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Digitally assisted analog electronics: trade-offs and applications on mixed signal and RF front-ends

Xiong, Botao :
Digitally assisted analog electronics: trade-offs and applications on mixed signal and RF front-ends.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6288]
Technische Universität , Darmstadt
[Dissertation], (2017)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6288

Kurzbeschreibung (Abstract)

The development of integrated circuits has been governed by Moore's law for several decades. Through continuous advancements in CMOS technology, the industry has maintained exponential progress rates in transistor miniaturization and integration density. However, this technology scaling trend is only conditionally beneficial for analog circuit performance. Compared with the analog circuits, digital circuits are cheaper, faster, more complex, and more power efficient. Due to these reasons, the researchers are undertaking a paradigm shift from high performance analog circuits to digitally assisted analog circuits. Adaptive impedance matching techniques are attractive because they provide resilience to antenna impedance variation caused by body-effects and several other reasons. In principle, they can preserve maximum radiated power, power amplifier linearity, receiver sensitivity, and power efficiency of a mobile phone simultaneously. However, achieving proper adaptive impedance control over a large impedance region is a challenge. Recent analog and RF circuits are increasing performance and efficiency with the aid of digital technology. To apply this technique to a reconfigurable antenna system, a fully integrated micro-controller based on AMS H35 technology has been designed. Digital calibration blocks wrapped around an analog core are capable of performing dead time and impedance matching schemes. Therefore, the intelligence and robustness of the system are improved significantly. Furthermore, compared with S11 controller (18.8mm2, 186mW), the silicon area of the digitally assisted circuit (4mm2, 62mW) is acceptable. In addition, this dissertation presents a set of convergence criteria for the tunable matching network, which leads to the finding of matching point with high probability. Furthermore, to accelerate the convergence speed, the binary search tuning algorithm has been proposed. In contrast to the single step method, the tuning speed is improved from O(N) to O(log(N)).

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2017
Autor(en): Xiong, Botao
Titel: Digitally assisted analog electronics: trade-offs and applications on mixed signal and RF front-ends
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

The development of integrated circuits has been governed by Moore's law for several decades. Through continuous advancements in CMOS technology, the industry has maintained exponential progress rates in transistor miniaturization and integration density. However, this technology scaling trend is only conditionally beneficial for analog circuit performance. Compared with the analog circuits, digital circuits are cheaper, faster, more complex, and more power efficient. Due to these reasons, the researchers are undertaking a paradigm shift from high performance analog circuits to digitally assisted analog circuits. Adaptive impedance matching techniques are attractive because they provide resilience to antenna impedance variation caused by body-effects and several other reasons. In principle, they can preserve maximum radiated power, power amplifier linearity, receiver sensitivity, and power efficiency of a mobile phone simultaneously. However, achieving proper adaptive impedance control over a large impedance region is a challenge. Recent analog and RF circuits are increasing performance and efficiency with the aid of digital technology. To apply this technique to a reconfigurable antenna system, a fully integrated micro-controller based on AMS H35 technology has been designed. Digital calibration blocks wrapped around an analog core are capable of performing dead time and impedance matching schemes. Therefore, the intelligence and robustness of the system are improved significantly. Furthermore, compared with S11 controller (18.8mm2, 186mW), the silicon area of the digitally assisted circuit (4mm2, 62mW) is acceptable. In addition, this dissertation presents a set of convergence criteria for the tunable matching network, which leads to the finding of matching point with high probability. Furthermore, to accelerate the convergence speed, the binary search tuning algorithm has been proposed. In contrast to the single step method, the tuning speed is improved from O(N) to O(log(N)).

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Datentechnik > Integrierte Elektronische Systeme
Hinterlegungsdatum: 11 Jun 2017 19:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6288
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-62885
Gutachter / Prüfer: Hofmann, Prof. Dr. Klaus ; Hollstein, Prof. Dr. Thomas
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 8 Mai 2017
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Die Entwicklung integrierter Schaltkreise wurde jahrzehntelang durch das Mooresche Gesetz geregelt. Durch ständige Weiterentwicklungen in der CMOS-Technologie erreicht die Branche exponentielle Fortschritte in der Miniaturisierung von Transistoren und der Integrationsdichte. Der Skalierungstrend dieser Technologie ist für die Leistung analoger Schaltkreise jedoch nur bedingt von Vorteil. Im Vergleich mit analogen Schaltkreisen sind digitale Schaltkreise billiger, schneller, komplexer und energieeffizienter. Aus diesen Gründen haben die Forscher einen Paradigmenwechsel von analogen Hochleistungsschaltkreisen hin zu digital unterstützten analogen Schaltkreisen vollzogen. Die Techniken der adaptiven Impedanzanpassung sind attraktiv, weil sie widerstandsfähig gegenüber den Impedanzschwankungen der Antenne sind, die durch Körpereffekte und einige andere Gründe verursacht werden. Prinzipiell können sie die maximale Strahlungsleistung, die Linearität der Leistungsverstärker, die Empfängerempfindlichkeit und die Energieeffizienz eines Mobiltelefons gleichzeitig erhalten. Die Herausforderung besteht jedoch darin, die korrekte adaptive Impedanzkontrolle über einen grossen Scheinwiderstandbereich zu erreichen. Moderne analoge und HF-Schaltungen steigern die Leistung und Effizienz mit Hilfe digitaler Technologie. Zum Einsatz dieser Technik bei einem rekonfigurierbaren Antennensystem wurde ein auf AMS H35-Technologie basierender, vollständig integrierter Mikrocontroller konstruiert. Digitale Kalibrierblöcke, die um einen analogen Kern herum angeordnet sind, ermöglichen die Durchführung von Totzeit sowie Impedanzanpassung. Auf diese Weise werden die Intelligenz und die Robustheit des Systems deutlich verbessert. Zudem bleiben im Vergleich mit einem S11-Controller (18.8mm2, 186mW) der Siliziumbereich der digital assistierten Schaltung(4mm2, 62mW) in einem akzeptablen Rahmen. Des Weiteren präsentiert diese Abhandlung eine Reihe unimodaler Kriterien für das abstimmbare Anpassungsnetzwerk, die es erlauben, den Punkt des globalen Optimums zu finden mit hoher Wahrscheinlichkeit. Darüber hinaus dient ein binärer Suchabstimmalgorithmus zur Erhöhung der Konvergenzgeschwindigkeit. Im Gegensatz zur Einzelschritt-Methode verbessert sich dabei die Abstimmgeschwindigkeit von O(N) auf O(log(N)).Deutsch
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