Digital/mixed-signal phase loop controller

The popularity gained in the usage of digital controllers for the control of systems is due to several advantages offered by this kind of controllers. Among others, we would like to mention the advantage offered by the flexibility in the implementation of control algorithms, even sophisticated, which could be difficult to implement with controllers of different nature. Another advantage is the numerical approach to the problem of control, which makes predictable/controllable the behavior of the controller. Indeed the finite precision, the quantization noise, and the delay introduced in the loop are predictable and the appropriate countermeasures can be adopted to take them into account and make the system reliable. This is opposed to worst noise immunity, worst predictability of internal parameters of, as an example, an analog controller. Last, but not the least, we would like to mention that progresses in the development of new semiconductor technologies allowed the implementation of digital controllers extremely cheaper and compact compared to controllers of different natures. The activity carried out during this thesis is dealing with one of such digital controllers applied to a mixed-signal control system implemented on silicon. The mixed-signal system with a digital controller is used to control the phase-shift of an input synchronization signal to output a new synchronization signal with the same frequency but the phase-shifted by pi and a duty cycle of 50% regardless of input signal duty cycle. The activity started from the abstraction and analysis of the existing solution to identify its limits and then propose a better solution in terms of performances and area occupation on silicon. The activity also includes digital design (RTL coding), simulation, and synthesis of the improved system. This thesis work and research has been conducted in Maxim Integrated Italy – Automotive Business Unit.

La popolarità acquisita dall'utilizzo dei controller digitali per il controllo dei sistemi è dovuta ai numerosi vantaggi offerti da questo tipo di controller. Si segnala, tra gli altri, il vantaggio offerto dalla flessibilità nell'implementazione di algoritmi di controllo, anche sofisticati, che potrebbero essere difficilmente implementabili con controllori di diversa natura. Un altro vantaggio è l'approccio numerico al problema del controllo, che rende prevedibile / controllabile il comportamento del controllore. Infatti la precisione finita, il rumore di quantizzazione e il ritardo introdotto nel loop sono prevedibili, permettendo di poter adottare le opportune contromisure per tenerne conto e rendere affidabile il sistema. Ciò si oppone alla peggiore immunità al rumore, alla peggiore prevedibilità dei parametri interni, ad esempio, di un controller analogico. Ultimo, ma non meno importante, vorremmo ricordare che i progressi nello sviluppo di nuove tecnologie a semiconduttori hanno permesso l'implementazione di controller digitali estremamente più economici e compatti rispetto a controller di diversa natura. L'attività svolta durante questa tesi riguarda uno di tali controllori digitali, applicato ad un sistema di controllo a segnale misto implementato su silicio. Il sistema a segnale misto con controller digitale viene utilizzato per controllare lo sfasamento di un segnale di sincronizzazione in ingresso per emettere un nuovo segnale di sincronizzazione con la stessa frequenza ma sfasato di pi e un duty cycle del 50% indipendentemente dal duty cycle del segnale di ingresso. L'attività è partita dall'astrazione e analisi della soluzione esistente per individuarne i limiti, per poi proporre una migliore soluzione in termini di prestazioni e di occupazione di area su silicio. L'attività include anche la progettazione digitale (codifica RTL), la simulazione e la sintesi del sistema migliorato. Questo lavoro di tesi e ricerca è stato condotto presso Maxim Integrated Italy - Automotive Business Unit.