Martínez Pérez, Antonio Dionisio
Celma Pueyo, Santiago (dir.) ; Aznar Tabuenca, Francisco (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2025
Resumen: Actualmente vivimos en un mundo saturado de diversos sistemas de comunicaciones inalámbricas. Los avances científicos y tecnológicos, así como la sociedad en su conjunto, demandan continuamente transmitir mayores volúmenes de datos en menor tiempo. Para mantener este ritmo, los sistemas electrónicos se hayan en continua mejora para cumplir con las expectativas. Afortunadamente, el desarrollo tecnológico
de los circuitos integrados (IC) acompaña, permitiendo producir diseños más compactos —o mejores prestaciones en la misma área— conforme el nodo tecnológico evoluciona.
Ahora bien, esta persecución apresurada por mejorar las prestaciones de los circuitos, en ocasiones, hace olvidar los métodos de optimización más tradicionales en base al minucioso estudio de las topologías. Este enfoque más clásico puede proporcionar información crítica sobre cómo puede obtenerse el máximo rendimiento del circuito. Si bien las relaciones entre dispositivos empleados y prestaciones globales son difíciles de obtener mediante simulación, los modelos empleados pueden ser mucho más complejos y precisos. También permiten realizar estudios estadísticos difícilmente reproducibles experimentalmente por coste en tiempo y económico, o control de las condiciones.
En particular, este trabajo se centra en la optimización de filtros polifásicos pasivos (PPF). Estos son un bloque básico para la implementación de numerosas arquitecturas de transmisores y receptores, y especialmente útil cuando todo el sistema se implementa en el mismo IC (sistemas monolíticos). El desarrollo se realiza dentro de un proyecto de diseño de un front-end electrónico para unidades de antena remotas, utilizándose para ello una tecnología TSMC CMOS standard de 65 nm. No obstante, la investigación se realiza con un enfoque generalista, facilitando la extrapolación de resultados y metodologías a otras tecnologías y aplicaciones.
La aparente simplicidad de los PPF resulta engañosa. Estos filtros están compuestos por una red asimétrica de exclusivamente elementos pasivos (resistencias y condensadores). Además, el número de variables de diseño es relativamente reducido dado que muchos elementos idealmente son idénticos. Sin embargo, aparecen dos problemas. Primero, las expresiones analíticas que describen la característica principal
del filtro son complejas y resulta bastante difícil ajustar el rango frecuencial en el que cumple las especificaciones. Y segundo, los PPF son muy sensibles a los efectos de las no idealidades, pudiendo variar enormemente su respuesta de un filtro a otro, incluso en dise˜nos idénticos.
El estudio de los PPF contenido en esta tesis se realiza desde dos perspectivas distintas pero complementarias.
Por un lado, se realiza un minucioso an´alisis del circuito, estudiando el efecto que las no-idealidades pueden producir. La investigación se centra especialmente en aquellos fenómenos que ocasionan un desequilibrio (mismatch) entre los componentes del circuito. Dado que el funcionamiento de la topología se basa en su particular simetría, surgen numerosos obstáculos a superar para alcanzar los objetivos. En primer
lugar, debe encontrarse el peor caso posible para acotar el impacto del mismatch. Una vez hallado, se desarrollan las expresiones analíticas que relacionan las prestaciones a las que aspira un PPF con las potenciales variaciones de los dispositivos que lo componen. Estos cálculos se realizan para cada una de las distintas configuraciones de un PPF. Finalmente, se logra obtener una cota fácil de calcular y aplicable a todos
los usos de un PPF.
Por otro lado, se realiza el proceso de diseño completo de un PPF, evaluando los factores más críticos de cada paso y proponiendo metodologías que optimicen las decisiones de diseño. De este modo, la tesis no solo presenta un recopilatorio exhaustivo de pautas a seguir para el diseño óptimo de PPFs, paso por paso, sino que también introduce las herramientas necesarias para comprobar por simulación la importancia de los diversos efectos en otras tecnologías, pudiendo utilizarse para tal fin los modelos de simulación que proporcionan los fabricantes. Como paso final, se realizan las medidas de los prototipos, probando que pueden obtenerse PPF con las especificaciones deseadas para el proyecto planteado.
Este trabajo innova presentando una cota cuantitativa, concisa y precisa, del efecto que puede producir el mismatch, frente a las predicciones cualitativas que aparecen ocasionalmente en la literatura. Por primera vez, podemos establecer una relación directa entre la precisión de los dispositivos y el valor que puede garantizarse en la característica principal del filtro. Como consecuencia, pueden determinarse restricciones de diseño para los componentes e incluso predecir si una tecnología es viable para las especificaciones deseadas.
También, las metodologías planteadas permiten alcanzar prestaciones superiores a los métodos clásicos de implementación y síntesis, sacando el máximo beneficio a los recursos invertidos en el PPF. Además, el enfoque generalista dota de una ventaja indirecta: las estrategias propuestas tienen menos restricciones. Gracias a ello, los procedimientos resultan muy prometedores para su uso en sistemas donde el número de etapas o características particulares impidan o desaconsejen el empleo de las metodologías tradicionales. Adicionalmente, se describen diversas y prometedoras líneas futuras para continuar profundizando en la investigación y desarrollo de los PPF de altas prestaciones.
Resumen (otro idioma): The modern world is saturated with diverse wireless communication systems. Scientific and technological advancements, as well as society, demand the transmission of larger volumes of data, and it must be done faster than ever. Electronic systems must constantly improve to match expectations. Fortunately, the development of integrated circuits (IC) helps, allowing more compact designs¿or enhanced performance for an equivalent area consumption¿with the evolution of the technological node. Moreover, this rushed pursuit of improving the performance of the circuits might relegate more classical optimization methods based on the thorough study of the topologies. The traditional approach can provide critical data to increase efficiency. Conversely, simulation strategies might face difficulties in establishing a relationship between the characteristics of devices and system operation; however, the employed models can be more detailed and accurate. Besides, simulations enable statistical studies that would be otherwise too expensive¿economically and timely¿or complex to implement as experimental tests. This work focuses explicitly on optimizing passive polyphase filters (PPF). This circuit is a fundamental building block for constructing a long list of transmitter and receiver architectures, especially useful in monolithic implementations, i.e., the whole system comprised of a single IC. The study is included in a project for designing the electronic front-end of a remote antenna unit (RAU) in a TSMC 65-nm standard CMOS technology. Nevertheless, the research adopts a generalist approach, easing the replication of results and methodologies for other applications and technologies. The apparent simplicity of the PPFs is misleading. These filters are asymmetric networks that only use passive devices (resistors and capacitors). Moreover, the design variable number is small, as many of the elements are ideally identical. However, two issues obscure PPF use. First, the analytical expressions that describe the key characteristics of the filter are complex. Thus, adjusting the frequency range in which specifications are fulfilled is difficult. Second, the PPFs are very sensitive to the effect of non-idealities, and their response may suffer massive changes from one sample to another of the same design due to those phenomena. The study of PPF contained in this thesis supposes two different but complementary perspectives. On the one hand, an exhaustive circuit analysis is carried out, studying the potential degradations due to non-idealities. The research focuses on the phenomena that cause an imbalance between the circuit components, mainly mismatch variations. There are several obstacles to achieving the objectives, as the topology operation is based on a particular symmetry. Firstly, to establish a limit, the worst possible mismatch combination must be found among a myriad of potential cases. Then, analytical expressions can be developed to link PPF performance with the potential device variations due to non-idealities. These calculations must be replicated for each of the distinct PPF configurations. Finally, the expressions converge into a simple and efficient limit, which is also common for any potential use of a PPF. On the other hand, the complete development process of a PPF is done, evaluating the most critical factors for each step and proposing methodologies to optimize the design decisions. Thus, the thesis not only presents a thorough list of guidelines for PPF implementation, but it also includes the tools to adapt it to other technologies and applications, enumerating the required simulations¿with the detailed manufactured models¿to evaluate the relevance of the different effects. The last stage presents experimental results, proving that a PPF can fulfill the desired specifications in the selected technology. This work innovates with the quantitative¿quick and accurate¿limit to narrow down the impact of mismatch. This approach contrasts with the occasional mentions of this effect in the literature, which are qualitative predictions. For the first time, there is a direct relationship between device fabrication tolerances and the main characteristics of the filter. Consequently, the results allow for determining design constraints to the PPF components and predicting if a PPF of specific technology can guarantee fulfilling target specifications. Besides, the proposed methodologies produce better performance than classical implementation and synthesis PPF methods, optimizing the efficiency of the resources invested into the filter. Moreover, the generalist approach has a significant indirect advantage: the strategies have few assumptions. Thus, they can be used in scenarios where the number of stages or particular characteristics impede or discourage the employment of traditional procedures. Additionally, the thesis concludes with a description of distinct and promising future research lines to continue studying and optimizing high-performance PPFs.
de los circuitos integrados (IC) acompaña, permitiendo producir diseños más compactos —o mejores prestaciones en la misma área— conforme el nodo tecnológico evoluciona.
Ahora bien, esta persecución apresurada por mejorar las prestaciones de los circuitos, en ocasiones, hace olvidar los métodos de optimización más tradicionales en base al minucioso estudio de las topologías. Este enfoque más clásico puede proporcionar información crítica sobre cómo puede obtenerse el máximo rendimiento del circuito. Si bien las relaciones entre dispositivos empleados y prestaciones globales son difíciles de obtener mediante simulación, los modelos empleados pueden ser mucho más complejos y precisos. También permiten realizar estudios estadísticos difícilmente reproducibles experimentalmente por coste en tiempo y económico, o control de las condiciones.
En particular, este trabajo se centra en la optimización de filtros polifásicos pasivos (PPF). Estos son un bloque básico para la implementación de numerosas arquitecturas de transmisores y receptores, y especialmente útil cuando todo el sistema se implementa en el mismo IC (sistemas monolíticos). El desarrollo se realiza dentro de un proyecto de diseño de un front-end electrónico para unidades de antena remotas, utilizándose para ello una tecnología TSMC CMOS standard de 65 nm. No obstante, la investigación se realiza con un enfoque generalista, facilitando la extrapolación de resultados y metodologías a otras tecnologías y aplicaciones.
La aparente simplicidad de los PPF resulta engañosa. Estos filtros están compuestos por una red asimétrica de exclusivamente elementos pasivos (resistencias y condensadores). Además, el número de variables de diseño es relativamente reducido dado que muchos elementos idealmente son idénticos. Sin embargo, aparecen dos problemas. Primero, las expresiones analíticas que describen la característica principal
del filtro son complejas y resulta bastante difícil ajustar el rango frecuencial en el que cumple las especificaciones. Y segundo, los PPF son muy sensibles a los efectos de las no idealidades, pudiendo variar enormemente su respuesta de un filtro a otro, incluso en dise˜nos idénticos.
El estudio de los PPF contenido en esta tesis se realiza desde dos perspectivas distintas pero complementarias.
Por un lado, se realiza un minucioso an´alisis del circuito, estudiando el efecto que las no-idealidades pueden producir. La investigación se centra especialmente en aquellos fenómenos que ocasionan un desequilibrio (mismatch) entre los componentes del circuito. Dado que el funcionamiento de la topología se basa en su particular simetría, surgen numerosos obstáculos a superar para alcanzar los objetivos. En primer
lugar, debe encontrarse el peor caso posible para acotar el impacto del mismatch. Una vez hallado, se desarrollan las expresiones analíticas que relacionan las prestaciones a las que aspira un PPF con las potenciales variaciones de los dispositivos que lo componen. Estos cálculos se realizan para cada una de las distintas configuraciones de un PPF. Finalmente, se logra obtener una cota fácil de calcular y aplicable a todos
los usos de un PPF.
Por otro lado, se realiza el proceso de diseño completo de un PPF, evaluando los factores más críticos de cada paso y proponiendo metodologías que optimicen las decisiones de diseño. De este modo, la tesis no solo presenta un recopilatorio exhaustivo de pautas a seguir para el diseño óptimo de PPFs, paso por paso, sino que también introduce las herramientas necesarias para comprobar por simulación la importancia de los diversos efectos en otras tecnologías, pudiendo utilizarse para tal fin los modelos de simulación que proporcionan los fabricantes. Como paso final, se realizan las medidas de los prototipos, probando que pueden obtenerse PPF con las especificaciones deseadas para el proyecto planteado.
Este trabajo innova presentando una cota cuantitativa, concisa y precisa, del efecto que puede producir el mismatch, frente a las predicciones cualitativas que aparecen ocasionalmente en la literatura. Por primera vez, podemos establecer una relación directa entre la precisión de los dispositivos y el valor que puede garantizarse en la característica principal del filtro. Como consecuencia, pueden determinarse restricciones de diseño para los componentes e incluso predecir si una tecnología es viable para las especificaciones deseadas.
También, las metodologías planteadas permiten alcanzar prestaciones superiores a los métodos clásicos de implementación y síntesis, sacando el máximo beneficio a los recursos invertidos en el PPF. Además, el enfoque generalista dota de una ventaja indirecta: las estrategias propuestas tienen menos restricciones. Gracias a ello, los procedimientos resultan muy prometedores para su uso en sistemas donde el número de etapas o características particulares impidan o desaconsejen el empleo de las metodologías tradicionales. Adicionalmente, se describen diversas y prometedoras líneas futuras para continuar profundizando en la investigación y desarrollo de los PPF de altas prestaciones.
Resumen (otro idioma): The modern world is saturated with diverse wireless communication systems. Scientific and technological advancements, as well as society, demand the transmission of larger volumes of data, and it must be done faster than ever. Electronic systems must constantly improve to match expectations. Fortunately, the development of integrated circuits (IC) helps, allowing more compact designs¿or enhanced performance for an equivalent area consumption¿with the evolution of the technological node. Moreover, this rushed pursuit of improving the performance of the circuits might relegate more classical optimization methods based on the thorough study of the topologies. The traditional approach can provide critical data to increase efficiency. Conversely, simulation strategies might face difficulties in establishing a relationship between the characteristics of devices and system operation; however, the employed models can be more detailed and accurate. Besides, simulations enable statistical studies that would be otherwise too expensive¿economically and timely¿or complex to implement as experimental tests. This work focuses explicitly on optimizing passive polyphase filters (PPF). This circuit is a fundamental building block for constructing a long list of transmitter and receiver architectures, especially useful in monolithic implementations, i.e., the whole system comprised of a single IC. The study is included in a project for designing the electronic front-end of a remote antenna unit (RAU) in a TSMC 65-nm standard CMOS technology. Nevertheless, the research adopts a generalist approach, easing the replication of results and methodologies for other applications and technologies. The apparent simplicity of the PPFs is misleading. These filters are asymmetric networks that only use passive devices (resistors and capacitors). Moreover, the design variable number is small, as many of the elements are ideally identical. However, two issues obscure PPF use. First, the analytical expressions that describe the key characteristics of the filter are complex. Thus, adjusting the frequency range in which specifications are fulfilled is difficult. Second, the PPFs are very sensitive to the effect of non-idealities, and their response may suffer massive changes from one sample to another of the same design due to those phenomena. The study of PPF contained in this thesis supposes two different but complementary perspectives. On the one hand, an exhaustive circuit analysis is carried out, studying the potential degradations due to non-idealities. The research focuses on the phenomena that cause an imbalance between the circuit components, mainly mismatch variations. There are several obstacles to achieving the objectives, as the topology operation is based on a particular symmetry. Firstly, to establish a limit, the worst possible mismatch combination must be found among a myriad of potential cases. Then, analytical expressions can be developed to link PPF performance with the potential device variations due to non-idealities. These calculations must be replicated for each of the distinct PPF configurations. Finally, the expressions converge into a simple and efficient limit, which is also common for any potential use of a PPF. On the other hand, the complete development process of a PPF is done, evaluating the most critical factors for each step and proposing methodologies to optimize the design decisions. Thus, the thesis not only presents a thorough list of guidelines for PPF implementation, but it also includes the tools to adapt it to other technologies and applications, enumerating the required simulations¿with the detailed manufactured models¿to evaluate the relevance of the different effects. The last stage presents experimental results, proving that a PPF can fulfill the desired specifications in the selected technology. This work innovates with the quantitative¿quick and accurate¿limit to narrow down the impact of mismatch. This approach contrasts with the occasional mentions of this effect in the literature, which are qualitative predictions. For the first time, there is a direct relationship between device fabrication tolerances and the main characteristics of the filter. Consequently, the results allow for determining design constraints to the PPF components and predicting if a PPF of specific technology can guarantee fulfilling target specifications. Besides, the proposed methodologies produce better performance than classical implementation and synthesis PPF methods, optimizing the efficiency of the resources invested into the filter. Moreover, the generalist approach has a significant indirect advantage: the strategies have few assumptions. Thus, they can be used in scenarios where the number of stages or particular characteristics impede or discourage the employment of traditional procedures. Additionally, the thesis concludes with a description of distinct and promising future research lines to continue studying and optimizing high-performance PPFs.
Pal. clave: diseño de circuitos ; diseño microelectrónico ; diseño de filtros ; microelectrónica
Titulación: Programa de Doctorado en Tecnologías de la Información y Comunicaciones en Redes Móviles
Plan(es): Plan 518
Área de conocimiento: Ingeniería y Arquitectura
Nota: Presentado: 07 03 2025
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2025
Aportación del TFG/M a la Sostenibilidad: Desarrollar infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible, y fomentar la innovación.
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Registro creado el 2025-06-23, última modificación el 2025-06-23
