Challenges in high-speed integrated circuit design: exploring the test cases of low noise amplifiers and analog-to-digital converters
Creators: name: Θεμελή, Ραφαήλα Βασιλείου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Μετατροπέας σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό
Ενισχυτής χαμηλού θορύβου
Παρεμβαλόμενος θόρυβος
Analog-to-digital converters (ADC)
Low noise amplifier (LNA)
Crosstalk

description: Η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει τις βασικές προκλήσεις στον σχεδιασμό ολοκληρωμένων κυκλωμάτων υψηλής ταχύτητας, εστιάζοντας σε δύο κρίσιμα κυκλώματα των συστημάτων επικοινωνίας: τους ενισχυτές χαμηλού θορύβου (LNAs) και τους μετατροπείς αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (ADCs). Το πρώτο μέρος της έρευνας διερευνά την επίδραση του παρεμβαλόμενου θορύβου (crosstalk) σε LNAs που έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν σε τρεις διαφορετικές ζώνες συχνοτήτων — στη ζώνη S (2.4 GHz), στη ζώνη Ka (28 GHz) και στη ζώνη V (56 GHz). Χρησιμοποιώντας την κασκοδική τοπολογία κοινής πηγής με επαγωγικό εκφυλισμό, οι LNAs προσομοιώθηκαν για την ανάλυση των επιδράσεων του crosstalk σε κρίσιμα χαρακτηριστικά απόδοσης, όπως το κέρδος, ο δείκτης θορύβου και η γραμμικότητα. Τα αποτελέσματα υπογραμμίζουν την υποβάθμιση της απόδοσης λόγω μαγνητικής σύζευξης, ιδίως σε πυκνά ολοκληρωμένα περιβάλλοντα. Το δεύτερο μέρος της εργασίας επικεντρώνεται στον σχεδιασμό και την ανάλυση ενός διαφορικού χρονικά διακλαδισμένου ADC διαδοχικής προσεγγίσεως (SAR) 12 δυαδικών ψηφίων bit, με συχνότητα λειτουργίας 16 MHz. Η απόδοση του ADC αξιολογήθηκε σε ιδανικό επίπεδο με υλοποίηση σε Verilog-A και σε επίπεδο τρανζίστορ, με τη σύγκριση του πραγματικού αριθμού των bits (ENOB) σε σχέση με τις επιδράσεις των πραγματικών μη ιδανικών παραμέτρων. Περαιτέρω ανάλυση πραγματοποιήθηκε για την επίδραση των παρασιτικών χωρητικοτήτων στην απόδοση του ADC, με σημαντική υποβάθμιση του ENOB να παρατηρείται. Τέλος, ο ADC διακλαδίστηκε χρονικά κατά 2 και 4 φορές, επιδεικνύοντας αύξηση του ρυθμού δειγματοληψίας με ελάχιστες απώλειες στην απόδοση, διατηρώντας υψηλό ENOB και χωρίς την εμφάνιση ανεπιθύμητων τόνων (spurs). Αυτή η έρευνα παρέχει μια ολοκληρωμένη αξιολόγηση των προκλήσεων στον σχεδιασμό ολοκληρωμένων κυκλωμάτων υψηλής ταχύτητας, προσφέροντας σημαντικές γνώσεις για τους περιορισμούς και τις ανταλλαγές απόδοσης όσον αφορά το crosstalk των LNAs και την ανάλυση των ADC σε σύγχρονα συστήματα επικοινωνίας.
description: This thesis explores key challenges in high-speed integrated circuit design, focusing on two critical components in communication systems: low-noise amplifiers (LNAs) and analog-to-digital converters (ADCs). The first part of this research investigates the impact of crosstalk on LNAs designed to operate across three distinct frequency bands—S-band (2.4 GHz), Ka-band (28 GHz), and V-band (56 GHz). Using a cascoded common-source topology with inductive degeneration, the LNAs were simulated to analyze the effects of crosstalk on performance metrics such as gain, noise figure, and linearity. Results highlight the performance degradation due to magnetic coupling, particularly in densely integrated environments. The second part of the thesis focuses on the design and analysis of a 12-bit Differential Time-Interleaved Successive Approximation Register (SAR) ADC operating at 16 MHz. The performance of the ADC was evaluated at both Verilog-A and transistor levels, with the ideal ENOB compared to the effects of real-world nonidealities. Further analysis was conducted on the impact of parasitic capacitances on the ADC’s performance, with significant ENOB degradation observed. Finally, the ADC was time-interleaved by factors of 2 and 4, demonstrating increased throughput with minimal performance trade-offs, while maintaining high ENOB and avoiding spurious tones. This research provides a comprehensive evaluation of the challenges faced in high-speed IC design, offering insights into the limitations and trade-offs of LNA crosstalk and ADC resolution in advanced communication systems.