Analog CMOS integrated circuit design

Master'sMASTER OF ENGINEERIN

Systematic Comparison of HF CMOS Transconductors

Transconductors are commonly used as active elements in high-frequency (HF) filters, amplifiers, mixers, and oscillators. This paper reviews transconductor design by focusing on the V-I kernel that determines the key transconductor properties. Based on bandwidth considerations, simple V-I kernels with few or no internal nodes are preferred. In a systematic way, virtually all simple kernels published in literature are generated. This is done in two steps: 1) basic 3-terminal transconductors are covered and 2) then five different techniques to combine two of them in a composite V-I kernel. In order to compare transconductors in a fair way, a normalized signal-to-noise ratio (NSNR) is defined. The basic V-I kernels and the five classes of composite V-I kernels are then compared, leading to insight in the key mechanisms that affect NSNR. Symbolic equations are derived to estimate NSNR, while simulations with more advanced MOSFET models verify the results. The results show a strong tradeoff between NSNR and transconductance tuning range. Resistively generated MOSFETs render the best NSNR results and are robust for future technology developments

Design of adaptive analog filters for magnetic front-end read channels

Esta tese estuda o projecto e o comportamento de filtros em tempo contínuo de muito-alta-frequência. A motivação deste trabalho foi a investigação de soluções de filtragem para canais de leitura em sistemas de gravação e reprodução de dados em suporte magnético, com custos e consumo (tamanho total inferior a 1 mm2 e consumo inferior a 1mW/polo), inferiores aos circuitos existentes. Nesse sentido, tal como foi feito neste trabalho, o rápido desenvolvimento das tecnologias de microelectrónica suscitou esforços muito significativos a nível mundial com o objectivo de se investigarem novas técnicas de realização de filtros em circuito integrado monolítico, especialmente em tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Apresenta-se um estudo comparativo a diversos níveis hierárquicos do projecto, que conduziu à realização e caracterização de soluções com as características desejadas. Num primeiro nível, este estudo aborda a questão conceptual da gravação e transmissão de sinal bem como a escolha de bons modelos matemáticos para o tratamento da informação e a minimização de erro inerente às aproximações na conformidade aos princípios físicos dos dispositivos caracterizados. O trabalho principal da tese é focado nos níveis hierárquicos da arquitectura do canal de leitura e da realização em circuito integrado do seu bloco principal – o bloco de filtragem. Ao nível da arquitectura do canal de leitura, apresenta-se um estudo alargado sobre as metodologias existentes de adaptação de sinal e recuperação de dados em suporte magnético. Este desígnio aparece no âmbito da proposta de uma solução de baixo custo, baixo consumo, baixa tensão de alimentação e baixa complexidade, alicerçada em tecnologia digital CMOS, para a realização de um sistema DFE (Decision Feedback Equalization) com base na igualização de sinal utilizando filtros integrados analógicos em tempo contínuo. Ao nível do projecto de realização do bloco de filtragem e das técnicas de implementação de filtros e dos seus blocos constituintes em circuito integrado, concluiu-se que a técnica baseada em circuitos de transcondutância e condensadores, também conhecida como filtros gm-C (ou transcondutância-C), é a mais adequada para a realização de filtros adaptativos em muito-alta-frequência. Definiram-se neste nível hierárquico mais baixo, dois subníveis de aprofundamento do estudo no âmbito desta tese, nomeadamente: a pesquisa e análise de estruturas ideais no projecto de filtros recorrendo a representações no espaço de estados; e, o estudo de técnicas de realização em tecnologia digital CMOS de circuitos de transcondutância para a implementação de filtros integrados analógicos em tempo contínuo. Na sequência deste estudo, apresentam-se e comparam-se duas estruturas de filtros no espaço de estados, correspondentes a duas soluções alternativas para a realização de um igualador adaptativo realizado por um filtro contínuo passa-tudo de terceira ordem, para utilização num canal de leitura de dados em suporte magnético. Como parte constituinte destes filtros, apresenta-se uma técnica de realização de circuitos de transcondutância, e de realização de condensadores lineares usando matrizes de transístores MOSFET para processamento de sinal em muito-alta-frequência realizada em circuito integrado usando tecnologia digital CMOS submicrométrica. Apresentam-se métodos de adaptação automática capazes de compensar os erros face aos valores nominais dos componentes, devidos às tolerâncias inerentes ao processo de fabrico, para os quais apresentamos os resultados de simulação e de medição experimental obtidos. Na sequência deste estudo, resultou igualmente a apresentação de um circuito passível de constituir uma solução para o controlo de posicionamento da cabeça de leitura em sistemas de gravação/reprodução de dados em suporte magnético. O bloco proposto é um filtro adaptativo de primeira ordem, com base nos mesmos circuitos de transcondutância e técnicas de igualação propostos e utilizados na implementação do filtro adaptativo de igualação do canal de leitura. Este bloco de filtragem foi projectado e incluído num circuito integrado (Jaguar) de controlo de posicionamento da cabeça de leitura realizado para a empresa ATMEL em Colorado Springs, e incluído num produto comercial em parceria com uma empresa escocesa utilizado em discos rígidos amovíveis.This thesis studies the design and behavior of continuous-time very-high-frequency filters. The motivation of this work was the search for filtering solutions for the readchannel in recording and reproduction of data on magnetic media systems, with costs and consumption (total size less than 1 mm2 and consumption under 1mW/pole), lower than the available circuits. Accordingly, as was done in this work, the rapid development of microelectronics technology raised very significant efforts worldwide in order to investigate new techniques for implementing such filters in monolithic integrated circuit, especially in CMOS technology (Complementary Metal Oxide Semiconductor). We present a comparative study on different hierarchical levels of the project, which led to the realization and characterization of solutions with the desired characteristics. In the first level, this study addresses the conceptual question of recording and transmission of signal and the choice of good mathematical models for the processing of information and minimization of error inherent in the approaches and in accordance with the principles of the characterized physical devices. The main work of this thesis is focused on the hierarchical levels of the architecture of the read channel and the integrated circuit implementation of its main block - the filtering block. At the architecture level of the read channel this work presents a comprehensive study on existing methodologies of adaptation and signal recovery of data on magnetic media. This project appears in the sequence of the proposed solution for a lowcost, low consumption, low voltage, low complexity, using CMOS digital technology for the performance of a DFE (Decision Feedback Equalization) based on the equalization of the signal using integrated analog filters in continuous time. At the project level of implementation of the filtering block and techniques for implementing filters and its building components, it was concluded that the technique based on transconductance circuits and capacitors, also known as gm-C filters is the most appropriate for the implementation of very-high-frequency adaptive filters. We defined in this lower level, two sub-levels of depth study for this thesis, namely: research and analysis of optimal structures for the design of state-space filters, and the study of techniques for the design of transconductance cells in digital CMOS circuits for the implementation of continuous time integrated analog filters. Following this study, we present and compare two filtering structures operating in the space of states, corresponding to two alternatives for achieving a realization of an adaptive equalizer by the use of a continuous-time third order allpass filter, as part of a read-channel for magnetic media devices. As a constituent part of these filters, we present a technique for the realization of transconductance circuits and for the implementation of linear capacitors using arrays of MOSFET transistors for signal processing in very-high-frequency integrated circuits using sub-micrometric CMOS technology. We present methods capable of automatic adjustment and compensation for deviation errors in respect to the nominal values of the components inherent to the tolerances of the fabrication process, for which we present the simulation and experimental measurement results obtained. Also as a result of this study, is the presentation of a circuit that provides a solution for the control of the head positioning on recording/playback systems of data on magnetic media. The proposed block is an adaptive first-order filter, based on the same transconductance circuits and equalization techniques proposed and used in the implementation of the adaptive filter for the equalization of the read channel. This filter was designed and included in an integrated circuit (Jaguar) used to control the positioning of the read-head done for ATMEL company in Colorado Springs, and part of a commercial product used in removable hard drives fabricated in partnership with a Scottish company

Automatic tuning for linearly tunable filter

A new tuning scheme for linearly tunable high-Q filters is proposed. The tuning method is based on using the phase information for both frequency and Q factor tuning. There is no need to find out the relationship between a filter's passband magnitude and Q. A gm-C biquadratic filter is designed to demonstrate the proposed tuning circuitry. The project includes a phase locked loop (PLL) based frequency tuning loop, reference clock generator, and differential difference amplifier (DDA) for dealing with frequency and Q factor tuning loop and linearly tunable second order gm-C bandpass filter. Simulation results for a 10 MHz prototype filter using AMI 0.5μm process is presented. The chip testing results show that the automatic frequency tuning error is 2.5% for the 10 MHz case

Caracterização de amplificador de transcondutância diferencial de diferenças baseada em inversores CMOS

This dissertation presents the Differential Transconductance Differences Amplifier (FDDTA) architecture based on CMOS inverters. Designed on a 130 nm CMOS process, it operates in weak inversion when supplied with 0.25 V. Furthermore, FDDTA does not require supplemental external calibration circuitry such as bias current or voltage sources as it relies on the distributed layout technique that intrinsically matches CMOS inverters. For analytical purposes, we performed a detailed investigation that describes all the concepts and the entire functioning of the FDDTA architecture.Esta dissertação apresenta a arquitetura de amplificador de transcondutância diferencial de diferenças (FDDTA) baseada em inversores CMOS. Projetado em um processo CMOS de 130 nm, opera em inversão fraca quando alimentado com 0,25 V. Além disso, o FDDTA não requer circuito de calibração externa suplementar, como fontes de corrente ou tensão de polarização, uma vez que depende da técnica de layout distribuído que casa intrinsecamente aos inversores CMOS. Para fins analíticos, realizamos uma investigação detalhada que descreve todos os conceitos e todo o funcionamento da arquitetura do FDDTA

Polyphase filter with parametric tuning

Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 201