A 9-bit, 45mW, 0.05mm2 source-series-terminated DAC driver with echo canceller in 22nm CMOS for in-vehicle communication
Creators: name: Ghafarian Mabhout, Hossein
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2022
Subjects: subject: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
subject: transmitter
subject: analog driver
subject: ethernet
subject: DAC
subject: SST

description: The increasing amount of data transferring within a vehicle is driven by the expanding applications implemented on it, initiated the use of Ethernet as a new standard within the automotive industry to not only increase the data rate but also take into account the strict constraints within the automotive environment such as robustness and electromagnetic interference, etc. The introduction of Automotive Ethernet (AE) standards started with 100Base-T1 with a data rate of 100 Mb/s. Later, under the task force IEEE P802.3ch, standards up to the data rate of 10Gb/s are established. The focus of this work is the study of the physical layer of the transceiver suitable for the AE standards from the data rate of 1Gb/s to 10 Gb/s. This work presents an SST 9-bit TX-DAC driver, that is fully compliant to the new Automotive Ethernet (AE) Standard IEEE P802.3ch for the data rate up to 10 Gb/s. The TX driver design incorporates a highly-correlated timing-matched 9-bit echo DAC canceler (EC-DAC) to eliminate up-to 24.3dB of the transmit power from the RX path, due to the full-duplex transmission scheme. The TX-EC-DAC driver combination inherently provides 100Ω differential termination and possesses a PVT calibration scheme covering up to 3 sigma process variation with a resolution of 1.5Ohm. Designed and fabricated in a 22nm FD-SOI technology, the TX-DAC enables a 1Vppd PAM4 signal swing with raw data rates up to 11.2Gb/s and Nyquist tone sine wave linearity SFDR of better than 50dBc. The driver pair is backward compatible with all relevant AE Standards 10/5/2.5/1GBase-T1 and occupies the smallest area of only 0.05mm2. The 9-bit TX-EC-DAC combination dissipates 3/42mW from dual 0.8/1.2V power supply with a power efficiency of 2mW/Gb/s per DAC.
description: Die Erhöhung der Datenmenge, die innerhalb eines Autos übertragen werden, wird durch zunehmend integrierte Anwendungen angetrieben. Dies hat, um nicht nur die Datenrate zu erhöhen, sondern auch die strikten Auflagen innerhalb des Automobils wie Robustheit, elektromagnetische Interferenz usw. zu berücksichtigen, die Verwendung von Ethernet als neuen Standard in der Automobilindustrie eingeleitet. Die Einführung von Automotive Ethernet (AE) Standards begann mit 100Base-T1 mit einer Datenrate von 100 Mb/s. Anschließend wurden von der Task Force IEEE P802.3ch Standards für Datenraten von bis zu 10Gb/s festgelegt. Der Schwerpunkt dieser Dissertation liegt auf der Eignungsanalyse der physikalischen Schicht des Transceivers für Datenraten von 1Gb/s bis zu 10Gb/s. In dieser Arbeit wird ein AE Standard IEEE P802.3ch kompatibler 9-Bit TX-DAC Treiber für Datenraten von bis zu 10 Gb/s vorgestellt. Das Design des TX Treibers beinhaltet einen hoch-korrelierten zeitlich-angepassten 9-Bit Echo-DAC-Unterdrücker (EU-DAC) der aufgrund des Vollduplexübertragungsschema bis zu 24.3dB von der Sendeleistung aus dem Empfangspfad eliminiert. Die TX-EU-DAC Treiberkombination hat eine 100Ω differenzielle Terminierung und beinhaltet ein Kalibrierungsschema das bis zu 3 Sigma Prozessvariationen mit einer Auflösung von 1.5Ohm abdeckt. Entworfen und gefertigt wurde der TX-DAC in einer 22nm FD-SOI Technologie und ermöglicht einen 1Vppd PAM4 Signalpegel mit einer Rohdatenrate von bis zu 11.2Gb/s und einer Nyquist Sinuswellentonlinearität von besser als 50dBc. Das Treiberpaar ist abwärtskompatibel mit allen relevanten AE Standards 0/5/2.5/1GBase-T1 und benötigt eine Fläche von nur 0.05mm2. Die 9-bit TX-EC-DAC Kombination verbraucht 3/42mW von einer doppelten 0.8/1.2V Spannungsquelle mit einer Energieeffizienz von 2mW/Gb/s pro DAC.