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Metodologia Per la Caratterizzazione di amplificatori a basso rumore per UMTS
In questo lavoro si presenta una metodologia di
progettazione elettronica a livello di sistema,
affrontando il problema della caratterizzazione dello spazio di progetto dell' amplificatore a basso rumore costituente il primo stadio di un front end a conversione diretta per UMTS realizzato in tecnologia CMOS con lunghezza di canale .18u. La metodologia è sviluppata al fine di valutare in modo quantititativo le specifiche ottime di sistema per il front-end stesso e si basa sul concetto di Piattaforma Analogica, che prevede la costruzione di un modello di prestazioni per il blocco analogico basato su
campionamento statistico di indici di prestazioni del blocco stesso, misurati tramite simulazione di dimensionamenti dei componenti attivi e passivi soddisfacenti un set di equazioni specifico della topologia circuitale. Gli indici di prestazioni vengono successivamente ulizzati per parametrizzare modelli comportamentali utilizzati nelle fasi di ottimizzazione a livello di sistema. Modelli comportamentali atti a rappresentare i sistemi RF sono stati pertanto studiati per ottimizzare la scelta delle metriche di prestazioni. L'ottimizzazione dei set di
equazioni atti a selezionare le configurazione di
interesse per il campionamento ha al tempo stesso richiesto l'approfondimento dei modelli di dispositivi attivi validi in tutte le regioni di funzionamento, e lo studio dettagliato della progettazione degli amplificatori a basso rumore basati su degenerazione induttiva. Inoltre,
il problema della modellizzazione a livello di sistema degli effetti della comunicazione tra LNA e Mixer è stato affrontato proponendo e analizzando diverse soluzioni. Il lavoro ha permesso di condurre un'ottimizzazione del front-end UMTS, giungendo a specifiche ottime a livello di sistema per l'amplificatore stesso
Design of adaptive analog filters for magnetic front-end read channels
Esta tese estuda o projecto e o comportamento de filtros em tempo contínuo de
muito-alta-frequência. A motivação deste trabalho foi a investigação de soluções de filtragem
para canais de leitura em sistemas de gravação e reprodução de dados em suporte
magnético, com custos e consumo (tamanho total inferior a 1 mm2 e consumo inferior a
1mW/polo), inferiores aos circuitos existentes. Nesse sentido, tal como foi feito neste
trabalho, o rápido desenvolvimento das tecnologias de microelectrónica suscitou esforços
muito significativos a nível mundial com o objectivo de se investigarem novas técnicas
de realização de filtros em circuito integrado monolítico, especialmente em tecnologia
CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Apresenta-se um estudo comparativo
a diversos níveis hierárquicos do projecto, que conduziu à realização e caracterização
de soluções com as características desejadas.
Num primeiro nível, este estudo aborda a questão conceptual da gravação e transmissão
de sinal bem como a escolha de bons modelos matemáticos para o tratamento da
informação e a minimização de erro inerente às aproximações na conformidade aos princípios
físicos dos dispositivos caracterizados.
O trabalho principal da tese é focado nos níveis hierárquicos da arquitectura do
canal de leitura e da realização em circuito integrado do seu bloco principal – o bloco de
filtragem. Ao nível da arquitectura do canal de leitura, apresenta-se um estudo alargado
sobre as metodologias existentes de adaptação de sinal e recuperação de dados em suporte
magnético. Este desígnio aparece no âmbito da proposta de uma solução de baixo custo,
baixo consumo, baixa tensão de alimentação e baixa complexidade, alicerçada em tecnologia
digital CMOS, para a realização de um sistema DFE (Decision Feedback Equalization)
com base na igualização de sinal utilizando filtros integrados analógicos em tempo
contínuo.
Ao nível do projecto de realização do bloco de filtragem e das técnicas de implementação
de filtros e dos seus blocos constituintes em circuito integrado, concluiu-se que
a técnica baseada em circuitos de transcondutância e condensadores, também conhecida como filtros gm-C (ou transcondutância-C), é a mais adequada para a realização de filtros
adaptativos em muito-alta-frequência. Definiram-se neste nível hierárquico mais baixo,
dois subníveis de aprofundamento do estudo no âmbito desta tese, nomeadamente: a pesquisa
e análise de estruturas ideais no projecto de filtros recorrendo a representações no
espaço de estados; e, o estudo de técnicas de realização em tecnologia digital CMOS de
circuitos de transcondutância para a implementação de filtros integrados analógicos em
tempo contínuo.
Na sequência deste estudo, apresentam-se e comparam-se duas estruturas de filtros
no espaço de estados, correspondentes a duas soluções alternativas para a realização de
um igualador adaptativo realizado por um filtro contínuo passa-tudo de terceira ordem,
para utilização num canal de leitura de dados em suporte magnético.
Como parte constituinte destes filtros, apresenta-se uma técnica de realização de
circuitos de transcondutância, e de realização de condensadores lineares usando matrizes
de transístores MOSFET para processamento de sinal em muito-alta-frequência realizada
em circuito integrado usando tecnologia digital CMOS submicrométrica. Apresentam-se
métodos de adaptação automática capazes de compensar os erros face aos valores nominais
dos componentes, devidos às tolerâncias inerentes ao processo de fabrico, para os
quais apresentamos os resultados de simulação e de medição experimental obtidos.
Na sequência deste estudo, resultou igualmente a apresentação de um circuito passível
de constituir uma solução para o controlo de posicionamento da cabeça de leitura
em sistemas de gravação/reprodução de dados em suporte magnético. O bloco proposto
é um filtro adaptativo de primeira ordem, com base nos mesmos circuitos de transcondutância
e técnicas de igualação propostos e utilizados na implementação do filtro adaptativo
de igualação do canal de leitura.
Este bloco de filtragem foi projectado e incluído num circuito integrado (Jaguar) de
controlo de posicionamento da cabeça de leitura realizado para a empresa ATMEL em
Colorado Springs, e incluído num produto comercial em parceria com uma empresa escocesa
utilizado em discos rígidos amovíveis.This thesis studies the design and behavior of continuous-time very-high-frequency
filters. The motivation of this work was the search for filtering solutions for the readchannel
in recording and reproduction of data on magnetic media systems, with costs and
consumption (total size less than 1 mm2 and consumption under 1mW/pole), lower than
the available circuits. Accordingly, as was done in this work, the rapid development of
microelectronics technology raised very significant efforts worldwide in order to investigate
new techniques for implementing such filters in monolithic integrated circuit, especially
in CMOS technology (Complementary Metal Oxide Semiconductor). We present
a comparative study on different hierarchical levels of the project, which led to the realization
and characterization of solutions with the desired characteristics.
In the first level, this study addresses the conceptual question of recording and
transmission of signal and the choice of good mathematical models for the processing of
information and minimization of error inherent in the approaches and in accordance with
the principles of the characterized physical devices.
The main work of this thesis is focused on the hierarchical levels of the architecture
of the read channel and the integrated circuit implementation of its main block - the filtering
block. At the architecture level of the read channel this work presents a comprehensive
study on existing methodologies of adaptation and signal recovery of data on
magnetic media. This project appears in the sequence of the proposed solution for a lowcost,
low consumption, low voltage, low complexity, using CMOS digital technology for
the performance of a DFE (Decision Feedback Equalization) based on the equalization of
the signal using integrated analog filters in continuous time.
At the project level of implementation of the filtering block and techniques for implementing
filters and its building components, it was concluded that the technique based
on transconductance circuits and capacitors, also known as gm-C filters is the most appropriate
for the implementation of very-high-frequency adaptive filters. We defined in
this lower level, two sub-levels of depth study for this thesis, namely: research and analysis
of optimal structures for the design of state-space filters, and the study of techniques for the design of transconductance cells in digital CMOS circuits for the implementation
of continuous time integrated analog filters.
Following this study, we present and compare two filtering structures operating in
the space of states, corresponding to two alternatives for achieving a realization of an
adaptive equalizer by the use of a continuous-time third order allpass filter, as part of a
read-channel for magnetic media devices.
As a constituent part of these filters, we present a technique for the realization of
transconductance circuits and for the implementation of linear capacitors using arrays of
MOSFET transistors for signal processing in very-high-frequency integrated circuits using
sub-micrometric CMOS technology. We present methods capable of automatic adjustment
and compensation for deviation errors in respect to the nominal values of the
components inherent to the tolerances of the fabrication process, for which we present
the simulation and experimental measurement results obtained.
Also as a result of this study, is the presentation of a circuit that provides a solution
for the control of the head positioning on recording/playback systems of data on magnetic
media. The proposed block is an adaptive first-order filter, based on the same transconductance
circuits and equalization techniques proposed and used in the implementation
of the adaptive filter for the equalization of the read channel.
This filter was designed and included in an integrated circuit (Jaguar) used to control
the positioning of the read-head done for ATMEL company in Colorado Springs, and
part of a commercial product used in removable hard drives fabricated in partnership with a Scottish company
POWER QUALITY CONTROL AND COMMON-MODE NOISE MITIGATION FOR INVERTERS IN ELECTRIC VEHICLES
Inverters are widely utilized in electric vehicle (EV) applications as a major voltage/current source for onboard battery chargers (OBC) and motor drive systems. The inverter performance is critical to the efficiency of EV system energy conversion and electronics system electro-magnetic interference (EMI) design. However, for AC systems, the bandwidth requirement is usually low compared with DC systems, and the control impact on the inverter differential-mode (DM) and common-mode (CM) performance are not well investigated. With the wide-band gap (WBG) device era, the switching capability of power electronics devices drastically improved. The DM/CM impact that was brought by the WBG device-based inverter becomes more serious and has not been completely understood.
This thesis provides an in-depth analysis of on-board inverter control strategies and the corresponding DM/CM impact on the EV system. The OBC inverter control under vehicle-to-load (V2L) mode will be documented first. A virtual resistance damping method minimizes the nonlinear load harmonics, and a neutral balancing method regulates the unbalanced load impact through the fourth leg. In the motor drive system, a generalized CM voltage analytical model and a current ripple prediction model are built for understanding the system CM and DM stress with respect to different modulation methods, covering both 2-level and 3-level topologies. A novel CM EMI damping modulation scheme is proposed for 6-phase inverter applications. The performance comparison between the proposed methods and the conventional solution is carried out. Each topic is supported by the corresponding hardware platform and experimental validation
Available Techniques for Magnetic Hard Disk Drive Read Channel Equalization
This paper presents an extensive, non-exhaustive, study of available hard disk drive read channel equalization techniques used in the storage and readback of magnetically stored information. The physical elements and basic principles of the storage processes are introduced together with the basic theoretical definitions and models. Both read and write processes in magnetic storage are explained along with the definition of simple key concepts such as user bit density, intersymbol interference, linear and areal density, read head pulse response models, and coding algorithm
Current-Mode Techniques for the Implementation of Continuous- and Discrete-Time Cellular Neural Networks
This paper presents a unified, comprehensive approach
to the design of continuous-time (CT) and discrete-time
(DT) cellular neural networks (CNN) using CMOS current-mode
analog techniques. The net input signals are currents instead
of voltages as presented in previous approaches, thus avoiding
the need for current-to-voltage dedicated interfaces in image
processing tasks with photosensor devices. Outputs may be either
currents or voltages. Cell design relies on exploitation of current
mirror properties for the efficient implementation of both linear
and nonlinear analog operators. These cells are simpler and
easier to design than those found in previously reported CT
and DT-CNN devices. Basic design issues are covered, together
with discussions on the influence of nonidealities and advanced
circuit design issues as well as design for manufacturability
considerations associated with statistical analysis. Three prototypes
have been designed for l.6-pm n-well CMOS technologies.
One is discrete-time and can be reconfigured via local logic for
noise removal, feature extraction (borders and edges), shadow
detection, hole filling, and connected component detection (CCD)
on a rectangular grid with unity neighborhood radius. The other
two prototypes are continuous-time and fixed template: one for
CCD and other for noise removal. Experimental results are given
illustrating performance of these prototypes
An Ultra-Low-Power Track-and-Hold Amplifier
The future of electronics is the Internet of Things (IoT) paradigm, where always-on devices and sensors monitor and transform everyday life. A plethora of applications (such as navigating drivers past road hazards or monitoring bridge and building stresses) employ this technology. These unattended ground-sensor applications require decade(s)-long operational life-times without battery changes. Such electronics demand stringent performance specifications with only nano-Watt power levels.This thesis presents an ultra-low-power track-and-hold amplifier for such systems. It serves as the front-end of a SAR-ADC or the building block for equalizers or filters. This amplifier\u27s design attains exceptional hold times by mitigating switch subthreshold leakage and bulk leakage. Its novel transmission-gate topology achieves wide-swing performance. Though only consuming 100 pico-Watts, it achieves a precision of 7.6 effective number of bits (ENOB). The track-and-hold amplifier was designed in 130-nm CMOS
DC Treasure Box
An all in one DC resource would enable electronics students to prototype circuits for labs and projects without the need for the lab equipment present on campus. The labs on campus can be physically far, closed, or overcrowded, preventing students from accessing the equipment. Roughly 75% of upper division electrical engineering students do not own power supplies, with even fewer students owning a source measurement unit (SMU). There is a significant need for a product capable of providing standard lab equipment functionality. The functionally this project provides are positive and negative DC power supplies, 4-Quadrant SMU, analog inputs and outputs, digital inputs and outputs, and other multimeter like functionality. This functionality capable of acting autonomously allowing for fast measurement sweeps. These measurement sweeps can be used for the characterization of circuits or components. Characterization and validation of circuits can save lab time and aid in debugging
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