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Progetto di un VCO a basso rumore di fase in tecnologia CMOS standard
per applicazioni Wireless a basso consumo
Sergio Gagliolo
Relatore CorrelatoreChiar.mo Prof. Ing. Daniele Caviglia Dott. Ing. Giacomo Pruzzo
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Applicazioni
V o ic e
A D CV O IC E
C O M P R ES S IO N
C O D IN G
IN TER L IV IN G
P U L S ES H A P IN G
M O D U L A TO R
P O W ERA P L IFIERD IG IT A L
L O W N O IS EP O W ER A P L IFIER
D O W NC O N V ER TER
A D C M O D U L A TO R EQ U A L IZ Z ER
D E- IN TER L IV IN GD EC O D IN G
V O IC ED E C O M P R E S S IO N
D A C
A U ID IOA P L IFIER
D IG IT A L
V C O
V C O
L’oscillatore locale (LO) rappresenta uno dei blocchi fondamentali per un sistema di comunicazioni wireless o wireline.
Wi-Fi (802.11g), Bluetooth,ZigBee (802.15) …
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Obiettivi
PRELIMINARI:• Analisi delle origini del rumore di fase.• Studio e caratterizzazione di induttori integrati e relativi
modelli circuitali• Studio e caratterizzazione di varactor MOS
FINALI:• Realizzazione di un’oscillatore monolitico integrato a
basso rumore di fase, basso consumo con una tecnologia CMOS standard.
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Purezza Spettrale
• Il fattore determinante tra le caratteristiche di un oscillatore è la purezza spettrale, usualmente caratterizzata dal rumore di fase.
C h a n n e l
R F
L O
I F
0
I n te rfe re n ce
I n te rfe re n ceC h a n n e l
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Topologia del CircuitoV D D
M 1 1
M 2 M 3
M 3
IS F
M 4
M 5
M 7M 6
IS FC
R
C
R
M 8
M Z1 M Z2
I p1
I p2
V ou t1
V ou t2
V tu n e
M y y
IB IA S
1
2 eq eq
fL C
VCO struttura differenziale con controllo in tensione.
1f GHz
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Topologia del CircuitoV D D
M 1 1
M 2 M 3
M 3
IS F
M 4
M 5
M 7M 6
IS FC
R
C
R
M 8
M Z1 M Z2
I p1
I p2
V ou t1
V ou t2
V tu n e
M y y
IB IA S
Induttori integrati
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Topologia del CircuitoV D D
M 1 1
M 2 M 3
M 3
IS F
M 4
M 5
M 7M 6
IS FC
R
C
R
M 8
M Z1 M Z2
I p1
I p2
V ou t1
V ou t2
V tu n e
M y y
IB IA S
MOS Varactor
Permettono il controllo in tensione.
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Topologia del CircuitoV D D
M 1 1
M 2 M 3
M 3
IS F
M 4
M 5
M 7M 6
IS FC
R
C
R
M 8
M Z1 M Z2
I p1
I p2
V ou t1
V ou t2
V tu n e
M y y
IB IA S
Coppia differenziale
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Topologia del CircuitoV D D
M 1 1
M 2 M 3
M 3
IS F
M 4
M 5
M 7M 6
IS FC
R
C
R
M 8
M Z1 M Z2
I p1
I p2
V ou t1
V ou t2
V tu n e
M y y
IB IA S
Source Follower
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Topologia del CircuitoV D D
M 1 1
M 2 M 3
M 3
IS F
M 4
M 5
M 7M 6
IS FC
R
C
R
M 8
M Z1 M Z2
I p1
I p2
V ou t1
V ou t2
V tu n e
M y y
IB IA S Specchi per la polarizzazione
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Topologia del CircuitoV D D
M 1 1
M 2 M 3
M 3
IS F
M 4
M 5
M 7M 6
IS FC
R
C
R
M 8
M Z1 M Z2
I p1
I p2
V ou t1
V ou t2
V tu n e
M y y
IB IA S
Uscita differenziale
Carico 50 Ohm50 pF
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Induttori• Gli induttori integrati sono realizzati con una struttura
planare incrociata a presa centrale.
Presa centrale
L1
L2
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Modello Induttori On-chip
• Per tener conto degli effetti di perdita, gli induttori vengono sostituiti da circuiti RLC a parametri concentrati.
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Varactor
Il varactor realizzato con due transistor MOS di tipo N.
Vtu n e
V 1 = 2 V V 2 = 2 V
D S B
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Il varactor realizzato con due transistor MOS di tipo N.
Vtu n e
V 1 = 2 V V 2 = 2 V
D S B
Zona di utilizzodel VaractorVtune 0.90…1.70VCvar 3.09…1.36pF
Varactor
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CMOS VCO
VCO Evaluation Board
VCO layoutTecnologia AMS 0.35µm
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Tuning Range
• Sensibilità del VCO:
2.8D dd qP V I mW •Consumi (low power):
980 960200 /
0.1
fK MHz V
V V
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Spettro del segnale in uscita
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Sviluppi Futuri
• VCO a frequenza più elevata unito ad un divisore di frequenza (già in studio).
• Tecnologia per prestazioni migliori in ambito RF(0.18 µm)• Utilizzo di varactor realizzati con N-MOS in N-WELL
(maggior linearità)
• Sistema di trasmissione/ricezione completo on chip.