Aportaciones al diseño de ADCs en tecnologías nanométricas y para entornos de alta radiación

El trabajo presentado a lo largo de esta Tesis Doctoral está intrínsecamente relacionado con la evolución del diseño de circuitos integrados analógicos y de señal mixta empleando tecnologías nanométricas. En los últimos años, el desarrollo de dichas tecnologías ha posibilitado un avance gigantesco en cuanto a funcionalidad y velocidad de los sistemas de comunicaciones, provocando un gran auge en los sistemas de comunicaciones, con especial relevancia de los estándares inalámbricos. No obstante, también han surgido nuevos retos a nivel arquitectural y de diseño derivados, en gran medida, de los efectos del escalado tecnológico, que obligan a la búsqueda de nuevas soluciones para adecuarse a unas restricciones cada vez más exigentes. En la presente Tesis Doctoral se han realizado aportaciones en dos ámbitos destinados a aplicaciones de interés para el diseño microelectrónico analógico en tecnologías nanométricas: 1. Diseño de convertidores Analógico-Digital de muy alta velocidad. Los nuevos estándares de comunicaciones de banda ancha o la mayor velocidad de lectura de los soportes de almacenamiento de información incrementan la necesidad de mayor velocidad de conversión en el diseño de convertidores Analógico-Digital (A/D). Los convertidores con arquitectura flash o de conversión directa suelen ser los más utilizados para este tipo de aplicaciones. Sin embargo, la resolución de dichos convertidores se ve seriamente comprometida por el error de offset de los comparadores utilizados, que en tecnologías nanométricas resulta especialmente sensible a las variaciones de procesos. Las prestaciones de las técnicas tradicionales se ven afectadas por los efectos del escalado, siendo necesario emplear nuevas técnicas que permitan alcanzar los requerimientos con un consumo energético eficiente. 2. Diseño robusto de circuitos analógicos para aplicaciones espaciales y nucleares. Las frecuencias de trabajo cada vez más elevadas y dimensiones de los transistores más y más pequeñas hacen que la influencia de los Efectos de Eventos Singulares (SEE) sea cada vez más crítica, tanto en los circuitos digitales como analógicos. La evolución de las tecnologías CMOS ha contribuido a incrementar los riesgos de errores críticos en circuitos en entornos de alta radiación, donde la interacción de iones pesados con los componentes analógicos puede dar lugar a variaciones transitorias o permanentes en su comportamiento. Por una parte, las frecuencias de funcionamiento cada vez más altas pueden incrementar la sensibilidad ante la captura de Eventos Singulares Transitorios (SET), aumentando el riesgo de propagación de errores. Además, los SET son fuertemente dependientes de la configuración eléctrica de los dispositivos, pudiendo afectar muy seriamente al rendimiento e incluso a la funcionalidad de los circuitos. Es por ello que el estudio de estos impactos y su influencia en circuitos analógicos ha adquirido en los últimos años una enorme relevancia, ya que un análisis de las posibles vulnerabilidades puede proporcionar información clave para el diseño de sistemas robustos contra la radiación. Dentro del primer ámbito de investigación se ha diseñado un convertidor A/D de 6 bits de tipo flash para el estándar de comunicaciones Ultra-WideBand (UWB). En primer lugar, se han estudiado de las limitaciones que imponen las tecnologías nanométricas con vistas a su aplicación al diseño microelectrónico en convertidores de alta velocidad y bajo consumo. Se ha determinado que el comportamiento de los convertidores A/D de tipo flash está limitado por errores causados por las mayores variaciones en los procesos. Mediante el análisis de la literatura, se han estudiado e identificado diferentes técnicas y tendencias seguidas por la comunidad científica en los últimos años con el objetivo de incrementar la eficiencia energética en el ámbito considerado. En concreto, se han descrito y referido numerosas técnicas de compensación, interpolación, submuestreo y simplificación de la circuitería analógica. Como principal aportación original en este campo, se propone una técnica novedosa de calibración para compensación de offset y mismatch en el dominio analógico. Sobre la topología básica de un convertidor flash, se emplean técnicas de interpolación capacitiva para disminuir el número de amplificadores, mejorando las prestaciones en consumo sobre esquemas tradicionales. El esquema propuesto no usa capacidades a la entrada del convertidor, reduciendo así la carga en la misma y disminuyendo el consumo de los bloques anteriores. Además, la técnica presentada requiere de una única fase de reloj, disponiendo los amplificadores de más tiempo de trabajo en cada ciclo, resultando en una menor exigencia en sus prestaciones y ahorro en consumo. En el ámbito del diseño microelectrónico para aplicaciones en entornos de alta radiación, la principal aportación de esta Tesis Doctoral ha sido el desarrollo de un nuevo software de ayuda al diseño de circuitos robusto a radiación: AFTU (Analog Fault Tolerant University of Seville Debugging System). En el contexto considerado y en el marco de proyectos financiados por la Agencia Espacial Europea (Cosmic Vision, FTU2), se constata la necesidad de seguir una estricta metodología de evaluación y test de los circuitos diseñados para asegurar el correcto funcionamiento en entornos de alta radiación. El conocimiento de las partes más vulnerables a los efectos de la radiación es un punto crítico para el diseño tolerante a fallos de circuitos microelectrónicos en aplicaciones para el espacio, y se requiere una herramienta que permita un análisis rápido de vulnerabilidades en etapas tempranas de diseño. A lo largo de esta Tesis, se describe la arquitectura de la herramienta desarrollada, así como las principales características, parámetros de interés y ejemplos que permitan conocer su uso y potencialidad. Para evaluar y depurar el funcionamiento de la misma se ha evaluado la sensibilidad a SET de diferentes circuitos reales, empleando tanto diseños propios como ajenos analizados en colaboración con empresas. Esta evaluación ha permitido tanto depurar los errores detectados en el prototipo inicial, como definir nuevas heurísticas para el análisis de sensibilidad, así como incorporar paulatinamente nuevas tecnologías sobre las que poder realizar el análisis de sensibilidad ante SEE. Se incluyen en esta Tesis Doctoral algunos ejemplos de circuitos analizados, como muestra del potencial de la herramienta desarrollada

Data Acquisition Applications

Data acquisition systems have numerous applications. This book has a total of 13 chapters and is divided into three sections: Industrial applications, Medical applications and Scientific experiments. The chapters are written by experts from around the world, while the targeted audience for this book includes professionals who are designers or researchers in the field of data acquisition systems. Faculty members and graduate students could also benefit from the book

Subsampling receivers with applications to software defined radio systems

Este trabajo de tesis propone la utilización sistemas basados en submuestreo como una alternativa para la implementación de la etapa de down-conversion de los receptores de radio frecuencia (RF) empleados para aplicaciones multi-estándar y SDR (Software Defined Radio). El objetivo principal será el de optimizar el diseño en cuanto a flexibilidad y simplicidad, las cuales son propiedades inherentes en los sistemas basados en submuestreo. Por tanto, como reducir el número de componentes al mínimo es clave cuando un mismo receptor procesa diferentes estándares de comunicación, las arquitecturas basadas en submuestreo han sido seleccionadas, donde la reusabilidad de los componentes empleados es posible, así como la reducción de los costes totales de los receptores de comunicación y de los equipos de certificación que emplean estas arquitecturas. Un motivo adicional por el que los sistemas basados en submuestreo han sido seleccionados es el concerniente a la topología del receptor. Como la idea de la tecnología SDR es implementar todas las funcionalidades del receptor (filtrado, amplificación) en el dominio digital, el convertidores analógico-digital (ADC) deberá estar localizado en la cadena de recepción lo más cerca posible a la antena, siendo el objetivo final el convertir la señal directamente de RF a digital. Sin embargo, con los actuales ADC no es posible implementar esta idea debido al alto ancho de banda que necesitarían sin perder resolución para cubrir las especificaciones de los estándares de comunicaciones inalámbricas. Por tanto, los sistemas basados en submuestreo se presentan como la opción más adecuada para implementar este tipo de sistemas debido a que pueden muestrear la señal de entrada por debajo de la tasa de Nyquist, si se cumplen ciertas restricciones en cuanto a la elección de la frecuencia de muestreo. De este modo, los requerimientos del ADC serán relajados ya que, usando estas arquitecturas, este componente procesará la señal a frecuencias intermedias. Una vez se han introducido los conceptos principales de las técnicas de submuestreo, esta tesis doctoral presenta el diseño de una tarjeta de adquisición de datos basada en submuestreo con la finalidad de ser implementada como un receptor de test y certificación de banda ancha. El sistema propuesto proporciona una alta resolución para un elevado ancho de banda, a partir del uso de un S&H de bajo jitter y de un convertidor analógico digital ADC que trabaja a frecuencias intermedias. El sistema es implementado usando dispositivos comerciales en una placa de circuito impreso diseñada y fabricada, y cuya caracterización experimental muestra una resolución de más 8 bits para un ancho de banda analógico de 20 MHz. Concretamente, la resolución medida será mayor de 9 bits hasta una frecuencia de entrada de 2.9 GHz y mayor de 8 bits para una frecuencia de entrada de hasta 6.5 GHz, lo cual resulta suficiente para cubrir los requerimientos de la mayor parte de los actuales estándares de comunicaciones inalámbricas (GPS, GSM, GPRS, UMTS, Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX). Sin embargo, los receptores basados en submuestreo presentan algunos importantes inconvenientes, como son adicionales fuentes de ruido (jitter y plegado de ruido térmico) y una dificultad añadida para implementarlo en escenarios multi-banda y no lineales. Acerca del plegado de ruido en la banda de interés, esta tesis propone el uso de una técnica basada en una arquitectura de reloj múltiple con el objetivo de aumentar la resolución y cubrir un número mayor de estándares para su test y certificación. Empleando una frecuencia de muestreo mayor para el caso del S&H, se conseguirá reducir este efecto, aumentando la resolución en aproximadamente 0.5-1 bit respecto al caso de sólo usar una fuente de reloj. Las expresiones teóricas de esta mejora son desarrolladas y presentadas en esta tesis, siendo posteriormente corroboradas de modo experimental. Por otra parte, esta tesis también propone novedosas técnicas para la aplicación de estos sistemas de submuestreo en entornos multi-banda y no lineales, los cuales presentan desafíos adicionales por el hecho de existir la posibilidad de solapamiento entre la señal de interés y los otros canales de comunicación, así como de solapamiento con sus armónicos. De este modo, esta tesis extiende el uso de los sistemas basados en submuestreo para este tipo de entornos, proponiendo técnicas para la elección de la frecuencia óptima de muestreo que evitan el solapamiento entre señales, a la vez que consiguen incrementar la resolución del receptor. Finalmente, se presentará la optimización en cuanto a características de ruido de un receptor concreto para aplicaciones de banda dual en entornos no lineales. Dicho receptor estará basado en las técnicas de reloj múltiple presentadas anteriormente y en una estructura de multi-filtro entre el S&H y el ADC. El sistema diseñado podrá emplearse para diversas aplicaciones a ambos lados de la cadena de comunicación, tal como en receptores de detección de espectro para radio cognitiva, o implementando el bucle de realimentación de un transmisor para la linealización de amplificadores de potencia. Por tanto, la presente tesis doctoral cuenta con tres contribuciones diferenciadas. La primera de ellas es la dedicada al diseño de un prototipo de recepción multi-estándar basado en submuestreo para aplicaciones de test y certificación. La segunda aportación es la dedicada a la optimización de las especificaciones de ruido a partir de las técnicas presentadas basadas en reloj múltiple. Por último, la tercera contribución principal es la relacionada con la extensión de este tipo de técnicas a sistemas multi-banda en entornos no lineales. Todas estas contribuciones han sido estudiadas teóricamente y experimentalmente validadas