Contribució a l'estudi de l'acoblament per substrat en circuits integrats mixtes

L'acoblament de soroll a través del substrat en circuits integrats mixtos és un important problema que sovint limita les prestacions de la circuiteria analògica. Les característiques d'aquest tipus d'acoblament i els factors que en determinen la importància no són ben compresos, així que calen criteris per tal de triar les millor accions per a resoldre el problema. En els darrers anys s'han proposat algunes tècniques per reduir el soroll de substrat, tot i que no hi ha una idea clara de l'abast de la seva validesa, i de les condicions que calen per a la seva eficàcia. La majoria de l'esforç de recerca que s'ha dedicat a aquest tema s'ha centrat en el desenvolupament de models, que permetin la incorporació del substrat en les eines CAD que s'utilitzen en les fases de simulació dels dissenys. Per tant, aquests resultats de recerca no contribueixen a la comprensió dels aspectes rellevants de l'acoblament.En aquesta tesi doctoral s'ha realitzat un estudi analític i experimental que ha permès determinar les característiques tecnolòiques i de disseny que faciliten l'acoblament vers la circuiteria analògica. S'ha partit d'una caracterització de l'acoblament mitjançant un simulador de dispositius, on s'ha pogut comprovar la importància d'aspectes com el tipus de substrat, la velocitat de commutació dels dispositius, les seves dimensions, o el punt de polarització. La caracterització s'ha realitzat tant per tecnologies CMOS com BiCMOS, i ha estat completada amb mesures sobre estructures de test. Posteriorment s'ha portat a terme un anàlisi de la propagació del soroll en el substrat, amb el que s'han esbrinat les característiques tecnològiques i de polartizació que determinen l'atenuació del soroll. L'anàlisis'ha realizat suposant condicions de polarització ideals, i ha permès determinar el potencial d'algunes mesures per a la minimització de l'acoblament. A continuació s'ha fet una revisió de les diverses tècniques de modelació del substrat, i utilitzant algun dels models s'han pogut realitzar simulacions circuitals per a estudiar l'acoblament en circuits de dimensions realistes, tenint en compte factors com els elements paràsits dels terminals de l'encapsulat, la influència dels pads, o l'estratègia de polarització. Aquest estudi s'ha complementat amb el disseny d'un circuit mixte de test sobre el que s'han fet mesures per a verificar els resultats obtinguts, i corroborar els mecanismes que determinen l'acoblament. La tesi s'ha completat amb una revisió de l'eficàcia d'algunes tècniques específiques per a la reducció del soroll, i amb un estudi de l'evolució en tecnologies futures tant del soroll de commutació a les línies d'alimentació, com del soroll acoblat a través del substrat.El acoplo de perturbaciones a través del sustrato de silicio en circuitos integrados mixtos representa un importante problema que a menudo limita las prestaciones de la circuiteria analógica. Hay una cierta incomprensión de las características del acoplo i de los factotres que que determinan su importancia, de forma que faltan criterios para implementar técnicas que reduzcan el problema. En los últimos años se han propuesto diversas técnicas para la reducción del ruido de sustrato, aunque no estan claros su rango de validez y las condiciones que se deben cumplir para su eficacia. La mayor parte del esfuerzo investigador realizado en este campo se ha centrado en el desarrollo de modelos que faciliten la incorporación del sustrato a las herramientas CAD utilizadas en la fase de simulación de un circuito. Por tanto, esta investigación no ofrece aportaciones en la comprensión de los aspectos relevantes del fenómeno.En esta tesis doctoral se ha realilzado un estudio analítico y experimental que ha permitido determinar las características tecnológicas y de diseño que facilitan el acoplo sobre la circuitería analógica. Se ha partido de una caracterización del acoplamiento mediante un simulador de dispositivos, donde se ha podido comprovar la importancia de aspectos como el tipo de sustrato, la velocidad de conmutación de los dispositivos, sus dimensiones, o el punto de polarización. La caracterización se ha realizado tanto para estructuras CMOS como BiCMOS, y ha sido completada con medidas sobre estructuras de test. Posteriomente se ha llevado a cabo un análisis de la propagación del ruido en el sustrato, con el que se han determinado las características tecnológicas y de polarización que determinan la atenuación del ruido. El análisis se ha realizado suponiendo condiciones de polarización ideales, y ha permitido determinar el potencial de algunas medidas para la minimización del acoplo. A continuación se ha realizado una revisión de las diversas técnicas de modelación del sustrato, y utilizando alguno de los modelos se han podido realizar simulaciones circuitales para estudiar el acoplo en circuitos de dimensiones realistas, teniendo en cuenta factores como los elementos parásitos de los terminales del encapsulado, la influencia de los pads, o la estrategia de polarización. Este estudio se ha complementado con el diseño de un circuito mixto de test sobre el que se han hecho medidas para verificar los resultados obtenidos, y corroborar los mecanismos que determinan el acoplo. La tesi se ha completado con una revisión de la eficacia de algunas técnicas específicas para la reducción del ruido, y con un estudio de la evolución en tecnologías futuras tanto del ruido de conmutación a través de las líneas de alimentación, como del ruido acoplado a través del sustrato.Noise coupling through common silicon substrate in mixed-signal circuits is an important problem that often limits the performance of the analog circuitry. The characteristics of this type of coupling and the factors determining its importance are not well understood, so criteria to choose the best actions to solve the problem are needed. Several techniques to reduce substrate noise have been proposed in the last years, although there is no clear idea about their range of validity, and the conditions required for their efficacy. Most of the research effort done in this field has been centered on the development of models, in order to allow the incorporation of substrate in the CAD tools used in simulation design stages. Thus, these research results do not contribute to the understanding of the relevant aspects of coupling.In this thesis an analytic and experimental study has been done, which has allowed determining the technological and design characteristics relevant in the coupling. The study has started with a characterisation of coupling using a device simulator, which has allowed determining the importance of aspects such as substrate type, device switching speed, device dimensions, or their biasing. Characterisation has been done both for CMOS and BiCMOS technologies, and it has been completed with measurements on test structures. Next an analysis of noise propagation through the substrate has been carried out, which has allowed to find out the biasing and technological characteristics that determine noise attenuation. The analysis has been done assuming ideal biasing conditions, and the potentiality of some noise minimisation measures could be determined. Next a review of the different substrate modelling techniques has been done, and some of the models have been used to perform circuit simulations to study coupling in circuits of some complexity, taking into account factors such as package pins parasitics, the influence of the ring of pads, or the biasing strategy. This study has been complemented with the design and measurements of a mixed-signal test circuit, which allowed verification of the results previously obtained, and the coupling mechanism. Finally the thesis is completed with a review of the efficacy of noise-reducing specific techniques, and with the study of the trends of switching noise on power supply lines and substrate for near future technologies

Differential temperature sensors: Review of applications in the test and characterization of circuits, usage and design methodology

Differential temperature sensors can be placed in integrated circuits to extract a signature ofthe power dissipated by the adjacent circuit blocks built in the same silicon die. This review paper firstdiscusses the singularity that differential temperature sensors provide with respect to other sensortopologies, with circuit monitoring being their main application. The paper focuses on the monitoringof radio-frequency analog circuits. The strategies to extract the power signature of the monitoredcircuit are reviewed, and a list of application examples in the domain of test and characterizationis provided. As a practical example, we elaborate the design methodology to conceive, step bystep, a differential temperature sensor to monitor the aging degradation in a class-A linear poweramplifier working in the 2.4 GHz Industrial Scientific Medical—ISM—band. It is discussed how,for this particular application, a sensor with a temperature resolution of 0.02 K and a high dynamicrange is required. A circuit solution for this objective is proposed, as well as recommendations for thedimensions and location of the devices that form the temperature sensor. The paper concludes with adescription of a simple procedure to monitor time variability.Postprint (published version

Desenvolupament d'un sistema de comunicacions integrat per part d'estudiants de 2on cicle de l'ETSETB de la Universitat Politècnica de Catalunya

El projecte ha consistit en el disseny i fabricació d’un circuit integrat que conté un receptor Bluetooth per a xarxes sense fils en una tecnologia CMOS de 0,35 m. Els objectius del projecte eren realitzar una experiència de treball tutelat en el camp del disseny de circuits integrats avançats per part d’estudiants de 2on. cicle de l’ETSETB a través del qual poguessin aplicar els coneixements adquirits en diferents assignatures a un projecte comú, alhora que aprenien a fer servir les eines i els procediments de disseny professionals en l’àmbit dels circuits microelectrònics. La peculiaritat de la metodologia és que els estudiants hi han treballat de forma voluntària durant l’horari no lectiu, tot i que aquesta activitat se’ls ha reconegut com crèdits ALE. Primer han hagut d’aprendre a fer servir les eines de disseny mitjançant uns tutorials d’autoaprenentatge desenvolupats pels professors i més tard s’enfrontaven al disseny i realització de sub-blocs senzills del disseny global. El treball dels estudiants ha fet possible el disseny d’un receptor integrat complert en un temps d’uns 12 mesos que s’acaba d’enviar a fabricar

A 250-ps integrated ultra-wideband timed array beamforming receiver in 0.18 um CMOS

This paper presents a 4-channel ultra-wideband (UWB) timed array beamforming receiver designed in a standard 0.18-um CMOS technology. The proposed timed array receiver achieves a maximum delay of 250 ps at the maximum beam steering angle of +/-42o with 10.5o (8 steps) steering resolution and 2-cm antenna spacing. Each receiver channel provides gains ranging from 3.6 to -35 dB and less than 8% delay variation for all delay settings over a 3.1-10.6-GHz frequency range, while consuming a maximum of 58 mW power from a 1.8-V supply. The average -1-dB compression point P1dB is -9.9 dBm. The proposed architecture is modeled and simulated by using Virtuoso Cadence.This work has been partially supported by the Spanish Ministerio de Ciencia, Innovacion y Universidades (MICINN)- ´ Agencia Estatal de Investigacion (AEI) and the European ´ Regional Development Funds (FEDER), by project PGC2018- 098946-B-I00.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Bluetooth: circuits, sistemes i aplicacions en l'entorn de les TIC

En el projecte s'han implementat uns mòduls formatius, que inclouen tant una vessant teòrica com una part experimental, que permetin a un estudiant de segon cicle de la ETSETB conèixer i desenvolupar aplicacions sobre un sistema de comunicacions sense fils de baix cost i àmplia acceptació comercial com és l'estàndard Bluetooth. Aquest sistema té la particularitat d'integrar aspectes horitzontals del currículum d'un enginyer de telecomunicacions, ja que comprèn aspectes de protocols de comunicacions, processat i transmissió del senyal, i integració de circuiteria digital, analògica i de radiofreqüència en tecnologia CMOS de baix cost. D'aquesta manera, a través dels mòduls formatius l'estudiant aplica i integra coneixements adquirits en assignatures del seu pla d'estudis corresponents a diverses àrees. En el projecte s'ha elaborat un temari, suportat per un material accessible a través d'una web, alhora que unes pràctiques de laboratori amb material específic. Tots aquests continguts poden ser utilitzats per diverses assignatures troncals i optatives del pla d'estudis d'Enginyeria de Telecomunicació de l'ETSETB

BPF-based thermal sensor circuit for on-chip testing of RF circuits

A new sensor topology meant to extract figures of merit of radio-frequency analog integrated circuits (RF-ICs) was experimentally validated. Implemented in a standard 0.35 µm complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology, it comprised two blocks: a single metaloxide-semiconductor (MOS) transistor acting as temperature transducer, which was placed near the circuit to monitor, and an active band-pass filter amplifier. For validation purposes, the temperature sensor was integrated with a tuned radio-frequency power amplifier (420 MHz) and MOS transistors acting as controllable dissipating devices. First, using the MOS dissipating devices, the performance and limitations of the different blocks that constitute the temperature sensor were characterized. Second, by using the heterodyne technique (applying two nearby tones) to the power amplifier (PA) and connecting the sensor output voltage to a low-cost AC voltmeter, the PA’s output power and its central frequency were monitored. As a result, this topology resulted in a low-cost approach, with high linearity and sensitivity, for RF-IC testing and variability monitoring.This research was funded by Spanish AEI–Agencia Estatal de Investigación–grant number PID2019-103869RB-C33. (X.P.) has also received founds from the Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities through Agencia Estatal de Investigación (AEI) (projects: HIPERCELLS, RTI2018-098392B-I00, and “Fiabilidad Inteligente”, PCI2020-112028).Peer ReviewedPostprint (published version

VCO phase noise and sideband spurs due to substrate noise generated by on-chip digital circuits

© 2006 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes,creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.This paper presents the effects of noise generated by realistic digital circuits on RF voltage controlled oscillators (VCO) integrated in the same silicon die. The digital noise is coupled through the common substrate and generates both phase noise and sideband spurs at the VCO output. The noise coupling and impact mechanisms, and their dependence on the VCO operating conditions (control voltage, gain and bias current) are investigated.Peer ReviewedPostprint (published version

A low-power RF front-end for 2.5 GHz receivers

© 2008 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes,creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.This paper presents a low power and low cost front end for a direct conversion 2.5 GHz ISM band receiver composed of a 16 kV HBM ESD protected LNA, differential Gilbert-cell mixers, and high-pass filters for DC offset cancellation. The whole front-end is implemented in a 2P6M 0.18 µm RFCMOS process. It exhibits a voltage gain of 24dB and a SSB noise figure of 8.4dB which make it suitable for most of the 2.5 GHz wireless short-range communication transceivers. The achieved power consumption is only 1.06mW from a 1.2V power supply.Peer ReviewedPostprint (published version

MOSFET degradation dependence on input signal power in a RF power amplifier

Aging produced by RF stress is experimentally analyzed on a RF CMOS power amplifier (PA), as a function of the stress power level. The selected circuit topology allows observing individual NMOS and PMOS transistors degradations, as well as the aging effect on the circuit functionality. A direct relation between DC MOSFETs and RF PA (gain) parameters has been observed. NMOS degradation (both in mobility and Vth) is stronger than that of the PMOS. Results suggest that transistors mobility reduction is the main cause of the RF degradation in this circuit.Postprint (published version