High-performance Analog-to-Digital Converters and Line Drivers
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (monograph)
| Defence date: 2016-02-19
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2016
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
167
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 18/2016
Abstract
Nowadays, a high-speed medium-accuracy analog-to-digital converter (ADC) is required in numerous applications, such as a synthetic aperture radar (SAR) system, wireless local area network (WLAN) receiver, or DVD and Blu-Ray readout. As one of the two main parts, this dissertation presents the design and implementation of wideband high-speed medium-accuracy pipeline ADC as a part of a receiver of a SAR system, implemented in a deep-submicron CMOS process. Technology scaling of modern narrow line width CMOS processes has enabled higher bandwidths, but from dynamic range and accuracy perspectives, analog design of integrated circuits has become more challenging. This thesis presents detailed design of the critical analog circuit blocks of the pipeline ADC, covering two fabricated 130-nm 440-MS/s programmable 5-8-bit ADC prototypes for a SAR receiver. Due to their flexibility, the ADCs can be optimized for several standards in accordance with the accuracy and power. The second ADC was also measured together with the entire receiver. The ADC discussion of this thesis is twofold, and the SAR receiver discussion is followed by a design case of an ADC for pressure sensors, where low power and high accuracy are required.The design and measurements of a 350-nm 28-microwatt 14-bit 16-kS/s Delta Sigma modulator are presented. Adequate accuracy and low consumption of total system power make the modulator a very suitable structure for this indicated application. The other main part of this thesis consists of high-speed IO drivers in modern wideband transceivers. Nowadays, multi-functional mobile phones need to be of a compact size, and thus serial link wireline IO drivers are tempting alternatives to be used for the internal communication. This leads to very rapid data rates and a challenging EMI environment in proximity to the IO, and the coupling of EMI to radio receivers inside the same device becomes critical. Furthermore, in a battery-powered system the power consumption should be minimized. Conventional current-mode drivers can achieve very low output noise, at a cost of several times higher power consumption compared to voltage-mode drivers. This thesis presents the design and measurement results of a 200-400-mV 5.8-Gbps 40-nm CMOS voltage-mode transmitter driver consuming inherently low power. As an original research work, the measurements show sufficiently low output noise, making the driver a suitable structure to be used in mobile devices. The high-speed IO driver discussion is completed with design examples of an 8-Gbps LVDS input data interface and an 8-GHz local oscillator signal buffer and divider for a LTE base station transmitter. Nopea ja kohtuullisen tarkka A/D-muunnin on oleellinen piirilohko lukuisissa nykyaikaisissa sovelluksissa. Toisena pääkokonaisuutena tämä väitöskirja tarkastelee liukuhihna-A/D-muuntimen suunnittelua osana kapean viivanleveyden CMOS-teknologialla integroitua laajakaistaista synteettisen apertuuritutkan vastaanotinta. Nykyaikaiset CMOS-teknologiat ovat mahdollistaneet aiempaa laajemmat kaistanleveydet, toisaalta matalampi käyttöjännite ja transistorien pienentynyt luontainen vahvistus ovat tehneet analogisten integroitujen mikropiirien suunnittelun haastavammaksi. Tämä väitöstyö esittää yksityiskohtaisesti kriittisten piirilohkojen suunnittelun nopeaan liukuhihna-A/D-muuntimeen, kattaen kaksi 130 nm CMOS-teknologialla toteutettua 440 Meganäytettä/s 5-8-bittistä A/D-muunninta osana synteettisen apertuuritutkan vastaanotinta. Resoluution ohjelmoitavuuden ansiosta muunnin voidaan optimoida useaan standardiin vaaditun tarkkuuden ja tehonkulutuksen mukaan. Jälkimmäinen A/D-muunnin mitattiin myös koko vastaanottimen kanssa. Työssä esitettävä A/D-muuntimien tarkastelu on kahtalaista. Tarkastelua laajennetaan paineanturisovellukseen, jossa muuntimelta vaaditaan matalaa tehonkulutusta ja korkeaa tarkkuutta. Työssä esitetään 350 nm CMOS teknologialla suunnitellun 28 mikrowatin 14 bitin tarkkuuden 16-kilonäytettä/s Delta Sigma-modulaattorin mittaustulokset. Tarkkuutensa ja pienen tehonkulutuksensa ansiosta modulaattori sopii hyvin tarkoitukseensa. Toinen työn pääkokonaisuuksista käsittelee nopeita tulo- ja lähtörajapintoja osana laajakaistaisia lähettimiä ja vastaanottimia. Nykyisin esimerkiksi matkapuhelimien tulee sisältää lukuisia toimintoja pienessä koossa. Tällöin sarjamuotoisen tiedonsiirron käyttö laitteen sisäiseen kommunikointiin on houkuttelevaa. Erittäin suuret tiedonsiirtonopeudet tekevät sähkömagneettisten häiriöiden kytkeytymisen laitteen radiovastaanottimiin kriittiseksi. Akkukäyttöisissä järjestelmissä myös matala tehonkulutus on hyvin tärkeää. Virtamuotoisilla ajureilla voidaan saavuttaa hyvin matala lähdön kohinataso, mutta tehonkulutus on moninkertainen jännitemuotoisiin ajureihin verrattuna. Alkuperäisenä tutkimustuloksena työssä esitetään 200-400 mV käyttöjännitteen 5.8 Gigabittiä/s 40 nm CMOS-teknologialla integroidun jännitemuotoisen ajurin mittaukset, jotka osoittavat ajurin saavuttavan riittävän alhaisen lähdön kohinatason, ja näin ollen ajuritopologian soveltuvuuden matkapuhelimiin. Lopuksi lähtö- ja tuloajurien tarkastelua täydennetään esimerkeillä, kattaen 8 Gigabittiä/s digitaalisen tuloajurin ja 8 GHz paikallisoskillaattorisignaalin tuloajurin.Description
Supervising professor
Ryynänen, Jussi, Prof., Aalto University, Department of Micro- and Nanosciences, FinlandThesis advisor
Stadius, Kari, Dr., Aalto University, Department of Micro- and Nanosciences, FinlandKeywords
CMOS, pipeline A/D converter, Delta-Sigma A/D converter, serial link, IO driver, liukuhihna-A/D muunnin, Delta-Sigma-A/D muunnin, sarjalinkki, tulo/lähtö
