortion ratio (SNDR) equal to 56 dB was achieved in 20 MHz bandwidth, consuming 2.15 mW with an occupied area equal to 0.03 mm2. In comparison to other equivalent systems, the proposed architecture is simpler, while keeping similar power consumption and linearity properties. Secondly, we used a pulse frequency modulator to implement a second ADC. The proposed architecture is intrinsically linear and uses a digital delay line to increase the resolution of the converter. One experimental prototype was implemented in a 40-nm CMOS process using one of these architectures. Proper results were measured from this prototype. These results allowed us to verify that the PFM-based architecture could be used as an efficient ADC. The measured peak SNDR was equal to 53 dB in 20 MHz bandwidth, consuming 3.5 mW with an occupied area equal to 0.08 mm2. The architecture shows a great linearity, and in comparison to related work, it consumes less power and occupies similar area. In general, the theoretical analyses and the architectures proposed in the document are not restricted to any application. Nevertheless, in the case of the experimental chips, the specifications required for these converters were linked to communication applications (e.g. VDSL, VDSL2, or even G.fast), which means medium resolution (9-10 bits), high bandwidth (20 MHz), low power and low area.El propósito del trabajo presentado en este documento es aportar una nueva perspectiva para el diseño de convertidores analógico-digitales basados en osciladores controlados por tensión. Los convertidores analógico-digitales con codificación temporal han llamado la atención durante los últimos años de la comunidad de diseñadores debido a la posibilidad de implementarlos en su gran mayoría con circuitos digitales, los cuales son muy apropiados para los procesos de diseño manométricos. En este ámbito, los convertidores analógico-digitales basados en osciladores controlados por tensión son uno de los candidatos más prometedores. Los convertidores analógico-digitales basados en osciladores controlados por tensión han sido típicamente analizados considerando que la fase del oscilador es una variable de estado similar a las que se observan en los moduladores __. Aunque esta consideración puede llevarnos a diseños funcionales (como se puede apreciar en muchos artículos de la literatura), en ella no se tiene en cuenta ni los parámetros de oscilación ni la naturaleza determinística del ruido de cuantificación. Para solventar esta cuestión, en este documento se propone una interpretación alternativa de este tipo de sistemas haciendo uso de la teoría de la modulación por frecuencia de pulsos. Esto nos permite calcular de forma analítica las ecuaciones que modelan el ruido de cuantificación en función de los parámetros de oscilación. Se propone también un modelo lineal para el análisis de convertidores analógico-digitales basados en osciladores controlados por tensión. Este modelo permite determinar las diferentes fuentes de error que se producen durante el proceso de digitalización de los datos de entrada y las limitaciones que suponen. Un modelo genérico de convertidor de cualquier orden se propone con la ayuda de este modelo. Sin embargo, solo los casos de primer orden y una aproximación al caso de segundo orden se pueden implementar en la práctica. La teoría de la modulación por frecuencia de pulsos también permite nuevas perspectivas para la propuesta y el análisis tanto de arquitecturas de una sola etapa como de arquitecturas de varias etapas construidas con osciladores controlados por tensión. Se proponen y se describen arquitecturas en lazo abierto como son las basadas en osciladores controlador por tensión con moduladores digitales en la etapa de entrada, moduladores por frecuencia de pulsos que se utilizan como convertidores analógico-digitales eficientes o arquitecturas en cascada en las que se optimizan la distribución de los ceros en la función de transferencia del ruido. También se realiza una aproximación a la propuesta y el análisis de arquitecturas en lazo cerrado. Al mismo tiempo, se aborda una de las problemáticas más importantes de los osciladores controlados por tensión (especialmente en aquellos implementados mediante osciladores en anillo): la relación tensión-freculineal que presentan este tipo de circuitos. En el documento, se describen dos técnicas cuyo objetivo es mitigar esta limitación. La primera técnica de corrección se basa en el uso de un modulador por ancho de pulsos antes del oscilador controlado por tensión. De esta forma, solo existen dos estados de oscilación en el oscilador, se trabaja de forma lineal y no se genera distorsión en los datos de salida. La técnica se propone de forma teórica haciendo uso de la teoría desarrollada previamente. Para llevar a cabo la validación de la propuesta teórica se fabricó un prototipo experimental en un proceso CMOS de 40-nm. El chip mostró problemas de ruido que limitaban la resolución, sin embargo, nos permitió velicar que la resolución ideal que se podrá haber obtenido estaba muy cercana a la resolución esperada. Se obtuvo una potencial relación señal-(ruido-distorsión) igual a 56 dB en 20 MHz de ancho de banda, un consumo de 2.15 mW y un área igual a 0.03 mm2. En comparación con sistemas equivalentes, la arquitectura propuesta es más simple al mismo tiempo que se mantiene el consumo así como la linealidad. A continuación, se propone la implementación de un convertidor analógico digital mediante un modulador por frecuencia de pulsos. La arquitectura propuesta es intrínsecamente lineal y hace uso de una línea de retraso digital con el fin de mejorar la resolución del convertidor. Como parte del trabajo experimental, se fabricó otro chip en tecnología CMOS de 40 nm con dicha arquitectura, de la que se obtuvieron resultados notables. Estos resultados permitieron verificar que la arquitectura propuesta, en efecto, podrá emplearse como convertidor analógico-digital eficiente. La arquitectura consigue una relación real señal-(ruido-distorsión) igual a 53 dB en 20 MHz de ancho de banda, un consumo de 3.5 mW y un área igual a 0.08 mm2. Se obtiene una gran linealidad y, en comparación con arquitecturas equivalentes, el consumo es menor mientras que el área ocupada se mantiene similar. En general, las aportaciones propuestas en este documento se pueden aplicar a cualquier tipo de aplicación, independientemente de los requisitos de resolución, ancho de banda, consumo u área. Sin embargo, en el caso de los prototipos fabricados, las especificaciones se relacionan con el ámbito de las comunicaciones (VDSL, VDSL2, o incluso G.fast), en donde se requiere una resolución media (9-10 bits), alto ancho de banda (20 MHz), manteniendo bajo consumo y baja área ocupada.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Michael Peter Kennedy.- Secretario: Antonio Jesús López Martín.- Vocal: Jörg Hauptman

Enhanced circuit for linear ring VCO-ADCs

Recently an extremely linear voltage-controlled ring-oscillator for use in VCO-ADCs was proposed by Babaie-Fishani and Rombouts. In this current Letter, a circuit-level technique to improve the bandwidth and noise performance of such a linear VCO is proposed. The key element is the modified delay cell, where the traditional cross-coupled inverters are modified into ` feed-forward' coupling inverters that pre-charge the subsequent elements in the ring. The resulting circuit maintains the excellent linearity, but has greatly enhanced bandwidth (up to 3 times higher) and considerably reduced power for the same circuit noise level (up to 2.5 times lower)