Techniques for Frequency Synthesizer-Based Transmitters.

Internet of Things (IoT) devices are poised to be the largest market for the semiconductor industry. At the heart of a wireless IoT module is the radio and integral to any radio is the transmitter. Transmitters with low power consumption and small area are crucial to the ubiquity of IoT devices. The fairly simple modulation schemes used in IoT systems makes frequency synthesizer-based (also known as PLL-based) transmitters an ideal candidate for these devices. Because of the reduced number of analog blocks and the simple architecture, PLL-based transmitters lend themselves nicely to the highly integrated, low voltage nanometer digital CMOS processes of today. This thesis outlines techniques that not only reduce the power consumption and area, but also significantly improve the performance of PLL-based transmitters.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/113385/1/mammad_1.pd

Monolithic Integration Piezoelectric Resonators on CMOS for Radio-Frequency and Sensing Applications

Software cognitive radios and Internet of Things (IoT) are recent interest areas that need low loss and low power consumption hardware. More specifically, the area of software cognitive radios requires that hardware be frequency agile and highly selective. Meanwhile, IoT relies on multiple low power sensor networks. By combining Complementary Metal Oxide Semiconductors (CMOS) technology with piezoelectric Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS), we can fabricate Systems-on-Chip (SoC) that can be used as filters or references (oscillators) and highly selective sensors. In this work we developed a die-level compatible process for the monolithic integration of Bulk Acoustic Resonators (BAWs) on CMOS for low power, reduced area and high-quality passives for radio frequency applications. Using CMOS as a fabrication substrate some stringent requirements were added to maintain the dies and the technology’s integrity. A few of these limitations were the need for a low thermal budget fabrication process, die handling and electro-static discharge (ESD) protection. The devices were first fabricated on glass for modeling extraction that was later used for the design of the integrated circuits (IC). Three integrated circuits were designed as substrates for the integration using IBM’s 180nm and TSMC’s 65nm technology. A monolithic BAW oscillator with a resonance frequency of 1.8GHz was demonstrated with an FOM ~186dBc/Hz, comparable to other academia work. Using the developed process, a membrane BAW structure (FBAR) was integrated as well. Using a susceptor coating and zinc oxide’s (ZnO) high temperature coefficient of frequency (TCF) the device was studied as an alternative uncooled infrared sensor. Finally, a reprogrammable IC and an RF PCB were designed for volatile organic compound (VOC) testing using self-assembled monolayers (SAMs) as the absorber layer

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 /

Characteristics of CoZrTaB in the 5G Spectral Environment

abstract: The study of soft magnetic materials has been growing in popularity in recent years. Driving this interest are new applications for traditional electrical power-management components, such as inductors and transformers, which must be scaled down to the micro and nano scale while the frequencies of operation have been scaling up to the gigahertz range and beyond. The exceptional magnetic properties of the materials make them highly effective in these small-component applications, but the ability of these materials to provide highly-effective shielding has not been so thoroughly considered. Most shielding is done with traditional metals, such as aluminum, because of the relatively low cost of the material and high workability in shaping the material to meet size and dimensional requirements. This research project focuses on analyzing the variance in shielding effectiveness and electromagnetic field effects of a thin film of Cobalt Zirconium Tantalum Boron (CZTB) in the band of frequencies most likely to require innovative solutions to long-standing problems of noise and interference. The measurements include Near H-Field attenuation and field effects, Far Field shielding, and Backscatter. Minor variances in the thickness and layering of sputter deposition can have significant changes electromagnetic signature of devices which radiate energy through the material. The material properties presented in this research are H-Field attenuation, H-Field Flux Orientation, Far-Field Approximation, E Field Vector Directivity, H Field Vector Directivity, and Backscatter Magnitude. The results are presented, analyzed and explained using characterization techniques. Future work includes the effect of sputter deposition orientation, application to devices, and applicability in mitigating specific noise signals beyond the 5G band.Dissertation/ThesisMasters Thesis Electrical Engineering 201

Contribution to the integration, performance improvement, and smart management of data and resources in the Internet of Things

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones.[ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. The IoT has seen a tremendous growth in the last few years. Not only due to its potential to transform societies, but also as an enabling technology for many other technological advances. Unfortunately, the IoT is a relatively recent paradigm that lacks the maturity of other well-established (not so recent) revolutions like the internet itself or Wireless Sensor Networks; upon which the IoT is built. The presented Thesis contributes to this maturation process by researching on the underlying communication mechanisms that enable a truly ubiquitous and effective IoT. As a Thesis by compilation, 5 relevant articles are introduced and discussed. Each of such articles delve into different key aspects that, in their own way, help closing the gap between what the IoT is expected to bring and what the IoT actually brings. As thoroughly commented throughout the main text, the comprehensive approach taken in this Thesis ensures that multiple angles of the same plane --the communication plane-- are analyzed and studied. From the mathematical analysis of how electromagnetic waves propagate through complex environments to the utilization of recent Machine Learning techniques, this Thesis explore a wide range of scientific and researching tools that are shown to improve the final performance of the IoT. In the first three chapters of this document, the reader will be introduced to the current context and state-of-the-art of the IoT while, at the same time, the formal objectives of this Thesis are outlined and set into such a global context. In the next five chapters, the five corresponding articles are presented and commented. For each and every of these articles: a brief abstract, a methodology summary, a highlight on the results and contributions and final conclusions are also added. Lastly, in the two last chapters, the final conclusions and future lines of this Thesis are commented.Los artículos que componen la tesis son los siguientes: 1. R. M. Sandoval, A.-J. J. Garcia-Sanchez, F. Garcia-Sanchez, and J. Garcia-Haro, \Evaluating the More Suitable ISM Frequency Band for IoT-Based Smart Grids: A Quantitative Study of 915 MHz vs. 2400 MHz," Sensors, vol. 17, no. 1, p. 76, Dec. 2016. 2. R. M. Sandoval, A.-J. J. Garcia-Sanchez, J.-M. M. Molina-Garcia-Pardo, F. Garcia-Sanchez, and J. Garcia-Haro, \Radio-Channel Characterization of Smart Grid Substations in the 2.4-GHz ISM Band," IEEE Trans. Wirel. Commun., vol. 16, no. 2, pp. 1294{1307, Feb. 2017. 3. R. M. Sandoval, A. J. Garcia-Sanchez, and J. Garcia-Haro, \Improving RSSI-based path-loss models accuracy for critical infrastructures: A smart grid substation case-study," IEEE Trans. Ind. Informatics, vol. 14, no. 5, pp. 2230{2240, 2018. 4. R. M. Sandoval, A.-J. Garcia-Sanchez, J. Garcia-Haro, and T. M. Chen, \Optimal policy derivation for Transmission Duty-Cycle constrained LPWAN," IEEE Internet Things J., vol. 5, no. 4, pp. 1{1, Aug. 2018. 5. R. M. Sandoval, S. Canovas-Carrasco, A. Garcia-Sanchez, and J. Garcia-Haro, \Smart Usage of Multiple RAT in IoT-oriented 5G Networks: A Reinforcement Learning Approach," in 2018 ITU Kaleidoscope: Machine Learning for a 5G Future (ITU K), 2018, pp. 1-8.Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de CartagenaUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma de Doctorado en Tecnologías de la Información y las Comunicaciones por la Universidad Politécnica de Cartagen

Ultra-Low Power Circuit Design for Miniaturized IoT Platform

This thesis examines the ultra-low power circuit techniques for mm-scale Internet of Things (IoT) platforms. The IoT devices are known for their small form factors and limited battery capacity and lifespan. So, ultra-low power consumption of always-on blocks is required for the IoT devices that adopt aggressive duty-cycling for high power efficiency and long lifespan. Several problems need to be addressed regarding IoT device designs, such as ultra-low power circuit design techniques for sleep mode and energy-efficient and fast data rate transmission for active mode communication. Therefore, this thesis highlights the ultra-low power always-on systems, focusing on energy efficient optical transmission in order to miniaturize the IoT systems. First, this thesis presents a battery-less sub-nW micro-controller for an always-operating system implemented with a newly proposed logic family. Second, it proposes an always-operating sub-nW light-to-digital converter to measure instant light intensity and cumulative light exposure, which employs the characteristics of this proposed logic family. Third, it presents an ultra-low standby power optical wake-up receiver with ambient light canceling using dual-mode operation. Finally, an energy-efficient low power optical transmitter for an implantable IoT device is suggested. Implications for future research are also provided.PHDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/145862/1/imhotep_1.pd

Direct Antenna Modulation using Frequency Selective Surfaces

In the coming years, the number of connected wireless devices will increase dramatically, expanding the Internet of Things (IoT). It is likely that much of this capacity will come from network densification. However, base stations are inefficient and expensive, particularly the downlink transmitters. The main cause of this is the power amplifier (PA), which must amplify complex signals, so are expensive and often only 30% efficient. As such, the cost of densifying cellular networks is high. This thesis aims to overcome this problem through codesign of a low complexity, energy efficient transmitter through electromagnetic design; and a waveform which leverages the advantages and mitigates the disadvantages of the new technology, while being suitable for supporting IoT devices. Direct Antenna Modulation (DAM) is a low complexity transmitter architecture, where modulation occurs at the antenna at transmit power. This means a non-linear PA can efficiently amplify the carrier wave without added distortion. Frequency Selective Surfaces (FSS) are presented here as potential phase modulators for DAM transmitters. The theory of operation is discussed, and a prototype DAM for QPSK modulation is simulated, designed and tested. Next, the design process for a continuous phase modulating antenna is explored. Simulations and measurement are used to fully characterise a prototype, and it is implemented in a line-of-sight end-to-end communications system, demonstrating BPSK, QPSK and 8-PSK. Due to the favourable effects of spread spectrum signalling on FSS DAM performance, Cyclic Prefix Direct Sequence Spread Spectrum (CPDSSS) is developed. Conventional spreading techniques are extended using a cyclic prefix, making multipath interference entirely defined by the periodic autocorrelation of the sequence used. This is demonstrated analytically, through simulation and with experiments. Finally, CPDSSS is implemented using FSS DAM, demonstrating the potential of this new low cost, low complexity transmitter with CPDSSS as a scalable solution to IoT connectivity