High-resolution wide-band Fast Fourier Transform spectrometers

We describe the performance of our latest generations of sensitive wide-band high-resolution digital Fast Fourier Transform Spectrometer (FFTS). Their design, optimized for a wide range of radio astronomical applications, is presented. Developed for operation with the GREAT far infrared heterodyne spectrometer on-board SOFIA, the eXtended bandwidth FFTS (XFFTS) offers a high instantaneous bandwidth of 2.5 GHz with 88.5 kHz spectral resolution and has been in routine operation during SOFIA's Basic Science since July 2011. We discuss the advanced field programmable gate array (FPGA) signal processing pipeline, with an optimized multi-tap polyphase filter bank algorithm that provides a nearly loss-less time-to-frequency data conversion with significantly reduced frequency scallop and fast sidelobe fall-off. Our digital spectrometers have been proven to be extremely reliable and robust, even under the harsh environmental conditions of an airborne observatory, with Allan-variance stability times of several 1000 seconds. An enhancement of the present 2.5 GHz XFFTS will duplicate the number of spectral channels (64k), offering spectroscopy with even better resolution during Cycle 1 observations.Comment: Accepted for publication in A&A (SOFIA/GREAT special issue

縦型ボディチャネルMOS Field-Effect Transistorを用いたマイクロプロセッサ向け高効率・高集積DC-DCコンバータとそのパワーマネジメントに関する研究

Tohoku University遠藤哲郎課

Charge integration successive approximation analog-to-digital converter for focal plane applications using a single amplifier

An analog-to-digital converter for on-chip focal-plane image sensor applications. The analog-to-digital converter utilizes a single charge integrating amplifier in a charge balancing architecture to implement successive approximation analog-to-digital conversion. This design requires minimal chip area and has high speed and low power dissipation for operation in the 2-10 bit range. The invention is particularly well suited to CMOS on-chip applications requiring many analog-to-digital converters, such as column-parallel focal-plane architectures

High-Bandwidth Voltage-Controlled Oscillator based architectures for Analog-to-Digital Conversion

The purpose of this thesis is the proposal and implementation of data conversion open-loop architectures based on voltage-controlled oscillators (VCOs) built with ring oscillators (RO-based ADCs), suitable for highly digital designs, scalable to the newest complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) nodes. The scaling of the design technologies into the nanometer range imposes the reduction of the supply voltage towards small and power-efficient architectures, leading to lower voltage overhead of the transistors. Additionally, phenomena like a lower intrinsic gain, inherent noise, and parasitic effects (mismatch between devices and PVT variations) make the design of classic structures for ADCs more challenging. In recent years, time-encoded A/D conversion has gained relevant popularity due to the possibility of being implemented with mostly digital structures. Within this trend, VCOs designed with ring oscillator based topologies have emerged as promising candidates for the conception of new digitization techniques. RO-based data converters show excellent scalability and sensitivity, apart from some other desirable properties, such as inherent quantization noise shaping and implicit anti-aliasing filtering. However, their nonlinearity and the limited time delay achievable in a simple NOT gate drastically limits the resolution of the converter, especially if we focus on wide-band A/D conversion. This thesis proposes new ways to alleviate these issues. Firstly, circuit-based techniques to compensate for the nonlinearity of the ring oscillator are proposed and compared to equivalent state-of-the-art solutions. The proposals are designed and simulated in a 65-nm CMOS node for open-loop RO-based ADC architectures. One of the techniques is also validated experimentally through a prototype. Secondly, new ways to artificially increase the effective oscillation frequency are introduced and validated by simulations. Finally, new approaches to shape the quantization noise and filter the output spectrum of a RO-based ADC are proposed theoretically. In particular, a quadrature RO-based band-pass ADC and a power-efficient Nyquist A/D converter are proposed and validated by simulations. All the techniques proposed in this work are especially devoted for highbandwidth applications, such as Internet-of-Things (IoT) nodes or maximally digital radio receivers. Nevertheless, their field of application is not restricted to them, and could be extended to others like biomedical instrumentation or sensing.El propósito de esta tesis doctoral es la propuesta y la implementación de arquitecturas de conversión de datos basadas en osciladores en anillos, compatibles con diseños mayoritariamente digitales, escalables en los procesos CMOS de fabricación más modernos donde las estructuras digitales se ven favorecidas. La miniaturización de las tecnologías CMOS de diseño lleva consigo la reducción de la tensión de alimentación para el desarrollo de arquitecturas pequeñas y eficientes en potencia. Esto reduce significativamente la disponibilidad de tensión para saturar transistores, lo que añadido a una ganancia cada vez menor de los mismos, ruido y efectos parásitos como el “mismatch” y las variaciones de proceso, tensión y temperatura han llevado a que sea cada vez más complejo el diseño de estructuras analógicas eficientes. Durante los últimos años la conversión A/D basada en codificación temporal ha ganado gran popularidad dado que permite la implementación de estructuras mayoritariamente digitales. Como parte de esta evolución, los osciladores controlados por tensión diseñados con topologías de oscilador en anillo han surgido como un candidato prometedor para la concepción de nuevas técnicas de digitalización. Los convertidores de datos basados en osciladores en anillo son extremadamente sensibles (variación de frecuencia con respecto a la señal de entrada) así como escalables, además de otras propiedades muy atractivas, como el conformado espectral de ruido de cuantificación y el filtrado “anti-aliasing”. Sin embargo, su respuesta no lineal y el limitado tiempo de retraso alcanzable por una compuerta NOT restringen la resolución del conversor, especialmente para conversión A/D en aplicaciones de elevado ancho de banda. Esta tesis doctoral propone nuevas técnicas para aliviar este tipo de problemas. En primer lugar, se proponen técnicas basadas en circuito para compensar el efecto de la no linealidad en los osciladores en anillo, y se comparan con soluciones equivalentes ya publicadas. Las propuestas se diseñan y simulan en tecnología CMOS de 65 nm para arquitecturas en lazo abierto. Una de estas técnicas presentadas es también validada experimentalmente a través de un prototipo. En segundo lugar, se introducen y validan por simulación varias formas de incrementar artificialmente la frecuencia de oscilación efectiva. Para finalizar, se proponen teóricamente dos enfoques para configurar nuevas formas de conformación del ruido de cuantificación y filtrado del espectro de salida de los datos digitales. En particular, son propuestos y validados por simulación un ADC pasobanda en cuadratura de fase y un ADC de Nyquist de gran eficiencia en potencia. Todas las técnicas propuestas en este trabajo están destinadas especialmente para aplicaciones de alto ancho de banda, tales como módulos para el Internet de las cosas o receptores de radiofrecuencia mayoritariamente digitales. A pesar de ello, son extrapolables también a otros campos como el de la instrumentación biomédica o el de la medición de señales mediante sensores.Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Juan Pablo Alegre Pérez.- Secretario: Celia López Ongil.- Vocal: Fernando Cardes Garcí

Companding Flash Analog-To-Digital Converters

This report will demonstrate how a companding flash analog-to-digital converter can be used to satisfy both the dynamic range and resolution requirements of an infrared imaging system. In the past, infrared imaging systems had to rely on analog electronics to process a thermal image. This was costly and, in many ways, inefficient but the only way to perform the function. Digital processing was impractical because ADC conversion speeds were slow with respect to video frequencies. Furthermore, it is impossible to gain the necessary dynamic range using linear conversion techniques without large digital wordlengths. Therefore, the principles of companding flash analog-to-digital converters will be shown and analyzed. The advantages of companding with respect to linear conversion will be demonstrated and the problem of sufficient comparator resolution within the compression region outlined