Design of low-power analog circuits for analog decoding and wireless sensors nodes

The first part of this work concerns analog decoding. It presents the design of the I/O interface for a fully analog iterative decoder for a serially concatenated convolutional code and of a fully analog Trellis Coded Modulation (TCM) decoder for error correction in multi-level (ML) flash memories. The iterative decoder represents a significant step ahead in the evolution of analog decoders due to its reconfigurability in both block length and code rate. Moreover, with an efficiency of 2.1nJ/bit, it outperforms digital decoders with the same block length of a factor up to 50. The potential performance and limitations of the analog approach for a TCM decoder have been investigated considering a 4-state and an 8-state decoder, both developed in a 0.18um standard CMOS process. In the second part of the thesis, the design of a low-power transceiver chipset for ultra wideband impulse radio (UWB-IR) is presented, with particular emphasis on the transmitter design. In particular, the transmitter uses a novel combined mixer and power amplifier to generate a Gaussian pulse with 1.25GHz bandwith and center frequency of 7.875GHz. The combined MRX-PA includes a monolithic transformer to reach a maximum output voltage swing of 3.2Vpp, necessary to ensure the required link distance of 10 meters. The transformer has been designed in order to maximize the power efficiency and at the same time to realize a fourth-order ladder filter, so as to reduce the transmitter out-of band emissions. The efficiency of this design has been compared with state-of-the-art UWB-IR transmitters, showing how the proposed solution leads to an improvement in the transmitter efficiency of a factor of almost 10.

La prima parte di questo lavoro di tesi e' dedicata alla decodifica analogica e presenta la progettazione di un'interfaccia di I/O per un decodificatore iterattivo completamente analogico per un codice convoluzionale concatenato in serie e di un decoder analogico per Trellis Coded Modulation (TCM) per la correzione degli errori in memorie Flash multi-livello. Il decodificatore iterattivo rappresenta un grosso passo avanti nell'evoluzione dei decodificatori analogici in quanto e' possibile riconfigurarne sia la lunghezza di blocco che il rate del codice. Per di piu', con un'efficienza di 2.1nJ/bit, migliora fino a 50 volte le prestazioni in termini di efficienza dei decodificatori digitali con la stessa lunghezza di blocco. Le potenziali prestazioni e le limitazioni dell'approccio analogico per un decodificatore per TCM sono state investigate considerando due diversi decodificatori, uno a 4 stati ed uno ad 8 stati, entrambi sviluppati in un processo CMOS standard con una lunghezza di canale di 0.18um. Nella seconda parte della tesi viene presentato il design di un transciver per una radio ad impulsi a banda larga (UWB-IR), con particolare enfasi sulla progettazione del trasmettitore. Il trasmettitore utilizza una nuova combinazione di mixer e amplificatore di potenza per generare un impulso gaussiano con una larghezza di banda di 1.25GHz ed una frequenza centrale di 7.875GHz. Il nuovo circuito, inoltre, include un trasformatore monolitico in modo tale da generare una tensione di uscita di 3.2Vpp, necessaria per garantire la distanza di connessione richiesta di almeno 10 metri. Il trasformatore e' stato progettato in modo da massimizzare l'efficienza in termini di potenza e, allo stesso tempo, realizzare un filtro ladder del quarto ordine al fine di ridurre le emissioni fuori banda del trasmettitore stesso. Confrontando l'efficienza di questo design con trasmettori per UWB-IR allo stato dell'arte si e' visto come la soluzione da noi proposta porti ad un miglioramento dell'efficienza del trasmettitore di un fattore pari a 10.