RT Dissertation/Thesis
T1 MEMS microphone digital interfaces based on open-loop VCO-ADCs
A1 Quintero Alonso, Andrés
AB In recent years, analog-to-digital converters (ADCs) designed with voltagecontrolledoscillators (VCOs) have gained popularity due to their mostlydigital implementation, among other benefits. These analog-to-digital conversionarchitectures can take advantage of the current miniaturization inthe complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) technology, specificallyin terms of die area, power consumption and scalability. Furthermore,digital circuitry can be implemented in a semi-custom design flowwith available computer-aided design (CAD) tools, simplifying and makingless costly the design process. This dissertation proposes the developmentand implementation of digital interfaces for capacitive microelectromechanicalsystems (MEMS) microphones based on open-loop VCO-ADCs.The design of open-loop VCO-ADC interfaces for sensors can be dividedinto two different approaches. The first one is associated with the implementationof the input-signal-to-frequency conversion stage, which consistsof the oscillator and the circuit for the interconnection between sensor andoscillator. This part of the converter translates the analog input signal variation,which is a voltage signal in a capacitive MEMS microphone, into afrequency variation of the oscillator output signal. The design of this stageis aimed to reduce the flicker and thermal noise contribution that limitsthe ADC resolution. In the oscillator, these noise sources appear as phasenoise, which is demodulated after sampling as a low frequency noise. Anotherlimiting factor inherent to the oscillator in open-loop architecturesis the non-linear relationship between input signal and output frequency.Usually, the estimation of the degradation caused by these impairmentsis done by transient simulations that consume a significant computationaltime. This complicates the iterative optimization in terms of phase noise,power consumption and area during the oscillator design process. In thisthesis is proposed a methodology based on periodic steady state (PSS) and putacional significativo. Esto hace que se complique el diseño basado enla optimización iterativa de parámetros del oscilador tales como el ruidode fase, el consumo de potencia y el área. En esta tesis se propone unametodología basada en simulaciones PSS y PNOISE para realizar una optimización iterativa del oscilador con un tiempo computacional reducido.El segundo enfoque en el diseño de interfaces de lazo abierto basadasen osciladores para sensores está relacionado con la etapa de conversiónde frecuencia a digital. Este circuito mayormente digital convierte la salidadel oscilador codificada en frecuencia a una secuencia digital, la cuales proporcional a la variación de la señal analógica de entrada del convertidor.Entre los objetivos de diseño más importantes para este bloquese encuentran la mejora de la resolución del convertidor y la optimizacióndel consumo de potencia. Esto es abordado en esta tesis a través de lapropuesta de dos arquitecturas diferentes para la conversión de frecuenciaa digital. La primera de ellas utiliza un convertidor tiempo-digital paramejorar la resolución del convertidor sin incrementar el orden del conformadode ruido o la frecuencia del reloj del sistema, mientras que la segundase basa en una arquitectura novedosa de cuantificación gruesa-fina de bajoconsumo.Para demostrar la viabilidad de las arquitecturas de conversión de datospropuestas para micrófonos MEMS de tipo capacitivo, se han diseñado eimplementado dos prototipos en tecnología CMOS de 130 nm. El primerchip implementado está basado en la arquitectura del convertidor tiempodigital,el cual alcanza un rango dinámico de 100 dB-A con un punto desobrecarga acústica de 130 dBSPL. El segundo chip propuesto incorporaun circuito de cuantificación grueso-fino con robustez frente a errores demetaestabilidad y sincronización. Este ocupa un área activa de 0.04 mm2con un consumo de potencia de 240 μW, alcanzando un rango dinámicode 97 dB-A en un modo de operación normal. En un modo de operaciónde potencia reducida alcanza un rango dinámico de 93 dB-A consumiendosólo 77 μW.
AB En los últimos años, los convertidores analógico-digitales diseñados conosciladores controlados por tensión han ganado una gran popularidad debidoa su implementación con circuitos mayormente digitales, entre otrasventajas. Estas arquitecturas de conversión analógico-digital se beneficiande la miniaturización actual de la tecnología CMOS, específicamente entérminos de área, consumo de potencia y escalabilidad. Además, los circuitosdigitales pueden ser implementados de manera semiautomática conlas herramientas actuales de diseño asistido por ordenador, simplificandoy reduciendo los costos del proceso de diseño. Esta tesis propone el desarrolloe implementación de interfaces digitales para micrófonos MEMS detipo capacitivo empleando convertidores analógico-digitales implementadoscon osciladores controlados por tensión.El diseño de interfaces de conversión de datos de lazo abierto basadasen osciladores para sensores se puede entender mediante dos enfoques diferentes.El primero de ellos está asociado con la implementación de la etapade conversión de la señal de entrada a frecuencia, la cual está conformadapor el oscilador y el circuito encargado de la interconexión entre el sensory el oscilador. Esta parte del convertidor traduce la variación de laseñal analógica de entrada, la cual es una tensión en el caso de micrófonosMEMS de tipo capacitivo, en una variación de frecuencia de la señal desalida del oscilador. El diseño de esta etapa está enfocado en la reducciónde los ruidos flicker y térmico que limitan la resolución del convertidor.Tales ruidos aparecen en el oscilador en forma de ruido de fase, el cuales demodulado después del muestreo como una componente de ruido debaja frecuencia. Otro factor limitante que aparece en el oscilador en arquitecturasde lazo abierto es la distorsión provocada por la no linealidadentre la señal de entrada y la frecuencia de oscilación. Usualmente, laestimación de la degradación causada por estas limitaciones is realizadamediante simulaciones transitorias, las cuales consumen un tiempo computacional significativo. Esto hace que se complique el diseño basado enla optimización iterativa de parámetros del oscilador tales como el ruidode fase, el consumo de potencia y el área. En esta tesis se propone unametodología basada en simulaciones PSS y PNOISE para realizar una optimización iterativa del oscilador con un tiempo computacional reducido.El segundo enfoque en el diseño de interfaces de lazo abierto basadasen osciladores para sensores está relacionado con la etapa de conversiónde frecuencia a digital. Este circuito mayormente digital convierte la salidadel oscilador codificada en frecuencia a una secuencia digital, la cuales proporcional a la variación de la señal analógica de entrada del convertidor.Entre los objetivos de diseño más importantes para este bloquese encuentran la mejora de la resolución del convertidor y la optimizacióndel consumo de potencia. Esto es abordado en esta tesis a través de lapropuesta de dos arquitecturas diferentes para la conversión de frecuenciaa digital. La primera de ellas utiliza un convertidor tiempo-digital paramejorar la resolución del convertidor sin incrementar el orden del conformadode ruido o la frecuencia del reloj del sistema, mientras que la segundase basa en una arquitectura novedosa de cuantificación gruesa-fina de bajoconsumo.Para demostrar la viabilidad de las arquitecturas de conversión de datospropuestas para micrófonos MEMS de tipo capacitivo, se han diseñado eimplementado dos prototipos en tecnología CMOS de 130 nm. El primerchip implementado está basado en la arquitectura del convertidor tiempo digital,el cual alcanza un rango dinámico de 100 dB-A con un punto desobrecarga acústica de 130 dBSPL. El segundo chip propuesto incorporaun circuito de cuantificación grueso-fino con robustez frente a errores demetaestabilidad y sincronización. Este ocupa un área activa de 0.04 mm2con un consumo de potencia de 240 μW, alcanzando un rango dinámicode 97 dB-A en un modo de operación normal. En un modo de operaciónde potencia reducida alcanza un rango dinámico de 93 dB-A consumiendosólo 77 μW.
YR 2020
FD 2020-12
LK https://hdl.handle.net/10016/32183
UL https://hdl.handle.net/10016/32183
LA eng
DS e-Archivo
RD 1 sept. 2024