Κυκλώματα υψηλών συχνοτήτων για σύστημα υπερ-ευρείας ζώνης με διαμόρφωση συχνότητας FM-UWB
Authors: Τσίτουρας Αθανάσιος 
Published: August 2021

Ο κύριος στόχος της διατριβής είναι η σχεδίαση των κύριων κυκλωμάτων ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος υπέρ–ευρείας ζώνης (UWB). Συγκεκριμένα, σχεδιάζονται σε τεχνολογία CMOS 90nm και αναπτύσσονται τα πλέον κρίσιμα κυκλώματα του PLL του FM-UWB πομπού με βάση ένα σύστημα FM-UWB, το οποίο στηρίζεται στη διπλή διαμόρφωση FM ευρείας ζώνης (double wideband FM modulation). Αυτά είναι το VCO, η αντλία φορτίου, ο διαιρέτης συχνότητας, και η γεννήτρια τάσης αναφοράς. Επιπλέον σχεδιάζονται ο δέκτης ο οποίος περιλαμβάνει τον προενισχυτή και τον αποδιαμορφωτή FM, δύο αρμονικοί ταλαντωτές ελεγχόμενοι από τάση για το υποσύστημα του πομπού σε τεχνολογία RF CMOS 65nm και ένας ταλαντωτής ελεγχόμενος από τάση τύπου δακτυλίου. Συνεπώς, στα πλαίσια της διατριβής αυτής σχεδιάζεται ολόκληρο το σύστημα πομπού και το σύστημα δέκτη (front-end) ώστε να αναδειχθούν οι δυνατότητες ολοκλήρωσης και τα πλεονεκτήματα της υλοποίησης ενός συστήματος FM-UWB σε πρόσφατες τεχνολογίες όπως η CMOS των 90nm και 65nm σε αντιδιαστολή με διπολικές τεχνολογίες. Με βάση τις λεπτομερείς προδιαγραφές που εξήχθησαν για τα υποσυστήματα και κυκλώματα του πομποδέκτη επιλέχτηκε η αρχιτεκτονική και σχεδιάστηκαν τα επιμέρους κυκλώματα στη ζώνη συχνοτήτων 3.1-5GHz. Για τη σχεδίαση χρησιμοποιήθηκαν το εργαλείο σχεδίασης «Cadence 5.1.41» και ο εξομοιωτής «Spectre». Για τη φυσική σχεδίαση έγινε χρήση του εργαλείων «Virtuoso XL» και «Assura».Ο πομπός αποτελείται από ένα γραμμικό VCO μεγάλου εύρους ζώνης (2.1GHz-5GHz) του οποίου η κεντρική συχνότητα ρυθμίζεται από ένα βρόχο κλειδωμένης φάσης (PLL) όταν δεν γίνεται μετάδοση δεδομένων. Στην ουσία πρόκειται για ένα PLL ο βρόχος του οποίου διακόπτεται όταν πραγματοποιείται εκπομπή πληροφορίας μέσω της διπλής διαμόρφωσης FM ενώ παραμένει κλειστός κατά τη ρύθμιση της κεντρικής συχνότητας του VCO (calibration). Το πιο κρίσιμο κύκλωμα του πομπού είναι το FM-UWB VCO. Για την ολοκλήρωση όμως του πομπού απαιτείται η σχεδίαση των υπόλοιπων κυκλωμάτων του βρόχου όπως είναι η αντλία φορτίου, ο διαιρέτης συχνότητας του βρόχου και ο ανιχνευτής φάσης-συχνότητας. Η τροφοδοσία του πομπού FM-UWB επιλέχτηκε να είναι ίση με 1V προκειμένου να ενισχυθεί η ανταγωνιστικότητα του με άλλα παρόμοια σύγχρονα συστήματα της βιβλιογραφίας. Με αρχικό στόχο την πόλωση των αναλογικών κυκλωμάτων του πομπού FM-UWB (αντλία φορτίου, διαιρέτης συχνότητας του PLL) αναπτύχθηκε μια γεννήτρια συνεχούς τάσης σε τροφοδοσία κάτω του 1V. Ο δέκτης αποτελείται από ένα συντονιζόμενο προενισχυτή και έναν αποδιαμορφωτή συχνότητας FM που σχεδιάζονται στη κεντρική συχνότητα των 4GHz με εύρος ζώνης μεγαλύτερου από 500MHz. Ο προτεινόμενος ταλαντωτής ελεγχόμενος από τάση (VCO), χαρακτηρίζεται από μεγάλο εύρος ζώνης συχνοτήτων ταλάντωσης, χαμηλή κατανάλωση και είναι κατάλληλος για εφαρμογές FM-UWB. Ο ταλαντωτής αυτός αποτελεί το βασικό δομικό στοιχείο ενός FM-UWB πομπού. Σχεδιάστηκε στην τεχνολογία υλοποίησης TSMC 90-nm digital CMOS, σε τάση τροφοδοσίας 1V και χαρακτηρίζεται από γραμμικό εύρος ζώνης συχνοτήτων ταλάντωσης μεταξύ 2.1GHz και 5GHz, διαφορική ισχύ εξόδου ίση με -7.83dBm 0.78dB και χαμηλή κατανάλωση ισχύος 8.26mW, συμπεριλαμβανομένης και της κατανάλωσης ισχύος των απομονωτών τάσης εξόδου (output buffers), στη μέγιστη συχνότητα ταλάντωσης. Επιπροσθέτως, έχει βελτιστοποιηθεί ως προς το λόγο εύρους ζώνης συχνοτήτων ταλάντωσης προς την κατανάλωση ισχύος TR/PDC. Η πρώτη βελτιστοποίηση έδωσε τιμή 9.95dB και η τελική έδωσε 11.97dB. Η επιθυμητή ζώνη συχνοτήτων ταλάντωσης μεταξύ 3.1GHz και 5GHz για εφαρμογές FM-UWB υπερκαλύπτεται για ολόκληρο το εύρος θερμοκρασιών που συναντάται στη βιομηχανία (από -40 oC έως 125 oC). Το εύρος συχνοτήτων ταλάντωσης βελτιώθηκε στο 130.15% (από 81.69%) και το FOM αυξήθηκε σε 143.08 (από 137.03).Επιπλέον, στη διατριβή αυτή παρουσιάζεται η σχεδίαση προγραμματιζόμενων, αντλιών φορτίου μεγάλης ακριβείας σε τάση τροφοδοσίας 1V. Τρείς συνολικά τοπολογίες μελετώνται με βασικό στόχο το καλύτερο δυνατό ταίριασμα των ρευμάτων εξόδου καθώς και τη μείωση των απότομων παρυφών ρεύματος στην έξοδο για μεγάλο εύρος τάσης εξόδου ώστε να επιτυγχάνεται αποδοτική χρήση της διαθέσιμης τάσης τροφοδοσίας (ΔVout/Vdd). Οι αντλίες φορτίου Ι, ΙΙ και ΙΙΙ χαρακτηρίζονται από μη ταίριασμα DC ρευμάτων εξόδου ίσο με 1%, 1.846% και 8% αντίστοιχα. Επιτυγχάνεται μεγαλύτερη μείωση των απότομων παρυφών ρεύματος στην έξοδο της αντλίας φορτίου ΙΙΙ σε σχέση με τις αντλίες φορτίου Ι και ΙΙ και μεγαλύτερη ταχύτητα λειτουργίας εις βάρος όμως της κατανάλωσης ισχύος. Ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα γεννήτριας τάσης αναφοράς (Voltage reference) σχεδιάζεται επίσης, ώστε να χρησιμοποιηθεί ως κύκλωμα πόλωσης χαμηλής τροφοδοσίας κάτω του 1V ολοκληρωμένων κυκλωμάτων γενικού σκοπού. Η συνολική απόλυτη μεταβολή της τάσης αναφοράς εξόδου ως προς την μεταβολή των παραμέτρων της τεχνολογίας υλοποίησης και τις μεταβολές της τάσης τροφοδοσίας σε ευρεία κλίμακα θερμοκρασίας από -360C και 1250C ισούται με +/-3.3%. Η συνολική κατανάλωση ισχύος ισούται με 208uW. Παρουσιάζεται ακόμη η σχεδίαση ενός υποσυστήματος (front-end) δέκτη FM-UWB χαμηλού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων (LDR, Low Data Rate), 50Kbps και μικρής εμβέλειας (<10m) με εύρος ζώνης μεγαλύτερο από 500MHz στην κεντρική συχνότητα των 4GHz. Δίνεται αναλυτικά η σχεδίαση της προτεινόμενης τοπολογίας για τον δέκτη FM-UWB στην τεχνολογία RF CMOS 65 nm ώστε να ικανοποιούνται οι προδιαγραφές του συστήματος που εξήχθησαν κατόπιν ανάλυσης. Τα αποτελέσματα του τελικού σχεδιασμού αποδεικνύουν ότι η συγκεκριμένη τεχνολογία, όταν συνδυάζεται με προσεκτικές επιλογές στη σχεδίαση μπορεί να πετύχει επιδόσεις συγκρίσιμες με τεχνολογίες SiGe BiCMOS που έχουν ενδογενή πλεονεκτήματα λόγω των ειδικών χαρακτηριστικών τους.Ο δέκτης FM-UWB αποτελείται από έναν προενισχυτή και ένα αποδιαμορφωτή συχνότητας FM-UWB. Η τεχνολογία υλοποίησης επιλέχτηκε να είναι η CMOS IBM των 65nm. Το συνολικό ρεύμα που απαιτείται για τη λειτουργία του πυρήνα του δέκτη FM-UWB είναι 8.093mA σε τροφοδοσία 1.8V και η ευαισθησία του δέκτη ισούται με -75.78dBm για λόγο σήματος προς θόρυβο SNRsub ίσο με 13.539dB. Συνεπώς, ικανοποιούνται πλήρως οι προδιαγραφές οι οποίες τέθηκαν ύστερα από τη μελέτη του τηλεπικοινωνιακού συστήματος FM-UWB. Η ευαισθησία του δέκτη αποδεικνύεται ότι μπορεί να αυξηθεί σε -82.95dBm για SNRsub ίσο με 13.539dB εάν προστεθεί ένα ακόμα στάδιο ενίσχυσης στο στάδιο καθυστέρησης του αποδιαμορφωτή FM-UWB με επιβάρυνση επιπλέον 8.033mW.Σχεδιάζεται επιπροσθέτως ένας αρμονικός ταλαντωτής για τον πομπό στα 65 nm ώστε να αναδειχθούν τα πιθανά οφέλη που μπορούν να προκύψουν όταν θυσιάζεται εύρος ζώνης και επιφάνεια ολοκλήρωσης εις όφελος της κατανάλωσης και των επιδόσεων του θορύβου φάσης. Για το συντονισμό αυτού του αρμονικού ταλαντωτή γίνεται χρήση μιας «hyperabrupt varactor» ώστε να επιτευχθεί εύρος ζώνης συχνοτήτων ταλάντωσης με καλή γραμμικότητα σε σύγκριση με αρμονικούς ταλαντωτές με απλή «varactor». Η συνολική κατανάλωση του πομπού FM-UWB ισούται με 5.11mW (συμπεριλαμβανομένης και της κατανάλωσης ισχύος του ενισχυτή εξόδου), ενώ το συνολικό γραμμικό εύρος ζώνης συχνοτήτων και το FOM του προτεινόμενου LC VCO ισούνται με 808ΜΗz και -173.679dB αντίστοιχα. Η ισχύς εξόδου του πομπού είναι μεγαλύτερη από -12dBm στη συχνότητα 4.14GHz και μεταβάλλεται λιγότερο από 0.5dB σε ολόκληρο το εύρος συχνοτήτων ταλάντωσης. Η καλή λειτουργία του εξασφαλίζεται στο εύρος θερμοκρασίας μεταξύ -40 0C και 1200C με θόρυβο φάσης στα 4.14GHz καλύτερο από -100dBc/Hz σε απόκλιση συχνότητας από τον φορέα 1ΜΗz. Στη συνέχεια, η ιδέα της επαναχρησιμοποίησης ρεύματος εφαρμόζεται στον παραπάνω αρμονικό ταλαντωτή-FM-UWB πομπό στα 65nm ούτως ώστε ο απομονωτής εξόδου να τοποθετείται πάνω από τον πυρήνα του LC VCO. Αυτό οδήγησε στη μείωση της αρχικής κατανάλωσης ισχύος (έως και 73.63%) ενώ διατηρήθηκαν τα παραπάνω χαρακτηριστικά του. Τέλος, σχεδιάστηκε ένα VCO τύπου δακτυλίου σε τροφοδοσία 1.8V, στα 65 nm. Καλύπτει τη ζώνη συχνοτήτων από 3.1GHz έως 5GHz με θόρυβο φάσης καλύτερο από -83dBc/Hz σε απόκλιση συχνότητας από τον φορέα ίση με 1MHz, με εύρος ζώνης διαμόρφωσης ίσο με 1MHz, παρέχοντας στην έξοδο του ισχύ μεγαλύτερη από -12dBm ενώ καταναλώνει 3.63mW.