Transceiver Design for Supply-Embedded Communication in Differential Automotive Networks

Automotive wire harness has become nowadays a very complex system as the number of electronic systems and sensors inside a vehicle has increased dramatically. To manage this complexity, and to support the automotive systems of tomorrow, new communication methods need to be investigated. In this research activity, a Supply-Embedded Communication (SEC) transceiver for differential automotive networks is developed to provide advantages in cost, complexity, and weight. In a Supply-Embedded Communication system, the power supply is merged on the communication bus and hence the number of interconnections is drastically reduced. The proposed approach is intended to be an effective additional physical layer to the Controller Area Network (CAN) which is the most widespread bus in the automotive industry, and hence transmission speed in the order of some Mbps is desired. Two transmitter topologies based on switching capacitors and their implementation in a first test chip in 180nm CMOS SOI technology are presented. The prototype is validated by communication tests in the laboratory connecting it to a discrete component-based demonstrator receiver board through an unshielded twisted pair cable. A receiver circuit based on StrongArm Latches is designed and integrated into the second version of the prototype to realize a full SEC transceiver. Compared to commercially available solutions, the proposed approach can reach a data transmission rate of 2Mbps making it able to implement high-speed event-driven networks, such as the CAN. As a side project, a second order curvature compensated bandgap reference circuit is proposed. Voltage references are used in almost every integrated circuit and, one of them is also present in the SEC transceiver prototype to furnish the required bias to the circuit. Although the main project is done in 180nm technology, the side project is developed in 110nm technology for educational purposes. The proposed circuit is validated by simulation in a temperature range from -40°C to 175°C in a 6σ process spread. The second order compensation introduces a considerable improvement in performance by reducing the maximum variation from the room temperature to a value lower than 1mV in the typical corner and to 1.3mV in the worst corner.

Negli ultimi anni si è assistito ad un sensazionale aumento della presenza di sistemi e sensori elettronici all'interno delle automobili, che ha portato il sistema di interconnessioni ad essere uno degli aspetti maggiormenti critici e degni di attenzione durante le fasi di progettazione. E' divenuto quindi necessario studiare nuovi metodi di comunicazione al fine di gestire al meglio tale livello di complessità e favorire lo sviluppo dell'automobile del futuro. Nell'ambito di questa attività di ricerca, è stata proposta la progettazione di un ricetrasmettitore Supply-Embedded Communication (SEC) con caratteristiche tali da fornire vantaggi in termini economici, in semplicità costruttiva e relativamente al peso del veicolo stesso. Infatti nel sistema Supply-Embedded Communication utilizzato, l’alimentazione è unita al bus di comunicazione, portando ad una drastica riduzione del numero d'interconnessioni. Pertanto il metodo di comunicazione proposto si pone l'obiettivo di essere un layer fisico addizionale al Controller Area Network (CAN), il bus attualmente più diffuso nell’industria automotive, permettendo il raggiungimento di una velocità di trasmissione dati di diversi Mbps. Sono stati realizzate due diverse tipologie di trasmettitori basati su capacita di commutazione, implementati in un primo test chip in tecnologia 180nm CMOS SOI. Il prototipo realizzato è stato validato da test di comunicazione svolti in laboratorio, connettendo il chip stesso con una scheda dimostrativa a componenti discreti che funge da ricevitore. Inoltre un circuito di ricezione, basato su due latch StrongArm, è stato proposto ed integrato nella seconda versione del prototipo per realizzare il ricetrasmettitore SEC completo. Paragonato alle soluzioni già disponibili sul mercato, il metodo presentato in questa tesi può raggiungere una velocità di trasmissione di 2Mbps, rendendolo in grado d'implementare reti ad alta velocità come avviene nel bus CAN. Come progetto secondario è stato sviluppato un circuito di bandgap reference con compensazione al secondo ordine. I bandgap reference sono presenti ormai in quasi tutti i circuiti integrati e ve ne è presente uno anche nel ricetrasmettitore SEC oggetto di questa tesi, al fine di fornire la necessaria corrente di polarizzazione ai circuiti. Nonostante il progetto principale sia realizzato in tecnologia 180nm, il progetto secondario è svolto in 110nm per scopi didattici. Il circuito proposto è stato validato da simulazioni svolte in un range di temperature da -40°C a 175°C in un processo a 6σ.La compensazione al secondo ordine apporta vantaggi notevoli, in quanto fornisce un massima variazione dalla temperatura ambiente inferiore ad 1mV nel corner tipico e di 1.3mV nel corner peggiore.