Progettazione di un Comparatore di Frequenza Basato su Inviluppo per Sistemi di Misura della Profondità

This thesis presents a low-power, analog frequency comparator designed for use in closed-loop laser interferometry systems. Unlike traditional designs that rely on phase-locking techniques, the proposed architecture achieves closed-loop operation by adopting a frequency-based iterative method, eliminating the need for phase locking. The system uses parallel low-pass and high-pass filters, followed by envelope detection and averaging, to produce two amplitude signals. The comparator evaluates these signals and makes a decision on adjusting the filter cutoff frequencies for the next iteration. By repeating this process, the frequency comparator progressively closes the loop between the reference frequency and the beat frequency. At the core of the design, a folded cascode OTA with MOS-connected diodes implements a precision rectifier. Simulations show a gain of 75 dB, a phase margin of 70°, and a gain-bandwidth product of 972.1 MHz, from a 2.5 V supply. Originally developed as part of a low-noise, low-power analog front-end for sensor readouts, the proposed design provides a compact, noise-resilient, and energy-efficient solution for precision measurement systems, showing strong potential for on-chip integration.

Questa tesi presenta un comparatore di frequenza analogico a bassa potenza, progettato per l’utilizzo in sistemi di interferometria laser ad anello chiuso. A differenza dei progetti tradizionali che si basano su tecniche di aggancio di fase (phase-locking), l’architettura proposta realizza il funzionamento in anello chiuso adottando un metodo iterativo basato sulla frequenza, eliminando la necessità dell’aggancio di fase. Il sistema utilizza filtri passa basso e passa alto in parallelo, seguiti da rivelazione dell’inviluppo e media, per generare due segnali di ampiezza. Il comparatore valuta questi segnali e prende una decisione sull’adattamento delle frequenze di taglio dei filtri per l’iterazione successiva. Ripetendo questo processo, il comparatore di frequenza chiude progressivamente l’anello tra la frequenza di riferimento e la frequenza di battimento. Il cuore del progetto è costituito da un OTA (Operational Transconductance Amplifier) a cascode ripiegato con diodi configurati come transistori MOS, che implementa un raddrizzatore di precisione. Le simulazioni mostrano un guadagno di 75 dB, un margine di fase di 70° e un prodotto guadagno-banda (GBW) di 972,1 MHz, con un’alimentazione di 2,5 V. Originariamente sviluppato come parte di un front-end analogico a bassa potenza e basso rumore per la lettura di sensori, il progetto proposto fornisce una soluzione compatta, resistente al rumore ed energeticamente efficiente per sistemi di misura di precisione, mostrando un forte potenziale per l’integrazione su chip.