A study of High Speed single bit circuits

The aim of this thesis is to introduce an analog to digital converter for a low-power consumption Radio over Fiber transmission for the next generation of mobile network. Data converters are fundamental circuits in the processing of both analog and digital signals, for their high performances, such as low power consumption and high resolution, Sigma Delta modulators are subjects of nowadays study and design. The fifth generation networks require high frequency transmissions and, at the same time, extremely high performances in terms of data rate and latency, making a cutting edge class of data converter such as the Sigma Delta modulator a perfect fit for implementing this transmission link. In a Radio over Fiber communication the signal is sent from the transmitter to the receiver through an optical fiber network, the conversion of the signal from electrical to optical is made by a modulation of a light source. The thesis is structured in two main section, the first part gives an overview on the theory about the Radio over Fiber transmission technique, the Analog to Digital conversion and the Sigma Delta modulation principles, while the second section is more focused on the theory and the practical work specifically related to the system studied during this activity. The first chapter provides a background introduction on the fifth generation mobile network explaining the motivation that brought to think and design new infrastructures in order to satisfy an always increasing amount of data traffic. Differences with respect to the previous generation (4G) of architecture are outlined as well as the application fields. The chapter ends with a description of the Radio over Fiber technique, presenting different types of architectures and their advantages and disadvantages. The second chapter is focused on the theoretical principles of the Analog to Digital conversion, outlining the differences between Nyquist and oversampling ADC. The Sigma Delta modulation is presented in details, with its advantages due to oversampling and noise shaping. The third chapter starts with an illustration of the architecture chosen for the analog to digital converter composed by two stages. The first stage, an asynchronous sigma delta modulator, is studied and modelled with Simulink, analysis have been carried out to verify if the model matches the behaviour foreseen by the theory and to set the parameters required for the transistor-level implementation. In the second part of the chapter the second stage composed by a continuous time Sigma Delta modulator is described and the overall ADC model is tested to set the necessary requirements. The fourth chapter focuses on the transistor level design of the asynchronous sigma delta modulator starting from the theoretical considerations made for a real circuit, modifying the theory considered for the ideal model. Two different circuit architectures were realized and here the reasons behind the choice are outlined and described, taking into account the goals of resolution and low power consumption. The design strategy is reported, in particular the procedure made to reach the desired oscillation frequency giving a complete overview on the behaviour of the circuit. Two analysis one at DC and the other for a sinusoidal input end the chapter together with a discussion of the results obtained. The last chapter presents the implementation of the entire ADC in the Cadence enviroment followed by the analysis made with the respective results.

L'obiettivo di questa tesi è di presentare un convertitore analogico digitale per una trasmissione a basso consumo di potenza basata su una tecnica chiamata Radio over Fiber per la nuova generazione di reti mobili. I data converter sono circuiti fondamentali per l'elaborazione di segnali sia analogici che digitali, grazie alle loro performance, come basso consumo di potenza e alta risoluzione, i modulatori Sigma Delta sono soggetto di recenti studi e progetti. La quinta generazione di reti mobili necessita di trasmissioni ad alte frequenze e, allo stesso tempo, di performance estremamente elevate in termini di data rate e latenza, facendo apparire una classe di convertitori all'avanguardia come i modulatori Sigma Delta il candidato ideale per la realizzazione del link di trasmissione. In una comunicazione Radio over Fiber il segnale è inviato dal trasmettitore al ricevitore attraverso una rete in fibra ottica, la conversione del segnale da elettrico a ottico avviene tramite una modulazione della sorgente luminosa. La tesi è strutturata in due parti, la prima fornisce una panoramica sui principi della tecnica di trasmissione Radio over Fiber, della conversione Analogica Digitale e della modulazione Sigma Delta, mentre la seconda è incentrata sulla teoria e il lavoro svolto nello studio del sistema realizzato durante questa attività. Il primo capitolo offre un' introduzione di base sulla quinta generazione di reti mobili illustrando le motivazioni che hanno portato all'idea e al design di nuove infrastrutture per soddisfare una sempre più crescente quantità di traffico di dati. Le differenze rispetto alle architetture della precedente generazione (4G) e i settori e i campi di applicazione sono presentati. Il capitolo termina con una descrizione della tecnica di trasmissione Radio over Fiber, presentando diverse architetture e i loro relativi vantaggi e svantaggi. Il secondo capitolo è incentrato sui principi della teoria riguardante la conversione Analogica Digitale, sottolineando le differenze tra convertitori di Nyquist e a sovracampionamento. Nel dettaglio viene presentata la modulazione Sigma Delta e i suoi vantaggi dati dal sovracampionamento e dal fenomeno di noise shaping. Il terzo capitolo inizia con una presentazione dell' architettura scelta per il convertitore analogico digitale composto da due stadi. Il primo stadio, un modulatore sigma delta asincrono, è stato studiato e realizzato come modello con Simulink e diverse analisi sono state effettuate per verificare che il modello seguisse il comportamento previsto in teoria e per fissare i parametri necessari alla realizzazione a livello di transistori. Nella seconda parte del capitolo il secondo stadio composto da un modulatore Sigma Delta del secondo ordine a tempo continuo è presentato e il modello del convertitore ADC complessivo è analizzato per individuare le specifiche necessarie. Il quarto capitolo è dedicato al design a livello di transistori del modulatore Sigma Delta asincrono partendo da un' analisi teorica per un circuito reale, modificando le considerazioni fatte per il modello ideale. Due architetture circuitali differenti sono state realizzate e considerando gli obiettivi riguardanti il consumo di potenza e la risoluzione le ragioni che motiva la scelta dell'architettura finale sono riportate. Attraverso la descrizione della strategia di design, in particolare come è stata raggiunta la frequenza di oscillazione desiderata, si ottiene una panoramica completa sul funzionamento del circuito. Due analisi, una in continua e l'altra per un ingresso sinusoidale, terminano il capitolo insieme a una discussione sui risultati ottenuti. L' ultimo capitolo riguarda l' implementazione dell'intero convertitore analogico digitale nell' ambiente Cadence seguito dalle analisi effettuate e i rispettivi risultati.