The rapid development in the semiconductors industry has enabled the placement of multiple chips on a single die. This has helped boost the functionality of modernday application specific integrated circuits (ASICs). Thus, digital circuits are being increasingly placed along-side analog and RF circuits in what are known as mixed signal circuits. As a result, the noise couplings through the substrate now have an increased role in mixed-signal ASIC design. Therefore, there is a need to study the effects of substrate noise and include them in the traditional design methodology. ∆Σ analog-to-digital converters (ADCs) are a perfect example of digital integration in traditionally analog circuits. ADCs, used to interface digital circuits to an analog world, are indispensable in mixed-signal systems and therefore set an interesting case study. A ∆Σ ADC is used in this thesis to study the effects of substrate noise. A background study is presented in the thesis to better understand ∆Σ modulators and substrate couplings. An intensive theoretical background on generation, propagation and reception of substrate noise is presented in light of existing researches. System and behavioural level models are proposed to include the effects of substrate noise in the design stages. A maximum decay of 10dB is seen due to injection of substrate noise system level simulations while a decay of 12dB is seen in behavioural simulations. A solution is proposed using controlled clock tree delays to overcome the effects of substrate noise. The solution is verified on both the system and behavioural levels. The noise models used to drive the studies can further be used in mixed-signal systems to design custom solutions. / Den snabba utvecklingen inom halvledarindustrin har möjliggjort placering av flera marker på en enda dö. Detta har hjälpt till att öka funktionaliteten hos moderna applikationsspecifika integrerade kretsar. Sålunda placeras digitala kretsar i allt högre grad parallella och RF-kretsar i de så kallade blandade signalkretsarna. Som ett resultat har bullerkopplingarna genom substratet nu en ökad roll i ASICdesign med blandad signal. Därför finns det behov av att studera effekterna av substratbuller och inkludera dem i den traditionella designmetoden. ∆Σ analog-till-digital omvandlare är ett perfekt exempel på digital integration i traditionellt analoga kretsar. ADC, som används för att gränssnitta digitala kretsar till en analog värld, är oumbärliga i blandningssignalsystem och är därför en intressant fallstudie. A ∆Σ arkitektur används i denna avhandling för att studera effekterna av substratstörning. En bakgrundsstudie presenteras i avhandlingen för att bättre förstå ∆Σ modulatorer och substratkopplingar. En intensiv teoretisk bakgrund på generering, förökning och mottagande av substratbuller presenteras i ljuset av befintliga undersökningar. Systemoch beteendemodellmodeller föreslås inkludera effekterna av substratbuller i konstruktionsstadiet. Ett maximalt förfall på 10dB ses på grund av injektion av substratbuller på systemnivå medan ett förfall av 12dB ses i beteende simuleringar.En lösning föreslås med hjälp av kontrollerade klockträdfördröjningar för att övervinna effekterna av substratbuller. Lösningen är verifierad på både system och beteendenivåer. De brusmodeller som används för att driva studierna kan vidare användas i blandningssignalsystem för att designa anpassade lösningar.

Denna avhandling presenterar en undersökning av orsakerna och effekterna av timingosäkerhet i Sigma-Delta Analog-Digital-Omvandlare, med speciellt fokus på Sigma-Delta av den switchade kapacitanstypen. Det undersökta området för orsakerna till timingosäkerhet är digital klockgenerering och området för effekterna är sampling. Upplösningsnivån på analysen i detta arbete börjar på beteendenivå och slutar på transistornivå. Samplingskretsen är den intuitiva komponenten att söka i efter orsakerna till effekterna av timing-osäkerhet i en Analog-Digital-Omvandlare eftersom transformationen från reell tid till digital tid sker i samplingskretsen. Därför har prestandaeffekterna av timingosäkerhet i den typiska samplingskretsen för switchad kapacitans Sigma-Delta Analog-Digital-Omvandlare analyserats utförligt, modellerats och beskrivits i denna avhandling. Under analysprocessen har idéer om förbättrade samplingskretsar med naturlig tolerans mot timing-osäkerhet utvecklats och analyserats, och presenteras även. Två typer av förbättrade samplingstopologier presenteras: parallelsamplern och Sigma-Delta-samplern. Den första erhåller tolerans mot timing-osäkerhet genom att utnyttja ett teorem inom statistiken medan den andra är tolerant mot timing-osäkerhet p.g.a. spektral formning som trycker ut brus ur signalens frekvensband. Digital klockgenerering är ett fundamentalt steg i genereringen av multipla klocksignaler som behövs t.ex. i switchade kapacitansversioner av Sigma-Delta Analog-Digital-Omvandlare. Klockgeneratorkretsarna konverterar en tidsreferens, d.v.s. en klocksignal, som vanligen kommer från en faslåst loop till multipla tidsreferenser. De två typerna av klockgenereringskretsar som behandlas i denna avhandling används för att skapa två icke-överlappande klockor från en klocksignal. Processen som undersökts och beskrivits är hur matningsspänningsbrus och substratbrus omvandlas till timing-osäkerhet då en referenssignal passerar genom en av ovannämnda klockgenereringskretsar. Resultaten i denna avhandling har erhållits genom olika analystekniker. Modelleringarna och beskrivningarna har utförts från ett matematiskt och fysikaliskt perspektiv. Detta har fördelen av att kunna förutsäga prestandainfluenser som olika kretsparametrar har utan att behöva utföra datorsimuleringar. Svårigheterna med den matematiska och fysikaliska modelleringen är balansgången mellan olöslighet och överförenkling som måste hittas. Den andra infallsvinkeln är användandet av datorbaserade simuleringsverktyg både för beskrivnings- och verifieringsändamål. Simuleringsverktygen som använts är MATLAB och Spectre/Cadence. Som nämnts har deras syfte varit både som modell- och beskrivningsverifiering och även som ett sätt att erhålla kvantitativa resultat. Generellt talat bryter simuleringsverktyg den mentala kopplingen mellan resultat och diverse kretsparametrar och det kan vara svårt att uppnå en solid prestandaförståelse. Dock är det ibland bättre att erhålla ett prestandamått utan full förståelse än inget mått alls. / This dissertation presents an investigation of the causes and effects of timing uncertainty in Sigma-Delta Analog-to-Digital Converters, with special focus on the switched-capacitor Sigma-Delta type. The investigated field for cause of timing uncertainty is digital clock generation and the field for effect is sampling. The granularity level of the analysis in this work begins at behavioral level and finishes at transistor level. The sampling circuit is the intuitive component to look for the causes to the effects of timing uncertainty in an Analog-to-Digital Converter since the transformation from real time to digital time takes place in the sampling circuit. Hence, the performance impact of timing uncertainties in a typical sampling circuit of a switched-capacitor Sigma-Delta Analog-to-Digital Converter has been thoroughly analysed, modelled, and described in this dissertation. During the analysis process, ideas of improved sampling circuits with inherent tolerance to timing uncertainties were conceived and analysed, and are also presented. Two cases of improved sampling topologies are presented: the Parallel Sampler and the Sigma- Delta sampler. The first obtains its timing uncertainty tolerance from taking advantage of a theorem in statistics whereas the second is tolerant against timing uncertainties because of spectral shaping that effectively pushes the in-band timing noise out of the signal band. Digital clock generation is a fundamental step of generating multiple clock signals that are needed for example in switched-capacitor versions of Sigma-Delta Analog-to-Digital Converters. The clock generation circuitry converts a single time reference, i.e. a clock signal, usually coming from a phase-locked loop into multiple time references. The two types of clock-generation circuits that are treated in this dissertation are used to create two nonoverlapping clocks from a single clock signal. The process that has been investigated and described is how power-supply noise and substrate noise transforms into timing uncertainty when a reference signal is passed through one of the aforementioned clock generation circuits. The results presented in this dissertation have been obtained using different analysis techniques. The modelling and descriptions have been done from a mathematical and physical perspective. This has the benefit of predicting the performance impact by different circuit parameters without the need for computer based simulations. The difficulty with the mathematical and physical modelling is the balance that has to be found between intractability and oversimplification. The other angle of approach has been the use of computer based simulations for both description and verification purposes. The simulation tools that have been used in this work are MATLAB and Spectre/Cadence. As mentioned, their purpose has been both for model and description verification and also as a means of obtaining result metrics. Generally speaking, simulation tools mentally decouple the result from the various circuit parameters and reaching a solid performance understanding can be difficult. However, obtaining a performance metric without full comprehension can at times be better than having no metric at all. / QC 20100921

Microelectronics is heading towards larger and larger systems implemented on a single chip. In wireless communication equipment, e.g., cellular phones, handheld computers etc., both analog and digital circuits are required. If several integrated circuits (ICs) are used in a system, a large amount of the power is consumed by the communication between the ICs. Furthermore, the communication between ICs is slow compared with on-chip communication. Therefore, it is favorable to integrate the whole system on a single chip, which is the objective in the system-on-chip (SoC) approach. In a mixed-signal SoC, analog and digital circuits share the same chip. When digital circuits are switching, they produce noise that is spread through the silicon substrate to other circuits. This noise is known as substrate noise. The performance of sensitive analog circuits is degraded by the substrate noise in terms of, e.g., lower signal-to-noise ratio and lower spurious-free dynamic range. Another problem is the design of the clock distribution net, which is challenging in terms of obtaining low power consumption, sharp clock edges, and low simultaneous switching noise. In this thesis, a noise reduction strategy that focus on reducing the amount of noise produced in digital clock buffers, is presented. The strategy is to use a clock with long rise and fall times. It is also used to relax the constraints on the clock distribution net, which also reduce the design effort. Measurements on a test chip show that the strategy can be implemented in an IC with low cost in terms of speed and power consumption. Comparisons between substrate coupling in silicon-on-insulator (SOI) and conventional bulk technology are made using simple models. The objective here is to get an understanding of how the substrate coupling differs in SOI from the bulk technology. The results show that the SOI has less substrate coupling when no guard band is used, up to a certain frequency that is highly dependent of the chip structure. When a guard band is introduced in one of the analyzed test structures, the bulk resulted in much higher attenuation compared with SOI. An on-chip measurement circuit aiming at measuring simultaneous switching noise has also been designed in a 0.13 µ SOI process. / <p>Report code: LiU-Tek-Lic-2005:33.</p>