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.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 LC- VCO
2.1 Oszillator - Allgemein
2.2 Grundstrukturen von LC- Oszillatoren
2.3 VCO – Tuning
2.3.1 Allgemein
2.3.2 Varaktor Diode
2.3.3 MOS-Varaktoren
2.3.4 Geschaltene Tuningbereiche
2.4 Phasenrauschen
2.4.1 Allgemeines
2.4.2 Auswirkungen des Phasenrauschen auf die HF-Kommunikation
2.4.3 Güte Q eines Oszillators
2.4.4 Entstehung des Phasenrauschens
3 Integrierte Spulen
3.1 Einleitung
3.2 Anforderungen an eine hochqualitative Spule
3.3 Spulenverluste bei einem CMOS Prozess
3.3.1 Intrinsische ohmsche Verluste
3.3.2 Kapazitiv gekoppelte Verluste
3.3.3 Magnetisch gekoppelte Verluste
3.4 Richtlinien für die Spulen Auswahl (-Design)
4 MOS-Varaktoren
4.1 Allgemeine Form
4.2 Inversions- und Akkumulations-Mode:
4.3 Gated Varaktor
5 VCO- Design
5.1 Anforderungen an das Design
5.2 VCO- Grundstruktur
5.3 Tuning
5.3.1 Ideales, gewünschtes Tuningverhalten
5.3.2 Reales Tuningverhalten
5.3.3 Auswahl und Dimensionierung des Tuning-Elements
5.4 Spule
5.4.1 Allgemeines
5.4.2 Auswahl der Spule
5.5 ALC – Automatic Level Control
5.5.1 Allgemeines
5.5.2 Funktionelle Beschreibung
5.6 Ausgangsstufe für den Testchip
5.7 Zusammenfassung der integrierten Testdesigns
5.7.1 Allgemeines
5.7.2 Beschreibung der einzelnen Teststrukturen:
6 Messergebnisse
6.1 Allgemeines
6.2 Testaufbau
6.3 Spannungstuning
6.4 Phasenrauschen
7 Resimulation anhand der Messergebnisse
7.1 Allgemein
7.2 Modellfindung für integrierte Spulen
7.2.1 ASITIC
7.2.2 Modellfindung anhand gemessener s- Parameter
7.3 Anpassung der Gesamtschaltung an das reale Verhalten
7.4 Designoptimierung an das gewünschte Verhalten
8 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines voll integrierten LC-VCOs in einer 0,35 μm CMOS-Technologie für den Einsatz in einer PLL eines HF-Transceivers. Dabei steht die Optimierung hinsichtlich eines möglichst linearen Tuningverhaltens, eines geringen Phasenrauschens sowie einer minimierten Stromaufnahme im Vordergrund.
- Analyse von LC-VCO-Grundstrukturen und deren Schwingbedingungen
- Untersuchung von Tuning-Elementen, insbesondere Varaktoren in CMOS-Prozessen
- Evaluation von Spulendesigns zur Minimierung von Verlusten und Optimierung der Güte
- Implementierung von Amplitudenregelungen (ALC) zur Stabilisierung des Signals
- Vergleich von Messergebnissen mit Simulationsmodellen zur Designoptimierung
Auszug aus dem Buch
2.4.1 Allgemeines
Ein wesentliches Thema im Zusammenhang mit der Leistungsfähigkeit von Oszillatoren ist das Rauschen. Externes Rauschen, das auf den Oszillator wirkt, sowie das Rauschen der internen Komponenten beeinflussen die Amplitude und die Frequenz des Ausgangssignals. Meist ist aber der Einfluss auf die Amplitude vernachlässigbar und in erster Linie die zufällige Variation der Frequenz von Bedeutung. Diese kann auch als eine zufällige Veränderung der Periode eines Signals angesehen werden, was am Beispiel eines Sinussignals sehr gut als phasenmäßige (oder zeitliche) Verschiebung des Nulldurchganges erkennbar ist. Daher auch der Name Phasenrauschen. Für unsere Zwecke ist aber die Betrachtung im Frequenzbereich aussagekräftiger.
Wenn man das Frequenzspektrum eines idealen Oszillators betrachtet, erhält man eine einzelne Spektrallinie, welche der gewünschten Trägerfrequenz mit einem bestimmten Signalpegel entspricht. Betrachtet man im Vergleich dazu das Spektrum eines realen Oszillators, erhält man einen kegelförmigen Verlauf um die Trägerfrequenz, der in größerer Entfernung zur Mittenfrequenz im sogenannten Noise-Floor versinkt, wie in Abb. 2.14 zu sehen ist.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt den wachsenden Bedarf an integrierten HF-Schaltungen und die zentrale Rolle des VCOs innerhalb eines Transceivers.
2 LC- VCO: Erläutert die theoretischen Grundlagen für schwingfähige Strukturen, die Frequenzverstimmung und die physikalischen Ursachen von Phasenrauschen.
3 Integrierte Spulen: Analysiert die Herausforderungen bei der Integration von Spulen in CMOS-Prozessen und diskutiert verschiedene Verlustmechanismen.
4 MOS-Varaktoren: Untersucht verschiedene Typen von Varaktoren als Tuning-Elemente und deren Eignung für den Einsatz in integrierten Oszillatoren.
5 VCO- Design: Beschreibt den Entwicklungsprozess, die Auswahl der Architektur, die Dimensionierung der Bauteile und die Implementierung der Amplitudenregelung.
6 Messergebnisse: Präsentiert die experimentellen Daten der Teststrukturen und analysiert das Tuningverhalten sowie das Phasenrauschen.
7 Resimulation anhand der Messergebnisse: Dokumentiert die Anpassung der Simulationsmodelle an die realen Messdaten und die Designoptimierung durch Redesign.
8 Zusammenfassung: Fasst die wesentlichen Erkenntnisse der Diplomarbeit zusammen und bewertet die Erreichung der Zielsetzungen.
Schlüsselwörter
LC-VCO, Phasenrauschen, CMOS, Varaktor, Tuning, Frequenzmodulation, Oszillator, Transceiver, Spulenverluste, HF-Technik, PLL, Integration, Schwingkreis, Amplitudenregelung, Testdesign
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Diplomarbeit befasst sich mit dem Entwurf und der Entwicklung eines voll integrierten LC-VCOs in einer 0,35 μm CMOS-Technologie für den Einsatz in HF-Transceivern.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit behandelt schwerpunktmäßig das Design von Oszillatorschaltungen, die Charakterisierung von Spulenverlusten, die Analyse von Varaktor-Tuning-Elementen und die Optimierung des Phasenrauschens.
Welches primäre Ziel verfolgt die Arbeit?
Das Hauptziel ist die Realisierung einer optimalen VCO-Struktur, die ein lineares Tuningverhalten mit geringem Phasenrauschen und minimalem Stromverbrauch in einem CMOS-Prozess vereint.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine Methodik aus theoretischer Analyse, umfangreicher Simulation mit spezialisierten Tools (wie ASITIC) und einer experimentellen Validierung durch Testchips auf Silizium kombiniert.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Herleitung der Oszillator-Grundstrukturen, die detaillierte Analyse der Bauteile (Spulen und Varaktoren), das konkrete Design der VCO-Schaltung inklusive ALC sowie die Auswertung der Messergebnisse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe umfassen LC-VCO, Phasenrauschen, CMOS, Varaktoren, Tuning, Oszillator und HF-Technik.
Warum ist das Phasenrauschen so entscheidend für das Design?
Phasenrauschen limitiert die Leistungsfähigkeit eines HF-Systems, da es durch Störungen benachbarter Signale die Kommunikationsqualität (Blocking-Performance) erheblich verschlechtern kann.
Welche Rolle spielen integrierte Spulen bei diesem Projekt?
Integrierte Spulen sind die leistungslimitierende Komponente im LC-VCO. Die Güte der Spule entscheidet maßgeblich über das Phasenrauschen und die benötigte Stromaufnahme des Oszillators.
Warum wurde ein Redesign in der Arbeit durchgeführt?
Das Redesign war notwendig, da Abweichungen zwischen Simulation und Messung auftraten, die durch unerwartete parasitäre Effekte im Layout verursacht wurden, um die ursprünglichen Spezifikationen präziser zu erreichen.
- Quote paper
- DI (FH) Mag. Reinhard Windisch (Author), 2002, Entwicklung eines integrierten 1,736 GHz LC- VCO für einen 0,35 µ CMOS Prozess, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/86695
