Studio di oscillatori controllati in tensione (VCO) a basso rumore di fase per applicazioni RF

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1 Studio di oscillatori controllati in tensione (VCO) a basso rumore di fase per applicazioni RF Luca Dodero Relatore Chiar.mo Prof. Ing. Daniele Caviglia

2 Introduzione Il grande sviluppo degli ultimi anni nell ambito della RF, ha portato di stretta attualità i problemi riguardanti il consumo di energia, l efficienza l della larghezza di banda e la purezza spettrale del segnale usualmente caratterizzata dal Rumore di Fase.

3 Obiettivi Analisi delle origini del rumore di fase; Studio dei vari tipi di oscillatori con un attenzione particolare ai VCO a coppia differenziale incrociata (Cross( Cross-Coupled); Analisi dei parametri fondamentali di un varactor; Studio di un oscillatore VCO a basso rumore di fase e a basso consumo.

4 Rumore di Fase Il fattore determinante tra le caratteristiche di un oscillatore è la purezza spettrale, usualmente caratterizzata dal rumore di fase:esso infatti, in un ricevitore, interviene limitando la capacità di rilevare e di sintonizzarsi su un segnale debole in presenza di un segnale più intenso su un canale adiacente.

5 Rumore di Fase Effetto del rumore di fase in trasmissione a) e in ricezione b)

6 Sorgenti di Rumore Rumore Granulare : dovuto ad una corrente continua nei diodi e nei BJT; Rumore Rumore Termico : dovuto all energia termica; Rumore Flicker : presente negli elementi attivi e passivi e causato da impurezze o da trappole superficiali in strutture MOS.

7 Determinazione del Rumore di Fase La conversione da rumore prodotto dal dispositivo a Rumore di Fase è un processo complesso. Nel corso degli anni sono stati sviluppati una serie di modelli che permettono il calcolo del Rumore di Fase a partire dai componenti principali del circuito. Il più utilizzato è il modello LTI di LEESON:

8 Modello di Leeson ( ) L f m FkT f f f = 10log 1 c 0 1 c P f 2f Q f sig m m m 2 - fm = deviazione di frequenza che da la perturbazione di fase dovuta all intervallo di frequenze limitrofo alla frequenza portante; - fc = flicker corner frequency che può essere la prima o terza armonica rispetto alla frequenza portante, a seconda della precisione del calcolo; - Q = fattore di qualità del circuito risonante; - f0 = frequenza di oscillazione; - F = fattore di rumore.

9 Modello di Leeson La caratteristica del modello di Leeson è quella di essere semplice e di fornire un risultato apprezzabile; Come si può vedere dall equazione agendo sui parametri Psig e Q si riduce il rumore di fase; F è il fattore di rumore: è un parametro empirico e di difficile determinazione.

10 VCO con configurazione a coppia differenziale incrociata (Cross( Cross-Coupled) I I VCO sono oscillatori che generano una frequenza variabile in funzione di una tensione applicata; Al fine di avere un buon VCO di tipo LC è necessario avere VARACTOR con poca perdita d energia d ed ampio range di sintonizzazione.

11 VARACTOR Il Varactor è un componente atto a fornire una capacità variabile in funzione di una tensione applicata. Il MOS Varactor è un transistor con drain, source e bulk connessi tra di loro; realizza una capacità di tipo MOS ed il valore di tale capacità dipende dalla tensione che si manifesta tra gate e drain.

12 VARACTOR Nelle tecnologie bipolari a basso costo i diodi di giunzione sono adottati comunemente come condensatori variabili. La capacità dipende dalla tensione inversa applicata. Nella figura sottostante è rappresentato un diodo a giunzione.

13 Strategia per l ottimizzazione l di un VCO a basso Rumore di Fase Sulla base dell'equazione di Leeson ci sono quattro fattori importanti quando si progetta un VCO a basso rumore di fase. Questi sono: il fattore di qualità (Q) del risonatore LC; sorgenti di rumore; potenza del segnale all uscita; non linearità del circuito.

14 Fattore di Qualità Q Il Q totale di un blocco LC è direttamente collegato alla risposta in frequenza del blocco LC stesso. Come indica l'equazione di Leeson,, il rumore di fase all'uscita di un VCO è inversamente proporzionale al quadrato di Q. Perciò, costruire un risonatore LC ad alto fattore di qualità è d importanza fondamentale per la riduzione del rumore di fase di un VCO LC.

15 Fattore di Qualità Q Il valore del Fattore di Qualità dipende in maniera diretta dalla capacità del risonatore, come si può vedere dalla formula: 1 Q = 2 π f0rlcc con f0 = 2 π LC( V ) dove: ( ) R = R R Q R Q 2 2 LC CP LS L LS L RLS è la perdita d energia d dell induttore e QL Q il fattore di qualità sempre dell induttore.

16 Non Linearità del circuito L uso dei VARACTOR negli oscillatori comporta una non linearità di funzionamento dovuta alla curva non lineare C(V). Questo fenomeno porta ad un incremento del rumore; la formula di Leeson che tiene conto di questa non linearità è: 2 FKT f c f 0 1 KVCOV m Lf ( m, KVCO) = 10log Psig fm 4Q fm 2 2f m 2

17 Specifiche di Progetto 1,6 GHz< < f0 f <2,4 GHz L = 6nH 0,75pF< C(V) < 1,75pF f 0 = 1 2 π LC ( V )

18 Risultati Simulazioni Andamento del Rumore di Fase alla frequenza di 1,8 GHz

19 Sviluppi Futuri Simulazione del circuito oscillatore attraverso il software Cadence Virtuoso SpectreRF e confronto coi risultati ottenuti tramite Matlab. Eventuale realizzazione fisica dell oscillatore oscillatore.