Analysis of the high frequency substrate noise effects on LC-VCOs
Authors:   , Molina Garcia Marc-Manel 
Published: August 2023

La integració de transceptors per comunicacions de radiofreqüència en CMOS pot quedar seriosament limitada per la interacció entre els seus blocs, arribant a desaconsellar la utilització de un únic dau de silici. El soroll d’alta freqüència generat per certs blocs, com l’amplificador de potencia, pot viatjar pel substrat i amenaçar el correcte funcionament de l’oscil·lador local. Trobem tres raons importants que mostren aquest risc d’interacció entre blocs i que justifiquen la necessitat d’un estudi profund per minimitzar-lo. Les característiques del substrat fan que el soroll d’alta freqüència es propagui m’és fàcilment que el de baixa freqüència. Per altra banda, les estructures de protecció perden eficiència a mesura que la freqüència augmenta. Finalment, el soroll d’alta freqüència que arriba a l’oscil·lador degrada al seu correcte comportament. El propòsit d’aquesta tesis és analitzar en profunditat la interacció entre el soroll d’alta freqüència que es propaga pel substrat i l’oscil·lador amb l’objectiu de poder predir, mitjançant un model, l’efecte que aquest soroll pot tenir sobre el correcte funcionament de l’oscil·lador. Es volen proporcionar diverses guies i normes a seguir que permeti als dissenyadors augmentar la robustesa dels oscil·ladors al soroll d’alta freqüència que viatja pel substrat.
La investigació de l’efecte del soroll de substrat en oscil·ladors s’ha iniciat des d’un punt de vista empíric, per una banda, analitzant la propagació de senyals a través del substrat i avaluant l’eficiència d’estructures per bloquejar aquesta propagació, i per altra, determinant l’efecte d’un to present en el substrat en un oscil·lador. Aquesta investigació ha mostrat que la injecció d’un to d’alta freqüència en el substrat es pot propagar fins arribar a l’oscil·lador i que, a causa del ’pulling’ de freqüència, pot modular en freqüència la sortida de l’oscil·lador. A partir dels resultats de l’anàlisi empíric s’ha aportat un model matemàtic que permet predir l’efecte del soroll en l’oscil·lador. Aquest model té el principal avantatge en el fet de que està basat en paràmetres físics de l’oscil·lador o del soroll, permetent determinar les mesures que un dissenyador pot prendre per augmentar la robustesa de l’oscil·lador així com les conseqüències que aquestes mesures tenen sobre el seu funcionament global (trade-offs). El model ha estat comparat tant amb simulacions com amb mesures reals demostrant ser molt precís a l’hora de predir l’efecte del soroll de substrat.
La utilitat del model com a eina de disseny s’ha demostrat en dos estudis. Primerament, les conclusions del model han estat aplicades en el procés de disseny d’un oscil·lador d’ultra baix consum a 2.5GHz, aconseguint un oscil·lador robust al soroll de substrat d’alta freqüència i amb característiques totalment compatibles amb els principals estàndards de comunicació en aquesta banda.
Finalment, el model s’ha utilitzat com a eina d’anàlisi per avaluar la causa de les diferències, en termes de robustesa a soroll de substrat, mesurades en dos oscil·ladors a 60GHz amb dues diferents estratègies d’apantallament de l’inductor del tanc de ressonant, flotant en un cas i connectat a terra en l’altre. El model ha mostrat que les diferències en robustesa són causades per la millora en el factor de qualitat i en l’amplitud d’oscil·lació i no per un augment en l’aïllament entre tanc i substrat.

Per altra banda, el model ha demostrat ser vàlid i molt precís inclús en aquest rang de freqüència tan extrem. el principal avantatge en el fet de que està basat en paràmetres físics de l’oscil·lador o del soroll, permetent determinar les mesures que un dissenyador pot prendre per augmentar la robustesa de l’oscil·lador així com les conseqüències que aquestes mesures tenen sobre el seu funcionament global
(trade-offs). El model ha estat comparat tant amb simulacions com amb mesures reals demostrant ser molt precís a l’hora de predir l’efecte del soroll de substrat.

La utilitat del model com a eina de disseny s’ha demostrat en dos estudis. Primerament, les conclusions del model han estat aplicades en el procés de disseny d’un oscil·lador d’ultra baix consum a 2.5GHz, aconseguint un oscil·lador robust al soroll de substrat d’alta freqüència i amb característiques totalment compatibles amb els principals estàndards de comunicació en aquesta banda.
Finalment, el model s’ha utilitzat com a eina d’anàlisi per avaluar la causa de les diferències, en termes de robustesa a soroll de substrat, mesurades en dos oscil·ladors a 60GHz amb dues diferents estratègies d’apantallament de l’inductor del tanc de ressonant, flotant en un cas i connectat a terra en l’altre. El model ha mostrat que les diferències en robustesa són causades per la millora en el factor de qualitat i en l’amplitud d’oscil·lació i no per un augment en l’aïllament entre tanc i substrat.
Per altra banda, el model ha demostrat ser vàlid i molt precís inclús en aquest rang de freqüència tan extrem.

The integration of transceivers for RF communication in CMOS can be seriously limited by the interaction between their blocks, even advising against using a single silicon die. The high frequency noise generated by some of the blocks, like the power amplifier, can travel through the substrate, reaching the local oscillator and threatening its correct performance. Three important reasons can be stated that show the risk of the single die integration. Noise propagation is easier the higher the frequency. Moreover, the protection structures lose efficiency as the noise frequency increases. Finally, the high frequency noise that reaches the local oscillator degrades its performance. The purpose of this thesis is to deeply analyze the interaction between the high frequency substrate noise and the oscillator with the objective of being able to predict, thanks to a model, the effect that this noise may have over the correct behavior of the oscillator. We want to provide some guidelines to the designers to allow them to increase the robustness of the oscillator to high frequency substrate noise.
The investigation of the effect of the high frequency substrate noise on oscillators has started from an empirical point of view, on one hand, analyzing the noise propagation through the substrate and evaluating the efficiency of some structures to block this propagation, and on the other hand, determining the effect on an oscillator of a high frequency noise tone present in the substrate. This investigation has shown that the injection of a high frequency tone in the substrate can reach the oscillator and, due to a frequency pulling effect, it can modulate in frequency the output of the oscillator. Based on the results obtained during the empirical analysis, a mathematical model to predict the effect of the substrate noise on the oscillator has been provided. The main advantage of this model is the fact that it is based on physical parameters of the oscillator and of the noise, allowing to determine the measures that a designer can take to increase the robustness of the oscillator as well as the consequences (trade-offs) that these measures have over its global performance. This model has been compared against both, simulations and real measurements, showing a very high accuracy to predict the effect of the high frequency substrate noise.
The usefulness of the presented model as a design tool has been demonstrated in two case studies. Firstly, the conclusions obtained from the model have been applied in the design of an ultra low power consumption 2.5 GHz oscillator robust to the high frequency substrate noise with characteristics which make it compatible with the main communication standards in this frequency band. Finally, the model has been used as an analysis tool to evaluate the cause of the differences, in terms of performance degradation due to substrate noise, measured in two 60 GHz oscillators with two different tank inductor shielding strategies, floating and grounded. The model has determined that the robustness differences are caused by the improvement in the tank quality factor and in the oscillation amplitude and no by an increased isolation between the tank and the substrate. The model has shown to be valid and very accurate even in these extreme frequency range.