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    Arrayable Voltage-Controlled Ring-Oscillator for Direct Time-of-Flight Image Sensors

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    Direct time-of-flight (d-ToF) estimation with high frame rate requires the incorporation of a time-to-digital converter (TDC) at pixel level. A feasible approach to a compact implementation of the TDC is to use the multiple phases of a voltage-controlled ring-oscillator (VCRO) for the finest bits. The VCRO becomes central in determining the performance parameters of a d-ToF image sensor. In this paper, we are covering the modeling, design, and measurement of a CMOS pseudo-differential VCRO. The oscillation frequency, the jitter due to mismatches and noise and the power consumption are analytically evaluated. This design has been incorporated into a 64x64-pixel array. It has been fabricated in a 0.18 mu m standard CMOS technology. Occupation area is 28x29 mu m(2) and power consumption is 1.17 mW at 850 MHz. The measured gain of the VCRO is of 477 MHz/V with a frequency tuning range of 53%. Moreover, it features a linearity of 99.4% over a wide range of control frequencies, namely, from 400 to 850 MHz. The phase noise is of -102 dBc/Hz at 2 MHz offset frequency from 850 MHz. The influence of these parameters in the performance of the TDC has been measured. The minimum time bin of the TDC is 147 ps with a rms DNL/INL of 0.13/1.7LSB.Office of Naval Research (USA) N000141410355Ministerio de Economía y Competitividad TEC2015-66878-C3-1-RJunta de Andalucía P12-TIC 233

    The Efficient Design of Time-to-Digital Converters

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    Techniques for Wideband All Digital Polar Transmission

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    abstract: Modern Communication systems are progressively moving towards all-digital transmitters (ADTs) due to their high efficiency and potentially large frequency range. While significant work has been done on individual blocks within the ADT, there are few to no full systems designs at this point in time. The goal of this work is to provide a set of multiple novel block architectures which will allow for greater cohesion between the various ADT blocks. Furthermore, the design of these architectures are expected to focus on the practicalities of system design, such as regulatory compliance, which here to date has largely been neglected by the academic community. Amongst these techniques are a novel upconverted phase modulation, polyphase harmonic cancellation, and process voltage and temperature (PVT) invariant Delta Sigma phase interpolation. It will be shown in this work that the implementation of the aforementioned architectures allows ADTs to be designed with state of the art size, power, and accuracy levels, all while maintaining PVT insensitivity. Due to the significant performance enhancement over previously published works, this work presents the first feasible ADT architecture suitable for widespread commercial deployment.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

    Time-to-digital converters and histogram builders in SPAD arrays for pulsed-LiDAR

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    Light Detection and Ranging (LiDAR) is a 3D imaging technique widely used in many applications such as augmented reality, automotive, machine vision, spacecraft navigation and landing. Pulsed-LiDAR is one of the most diffused LiDAR techniques which relies on the measurement of the round-trip travel time of an optical pulse back-scattered from a distant target. Besides the light source and the detector, Time-to-Digital Converters (TDCs) are fundamental components in pulsed-LiDAR systems, since they allow to measure the back-scattered photon arrival times and their performance directly impact on LiDAR system requirements (i.e., range, precision, and measurements rate). In this work, we present a review of recent TDC architectures suitable to be integrated in SPAD-based CMOS arrays and a review of data processing solutions to derive the TOF information. Furthermore, main TDC parameters and processing techniques are described and analyzed considering pulsed-LiDAR requirements

    Design and implementation of a downlink MC-CDMA receiver

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    Cette thèse présente une étude d'un système complet de transmission en liaison descendante utilisant la technologie multi-porteuse avec l'accès multiple par division de code (Multi-Carrier Code Division Multiple Access, MC-CDMA). L'étude inclut la synchronisation et l'estimation du canal pour un système MC-CDMA en liaison descendante ainsi que l'implémentation sur puce FPGA d'un récepteur MC-CDMA en liaison descendante en bande de base. Le MC-CDMA est une combinaison de la technique de multiplexage par fréquence orthogonale (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) et de l'accès multiple par répartition de code (CDMA), et ce dans le but d'intégrer les deux technologies. Le système MC-CDMA est conçu pour fonctionner à l'intérieur de la contrainte d'une bande de fréquence de 5 MHz pour les modèles de canaux intérieur/extérieur pédestre et véhiculaire tel que décrit par le "Third Genaration Partnership Project" (3GPP). La composante OFDM du système MC-CDMA a été simulée en utilisant le logiciel MATLAB dans le but d'obtenir des paramètres de base. Des codes orthogonaux à facteur d'étalement variable (OVSF) de longueur 8 ont été choisis comme codes d'étalement pour notre système MC-CDMA. Ceci permet de supporter des taux de transmission maximum jusquà 20.6 Mbps et 22.875 Mbps (données non codées, pleine charge de 8 utilisateurs) pour les canaux intérieur/extérieur pédestre et véhiculaire, respectivement. Une étude analytique des expressions de taux d'erreur binaire pour le MC-CDMA dans un canal multivoies de Rayleigh a été réalisée dans le but d'évaluer rapidement et de façon précise les performances. Des techniques d'estimation de canal basées sur les décisions antérieures ont été étudiées afin d'améliorer encore plus les performances de taux d'erreur binaire du système MC-CDMA en liaison descendante. L'estimateur de canal basé sur les décisions antérieures et utilisant le critère de l'erreur quadratique minimale linéaire avec une matrice' de corrélation du canal de taille 64 x 64 a été choisi comme étant un bon compromis entre la performance et la complexité pour une implementation sur puce FPGA. Une nouvelle séquence d'apprentissage a été conçue pour le récepteur dans la configuration intérieur/extérieur pédestre dans le but d'estimer de façon grossière le temps de synchronisation et le décalage fréquentiel fractionnaire de la porteuse dans le domaine du temps. Les estimations fines du temps de synchronisation et du décalage fréquentiel de la porteuse ont été effectués dans le domaine des fréquences à l'aide de sous-porteuses pilotes. Un récepteur en liaison descendante MC-CDMA complet pour le canal intérieur /extérieur pédestre avec les synchronisations en temps et en fréquence en boucle fermée a été simulé avant de procéder à l'implémentation matérielle. Le récepteur en liaison descendante en bande de base pour le canal intérieur/extérieur pédestre a été implémenté sur un système de développement fabriqué par la compagnie Nallatech et utilisant le circuit XtremeDSP de Xilinx. Un transmetteur compatible avec le système de réception a également été réalisé. Des tests fonctionnels du récepteur ont été effectués dans un environnement sans fil statique de laboratoire. Un environnement de test plus dynamique, incluant la mobilité du transmetteur, du récepteur ou des éléments dispersifs, aurait été souhaitable, mais n'a pu être réalisé étant donné les difficultés logistiques inhérentes. Les taux d'erreur binaire mesurés avec différents nombres d'usagers actifs et différentes modulations sont proches des simulations sur ordinateurs pour un canal avec bruit blanc gaussien additif

    Frequency Synthesizers and Oscillator Architectures Based on Multi-Order Harmonic Generation

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    Frequency synthesizers are essential components for modern wireless and wireline communication systems as they provide the local oscillator signal required to transmit and receive data at very high rates. They are also vital for computing devices and microcontrollers as they generate the clocks required to run all the digital circuitry responsible for the high speed computations. Data rates and clocking speeds are continuously increasing to accommodate for the ever growing demand on data and computational power. This places stringent requirements on the performance metrics of frequency synthesizers. They are required to run at higher speeds, cover a wide range of frequencies, provide a low jitter/phase noise output and consume minimum power and area. In this work, we present new techniques and architectures for implementing high speed frequency synthesizers which fulfill the aforementioned requirements. We propose a new architecture and design approach for the realization of wideband millimeter-wave frequency synthesizers. This architecture uses two-step multi-order harmonic generation of a low frequency phase-locked signal to generate wideband mm-wave frequencies. A prototype of the proposed system is designed and fabricated in 90nm Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) technology. Measurement results demonstrated that a very wide tuning range of 5 to 32 GHz can be achieved, which is costly to implement using conventional techniques. Moreover the power consumption per octave resembles that of state-of-the art reports. Next, we propose the N-Push cyclic coupled ring oscillator (CCRO) architecture to implement two high performance oscillators: (1) a wideband N-Push/M-Push CCRO operating from 3.16-12.8GHz implemented by two harmonic generation operations using the availability of different phases from the CCRO, and (2) a 13-25GHz millimeter-wave N-Push CCRO with a low phase noise performance of -118dBc/Hz at 10MHz. The proposed oscillators achieve low phase noise with higher FOM than state of the art work. Finally, we present some improvement techniques applied to the performance of phase locked loops (PLLs). We present an adaptive low pass filtering technique which can reduce the reference spur of integer-N charge-pump based PLLs by around 20dB while maintaining the settling time of the original PLL. Another PLL is presented, which features very low power consumption targeting the Medical Implantable Communication Standard. It operates at 402-405 MHz while consuming 600microW from a 1V supply
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