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.
Auf einen Blick
- Note: 1,0
- Sieben VCO-Teststrukturen auf zwei Siliziumchips integriert
- Frequenz- und Phasenrauschmessungen mit einem Rohde-&-Schwarz-Spektrumanalysator
- 26 Quellen im Literaturverzeichnis
- 67 Abbildungen
Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung
Abstract
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 und Themen
Die Diplomarbeit entwickelt einen vollständig integrierten, spannungsgesteuerten LC-Oszillator für einen 0,35-µm-CMOS-Prozess und den Einsatz in einer Phasenregelschleife. Im Mittelpunkt steht die Frage, wie sich ein möglichst lineares Abstimmverhalten und ein geringes Phasenrauschen bei niedriger Stromaufnahme verbinden lassen.
- Grundstrukturen und Frequenzabstimmung von LC-Oszillatoren
- Entstehung und Auswirkungen des Phasenrauschens
- Verlustmechanismen und Auswahl integrierter Spulen
- Vergleich und Dimensionierung verschiedener MOS-Varaktoren
- Entwurf, Simulation und Messung integrierter Teststrukturen
- Modellanpassung und Weiterentwicklung anhand der Messergebnisse
Auszug aus dem Buch
2.4.2 Auswirkungen des Phasenrauschen auf die HF-Kommunikation
Um die Bedeutung des Phasenrauschens in HF Systemen zu zeigen, betrachten wir den allgemeinen Fall eines HF Transceivers (Abb. 2.15). Ein lokaler Oszillator (LO) liefert das Trägersignal für das zu sendende Signal, sowie den Träger zum Heruntermischen des empfangenen Signals. Ist der lokale Oszillator verrauscht, hat das störende Auswirkungen auf den Sende- und Empfangspfad.
Betrachtet man den Empfänger, so würde bei einem idealen lokalen Oszillator das gewünschte HF-Signal ohne Veränderung der Form auf eine niedrigere (und eine höhere) Frequenz gemischt werden (Abb. 2.16 a.)). Nun ist es sehr leicht möglich, dass sich in der Nähe des gewünschten HF-Signals ein anderes ungewünschtes und vielleicht sogar leistungsmäßig stärkeres Signal liegt. Ist der lokale Oszillator des Empfängers sehr stark verrauscht, werden beim Heruntermischen des HF-Empfangssignal nicht nur dieses, sondern auch sämtliche benachbarte Kanäle entsprechend der Höhe des Phasenrauschens in Bezug auf die Mittenfrequenz in diesem Frequenzabstand, auf die selbe Zwischenfrequenz heruntergemischt (Abb. 2.16 b.)). Das Phasenrauschen ist der wesentlichste Faktor bezüglich Blocking Performance in einem Empfänger.
Auf der anderen Seite kann der Sender naheliegende Signale mit seinem Phasenrauschen "auslöschen", vor allem wenn die Sendeleistung im Vergleich zu den umliegenden Signalen groß ist, da das Phasenrauschen mit der Leistung der Mittenfrequenz anwächst (Abb. 2.17). Eine in der Nähe befindlicher Sender kann also das "ausgelöschte" HF-Signal nicht mehr oder nur sehr schlecht detektieren.
Da der Abstand von zwei Signal-Kanälen oft nur einige zehn bis hundert Kilohertz bei absoluten Frequenzen von bis zu einigen GHz betragen kann, ist ersichtlich, dass Phasenrauschen ein wesentliches Kriterium beim Design eines VCO's ist.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Das Kapitel erläutert die Anforderungen integrierter Hochfrequenztechnik und die Funktion des Oszillators in einer Phasenregelschleife.
2 LC- VCO: Behandelt werden Oszillatorstrukturen, Verfahren zur Frequenzabstimmung sowie Ursachen und Auswirkungen des Phasenrauschens.
3 Integrierte Spulen: Das Kapitel beschreibt Verlustmechanismen in CMOS-Spulen und Kriterien für deren Auswahl und Gestaltung.
4 MOS-Varaktoren: Verschiedene Varaktorstrukturen und ihr spannungsabhängiges Kapazitätsverhalten werden untersucht.
5 VCO- Design: Der Entwurf umfasst die Auswahl der Grundstruktur, der Abstimmelemente und der Spule sowie Amplitudenregelung und Ausgangsstufe. Außerdem werden die integrierten Teststrukturen vorgestellt.
6 Messergebnisse: Das Kapitel beschreibt den Messaufbau und vergleicht Frequenzabstimmung und Phasenrauschen ausgewählter Testschaltungen.
7 Resimulation anhand der Messergebnisse: Spulenmodelle und Gesamtschaltung werden anhand von Messdaten angepasst und für eine Weiterentwicklung des Entwurfs verwendet.
8 Zusammenfassung: Abschließend werden Entwicklungsweg, Messpraxis und wesentliche Erkenntnisse zusammengeführt.
Schlüsselwörter
LC-Oszillator, spannungsgesteuerter Oszillator, CMOS-Prozess, Phasenrauschen, Frequenzabstimmung, integrierte Spule, MOS-Varaktor, Schwingkreisgüte, Amplitudenregelung, Phasenregelschleife, Schaltungssimulation, Testchip, S-Parameter
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit?
Sie behandelt die Entwicklung eines integrierten spannungsgesteuerten LC-Oszillators für eine Hochfrequenzanwendung.
Welche Themen stehen im Mittelpunkt?
Im Mittelpunkt stehen Oszillatorstrukturen, Frequenzabstimmung, Phasenrauschen, integrierte Spulen und MOS-Varaktoren.
Welches Ziel verfolgt der Entwurf?
Angestrebt wird ein möglichst lineares Abstimmverhalten bei geringem Phasenrauschen und niedriger Stromaufnahme.
Welche wissenschaftliche Vorgehensweise wird verwendet?
Die Arbeit verbindet theoretische Analyse und Schaltungssimulation mit der Integration und Messung von Teststrukturen sowie einer anschließenden Modellanpassung.
Was behandelt der Hauptteil?
Er erläutert die Auswahl und Dimensionierung der Schaltungskomponenten, stellt die Testdesigns vor und wertet deren Messungen aus.
Welche Schlüsselbegriffe kennzeichnen die Arbeit?
Zu den zentralen Begriffen gehören LC-VCO, CMOS, Phasenrauschen, Frequenzabstimmung, integrierte Spule und MOS-Varaktor.
Wie viele Teststrukturen wurden integriert?
Sieben verschiedene VCO-Teststrukturen wurden auf zwei Siliziumchips verteilt.
Welche Rolle spielen die integrierten Spulen?
Ihre Güte beeinflusst die Güte des Schwingkreises und damit das Phasenrauschen. Die Arbeit betrachtet ihre Verluste, Auswahl und Modellierung.
Wie werden die Messergebnisse für die Weiterentwicklung genutzt?
Sie dienen dazu, Spulenmodelle und simuliertes Schaltungsverhalten an die Messungen anzunähern und darauf aufbauend den Entwurf weiterzuentwickeln.
- 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
