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

Capture opportuniste d'énergie micro-onde pour l'autonomie des objets communicants

In recent years, the decrease of electronic components consumption has led to the development of wireless devices. An interesting application concerns Internet of Things (IoT) and Wireless Sensor Networks (WSNs). Sensors are used in various scenarios such as intelligent monitoring systems for office, home automation, medical or military applications. Today these sensors are powered by batteries. Despite significant progress, batteries still have a limited lifetime and their replacement is often complicated. This explains the motivation to find alternative ways to power these objects. A promising method consists in harvesting energy from the ambient environment of the sensor nodes. For instance, thermal gradients, mechanical vibrations, light or electromagnetic waves could serve such a purpose. This thesis has been funded by PRACOM and has been held in this context. The thesis aim is to contribute to the development of innovative solutions to design self-powered sensor networks particularly by exploiting the energy of Radio Frequency (RF) waves. These sensors are located in ambient environment, i.e. an environment for which the RF power densities are not controlled and generally low. First of all, different sources and energy harvesting techniques have been investigated. This study helps to position the RF energy harvesting to other systems such as the mechanical, thermal, chemical, photovoltaic energy. After having demonstrated the added value of harvesting energy over a wide frequency band, a statistical study has been conducted to evaluate the RF power density in urban environment and countryside. The sensor environment involves choices for the chosen architecture, such as the addition of an energy storage cell or the use of a dc-dc converter. Several multi-band RF harvesters have been designed and tested in various environments. They show the feasibility of powering small sensors. The issue of autonomous sensors worn by the person is also addressed. The study highlights how the presence of the human body has an impact on RF harvester performance. Several solutions are proposed such as the improvement of the impedance matching network or the use of a high impedance surface.Les réseaux de capteurs sans fil (WSN: Wireless Sensor Network), l'Internet des objets (IOT), profitent des progrès récents en terme de consommation énergétique pour concevoir des entités de contrôle intelligentes. Les batteries ou piles ont permis le développement de ces systèmes en les rendant autonomes. Néanmoins, cette méthode d'alimentation est inadaptée pour les applications modernes. Une solution alternative pour alimenter ces capteurs est d'utiliser l'énergie disponible dans leur environnement, comme par exemple les gradients thermiques, les vibrations mécaniques, ou encore les ondes lumineuses ou Radio-Fréquences. C'est dans ce contexte que s'est déroulé ce travail de thèse financé par PRACOM. Cette thèse propose de contribuer au developpement de solutions innovantes visant à rendre autonome en énergie un réseau de capteurs en exploitant notamment l'énergie des ondes Radio-Fréquences (RF). Ces capteurs sont placés en environnement ambiant, c'est-à-dire dans un environnement pour lequel les densités de puissances incidentes ne sont pas maîtrisées et sont généralement faibles. Tout d'abord différentes sources et techniques de récupération d'énergie ont été étudiées comme l'énergie mécanique, thermique, chimique et celle des ondes lumineuses et Radio-Fréquences. Cette étude a permis de positionner les systèmes de récupération d'énergie des ondes Radio Fréquences par rapport aux autres systèmes. Après avoir démontré l'intérêt de collecter l'énergie sur une large bande de fréquence, une étude statistique a été menée sur l'évaluation de la densité de puissance RF présente dans un environnement urbain et à la campagne. L'environnement du capteur implique des choix pour l'architecture choisie, comme par exemple l'ajout de cellule de stockage d'énergie ou encore l'utilisation d'un convertisseur dc-dc. Plusieurs récupérateurs d'énergie RF multibandes ont été conçus et testés dans divers environnements. Ceux-ci montrent la faisabilité d'alimenter des petits capteurs en extérieur. La problématique des capteurs autonomes en énergie portés par la personne est également abordée. Il s'agit de voir comment la présence du corps humain a un retentissement sur les performances du système de récupération d'énergie RF. Plusieurs solutions sont proposées comme l'amélioration du réseau d'adaptation d'impédances du récupérateur d'énergie RF, ou encore l'utilisation d'une surface à hautes impédances