Negli ultimi anni il settore delle telecomunicazioni ha assunto un ruolo di notevole rilievo nell economia di molti paesi. La messa a punto delle nuove tecniche di modulazione e demodulazione digitale sempre più efficienti, aggiunte alla continua riduzione delle dimensioni dei circuiti integrati e all incremento della loro frequenza di funzionamento, ha portato ad una rapida espansione delle applicazioni della ricetrasmissione di tipo wireless. L applicazione più importante dal punto di vista economico è certamente quella della telefonia mobile; ma non sono sicuramente da trascurare certe applicazioni di recente diffusione quali la TV digitale via satellite, gli impianti di guida satellitare nelle autovetture, i sistemi GPS, e molte altre, forse ancora poco diffuse, ma comunque importanti. Inoltre, un applicazione che negli ultimi anni sta avendo un grande sviluppo è quella riguardante i sistemi radar per autoveicoli. Questi sistemi hanno lo scopo di rilevare la posizione e il movimento di oggetti vicini ad un veicolo. In base alla sofisticatezza del sistema e allo scopo desiderato, questo potrebbe essere in grado di provvedere, insieme a tante altre funzioni, ad evitare collisioni, attivare velocemente l airbag, e migliorare il modo di guidare attraverso un iterazione con gli altri sistemi veicolari in movimento. Per consentire ad una vasta cerchia di utenti di usufruire di tali servizi di comunicazione, è necessario garantire loro elevate velocità di trasmissione dei dati ed uno sfruttamento ottimo della banda di frequenze che si ha a disposizione. Perciò negli ultimi anni si stanno mettendo a punto nuovi
protocolli di comunicazione che sfruttano spaziature di canale molto piccole e frequenze di trasmissione elevate. Da quanto detto appare chiaro che nell ambito della ricerca si deve investire sulla progettazione di transceiver wireless che abbiano le caratteristiche necessarie per essere utilizzati nella ricetrasmissione basata sui protocolli dalle caratteristiche descritte sopra. Nella progettazione di un transceiver riveste un ruolo di notevole importanza la sintesi in frequenza, che consiste nel generare un segnale a frequenza ben definita, da utilizzare per la selezione dei diversi canali in cui è suddiviso lo spettro delle frequenze. In questo lavoro di tesi sarà presentata una metodologia per l analisi e la progettazione di un oscillatore sinusoidale controllato in tensione ad elevata frequenza, con basso rumore di fase, in tecnologia CMOS_090 per applicazioni radar a 24GHz. Scopo di questa tesi è stato quello di realizzare un VCO per applicazioni radar a 24GHz, mettendo in risalto le problematiche riscontrate durante la progettazione ed i limiti della tecnologia utilizzata, cioè CMOS_090, processo tecnologico sviluppato dalla STMICROELECTRONICS prettamente per applicazioni a radiofrequenza. Nell introduzione tratteremo brevemente il funzionamento di un sistema di ricetrasmissione a RF. Poi passeremo alla descrizione delle principali strutture circuitali utilizzati nella ricetrasmissione, per arrivare infine alla descrizione e alla progettazione di un VCO (Voltage Controlled Oscillator) che lavori bene alle frequenze radar. 2
Nel Capitolo I spiegheremo cos è e a cosa serve un oscillatore. Partiremo dalla definizione di oscillatore ideale e poi passeremo a quello reale spiegando quali sono gli effetti di disturbo che entrano in gioco nella pratica. Infine sceglieremo un modello e ne studieremo il rumore di fase. Nel Capitolo II si parlerà della regolazione della frequenza di oscillazione, punto fondamentale sia per sistemare eventuali slittamenti della frequenza di oscillazione dovuti all incertezza sui dispositivi che utilizzeremo sia per permettere la divisione della banda a disposizione e la selezione dei singoli canali che otterremo. Perciò parleremo dei varactor, ovvero dei particolari dispositivi controllati in tensioni che si comportano come delle capacità variabili. Nel Capitolo III verranno trattati gli induttori monolitici costruiti in tecnologia CMOS. Saranno spiegate le caratteristiche più importanti di questi elementi passivi; inoltre saranno trattati nel dettaglio i meccanismi di perdita e gli effetti parassiti. Infine saranno estrapolati delle ottime linee guida per una buona progettazione degli induttori. Nel Capitolo IV si studieranno varie tipologie di VCO (NMOS, PMOS e Complementare), vedremo quali sono i rispettivi contributi di rumore e a che cosa sono dovuti. Infine vedremo qual è la tipologia circuitale che da le prestazioni migliori e su questa base progetteremo il nostro VCO a 24GHz. Nel Capitolo V infine sarà realizzato un VCO ad elevata frequenza per applicazioni Radar. Il flusso di progettazione che verrà da noi implementato seguirà una sequenza di steps che dovrà portare alla scelta dei componenti circuitali che abbiano le caratteristiche migliori per ottenere un circuito in 3
grado di soddisfare le specifiche richieste. Descriveremo brevemente i singoli steps della progettazione ed infine faremo un set di simulazioni per estrapolare le prestazioni del VCO da noi progettato. Funzionamento di un sistema di ricetrasmissione Nella Fig. I.1 viene illustrata una tipica architettura di un ricevitore a radiofrequenza attraverso il quale, mediante l utilizzo di un Local Oscillator (LO) che permette di poter selezionare opportuni canali di trasmissione RF, un segnale ad alta frequenza RF viene traslato in un segnale a frequenza intermedia. RF LNA IF LO Fig. I.1 Architettura di un ricevitore a radiofrequenza Ricordiamo che gli oscillatori giocano un ruolo chiave nei sistemi di comunicazione garantendo la realizzazione di un segnale periodico stabile utilizzato sia come segnale di clock nei circuiti digitali che come portante per le traslazioni in frequenza dei segnali. 4
L oscillatore Locale è realizzato da una struttura circuitale denominata Phase-Locked-Loop (PLL) come mostrato in Fig. I.2. Riferimento in ingresso Phase Detector Loop Filter VCO Uscita M Fig. I.2 Schema a blocchi dell Oscillatore Locale Il PLL è un particolare dispositivo in controreazione che consente di agganciare la frequenza di un sistema predefinito. Più precisamente esso è un circuito di sincronizzazione in frequenza e in fase tra un segnale di uscita, generato da un oscillatore, ed un segnale in ingresso di riferimento. Se i due segnali sono sincroni (stato di lock ) l errore di fase risulta infinitesimo, nel momento in cui l errore di fase cresce entra in azione sull oscillatore il meccanismo di controllo di retroazione in modo da ridurre tale errore al valore minimo. Da questo criterio di funzionamento deriva la denominazione di Phase-Locked-Loop. La struttura base del PLL (mostrata in Fig. I.3) consta di tre blocchi principali: Il comparatore di fase (Phase Detector) Il filtro d anello (Loop Filter) L oscillatore controllato in tensione (VCO) 5
Ingresso Phase Detector Loop Filter VCO Uscita Fig. I.3 Schema a blocchi del Phase-Locked-Loop Il Phase Detector fornisce un segnale proporzionale alla differenza di fase tra il segnale in uscita dal VCO e quello di riferimento. In generale tale segnale è costituito da una componente costante pari al valore medio e da una componente indesiderata; uno degli scopi di questo blocco è appunto sopprimere tale componente e quindi velocizzare la velocità di aggancio di fase. Il Loop Filter è caratterizzato da una funzione di trasferimento di tipo passa-basso; il suo scopo principale è quello di eliminare le componenti ad alta frequenza prodotte dal Phase Detector. È possibile classificare i PLL in base all ordine del filtro, in particolare un PLL di ordine α è costituito da un filtro avente α-1 poli nella funzione di trasferimento. I Loop Filter posso essere tanto attivi quanto passivi, così come possono essere implementati per via analogica o digitale, a seconda del tipo di filtro variano le prestazioni del PLL ed i costi dello stesso. 6
Il VCO è sicuramente il blocco pù critico dell intero sistema, in quanto fornisce il segnale d uscita; esso è un oscillatore la cui pulsazione di fase ω OUT viene comandata dalla tensione di controllo. L uscita del Loop Filter costituisce il segnale di controllo dell oscillatore, se in ingresso al PLL non viene applicato alcun segnale, l uscita del Phase Detector, come quella del Loop Filter, è nulla e il VCO oscilla alla frequenza centrale ω C.; quando in ingresso al PLL viene applicato il segnale di riferimento, il Phase Detector produce un segnale proporzionale all errore di fase che, dopo essere stato filtrato, stimola il VCO a generare una frequenza che si assesti in un intorno della frequenza di ingresso. In cascata al VCO può essere inserito un divisore in frequenza (vedi Fig. I.2) in modo da gestire un range di frequenze più ampio, in altri termini la frequenza all uscita del PLL è N volte la frequenza di riferimento posta in ingresso; tali divisori sono implementati attraverso la connessione di più flip-flop, secondo una struttura a contatore. A seconda se il divisore divide per un intero o per una quantità frazionaria si parla di PLL a divisore di frequenza intero o frazionario. Teniamo conto del fatto che, per quanto riguarda il rumore di fase del PLL, un ruolo fondamentale è svolto dal VCO che permette di caratterizzare il rumore di fase al di fuori della banda coperta dal Loop Filter. Il problema principale che si incontra durante la progettazione di un VCO è quello della purezza spettrale. Idealmente un VCO dovrebbe avere uno spettro definito da un singolo impulso di frequenza; in realtà invece tale spettro è rappresentato da una densità spettrale di potenza distribuita attorno alla 7
frequenza d interesse. Queste code che si estendono da entrambi i lati della frequenza portante sono dovute a delle fluttuazioni in fase come pure in ampiezza della portante generata. È ben noto che le code di rumore ai lati della portante sono dovute al rumore d ampiezza mentre quello vicino alla frequenza centrale è dovuto alle fluttuazioni di fase. Fig. I.4 Spettro di un oscillatore reale Con riferimento a quanto mostrato in Fig. I.4, uno dei parametri prestazionali più importanti di un VCO è la densità spettrale di rumore di fase per unità della lunghezza di banda in decibels relativa alla portante (dbc/hz) ad un offset f dalla portante. La seguente espressione definisce il cosiddetto Single Side Band (SSB) Phase Noise: 8
L ( f ) P = 10 log noise P ( f ) dove P noise è la potenza del rumore SSB per unità della larghezza di banda mentre P C è la potenza della portante. La specifica sul rumore di fase richiesto per un LO dipende dal meccanismo di interferenza che spiegheremo di seguito. La Fig.5 illustra quale sia effettivamente il ruolo del rumore di fase nel caso di un sistema ricevitore a radiofrequenza quando si cerca di ricevere il segnale di un canale RF adiacente ad un segnale interferente di elevata potenza. C RF Segnale interferente Segnale utile LO ω ω IF Segnale interferente Intermodulazione Segnale utile ω Fig. I.5 Influenza del Phase Noise in un sistema di ricetrasmissione 9
Come si nota, un elevato Phase Noise provoca una intermodulazione dei due canali perdendo, quindi, parte delle informazioni del segnale utile. In generale, le specifiche sul rumore di fase derivano dalla seguente equazione: ( f ) = P P CNR ( BW ) L sig log int 10 dove P sig è il segnale a più debole potenza che è rilevato, P int è la potenza massima dell interferenza e BW è banda del canale. La tabela che segue, mostra alcune specifiche sul rumore di fase richieste per differenti sistemi di telecomunicazione. Applicazione Phase Noise (a 100 khz) Frequenza portante GSM -108 dbc/hz 900 MHz WCDMA -110 dbc/hz 1900 MHz WLAN -95 dbc/hz 4.8 GHz DVB-S -95 dbc/hz 10.6 GHz Tabella 1 Specifiche sul Phase Noise per differenti sistemi di telec. Dopo quanto detto, elenchiamo quali sono le specifiche che devono essere richieste ad un VCO affinché esso possa essere utilizzato nelle applicazioni RF: elevata purezza spettrale, che si traduce in un basso Phase Noise; fenomeno questo che limita in ricezione la possibilità di agganciare un segnale debole in presenza di ampi toni interferenti in canali adiacenti. 10
basso consumo di potenza; esigenza questa sempre più incalzante dato che la maggior parte delle applicazioni dovranno essere utilizzate in portatili. ampio Tuning Range; cioè massimo intervallo entro cui può variare la frequenza del VCO. A questo punto, dopo aver dato una panoramica di come funziona un sistema di ricetrasmissione e dei dispositivi che vengono impiegati, possiamo dedicarci nei prossimi capitoli al vero obiettivo di questo lavoro di tesi. Innanzitutto spiegheremo come è costituito un VCO e come funziona; passeremo poi alla progettazione dei singoli componenti per arrivare infine alla progettazione di un VCO che oscilli alle frequenze Radar (24 GHz). 11