A Novel Approach for Designing Integrated Ultra Low Noise Microwave Wideband Voltage-Controlled Oscillators

As commonly known, oscillators play a very important role in all communication and test equipment. The major differences between oscillator types are the frequency range, the tuning range, and the required specifications for the particular applications. Key requirements are phase noise, output power, harmonic contents, and others like power consumption, size, and cost. A special type of oscillator is the voltage-controlled oscillator (VCO), which can be tuned over ranges, starting from a few percent to a range of almost 1:3. Phase noise and tuning range, to a degree, are opposing requirements. As a general rule, the phase noise gets poorer as the tuning range increases. This dissertation deals with these topics and introduces several new and important issues. After discussing the oscillator theory and introducing the concept of the voltage-controlled oscillator, the one and two-port oscillators are introduced. Following this, it is shown that a system of coupled oscillators provides better phase noise than single oscillators. While the concept of synchronized oscillators is known, its phase noise calculation and coupling conditions are new. Furthermore, the operating Q is also calculated. It is further shown that by increasing the number of coupled oscillators, the overall performance of the oscillator system can be improved by the factor 1/N, and this modern circuit minimizes this effect. In the circuit the components play a major rule and therefore, both active and passive devices are looked at for their suitability. Since the individual oscillator is the major contributor, two new types of oscillators are introduced: 1) The oscillator using more than one resonator for improved phase noise (10002000/2000-4000 MHz and 1500-3000/3000-6000 MHz). 2) An oscillator, which exhibits a very wide tuning range (320-1120 MHz). This dissertation closes with various validation circuits, which prove that the detailed theory and the actual measurements do agree fully. Detailed insight in all of the design procedures is provided. The dissertation contains 75 literature references and three appendices, which provide additional aspects in the design process. At microwave frequencies, the actual circuit performance is largely driven by the component values and parasitic elements and the optimum layout minimizes these effects. Intensive studies were conducted to find the optimum layout configuration and a U.S. copyright was obtained for this. This in itself is a somewhat unusual procedure but it shows the importance of physical layout at microwave frequencies. This work, which was partially supported and funded by the U.S. Government Agency DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) has also resulted in a variety of patents and copyrighted layout structures. Zusammenfassung Wie allgemein bekannt, haben Oszillatoren in Kommunikationssystemen und Messgeräten einen extrem großen Einfluss auf deren Eigenschaften. Die wesentlichen Unterschiede zwischen den verschiedenen Oszillator-Typen liegen im Frequenzbereich, im Abstimmbereich und allgemein in den Spezifikationen, die für eine bestimmte Anwendung benötigt werden. Die wichtigsten Eigenschaften sind das Phasenrauschen, die Ausgangsleistung, der Oberwellengehalt sowie Stromverbrauch, Baugröße und Kosten. Eine spezielle Variante des Oszillators ist der spannungsgesteuerte Oszillator (VCO), im Englischen „voltage-controlled oscillator“, welcher über einen Bereich von wenigen Prozent bis zu einem Bereich von 1:3 abgestimmt werden kann. Das Phasenrauschen und der Abstimmbereich beeinflussen sich gegenseitig. Man kann generell sagen, dass das Phasenrauschen schlechter wird, wenn der Abstimmbereich größer wird, aber eine neue hier vorgestellte Schaltungsvariante reduziert diesen Effekt. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit diesem Sachverhalt und zeigt wesentliche neue Erkenntnisse. Nach der Diskussion der Oszillatortheorie und dem VCO werden der Einund Zweitor-Oszillator vorgestellt. Anschließend wird gezeigt, dass ein System gekoppelter Oszillatoren weniger Rauschen verursacht als der Einzel-Oszillator. Das Prinzip gekoppelter Oszillatoren ist bekannt, neu ist jedoch die Berechnung ihres Rauschverhaltens und die optimale Kopplung. Auch wird erstmalig die Betriebsgüte berechnet. Es wird gezeigt, dass sich mit zunehmender Anzahl von Oszillatoren das Rauschen um den Faktor 1/N verringert. In allen Schaltungen spielen die verwendeten Bauelemente eine große Rolle und daher werden aktive und passive Komponenten auf ihre Tauglichkeit für diese Applikationen untersucht. Nachdem der Einzel-Oszillator die dominierende Rauschquelle ist, werden zwei neue und verbesserte Oszillatoren vorgestellt: 1) ein Oszillator mit mehreren Resonatoren für die Frequenzbereiche (1000-2000/ 20004000 MHz und 1500-3000/3000-6000 MHz) 2) ein Oszillator mit extrem großen Abstimmbereich (320-1120 MHz) Die Arbeit endet mit mehreren Schaltungen, die zum Nachweis der Richtigkeit der Theorie aufgebaut und vermessen wurden, wobei Einzelheiten genauestens wiedergegeben werden. Die Arbeit enthält 75 Literaturstellen und drei Anhänge, die weitere theoretische Aspekte aufzeigen. Im Bereich der Mikrowellenfrequenzen hängen die Eigenschaften der Schaltungen von den aktiven und passiven Komponenten und dem optimalen Layout ab. Dieser Punkt wurde besonders untersucht und eine Layout-Anordnung gefunden, die beste Ergebnisse zeigte. Dafür wurde ein U.S. Copyright beantragt. Dieser Vorgang ist etwas ungewöhnlich und zeigt, wie wichtig die Layoutfragen genommen wurden. Weiterhin wurden für einige Teile der Schaltungen Patentansprüche eingereicht.