Digitally assisted frequency synthesizers and data converters for wide-band radio systems

Technology scaling has been driving integrated circuits designers towards denser and faster systems since its early days, in turn influenced by the increasing demand of performance. Main protagonists of the revolution are communication systems, which currently adopt RF and mm-Wave carriers for high throughput data transmissions requiring modulation bandwidths ranging from few hundred MHz to about 1GHz. State-of-the-Art radios must then reach unprecedented accuracy on wide ranges of frequencies and operating conditions, at the same time coping with the worsened analog performance of the high-density, digital-friendly technologies allowing to reach such frequencies. The change in paradigm of recent years, favoring digital assistance of the essential analog building blocks, blurs the edges of mixed-signal implementations: the cost and overhead of p.p.m. accuracy of analog designs is circumvented by means of digital calibrations, steering towards systems that minimize the amount of custom building blocks preferring scalable, reusable and portable subsystems. Examples of this trend are frequency synthesizers and data converters, cores of most radios. In this work are presented examples of designs that might enable efficient new generation radios, starting from digital and hybrid 13GHz Phase-Locked Loops, embedding high efficiency oscillators to achieve sub-100fs r.m.s. jitter with low power consumption, to GSps time-interleaved Analog-to-Digital converters combining several low-power cores controlled by digital background correction algorithms reducing spur power to less than 70dB below the carrier. Efficiency and performance are achieved by means of novel Least Mean Squares control loops and adaptive filters for distortion and mismatch compensation.

Lo scaling tecnologico ha guidato i progettisti di circuiti integrati verso sistemi più densi e più veloci sin dal principio, influenzato a sua volta dalla crescente richiesta di prestazioni. Protagonisti principali della rivoluzione sono i sistemi di comunicazione, che correntemente adottano frequenze portanti radio e millimetriche per trasmissioni dati ad alta portata che richiedano bande di modulazione dalle centinaia di MHz sino al GHz. Radio allo stato dell'arte devono ora raggiungere accuratezze senza precedenti su una vasta gamma di frequenze e condizioni operative, allo stesso tempo affrontando le peggiori prestazioni analogiche delle tecnologie ad alta densità e prettamente digitali che permettono di raggiungere tali frequenze. Il cambio di paradigma degli ultimi anni, che favorisce l'ausilio digitale degli essenziali blocchi costituenti analogici, sfuma i confini delle implementazioni mixed-signal: il costo e la difficoltà aggiuntiva dell'accuratezza di parti su milione dei progetti analogici sono aggirati per mezzo di calibrazioni digitali, virando verso sistemi che minimizzino l'ammontare di blocchi costituenti ad hoc, preferendo sotto-sistemi scalabili, portabili e riutilizzabili. Esempi di questo andamento sono i sintetizzatori di frequenza e i convertitori di dati, centro della maggior parte dei sistemi radio. In questo lavoro sono presentati esempi di progetti che potrebbero abilitare radio efficienti di nuova generazione, a partire da anelli ad aggancio di fase a 13GHz digitali ed ibridi, contenenti oscillatori ad alta efficienza per ottenere jitter al di sotto di 100fs con un basso consumo di potenza, sino a convertitori Analogico-Digitali time-interleaved al GSps che combinano diversi nuclei a bassa potenza controllati da algoritmi di calibrazione digitali autonomi per ridurre la potenza di toni spuri oltre 70dB al di sotto della portante. Efficienza e prestazioni sono raggiunte per mezzo di innovativi anelli di controllo ai minimi quadrati e filtri adattivi per compensazione di distorsione e disomogeneità.