Fachhochschulstudiengang „Industrielle
Elektronik“ Kapfenberg

Diplomarbeit

Entwicklung eines integrierten
1,736 GHz LC- VCO für einen 0, ... 35
μm CMOS Prozess

vorgelegt von
Reinhard Windisch

Kapfenberg, Juli 2002

 

Inhaltsverzeichnis

Danksagungen ... iii

Inhaltsverzeichnis ... iv

Abbildungsverzeichnis ... vii

Kurzfassung ... xi

Abstract ... xii

1 Einleitung ... 1

2 LC- VCO ... 3

2.1 Oszillator - Allgemein ... 3

2.2 Grundstrukturen von LC- Oszillatoren ... 5

2.3 VCO – Tuning ... 10
2.3.1 Allgemein ... 10
2.3.2 Varaktor Diode ... 10
2.3.3 MOS-Varaktoren ... 12
2.3.4 Geschaltene Tuningbereiche ... 13

2.4 Phasenrauschen ... 16
2.4.1 Allgemeines ... 16
2.4.2 Auswirkungen des Phasenrauschen auf die HF-Kommunikation ... 17
2.4.3 Güte Q eines Oszillators ... 19
2.4.4 Entstehung des Phasenrauschens ... 21

3 Integrierte Spulen ... 27

3.1 Einleitung ... 27

3.2 Anforderungen an eine hochqualitative Spule ... 28

3.3 Spulenverluste bei einem CMOS Prozess ... 28
3.3.1 Intrinsische ohmsche Verluste ... 29
3.3.2 Kapazitiv gekoppelte Verluste ... 29
3.3.3 Magnetisch gekoppelte Verluste ... 30

3.4 Richtlinien für die Spulen Auswahl (-Design) ... 32

4 MOS-Varaktoren ... 35

4.1 Allgemeine Form ... 35

4.2 Inversions- und Akkumulations-Mode: ... 37

4.3 Gated Varaktor ... 40

5 VCO- Design ... 43

5.1 Anforderungen an das Design ... 43

5.2 VCO- Grundstruktur ... 44

5.3 Tuning ... 51
5.3.1 Ideales, gewünschtes Tuningverhalten ... 51
5.3.2 Reales Tuningverhalten ... 52
5.3.3 Auswahl und Dimensionierung des Tuning-Elements ... 59

5.4 Spule ... 66
5.4.1 Allgemeines ... 66
5.4.2 Auswahl der Spule ... 66

5.5 ALC – Automatic Level Control ... 67
5.5.1 Allgemeines ... 67
5.5.2 Funktionelle Beschreibung ... 68

5.6 Ausgangsstufe für den Testchip ... 69

5.7 Zusammenfassung der integrierten Testdesigns ... 71
5.7.1 Allgemeines ... 71
5.7.2 Beschreibung der einzelnen Teststrukturen: ... 72

6 Messergebnisse ... 73

6.1 Allgemeines ... 73

6.2 Testaufbau ... 73

6.3 Spannungstuning ... 74

6.4 Phasenrauschen ... 77

7 Resimulation anhand der Messergebnisse ... 81

7.1 Allgemein ... 81

7.2 Modellfindung für integrierte Spulen ... 81
7.2.1 ASITIC ... 82
7.2.2 Modellfindung anhand gemessener s- Parameter ... 83

7.3 Anpassung der Gesamtschaltung an das reale Verhalten ... 84

7.4 Designoptimierung an das gewünschte Verhalten ... 86

8 Zusammenfassung ... 89

Anhang A – Schaltpläne ... I

Anhang B – Design Layouts ... VI

Anhang C - Testplatine ... VIII

Anhang D – Messergebnisse Phasenrauschen ... IX

Glossar ... XI

Literaturverzeichnis ... XII

 

Kurzfassung

Diese Diplomarbeit behandelt die Entwicklung eines voll integrierten LC- VCO’s (Voltage Controlled Oscillator mit LC- Schwingkreis) in einem 0,35 um CMOS Prozess. Der VCO wird in einer PLL (Phase Locked Loop) eines HF- Transceivers verwendet.

Im ersten Kapitel wird kurz ein Einblick in den gegenwärtigen Stand der integrierten HF- Technik sowie deren speziellen Anforderungen gegeben.

Kapitel 2 behandelt dann eine allgemeine Beschreibung von LC- VCO’s. Die Herleitung von schwingfähigen Strukturen, Möglichkeiten für die Frequenz Verstimmung im Oszillator und eine Betrachtung der Effekte, die zu Phasenrauschen führen, bilden die Grundlage für die weitere Arbeit.

In Kapitel 3 wird auf die wesentlichste leistungsbegrenzende Komponente in voll integrierten LC- VCO’s, die integrierte Spule eingegangen. Die Auswahl einer guten Spule ist ein wichtiger Schritt und bedarf zumindest einem qualitativen Wissen über die einschränkenden Effekte.

Der folgende Abschnitt geht auf die frequenzverstimmenden Bauteile ein, die Varaktoren (variable Kapazitäten). Hier werden die verfügbaren CMOS Varaktoren näher untersucht, wobei schon eine Vorauswahl für die prinzipielle Eignung in dieser Arbeit getroffen wird.

Kapitel 5 behandelt dann die eigentliche Entwicklung des Oszillators. Die wesentlichen Kriterien für die Gestaltung und Dimensionierung des Oszillators sind hier ein möglichst linearer Tuningverlauf über den geforderten Frequenzbereich sowie die Erfüllung der Anforderungen für das Phasenrauschen unter Minimierung der Stromaufnahme.

In Kapitel 6 werden die Ergebnisse der Messungen an den Testchips beschrieben.

Ein Vergleich der Messergebnisse mit dem simulierten Verhalten sowie eine Annäherung der Simulationsmodelle an das reale Verhalten folgt in Kapitel 7.

In Kapitel 8 werden die gewonnenen Erkenntnisse abschließend zusammengefasst.

Abstract

This diploma thesis deals with the design of an integrated LC- VCO (voltage controlled oscillator) in a 0.35 um CMOS technology. The oscillator will be used in a PLL (phase locked loop) designed for a RF (radio frequency) transceiver frontend.

The first chapter gives a short overview of the state of the art integrated RF technology and its particular requirements.

The second chapter considers LC- VCOs in general and describes in more detail the conditions that have to be fullfilled for an oscillation to occur, tuning-elements and the reasons for phase noise.

Chapter 3 deals with integrated spirals, which are known to be the main performance limiting component in a LC- VCO.

The fourth part is a detailed analysis of CMOS varactor elements. The behaviour of the varactor is not only important for the tuning characteristic but also for the phase noise.

The design itself is then described in Chapter 5 The most important features (I) linear frequency tuning and (II) good phase noise are discussed in detail. The approach was to develop some good examples of such VCO circuits and to prove these designs by fabrication and subsequent measurements.

Chapter 6 is devoted to the measurements of the testchips.

The comparison of simulated and measured results is made in Chapter 7.

Finally, Chapter 8 concludes the thesis and documents the main achievements and possibilities for further work.

1 Einleitung

Drahtlose Sprach- und Datenübertragung ist mittlerweile ein Thema, das auf Grund des Booms in der Telekommunikation in aller Munde ist. Schlagwörter wie GSM, DECT, GPS, Wireless LAN und Bluetooth sind fast schon jedem, auch „technischen Laien“, ein Begriff. Doch auch in Bereichen wie Automobil und Industrie sind vor allem Anwendungen für die drahtlose Datenübertragung immer mehr im Kommen. Diese steigende Dichte an Informationen, die in Form von elektromagnetischen Wellen durch die Gegend schwirren, stellt immer höhere Anforderungen an die Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Ressourcen.

Vor allem im Bereich der HF- Technik stellen sich dadurch immer wieder neue Herausforderungen. Anfangs baute man Sende- und Empfangs- Einheiten ausschließlich diskret, mit dem Schwerpunkt auf einer maximale Leistungsfähigkeit. Stromverbrauch und Groesse waren hier kein Thema. Dann, mit der Entwicklung integrierter Schaltungen und dem steigenden Interesse an mobilen Kommunikationseinheiten als Massenprodukte änderten sich die Anforderungen an HF- Designs grundsätzlich. Heute will man möglichst billig herzustellende, vom Stromverbrauch her optimierte Systeme mit minimalem Platzbedarf, die am besten vollständig integriert sind.

Der Standard bei den integrierten, analogen HF- Technologien im Bereich bis einige GHz ist zur Zeit noch Bipolar und BiCMOS. Angestrebt ist ein reiner CMOS Prozess, mit dem man kostengünstigst vollständige Systeme (Analog- und Digitalteile) auf einem Chip ausführt. Die Integration von HF- Designs in CMOS ist zwar schon stark im Kommen, steckt aber noch in den Kinderschuhen. Die ständige Verkleinerung der Minimalabmessungen, die Erhöhung der Transitfrequenz und die Verringerung der Versorgungsspannung bieten dabei optimale Voraussetzungen.

Eine wesentliche Komponente im Zusammenhang mit der drahtlosen Kommunikation ist der HF- Transceiver (kombinierte Sende- / Empfangseinheit). Das Herzstück eines Transceivers stellt in der Regel eine PLL (Phase Locked Loop) dar. Der VCO in einer PLL rastet über eine Rückkopplung mit seiner heruntergeteilten Ausgangsfrequenz auf eine Quarzreferenz ein. Somit erhält man auf der HF- Seite ein quarzgenaues Ausgangssignal (Abb. 1.1). Dieses wird in einem Mischer zum Hinauf- / Hinuntermischen des Sende- / Empfangssignals verwendet.

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