Una aproximación multinivel para el diseño sistemático de circuitos integrados de radiofrecuencia.

Tesis reducida por acuerdo de confidencialidad.En un mercado bien establecido como el de las telecomunicaciones, donde se está evolucionando hacia el 5G, se estima que hoy en día haya más de 2 Mil Millones de usuarios de Smartphones. Solo de por sí, este número es asombroso. Pero nada se compara a lo que va a pasar en un futuro muy próximo. El próximo boom tecnológico está directamente conectado con el mercado emergente del internet of things (IoT). Se estima que, en 2020, habrá 20 Mil Millones de dispositivos físicos conectados y comunicando entre sí, lo que equivale a 4 dispositivos físicos por cada persona del planeta. Debido a este boom tecnológico, van a surgir nuevas e interesantes oportunidades de inversión e investigación. De hecho, se estima que en 2020 se van a invertir cerca de 3 Mil Millones de dólares solo en este mercado, un 50% más que en 2017. Todos estos dispositivos IoT tienen que comunicarse inalámbricamente entre sí, algo en lo que los circuitos de radiofrecuencia (RF) son imprescindibles. El problema es que el diseño de circuitos RF en tecnologías nanométricas se está haciendo extraordinariamente difícil debido a su creciente complejidad. Este hecho, combinado con los críticos compromisos entre las prestaciones de estos circuitos, tales como el consumo de energía, el área de chip, la fiabilidad de los chips, etc., provocan una reducción en la productividad en su diseño, algo que supone un problema debido a las estrictas restricciones time-to-market de las empresas. Es posible concluir, por tanto, que uno de los ámbitos en los que es tremendamente importante centrarse hoy en día, es el desarrollo de nuevas metodologías de diseño de circuitos RF que permitan al diseñador obtener circuitos que cumplan con especificaciones muy exigentes en un tiempo razonable. Debido a las complejas relaciones entre prestaciones de los circuitos RF (por ejemplo, ruido de fase frente a consumo de potencia en un oscilador controlado por tensión), es fácil comprender que el diseño de circuitos RF es una tarea extremadamente complicada y debe ser soportada por herramientas de diseño asistido por ordenador (EDA). En un escenario ideal, los diseñadores tendrían una herramienta EDA que podría generar automáticamente un circuito integrado (IC), algo definido en la literatura como un compilador de silicio. Con esta herramienta ideal, el usuario sólo estipularía las especificaciones deseadas para su sistema y la herramienta generaría automáticamente el diseño del IC listo para fabricar (lo que se denomina diseño físico o layout). Sin embargo, para sistemas complejos tales como circuitos RF, dicha herramienta no existe. La tesis que se presenta, se centra exactamente en el desarrollo de nuevas metodologías de diseño capaces de mejorar el estado del arte y acortar la brecha de productividad existente en el diseño de circuitos RF. Por lo tanto, con el fin de establecer una nueva metodología de diseño para sistemas RF, se han de abordar distintos cuellos de botella del diseño RF con el fin de diseñar con éxito dichos circuitos. El diseño de circuitos RF ha seguido tradicionalmente una estrategia basada en ecuaciones analíticas derivadas específicamente para cada circuito y que exige una gran experiencia del diseñador. Esto significa que el diseñador plantea una estrategia para diseñar el circuito manualmente y, tras varias iteraciones, normalmente logra que el circuito cumpla con las especificaciones deseadas. No obstante, conseguir diseños con prestaciones óptimas puede ser muy difícil utilizando esta metodología, ya que el espacio de diseño (o búsqueda) es enorme (decenas de variables de diseño con cientos de combinaciones diferentes). Aunque el diseñador llegue a una solución que cumpla todas las especificaciones, nunca estará seguro de que el diseño al que ha llegado es el mejor (por ejemplo, el que consuma menos energía). Hoy en día, las técnicas basadas en optimización se están utilizando con el objetivo de ayudar al diseñador a encontrar automáticamente zonas óptimas de diseño. El uso de metodologías basadas en optimización intenta superar las limitaciones de metodologías previas mediante el uso de algoritmos que son capaces de realizar una amplia exploración del espacio de diseño para encontrar diseños de prestaciones óptimas. La filosofía de estas metodologías es que el diseñador elige las especificaciones del circuito, selecciona la topología y ejecuta una optimización que devuelve el valor de cada componente del circuito óptimo (por ejemplo, anchos y longitudes de los transistores) de forma automática. Además, mediante el uso de estos algoritmos, la exploración del espacio de diseño permite estudiar los distintos y complejos compromisos entre prestaciones de los circuitos de RF. Sin embargo, la problemática del diseño de RF es mucho más amplia que la selección del tamaño de cada componente. Con el objetivo de conseguir algo similar a un compilador de silicio para circuitos RF, la metodología desarrollada en la tesis, tiene que ser capaz de asegurar un diseño robusto que permita al diseñador tener éxito frente a medidas experimentales, y, además, las optimizaciones tienen que ser elaboradas en tiempos razonables para que se puedan cumplir las estrictas restricciones time-to-market de las empresas. Para conseguir esto, en esta tesis, hay cuatro aspectos clave que son abordados en la metodología: 1. Los inductores integrados todavía son un cuello de botella en circuitos RF. Los parásitos que aparecen a altas frecuencias hacen que las prestaciones de los inductores sean muy difíciles de modelar. Existe, por tanto, la necesidad de desarrollar nuevos modelos más precisos, pero también muy eficientes computacionalmente que puedan ser incluidos en metodologías que usen algoritmos de optimización. 2. Las variaciones de proceso son fenómenos que afectan mucho las tecnologías nanométricas, así que para obtener un diseño robusto es necesario tener en cuenta estas variaciones durante la optimización. 3. En las metodologías de diseño manual, los parásitos de layout normalmente no se tienen en cuenta en una primera fase de diseño. En ese sentido, cuando el diseñador pasa del diseño topológico al diseño físico, puede que su circuito deje de cumplir con las especificaciones. Estas consideraciones físicas del circuito deben ser tenidas en cuenta en las primeras etapas de diseño. Por lo tanto, con el fin de abordar este problema, la metodología desarrollada tiene que tener en cuenta los parásitos de la realización física desde una primera fase de optimización. 4. Una vez se ha desarrollado la capacidad de generar distintos circuitos RF de forma automática utilizando esta metodología (amplificadores de bajo ruido, osciladores controlados por tensión y mezcladores), en la tesis se aborda también la composición de un sistema RF con una aproximación multinivel, donde el proceso empieza por el diseño de los componentes pasivos y termina componiendo distintos circuitos, construyendo un sistema (por ejemplo, un receptor de radiofrecuencia). La tesis aborda los cuatro problemas descritos anteriormente con éxito, y ha avanzado considerablemente en el estado del arte de metodologías de diseño automáticas/sistemáticas para circuitos RF.Premio Extraordinario de Doctorado U

Towards Very Large Scale Analog (VLSA): Synthesizable Frequency Generation Circuits.

Driven by advancement in integrated circuit design and fabrication technologies, electronic systems have become ubiquitous. This has been enabled powerful digital design tools that continue to shrink the design cost, time-to-market, and the size of digital circuits. Similarly, the manufacturing cost has been constantly declining for the last four decades due to CMOS scaling. However, analog systems have struggled to keep up with the unprecedented scaling of digital circuits. Even today, the majority of the analog circuit blocks are custom designed, do not scale well, and require long design cycles. This thesis analyzes the factors responsible for the slow scaling of analog blocks, and presents a new design methodology that bridges the gap between traditional custom analog design and the modern digital design. The proposed methodology is utilized in implementation of the frequency generation circuits – traditionally considered analog systems. Prototypes covering two different applications were implemented. The first synthesized all-digital phase-locked loop was designed for 400-460 MHz MedRadio applications and was fabricated in a 65 nm CMOS process. The second prototype is an ultra-low power, near-threshold 187-500 kHz clock generator for energy harvesting/autonomous applications. Finally, a digitally-controlled oscillator frequency resolution enhancement technique is presented which allows reduction of quantization noise in ADPLLs without introducing spurs.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/109027/1/mufaisal_1.pd

Communication Subsystems for Emerging Wireless Technologies

The paper describes a multi-disciplinary design of modern communication systems. The design starts with the analysis of a system in order to define requirements on its individual components. The design exploits proper models of communication channels to adapt the systems to expected transmission conditions. Input filtering of signals both in the frequency domain and in the spatial domain is ensured by a properly designed antenna. Further signal processing (amplification and further filtering) is done by electronics circuits. Finally, signal processing techniques are applied to yield information about current properties of frequency spectrum and to distribute the transmission over free subcarrier channels

Programmable photonics : an opportunity for an accessible large-volume PIC ecosystem

We look at the opportunities presented by the new concepts of generic programmable photonic integrated circuits (PIC) to deploy photonics on a larger scale. Programmable PICs consist of waveguide meshes of tunable couplers and phase shifters that can be reconfigured in software to define diverse functions and arbitrary connectivity between the input and output ports. Off-the-shelf programmable PICs can dramatically shorten the development time and deployment costs of new photonic products, as they bypass the design-fabrication cycle of a custom PIC. These chips, which actually consist of an entire technology stack of photonics, electronics packaging and software, can potentially be manufactured cheaper and in larger volumes than application-specific PICs. We look into the technology requirements of these generic programmable PICs and discuss the economy of scale. Finally, we make a qualitative analysis of the possible application spaces where generic programmable PICs can play an enabling role, especially to companies who do not have an in-depth background in PIC technology

Digital-Based Analog Processing in Nanoscale CMOS ICs for IoT Applications

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Digital-based analog processing in nanoscale CMOS ICs for IoT applications

The Internet-of-Things (IoT) concept has been opening up a variety of applications, such as urban and environmental monitoring, smart health, surveillance, and home automation. Most of these IoT applications require more and more power/area efficient Complemen tary Metal–Oxide–Semiconductor (CMOS) systems and faster prototypes (lower time-to market), demanding special modifications in the current IoT design system bottleneck: the analog/RF interfaces. Specially after the 2000s, it is evident that there have been significant improvements in CMOS digital circuits when compared to analog building blocks. Digital circuits have been taking advantage of CMOS technology scaling in terms of speed, power consump tion, and cost, while the techniques running behind the analog signal processing are still lagging. To decrease this historical gap, there has been an increasing trend in finding alternative IC design strategies to implement typical analog functions exploiting Digital in-Concept Design Methodologies (DCDM). This idea of re-thinking analog functions in digital terms has shown that Analog ICs blocks can also avail of the feature-size shrinking and energy efficiency of new technologies. This thesis deals with the development of DCDM, demonstrating its compatibility for Ultra-Low-Voltage (ULV) and Power (ULP) IoT applications. This work proves this state ment through the proposing of new digital-based analog blocks, such as an Operational Transconductance Amplifiers (OTAs) and an ac-coupled Bio-signal Amplifier (BioAmp). As an initial contribution, for the first time, a silicon demonstration of an embryonic Digital-Based OTA (DB-OTA) published in 2013 is exhibited. The fabricated DB-OTA test chip occupies a compact area of 1,426 µm2 , operating at supply voltages (VDD) down to 300 mV, consuming only 590 pW while driving a capacitive load of 80pF. With a Total Harmonic Distortion (THD) lower than 5% for a 100mV input signal swing, its measured small-signal figure of merit (FOMS) and large-signal figure of merit (FOML) are 2,101 V −1 and 1,070, respectively. To the best of this thesis author’s knowledge, this measured power is the lowest reported to date in OTA literature, and its figures of merit are the best in sub-500mV OTAs reported to date. As the second step, mainly due to the robustness limitation of previous DB-OTA, a novel calibration-free digital-based topology is proposed, named here as Digital OTA (DIG OTA). A 180-nm DIGOTA test chip is also developed exhibiting an area below the 1000 µm2 wall, 2.4nW power under 150pF load, and a minimum VDD of 0.25 V. The proposed DIGOTA is more digital-like compared with DB-OTA since no pseudo-resistor is needed. As the last contribution, the previously proposed DIGOTA is then used as a building block to demonstrate the operation principle of power-efficient ULV and ultra-low area (ULA) fully-differential, digital-based Operational Transconductance Amplifier (OTA), suitable for microscale biosensing applications (BioDIGOTA) such as extreme low area Body Dust. Measured results in 180nm CMOS confirm that the proposed BioDIGOTA can work with a supply voltage down to 400 mV, consuming only 95 nW. The BioDIGOTA layout occupies only 0.022 mm2 of total silicon area, lowering the area by 3.22X times compared to the current state of the art while keeping reasonable system performance, such as 7.6 Noise Efficiency Factor (NEF) with 1.25 µVRMS input-referred noise over a 10 Hz bandwidth, 1.8% of THD, 62 dB of the common-mode rejection ratio (CMRR) and 55 dB of power supply rejection ratio (PSRR). After reviewing the current DCDM trend and all proposed silicon demonstrations, the thesis concludes that, despite the current analog design strategies involved during the analog block development

Circuit Design

Circuit Design = Science + Art! Designers need a skilled "gut feeling" about circuits and related analytical techniques, plus creativity, to solve all problems and to adhere to the specifications, the written and the unwritten ones. You must anticipate a large number of influences, like temperature effects, supply voltages changes, offset voltages, layout parasitics, and numerous kinds of technology variations to end up with a circuit that works. This is challenging for analog, custom-digital, mixed-signal or RF circuits, and often researching new design methods in relevant journals, conference proceedings and design tools unfortunately gives the impression that just a "wild bunch" of "advanced techniques" exist. On the other hand, state-of-the-art tools nowadays indeed offer a good cockpit to steer the design flow, which include clever statistical methods and optimization techniques.Actually, this almost presents a second breakthrough, like the introduction of circuit simulators 40 years ago! Users can now conveniently analyse all the problems (discover, quantify, verify), and even exploit them, for example for optimization purposes. Most designers are caught up on everyday problems, so we fit that "wild bunch" into a systematic approach for variation-aware design, a designer's field guide and more. That is where this book can help! Circuit Design: Anticipate, Analyze, Exploit Variations starts with best-practise manual methods and links them tightly to up-to-date automation algorithms. We provide many tractable examples and explain key techniques you have to know. We then enable you to select and setup suitable methods for each design task - knowing their prerequisites, advantages and, as too often overlooked, their limitations as well. The good thing with computers is that you yourself can often verify amazing things with little effort, and you can use software not only to your direct advantage in solving a specific problem, but also for becoming a better skilled, more experienced engineer. Unfortunately, EDA design environments are not good at all to learn about advanced numerics. So with this book we also provide two apps for learning about statistic and optimization directly with circuit-related examples, and in real-time so without the long simulation times. This helps to develop a healthy statistical gut feeling for circuit design. The book is written for engineers, students in engineering and CAD / methodology experts. Readers should have some background in standard design techniques like entering a design in a schematic capture and simulating it, and also know about major technology aspects