A low noise charge sensitive preamplifier with switch control feedback resistance

In this paper, the design and analysis of a new low noise charge sensitive preamplifier for silicon strip, Si(Li), CdZnTe and CsI detectors etc. with switch control feedback resistance were described, the entire system to be built using the CMOS transistors. The circuit configuration of the CSP proposed in this paper can be adopted to develop CMOS-based Application Specific Integrated Circuit further for Front End Electronics of read-out system of nuclear physics, particle physics and astrophysics research, etc. This work is an implemented design that we succeed after a simulation to obtain a rise time less than 3ns, the output resistance less than 94 Omega and the linearity almost good.

A Coupled Multi-ALU Processing Node for a Highly Parallel Computer

This report describes Processor Coupling, a mechanism for controlling multiple ALUs on a single integrated circuit to exploit both instruction-level and inter-thread parallelism. A compiler statically schedules individual threads to discover available intra-thread instruction-level parallelism. The runtime scheduling mechanism interleaves threads, exploiting inter-thread parallelism to maintain high ALU utilization. ALUs are assigned to threads on a cycle byscycle basis, and several threads can be active concurrently. Simulation results show that Processor Coupling performs well both on single threaded and multi-threaded applications. The experiments address the effects of memory latencies, function unit latencies, and communication bandwidth between function units.

A Parallel Crossbar Routing Chip for a Shared Memory Multiprocessor

This thesis describes the design and implementation of an integrated circuit and associated packaging to be used as the building block for the data routing network of a large scale shared memory multiprocessor system. A general purpose multiprocessor depends on high-bandwidth, low-latency communications between computing elements. This thesis describes the design and construction of RN1, a novel self-routing, enhanced crossbar switch as a CMOS VLSI chip. This chip provides the basic building block for a scalable pipelined routing network with byte-wide data channels. A series of RN1 chips can be cascaded with no additional internal network components to form a multistage fault-tolerant routing switch. The chip is designed to operate at clock frequencies up to 100Mhz using Hewlett-Packard's HP34 $1.2\\mu$ process. This aggressive performance goal demands that special attention be paid to optimization of the logic architecture and circuit design.

DC/DC converter 3D assembly for autonomous sensor nodes

This paper reports on the design and the manufacturing of an integrated DCDC converter, which respects the specificity of sensor node network: compactness, high efficiency in acquisition and transmission modes, and compatibility with miniature Lithium batteries. A novel integrated circuit (ASIC) has been designed and manufactured to provide regulated Voltage to the sensor node from miniaturized, thin film Lithium batteries. Then, a 3D integration technique has been used to integrate this ASIC in a 3 layers stack with high efficiency passives components, mixing the wafer level technologies from two different research institutions. Electrical results have demonstrated the feasibility of this integrated system and experiments have shown significant improvements in the case of oscillations in regulated voltage. However, stability of this output voltage toward the input voltage has still to be improved.

Statistical method of modeling and optimization for wireless sensor nodes with different interconnect technologies and substrates

A comparison study was carried out between a wireless sensor node with a bare die flip-chip mounted and its reference board with a BGA packaged transceiver chip. The main focus is the return loss (S parameter S11) at the antenna connector, which was highly depended on the impedance mismatch. Modeling including the different interconnect technologies, substrate properties and passive components, was performed to simulate the system in Ansoft Designer software. Statistical methods, such as the use of standard derivation and regression, were applied to the RF performance analysis, to see the impacts of the different parameters on the return loss. Extreme value search, following on the previous analysis, can provide the parameters' values for the minimum return loss. Measurements fit the analysis and simulation well and showed a great improvement of the return loss from -5dB to -25dB for the target wireless sensor node.

Insertion of metal oxides into block copolymer nanopatterns as robust etch masks for nanolithography

Directed self-assembly (DSA) of block copolymers (BCPs) is a prime candidate to further extend dimensional scaling of silicon integrated circuit features for the nanoelectronic industry. Top-down optical techniques employed for photoresist patterning are predicted to reach an endpoint due to diffraction limits. Additionally, the prohibitive costs for “fabs” and high volume manufacturing tools are issues that have led the search for alternative complementary patterning processes. This thesis reports the fabrication of semiconductor features from nanoscale on-chip etch masks using “high χ” BCP materials. Fabrication of silicon and germanium nanofins via metal-oxide enhanced BCP on-chip etch masks that might be of importance for future Fin-field effect transistor (FinFETs) application are detailed.

Analysis and Synthesis of pHEMT Class-E Amplifiers with Shunt Inductor including ON-State Active-Device Resistance Effects

In this theoretical paper, the analysis of the effect that ON-state active-device resistance has on the performance of a Class-E tuned power amplifier using a shunt inductor topology is presented. The work is focused on the relatively unexplored area of design facilitation of Class-E tuned amplifiers where intrinsically low-output-capacitance monolithic microwave integrated circuit switching devices such as pseudomorphic high electron mobility transistors are used. In the paper, the switching voltage and current waveforms in the presence of ON-resistance are analyzed in order to provide insight into circuit properties such as RF output power, drain efficiency, and power-output capability. For a given amplifier specification, a design procedure is illustrated whereby it is possible to compute optimal circuit component values which account for prescribed switch resistance loss. Furthermore, insight into how ON-resistance affects transistor selection in terms of peak switch voltage and current requirements is described. Finally, a design example is given in order to validate the theoretical analysis against numerical simulation.

Thin film sputtered silicon for silicon wafer bonding applications

The transfer of functional integrated circuit layers to other substrates is being investigated for smart-sensors, MEMS, 3-D ICs and mixed semiconductor circuits. There is a need for a planarisation and bondable layer which can be deposited at low temperature and which is IC compatible. This paper describes for the first time the successful use of sputtered silicon in this role for applications as outlined above where high temperature post bond anneals are not required. It also highlights the problems of using sputtered silicon as a bonding layer in applications where post bond temperatures greater than 400C are required.

Exploring figures of merit associated with the suboptimum operation of class-E power amplifiers

Closed-form design equations for the operation of a class-E amplifier for zero switch voltage slope and arbitrary duty cycle are derived. This approach allows an additional degree of freedom in the design of class-E amplifiers which are normally designed for 50 duty ratio. The analysis developed permits the selection of non-unique solutions where amplifier efficiency is theoretically 100 but power output capability is less than that the 50 duty ratio case would permit. To facilitate comparison between 50 (optimal) and non-50 (suboptimal) duty ratio cases, each important amplifier parameter is normalised to its corresponding optimum operation value. It is shown that by choosing a non-50 suboptimal solution, the operating frequency of a class-E amplifier can be extended. In addition, it is shown that by operating the amplifier in the suboptimal regime, other amplifier parameters, for example, transistor output capacitance or peak switch voltage, can be included along with the standard specification criteria of output power, DC supply voltage and operating frequency as additional input design specifications. Suboptimum class-E operation may have potential advantages for monolithic microwave integrated circuit realisation as lower inductance values (lower series resistance, higher self-resonance frequency, less area) may be required when compared with the results obtained for optimal class-E amplifier synthesis. The theoretical analysis conducted here was verified by harmonic balance simulation, with excellent agreement between both methods. © The Institution of Engineering and Technology 2007.

Even order harmonic Series-L/Parallel-Tuned Class-E frequency multiplier

In this brief, we propose a new Class-E frequency multiplier based on the recently introduced Series-L/Parallel-Tuned Class-E amplifier. The proposed circuit produces even-order output harmonics. Unlike previously reported solutions the proposed circuit can operate under 50% duty ratio which minimizes the conduction losses. The circuit also offers the possibility for increased maximum operating frequency, reduced peak switch voltage, higher load resistance and inherent bond wire absorption; all potentially useful in monolithic microwave integrated circuit implementations. In addition, the circuit topology suggested large transistors with high output capacitances can be deployed. Theoretical design equations are given and the predictions made using these are shown to agree with harmonic balance circuit simulation results.

V-band 57-65 GHz receiver

A simple V-band radio IQ receiver architecture based around a six-port monolithic microwave integrated circuit (MMIC) is presented. The receiver assembly is designed to cover the 57-65 GHz broadband wireless communication system frequency allocation. The receiver that has an integral 10 dB microstrip antenna consumes 120 mW of dc power and occupies an area of 23 mm x 16 mm. The receiver can be used in heterodyne or in homodyne mode and has the capacity to demodulate quadrature amplitude modulation (QAM), binary phase shift keying (BPSK)/quadrature phase shift keying (QPSK)/offset quadrature phase shift keying (OQPSK). At 60 GHz the receiver can operate over 10 m range for transmitter effective isotropic radiated power (EIRP) of 20 dBm.

Inexact floating-point adder for dynamic image processing

Power has become a key constraint in current nanoscale integrated circuit design due to the increasing demands for mobile computing and a low carbon economy. As an emerging technology, an inexact circuit design offers a promising approach to significantly reduce both dynamic and static power dissipation for error tolerant applications. Although fixed-point arithmetic circuits have been studied in terms of inexact computing, floating-point arithmetic circuits have not been fully considered although require more power. In this paper, the first inexact floating-point adder is designed and applied to high dynamic range (HDR) image processing. Inexact floating-point adders are proposed by approximately designing an exponent subtractor and mantissa adder. Related logic operations including normalization and rounding modules are also considered in terms of inexact computing. Two HDR images are processed using the proposed inexact floating-point adders to show the validity of the inexact design. HDR-VDP is used as a metric to measure the subjective results of the image addition. Significant improvements have been achieved in terms of area, delay and power consumption. Comparison results show that the proposed inexact floating-point adders can improve power consumption and the power-delay product by 29.98% and 39.60%, respectively.

Synthesis of FPGA-based accelerators implementing recursive algorithms

O desenvolvimento de sistemas computacionais é um processo complexo, com múltiplas etapas, que requer uma análise profunda do problema, levando em consideração as limitações e os requisitos aplicáveis. Tal tarefa envolve a exploração de técnicas alternativas e de algoritmos computacionais para optimizar o sistema e satisfazer os requisitos estabelecidos. Neste contexto, uma das mais importantes etapas é a análise e implementação de algoritmos computacionais. Enormes avanços tecnológicos no âmbito das FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) tornaram possível o desenvolvimento de sistemas de engenharia extremamente complexos. Contudo, o número de transístores disponíveis por chip está a crescer mais rapidamente do que a capacidade que temos para desenvolver sistemas que tirem proveito desse crescimento. Esta limitação já bem conhecida, antes de se revelar com FPGAs, já se verificava com ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) e tem vindo a aumentar continuamente. O desenvolvimento de sistemas com base em FPGAs de alta capacidade envolve uma grande variedade de ferramentas, incluindo métodos para a implementação eficiente de algoritmos computacionais. Esta tese pretende proporcionar uma contribuição nesta área, tirando partido da reutilização, do aumento do nível de abstracção e de especificações algorítmicas mais automatizadas e claras. Mais especificamente, é apresentado um estudo que foi levado a cabo no sentido de obter critérios relativos à implementação em hardware de algoritmos recursivos versus iterativos. Depois de serem apresentadas algumas das estratégias para implementar recursividade em hardware mais significativas, descreve-se, em pormenor, um conjunto de algoritmos para resolver problemas de pesquisa combinatória (considerados enquanto exemplos de aplicação). Versões recursivas e iterativas destes algoritmos foram implementados e testados em FPGA. Com base nos resultados obtidos, é feita uma cuidada análise comparativa. Novas ferramentas e técnicas de investigação que foram desenvolvidas no âmbito desta tese são também discutidas e demonstradas.

Projecto de receptores integrados de banda larga

O presente trabalho tem como objectivo o estudo e projecto de receptores optimizados para sistemas de comunicações por fibra óptica de muito alto débito (10Gb/s e 40Gb/s), com a capacidade integrada de compensação adaptativa pós-detecção da distorção originada pela característica de dispersão cromática e de polarização do canal óptico. O capítulo 1 detalha o âmbito de aplicabilidade destes receptores em sistemas de comunicações ópticas com multiplexagem no comprimento de onda (WDM) actuais. O capítulo apresenta ainda os objectivos e principais contribuições desta tese. O capítulo 2 detalha o projecto de um amplificador pós-detecção adequado para sistemas de comunicação ópticos com taxa de transmissão de 10Gb/s. São discutidas as topologias mais adequadas para amplificadores pós detecção e apresentados os critérios que ditaram a escolha da topologia de transimpedância bem como as condições que permitem optimizar o seu desempenho em termos de largura de banda, ganho e ruído. Para além disso são abordados aspectos relacionados com a implementação física em tecnologia monolítica de microondas (MMIC), focando em particular o impacto destes no desempenho do circuito, como é o caso do efeito dos componentes extrínsecos ao circuito monolítico, em particular as ligações por fio condutor do monólito ao circuito externo. Este amplificador foi projectado e produzido em tecnologia pHEMT de Arsenieto de Gálio e implementado em tecnologia MMIC. O protótipo produzido foi caracterizado na fábrica, ainda na bolacha em que foi produzido (on-wafer) tendo sido obtidos dados de caracterização de 80 circuitos protótipo. Estes foram comparados com resultados de simulação e com desempenho do protótipo montado num veículo de teste. O capítulo 3 apresenta o projecto de dois compensadores eléctricos ajustáveis com a capacidade de mitigar os efeitos da dispersão cromática e da dispersão de polarização em sistemas ópticos com débito binário de 10Gb/s e 40Gb/s, com modulação em banda lateral dupla e banda lateral única. Duas topologias possíveis para este tipo de compensadores (a topologia Feed-Forward Equalizer e a topologia Decision Feedback Equaliser) são apresentadas e comparadas. A topologia Feed-Forward Equaliser que serviu de base para a implementação dos compensadores apresentados é analisada com mais detalhe sendo propostas alterações que permitem a sua implementação prática. O capítulo apresenta em detalhe a forma como estes compensadores foram implementados como circuitos distribuídos em tecnologia MMIC sendo propostas duas formas de implementar as células de ganho variável: com recurso à configuração cascode ou com recurso à configuração célula de Gilbert. São ainda apresentados resultados de simulação e experimentais (dos protótipos produzidos) que permitem tirar algumas conclusões sobre o desempenho das células de ganho com as duas configurações distintas. Por fim, o capítulo inclui ainda resultados de desempenho dos compensadores testados como compensadores de um sinal eléctrico afectado de distorção. No capítulo 4 é feita uma análise do impacto da modulação em banda lateral dupla (BLD) em comparação com a modulação em banda lateral única (BLU) num sistema óptico afectado de dispersão cromática e de polarização. Mostra-se que com modulação em BLU, como não há batimento entre portadoras das duas bandas laterais em consequência do processo quadrático de detecção e há preservação da informação da distorção cromática do canal (na fase do sinal), o uso deste tipo de modulação em sistemas de comunicação óptica permite maior tolerância à dispersão cromática e os compensadores eléctricos são muito mais eficientes. O capítulo apresenta ainda resultados de teste dos compensadores desenvolvidos em cenários experimentais de laboratório representativos de sistemas ópticos a 10Gb/s e 40Gb/s. Os resultados permitem comparar o desempenho destes cenários sem e com compensação eléctrica optimizada, para os casos de modulação em BLU e em BLD, e considerando ainda os efeitos da dispersão na velocidade de grupo e do atraso de grupo diferencial. Mostra-se que a modulação BLU em conjunto com compensação adaptativa eléctrica permite um desempenho muito superior á modulação em BLD largamente utilizada nos sistemas de comunicações actuais. Por fim o capítulo 5 sintetiza e apresenta as principais conclusões deste trabalho.

Behavioral modeling optimization and enhancement for high-speed analog mixed-signal I/O interfaces

A integridade do sinal em sistemas digitais interligados de alta velocidade, e avaliada através da simulação de modelos físicos (de nível de transístor) é custosa de ponto vista computacional (por exemplo, em tempo de execução de CPU e armazenamento de memória), e exige a disponibilização de detalhes físicos da estrutura interna do dispositivo. Esse cenário aumenta o interesse pela alternativa de modelação comportamental que descreve as características de operação do equipamento a partir da observação dos sinais eléctrico de entrada/saída (E/S). Os interfaces de E/S em chips de memória, que mais contribuem em carga computacional, desempenham funções complexas e incluem, por isso, um elevado número de pinos. Particularmente, os buffers de saída são obrigados a distorcer os sinais devido à sua dinâmica e não linearidade. Portanto, constituem o ponto crítico nos de circuitos integrados (CI) para a garantia da transmissão confiável em comunicações digitais de alta velocidade. Neste trabalho de doutoramento, os efeitos dinâmicos não-lineares anteriormente negligenciados do buffer de saída são estudados e modulados de forma eficiente para reduzir a complexidade da modelação do tipo caixa-negra paramétrica, melhorando assim o modelo standard IBIS. Isto é conseguido seguindo a abordagem semi-física que combina as características de formulação do modelo caixa-negra, a análise dos sinais eléctricos observados na E/S e propriedades na estrutura física do buffer em condições de operação práticas. Esta abordagem leva a um processo de construção do modelo comportamental fisicamente inspirado que supera os problemas das abordagens anteriores, optimizando os recursos utilizados em diferentes etapas de geração do modelo (ou seja, caracterização, formulação, extracção e implementação) para simular o comportamento dinâmico não-linear do buffer. Em consequência, contributo mais significativo desta tese é o desenvolvimento de um novo modelo comportamental analógico de duas portas adequado à simulação em overclocking que reveste de um particular interesse nas mais recentes usos de interfaces de E/S para memória de elevadas taxas de transmissão. A eficácia e a precisão dos modelos comportamentais desenvolvidos e implementados são qualitativa e quantitativamente avaliados comparando os resultados numéricos de extracção das suas funções e de simulação transitória com o correspondente modelo de referência do estado-da-arte, IBIS.