Σχεδιασμός ολοκληρωμένων ταλαντωτών ελεγχόμενων από τάση και ανάλυση θορύβου
Creators: name: Λυτροσυγγούνης, Χρήστος Βασιλείου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2016
Subjects: Ταλαντωτής Ελεγχόμενος από Τάση
Θόρυβος Φάσης
Θόρυβος Υποστρώματος
Voltage Controlled Oscillator
Phase Noise
Substrate Noise

description: Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε ο σχεδιασμός Ταλαντωτών Ελεγχόμενων από Τάση και στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε μια εκτεταμένη ανάλυση του θορύβου που κυριαρχεί στις δομές των ταλαντωτών. Στα πλαίσια αυτής της ανάλυσης αναλύθηκε η θεωρία των ταλαντωτών πηνίου-πυκνωτή, σύμφωνα με την οποία το πηνίο του κυκλώματος είναι συνδεδεμένο παράλληλα με τον πυκνωτή προσφέροντας ταλαντώσεις με συχνότητα αντιστρόφως ανάλογη της χωρητικότητας του πυκνωτή και της επαγωγής του πηνίου. Η εν λόγω ταλάντωση είναι φθίνουσα λόγω των εσωτερικών αντιστάσεων των στοιχείων του ταλαντωτή. Αναπτύχθηκε επίσης η γενικότερη θεωρία ταλαντώσεων με ανάδραση και διατυπώθηκε το κριτήριο ταλάντωσης του Barkausen το οποίο αποτελεί αναγκαία αλλά όχι ικανή συνθήκη για την υλοποίηση ταλαντώσεων. Στη συνέχεια προτάθηκε και αναλύθηκε η μέθοδος της αρνητικής αντίστασης με σκοπό την εξισορρόπηση της αντίστασης του ταλαντωτή και κατ’ επέκταση την εξάλειψη των φθινουσών ταλαντώσεων. Οι ταλαντωτές ελεγχόμενοι από μια τάση αποτελούν μια σύνθετη εκδοχή των απλών ταλαντωτών, στους οποίους επιτρέπεται η μεταβολή της συχνότητας ταλάντωσης με την εναλλαγή μιας τάσης που είναι συνδεδεμένη με ένα τμήμα του κυκλώματος. Ειδικότερα, μελετώνται τρείς διαφορετικές εκδοχές των ταλαντωτών ελεγχόμενων από τάση: Οι ταλαντωτές που το ρόλο της αρνητικής αντίστασης έχει στην πρώτη περίπτωση ένα ζεύγος PMOS τρανζίστορ, στη δεύτερη περίπτωση ένα NMOS τρανζίστορ, ενώ στην τρίτη περίπτωση το ρόλο της αρνητικής αντίστασης έχει τόσο ένα ζεύγος PMOS όπως επίσης και ένα ζεύγος NMOS τρανζίστορ. Τα πλεονεκτήματα καθώς και τα μειονεκτήματα της κάθε τοπολογίας αναλύονται και επιλέγεται μια από αυτές με βάση τις ανάγκες της ακόλουθης μελέτης. Μετά την επιλογή της τοπολογίας, περιγράφονται αναλυτικά τα στοιχεία που αποτελούν τον ελεγχόμενο από τάση ταλαντωτή. Αρχικά, στη θέση του πυκνωτή του ταλαντωτή, χρησιμοποιήθηκε ένα ισοδύναμο στοιχείο που είναι γνωστό ως MOS Varactor. Στην πραγματικότητα το MOS Varactor είναι ένα τρανζίστορ με τον απαγωγό και το συλλέκτη να είναι βραχυκυκλωμένα και συνδεδεμένα σε έναν ακροδέκτη, ενώ η πύλη του τρανζίστορ είναι συνδεδεμένη σε ένα δεύτερο ακροδέκτη. Στην πραγματικότητα οι δυο ακροδέκτες έχουν το ρόλο των άκρων του πυκνωτή, ενώ η χωρητικότητα είναι μεταβλητή και εξασφαλίζεται αλλάζοντας την τάση που εφαρμόζεται στα βραχυκυκλωμένα άκρα του τρανζίστορ. Η επιλογή του πηνίου έγινε πρώτα απ’ όλα με γνώμονα τον υψηλό παράγοντα ποιότητας καθώς επίσης το συμμετρικό σχήμα, λόγω της καλύτερης απόδοσης σε διαφορικές διατάξεις. Τα μεγέθη των τρανζίστορ που αποτελούν τον ελεγχόμενο από τάση ταλαντωτή επιλέχθηκαν αρχικά με προσεγγιστικές διαδικασίες, καθώς μια επιλογή μεγέθους μπορεί να προσφέρει μέγιστη γραμμικότητα και ταχύτητα. Όμως με αυτόν τον τρόπο αυξάνεται και η παρασιτική συμπεριφορά. Στη συνέχεια, οι ακριβείς ιδανικές διαστάσεις των τρανζίστορ υπολογίστηκαν με προσομοιώσεις, με βασικό κριτήριο να λειτουργούν ταυτόχρονα με τα ίδια στοιχεία τρεις διαφορετικοί ταλαντωτές με συχνότητα ταλάντωσης στα 1 GHz, 10 GHz και 20 GHz. Σε όλα τα παθητικά και ενεργά στοιχεία, ο θόρυβος είναι αναπόφευκτος και γίνεται αισθητός αφού προστίθεται σε ένα σήμα, ελαττώνοντας την πληροφορία του αρχικού σήματος ή ακόμη επιδεινώνοντας τη συνολική απόδοση του συστήματος που μεταφέρει το αρχικό σήμα. Ο κυρίαρχος θόρυβος που αφορά στα κυκλώματα των ταλαντωτών είναι ο θόρυβος φάσης. Ένας ιδανικός ταλαντωτής χαρακτηρίζεται από ένα σήμα εξόδου με σταθερό πλάτος και φάση. Ο θόρυβος φάσης όμως επηρεάζει τόσο το πλάτος όσο και τη φάση με τυχαίο ρυθμό. Έτσι, ενώ σε έναν ιδανικό ταλαντωτή η ενέργεια που αποτυπώνεται με μια φασματική ανάλυση του σήματος εξόδου στο πεδίο του χρόνου είναι συγκεντρωμένη σε ένα σημείο, με την παρουσία θορύβου φάσης η ενέργεια είναι μοιρασμένη σε γειτονικές συχνότητες, γύρω από την κεντρική συχνότητα ταλάντωσης. Σε έναν ταλαντωτή, ο θόρυβος φάσης προέρχεται από τρείς πηγές θορύβου. Αρχικά, ο θερμικός θόρυβος είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας και της αντίστασης ενός αγωγού. Αυτό σημαίνει ότι ο θερμικός θόρυβος έχει σταθερό φάσμα(λευκός θόρυβος) για οποιαδήποτε μεταβολή της συχνότητας. Ο flicker θόρυβος έπειτα, είναι αντιστρόφως ανάλογος της συχνότητας και οφείλεται σε ανομοιομορφίες και ανωμαλίες του υλικού του αγωγού. Όπως γίνεται αντιληπτό, ο flicker θόρυβος μειώνεται με τη συχνότητα σε αντίθεση με τον σταθερό θερμικό θόρυβο. Καθώς μετακινούμαστε σε υψηλότερες συχνότητες, στο κανάλι ενός τρανζίστορ που είναι χωρητικά συζευγμένο με την πύλη, δημιουργείται ένα ρεύμα πύλης. Έτσι λοιπόν, σε υψηλές συχνότητες ο θόρυβος πύλης αυξάνεται και συνεισφέρει στο θόρυβο φάσης. Ο θόρυβος φάσης είναι ιδιαίτερα σημαντικός σε όλες τις σύγχρονες τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές καθώς επηρεάζει την απόδοση των συστημάτων. Επίσης, αλλοιώνει το μεταδιδόμενο σήμα αφού επηρεάζεται το Bit Error Rate. Κρίνεται επομένως απαραίτητο να μελετάται κατά το σχεδιασμό ενός RF κυκλώματος η συμπεριφορά του θορύβου φάσης. Στη συγκεκριμένη εργασία μελετήθηκε ο θόρυβος φάσης, σε τρεις διαφορετικούς ταλαντωτές συχνότητας 1 GHz, 10 GHz και 20 GHz, όπως επίσης τα στοιχεία που συνεισφέρουν περισσότερο στο θόρυβο φάσης. Το συχνοτικό φάσμα στο οποίο πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις ήταν μεταξύ 10 kHz ως 10 MHz και οι μετρήσεις των τιμών του θορύβου φάσης υλοποιήθηκαν σε εύρος 1 MHz από την κεντρική συχνότητα ταλάντωσης. Η ένταση του ρεύματος και στους τρείς ταλαντωτές ήταν σταθερή και σύμφωνα με τα αποτελέσματα ο ταλαντωτής με συχνότητα ταλάντωσης το 1 GHz έδειξε το μικρότερο θόρυβο φάσης, ενώ ακολούθησαν κατά σειρά ο ταλαντωτής των 10 GHz και εκείνος των 20 GHz. Στα πλαίσια αυτής της ανάλυσης, για τους τρείς ταλαντωτές λήφθηκαν μετρήσεις για το θόρυβο φάσης με εναλλασσόμενη αυτή τη φορά, την ένταση του ρεύματος. Τα αποτελέσματα δείξαν πως για μικρότερες τιμές ρεύματος οι τιμές του θορύβου φάσης είναι μεγαλύτερες και στους τρεις ταλαντωτές. Το αντίθετο συμβαίνει όσο αυξάνεται η τιμή της έντασης του ρεύματος. Παρ’ όλα αυτά επειδή ο στόχος της εργασίας δεν είναι ο περιορισμός του θορύβου φάσης αλλά ή μελέτη του, οι διαδικασίες των αναλύσεων υλοποιήθηκαν με τη μικρότερη δυνατή τιμή ρεύματος. Ένα βασικό συμπέρασμα που προκύπτει κατά τη μελέτη του θορύβου φάσης είναι η συνεισφορά των περιφερειακών στοιχείων που απαρτίζουν τον ταλαντωτή. Έτσι λοιπόν, αποδεικνύεται ότι σε χαμηλές συχνότητες κυρίαρχο ρόλο στο θόρυβο φάσης έχουν τα Mosfets που χρησιμοποιήθηκαν ενώ η συμβολή του πηνίου και του πυκνωτή – MOS Varactor φθίνει. Δεν συμβαίνει όμως το ίδιο καθώς η συχνότητα αυξάνεται. Σε υψηλές συχνότητες, η επίδραση των Mosfets στο θόρυβο φάσης ελαττώνεται ενώ αμυδρά αυξάνεται η συμβολή του πηνίου και του πυκνωτή. Αυτό που πραγματικά αξίζει να αναφερθεί είναι πως ο θόρυβος πύλης κυριαρχεί και σε εφαρμογές υψηλών συχνοτήτων θα πρέπει να λαμβάνεται πολύ σοβαρά υπόψιν καθώς φαίνεται να καθορίζει το μέγεθος του θορύβου φάσης και την απόδοση του συστήματος. Ενώ είναι πια κατανοητή η κρισιμότητα του θορύβου φάσης στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα, η μέτρηση του θορύβου φάσης παραμένει μια απαιτητική διαδικασία. Η μέτρηση του θορύβου φάσης ενός ταλαντωτή με σκοπό την πιστοποίηση της ορθής λειτουργίας, επιτυγχάνεται πολλές φορές με δυσκολία καθώς τα αποτελέσματα απαιτούν υψηλή ακρίβεια. Ωστόσο, τα όργανα μέτρησης πολλές φορές εισάγουν επιπρόσθετο θόρυβο κάνοντας έτσι δύσκολη την εκτίμηση του μεγέθους του θορύβου φάσης. Επιπλέον, πολλά όργανα μέτρησης αδυνατούν να λάβουν μια μέτρηση λόγω της περιορισμένης δυναμικής περιοχής μέτρησης που διαθέτουν. Πολλές φορές μάλιστα μια τυπική τιμή του θορύβου φάσης είναι μεγαλύτερη της δυναμικής περιοχής του οργάνου. Αναλύονται λοιπόν τέσσερεις τρόποι μέτρησης του θορύβου φάσης. Η μέτρηση με τον πρώτο τρόπο επιτυγχάνεται με την άμεση εφαρμογή ενός φασματικού αναλυτή. Ο δεύτερος τρόπος εκμεταλλεύεται μια τεχνική εντοπισμού φάσης σε συνδυασμό με ένα κύκλωμα PLL. Στον τρίτο τρόπο χρησιμοποιείται επίσης ένας ανιχνευτής φάσης και μια γραμμή καθυστέρησης. Ο τέταρτος τρόπος μοιάζει με ένα συνδυασμό του δεύτερου και τρίτου τρόπου. Ο καθένας από αυτούς τους τρόπους μέτρησης του θορύβου φάσης παρουσιάζει πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα τα οποία περιγράφονται αναλυτικά, ενώ προτείνονται και πεδία μετρήσεων που οι παραπάνω μεθοδολογίες παρουσιάζουν μια καταλληλόλητα. Τέλος, η διαρκής τάση που παρατηρείται στη βιομηχανία για ελάττωση των μεγεθών των ηλεκτρονικών στοιχείων, επιτρέπουν την ολοκλήρωση ευαίσθητων αναλογικών και RF κυκλωμάτων δίπλα σε ψηφιακά κυκλώματα τα οποία είναι υπεύθυνα για τη δημιουργία θορύβου υποστρώματος. Έτσι, ο θόρυβος μεταγωγής(Switching noise) γεννάται στα ψηφιακά κυκλώματα και μέσω του κοινού υποστρώματος διαδίδεται στα ευαίσθητα αναλογικά/RF κυκλώματα επηρεάζοντας δραματικά τη λειτουργία τους. Στην εργασία αυτή, χρησιμοποιήθηκε ένας ταλαντωτής ελεγχόμενος από τάση με συχνότητα ταλάντωσης 1.3 GHz ως θύμα του θορύβου(noise victim), και μια διάταξη 88 χιλιάδων πυλών σε ένα κύκλωμα ψηφιακής λογικής ως noise aggressor. Επιπλέον, ένα ακόμη μοντέλο υλοποιήθηκε με σκοπό την εισαγωγή ημιτονοειδών σημάτων στο υπόστρωμα ώστε να προσομοιωθεί με ρεαλιστικό τρόπο ο θόρυβος συνακρόασης μέσω υποστρώματος(Cross-talk substrate noise). Για την ανάγκη αυτής της μελέτης εισήχθη αρχικά ένα ημιτονοειδές σήμα στο υπόστρωμα και μετρήθηκε η επίδραση στο σήμα εξόδου για διαφορετικές τιμές του εισαχθέντος σήματος. Στη συνέχεια λήφθηκαν μετρήσεις του σήματος εξόδου υπό την επίδραση ενός εισαχθέντος ημιτονοειδούς σήματος στο υπόστρωμα, συχνότητας 10 MHz και μεταβλητού πλάτους. Η θέση του υποστρώματος από την οποία εισάγεται το ημιτονοειδές σήμα συσχετίζεται με την απόδοση του σήματος εξόδου. Έτσι, λήφθηκαν τρεις διαφορετικές μετρήσεις για ένα σήμα το οποίο εισάγεται σε τρία διαφορετικά σημεία του υποστρώματος. Το κριτήριο με βάση το οποίο επιλέγεται το κάθε σημείο, είναι η απόσταση του εισαχθέντος σήματος από το κύκλωμα του θύματος θορύβου.
description: This thesis presents a Voltage Controlled Oscillator (VCO) design in three different oscillation frequencies; the first is at 1 GHz, the second at 10 GHz and the third at 20 GHz carrier frequency operation. All the three VCOs were designed in a 65 nm CMOS process that is commercially available by TSMC. Also, a noise theory about oscillators was analyzed, while the phase noise background theory was emphasized. In addition, a detailed noise simulation analysis was performed in relation to phase noise performance optimization in all three VCOs by keeping the same identical transistor size and bias settings while only modifying the LC tank. All the noise contributing sources - thermal, flicker and gate- were analyzed, as to extract noise optimization trends in terms of the VCO operating frequency versus the overall phase noise. It is clear enough that phenomena such as phase noise has a significant role in quality of communications. The purpose of phase noise measurement is the qualification of an oscillator’s stability. Therefore, the basic major issue in measuring is the difficulty to collect reliable values. This becomes more crucial, if it is assumed that the results of measurements must be accurately enough. In this thesis, were discussed four basic phase noise measurement topologies: the direct spectrum analyzer, the PLL method, the delay line discriminator and the cross-correlation method. The third method, frequency discriminator will be examined in detail in this thesis. The current trend of CMOS technology to shrink the nodes area coupled with the cost reduction industry regime, makes possible to integrate many system components, as digital and analog/RF sub-circuits on the same die. However, the switching noise generated in the digital part of System-on-Chip, allows a current flowing from the bulk to substrate, to produce noise in the substrate and impact the total performance of the device. In this thesis, cross-talk in a 1.3 GHz CMOS VCO was investigated.