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Design of An Integrated High Voltage Controller in CMOS-Technology for Tunable Multiport Microwave Devices

Ning, Jing :
Design of An Integrated High Voltage Controller in CMOS-Technology for Tunable Multiport Microwave Devices.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Design of An Integrated High Voltage Controller in CMOS-Technology for Tunable Multiport Microwave Devices
Language: German
Abstract:

As portable devices are required to operate in different frequency bands and work under changing environ- ment conditions, reconfigurable RF devices, which required high biasing voltages above 100 V , are used in RF frond-end to achieve the multi-bands functionality. The size and cost of discrete circuits are not accept- able for most hand-held devices. Thus, high voltage ASIC, which can be easily integrated and powered by a battery, is a better solution to provide the biasing voltage. High voltage ASIC design is a relatively new field in chip design. To support safe operation voltage above 100 V , sophisticated physical structures with multiple isolation layers, extra drain region and thick oxidation gate are used in high voltage technologies and result in worse performance than designs with low voltage technologies. Thus, chip size, cost, power consumption and performance become the biggest challenges of the proposed design. In this dissertation, two high voltage ASIC designs used to provide the biasing voltage for tunable components in communication systems are proposed. These ASICs can operate with a high voltage power supply generated by an on-chip DC-DC converter. Both designs are simulated in Cadence, implemented in AMS H35 and experimentally tested. The first ASIC is 8-bits high voltage DAC designed in segmented architecture with a Segmented Tran- sistor Only DAC and a high voltage Miller-compensated Amplifier to boost up the output of the low voltage DAC to the expected high voltage. It can provide the biasing voltage for tunable devices up to 115 V with 256 voltage steps. The INL and DNL of the HV DAC are 0.48 LSB and 0.38 LSB, respectively. The power consumption is 18 mW , and the chip size is 3.5 mm2 . The second ASIC is a high voltage controller mainly consisting of 16 HV DACs and a simple digital con- troller. Each HV DAC consists of a Current Steering DAC and a high voltage Miller-compensated Amplifier. It is able to provide 16 individual voltages up to 120 V for different channels of antenna arrays in commu- nication systems. Because of the process and mismatch variations, each HV DAC on the same chip has different performance. Based on the experimental test, the worst INL and DNL of the DACs are 0.98 LSB and 0.52 LSB, respectively. The total power consumption is 120 mW, and the chip size is 10.88 mm2. Besides the experimental test, a demonstrator is built to prove the feasibility to use HV ASICs to apply the required biasing voltage of the tunable components in portable devices. The measurement result is also presented in this dissertation.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die mobile Geräte arbeiten oft in unterschiedlichen Frequenzbereichen und ständig wechselnden Umgebungen.Um in HF Front-End die Multi-band Funktionalität zu realisieren, benötigen die Geräte rekonfiguierbare Hochfrequenz-Modulemiteiner Biasspannung über 100V . Jedoch sind die diskrete Schaltungen wegen deren Größe nicht integriebar in mobilen Geräten. Weiterhin machen die hohe Herstellungskosten für den Einsatz der diskreten Schlatungen in mobilen Geräten unmöglich. Die Hochspannung ASICs können mit Batterie betreiben werden. Wegen ihren kleineren Baugrößen sind die Hochspannung ASICs Module die beste Lösung für Biasspannungsversorgung in mobilen Geräten. Die Hochspannung ASIC ist ein Neuling im Bereich Chip Entwurf. Im Vergleich zu Niederspannung ASIC büßt die Performance der Hochspannung ASIC bei Spannungsversorgung über100V aufgrund ihren komplexen physikalischen Strukturen ein. Die Baugröße, die Herstellungskosten, der Energieverbrauch und die Performance sind die größte Herausforderungen bei der Entwicklung des vorliegden Schaltungsentwurfs. In dieser Arbeit werden zwei Hochspannung ASIC Entwerfe für die Biasspannungsversorgung der rekonfiguierbaren Komponenten in Kommunikationssystemen vorgestellt. Beide ASICs können mit einer Hochspannungsversorgung von einem On-Chip DC-DC Wandler betrieben werden. Beide Schaltungen werden zuerst in Cadence simuliert. Darauf folgt die Implementierung in AMS H35 und Praxistest. Die erste ASIC Schaltung ist eine 8-bits Hochspannung DAC und besteht aus einem Segmented Transistor Only DAC und einem Hochspannung Miller-compensated Verstärker. Die maximale Vorsorgungspannung beträgt maximal 115V und ist stufenweise in 256 Schritten einstellbar. Die INL und DNL der HVDAC sind jeweils 0.48 LSB und 0.38 LSB. Der Energieverbrauch ist 18 mW. Die Größe des Chips beträgt 3.5 mm2. Die zweite ASIC Schaltung besteht aus 16 HV DACs und einem Digitalregler. Jede Hochspannung DAC besteht auch ein Current Steering DAC und ein Hochspannung Miller-compensated Verstärker. Diese Schaltung liefert 16 kanalige Vorsorgungsspannung bis maximal 120V für Antennen Array in Kommunikationssystem. Aufgrund der Herstellungsabweichung haben die HVDACs unterschiedliche Leistungsfähigkeiten. Im Versuch weisen die DACs beim schlechten Bedingungen eine INL und DNL von 0.98 LSB und 0.52 LSB vor. Der Energie verbrauch ist 120mW. Die Größe des Chips beträgt 10.88 mm2. Um die Einsatztauglichkeit der Schaltung zu testen, werden die HV ASICs für die Spannungsversorgung der rekonfiguierbaren Modulen in mobilen Geräten eingebaut. Die Versuchsergebnisse werden ebenfalls in dieser Arbeit aufgeführt.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Integrierte Schaltungen und Systeme
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Microelectronic Systems
Date Deposited: 19 May 2016 10:18
Last Modified: 28 Jun 2016 11:49
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-54532
Referees: HOFMANN, Prof. Dr. KLAUS and JAKOBY, Prof. Dr. ROLF
Refereed: 18 December 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5453
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