Modelling, Analysis and Design of Optimised Electronic Circuits for Visible Light Communication Systems

This thesis explores new circuit design techniques and topologies to extend the bandwidth of visible light communication (VLC) transmitters and receivers, by ameliorating the bandwidth-limiting effects of commonly used optoelectronic devices. The thesis contains detailed literature review of transmitter and receiver designs, which inspired two directions of work. The first proposes new designs of optically lossless light emitting diode (LED) bandwidth extension technique that utilises a negative capacitance circuit to offset the diode’s bandwidth-limiting capacitance. The negative capacitance circuit was studied and verified through newly developed mathematical analysis, modelling and experimental demonstration. The bandwidth advantage of the proposed technique was demonstrated through measurements in conjunction with several colour LEDs, demonstrating up to 500% bandwidth extension with no loss of optical power. The second direction of work enhances the bandwidth of VLC receivers through new designs of ultra-low input impedance transimpedance amplifiers (TIAs), designed to be insensitive to the high photodiode capacitances (Cpd) of large area detectors. Moreover, the thesis proposes a new circuit, which modifies the traditional regulated cascode (RGC) circuit to enhance its bandwidth and gain. The modified RGC amplifier efficiently treats significant RGC inherent bandwidth limitations and is shown, through mathematical analysis, modelling and experimental measurements to extend the bandwidth further by up to 200%. The bandwidth advantage of such receivers was demonstrated in measurements, using several large area photodiodes of area up to 600 mm^2, resulting in a substantial bandwidth improvement of up to 1000%, relative to a standard 50 Ω termination. An inherent limitation of large area photodiodes, associated with internal resistive elements, was identified and ameliorated, through the design of negative resistance circuits. Altogether, this research resulted in a set of design methods and practical circuits, which will hopefully contribute to wider adoption of VLC systems and may be applied in areas beyond VLC

Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /

Finite element analysis of protective bicycle helmet & dummy head under dynamic loading

Cycling is a good activities particularly for recreation, exercise, and transportation. However, cycling related to the head injury is a significant contributor to hospitalization and death. Previous literatures indicates that the available helmets have less effective in preventing head injuries among cyclists. Moreover, most of the available helmets have been tested for only a few loading conditions. Therefore, the purpose of this study is to use finite element models to evaluate the protective effect of a helmet against various impact velocities. The head and helmet model has been developed using computational software. This study focus on the explicit dynamic analysis which performed in ANSY-WORKBENCH with loading condition in term of various impact velocity impacted on front and side of the head model. The results indicates the differences between the frontal and side simulations. They have been compared to identify the protective effect of the helmet and head

Detection and Interpretation of Fluorescence Signals Generated by Excitable Cells and Tissues

Part 1: High-Sensitivity Amplifiers for Detecting FluorescenceMonitoring electrical activity and Cai 2+ transients in biological tissues and individual cells increasingly utilizes optical sensors based on voltage-dependent and Cai 2+-dependent fluorescent dyes. However, achieving satisfactory signal-to-noise ratios (SNR) often requires increased illumination intensities and/or dye concentrations, which results in photo-toxicity, photo-bleaching and other adverse effects limiting the utility of optical recordings. The most challenging are the recordings from individual cardiac myocytes and neurons. Here we demonstrate that by optimizing a conventional transimpedance topology one can achieve a 10-20 fold increase of sensitivity with photodiode-based recording systems (dependent on application). We provide a detailed comparative analysis of the dynamic and noise characteristics of different transimpedance amplifier topologies as well as the example(s) of their practical implementation. Part 2: Light-Scattering Models for Interpretation of Fluorescence DataCurrent interest in understanding light transport in cardiac tissue has been motivated in part by increased use of voltage-sensitive and Ca i2+-sensitive fluorescent probes to map electrical impulse propagation and Cai2+-transients in the heart. The fluorescent signals are recorded using such probes represent contributions from different layers of myocardial tissue and are greatly affected by light scattering. The interpretation of these signals thus requires deconvolution which would not be possible without detailed models of light transport in the respective tissue. Which involves the experimental measurements of the absorption, scattering, and anisotropy coefficients, μa, μ s, and g respectively. The aim of the second part of our thesis was to derive a new method for deriving these parameters from high spatial resolution measurements of forward-directed flux (FDF). To this end, we carried out high spatial resolution measurements of forward-directed flux (FDF) in intact and homogenized cardiac tissue, as well as in intralipid-based tissue phantoms. We demonstrated that in the vicinity of the illuminated surface, the FDF consistently manifested a fast decaying exponent with a space constant comparable to the decay rate of ballistic photons. Using a Monte Carlo model we obtained a simple empirical formula linking the rate of the fast exponent to the scattering coefficient, the anisotropy parameter g, and the numerical aperture of the probe. The estimates of scattering coefficient based on this formula were validated in tissue phantoms. The advantages of the new method are its simplicity and low-cost

Integrated Circuit Design for Radiation Sensing and Hardening.

Beyond the 1950s, integrated circuits have been widely used in a number of electronic devices surrounding people’s lives. In addition to computing electronics, scientific and medical equipment have also been undergone a metamorphosis, especially in radiation related fields where compact and precision radiation detection systems for nuclear power plants, positron emission tomography (PET), and radiation hardened by design (RHBD) circuits for space applications fabricated in advanced manufacturing technologies are exposed to the non-negligible probability of soft errors by radiation impact events. The integrated circuit design for radiation measurement equipment not only leads to numerous advantages on size and power consumption, but also raises many challenges regarding the speed and noise to replace conventional design modalities. This thesis presents solutions to front-end receiver designs for radiation sensors as well as an error detection and correction method to microprocessor designs under the condition of soft error occurrence. For the first preamplifier design, a novel technique that enhances the bandwidth and suppresses the input current noise by using two inductors is discussed. With the dual-inductor TIA signal processing configuration, one can reduce the fabrication cost, the area overhead, and the power consumption in a fast readout package. The second front-end receiver is a novel detector capacitance compensation technique by using the Miller effect. The fabricated CSA exhibits minimal variation in the pulse shape as the detector capacitance is increased. Lastly, a modified D flip-flop is discussed that is called Razor-Lite using charge-sharing at internal nodes to provide a compact EDAC design for modern well-balanced processors and RHBD against soft errors by SEE.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/111548/1/iykwon_1.pd

Design Of A 20MHz Transimpedance Amplifier With Embedded Low-pass Filter For A Direct Conversion Wireless Receiver

Accelerated growth in wireless communications in recent years has led to the emergence of portable devices that employ several wireless communication standards to provide multiple functionality such as cellular communication, wireless data communication and connectivity, entertainment and navigation, within the same device. Industry drive is towards reduction of the number of radio frequency (RF) front-end receivers required to cater to the various standards/bands within a single device to reduce cost, size and power consumption. The current trend is to use broadband/multi-standard or reconfigurable RF front-ends to cater to two or three standards at a time for cost-effective RF front-end solutions. The direct conversion receiver architecture has become attractive as it offers a full on-chip front-end solution without the need for expensive external components. Passive current-mode mixers are used in these receivers to eliminate mixer flicker noise. The in-band current signals are typically in the micro-amp range after mixer downconversion. Transimpedance amplifiers are used to convert the downconverted current signals to voltage, and they provide amplification in the process. Because of the co-existence of multiple-radios within each device, large blocker currents downconvert close to the channel bandwidth after the mixer. Conventionally, single-pole transimpedance amplifier (TIA) filters are used to provide out-of-band (OOB) signal filtering. This requires high resolution analog-to-digital converters (ADCs) later in the receiver chain for signal processing. Providing higher order filtering before the ADC relaxes its specifications and this reduces the ADC and ADC calibration cost and complexity. Typically, an extra filtering stage is provided in the form of a cascaded filtering block after the single-pole TIA. In this work, higher order filtering is embedded within the TIA in the form of active feedback. In addition to relaxing the ADC specifications, this proposed TIA provides improved large signal linearity such as P1dB compression point. Furthermore, since the extra-circuitry is not in the signal path, in-band flicker noise and linearity are not degraded. The proposed TIA filter has been designed in IBM 90nm technology with a supply voltage of 1.2V. It can tolerate close-in blocker magnitudes of 4.5mA at 60MHz and higher before in-band 1dB compression is reached

Design of 10 Gb/s burst-mode receivers for high-split extended reach PONs

The continuous stream of new applications for the internet, increases the need for higher access speed in the currently deployed communication networks. Most networks in use today still consist of twisted copper wires, inherited from the telephone network. The disadvantages of reusing the existing telephone network are twofold. Firstly, the bandwidth of twisted copper wires is limited and secondly, a large number of switches and routers are needed throughout the network leading to an excessive power consumption. The hybrid fiber coax network that reuses the television distribution network is not free from these drawbacks. The bandwidth is also limited and power hungry amplifiers are needed to bridge the distance to and from the user. The future of broadband access lies in optical fiber networks. The optical fiber has a virtually unlimited bandwidth and the lower attenuation leads to less switches and amplifiers in the network, reducing the power consumption of the complete infrastructure. This dissertation describes the design of a 10 Gb/s burst-mode receiver for high-split extended reach passive optical networks (PONs). The designed receiver incorporates two very advanced features. Firstly, the burst-mode receiver locks its gain setting within 6 ns avoiding packet loss due to gain switching during data payload reception. Secondly, the burst-mode receiver detects both burst start and burst end, making it the first burst-mode receiver of its kind to operate without any time critical signal requirements from outside the burst-mode receiver. The presented work covers the chip-level architecture study and design of a 10 Gb/s burst-mode transimpedance amplifier and a 10 Gb/s post-amplifier, which are the two most critical components of a burst-mode receiver

Analog Frontend Circuits for Avalanche Photodiodes

The aims of this work is to design low noise electronics for optical sensing and X‐ray spectroscopy using Sheffield‐grown Avalanche photodiodes(APD). A transimpedance amplifier(TIA) for a 2.0 μm LIDAR system is designed and tested as part of a project funded by ESA. Numerical analysis is provided for the TIA in addition to SPICE and experimental analysis. Characterisation of the TIA shows that a noise equivalent power of less than 100 fW/√Hz can be achieved with an optimised InAs APD. Preliminary results of a TIA‐InAs module at 2.0 μm is presented. A low noise charge sensitive preamplifier(CSP) with a novel local feedback is designed and characterised. The CSP shows a better noise performance than commercially available CSP such as the CoolFet 250. The CSP is also characterised for APD dark current of up 4 μA and the CSP is found to behave well for such relatively high dark current. Discrepancies between the SPICE model and measured characteristic of the CSP’s input JFET is presented and discussed. The first ever Aluminium Indium Phosphide (AlInP) APD X‐ray spectroscopy measurement is presented in this work. AlInP is the widest band material that can be grown latticematched on a GaAs substrate. Due to its wide bandgap, AlInP can offer reverse dark current of less than 2 pA at gain of 100 for a 200um device, making it desirable for room temperature operation. An energy resolution of 647 eV is obtained for AlInP APD coupled to the CSP and exposed to 55Fe X‐rays. Using the CSP presented in this work, previously reported GaAs/AlGaAs APD is characterised and compared with results obtained using a commercial CSP. A 21% improvement in X‐ray energy resolution is reported, despite degradation in the APD

Development of a Dual-Mode CMOS Microelectrode Array for the Simultaneous Study of Electrochemical and Electrophysiological Activities of the Brain

Medical diagnostic devices are in high demand due to increasing cases of neurodegenerative diseases in the aging population and pandemic outbreaks in our increasingly connected global community. Devices capable of detecting the presence of a disease in its early stages can have dramatic impacts on how it can be treated or eliminated. High cost and limited accessibility to diagnostic tools are the main barriers preventing potential patients from receiving a timely disease diagnosis. This dissertation presents several devices that are aimed at providing higher quality medical diagnostics at a low cost. Brain function is commonly studied with systems detecting the action potentials that are formed when neurons fire. CMOS technology enables extremely high-density electrode arrays to be produced with integrated amplifiers for high-throughput action potential measurement systems while greatly reducing the cost per measurement compared to traditional tools. Recently, CMOS technology has also been used to develop high-throughput electrochemical measurement systems. While action potentials are important, communication between neurons occurs by the flow of neurotransmitters at the synapses, so measurement of action potentials alone is incapable of fully studying neurotransmission. In many neurodegenerative diseases the breakdown in neurotransmission begins well before the disease manifests itself. The development of a dual-mode CMOS device that is capable of simultaneous high-throughput measurement of both action potentials and neurotransmitter flow via an on-chip electrode array is presented in this dissertation. This dual-mode technology is useful to those studying the dynamic decay of the neurotransmission process seen in many neurodegenerative diseases using a low-cost CMOS chip. This dissertation also discusses the development of more traditional diagnostic devices relying on PCR, a method commonly used only in centralized laboratories and not readily available at the point-of-care. These technologies will enable faster, cheaper, more accurate, and more accessible diagnostics to be performed closer to the patient