Riassunto analitico
Nel prossimo futuro nuove applicazioni elettroniche, operanti nella banda delle onde millimetriche (30GHz-300GHz), ci consentiranno comunicazioni senza fili sempre più veloci, sistemi per aumentare la sicurezza nel campo automotive e nuovi scanner per la ricostruzione di immagini, utili in ambito diagnostico, industriale e per la sicurezza. Affinché queste applicazioni possano diventare pervasive come lo sono gli attuali telefoni cellulari e personal computer è necessario che i circuiti elettronici vengano realizzati con tecnologie CMOS. Queste tecnologie portano vantaggi in termini di costo, ma d’altro canto introducono anche diverse sfide nel campo della progettazione di circuiti con prestazioni adeguate.
La parte iniziale della tesi presenta una panoramica delle future applicazioni ad onde millimetriche (mm-Waves). Queste sono suddivise in tre categorie: comunicazioni wireless, sistemi radar per automobili e sistemi per la ricostruzione di immagini a onde millimetriche. La progettazione e realizzazione di circuiti con tecnologie CMOS in grado di soddisfare alle varie specifiche richieste risulta essere particolarmente ardua. In questo lavoro di tesi vengono principalmente trattate le difficoltà insite nella generazione di frequenza. Gli oscillatori risultano infatti essere circuiti fondamentali in ogni rice-trasmettitore e presentono a tutt’oggi problematiche ancora aperte.
Ad onde millimetriche la generazione di oscillazioni in quadratura, fondamentali in architetture di ricevitore a conversione diretta, presenta particolari difficoltà dovute principalmente ai compromessi tra consumo di potenza, purezza spettrale, precisione di quadratura e intervallo di accordo. Nell’ambito del dottorato è stato proposto un nuovo circuito basato su due oscillatori controllati in tensione e accoppiati magneticamente l’uno all’altro. Questa soluzione presenta una frequenza di oscillazione dipendente dai soli componenti passivi e permette di raggiungere, rispetto a quanto riportato in letteratura, un basso rumore di fase e allo stesso tempo una buona precisione di quadratura. È stato realizzato un prototipo in tecnologia 65nm CMOS che presenza un intervallo di accordo tra 56GHz e 60,4GHz con un rumore di fase inferiore a -95dBc/Hz a 1MHz di offset e con un errore di quadratura inferiore a 1,5 gradi. Il consumo di corrente è di 22mA con una tensione di alimentazione di 1V.
Nella continua ricerca di oscillatori perforamenti a frequenze sempre più elevate è stato studiato, nell’ambito del dottorato, l’utilizzo di un moltiplicatore di frequenza. Utilizzando un moltiplicatore per due (duplicatore) connesso in cascata, il VCO (voltage controller oscillator) deve essere progettato per funzionare a metà della frequenza finale richiesta usufruendo di componenti passivi (varactors in particolare) con fattore di qualità più elevato. Questo consente di raggiungere intervallo di accordo maggiore e di ridurre il consumo di potenza richiesto per ottenere un determinato rumore di fase. Nella tesi è descritta una nuova soluzione circuitale di duplicatore di frequenza in tecnologia CMOS. Tale soluzione sfrutta la tecnica dell’injection locking e si basa su un oscillatore di Pierce sincronizzato attraverso una coppia di transistors in configurazione push-push. I risultati ottenuti sono supportati da due test chip realizzati in tecnologia CMOS a 65nm. In un primo prototipo il duplicatore è pilotato da una sorgente esterna. I risultati sperimentali dimostrano una banda di funzionamento da 106GHz a 128GHz, un consumo di potenza di 6mW e un picco di tensione di ampiezza all’uscita pari a 330mV. Nel secondo prototipo il duplicatore è pilotato da un VCO LC-tank integrato, funzionante a metà della frequenza di uscita. Questo ha permesso di dimostrare un eccezionale intervallo di accordo del 13,1% nell’intorno di 115GHz. L’intervallo di accordo risulta essere circa 4 volte maggiore rispetto allo stato dell’arte.
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Abstract
In the near future new electronic applications, operating in the millimeter wave band (30GHz-300GHz), will allow us wireless communications with unprecedented speed, radars to improve safety in the automotive field and new scanners for image reconstruction, useful for diagnostic, industrial and security systems. For a widespread diffusion in the mass market of these applications, as it has been for mobile phones and personal computers, it is required that electronic circuits are made in CMOS technology. These technologies bring benefits in terms of cost but, on the other hand, introduce several challenges in the design of circuits with adequate performances.
The first part of the thesis presents an overview of future applications at millimeter-wave (mm-Waves). These are divided into three classes: wireless communications, automotive radar and systems for millimeter-wave image reconstruction.
The design and realization of circuits with CMOS technology is presently very difficult. The thesis focuses on the difficulties related to the mm-Waves frequency generation. The oscillator circuits are fundamental in any transceiver and there are still several unresolved issues.
The quadrature oscillators, that are fundamental in direct conversion receivers, present particular difficulties due to the trade-offs between power consumption, spectral purity, phase error and tuning range. These trade-offs are emphasized at millimeter waves. During the PhD it has been proposed a new circuit solution which is based on a ring of two LC-VCOs with resonators magnetically coupled to each other. The circuit has an oscillation frequency dependent on passive components only presenting a lower phase noise, if compared with the state of the art, and good quadrature accuracy. Prototypes, realized in 65-nm CMOS, show 56–60.4GHz tunable oscillation frequency, phase noise better than -95 dBc/Hz at 1-MHz offset in the tuning range, 1.5° maximum phase error while consuming 22mA from a 1-V supply.
In the continuous research high performances oscillator at higher and higher frequencies it has been studied, as part of the doctorate, the use of a frequency multiplier. Using a multiplier by two (doubler) connected in cascade, the VCO (voltage controller oscillator) can be designed at half the required output frequency getting benefits of passive components (especially varactors) with higher quality factor. This allows a larger frequency tuning range and lower power consumption for given phase noise. In the thesis it is described a new circuit solution of the frequency doubler. This solution exploits the injection locking technique, and it is based on a Pierce oscillator synchronized by a pair of transistors in push-push configuration.
The results achieved are supported by two test chips realized in 65nm CMOS technology. In a first prototype the doubler is driven by an external source. The experimental results prove an operation bandwidth from 106 GHz to 128 GHz with a peak voltage swing on each output of 330 mV. In the second prototype the doubler is driven by an integrated LC-tank VCO, operating at half the output frequency. This has allowed to demonstrate an exceptional 13.1% frequency tuning range around 115GHz. The tuning range is about 4 times higher than the state of the art.
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