An Exploratory Study of Pulse Width and Delta Sigma Modulators

This paper explores the noise shaping and noise producing qualities of Delta-Sigma Modulators (DSM) and Pulse-Width Modulators (PWM). DSM has long been dominant in the Delta Sigma Analog-to-Digital Converter (DSADC) as a noise-shaped quantizer and time discretizer, while PWM, with a similar self oscillating structure, has seen use in Class D Power Amplifiers, performing a similar function. It has been shown that the PWM in Class D Amplifiers outperforms the DSM [1], but could this advantage be used in DSADC use-cases? LTSpice simulation and printed circuit board implementation and test are used to present data on four variations of these modulators: The DSM, PWM, the out-of-loop discretized PWM (OOLDP), and the cascaded modulator. A generic form of an Nth order loop filter is presented, where three orders of this generic topology are analyzed in simulation for each modulator, and two orders are used in physical testing

Voltage-to-Time Converter for High-Speed Time-Based Analog-to-Digital Converters

In modern complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technologies, the supply voltage scales faster than the threshold voltage (Vth) of the transistors in successive smaller nodes. Moreover, the intrinsic gain of the transistors diminishes as well. Consequently, these issues increase the difficulty of designing higher speed and larger resolution analog-to-digital converters (ADCs) employing voltage-domain ADC architectures. Nevertheless, smaller transistor dimensions in state-of-the-art CMOS technologies leads to reduced capacitance, resulting in lower gate delays. Therefore, it becomes beneficial to first convert an input voltage to a 'time signal' using a voltage-to-time converter (VTC), instead of directly converting it into a digital output. This 'time-signal' could then be converted to a digital output through a time-to-digital converter (TDC) for complete analog-to-digital conversion. However, the overall performance of such an ADC will still be limited to the performance level of the voltage-to-time conversion process. Hence, this thesis presents the design of a linear VTC for a high-speed time-based ADC in 28 nm CMOS process. The proposed VTC consists of a sample-and-hold (S/H) circuit, a ramp generator and a comparator to perform the conversion of the input signal from the voltage to the time domain. Larger linearity is attained by integrating a constant current (with high output impedance) over a capacitor, generating a linear ramp. The VTC operates at 256 MSPS consuming 1.3 mW from 1 V supply with a full-scale 1 V pk-pk differential input signal, while achieving a time-domain output signal with a spurious-free-dynamic-range (SFDR) of 77 dB and a signal-to-noise-and-distortion ratio (SNDR) of 56 dB at close to Nyquist frequency (f = 126.5 MHz). The proposed VTC attains an output range of 2.7 ns, which is the highest linear output range for a VTC at this speed, published to date

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

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

ダイナミック・アナログ回路を用いる高精度AD変換器の設計技術に関する研究

東京都市大学2018年度（平成30年

Integrated system for a high resolution MEMS accelerometer

Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Major Telecomunicações). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 201

A 1.8-pJ/b, 12.5-25-Gb/s wide range all-digital clock and data recovery circuit

Recently, there has been a strong drive to replace established analog circuits for multi-gigabit clock and data recovery (CDR) by more digital solutions. We focused on phase locked loop-based all-digital CDR (AD-CDR) techniques which contain a digital loop filter (DLF) and a digital controlled oscillator (DCO) and pushed the digital integration up to a level where our DLF is entirely synthesized. To enable this, we found that extensive subsampling can be used to decrease the speed of the DLF while maintaining a good operation. Additionally, an Inverse Alexander phase detector and a 5.5-bit resolution DCO complete the AD-CDR architecture. As a result of the low complexity and digital architecture, the AD-CDR occupies a compact active chip area of 0.050 mm(2) and consumes only 46 mW at 25 Gb/s. This is the smallest area and the lowest power consumption compared with the state-of-the-art. In addition, our implementation is highly tunable due to the synthesized logic, and supports a wide operating range (12.5-25 Gb/s), which is a significantly larger range compared with the previous work. Finally, thanks to our digital architecture, the power dissipation decreases linearly while moving to the lower speeds of our operating range. This is in contrast with the most prior work, making our design truly adaptive

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

High-speed Time-interleaved Digital-to-Analog Converter (TI-DAC) for Self-Interference Cancellation Applications

Nowadays, the need for higher data-rate is constantly growing to enhance the quality of the daily communication services. The full-duplex (FD) communication is exemplary method doubling the data-rate compared to half-duplex one. However, part of the strong output signal of the transmitter interferes to the receiver-side because they share the same antenna with limited attenuation and, as a result, the receiver’s performance is corrupted. Hence, it is critical to remove the leakage signal from the receiver’s path by designing another block called self-interference cancellation (SIC). The main goal of this dissertation is to develop the SIC block embedded in the current-mode FD receivers. To this end, the regenerated cancellation current signal is fed to the inputs of the base-band filter and after the mixer of a (direct-conversion) current-mode FD receiver. Since the pattern of the transmitter (the digital signal generated by DSP) is known, a high-speed digital-to-Analog converter (DAC) with medium-resolution can perfectly suppress main part of the leakage on the receiver path. A capacitive DAC (CDAC) is chosen among the available solutions because it is compatible with advanced CMOS technology for high-speed application and the medium-resolution designs. Although the main application of the design is to perform the cancellation, it can also be employed as a stand-alone DAC in the Analog (I/Q) transmitter. The SIC circuitry includes a trans-impedance amplifier (TIA), two DACs, high-speed digital circuits, and built-in-self-test section (BIST). According to the available specification for full-duplex communication system, the resolution and working frequency of the CDAC are calculated (designed) equal to 10-bit (3 binary+ 2 binary + 5 thermometric) and 1GHz, respectively. In order to relax the design of the TIA (settling time of the DAC), the CDAC implements using 2-way time-interleaved (TI) manner (the effective SIC frequency equals 2GHz) without using any calibration technique. The CDAC is also developed with the split-capacitor technique to lower the negative effects of the conventional binary-weighted DAC. By adding one extra capacitor on the left-side of the split-capacitor, LSB-side, the value of the split-capacitor can be chosen as an integer value of the unit capacitor. As a result, it largely enhances the linearity of the CADC and cancellation performance. If the block works as a stand-alone DAC with non-TI mode, the digital input code representing a Sinus waveform with an amplitude 1dB less than full-scale and output frequency around 10.74MHz, chosen by coherent sampling rule, then the ENOB, SINAD, SFDR, and output signal are 9.4-bit, 58.2 dB, 68.4dBc, and -9dBV. The simulated value of the |DNL| (static linearity) is also less than 0.7. The similar simulation was done in the SIC mode while the capacitive-array woks in the TI mode and cancellation current is set to the full-scale. Hence, the amount of cancelling the SI signal at the output of the TIA, SNDR, SFDR, SNDRequ. equals 51.3dB, 15.1 dB, 24dBc, 66.4 dB. The designed SIC cannot work as a closed-loop design. The layout was optimally drawn in order to minimize non-linearity, the power-consumption of the decoders, and reduce the complexity of the DAC. By distributing the thermometric cells across the array and using symmetrical switching scheme, the DAC is less subjected to the linear and gradient effect of the oxide. Based on the post-layout simulation results, the deviation of the design after drawing the layout is studied. To compare the results of the schematic and post-layout designs, the exact conditions of simulation above (schematic simulations) are used. When the block works as a stand-alone CDAC, the ENOB, SINAD, SFDR are 8.5-bit, 52.6 dB, 61.3 dBc. The simulated value of the |DNL| (static linearity) is also limited to 1.3. Likewise, the SI signal at the output of the TIA, SNDR, SFDR, SNDRequ. are equal to 44dB, 11.7 dB, 19 dBc, 55.7 dB