Progetto di un VCO a basso rumore di fase in tecnologia CMOS standard

per applicazioni Wireless a basso consumo

Sergio Gagliolo

Relatore CorrelatoreChiar.mo Prof. Ing. Daniele Caviglia Dott. Ing. Giacomo Pruzzo

Applicazioni

V o ic e

A D CV O IC E

C O M P R ES S IO N

C O D IN G

IN TER L IV IN G

P U L S ES H A P IN G

M O D U L A TO R

P O W ERA P L IFIERD IG IT A L

L O W N O IS EP O W ER A P L IFIER

D O W NC O N V ER TER

A D C M O D U L A TO R EQ U A L IZ Z ER

D E- IN TER L IV IN GD EC O D IN G

V O IC ED E C O M P R E S S IO N

D A C

A U ID IOA P L IFIER

D IG IT A L

V C O

V C O

L’oscillatore locale (LO) rappresenta uno dei blocchi fondamentali per un sistema di comunicazioni wireless o wireline.

Wi-Fi (802.11g), Bluetooth,ZigBee (802.15) …

Obiettivi

PRELIMINARI:• Analisi delle origini del rumore di fase.• Studio e caratterizzazione di induttori integrati e relativi

modelli circuitali• Studio e caratterizzazione di varactor MOS

FINALI:• Realizzazione di un’oscillatore monolitico integrato a

basso rumore di fase, basso consumo con una tecnologia CMOS standard.

Purezza Spettrale

• Il fattore determinante tra le caratteristiche di un oscillatore è la purezza spettrale, usualmente caratterizzata dal rumore di fase.

C h a n n e l

R F

L O

I F

0

I n te rfe re n ce

I n te rfe re n ceC h a n n e l

Topologia del CircuitoV D D

M 1 1

M 2 M 3

M 3

IS F

M 4

M 5

M 7M 6

IS FC

R

C

R

M 8

M Z1 M Z2

I p1

I p2

V ou t1

V ou t2

V tu n e

M y y

IB IA S

1

2 eq eq

fL C

VCO struttura differenziale con controllo in tensione.

1f GHz

Topologia del CircuitoV D D

M 1 1

M 2 M 3

M 3

IS F

M 4

M 5

M 7M 6

IS FC

R

C

R

M 8

M Z1 M Z2

I p1

I p2

V ou t1

V ou t2

V tu n e

M y y

IB IA S

Induttori integrati

Topologia del CircuitoV D D

M 1 1

M 2 M 3

M 3

IS F

M 4

M 5

M 7M 6

IS FC

R

C

R

M 8

M Z1 M Z2

I p1

I p2

V ou t1

V ou t2

V tu n e

M y y

IB IA S

MOS Varactor

Permettono il controllo in tensione.

Topologia del CircuitoV D D

M 1 1

M 2 M 3

M 3

IS F

M 4

M 5

M 7M 6

IS FC

R

C

R

M 8

M Z1 M Z2

I p1

I p2

V ou t1

V ou t2

V tu n e

M y y

IB IA S

Coppia differenziale

Topologia del CircuitoV D D

M 1 1

M 2 M 3

M 3

IS F

M 4

M 5

M 7M 6

IS FC

R

C

R

M 8

M Z1 M Z2

I p1

I p2

V ou t1

V ou t2

V tu n e

M y y

IB IA S

Source Follower

Topologia del CircuitoV D D

M 1 1

M 2 M 3

M 3

IS F

M 4

M 5

M 7M 6

IS FC

R

C

R

M 8

M Z1 M Z2

I p1

I p2

V ou t1

V ou t2

V tu n e

M y y

IB IA S Specchi per la polarizzazione

Topologia del CircuitoV D D

M 1 1

M 2 M 3

M 3

IS F

M 4

M 5

M 7M 6

IS FC

R

C

R

M 8

M Z1 M Z2

I p1

I p2

V ou t1

V ou t2

V tu n e

M y y

IB IA S

Uscita differenziale

Carico 50 Ohm50 pF

Induttori• Gli induttori integrati sono realizzati con una struttura

planare incrociata a presa centrale.

Presa centrale

L1

L2

Modello Induttori On-chip

• Per tener conto degli effetti di perdita, gli induttori vengono sostituiti da circuiti RLC a parametri concentrati.

Varactor

Il varactor realizzato con due transistor MOS di tipo N.

Vtu n e

V 1 = 2 V V 2 = 2 V

D S B

Il varactor realizzato con due transistor MOS di tipo N.

Vtu n e

V 1 = 2 V V 2 = 2 V

D S B

Zona di utilizzodel VaractorVtune 0.90…1.70VCvar 3.09…1.36pF

Varactor

CMOS VCO

VCO Evaluation Board

VCO layoutTecnologia AMS 0.35µm

Tuning Range

• Sensibilità del VCO:

2.8D dd qP V I mW •Consumi (low power):

980 960200 /

0.1

fK MHz V

V V

Spettro del segnale in uscita

Sviluppi Futuri

• VCO a frequenza più elevata unito ad un divisore di frequenza (già in studio).

• Tecnologia per prestazioni migliori in ambito RF(0.18 µm)• Utilizzo di varactor realizzati con N-MOS in N-WELL

(maggior linearità)

• Sistema di trasmissione/ricezione completo on chip.