Dynamic reconfiguration technologies based on FPGA in software defined radio system

Partial Reconfiguration (PR) is a method for Field Programmable Gate Array (FPGA) designs which allows multiple applications to time-share a portion of an FPGA while the rest of the device continues to operate unaffected. Using this strategy, the physical layer processing architecture in Software Defined Radio (SDR) systems can benefit from reduced complexity and increased design flexibility, as different waveform applications can be grouped into one part of a single FPGA. Waveform switching often means not only changing functionality, but also changing the FPGA clock frequency. However, that is beyond the current functionality of PR processes as the clock components (such as Digital Clock Managers (DCMs)) are excluded from the process of partial reconfiguration. In this paper, we present a novel architecture that combines another reconfigurable technology, Dynamic Reconfigurable Port (DRP), with PR based on a single FPGA in order to dynamically change both functionality and also the clock frequency. The architecture is demonstrated to reduce hardware utilization significantly compared with standard, static FPGA design

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

Linearization of Time-encoded ADCs Architectures for Smart MEMS Sensors in Low Power CMOS Technology

Mención Internacional en el título de doctorIn the last few years, the development of mobile technologies and machine learning applications has increased the demand of MEMS-based digital microphones. Mobile devices have several microphones enabling noise canceling, acoustic beamforming and speech recognition. With the development of machine learning applications the interest to integrate sensors with neural networks has increased. This has driven the interest to develop digital microphones in nanometer CMOS nodes where the microphone analog-front end and digital processing, potentially including neural networks, is integrated on the same chip. Traditionally, analog-to-digital converters (ADCs) in digital microphones have been implemented using high order Sigma-Delta modulators. The most common technique to implement these high order Sigma-Selta modulators is switchedcapacitor CMOS circuits. Recently, to reduce power consumption and make them more suitable for tasks that require always-on operation, such as keyword recognition, switched-capacitor circuits have been improved using inverter-based operational amplifier integrators. Alternatively, switched-capacitor based Sigma- Delta modulators have been replaced by continuous time Sigma-Delta converters. Nevertheless, in both implementations the input signal is voltage encoded across the modulator, making the integration in smaller CMOS nodes more challenging due to the reduced voltage supply. An alternative technique consists on encoding the input signal on time (or frequency) instead of voltage. This is what time-encoded converters do. Lately, time-encoding converters have gained popularity as they are more suitable to nanometer CMOS nodes than Sigma-Delta converters. Among the ones that have drawn more interest we find voltage-controlled oscillator based ADCs (VCOADCs). VCO-ADCs can be implemented using CMOS inverter based ring oscillators (RO) and digital circuitry. They also show noise-shaping properties. This makes them a very interesting alternative for implementation of ADCs in nanometer CMOS nodes. Nevertheless, two main circuit impairments are present in VCO-ADCs, and both come from the oscillator non-idealities. The first of them is the oscillator phase noise, that reduces the resolution of the ADC. The second is the non-linear tuning curve of the oscillator, that results in harmonic distortion at medium to high input amplitudes. In this thesis we analyze the use of time encoding ADCs for MEMS microphones with special focus on ring oscillator based ADCs (RO-ADCs). Firstly, we study the use of a dual-slope based SAR noise shaped quantizer (SAR-NSQ) in sigma-delta loops. This quantizer adds and extra level of noise-shaping to the modulator, improving the resolution. The quantizer is explained, and equations for the noise transfer function (NTF) of a third order sigma-delta using a second order filter and the NSQ are presented. Secondly, we move our attention to the topic of RO-ADCs. We present a high dynamic range MEMS microphone 130nm CMOS chip based on an open-loop VCO-ADC. This dissertation shows the implementation of the analog front-end that includes the oscillator and the MEMS interface, with a focus on achieving low power consumption with low noise and a high dynamic range. The digital circuitry is left to be explained by the coauthor of the chip in his dissertation. The chip achieves a 80dBA peak SNDR and 108dB dynamic range with a THD of 1.5% at 128 dBSPL with a power consumption of 438μW. After that, we analyze the use of a frequency-dependent-resistor (FDR) to implement an unsampled feedback loop around the oscillator. The objective is to reduce distortion. Additionally phase noise mitigation is achieved. A first topology including an operational amplifier to increase the loop gain is analyzed. The design is silicon proven in a 130 nm CMOS chip that achieves a 84 dBA peak SNDR with an analog power consumption of 600μW. A second topology without the operational amplifier is also analyzed. Two chips are designed with this topology. The first chip in 130 nm CMOS is a full VCO-ADC including the frequencyto- digital converter (F2D). This chip achieves a peak SNDR of 76.6 dBA with a power consumption of 482μW. The second chip includes only the oscillator and is implemented in 55nm CMOS. The peak SNDR is 78.15 dBA and the analog power consumption is 153μW. To finish this thesis, two circuits that use an FDR with a ring oscillator are presented. The first is a capacity-to-digital converter (CDC). The second is a filter made with an FDR and an oscillator intended for voice activity detection tasks (VAD).En los últimos años, el desarrollo de las tecnologías móviles y las aplicaciones de machine-learning han aumentado la demanda de micrófonos digitales basados en MEMS. Los dipositivos móviles tienen varios micrófonos que permiten la cancelación de ruido, el beamforming o conformación de haces y el reconocimiento de voz. Con el desarrollo de aplicaciones de aprendizaje automático, el interés por integrar sensores con redes neuronales ha aumentado. Esto ha impulsado el interés por desarrollar micrófonos digitales en nodos CMOS nanométricos donde el front-end analógico y el procesamiento digital del micrófono, que puede incluir redes neuronales, está integrado en el mismo chip. Tradicionalmente, los convertidores analógicos-digitales (ADC) en micrófonos digitales han sido implementados utilizando moduladores Sigma-Delta de orden elevado. La técnica más común para implementar estos moduladores Sigma- Delta es el uso de circuitos CMOS de capacidades conmutadas. Recientemente, para reducir el consumo de potencia y hacerlos más adecuados para las tareas que requieren una operación continua, como el reconocimiento de palabras clave, los convertidores Sigma-Delta de capacidades conmutadas has sido mejorados con el uso de integradores implementados con amplificadores operacionales basados en inversores CMOS. Alternativamente, los Sigma-Delta de capacidades conmutadas han sido reemplazados por moduladores en tiempo continuo. No obstante, en ambas implementaciones, la señal de entrada es codificada en voltaje durante el proceso de conversión, lo que hace que la integración en nodos CMOS más pequeños sea complicada debido a la menor tensión de alimentación. Una técnica alternativa consiste en codificar la señal de entrada en tiempo (o frecuencia) en lugar de tensión. Esto es lo que hacen los convertidores de codificación temporal. Recientemente, los convertidores de codificación temporal han ganado popularidad ya que son más adecuados para nodos CMOS nanométricos que los convertidores Sigma-Delta. Entre los que más interés han despertado encontramos los ADCs basados en osciladores controlados por tensión (VCO-ADC). Los VCO-ADC se pueden implementar usando osciladores en anillo (RO) implementados con inversores CMOS y circuitos digitales. Esta familia de convertidores también tiene conformado de ruido. Esto los convierte en una alternativa muy interesante para la implementación de convertidores en nodos CMOS nanométricos. Sin embargo, dos problemas principales están presentes en este tipo de ADCs debidos ambos a las no idealidades del oscilador. El primero de los problemas es la presencia de ruido de fase en el oscilador, lo que reduce la resolución del ADC. El segundo es la curva de conversion voltaje-frecuencia no lineal del oscilador, lo que causa distorsión a amplitudes medias y altas. En esta tesis analizamos el uso de ADCs de codificación temporal para micrófonos MEMS, con especial interés en ADCS basados en osciladores de anillo (RO-ADC). En primer lugar, estudiamos el uso de un cuantificador SAR con conformado de ruido (SAR-NSQ) en moduladores Sigma-Delta. Este cuantificador agrega un orden adicional de conformado de ruido al modulador, mejorando la resolución. En este documento se explica el cuantificador y obtienen las ecuaciones para la función de transferencia de ruido (NTF) de un sigma-delta de tercer orden usando un filtro de segundo orden y el NSQ. En segundo lugar, dirigimos nuestra atención al tema de los RO-ADC. Presentamos el chip de un micrófono MEMS de alto rango dinámico en CMOS de 130 nm basado en un VCO-ADC de bucle abierto. En esta tesis se explica la implementación del front-end analógico que incluye el oscilador y la interfaz con el MEMS. Esta implementación se ha llevado a cabo con el objetivo de lograr un bajo consumo de potencia, un bajo nivel de ruido y un alto rango dinámico. La descripción del back-end digital se deja para la tesis del couator del chip. La SNDR de pico del chip es de 80dBA y el rango dinámico de 108dB con una THD de 1,5% a 128 dBSPL y un consumo de potencia de 438μW. Finalmente, se analiza el uso de una resistencia dependiente de frecuencia (FDR) para implementar un bucle de realimentación no muestreado alrededor del oscilador. El objetivo es reducir la distorsión. Además, también se logra la mitigación del ruido de fase del oscilador. Se analyza una primera topologia de realimentación incluyendo un amplificador operacional para incrementar la ganancia de bucle. Este diseño se prueba en silicio en un chip CMOS de 130nm que logra un pico de SNDR de 84 dBA con un consumo de potencia de 600μW en la parte analógica. Seguidamente, se analiza una segunda topología sin el amplificador operacional. Se fabrican y miden dos chips diseñados con esta topologia. El primero de ellos en CMOS de 130 nm es un VCO-ADC completo que incluye el convertidor de frecuencia a digital (F2D). Este chip alcanza un pico SNDR de 76,6 dBA con un consumo de potencia de 482μW. El segundo incluye solo el oscilador y está implementado en CMOS de 55nm. El pico SNDR es 78.15 dBA y el el consumo de potencia analógica es de 153μW. Para cerrar esta tesis, se presentan dos circuitos que usan la FDR con un oscilador en anillo. El primero es un convertidor de capacidad a digital (CDC). El segundo es un filtro realizado con una FDR y un oscilador, enfocado a tareas de detección de voz (VAD).Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Antonio Jesús Torralba Silgado.- Secretaria: María Luisa López Vallejo.- Vocal: Pieter Rombout

Transmitter Architectures Based on Near-Field Direct Antenna Modulation

A near-field direct antenna modulation (NFDAM) technique is introduced, where the radiated far-field signal is modulated by time-varying changes in the antenna near-field electromagnetic (EM) boundary conditions. This enables the transmitter to send data in a direction-dependent fashion producing a secure communication link. Near-field direct antenna modulation (NFDAM) can be performed by using either switches or varactors. Two fully-integrated proof-of-concept NFDAM transmitters operating at 60 GHz using switches and varactors are demonstrated in silicon proving the feasibility of this approach

Data acquisition techniques based on frequency-encoding applied to capacitive MEMS microphones

Mención Internacional en el título de doctorThis thesis focuses on the development of capacitive sensor readout circuits and data converters based on frequency-encoding. This research has been motivated by the needs of consumer electronics industry, which constantly demands more compact readout circuit for MEMS microphones and other sensors. Nowadays, data acquisition is mainly based on encoding signals in voltage or current domains, which is becoming more challenging in modern deep submicron CMOS technologies. Frequency-encoding is an emerging signal processing technique based on encoding signals in the frequency domain. The key advantage of this approach is that systems can be implemented using mostly-digital circuitry, which benefits from CMOS technology scaling. Frequencyencoding can be used to build phase referenced integrators, which can replace classical integrators (such as switched-capacitor based integrators) in the implementation of efficient analog-to-digital converters and sensor interfaces. The core of the phase referenced integrators studied in this thesis consists of the combination of different oscillator topologies with counters and highly-digital circuitry. This work addresses two related problems: the development of capacitive MEMS sensor readout circuits based on frequency-encoding, and the design and implementation of compact oscillator-based data converters for audio applications. In the first problem, the target is the integration of the MEMS sensor into an oscillator circuit, making the oscillation frequency dependent on the sensor capacitance. This way, the sound can be digitized by measuring the oscillation frequency, using digital circuitry. However, a MEMS microphone is a complex structure on which several parasitic effects can influence the operation of the oscillator. This work presents a feasibility analysis of the integration of a MEMS microphone into different oscillator topologies. The conclusion of this study is that the parasitics of the MEMS limit the performance of the microphone, making it inefficient. In contrast, replacing conventional ADCs with frequency-encoding based ADCs has proven a very efficient solution, which motivates the next problem. In the second problem, the focus is on the development of high-order oscillator-based Sigma-Delta modulators. Firstly, the equivalence between classical integrators and phase referenced integrators has been studied, followed by an overview of state-of-art oscillator-based converters. Then, a procedure to replace classical integrators by phase referenced integrators is presented, including a design example of a second-order oscillator based Sigma-Delta modulator. Subsequently, the main circuit impairments that limit the performance of this kind of implementations, such as phase noise, jitter or metastability, are described. This thesis also presents a methodology to evaluate the impact of phase noise and distortion in oscillator-based systems. The proposed method is based on periodic steady-state analysis, which allows the rapid estimation of the system dynamic range without resorting to transient simulations. In addition, a novel technique to analyze the impact of clock jitter in Sigma-Delta modulators is described. Two integrated circuits have been implemented in 0.13 μm CMOS technology to demonstrate the feasibility of high-order oscillator-based Sigma-Delta modulators. Both chips have been designed to feature secondorder noise shaping using only oscillators and digital circuitry. The first testchip shows a malfunction in the digital circuitry due to the complexity of the multi-bit counters. The second chip, implemented using single-bit counters for simplicity, shows second-order noise shaping and reaches 103 dB-A of dynamic range in the audio bandwidth, occupying only 0.04 mm2.Esta tesis se centra en el desarrollo de conversores de datos e interfaces para sensores capacitivos basados en codificación en frecuencia. Esta investigación está motivada por las necesidades de la industria, que constantemente demanda reducir el tamaño de este tipo de circuitos. Hoy en día, la adquisición de datos está basada principalmente en la codificación de señales en tensión o en corriente. Sin embargo, la implementación de este tipo de soluciones en tecnologías CMOS nanométricas presenta varias dificultades. La codificación de frecuencia es una técnica emergente en el procesado de señales basada en codificar señales en el dominio de la frecuencia. La principal ventaja de esta alternativa es que los sistemas pueden implementarse usando circuitos mayoritariamente digitales, los cuales se benefician de los avances de la tecnología CMOS. La codificación en frecuencia puede emplearse para construir integradores referidos a la fase, que pueden reemplazar a los integradores clásicos (como los basados en capacidades conmutadas) en la implementación de conversores analógico-digital e interfaces de sensores. Los integradores referidos a la fase estudiados en esta tesis consisten en la combinación de diferentes topologías de osciladores con contadores y circuitos principalmente digitales. Este trabajo aborda dos cuestiones relacionadas: el desarrollo de circuitos de lectura para sensores MEMS capacitivos basados en codificación temporal, y el diseño e implementación de conversores de datos compactos para aplicaciones de audio basados en osciladores. En el primer caso, el objetivo es la integración de un sensor MEMS en un oscilador, haciendo que la frecuencia de oscilación depe capacidad del sensor. De esta forma, el sonido puede ser digitalizado midiendo la frecuencia de oscilación, lo cual puede realizarse usando circuitos en su mayor parte digitales. Sin embargo, un micrófono MEMS es una estructura compleja en la que múltiples efectos parasíticos pueden alterar el correcto funcionamiento del oscilador. Este trabajo presenta un análisis de la viabilidad de integrar un micrófono MEMS en diferentes topologías de oscilador. La conclusión de este estudio es que los parasíticos del MEMS limitan el rendimiento del micrófono, causando que esta solución no sea eficiente. En cambio, la implementación de conversores analógico-digitales basados en codificación en frecuencia ha demostrado ser una alternativa muy eficiente, lo cual motiva el estudio del siguiente problema. La segunda cuestión está centrada en el desarrollo de moduladores Sigma-Delta de alto orden basados en osciladores. En primer lugar se ha estudiado la equivalencia entre los integradores clásicos y los integradores referidos a la fase, seguido de una descripción de los conversores basados en osciladores publicados en los últimos años. A continuación se presenta un procedimiento para reemplazar integradores clásicos por integradores referidos a la fase, incluyendo un ejemplo de diseño de un modulador Sigma-Delta de segundo orden basado en osciladores. Posteriormente se describen los principales problemas que limitan el rendimiento de este tipo de sistemas, como el ruido de fase, el jitter o la metaestabilidad. Esta tesis también presenta un nuevo método para evaluar el impacto del ruido de fase y de la distorsión en sistemas basados en osciladores. El método propuesto está basado en simulaciones PSS, las cuales permiten la rápida estimación del rango dinámico del sistema sin necesidad de recurrir a simulaciones temporales. Además, este trabajo describe una nueva técnica para analizar el impacto del jitter de reloj en moduladores Sigma-Delta. En esta tesis se han implementado dos circuitos integrados en tecnología CMOS de 0.13 μm, con el fin de demostrar la viabilidad de los moduladores Sigma-Delta de alto orden basados en osciladores. Ambos chips han sido diseñados para producir conformación espectral de ruido de segundo orden, usando únicamente osciladores y circuitos mayoritariamente digitales. El primer chip ha mostrado un error en el funcionamiento de los circuitos digitales debido a la complejidad de las estructuras multi-bit utilizadas. El segundo chip, implementado usando contadores de un solo bit con el fin de simplificar el sistema, consigue conformación espectral de ruido de segundo orden y alcanza 103 dB-A de rango dinámico en el ancho de banda del audio, ocupando solo 0.04 mm2.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Georges G.E. Gielen.- Secretario: José Manuel de la Rosa.- Vocal: Ana Rus

Oversampled analog-to-digital converter architectures based on pulse frequency modulation

Mención Internacional en el título de doctorThe purpose of this research work is providing new insights in the development of voltage-controlled oscillator based analog-to-digital converters (VCO-based ADCs). Time-encoding based ADCs have become of great interest to the designer community due to the possibility of implementing mostly digital circuits, which are well suited for current deep-submicron CMOS processes. Within this topic, VCO-based ADCs are one of the most promising candidates. VCO-based ADCs have typically been analyzed considering the output phase of the oscillator as a state variable, similar to the state variables considered in __ modulation loops. Although this assumption might take us to functional designs (as verified by literature), it does not take into account neither the oscillation parameters of the VCO nor the deterministic nature of quantization noise. To overcome this issue, we propose an interpretation of these type of systems based on the pulse frequency modulation (PFM) theory. This permits us to analytically calculate the quantization noise, in terms of the working parameters of the system. We also propose a linear model that applies to VCO-based systems. Thanks to it, we can determine the different error processes involved in the digitization of the input data, and the performance limitations which these processes direct to. A generic model for any order open-loop VCO-based ADCs is made based on the PFM theory. However, we will see that only the first-order case and a second order approximation can be implemented in practice. The PFM theory also allows us to propose novel approaches to both single-stage and multistage VCObased architectures. We describe open-loop architectures such as VCO-based architectures with digital precoding, PFM-based architectures that can be used as efficient ADCs or MASH architectures with optimal noise-transfer-function (NTF) zeros. We also make a first approach to the proposal and analysis of closed loop architectures. At the same time, we deal with one of the main limitations of VCOs (especially those built with ring oscillators), which is the non-linear voltage to- frequency relation. In this document, we describe two techniques mitigate this phenomenon. Firstly, we propose to use a pulse width modulator in front of the VCO. This way, there are only two possible oscillation states. Consequently, the oscillator works linearly. To validate the proposed technique, an experimental prototype was implemented in a 40-nm CMOS process. The chip showed noise problems that degraded the expected resolution, but allowed us to verify that the potential performance was close to the expected one. A potential signal-to-noise-distortion ratio (SNDR) equal to 56 dB was achieved in 20 MHz bandwidth, consuming 2.15 mW with an occupied area equal to 0.03 mm2. In comparison to other equivalent systems, the proposed architecture is simpler, while keeping similar power consumption and linearity properties. Secondly, we used a pulse frequency modulator to implement a second ADC. The proposed architecture is intrinsically linear and uses a digital delay line to increase the resolution of the converter. One experimental prototype was implemented in a 40-nm CMOS process using one of these architectures. Proper results were measured from this prototype. These results allowed us to verify that the PFM-based architecture could be used as an efficient ADC. The measured peak SNDR was equal to 53 dB in 20 MHz bandwidth, consuming 3.5 mW with an occupied area equal to 0.08 mm2. The architecture shows a great linearity, and in comparison to related work, it consumes less power and occupies similar area. In general, the theoretical analyses and the architectures proposed in the document are not restricted to any application. Nevertheless, in the case of the experimental chips, the specifications required for these converters were linked to communication applications (e.g. VDSL, VDSL2, or even G.fast), which means medium resolution (9-10 bits), high bandwidth (20 MHz), low power and low area.El propósito del trabajo presentado en este documento es aportar una nueva perspectiva para el diseño de convertidores analógico-digitales basados en osciladores controlados por tensión. Los convertidores analógico-digitales con codificación temporal han llamado la atención durante los últimos años de la comunidad de diseñadores debido a la posibilidad de implementarlos en su gran mayoría con circuitos digitales, los cuales son muy apropiados para los procesos de diseño manométricos. En este ámbito, los convertidores analógico-digitales basados en osciladores controlados por tensión son uno de los candidatos más prometedores. Los convertidores analógico-digitales basados en osciladores controlados por tensión han sido típicamente analizados considerando que la fase del oscilador es una variable de estado similar a las que se observan en los moduladores __. Aunque esta consideración puede llevarnos a diseños funcionales (como se puede apreciar en muchos artículos de la literatura), en ella no se tiene en cuenta ni los parámetros de oscilación ni la naturaleza determinística del ruido de cuantificación. Para solventar esta cuestión, en este documento se propone una interpretación alternativa de este tipo de sistemas haciendo uso de la teoría de la modulación por frecuencia de pulsos. Esto nos permite calcular de forma analítica las ecuaciones que modelan el ruido de cuantificación en función de los parámetros de oscilación. Se propone también un modelo lineal para el análisis de convertidores analógico-digitales basados en osciladores controlados por tensión. Este modelo permite determinar las diferentes fuentes de error que se producen durante el proceso de digitalización de los datos de entrada y las limitaciones que suponen. Un modelo genérico de convertidor de cualquier orden se propone con la ayuda de este modelo. Sin embargo, solo los casos de primer orden y una aproximación al caso de segundo orden se pueden implementar en la práctica. La teoría de la modulación por frecuencia de pulsos también permite nuevas perspectivas para la propuesta y el análisis tanto de arquitecturas de una sola etapa como de arquitecturas de varias etapas construidas con osciladores controlados por tensión. Se proponen y se describen arquitecturas en lazo abierto como son las basadas en osciladores controlador por tensión con moduladores digitales en la etapa de entrada, moduladores por frecuencia de pulsos que se utilizan como convertidores analógico-digitales eficientes o arquitecturas en cascada en las que se optimizan la distribución de los ceros en la función de transferencia del ruido. También se realiza una aproximación a la propuesta y el análisis de arquitecturas en lazo cerrado. Al mismo tiempo, se aborda una de las problemáticas más importantes de los osciladores controlados por tensión (especialmente en aquellos implementados mediante osciladores en anillo): la relación tensión-freculineal que presentan este tipo de circuitos. En el documento, se describen dos técnicas cuyo objetivo es mitigar esta limitación. La primera técnica de corrección se basa en el uso de un modulador por ancho de pulsos antes del oscilador controlado por tensión. De esta forma, solo existen dos estados de oscilación en el oscilador, se trabaja de forma lineal y no se genera distorsión en los datos de salida. La técnica se propone de forma teórica haciendo uso de la teoría desarrollada previamente. Para llevar a cabo la validación de la propuesta teórica se fabricó un prototipo experimental en un proceso CMOS de 40-nm. El chip mostró problemas de ruido que limitaban la resolución, sin embargo, nos permitió velicar que la resolución ideal que se podrá haber obtenido estaba muy cercana a la resolución esperada. Se obtuvo una potencial relación señal-(ruido-distorsión) igual a 56 dB en 20 MHz de ancho de banda, un consumo de 2.15 mW y un área igual a 0.03 mm2. En comparación con sistemas equivalentes, la arquitectura propuesta es más simple al mismo tiempo que se mantiene el consumo así como la linealidad. A continuación, se propone la implementación de un convertidor analógico digital mediante un modulador por frecuencia de pulsos. La arquitectura propuesta es intrínsecamente lineal y hace uso de una línea de retraso digital con el fin de mejorar la resolución del convertidor. Como parte del trabajo experimental, se fabricó otro chip en tecnología CMOS de 40 nm con dicha arquitectura, de la que se obtuvieron resultados notables. Estos resultados permitieron verificar que la arquitectura propuesta, en efecto, podrá emplearse como convertidor analógico-digital eficiente. La arquitectura consigue una relación real señal-(ruido-distorsión) igual a 53 dB en 20 MHz de ancho de banda, un consumo de 3.5 mW y un área igual a 0.08 mm2. Se obtiene una gran linealidad y, en comparación con arquitecturas equivalentes, el consumo es menor mientras que el área ocupada se mantiene similar. En general, las aportaciones propuestas en este documento se pueden aplicar a cualquier tipo de aplicación, independientemente de los requisitos de resolución, ancho de banda, consumo u área. Sin embargo, en el caso de los prototipos fabricados, las especificaciones se relacionan con el ámbito de las comunicaciones (VDSL, VDSL2, o incluso G.fast), en donde se requiere una resolución media (9-10 bits), alto ancho de banda (20 MHz), manteniendo bajo consumo y baja área ocupada.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Michael Peter Kennedy.- Secretario: Antonio Jesús López Martín.- Vocal: Jörg Hauptman

Arrayable Voltage-Controlled Ring-Oscillator for Direct Time-of-Flight Image Sensors

Direct time-of-flight (d-ToF) estimation with high frame rate requires the incorporation of a time-to-digital converter (TDC) at pixel level. A feasible approach to a compact implementation of the TDC is to use the multiple phases of a voltage-controlled ring-oscillator (VCRO) for the finest bits. The VCRO becomes central in determining the performance parameters of a d-ToF image sensor. In this paper, we are covering the modeling, design, and measurement of a CMOS pseudo-differential VCRO. The oscillation frequency, the jitter due to mismatches and noise and the power consumption are analytically evaluated. This design has been incorporated into a 64x64-pixel array. It has been fabricated in a 0.18 mu m standard CMOS technology. Occupation area is 28x29 mu m(2) and power consumption is 1.17 mW at 850 MHz. The measured gain of the VCRO is of 477 MHz/V with a frequency tuning range of 53%. Moreover, it features a linearity of 99.4% over a wide range of control frequencies, namely, from 400 to 850 MHz. The phase noise is of -102 dBc/Hz at 2 MHz offset frequency from 850 MHz. The influence of these parameters in the performance of the TDC has been measured. The minimum time bin of the TDC is 147 ps with a rms DNL/INL of 0.13/1.7LSB.Office of Naval Research (USA) N000141410355Ministerio de Economía y Competitividad TEC2015-66878-C3-1-RJunta de Andalucía P12-TIC 233

From analog to digital

Analog-to-digital conversion and its reverse, digital-to-analog conversion, are ubiquitous in all modern electronics, from instrumentation and telecommunication equipment to computers and entertainment. We shall explore the consequences of converting signals between the analog and digital domains and give an overview of the internal architecture and operation of a number of converter types. The importance of analog input and clock signal integrity will be explained and methods to prevent or mitigate the effects of interference will be shown. Examples will be drawn from several manufacturers' datasheets