A CAD-oriented modeling approach of frequency-dependent behavior of substrate noise coupling for mixed-signal IC design

A simple, efficient CAD-oriented equivalent circuit modeling approach of frequency-dependent behavior of substrate noise coupling is presented. It is shown that the substrate exhibits significant frequency-dependent characteristics for high frequency applications using epitaxial layers on a highly doped substrate. Using the proposed modeling approach, circuit topographies consisting of only ideal lumped circuit elements can be synthesized to accurately represent the frequency response using y-parameters. The proposed model is well-suited for use in standard circuit simulators. The extracted model is shown to be in good agreement with rigorous 3D device simulation results. 1

CMOS design of chaotic oscillators using state variables: a monolithic Chua's circuit

This paper presents design considerations for monolithic implementation of piecewise-linear (PWL) dynamic systems in CMOS technology. Starting from a review of available CMOS circuit primitives and their respective merits and drawbacks, the paper proposes a synthesis approach for PWL dynamic systems, based on state-variable methods, and identifies the associated analog operators. The GmC approach, combining quasi-linear VCCS's, PWL VCCS's, and capacitors is then explored regarding the implementation of these operators. CMOS basic building blocks for the realization of the quasi-linear VCCS's and PWL VCCS's are presented and applied to design a Chua's circuit IC. The influence of GmC parasitics on the performance of dynamic PWL systems is illustrated through this example. Measured chaotic attractors from a Chua's circuit prototype are given. The prototype has been fabricated in a 2.4- mu m double-poly n-well CMOS technology, and occupies 0.35 mm/sup 2/, with a power consumption of 1.6 mW for a +or-2.5-V symmetric supply. Measurements show bifurcation toward a double-scroll Chua's attractor by changing a bias current

HIGH FREQUENCY COMMON-MODE NOISE IN SERDES CIRCUITS’ OPTIMIZED INTERCONNECTIONS

According to the requirements imposed by the new four-level pulse amplitude modulation (PAM4) standard for high-speed data transfer and processing, electrical constraints and manufacturing tolerances in integrated electronic packages impose accurate electromagnetic simulations and new S-parameters analysis, saving time and financial resources for next-generation switches, routers or data centers circuits implementation. The complexity of the advanced networking class circuits’ encapsulation substrates massively increases due to the large number of differential signals that it integrates. Differential signaling has replaced single-ended transmission in high-speed circuits due to their many advantages, including increased immunity to crosstalk and electromagnetic interference, but common-mode noise due to timing skew or amplitude unbalance differences can still affect them. This work tests five different models, identifies and optimizes the 45° bends, structures that commonly affect the reflections in a differential stripline. Then it studies differential transmission lines in stripline topology, implemented in a 12-layered flip-chip package, using S-parameters, inspecting and comparing the common-mode noise. In this way, the paper combines microwave theory with a real chip packaging design in an innovative way, using finite element analysis of electromagnetic field simulation and mixed-mod scattering parameters of differential topologies, towards an optimized structure design

Electromagnetic Interference (EMI) of System-on-Package (SOP)

Electromagnetic interference (EMI) issues are expected to be crucial for next-generation system-on-package (SOP) integrated high-performance digital LSIs and for radio frequency (RF) and analog circuits. Ordinarily in SOPs, high-performance digital LSIs are sources of EMI, while RF and analog circuits are affected by EMI (victims). This paper describes the following aspects of EMI in SOPs: 1) die/package-level EMI; 2) substrate-level EMI; 3) electromagnetic modeling and simulation; and 4) near electromagnetic field measurement. First, LSI designs are discussed with regard to radiated emission. The signal-return path loop and switching current in the power/ground line are inherent sources of EMI. The EMI of substrate, which work as coupling paths or unwanted antennas, is described. Maintaining the return current path is an important aspect of substrate design for suppressing EMI and for maintaining signal integrity (SI). In addition, isolating and suppressing the resonance of the DC power bus in a substrate is another important design aspect for EMI and for power integrity (PI). Various electromagnetic simulation methodologies are introduced as indispensable design tools for achieving high-performance SOPs without EMI problems. Measurement techniques for near electric and magnetic fields are explained, as they are necessary to confirm the appropriateness of designs and to investigate the causes of EMI problems. This paper is expected to be useful in the design and development of SOPs that take EMI into consideration

Validation by Measurements of a IC Modeling Approach for SiP Applications

The growing importance of signal integrity (SI) analysis in integrated circuits (ICs), revealed by modern systemin-package methods, is demanding for new models for the IC sub-systems which are both accurate, efficient and extractable by simple measurement procedures. This paper presents the contribution for the establishment of an integrated IC modeling approach whose performance is assessed by direct comparison with the signals measured in laboratory of two distinct memory IC devices. Based on the identification of the main blocks of a typical IC device, the modeling approach consists of a network of system-level sub-models, some of which with already demonstrated accuracy, which simulated the IC interfacing behavior. Emphasis is given to the procedures that were developed to validate by means of laboratory measurements (and not by comparison with circuit-level simulations) the model performance, which is a novel and important aspect that should be considered in the design of IC models that are useful for SI analysi

Analysis of the high frequency substrate noise effects on LC-VCOs

La integració de transceptors per comunicacions de radiofreqüència en CMOS pot quedar seriosament limitada per la interacció entre els seus blocs, arribant a desaconsellar la utilització de un únic dau de silici. El soroll d’alta freqüència generat per certs blocs, com l’amplificador de potencia, pot viatjar pel substrat i amenaçar el correcte funcionament de l’oscil·lador local. Trobem tres raons importants que mostren aquest risc d’interacció entre blocs i que justifiquen la necessitat d’un estudi profund per minimitzar-lo. Les característiques del substrat fan que el soroll d’alta freqüència es propagui m’és fàcilment que el de baixa freqüència. Per altra banda, les estructures de protecció perden eficiència a mesura que la freqüència augmenta. Finalment, el soroll d’alta freqüència que arriba a l’oscil·lador degrada al seu correcte comportament. El propòsit d’aquesta tesis és analitzar en profunditat la interacció entre el soroll d’alta freqüència que es propaga pel substrat i l’oscil·lador amb l’objectiu de poder predir, mitjançant un model, l’efecte que aquest soroll pot tenir sobre el correcte funcionament de l’oscil·lador. Es volen proporcionar diverses guies i normes a seguir que permeti als dissenyadors augmentar la robustesa dels oscil·ladors al soroll d’alta freqüència que viatja pel substrat. La investigació de l’efecte del soroll de substrat en oscil·ladors s’ha iniciat des d’un punt de vista empíric, per una banda, analitzant la propagació de senyals a través del substrat i avaluant l’eficiència d’estructures per bloquejar aquesta propagació, i per altra, determinant l’efecte d’un to present en el substrat en un oscil·lador. Aquesta investigació ha mostrat que la injecció d’un to d’alta freqüència en el substrat es pot propagar fins arribar a l’oscil·lador i que, a causa del ’pulling’ de freqüència, pot modular en freqüència la sortida de l’oscil·lador. A partir dels resultats de l’anàlisi empíric s’ha aportat un model matemàtic que permet predir l’efecte del soroll en l’oscil·lador. Aquest model té el principal avantatge en el fet de que està basat en paràmetres físics de l’oscil·lador o del soroll, permetent determinar les mesures que un dissenyador pot prendre per augmentar la robustesa de l’oscil·lador així com les conseqüències que aquestes mesures tenen sobre el seu funcionament global (trade-offs). El model ha estat comparat tant amb simulacions com amb mesures reals demostrant ser molt precís a l’hora de predir l’efecte del soroll de substrat. La utilitat del model com a eina de disseny s’ha demostrat en dos estudis. Primerament, les conclusions del model han estat aplicades en el procés de disseny d’un oscil·lador d’ultra baix consum a 2.5GHz, aconseguint un oscil·lador robust al soroll de substrat d’alta freqüència i amb característiques totalment compatibles amb els principals estàndards de comunicació en aquesta banda. Finalment, el model s’ha utilitzat com a eina d’anàlisi per avaluar la causa de les diferències, en termes de robustesa a soroll de substrat, mesurades en dos oscil·ladors a 60GHz amb dues diferents estratègies d’apantallament de l’inductor del tanc de ressonant, flotant en un cas i connectat a terra en l’altre. El model ha mostrat que les diferències en robustesa són causades per la millora en el factor de qualitat i en l’amplitud d’oscil·lació i no per un augment en l’aïllament entre tanc i substrat. Per altra banda, el model ha demostrat ser vàlid i molt precís inclús en aquest rang de freqüència tan extrem. el principal avantatge en el fet de que està basat en paràmetres físics de l’oscil·lador o del soroll, permetent determinar les mesures que un dissenyador pot prendre per augmentar la robustesa de l’oscil·lador així com les conseqüències que aquestes mesures tenen sobre el seu funcionament global (trade-offs). El model ha estat comparat tant amb simulacions com amb mesures reals demostrant ser molt precís a l’hora de predir l’efecte del soroll de substrat. La utilitat del model com a eina de disseny s’ha demostrat en dos estudis. Primerament, les conclusions del model han estat aplicades en el procés de disseny d’un oscil·lador d’ultra baix consum a 2.5GHz, aconseguint un oscil·lador robust al soroll de substrat d’alta freqüència i amb característiques totalment compatibles amb els principals estàndards de comunicació en aquesta banda. Finalment, el model s’ha utilitzat com a eina d’anàlisi per avaluar la causa de les diferències, en termes de robustesa a soroll de substrat, mesurades en dos oscil·ladors a 60GHz amb dues diferents estratègies d’apantallament de l’inductor del tanc de ressonant, flotant en un cas i connectat a terra en l’altre. El model ha mostrat que les diferències en robustesa són causades per la millora en el factor de qualitat i en l’amplitud d’oscil·lació i no per un augment en l’aïllament entre tanc i substrat. Per altra banda, el model ha demostrat ser vàlid i molt precís inclús en aquest rang de freqüència tan extrem.The integration of transceivers for RF communication in CMOS can be seriously limited by the interaction between their blocks, even advising against using a single silicon die. The high frequency noise generated by some of the blocks, like the power amplifier, can travel through the substrate, reaching the local oscillator and threatening its correct performance. Three important reasons can be stated that show the risk of the single die integration. Noise propagation is easier the higher the frequency. Moreover, the protection structures lose efficiency as the noise frequency increases. Finally, the high frequency noise that reaches the local oscillator degrades its performance. The purpose of this thesis is to deeply analyze the interaction between the high frequency substrate noise and the oscillator with the objective of being able to predict, thanks to a model, the effect that this noise may have over the correct behavior of the oscillator. We want to provide some guidelines to the designers to allow them to increase the robustness of the oscillator to high frequency substrate noise. The investigation of the effect of the high frequency substrate noise on oscillators has started from an empirical point of view, on one hand, analyzing the noise propagation through the substrate and evaluating the efficiency of some structures to block this propagation, and on the other hand, determining the effect on an oscillator of a high frequency noise tone present in the substrate. This investigation has shown that the injection of a high frequency tone in the substrate can reach the oscillator and, due to a frequency pulling effect, it can modulate in frequency the output of the oscillator. Based on the results obtained during the empirical analysis, a mathematical model to predict the effect of the substrate noise on the oscillator has been provided. The main advantage of this model is the fact that it is based on physical parameters of the oscillator and of the noise, allowing to determine the measures that a designer can take to increase the robustness of the oscillator as well as the consequences (trade-offs) that these measures have over its global performance. This model has been compared against both, simulations and real measurements, showing a very high accuracy to predict the effect of the high frequency substrate noise. The usefulness of the presented model as a design tool has been demonstrated in two case studies. Firstly, the conclusions obtained from the model have been applied in the design of an ultra low power consumption 2.5 GHz oscillator robust to the high frequency substrate noise with characteristics which make it compatible with the main communication standards in this frequency band. Finally, the model has been used as an analysis tool to evaluate the cause of the differences, in terms of performance degradation due to substrate noise, measured in two 60 GHz oscillators with two different tank inductor shielding strategies, floating and grounded. The model has determined that the robustness differences are caused by the improvement in the tank quality factor and in the oscillation amplitude and no by an increased isolation between the tank and the substrate. The model has shown to be valid and very accurate even in these extreme frequency range.Postprint (published version

Methods and tools for the design of RFICs

Ambient intelligence is going to focus the next advances in wireless technologies. Hence, the increasing demand on radio frequency (RF) devices and applications represents, not only a challenge for technological industries to improve its roadmaps, but also for RF engineers to design more robust, low-power, small-size and low-cost devices. Regarding to communication robustness, in the latest years, differential topologies have acquired an important relevance because of its natural noise and interference immunity. Within this framework, a differential n-port device can still be treated with the classical analysis circuit theory by means of Z-,Y-, h-parameters or the most suitable S-parameters in the radio frequency field. Despite of it, Bockelman introduced the mixed-mode scattering parameters, which more properly express the differential and common-mode behavior of symmetrical devices. Since then, such parameters have been used with a varying degree of success, as it will be shown, mainly because of a misinterpretation. Thereby, this thesis is devoted to extend the theory of mixed-mode scattering parameters and proposes the methodology to analyze such devices. For this proposal, the simplest case of a two-port device is developed. By solving this simple case, most of the lacks of the current theory are filled up. As instance, it allows the characterization and comparison of symmetric and spiral inductors, which have remained a controversy point until now. After solving this case, the theory is extended to a n-port device. Another key point on the fast and inexpensive development of radio frequency devices is the advance on fast CAD tools for the analysis and synthesis of passive devices. In the case of silicon technologies, planar inductors have become the most popular shapes because of its integrability. However, the design of inductors entails a deep experience and acknowledge not only on the behavior of such devices but on the use of electromagnetic (EM) simulators. Unfortunately, the use of EM simulators consumes an important quantity of time and resources. Thereby, this thesis is devoted to improve some of the aspects that slow down the synthesis process of inductors. Therefore, an ‘ab initio’ technique for the meshing of planar radio frequency and microwave circuits is described. The technique presented can evaluate the losses in the component with a high accuracy just in few seconds where an electromagnetic simulator would normally last hours. Likewise, a simple bisection algorithm for the synthesis of compact planar inductors is presented. It is based on a set of heuristic rules obtained from the study of the electromagnetic behavior of these planar devices. Additionally, design of a single-ended to differential low noise amplifier (LNA) in a CMOS technology is performed by using the methods and tools described.L'enginyeria de radiofreqüència i la tecnologia de microones han assolit un desenvolupament inimaginable i avui en dia formen part de la majoria de les nostres activitats diàries. Probablement, la tecnologia mòbil ha tingut un desenvolupament més ràpid que qualsevol altre avenç tecnològic de l'era digital. Avui en dia, podem dir que el paradigma de la mobilitat s'ha assolit i tenim accés ràpid a internet des de qualsevol lloc on podem estar amb un dispositiu de butxaca. No obstant això, encara hi ha fites per endavant. Es més que probable que el paradigma de l’ "ambient intelligence” sigui el centre dels pròxims avenços en les tecnologies sense fils. A diferencia del paradigma de l"ambient intelligence', l'evolució de la tecnologia de la informació mai ha tingut l'objectiu explícit de canviar la societat, sinó que ho van fer com un efecte secundari, en canvi, les visions d' “ambient intelligence” proposen expressament el transformar la societat mitjançant la connexió completa i la seva informatització. Per tant, l'augment de la demanda de dispositius de ràdio freqüència (RF) i de les seves possibles aplicacions representa, no només un repte per a les indústries tecnològiques per millorar els seus plans de treball, sinó també per als enginyers de RF que hauran de dissenyar dispositius de baixa potència, més robusts, de mida petita i de baix cost. Quant a la robustesa dels dispositius, en els últims anys, les topologies de tipus diferencial han adquirit una important rellevància per la seva immunitat natural al soroll i resistència a les interferències. Dins d'aquest marc, un dispositiu de nports diferencial, encara pot ser tractat com un dispositiu 2nx2n i la teoria clàssica d'anàlisi de circuits (és a dir, la temia de quadripols) es pot aplicar a través de paràmetres Z, Y, h o els paràmetres S, més adequats en el camp de freqüència de ràdio. Tot i això, Bockelman i Eisenstadt introdueixen els paràmetres S mixtos, que expressen més adequadament el comportament diferencial i en mode comú de dispositius simètrics o asimètrics. Des de llavors, aquests paràmetres s'han utilitzat amb un grau variable d'èxit, com es mostrarà, principalment a causa d'una mala interpretació. D'aquesta manera, la primera part d'aquesta tesi està dedicada a estendre la teoria dels paràmetres S de mode mixt i proposa la metodologia d'anàlisi d'aquest tipus de dispositius i circuits. D'aquesta forma, en el Capítol 2, es desenvolupa el cas més simple d'un dispositiu de dos ports. En resoldre aquest cas simple, la major part de les mancances de la teoria actual es posen de relleu. Com a exemple, pennet la caracterització i la comparació de bobines simètriques i espiral no simètriques, que han estat un punt de controvèrsia fins ara. Després de resoldre aquest cas, al Capítol 3 s'estén la teOIia a un dispositiu de n-ports dels quals un nombre pot ser single-ended i la resta diferencials. És en aquest moment quan la dualitat existent entre els paràmetres S estàndard i de mode mixt es pot veure clarament i es destaca en el seu conjunt. Aquesta teoria permet, tanmateix, estendre la teoria clàssica d'amplificadors quan s'analitzen per mitjà de paràmetres S. Un altre punt clau en el desenvolupament ràpid i de baix cost dels dispositius de radiofreqüència és l'avenç en les eines CAD ràpides per a l'anàlisi i síntesi dels dispositius passius, en especial dels inductors. Aquests dispositius apareixen tot sovint en el disseny de radio freqüència degut a la seva gran versatilitat. Tot i que hi ha hagut múltiples intents de reemplaçar amb components externs o circuits, fins i tot actius, en el cas de les tecnologies de silici, els inductors planars s'han convertit en les formes més populars per la seva integrabilitat. No obstant això, el disseny d'inductors implica conèixer i posseir una experiència profunda no només en el comportament d'aquests dispositius, però també en l'ús de simuladors electromagnètics (EM). Desafortunadament, l'ús dels simuladors EM consumeix una quantitat important de temps i recursos. Per tant, la síntesi dels inductors representa un important inconvenient actualment. D'aquesta manera, la segona part d'aquesta tesi està dedicada a millorar alguns dels aspectes que frenen el procés de síntesi dels inductors. Per tant, en el Capítol 4, es descriu una tècnica 'ab initio' de generació de la malla per bobines planars en ràdio freqüència i microones. La tècnica es basa en l'estudi analític dels fenòmens d'aglomeració de corrent que tenen lloc a l'interior del component. En aquesta avaluació, no es requereix una solució explícita dels corrents i de les càrregues arreu del circuit. Llavors, el nombre de cel•les de la malla assignades a una tira de metall donada, depèn del valor inicialment obtingut a partir de l'estudi analític. La tècnica presentada pot avaluar les pèrdues en el component amb una gran precisió només en uns pocs segons, quan comparat amb un simulador electromagnètic normalment es necessitaria hores. De la mateixa manera, en el Capítol 5 es presenta un senzill algoritme de bisecció per a la síntesi d'inductors planars compactes. Es basa en un conjunt de regles heurístiques obtingut a partir de l'estudi del comportament electromagnètic d'aquests dispositius planars. D'aquesta manera, el nombre d'iteracions es manté moderadament baix.D'altra banda, per tal d'accelerar l'anàlisi en cada pas, s'utilitza un simulador ràpid electromagnètic planar, el qual es basa en el coneixement que es té del component sintetitzat. Finalment, en el Capítol 6, la metodologia de paràmetres S de mode mixt proposada i les eines CAD introduides s'utilitzen àmpliament en el disseny d'un amplificador de baix soroll “single-ended” a diferencial (LNA), mitjançant una tecnologia estàndard CMOS.L'amplificador de baix soroll és un dels components claus en un sistema de recepció de radio freqüència, ja que tendeix a dominar la sensibilitat i la figura de soroll (NF) de tot el sistema. D'altra banda, les característiques d'aquest circuit estan directament relacionades amb els components actius i passius disponibles en una tecnologia donada. Per tant, la tecnologia escollida, el factor de qualitat dels passius, i la forma com es caracteritzen tindran un alt impacte en les principals figures de mèrit del circuit real

Analysis and design of power delivery networks exploiting simulation tools and numerical optimization techniques

A higher performance of computing systems is being demanded year after year, driving the digital industry to fiercely compete for offering the fastest computer system at the lowest cost. In addition, as computing system performance is growing, power delivery networks (PDN) and power integrity (PI) designs are getting increasingly more relevance due to the faster speeds and more parallelism required to obtain the required performance growth. The largest data throughput at the lowest power consumption is a common goal for most of the commercial computing systems. As a consequence of this performance growth and power delivery tradeoffs, the complexity involved in analyzing and designing PDN in digital systems is being increased. This complexity drives longer design cycle times when using traditional design tools. For this reason, the need of using more efficient design methods is getting more relevance in order to keep designing and launching products in a faster manner to the market. This trend pushes PDN designers to look for methodologies to simplify analysis and reduce design cycle times. The main objective for this Master’s thesis is to propose alternative methods by exploiting reliable simulation approaches and efficient numerical optimization techniques to analyze and design PDN to ensure power integrity. This thesis explores the use of circuital models and electromagnetic (EM) field solvers in combination with numerical optimization methods, including parameter extraction (PE) formulations. It also establishes a sound basis for using space mapping (SM) methodologies in future developments, in a way that we exploit the advantages of the most accurate and powerful models, such as 3D full-wave EM simulators, but conserving the simplicity and low computational resourcing of the analytical, circuital, and empirical models