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Time-encoding analog-to-digital converters : bridging the analog gap to advanced digital CMOS? Part 2: architectures and circuits
The scaling of CMOS technology deep into the nanometer range has created challenges for the design of highperformance analog ICs: they remain large in area and power consumption in spite of process scaling. Analog circuits based on time encoding [1], [2], where the signal information is encoded in the waveform transitions instead of its amplitude, have been developed to overcome these issues. While part one of this overview article [3] presented the basic principles of time encoding, this follow-up article describes and compares the main time-encoding architectures for analog-to-digital converters (ADCs) and discusses the corresponding design challenges of the circuit blocks. The focus is on structures that avoid, as much as possible, the use of traditional analog blocks like operational amplifiers (opamps) or comparators but instead use digital circuitry, ring oscillators, flip-flops, counters, an so on. Our overview of the state of the art will show that these circuits can achieve excellent performance. The obvious benefit of this highly digital approach to realizing analog functionality is that the resulting circuits are small in area and more compatible with CMOS process scaling. The approach also allows for the easy integration of these analog functions in systems on chip operating at "digital" supply voltages as low as 1V and lower. A large part of the design process can also be embedded in a standard digital synthesis flow
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
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
New strategies for low noise, agile PLL frequency synthesis
Phase-Locked Loop based frequency synthesis is an essential technique employed in wireless communication systems for local oscillator generation. The ultimate goal in any design of frequency synthesisers is to generate precise and stable output frequencies with fast switching and minimal spurious and phase noise. The conflict between high resolution and fast switching leads to two separate integer synthesisers to satisfy critical system requirements.
This thesis concerns a new sigma-delta fractional-N synthesiser design which is able to be directly modulated at high data rates while simultaneously achieving good noise performance. Measured results from a prototype indicate that fast switching, low noise and spurious free spectra are achieved for most covered frequencies. The phase noise of the unmodulated synthesiser was measured −113 dBc/Hz at 100 kHz offset from the carrier.
The intermodulation effect in synthesisers is capable of producing a family of spurious components of identical form to fractional spurs caused in quantisation process. This effect directly introduces high spurs on some channels of the synthesiser output. Numerical and analytic results describing this effect are presented and amplitude and distribution of the resulting fractional spurs are predicted and validated against simulated and measured results. Finally an experimental arrangement, based on a phase compensation technique, is presented demonstrating significant suppression of intermodulation-borne spurs.
A new technique, pre-distortion noise shaping, is proposed to dramatically reduce the impact of fractional spurs in fractional-N synthesisers. The key innovation is the introduction in the bitstream generation process of carefully-chosen set of components at identical offset frequencies and amplitudes and in anti-phase with the principal fractional spurs. These signals are used to modify the Σ-Δ noise shaping, so that fractional spurs are effectively cancelled. This approach can be highly effective in improving spectral purity and reduction of spurious components caused by the Σ-Δ modulator, quantisation noise, intermodulation effects and any other circuit factors. The spur cancellation is achieved in the digital part of the synthesiser without introducing additional circuitry. This technique has been convincingly demonstrated by simulated and experimental results
Architectural Alternatives to Implement High-Performance Delta-Sigma Modulators
RÉSUMÉ Le besoin d’appareils portatifs, de téléphones intelligents et de systèmes microélectroniques implantables médicaux s’accroît remarquablement. Cependant, l’optimisation de l’alimentation de tous ces appareils électroniques portables est l’un des principaux défis en raison du manque de piles à grande capacité utilisées pour les alimenter. C’est un fait bien établi que le convertisseur analogique-numérique (CAN) est l’un des blocs les plus critiques de ces appareils et qu’il doit convertir efficacement les signaux analogiques au monde numérique pour effectuer un post-traitement tel que l’extraction de caractéristiques. Parmi les différents types de CAN, les modulateurs Delta Sigma (��M) ont été utilisés dans ces appareils en raison des fonctionnalités alléchantes qu’ils offrent. En raison du suréchantillonnage et pour éloigner le bruit de la bande d’intérêt, un CAN haute résolution peut être obtenu avec les architectures ��. Il offre également un compromis entre la fréquence d’échantillonnage et la résolution, tout en offrant une architecture programmable pour réaliser un CAN flexible. Ces CAN peuvent être implémentés avec des blocs analogiques de faible précision. De plus, ils peuvent être efficacement optimisés au niveau de l’architecture et circuits correspondants. Cette dernière caractéristique a été une motivation pour proposer différentes architectures au fil des ans. Cette thèse contribue à ce sujet en explorant de nouvelles architectures pour optimiser la structure ��M en termes de résolution, de consommation d’énergie et de surface de silicium. Des soucis particuliers doivent également être pris en compte pour faciliter la mise en œuvre du ��M. D’autre part, les nouveaux procédés CMOS de conception et fabrication apportent des améliorations remarquables en termes de vitesse, de taille et de consommation d’énergie lors de la mise en œuvre de circuits numériques. Une telle mise à l’échelle agressive des procédés, rend la conception de blocs analogiques tel que un amplificateur de transconductance opérationnel (OTA), difficile. Par conséquent, des soins spéciaux sont également pris en compte dans cette thèse pour surmonter les problèmes énumérés. Ayant mentionné ci-dessus que cette thèse est principalement composée de deux parties principales. La première concerne les nouvelles architectures implémentées en mode de tension et la seconde partie contient une nouvelle architecture réalisée en mode hybride tension et temps.----------ABSTRACT The need for hand-held devices, smart-phones and medical implantable microelectronic sys-tems, is remarkably growing up. However, keeping all these electronic devices power optimized is one of the main challenges due to the lack of long life-time batteries utilized to power them up. It is a well-established fact that analog-to-digital converter (ADC) is one of the most critical building blocks of such devices and it needs to efficiently convert analog signals to the digital world to perform post processing such as channelizing, feature extraction, etc. Among various type of ADCs, Delta Sigma Modulators (��Ms) have been widely used in those devices due to the tempting features they offer. In fact, due to oversampling and noise-shaping technique a high-resolution ADC can be achieved with �� architectures. It also offers a compromise between sampling frequency and resolution while providing a highly-programmable approach to realize an ADC. Moreover, such ADCs can be implemented with low-precision analog blocks. Last but not the least, they are capable of being effectively power optimized at both architectural and circuit levels. The latter has been a motivation to proposed different architectures over the years.This thesis contributes to this topic by exploring new architectures to effectively optimize the ��M structure in terms of resolution, power consumption and chip area. Special cares must also be taken into account to ease the implementation of the ��M. On the other hand, advanced node CMOS processes bring remarkable improvements in terms of speed, size and power consumption while implementing digital circuits. Such an aggressive process scaling, however, make the design of analog blocks, e.g. operational transconductance amplifiers (OTAs), cumbersome. Therefore, special cares are also taken into account in this thesis to overcome the mentioned issues. Having had above mentioned discussion, this thesis is mainly split in two main categories. First category addresses new architectures implemented in a pure voltage domain and the second category contains new architecture realized in a hybrid voltage and time domain. In doing so, the thesis first focuses on a switched-capacitor implementation of a ��M while presenting an architectural solution to overcome the limitations of the previous approaches. This limitations include a power hungry adder in a conventional feed-forward topology as well as power hungry OTAs
VCO-based sturdy MASH ADC architecture
A new multistage 1-1 ΔΣ analogue-to-digital converter (ADC) architecture implemented only with voltage-controlled oscillators (VCOs) is introduced. A sturdy multistage noise-shaping (SMASH) configuration is used to avoid the need of either calibration circuitry or noise-cancellation filters. The digital nature of the VCO's output simplifies the implementation of the interconnection paths between stages, making unnecessary neither the use of multibit digital-to-analogue converters nor analogue subtraction elements. The basic operation of the architecture is shown at system level and the sensitivity to VCO's frequency mismatch is analysed. The proposed architecture has been validated through behavioural simulations.This work was supported by the CICYT project TEC2014-56879-R, Spain
Ring-oscillator with multiple transconductors for linear analog-to-digital conversion
This paper proposes a new circuit-based approach to mitigate nonlinearity in open-loop ring-oscillator-based analog-to-digital converters (ADCs). The approach consists of driving a current-controlled oscillator (CCO) with several transconductors connected in parallel with different bias conditions. The current injected into the oscillator can then be properly sized to linearize the oscillator, performing the inverse current-to-frequency function. To evaluate the approach, a circuit example has been designed in a 65-nm CMOS process, leading to a more than 3-ENOB enhancement in simulation for a high-swing differential input voltage signal of 800-mVpp, with considerable less complex design and lower power and expected area in comparison to state-of-the-art circuit based solutions. The architecture has also been checked against PVT and mismatch variations, proving to be highly robust, requiring only very simple calibration techniques. The solution is especially suitable for high-bandwidth (tens of MHz) medium-resolution applications (10–12 ENOBs), such as 5G or Internet-of-Things (IoT) devices.This research was funded by Project TEC2017-82653-R, Spain
Re-thinking Analog Integrated Circuits in Digital Terms: A New Design Concept for the IoT Era
A steady trend towards the design of mostly-digital and digital-friendly analog circuits, suitable to integration in mainstream nanoscale CMOS by a highly automated design flow, has been observed in the last years to address the requirements of the emerging Internet of Things (IoT) applications. In this context, this tutorial brief presents an overview of concepts and design methodologies that emerged in the last decade, aimed to the implementation of analog circuits like Operational Transconductance Amplifiers, Voltage References and Data Converters by digital circuits. The current design challenges and application scenarios as well as the future perspectives and opportunities in the field of digital-based analog processing are finally discussed
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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