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