Inductor Characterization and VCO design in 65nm CMOS
Creators: name: Παλαμπουγιούκης, Ορέστης Νικολάου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2012
Subjects: Ολοκληρωμένα κυκλώματα
Ταλαντωτής
Πηνίο
Integrated circuits
Oscillator
Inductor

description: Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας αυτής είναι η μελέτη της σχεδίασης και του χαρακτηρισμού πηνίων και της σχεδίασης LC ταλαντωτών ελεγχόμενων από τάση για πολύ υψηλές συχνότητες. Στα συστήματα πομποδεκτών γίνεται πολύ εκτενής χρήση ταλαντωτών. Στα περισσότερα από αυτά η μία είσοδος του κάθε μίκτη οδηγείται από ένα περιοδικό σήμα. Επίσης, στα περισσότερα συστήματα μετάδοσης είναι επιτακτική η χρήση συνθετών συχνότητας, όπου η δυνατότητα λειτουργίας σε περισσότερες από μια συχνότητες-κανάλια είναι επιθυμητή. Εκεί γίνεται πλέον απαραίτητη η χρήση ταλαντωτή ελεγχόμενου από τάση έτσι ώστε να μπορεί με μία τάση ελέγχου να αλλάζει η συχνότητα λειτουργίας του ταλαντωτή. Η εργασία αυτή ξεκινάει με μια γενική μελέτη των βασικών αρχών των ταλαντωτών και παρουσιάζονται τα κριτήρια ταλάντωσης (κριτήρια Barkhausen). Γίνεται ανάλυση των τρόπων μελέτης των ταλαντωτών ως δίθυρα και ως μονόθυρα δικτυώματα. Συνεχίζοντας περνάμε στην μελέτη των μεταβλητών χωρητικοτήτων (varactors), που είναι η ονομασία των στοιχείων των οποίων η χωρητικότητα ελέγχεται από την τάση στα άκρα τους. Οι μεταβλητές χωρητικότητες χρειάζονται στην σχεδίαση ταλαντωτών ελεγχόμενων από τάση, έτσι ώστε μέρος της χωρητικότητας του δικτυώματος συντονισμού να είναι μεταβλητό και να μπορούμε να αλλάζουμε την συχνότητα συντονισμού της εξόδου. Ένα μεγάλο μέρος της διπλωματικής εργασίας είναι αφιερωμένο στα ολοκληρωμένα πηνία. Τα ολοκληρωμένα πηνία χρησιμοποιούνται πλέον κατά κόρον σε κυκλώματα υψηλών συχνοτήτων. Το πηνίο καθορίζει σε πολύ μεγάλο βαθμό τον συντελεστή ποιότητας του LC κυκλώματος συντονισμού που με τη σειρά του παίζει πολύ μεγάλο ρόλο στον τελικό θόρυβο φάσης του ταλαντωτή. Γίνεται μια ανάλυση του συντελεστή ποιότητας ώστε να γίνει κατανοητό ποια είναι τα μεγέθη που τον επηρεάζουν και να βρεθούν τρόποι βελτίωσής του. Το επόμενο κεφάλαιο αφιερώνεται στην παρουσίαση των συνηθέστερων τοπολογιών που χρησιμοποιούνται σε υψηλές συχνότητες. Οι τοπολογίες αυτές είναι διαφορικές καθώς παρουσιάζουν πλεονεκτήματα έναντι των τοπολογιών μονής εξόδου. Έπειτα, γίνεται ορισμός και μελέτη του θορύβου φάσης και των βαθύτερων αιτίων του, καθώς επίσης και παρουσίαση του τύπου του Leeson. Εξηγούνται οι αδυναμίες του ημι-εμπειρικού αυτού τύπου και τρόποι βελτίωσής του. Ακολουθεί η παρουσίαση των αποτελεσμάτων από την μέτρηση ενός πηνίου που πραγματοποιήθηκε από την εταιρία Helic Inc.. Τα αποτελέσματα εισήχθησαν στο πρόγραμμα ADS ώστε μέσω πράξεων πινάκων να εξάγουμε τις παραμέτρους του πηνίου και να δούμε αν μετά την από-ενσωμάτωση των παρασιτικών τα αποτελέσματα είναι τα αναμενόμενα. Στο τελευταίο μέρος της εργασίας παρουσιάζεται η διαδικασία σχεδίασης που ακολουθήσαμε καθώς και τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων. Η εργασία αυτή έγινε στα πλαίσια συνεργασίας με την Helic Inc. και μέρος των στόχων της ήταν η χρήση των εργαλείων της εταιρίας για σχεδίαση σε πολύ υψηλές συχνότητες για σύγκριση των αποτελεσμάτων με αποτελέσματα που παίρνουμε από εργαλεία πλήρους ηλεκτρομαγνητικής επίλυσης. Αυτό μας έδωσε την ελευθερία να σχεδιάσουμε πολλές τοπολογίες VCO σε σχηματικό επίπεδο και με σχετικά χαλαρές προδιαγραφές, ώστε να συγκρίνουμε τις επιδόσεις και να αποκτήσουμε καλύτερη αίσθηση των σημαντικότερων παραμέτρων της σχεδίασης κοντά στα 60GHz. Καταλήξαμε στο ότι πρωταρχικός παράγοντας υποβάθμισης του συντελεστή ποιότητας του κυκλώματος συντονισμού είναι ο συντελεστής ποιότητας των varactors. Τέλος, παρουσιάζεται το layout που σχεδιάστηκε και τα αποτελέσματα των τελικών προσομοιώσεων.
description: This thesis concerns the study of characterization and design of integrated inductors and the design of LC Voltage controlled oscillators for very high frequency operation. ThreeVCOs were designed in schematic level for operation near in order to thoroughly study and compare major performance issues of VCO design at such high frequency. In RF systems use of oscillators and is very common in transceiver system design. In most of them one port of the mixer is driven by a local oscillator. Also, transceiver systems make use of frequency synthesizers as the ability to operate in more than one frequency - channels is often very useful. In cases like these the use of an oscillator whose output frequency can be controlled becomes essential, so that the system may transmit – receive in the desired frequency. The most popular way to control the output frequency is by use of an input voltage. Oscillators whose output frequency is determined by the level of their input voltage are naturally called voltage controlled oscillators (VCOs). First a study on the principles of operation of oscillators is conducted and the two main ways to view an oscillatory system are presented; as a two-port feedback network and as two one-port networks connected to one another. The quality factors of the passive elements that comprise the LC-tank are defined. Next we define the basic parameters that are critical to an oscillator’s performance. In the following chapters the passive components that a VCO makes use of are presented along with techniques that can be used to improve performance. A very extensive part of this thesis is devoted to inductor design and characterization, seeing that inductors are very important in high-frequency IC design. Their proper design presents an ever-growing challenge with rising frequency. A few basic differential topologies of LC oscillators are presented, which are widely used in high frequency systems. After the operation of differential oscillators is explained we move on to study Voltage Controlled Oscillators (VCOs). A study of phase noise follows, which constitutes one of the most important oscillator performance parameters. Leeson’s semi-empirical equation is derived and its use and limitations are described. The parameters derived from measurements of an integrated inductor are presented and a de-embedding procedure is applied in order to present a proper way to extract the actual design under test (DUT) parameters. Next, we present the topologies that we designed in the context of this thesis and the design procedure that we followed. Simulation results are presented in order to evaluate the performance of the circuits. The layout of one design is also presented along with the extracted view simulations.