Resumen de Análisis y diseño de VCOS para aplicaciones de radio frecuencia en tecnologías CMOS
Los osciladores se encuentran de manera ubicua en el Universo en todas las escalas. En el campo de la electrónica se utilizan en destacadas áreas, como los sistemas de comunicaciones y la telefonía móvil, así como también en el campo digital siendo los ordenadores el ejemplo más relevante. Existe una demanda cada vez mayor por parte de la industria debido al crecimiento del consumo impulsado por el desarrollo de nuevas tecnologías.
Esta tesis presenta una metodología de diseño para osciladores en RF del tipo sinusoidal orientada hacia arquitecturas del tipo LC-VCO. La metodología se aplicó de manera satisfactoria en una tecnología CMOS RF de 90nm.
A grandes rasgos, el trabajo se divide en tres partes: ¿ Análisis y estudio de ciertos aspectos teórico-prácticos relacionados con LC-VCOs.
¿ Modelado matemático del sistema y sus componentes.
¿ Metodología de diseño.
Los modelos lineales permiten predecir de manera aproximada algunas magnitudes relacionados con VCOs sinusoidales, como por ejemplo frecuencia y amplitud de oscilación. Pero, otros aspectos, como el modo común o el ruido de fase, requieren utilizar modelos no lineales para estudiarlos con precisión. En este trabajo de tesis se propone describir la dinámica de un VCO sinusoidal mediante un sistema dinámico no lineal de orden cuatro. Los aspectos estocásticos como el ruido de fase lo estudiaremos aplicando la técnica PPV. Con el objetivo de eficiencia e independencia, se ha creado un entorno en Matlab con herramientas propias de simulación. Por un lado, una de ellas permite obtener el estado estacionario, vector PPV y monodromía del sistema. Dicha herramienta está basada en el método non-linear-shooting. Y, por otro, se ha implementado una herramienta que permite calcular el ruido de fase a partir del vector PPV y las fuentes de ruido presentes en el sistema. De manera adicional se ha desarrollado una herramienta que permite realizar simulaciones estocásticas en el tiempo (transient noise).
La metodología de diseño sigue una estrategia en dos pasos: en primer lugar se utiliza el modelo lineal con ecuaciones algebraicas y luego el modelo no lineal con simulaciones de gran señal resolviendo el sistema de ecuaciones diferenciales no lineales.
¿ A partir del modelo lineal, se realiza una búsqueda de soluciones y reducción del espacio de diseño considerando las ecuaciones algebraicas planteadas en el punto de equilibrio (inestable) del sistema. Con este propósito se utilizan bases de datos o lookup-tables obtenidas convenientemente desde Cadence a partir de simulaciones DC y AC.
¿ Considerando el modelo no lineal del VCO de orden 4 se realiza una búsqueda de soluciones a través de los simuladores desarrollados, PSS-M para determinar el estado estacionario y PNOISE-M para el ruido de fase basados en la técnica PPV. Las simulaciones se basan en lookup-tables (LUT) dependientes de la tensión diferencial.
La metodología desarrollada fue validada para dos diseños concretos de bajo consumo orientados a una aplicación ZigBee. En un caso, un diseño de muy bajo consumo validado a nivel de simulaciones postlayout en SpectreRF. Y un segundo ejemplo de diseño que fue validado a nivel de simulaciones y experimentalmente, formando parte de un transceptor ZigBee de 2.4GHz.
De manera adicional, se ha estudiado y analizado ciertos aspectos relacionados con el modelado de VCOS: ¿ Análisis del modo común. ¿ Técnica para la compensación de la temperatura que permite controlar la amplitud de oscilación ¿ Análisis del factor de calidad Q del tanque.
¿ Análisis del ruido introducido por la fuente de corriente que polariza el VCO.
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