Experimental Validation of a Tuning Algorithm for High-Speed Filters

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1 Experimental Validation of a Tuning Algorithm for High-Speed Filters G. Matarrese*, C. Marzocca*, F. Corsi* S. D Amico, A. Baschirotto *Dip. di Elettrotecnica ed Elettronica, Politecnico di Bari, Italy Dip. di Ingegneria dell Innovazione, Università di Lecce, Italy

2 Tuning algorithm Basic idea: impulse response estimation via I/O X-correlation The input stimulus is a pseudo-random pulse sequence The I/O X-correlator detects performance deviations The tuning block adjusts the filter performance 2

3 Practical implementation issues Measurement noise and sampling jitter have limited influence on the signature due to the averaging process produced by the X-corr. Easy generation of the input stimulus (LFS) and simple DAC and ADC result in low area overhead Simple and fast DAC and ADC allow tuning of high speed filters Limited non-linearity effects 3

4 Practical implementation issues xy (m) = lim kl L x(n)y(n + kl n= 0 m). L can be chosen according to the accuracy of xy required by tuning. 2. Δt should be chosen according to the filter bandwidth: f 0 =(/ Δt) 5f C. 3. k = f S /f 0 = ADC over-sampling ratio; the choice of k is determined by the significant number of output samples kl needed by tuning. Typical values: k = ADC resolution can be bit. 4

5 Practical implementation issues Choice of the signature e.g. : filter specs s j : cut-off freq. f c static gain A V quality factor Q m xy nom. xy /f c xy /A V xy /Q (LP filter) ij = xy s ( m j i ) st sign. sample xy (m ): >> 2,, n 2 nd sample xy (m 2 ) after tuning s : 22 >> 23,, 2n 5

6 Application: tuning of a base-band filter in a multi-standard receiver Filter structure Filter specs DC Gain GSM UMTS WLAN 4dB 4dB 4dB f C ( 5%) MHz 2.MHz MHz Multistandard anti-aliasing filter for base-band receivers 4 th order LP Bessel transfer function (multi-path biquad topology) 0.25μm CMOS process (V supply = 2.5V) 6

7 7 Application: tuning of a base-band filter in a multi-standard receiver Single biquad cell C 2 m C m LP C C g s C s C C g (s) H + + +

8 8 Single cell specs A V and Q depend only on the ratio of homogeneous components Cell parameters for UMTS & WLAN operation modes Application: tuning of a base-band filter in a multi-standard receiver 2 V A = C 2 m 2 C C g Q + = C 2 m LP C C g 2 f π =

9 Application: tuning of a base-band filter in a multi-standard receiver Choice of the signature spec to be tuned: cut-off frequency f c signature sample m xy nom. xy /f c xy /A V xy /Q st zero-crossing sample of xy Easy hardware implementation 9

10 Experimental setup 0

11 Experimental setup Filter PCB. Broad-band Transformer (-bit DAC) 2. Filter IC Output buffer 2 4. Comparator Fully-differential, zero-average,.25v common mode input by using a transformer with output central tap biased at.25v. An output buffer is needed to watch the analog response. The -bit ADC is a fast comparator placed at the fullydifferential output of the filter.

12 Experimental setup Xilinx Spartan 3 FPGA starter kit 2

13 Experimental results UMTS standard (f CNOM = 2.MHz) N=4 tuning bits (6 configurations) Measured Bode diagrams of the 6 configurations of the programmable capacitors f C = 2.09MHz f CNOM Tuning config.: 00 3

14 Experimental results Input sequence (L=63, k=6, f 0 =0MHz) Comparator output Tuning configuration: 00 (f C =2.09MHz) Filter output 4

15 Experimental results Length of the pseudo-random sequence f 0 =0MHz 5f C k=6 Measured, normalized cross-correlation functions obtained with input sequences of different lengths 5

16 Experimental results Choice of Δt=/f 0 L=63 k=6 Measured cross-correlation functions obtained with input sequences of the same length (L=63) and different f 0 6

17 Experimental results Choice of an effective signature f 0 =0MHz 5f C L=63 k=6 Measured cross-correlation functions for all the 6 configurations of the tuning bits 7

18 Experimental results Signature sample vs tuning configurations f 0 =0MHz 5f C k=6 The first zero-crossing sample can be used to tune the filter L=63 is sufficient to tune f C 8 The tuning accuracy is limited only by δc

19 Conclusions Experimental validation of a tuning technique on a high-speed multi-standard base-band filter Simple and robust tuning technique (averaging properties of xy ) Low area overhead for tuning H/W Low res. ADC required: good for high speed TLC filters The tuning accuracy is limited only by δc (i.e. the number of tuning bits) 9

20 METODO DEI PAAMETI α La FIMA (SIGNATUE) del DUT è costituita da un set di parametri α i, direttamente collegati ai POLI del DUT, secondo le seguenti relazioni: Questi parametri possono essere misurati campionando, in almeno n+ punti, la risposta del circuito ad piccolo impulso rettangolare di durata T secondi e risolvendo sistema di n equazioni lineari, i cui coefficienti sono i campioni della risposta. Affidabilità e Collaudo di Circuiti Elettronici Integrati

21 METODO DEI PAAMETI α Una migliore immunità al rumore dei parametri α può essere ottenuta aumentando l ampiezza del campione a (2n+) punti; Una riduzione dell effetto del jitter può aversi mediando su più campioni (cioè ripetendo + volte l impulso); Una scelta opportuna di T e del periodo di ripetizione T S può migliorare l efficienza numerica di risoluzione del sistema lineare di equazioni; Misurati gli α, basta verificare che essi appartengano alla loro regione di accettabilità per classificare il DUT; POBLEMA: MAPPAE LA EGIONE DI ACCETTABILITA DELLE SPECIFICHE IN QUELLA DEGLI α; SOLUZIONE : se esiste relazione analitica tra poli e specifiche, si può ricavare la regione di accettabilità degli α a partire da quella delle specifiche; SOLUZIONE 2: a partire da descrizione statistica dei parametri del circuito li si fa variare mediante MONTE CALO in modo da avere descrizione statistica delle specifiche e dei poli; si può così determinare la regione di accettabilità dei poli a partire da quella delle specifiche, in termini statistici. Affidabilità e Collaudo di Circuiti Elettronici Integrati

22 METODO DEI PAAMETI α: ESEMPIO Affidabilità e Collaudo di Circuiti Elettronici Integrati

23 METODO DEI PAAMETI α: ESEMPIO Specifiche da collaudare: fattore di qualità dei poli e tempo di picco (tolleranza 0%) egione di accettabilità dei 2 parametri α, ottenuta mediante simulazione MC. La forma di tale regione è abbastanza regolare. Affidabilità e Collaudo di Circuiti Elettronici Integrati

24 METODO DEI PAAMETI α METODO DI CLASSIFICAZIONE ALTENATIVO Per testare le CAATTEISTICHE DINAMICHE del DUT; Si parte dai valori nominali dei parametri α, ottenuto mediante il valore nominale dei poli del circuito; Mediante un generatore di forme d onda arbitrario si dà in ingresso un segnale (COMPSIG= Complementary Signal) ad onda quadra di ampiezza variabile; L ampiezza di ciascun impulso è proporzionale al valore degli α, mentre la durata temporale T di ciascun impulso va scelta in modo che lo spettro in frequenza del segnale COMPSIG copra tutta la banda del DUT; Si può dimostrare che in assenza di guasti la risposta temporale del DUT al COMPSIG deve annullarsi in un intervallo di tempo pari a (n+)t. Affidabilità e Collaudo di Circuiti Elettronici Integrati