La nueva generación de sistemas de comunicaciones digitales demanda conversores analógico-digital (ADC) de muy alta velocidad que sólo pueden ser realizados en base una arquitectura paralela de conversores temporalmente intercalados (TI-ADC). Un TI-ADC consiste en un arreglo de M ADC en paralelo que son coordinados por M fases de reloj. Como resultado, se obtiene una tasa de frecuencia de muestreo global (Fs) igual a M veces la tasa de muestreo individual de cada ADC. Sin embargo, debido a los desapareamientos entre los transistores dentro de los circuitos integrados, los canales de los TI-ADC pueden mostrar diferencias en sus diversos parámetros esenciales (por ej. desajustes de offset, ganancia y fases de muestreo). Estos desajustes pueden ser detectados y calibrados, sin embargo, el desajuste entre las fases de muestreo presenta un gran desafío en su detección y por ello representa un tema abierto de investigación. En esta Tesis se propone una nueva técnica para la detección y calibración del desajuste entre las fases de muestreo en TI-ADC para receptores digitales de fibra óptica de 40/100 Gb/s. Además, la técnica propuesta puede detectar y corregir el desapareamiento de tiempo de propagación (time-skew) entre los canales en cuadratura (I/Q) que se presenta en los receptores ópticos coherentes. Asimismo, el método de ajuste puede extenderse a otros tipos de receptores digitales que utilicen TI-ADC. La técnica propuesta se demuestra efectiva y simple ya que evita el agregado de circuitos adicionales y aprovecha la información disponible dentro del procesador digital de señales del receptor. Por otro lado, el otro aporte fundamental de la Tesis es la verificación y demostración experimental del método de calibración para TI-ADC. Para ello se diseñó un chip de TI-ADC de 2 GS/s y 6-bits que implementa 8 canales temporalmente intercalados y un total de 16 conversores de aproximaciones sucesivas asíncronicos. El diseño incorpora múltiples capacidades de calibración, incluyendo celdas de retardo programable que permiten controlar las fases del conversor. El chip se fabricó en una tecnología CMOS de 0.13μm, siendo este el primer chip en ser diseñado y enviado a fabricar desde la FCEFyNUniversidad Nacional de Córdoba. Se realizaron las mediciones del conversor y el resto de los bloques, demostrando una correcta operación según sus especificaciones de diseño. A partir de este conversor prototipo se desarrolló una plataforma de hardware y software dedicada que permitió emular un sistema de comunicaciones para la verificación de la propuesta de calibración. Finalmente la Tesis presenta diferentes ejemplos experimentales de calibración, demostrando que la técnica puede mitigar correctamente los efectos de los desajustes entre fases del conversor sobre el desempeño del receptor. / The new generation of digital communications systems demand for very high-speed analog-to-digital converters (ADC) that can be only realized with parallel architectures like time-interleaved ADC (TI-ADC). A TI-ADC includes an array of M parallel ADCs that are managed by M clock phases. As a result, the overall sampling rate (Fs) is M times the rate of each individual ADC. However, due to mismatch between transistors in integrated circuits, the channels of a TI-ADC may show differences in their essential parameters (eg. offset, gain and sampling phase mismatches). These mismatches can be detected and calibrated, however, the sampling phase mismatch detection presents a great challenge and therefore, it is an open research topic. This Thesis proposes a novel technique for detection and calibration of sampling phase mismatch in TI-ADC used for digital receivers. The technique is specially suitable for 40/100 Gb/s fiber optic receivers. However the technique can be extended to any other digital receiver that requires TI-ADC phase calibration. In addition, the proposed technique can detect and correct the time-skew error between quadrature (I/Q) channels that is typically found in optical coherent receivers. The technique proves to be effective and simple as it avoids additional circuitry and it takes advantage of the information available in the receiver digital signal processor. On the other hand, the other main contribution of this Thesis is the experimental demonstration and verification of TI-ADC calibration method. For this propose, a 2 GS/s and 6-bits TI-ADC was designed. The chip consists of 8 interleaved channels and 16 asynchronous successive approximations registers ADC. The design also includes multiple calibration capabilities, including programmable delay cells that can control each phase independently. The chip was fabricated in a 0.13μm CMOS technology process and it was the first chip to be designed and sent for manufacture from FCEFyN-Universidad Nacional de Córdoba. Measurements of prototype have demonstrated a correct operation according to its specifications. Then, based on the prototype TI-ADC and a dedicated hard-soft platform, a communications system could be emulated for experimental calibration proposes. At the end of the Thesis, several experimental calibrations examples are showed. With these measurements it can be demonstrated that the calibration method can successfully mitigate the sampling phase mismatch effects over the receiver.

Neste trabalho aborda-se o projeto de um conversor analógico-digital (ADC) que deve atingir as especificações do padrão Bluetooth. Este bloco faz parte do estágio de recepção de um transceptor sem fio integrado em tecnologia CMOS. Inicialmente é feita a análise do ADC como sistema, ao mesmo tempo que as especificações nesse nível são desenvolvidas. A arquitetura adaptada da literatura é conhecida como time-interleaved pipeline. Os seus principais blocos, o S&H e o estágio básico incluindo o sub-ADC e o MDAC, são explicados posteriormente junto com a estratégia de correção digital através do bit de redundância entre estágios consecutivos. Seguindo essa ordem de ideias, é estudada a implementação com portas digitais da estratégia anterior e da geração das fases de relógio necessárias para os blocos da cadeia pipeline. Os dois circuitos mais elementares, o amplificador operacional de transcondutância (OTA) e o comparador de tensão, também são apresentados antes de introduzir a programação geométrica como ferramenta de projeto auxiliar. Tal ferramenta permite otimizar o consumo de potência desses circuitos básicos e, portanto, descobrir uma nova perspectiva no projeto de circuitos analógicos do estado da arte. Finalmente, os resultados obtidos e as simulações dos diferentes blocos e circuitos que constituem o ADC são mostrados. Esses resultados também incluem as medições e testes feitos em um OTA projetado com PG e fabricado em tecnologia CMOS 0,35 micrômetros. A conclusão mais importante deste trabalho se deriva da aplicação simultânea da programação geométrica e a análise cuidadosa dos requisitos reais dos circuitos, levando portanto à otimização do desempenho global do ADC projetado. / In this work, an Analog to Digital Converter (ADC) fulfilling the Bluetooth standard specifications is designed. This block stays at the reception side of an integrated wireless transceiver in CMOS technology. Initially, an analysis of the ADC as a system is carried out, at the same time that the specifications at that level are developed. The architecture adapted from the literature is known as time-interleaved pipeline. Its main blocks, the S&H and the basic cell including sub-ADC and MDAC circuits, are then explained together with the digital correction strategy based on the bit of redundancy between consecutive stages. Furthermore, digital gate implementation of previous strategy and generation of the different clock phases required by pipeline chain blocks, are covered. The two most elementary circuits, operational transconductance amplifier (OTA) and voltage comparator, are also presented before introducing geometric programming (PG) as an auxiliary design tool. Such a tool allows the power consumption optimization of these basic circuits and thus leads to a new perspective in analog circuit design for the state of the art. Finally, the reached results and the different ADC block simulations are presented. Those results include tests and measurements of an OTA designed using PG and fabricated in a CMOS 0,35 micrometers technology. The most important conclusion of this work is derived from the joint application of geometric programming and careful analysis of the real circuit requirements, allowing the global performance optimization in the designed ADC.

Neste trabalho é descrito o projeto e testes de um conversor digital/analógico de alta velocidade fabricado em tecnologia CMOS. O conversor pojetado possui resolução de 6 bits, trabalha em freqüência de 200 MSample/s, e foi fabricado na tecnologia CMOS de 0,35 µm da AMS (Austriamicrosystems), com quatro níveis de metal e 2 de silício policristalino. Uma das principais aplicações dos conversores D/A de alta velocidade é no processamento digital de sinais de vídeo, utilizado em sistemas de vídeo tais como os de TV digital e TVs de alta definição. Nestes sistemas, conversores D/A em tecnologia CMOS possuem vantagens tais como baixo consumo, baixo custo e a capacidade de sua integração com outros circuitos. O conversor D/A projetado é composto por uma matriz de células de corrente que são ativadas por dois decodificadores: um decodificador de colunas e outro decodificador de linhas. Estes recebem como entrada o sinal digital que deve ser convertido. As células de corrente são compostas por portas lógicas OR e NAND,inversores, latches, fontes de corrente e chaves que conectam ou não cada fonte individual a saída. Simulações do conversor D/A foram realizadas a partir de netlists extraídos do layout do circuito e através dos softwares HSPICE e ELDO. Para estas simulações foi utilizado o modelo BSIM3v3 com parâmetros típicos, worst speed e worst power. Através de simulação foi verificado o desempenho do conversor pela avaliação do número efetivo de bits. Os resultados demonstraram que o conversor possui uma boa resolução com uma freqüência de amostragem de 200 MHz, consumo de potência de 70 mW (corrente de saída variando de 0 a 19,8 mA) e tensão de alimentação VDD = 3,3 V. Nos testes experimentais, o conversor implementado apresentou erros de não linearidade integral menores que 0,46 LSB e erros de não linearidade diferencial menores que 0,22 LSB, o que assegura a monotonicidade do circuito. O chip implementado possui uma área ativa de 0,4 mm x ,31 mm. / In this work is described the design and tests of a high speed digital/analog converter fabricated in CMOS technology. The digital/analog converter has 6 bits of resolution, 200 MSample/s, and it was fabricated in the AMS (Austriamicrosystems) 0.35 µm CMOS process, with four metal levels and double-polysilicon. The main applications of high speed converters D/A is in digital processing of video signals, used in video systems such as digital TV and high-definition TV. In these systems, D/A converters in CMOS technology have advantages such as low power consumption, low cost, and the capability of being integrated with other circuits. The designed D/A converter are composed of a matrix of current cells that are activated by two decoders: a column decoder and a row decoder. These decoders receive as input the digital signal to be converted. The current cells are composed of logic OR and NAND, inverters, latches, current sources and switch transistors that connect or not each individual current source to the output. Simulations results were obtained from the extracted netlist of the circuit layout using the HSPICE and ELDO software. For these simulations the BSIM3v3 transistor model was used with typical, worst speed and worst power parameters. Simulation tests were applied to check the performance through the effective number of bits, and the results show that the converter can reach 200 MSample/s with 70 mW power consumption (the output current ranging from 0 mA to 19.8 mA) and 3.3 V power supply. In the experimental measurements, the converter presented DC integral non linearity errors lower than 0.46 LSB and DC differential non linearity errors lower than 0.22 LBS, what ensures the monotonicity of the converter. The implemented chip active area is 0.4 mm x 0.31 mm.

Neste trabalho é descrito o projeto e testes de um conversor digital/analógico de alta velocidade fabricado em tecnologia CMOS. O conversor pojetado possui resolução de 6 bits, trabalha em freqüência de 200 MSample/s, e foi fabricado na tecnologia CMOS de 0,35 µm da AMS (Austriamicrosystems), com quatro níveis de metal e 2 de silício policristalino. Uma das principais aplicações dos conversores D/A de alta velocidade é no processamento digital de sinais de vídeo, utilizado em sistemas de vídeo tais como os de TV digital e TVs de alta definição. Nestes sistemas, conversores D/A em tecnologia CMOS possuem vantagens tais como baixo consumo, baixo custo e a capacidade de sua integração com outros circuitos. O conversor D/A projetado é composto por uma matriz de células de corrente que são ativadas por dois decodificadores: um decodificador de colunas e outro decodificador de linhas. Estes recebem como entrada o sinal digital que deve ser convertido. As células de corrente são compostas por portas lógicas OR e NAND,inversores, latches, fontes de corrente e chaves que conectam ou não cada fonte individual a saída. Simulações do conversor D/A foram realizadas a partir de netlists extraídos do layout do circuito e através dos softwares HSPICE e ELDO. Para estas simulações foi utilizado o modelo BSIM3v3 com parâmetros típicos, worst speed e worst power. Através de simulação foi verificado o desempenho do conversor pela avaliação do número efetivo de bits. Os resultados demonstraram que o conversor possui uma boa resolução com uma freqüência de amostragem de 200 MHz, consumo de potência de 70 mW (corrente de saída variando de 0 a 19,8 mA) e tensão de alimentação VDD = 3,3 V. Nos testes experimentais, o conversor implementado apresentou erros de não linearidade integral menores que 0,46 LSB e erros de não linearidade diferencial menores que 0,22 LSB, o que assegura a monotonicidade do circuito. O chip implementado possui uma área ativa de 0,4 mm x ,31 mm. / In this work is described the design and tests of a high speed digital/analog converter fabricated in CMOS technology. The digital/analog converter has 6 bits of resolution, 200 MSample/s, and it was fabricated in the AMS (Austriamicrosystems) 0.35 µm CMOS process, with four metal levels and double-polysilicon. The main applications of high speed converters D/A is in digital processing of video signals, used in video systems such as digital TV and high-definition TV. In these systems, D/A converters in CMOS technology have advantages such as low power consumption, low cost, and the capability of being integrated with other circuits. The designed D/A converter are composed of a matrix of current cells that are activated by two decoders: a column decoder and a row decoder. These decoders receive as input the digital signal to be converted. The current cells are composed of logic OR and NAND, inverters, latches, current sources and switch transistors that connect or not each individual current source to the output. Simulations results were obtained from the extracted netlist of the circuit layout using the HSPICE and ELDO software. For these simulations the BSIM3v3 transistor model was used with typical, worst speed and worst power parameters. Simulation tests were applied to check the performance through the effective number of bits, and the results show that the converter can reach 200 MSample/s with 70 mW power consumption (the output current ranging from 0 mA to 19.8 mA) and 3.3 V power supply. In the experimental measurements, the converter presented DC integral non linearity errors lower than 0.46 LSB and DC differential non linearity errors lower than 0.22 LBS, what ensures the monotonicity of the converter. The implemented chip active area is 0.4 mm x 0.31 mm.

Neste trabalho aborda-se o projeto de um conversor analógico-digital (ADC) que deve atingir as especificações do padrão Bluetooth. Este bloco faz parte do estágio de recepção de um transceptor sem fio integrado em tecnologia CMOS. Inicialmente é feita a análise do ADC como sistema, ao mesmo tempo que as especificações nesse nível são desenvolvidas. A arquitetura adaptada da literatura é conhecida como time-interleaved pipeline. Os seus principais blocos, o S&H e o estágio básico incluindo o sub-ADC e o MDAC, são explicados posteriormente junto com a estratégia de correção digital através do bit de redundância entre estágios consecutivos. Seguindo essa ordem de ideias, é estudada a implementação com portas digitais da estratégia anterior e da geração das fases de relógio necessárias para os blocos da cadeia pipeline. Os dois circuitos mais elementares, o amplificador operacional de transcondutância (OTA) e o comparador de tensão, também são apresentados antes de introduzir a programação geométrica como ferramenta de projeto auxiliar. Tal ferramenta permite otimizar o consumo de potência desses circuitos básicos e, portanto, descobrir uma nova perspectiva no projeto de circuitos analógicos do estado da arte. Finalmente, os resultados obtidos e as simulações dos diferentes blocos e circuitos que constituem o ADC são mostrados. Esses resultados também incluem as medições e testes feitos em um OTA projetado com PG e fabricado em tecnologia CMOS 0,35 micrômetros. A conclusão mais importante deste trabalho se deriva da aplicação simultânea da programação geométrica e a análise cuidadosa dos requisitos reais dos circuitos, levando portanto à otimização do desempenho global do ADC projetado. / In this work, an Analog to Digital Converter (ADC) fulfilling the Bluetooth standard specifications is designed. This block stays at the reception side of an integrated wireless transceiver in CMOS technology. Initially, an analysis of the ADC as a system is carried out, at the same time that the specifications at that level are developed. The architecture adapted from the literature is known as time-interleaved pipeline. Its main blocks, the S&H and the basic cell including sub-ADC and MDAC circuits, are then explained together with the digital correction strategy based on the bit of redundancy between consecutive stages. Furthermore, digital gate implementation of previous strategy and generation of the different clock phases required by pipeline chain blocks, are covered. The two most elementary circuits, operational transconductance amplifier (OTA) and voltage comparator, are also presented before introducing geometric programming (PG) as an auxiliary design tool. Such a tool allows the power consumption optimization of these basic circuits and thus leads to a new perspective in analog circuit design for the state of the art. Finally, the reached results and the different ADC block simulations are presented. Those results include tests and measurements of an OTA designed using PG and fabricated in a CMOS 0,35 micrometers technology. The most important conclusion of this work is derived from the joint application of geometric programming and careful analysis of the real circuit requirements, allowing the global performance optimization in the designed ADC.

Este trabalho estuda a interação entre os métodos anti-ilhamento aplicados em sistemas fotovoltaicos residenciais, operando simultaneamente em uma rede de distribuição de baixa tensão. Os sistemas fotovoltaicos em geral interagem entre si, com a rede de distribuição da concessionária e com outras fontes de geração distribuída. Uma consequência importante dessa interação é a ocorrência do ilhamento, que acontece quando as fontes de geração distribuída fornecem energia ao sistema elétrico de potência mesmo quando esta se encontra eletricamente isolada do sistema elétrico principal. A função anti-ilhamento é uma proteção extremamente importante, devendo estar presente em todos os sistemas de geração distribuída. Atualmente, são encontradas diversas técnicas na literatura. Muitas delas oferecem proteção adequada quando um inversor está conectado à linha de distribuição, mas podem falhar quando dois ou mais funcionam simultaneamente, conectados juntos ou próximos entre si. Dois destes métodos são analisados detalhadamente nesse estudo, avaliados em uma rede de distribuição residencial de baixa tensão. Os resultados obtidos mostram que a influência de um método sobre o outro é dependente da predominância de cada um deles dentro do sistema elétrico. Contudo, nas condições analisadas o ilhamento foi detectado dentro do limite máximo estabelecido pelas normas pertinentes. / This work studies the interaction between islanding detection methods applied in residential photovoltaic systems, operating simultaneously in a low voltage distribution network. Photovoltaic systems, in general, interact with themselves, with the utility grid and other distributed generation sources. An important consequence of this interaction is the islanding occurrence, which happens when distributed generation sources supply energy to the electrical power system even when it is electrically isolated from the main electrical system. The anti-islanding function is an extremely important protection, and should be present in all distributed generation systems. Actually, many techniques are found in the literature. Most of them provide suitable protection when one inverter is connected to the distribution line, but can fail when two or more work simultaneously, connected at the same point or close to each other. Two of these methods are analyzed in detail in this study and evaluated in a residential low voltage distribution line. The obtained results show that the influence of a method over another one is dependent of the predominance of each one within the electrical system. However, in the analyzed condition the islanding was detected within the maximum allowed time established by applicable rules.

Este trabalho estuda a interação entre os métodos anti-ilhamento aplicados em sistemas fotovoltaicos residenciais, operando simultaneamente em uma rede de distribuição de baixa tensão. Os sistemas fotovoltaicos em geral interagem entre si, com a rede de distribuição da concessionária e com outras fontes de geração distribuída. Uma consequência importante dessa interação é a ocorrência do ilhamento, que acontece quando as fontes de geração distribuída fornecem energia ao sistema elétrico de potência mesmo quando esta se encontra eletricamente isolada do sistema elétrico principal. A função anti-ilhamento é uma proteção extremamente importante, devendo estar presente em todos os sistemas de geração distribuída. Atualmente, são encontradas diversas técnicas na literatura. Muitas delas oferecem proteção adequada quando um inversor está conectado à linha de distribuição, mas podem falhar quando dois ou mais funcionam simultaneamente, conectados juntos ou próximos entre si. Dois destes métodos são analisados detalhadamente nesse estudo, avaliados em uma rede de distribuição residencial de baixa tensão. Os resultados obtidos mostram que a influência de um método sobre o outro é dependente da predominância de cada um deles dentro do sistema elétrico. Contudo, nas condições analisadas o ilhamento foi detectado dentro do limite máximo estabelecido pelas normas pertinentes. / This work studies the interaction between islanding detection methods applied in residential photovoltaic systems, operating simultaneously in a low voltage distribution network. Photovoltaic systems, in general, interact with themselves, with the utility grid and other distributed generation sources. An important consequence of this interaction is the islanding occurrence, which happens when distributed generation sources supply energy to the electrical power system even when it is electrically isolated from the main electrical system. The anti-islanding function is an extremely important protection, and should be present in all distributed generation systems. Actually, many techniques are found in the literature. Most of them provide suitable protection when one inverter is connected to the distribution line, but can fail when two or more work simultaneously, connected at the same point or close to each other. Two of these methods are analyzed in detail in this study and evaluated in a residential low voltage distribution line. The obtained results show that the influence of a method over another one is dependent of the predominance of each one within the electrical system. However, in the analyzed condition the islanding was detected within the maximum allowed time established by applicable rules.