Studio di oscillatori controllati in tensione (VCO) a basso rumore di fase per applicazioni RF Luca Dodero Relatore Chiar.mo Prof. Ing. Daniele Caviglia
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.
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.
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.
Rumore di Fase Effetto del rumore di fase in trasmissione a) e in ricezione b)
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.
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:
Modello di Leeson ( ) L f m FkT f f f = 10log 1 c 0 1 c + + 10 + 2P 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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) = 10log10 1+ 1+ 2 2 + 2Psig fm 4Q fm 2 2f m 2
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 )
Risultati Simulazioni Andamento del Rumore di Fase alla frequenza di 1,8 GHz
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.