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

Design, analysis and evaluation of sigma-delta based beamformers for medical ultrasound imaging applications

The inherent analogue nature of medical ultrasound signals in conjunction with the abundant merits provided by digital image acquisition, together with the increasing use of relatively simple front-end circuitries, have created considerable demand for single-bit beamformers in digital ultrasound imaging systems. Furthermore, the increasing need to design lightweight ultrasound systems with low power consumption and low noise, provide ample justification for development and innovation in the use of single-bit beamformers in ultrasound imaging systems. The overall aim of this research program is to investigate, establish, develop and confirm through a combination of theoretical analysis and detailed simulations, that utilize raw phantom data sets, suitable techniques for the design of simple-to-implement hardware efficient digital ultrasound beamformers to address the requirements for 3D scanners with large channel counts, as well as portable and lightweight ultrasound scanners for point-of-care applications and intravascular imaging systems. In addition, the stability boundaries of higher-order High-Pass (HP) and Band-Pass (BP) Σ−Δ modulators for single- and dual- sinusoidal inputs are determined using quasi-linear modeling together with the describing-function method, to more accurately model the modulator quantizer. The theoretical results are shown to be in good agreement with the simulation results for a variety of input amplitudes, bandwidths, and modulator orders. The proposed mathematical models of the quantizer will immensely help speed up the design of higher order HP and BP Σ−Δ modulators to be applicable for digital ultrasound beamformers. Finally, a user friendly design and performance evaluation tool for LP, BP and HP modulators is developed. This toolbox, which uses various design methodologies and covers an assortment of modulators topologies, is intended to accelerate the design process and evaluation of modulators. This design tool is further developed to enable the design, analysis and evaluation of beamformer structures including the noise analyses of the final B-scan images. Thus, this tool will allow researchers and practitioners to design and verify different reconstruction filters and analyze the results directly on the B-scan ultrasound images thereby saving considerable time and effort

Contribution to the design of continuous -time Sigma - Delta Modulators based on time delay elements

The research carried out in this thesis is focused in the development of a new class of data converters for digital radio. There are two main architectures for communication receivers which perform a digital demodulation. One of them is based on analog demodulation to the base band and digitization of the I/Q components. Another option is to digitize the band pass signal at the output of the IF stage using a bandpass Sigma-Delta modulator. Bandpass Sigma- Delta modulators can be implemented with discrete-time circuits, using switched capacitors or continuous-time circuits. The main innovation introduced in this work is the use of passive transmission lines in the loop filter of a bandpass continuous-time Sigma-Delta modulator instead of the conventional solution with gm-C or LC resonators. As long as transmission lines are used as replacement of a LC resonator in RF technology, it seems compelling that transmission lines could improve bandpass continuous-time Sigma-Delta modulators. The analysis of a Sigma- Delta modulator using distributed resonators has led to a completely new family of Sigma- Delta modulators which possess properties inherited both from continuous-time and discretetime Sigma-Delta modulators. In this thesis we present the basic theory and the practical design trade-offs of this new family of Sigma-Delta modulators. Three demonstration chips have been implemented to validate the theoretical developments. The first two are a proof of concept of the application of transmission lines to build lowpass and bandpass modulators. The third chip summarizes all the contributions of the thesis. It consists of a transmission line Sigma-Delta modulator which combines subsampling techniques, a mismatch insensitive circuitry and a quadrature architecture to implement the IF to digital stage of a receiver

Integrated temperature sensors in deep sub-micron CMOS technologies

textIntegrated temperature sensors play an important role in enhancing the performance of on-chip power and thermal management systems in today's highly-integrated system-on-chip (SoC) platforms, such as microprocessors. Accurate on-chip temperature measurement is essential to maximize the performance and reliability of these SoCs. However, due to non-uniform power consumption by different functional blocks, microprocessors have fairly large thermal gradient (and variation) across their chips. In the case of multi-core microprocessors for example, there are task-specific thermal gradients across different cores on the same die. As a result, multiple temperature sensors are needed to measure the temperature profile at all relevant coordinates of the chip. Subsequently, the results of the temperature measurements are used to take corrective measures to enhance the performance, or save the SoC from catastrophic over-heating situations which can cause permanent damage. Furthermore, in a large multi-core microprocessor, it is also imperative to continuously monitor potential hot-spots that are prone to thermal runaway. The locations of such hot spots depend on the operations and instruction the processor carries out at a given time. Due to practical limitations, it is an overkill to place a big size temperature sensor nearest to all possible hot spots. Thus, an ideal on-chip temperature sensor should have minimal area so that it can be placed non-invasively across the chip without drastically changing the chip floor plan. In addition, the power consumption of the sensors should be very low to reduce the power budget overhead of thermal monitoring system, and to minimize measurement inaccuracies due to self-heating. The objective of this research is to design an ultra-small size and ultra-low power temperature sensor such that it can be placed in the intimate proximity of all possible hot spots across the chip. The general idea is to use the leakage current of a reverse-bias p-n junction diode as an operand for temperature sensing. The tasks within this project are to examine the theoretical aspect of such sensors in both Silicon-On-Insulator (SOI), and bulk Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) technologies, implement them in deep sub-micron technologies, and ultimately evaluate their performances, and compare them to existing solutions.Electrical and Computer Engineerin

Arquiteturas paralelas avançadas para transmissores 5G totalmente digitais

The fifth generation of mobile communications (5G) is being prepared and should be rolled out in the early coming years. Massive number of Radio-Frequency (RF) front-ends, peak data rates of 10 Gbps (everywhere and everytime), latencies lower than 10 msec and huge device densities are some of the expected disruptive capabilities. At the same time, previous generations can not be jeopardized, fostering the design of novel flexible and highly integrated radio transceivers able to support the simultaneous transmission of multi-band and multi-standard signals. The concept of all-digital transmission is being pointed out as a promising architecture to cope with such challenging requirements, due to its fully digital radio datapath. This thesis is focused on the proposal and validation of fully integrated and advanced digital transmitter architectures that excel the state-of-the-art in different figures of merit, such as transmission bandwidth, spectral purity, carrier agility, flexibility, and multi-band capability. The first part of this thesis introduces the concept of all-digital RF transmission. In particular, the foundations inherent to this thematic line are given, together with the recent advances reported in the state-of-the-art architectures.The core of this thesis, containing the main developments achieved during the Ph.D. work, is then presented and discussed. The first key contribution to the state-of-the-art is the use of cascaded Delta-Sigma (∆Σ) architectures to relax the analog filtering requirements of the conventional All-Digital Transmitters while maintaining the constant envelope waveform. Then, it is presented the first reported architecture where Antenna Arrays are directly driven by single-chip and single-bit All-Digital Transmitters, with promising results in terms of simplification of the RF front-ends and overall flexibility. Subsequently, the thesis proposes the first reported RF-stage All-Digital Transmitter that can be embedded within a single Field-Programmable Gate Array (FPGA) device. Thereupon, novel techniques to enable the design of wideband All-Digital Transmitters are reported. Finally, the design of concurrent multi-band transmitters is introduced. In particular, the design of agile and flexible dual and triple bands All-DigitalTransmitter (ADT) is demonstrated, which is a very important topic for scenarios that demand carrier aggregation. This Ph.D. contributes withseveral advances to the state-of-the-art of RF all-digital transmitters.A quinta geração de comunicações móveis (5G) está a ser preparada e deve ser comercializada nos próximos anos. Algumas das caracterı́sticas inovadoras esperadas passam pelo uso de um número massivo de font-ends de Rádio-Frequência (RF), taxas de pico de transmissão de dados de 10 Gbps (em todos os lugares e em todas as ocasiões), latências inferiores a 10 mseg e elevadas densidades de dispositivos. Ao mesmo tempo, as gerações anteriores não podem ser ignoradas, fomentando o design de novos transceptores de rádio flexı́veis e altamente integrados, capazes de suportar a transmissão simultânea de sinais multi-banda e multi-standard. O conceito de transmissão totalmente digital é considerado como um tipo de arquitetura promissora para lidar com esses requisitos desafiantes, devido ao seu datapath de rádio totalmente digital. Esta tese é focada na proposta e validação de arquiteturas de transmissores digitais totalmente integradas e avançadas que ultrapassam o estado da arte em diferentes figuras de mérito, como largura de banda de transmissão, pureza espectral, agilidade de portadora, flexibilidade e capacidade multibanda. A primeira parte desta tese introduz o conceito de transmissores de RF totalmente digitais. Em particular, os fundamentos inerentes a esta linha temática são apresentados, juntamente com os avanços mais recentes do estado-da-arte. O núcleo desta tese, contendo os principais desenvolvimentos alcançados durante o trabalho de doutoramento, é então apresentado e discutido. A primeira contribuição fundamental para o estado da arte é o uso de arquiteturas em cascata com moduladores ∆Σ para relaxar os requisitos de filtragem analógica dos transmissores RF totalmente digitais convencionais, mantendo a forma de onda envolvente constante. Em seguida, é apresentada a primeira arquitetura em que agregados de antenas são excitados diretamente por transmissores digitais de um único bit inseridos num único chip, com resultados promissores em termos de simplificação dos front-ends de RF e flexibilidade em geral. Posteriormente, é proposto o primeiro transmissor totalmente digital RF-stage relatado que pode ser incorporado dentro de um único Agregado de Células Lógicas Programáveis. Novas técnicas para permitir o desenho de transmissores RF totalmente digitais de banda larga são também apresentadas. Finalmente, o desenho de transmissores simultâneos de múltiplas bandas é exposto. Em particular, é demonstrado o desenho de transmissores de duas e três bandas ágeis e flexı́veis, que é um tópico essencial para cenários que exigem agregação de múltiplas bandas.Apoio financeiro da Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) no âmbito de uma bolsa de doutoramento, ref. PD/BD/105857/2014.Programa Doutoral em Telecomunicaçõe

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

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