Time-domain optimization of amplifiers based on distributed genetic algorithms

Thesis presented in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the subject of Electrical and Computer EngineeringThe work presented in this thesis addresses the task of circuit optimization, helping the designer facing the high performance and high efficiency circuits demands of the market and technology evolution. A novel framework is introduced, based on time-domain analysis, genetic algorithm optimization, and distributed processing. The time-domain optimization methodology is based on the step response of the amplifier. The main advantage of this new time-domain methodology is that, when a given settling-error is reached within the desired settling-time, it is automatically guaranteed that the amplifier has enough open-loop gain, AOL, output-swing (OS), slew-rate (SR), closed loop bandwidth and closed loop stability. Thus, this simplification of the circuit‟s evaluation helps the optimization process to converge faster. The method used to calculate the step response expression of the circuit is based on the inverse Laplace transform applied to the transfer function, symbolically, multiplied by 1/s (which represents the unity input step). Furthermore, may be applied to transfer functions of circuits with unlimited number of zeros/poles, without approximation in order to keep accuracy. Thus, complex circuit, with several design/optimization degrees of freedom can also be considered. The expression of the step response, from the proposed methodology, is based on the DC bias operating point of the devices of the circuit. For this, complex and accurate device models (e.g. BSIM3v3) are integrated. During the optimization process, the time-domain evaluation of the amplifier is used by the genetic algorithm, in the classification of the genetic individuals. The time-domain evaluator is integrated into the developed optimization platform, as independent library, coded using C programming language. The genetic algorithms have demonstrated to be a good approach for optimization since they are flexible and independent from the optimization-objective. Different levels of abstraction can be optimized either system level or circuit level. Optimization of any new block is basically carried-out by simply providing additional configuration files, e.g. chromosome format, in text format; and the circuit library where the fitness value of each individual of the genetic algorithm is computed. Distributed processing is also employed to address the increasing processing time demanded by the complex circuit analysis, and the accurate models of the circuit devices. The communication by remote processing nodes is based on Message Passing interface (MPI). It is demonstrated that the distributed processing reduced the optimization run-time by more than one order of magnitude. Platform assessment is carried by several examples of two-stage amplifiers, which have been optimized and successfully used, embedded, in larger systems, such as data converters. A dedicated example of an inverter-based self-biased two-stage amplifier has been designed, laid-out and fabricated as a stand-alone circuit and experimentally evaluated. The measured results are a direct demonstration of the effectiveness of the proposed time-domain optimization methodology.Portuguese Foundation for the Science and Technology (FCT

Transistor-Level Synthesis of Pipeline Analog-to-Digital Converters Using a Design-Space Reduction Algorithm

A novel transistor-level synthesis procedure for pipeline ADCs is presented. This procedure is able to directly map high-level converter specifications onto transistor sizes and biasing conditions. It is based on the combination of behavioral models for performance evaluation, optimization routines to minimize the power and area consumption of the circuit solution, and an algorithm to efficiently constraint the converter design space. This algorithm precludes the cost of lengthy bottom-up verifications and speeds up the synthesis task. The approach is herein demonstrated via the design of a 0.13 μm CMOS 10 bits@60 MS/s pipeline ADC with energy consumption per conversion of only 0.54 pJ@1 MHz, making it one of the most energy-efficient 10-bit video-rate pipeline ADCs reported to date. The computational cost of this design is of only 25 min of CPU time, and includes the evaluation of 13 different pipeline architectures potentially feasible for the targeted specifications. The optimum design derived from the synthesis procedure has been fine tuned to support PVT variations, laid out together with other auxiliary blocks, and fabricated. The experimental results show a power consumption of 23 [email protected] V and an effective resolution of 9.47-bit@1 MHz. Bearing in mind that no specific power reduction strategy has been applied; the mentioned results confirm the reliability of the proposed approach.Ministerio de Ciencia e Innovación TEC2009-08447Junta de Andalucía TIC-0281

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 /

A Case Study in CMOS Design Scaling for Analog Applications: The Ringamp LDO

As CMOS process nodes scale to smaller feature sizes, process optimizations are made to achieve improvements in digital circuit performance, such as increasing speed and memory, while decreasing power consumption. Unfortunately for analog design, these optimizations usually come at the expense of poorer transistor performance, such as reduced small signal output resistance and increased channel length modulation. The ring amplifier has been proposed as a digital solution to the analog scaling problem, by configuring digital inverters to function as analog amplifiers through deadzone biasing. As digital inverters naturally scale, the ring amplifier is a promising area of exploration for analog design. This work presents a ring amplifier scaling study by demonstration of scaling an output capacitor-less, ring amplifier based low-dropout voltage regulator designed in a standard 180 nm CMOS process down to a standard 90 nm CMOS process

Class D amplifier power stage with PWM feedback loop

This paper presents a Second-Order Pulse Width Modulation (PWM) feedback loop to improve Power Supply Rejection (PSR) of any open-loop PWM Class-D amplifiers (CDAs). PSR of the audio amplifier has always been a key parameter in mobile phone applications. In contrast to Class AB amplifiers, the poor PSR performance has always been the major drawback for CDAs with half-bridge connected power stage. The proposed PWM feedback loop is fabricated using GLOBALFOUNDRIES' (GF’s) 0.18 µm CMOS process technology. The measured PSR is more than 80 dB and the measured Total Harmonic Distortion (THD) is less than 0.04% with a 1 kHz input sinusoidal test tone

Design of a low-noise optoelectronic amplifier channel for a laser radar

Abstract. The goal of this Master’s thesis is to find and develop the best topologies and circuit structures for a low-noise amplifier channel for a laser radar application. In this work different topologies, their strengths, weaknesses and challenges are studied. Low-noise optoelectronic amplifier channels have been used extensively in a variety of applications such as wireless communication, optical receivers and laser radar. The common constraint for all the mentioned applications is the noise. The optical input signal for optoelectronic receivers can be very weak. In order to detect the signal reliably and accurately, the receiver must not add significant noise to the input signal. Therefore, this thesis concentrates on improving the signal to noise ratio (SNR) by minimizing the noise sources, filtering the high frequency noise and amplifying the signal. In addition, the delay of the whole channel should be constant with respect to signal strength, supply voltage etc. variations. This low-noise optoelectronic amplifier channel can be employed in a laser radar to detect the distance of several kilometers.Pienikohinaisen optoelektronisen vahvistinkanavan suunnittelu lasertutkasovellukseen. Tiivistelmä. Tämän diplomityön tavoitteena on etsiä ja kehittää sopivia piiriratkaisuja ja -rakenteita lasertutkan pienikohinaiseen vahvistinkanavaan. Työssä tutkittiin eri rakenteita, niiden vahvuuksia, heikkouksia ja haasteita. Pienikohinaisia optoelektronisia vahvistinkanavia on käytetty paljon useissa sovelluksissa kuten langattomassa viestinnässä, optisissa vastaanottimissa ja lasertutkissa. Näissä sovelluksissa yhteisenä haasteena on kohina. Optoelektronisen vastaanottimen tulosignaali voi olla hyvin heikko, joten tarkan ja luotettavan vastaanoton varmistamiseksi vastaanottimen itsessään tulee olla hyvin pienikohinainen. Tässä työssä keskityttiinkin signaalikohinasuhteen (SNR) optimointiin minimoimalla itse kohinalähteet, suodattamalla korkeataajuista kohinaa ja vahvistamalla signaalia. Lisäksi koko kanavan viive oli pidettävä mahdollisimman vakiona eri signaalitasoilla, eri lämpötiloissa, eri käyttöjännitteillä jne. Työssä kehitettyä optoelektronista vahvistinkanavaa voidaan käyttää lasertutkissa mittaamaan etäisyyksiä kilometrien päässä oleviin kohteisiin