Ontwerp van zeer instelbare en lage ruis CMOS schakelingen voor breedband- en stralingstoepassingen.

De afgelopen jaren is er een groeiende interesse in Ultra-wideband (UWB) radar- en beeldvormingssystemen (UWB) voor gebruik in extreme industriële omstandigheden. UWB-plaatsbepaling kan gebruikt worden voor het volgen van robots, personen, etc. Deze dissertatie verruimt het toepassingsdomein van UWB-signalen naar stralingsomgevingen. Robuuste UWB-systemen kunnen hier de mogelijkheden uitbreiden van bijvoorbeeld robots ontworpen voor gebruik in stralingsomgevingen. Naast de afstandsbepaling kunnen UWB-signalen ook aangewend worden om een beeld te creëren van de omgeving.

Deze dissertatie focust op de ontwikkeling van universele CMOS-schakelingen die toepasbaar is in de beoogde extreme omgevingen. Om de effecten van de verschillende toepassingen en bedrijfsomstandigheden te kunnen inschatten, werd er een 1-D-transmissielijnmodel opgesteld. Dit model schat de totale reflectie- en transmissiecoëfficiënt van de gebruikte elektromagnetische (EM) signalen voor één bepaalde applicatie.  Vanuit deze geschatte waarden kan vervolgens het minimaal benodigde dynamisch bereik van de ontvanger bepaald worden.

Een universele sensor moet zich snel kunnen aanpassen aan de omgeving die een bepaalde applicatie met zich meebrengt. Daarnaast verschilt de regelgeving met betrekking tot UWB sterk tussen verschillende landen en regio’s. Daarom moet een industriële sensor extreem instelbaar en adaptief zijn. De voorgestelde UWB-zender is gebaseerd op een frequentiemixer die een basisbandpuls op converteert naar het gewenste frequentiedomein.  Deze architectuur ontkoppelt de centrale frequentie van de UWB-puls en de spectrale bandbreedte van het signaal, waardoor een flexibel uitgangsignaal mogelijk is.

Een eerste deel van dit proefschrift beschrijft twee versies van een UWB-basisband pulsgenerator, beide ontworpen in 40 nm CMOS. Een eerste chip introduceert een pulsgenerator met een driehoekvormig uitgangsignaal. De pulsbreedte van dit ontwerp is variabel tussen 280 ps en 7.5 ns. Echter, de pulsamplitude heeft een variatie van 38% over het totale bereik van de pulsbreedte. Een tweede chip minimaliseert deze variatie door een onafhankelijke controlelus voor de pulsamplitude te introduceren. Deze extra terugkoppellus reduceert de totale variatie van de pulsamplitude tot 13%. De pulsbreedte van deze aangepaste versie kan ingesteld worden tussen 660 ps en 3.8 ns.

Een nadeel van het gebruik van een frequentiemixer is zijn Voltage Controlled Oscillator (VCO)-lek op de uitgang, die geminimaliseerd moet worden. Dit werk introduceert een replicamixer, die enkel een leksignaal genereert. Dit signaal kan vervolgens gebruikt worden om de lek op de uitgang weg te werken.

Een tweede deel van dit proefschrift focust op het ontwerp van een stralingsharde tijd-accurate data zender en ontvanger. De kritische informatie van de boogde systemen zit verwerkt in de tijdsvertraging tussen verschillende signalen.  In extreme omstandigheden of in grote systemen is het soms nodig en/of nuttig dat deze signalen over een grote afstand verstuurd worden. In dit proefschrift wordt dit gedaan door gebruik te maken van signalen gebaseerd op de Low Voltage Differential Signaling (LVDS) / Scalable Low Voltage signaling (SLVS) standaard. Omdat de zender en ontvanger in het tijdkritische pad gebruikt worden, zal elke toegevoegde ruis of distorsie de resolutie van het volledige systeem beïnvloeden.  Naast een zo laag mogelijke ruis (jitter) zal ook de totale vertraging van de stijgende en dalende uitgangsflanken (propagatievertraging) gelijk moeten zijn. Zowel de zender als de ontvanger zijn ontworpen in 65 nm CMOS.

In de ontvanger werd het verschil in propagatievertraging tussen de stijgende en dalende uitgangsflank geminimaliseerd met behulp van een replicaontvanger. Deze replica meet dit verschil en gebruikt dit om de slew rate van de uitgangsflanken aan te passen. Deze compensatielus minimaliseert de variaties in de uitgangsvertraging gegenereerd door de process corners, de temperatuur, de voedingsspanningvariaties (PVT) en de totale dosis (TID) stralingseffecten.  Het ontworpen circuit toont slechts een stijging van 0.5 ps van het verschil in uitgangsvertraging na 500 Mrad (= 5 Mgy) TID-straling. In vergelijking met de originele ontvanger (zonder compensatielus) is dit een verbetering van met een factor 27.

De zender is opgebouwd rond een stroomdriver gebaseerd op weerstanden. Bijgevolg kunnen enkel variaties op deze weerstandswaarden zorgen voor een verschil in de uitgangsvertraging. Simulaties tonen aan dat het verschil in uitgangsvertraging slechts 0.55 ps stijgt door de effecten van 500 Mrad TID-straling, zonder gebruik te maken van extra compensatielussen. Daarnaast is het ontworpen circuit in staat een zeer flexibel pre-emphasissignaal te genereren.