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CMOS design of chaotic oscillators using state variables: a monolithic Chua's circuit
This paper presents design considerations for monolithic implementation of piecewise-linear (PWL) dynamic systems in CMOS technology. Starting from a review of available CMOS circuit primitives and their respective merits and drawbacks, the paper proposes a synthesis approach for PWL dynamic systems, based on state-variable methods, and identifies the associated analog operators. The GmC approach, combining quasi-linear VCCS's, PWL VCCS's, and capacitors is then explored regarding the implementation of these operators. CMOS basic building blocks for the realization of the quasi-linear VCCS's and PWL VCCS's are presented and applied to design a Chua's circuit IC. The influence of GmC parasitics on the performance of dynamic PWL systems is illustrated through this example. Measured chaotic attractors from a Chua's circuit prototype are given. The prototype has been fabricated in a 2.4- mu m double-poly n-well CMOS technology, and occupies 0.35 mm/sup 2/, with a power consumption of 1.6 mW for a +or-2.5-V symmetric supply. Measurements show bifurcation toward a double-scroll Chua's attractor by changing a bias current
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Variable domain transformation for linear PAC analysis of mixed-signal systems
This paper describes a method to perform linear AC analysis on mixed-signal systems which appear strongly nonlinear in the voltage domain but are linear in other variable domains. Common circuits like phase/delay-locked loops and duty-cycle correctors fall into this category, since they are designed to be linear with respect to phases, delays, and duty-cycles of the input and output clocks, respectively. The method uses variable domain translators to change the variables to which the AC perturbation is applied and from which the AC response is measured. By utilizing the efficient periodic AC (PAC) analysis available in commercial RF simulators, the circuit’s linear transfer function in the desired variable domain can be characterized without relying on extensive transient simulations. Furthermore, the variable domain translators enable the circuits to be macromodeled as weakly-nonlinear systems in the chosen domain and then converted to voltage-domain models, instead of being modeled as strongly-nonlinear systems directly
Communication Subsystems for Emerging Wireless Technologies
The paper describes a multi-disciplinary design of modern communication systems. The design starts with the analysis of a system in order to define requirements on its individual components. The design exploits proper models of communication channels to adapt the systems to expected transmission conditions. Input filtering of signals both in the frequency domain and in the spatial domain is ensured by a properly designed antenna. Further signal processing (amplification and further filtering) is done by electronics circuits. Finally, signal processing techniques are applied to yield information about current properties of frequency spectrum and to distribute the transmission over free subcarrier channels
Data acquisition techniques based on frequency-encoding applied to capacitive MEMS microphones
Mención Internacional en el título de doctorThis thesis focuses on the development of capacitive sensor readout circuits
and data converters based on frequency-encoding. This research
has been motivated by the needs of consumer electronics industry, which
constantly demands more compact readout circuit for MEMS microphones
and other sensors. Nowadays, data acquisition is mainly based
on encoding signals in voltage or current domains, which is becoming
more challenging in modern deep submicron CMOS technologies.
Frequency-encoding is an emerging signal processing technique based
on encoding signals in the frequency domain. The key advantage of
this approach is that systems can be implemented using mostly-digital
circuitry, which benefits from CMOS technology scaling. Frequencyencoding
can be used to build phase referenced integrators, which can
replace classical integrators (such as switched-capacitor based integrators)
in the implementation of efficient analog-to-digital converters and
sensor interfaces. The core of the phase referenced integrators studied in
this thesis consists of the combination of different oscillator topologies
with counters and highly-digital circuitry.
This work addresses two related problems: the development of capacitive
MEMS sensor readout circuits based on frequency-encoding, and the
design and implementation of compact oscillator-based data converters
for audio applications.
In the first problem, the target is the integration of the MEMS sensor
into an oscillator circuit, making the oscillation frequency dependent on
the sensor capacitance. This way, the sound can be digitized by measuring
the oscillation frequency, using digital circuitry. However, a MEMS
microphone is a complex structure on which several parasitic effects can
influence the operation of the oscillator. This work presents a feasibility
analysis of the integration of a MEMS microphone into different oscillator
topologies. The conclusion of this study is that the parasitics of the
MEMS limit the performance of the microphone, making it inefficient.
In contrast, replacing conventional ADCs with frequency-encoding based
ADCs has proven a very efficient solution, which motivates the next
problem.
In the second problem, the focus is on the development of high-order
oscillator-based Sigma-Delta modulators. Firstly, the equivalence between classical
integrators and phase referenced integrators has been studied, followed
by an overview of state-of-art oscillator-based converters. Then,
a procedure to replace classical integrators by phase referenced integrators
is presented, including a design example of a second-order oscillator based
Sigma-Delta modulator. Subsequently, the main circuit impairments that
limit the performance of this kind of implementations, such as phase
noise, jitter or metastability, are described.
This thesis also presents a methodology to evaluate the impact of
phase noise and distortion in oscillator-based systems. The proposed
method is based on periodic steady-state analysis, which allows the rapid
estimation of the system dynamic range without resorting to transient
simulations. In addition, a novel technique to analyze the impact of
clock jitter in Sigma-Delta modulators is described.
Two integrated circuits have been implemented in 0.13 μm CMOS
technology to demonstrate the feasibility of high-order oscillator-based Sigma-Delta modulators. Both chips have been designed to feature secondorder
noise shaping using only oscillators and digital circuitry. The first
testchip shows a malfunction in the digital circuitry due to the complexity
of the multi-bit counters. The second chip, implemented using
single-bit counters for simplicity, shows second-order noise shaping and
reaches 103 dB-A of dynamic range in the audio bandwidth, occupying
only 0.04 mm2.Esta tesis se centra en el desarrollo de conversores de datos e interfaces
para sensores capacitivos basados en codificación en frecuencia. Esta
investigación está motivada por las necesidades de la industria, que constantemente
demanda reducir el tamaño de este tipo de circuitos. Hoy en
día, la adquisición de datos está basada principalmente en la codificación
de señales en tensión o en corriente. Sin embargo, la implementación
de este tipo de soluciones en tecnologías CMOS nanométricas presenta
varias dificultades.
La codificación de frecuencia es una técnica emergente en el procesado
de señales basada en codificar señales en el dominio de la frecuencia.
La principal ventaja de esta alternativa es que los sistemas pueden implementarse
usando circuitos mayoritariamente digitales, los cuales se
benefician de los avances de la tecnología CMOS. La codificación en
frecuencia puede emplearse para construir integradores referidos a la
fase, que pueden reemplazar a los integradores clásicos (como los basados
en capacidades conmutadas) en la implementación de conversores
analógico-digital e interfaces de sensores. Los integradores referidos a la
fase estudiados en esta tesis consisten en la combinación de diferentes
topologías de osciladores con contadores y circuitos principalmente digitales.
Este trabajo aborda dos cuestiones relacionadas: el desarrollo de circuitos
de lectura para sensores MEMS capacitivos basados en codificación
temporal, y el diseño e implementación de conversores de datos
compactos para aplicaciones de audio basados en osciladores.
En el primer caso, el objetivo es la integración de un sensor MEMS
en un oscilador, haciendo que la frecuencia de oscilación depe capacidad del sensor. De esta forma, el sonido puede ser digitalizado
midiendo la frecuencia de oscilación, lo cual puede realizarse usando circuitos
en su mayor parte digitales. Sin embargo, un micrófono MEMS es
una estructura compleja en la que múltiples efectos parasíticos pueden
alterar el correcto funcionamiento del oscilador. Este trabajo presenta
un análisis de la viabilidad de integrar un micrófono MEMS en diferentes
topologías de oscilador. La conclusión de este estudio es que los parasíticos
del MEMS limitan el rendimiento del micrófono, causando que esta
solución no sea eficiente. En cambio, la implementación de conversores
analógico-digitales basados en codificación en frecuencia ha demostrado
ser una alternativa muy eficiente, lo cual motiva el estudio del siguiente
problema.
La segunda cuestión está centrada en el desarrollo de moduladores Sigma-Delta de alto orden basados en osciladores. En primer lugar se ha estudiado
la equivalencia entre los integradores clásicos y los integradores
referidos a la fase, seguido de una descripción de los conversores basados
en osciladores publicados en los últimos años. A continuación se
presenta un procedimiento para reemplazar integradores clásicos por integradores
referidos a la fase, incluyendo un ejemplo de diseño de un
modulador Sigma-Delta de segundo orden basado en osciladores. Posteriormente
se describen los principales problemas que limitan el rendimiento de este
tipo de sistemas, como el ruido de fase, el jitter o la metaestabilidad.
Esta tesis también presenta un nuevo método para evaluar el impacto
del ruido de fase y de la distorsión en sistemas basados en osciladores. El
método propuesto está basado en simulaciones PSS, las cuales permiten
la rápida estimación del rango dinámico del sistema sin necesidad de
recurrir a simulaciones temporales. Además, este trabajo describe una
nueva técnica para analizar el impacto del jitter de reloj en moduladores Sigma-Delta.
En esta tesis se han implementado dos circuitos integrados en tecnología
CMOS de 0.13 μm, con el fin de demostrar la viabilidad de los
moduladores Sigma-Delta de alto orden basados en osciladores. Ambos chips han
sido diseñados para producir conformación espectral de ruido de segundo
orden, usando únicamente osciladores y circuitos mayoritariamente digitales.
El primer chip ha mostrado un error en el funcionamiento de los
circuitos digitales debido a la complejidad de las estructuras multi-bit
utilizadas. El segundo chip, implementado usando contadores de un solo
bit con el fin de simplificar el sistema, consigue conformación espectral
de ruido de segundo orden y alcanza 103 dB-A de rango dinámico en el
ancho de banda del audio, ocupando solo 0.04 mm2.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Georges G.E. Gielen.- Secretario: José Manuel de la Rosa.- Vocal: Ana Rus
A Modular Programmable CMOS Analog Fuzzy Controller Chip
We present a highly modular fuzzy inference analog CMOS chip architecture with on-chip digital programmability. This chip consists of the interconnection of parameterized instances of two different kind of blocks, namely label blocks and rule blocks. The architecture realizes a lattice partition of the universe of discourse, which at the hardware level means that the fuzzy labels associated to every input (realized by the label blocks) are shared among the rule blocks. This reduces the area and power consumption and is the key point for chip modularity. The proposed architecture is demonstrated through a 16-rule two input CMOS 1-μm prototype which features an operation speed of 2.5 Mflips (2.5×10^6 fuzzy inferences per second) with 8.6 mW power consumption. Core area occupation of this prototype is of only 1.6 mm 2 including the digital control and memory circuitry used for programmability. Because of the architecture modularity the number of inputs and rules can be increased with any hardly design effort.This work was
supported in part by the Spanish C.I.C.Y.T under Contract TIC96-1392-C02-
02 (SIVA)
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
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