طراحی و شبیه‌سازی نوسان‌ساز کنترل‌شده با ولتاژ کلاس C با تنظیم دیجیتالی با نویز فاز بهبودیافته

نویسندگان

تبریز - دانشگاه شهید مدنی آذربایجان - دانشکده فنی و مهندسی - گروه برق

چکیده

در این مقاله آرایشی جدید برای نوسان‌ساز کنترل‌شده با ولتاژ LC کلاس-C ارائه شده است که دارای مزیت شروع نوسان مناسب، کاهش نویز فاز و افزایش دامنه می‌باشد. استفاده هم‌زمان از دو روش خازن ورکتور با قابلیت تنظیم دیجیتالی و مدار تانک مرتبه چهار باعث شده که نوسان‌ساز کلاس-C پیشنهادی از نظر نویز فاز، عملکرد بسیار بهتری نسبت به سایر ساختارهای نوسان‌ساز LC داشته باشد. فیدبک دامنه به‌کاررفته در ساختار پیشنهادی سبب بهبود نویز فاز و توان مصرفی می‌شود ساختار پیشنهادی قادر به کار در بازه فرکانسی GHz 3.2 تا 4.2 GHz با بایاس گیت 0.5 V تا 1 V است. برای اینکه مشخص شود مدار پیشنهادی تا چه اندازه درمقابل تغییرات پروسه (PVT) مقاوم است، مقایسه نویز فاز مدار علاوه‌بر گوشه تکنولوژی TT@ 25°C در گوشه‌های تکنولوژی FF@ -40°C و SS@ 85°C نیز به‌ازای آفست فرکانسی 1 MHz شبیه‌سازی گردید. ازطرف‌دیگر برای این‌که تخمینی از اثر غیرایده‌آلی‌های مدار بر روی محدوده تغییرات به دست آید از شبیه‌سازی مونت‌کارلو با تعداد 50 نمونه استفاده گردید. در این شبیه‌سازی فرض شد که خازن‌ها و سلف‌ها به‌ترتیب دارای توزیع گوسی با میزان انحراف‌ازمعیار 5± و 10± درصد هستند. نوسان‌ساز کنترل‌شونده با ولتاژ در تکنولوژی 180nm , TSMC CMOS  طراحی و توسط نرم‌افزار ADS شبیه‌سازی و ارزیابی شده است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Design and Simulation of Digitally Tuned Class C Voltage Controlled Oscillator with Enhanced Phase Noise Characteristics

نویسندگان [English]

  • A. Ataeifard
  • K. Monfaredi
  • S. Hossinzadeh
Engineering Faculty, Department of Electrical and Electronic Engineering, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran
چکیده [English]

In this paper a novel class C voltage controlled oscillator (VCO) is presented. The presented structure reveals proper starting time characteristics, lower phase noise, higher oscillation amplitude and lower consumption power. Simultaneous application of digitally tuned Varactor diode and 4th order tank circuit improve phase noise characteristics of the VCO. Amplitude feedback mitigates the phase noise and power consumption of the structure. The presented VCO oscillates in 3.2GHz-4.2GHz frequency range with the bais voltage of 0.5V-1V. For robustness analysis of the circuit against process, voltage, and temperature variations (PVT), phase noise comparison for FF@-40°C and SS@85°C technology corners, in addition to TT@25°C, are simulated for offset frequency of 1MHz. Additionally, for estimation of non-ideality effects of the circuit on frequency range variations, Mont Carlo simulations with 50 samples is performed. It is assumed in this simulation that capacitors and inductor have Gaussian distribution with ±5% and ±10% variation range, respectively. The VCO is implemented with 180nm TSMC CMOS technology and is simulated with the ADC commercial software.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Voltage controlled oscillator
  • phase noise
  • C class oscillators
  • frequency tuning range

مراجع

[1] B. Razavi, RF MICROELECTRONIC. New Jersey: Prentice Hall; 1997.
[2] A. Hajimiri and T. H. Lee, "A general theory of phase noise in electrical oscillators," IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 33, pp. 179-194, 1998
[3] P. Andreani and A. Fard, "More on the phase noise performance of CMOS differential-pair LC-tank oscillators,"IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 41, pp. 2703-2712, 2006.
[4] A.Mazzanti and P.Andreani, "Class-C harmonic CMOS VCOs, with a general result on phase noise", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 43, pp. 2716-2729, 2008.
[5] X. Yang, Y. Uchida, K. Xu, W. Wang, and T. Yoshimasu.: ”A 0.3-V power supply 2.4-GHz-band Class-C VCO IC with amplitude feedback loop in 65-nm CMOS,” Analog Integrated Circuits and Signal Processing, vol. 81, no 3, pp. 583–591, Dec. 2014.
[6] A. Nik. Pik, A. Nabavi, A. Ch. Motlaqh,” Analysis and Design A Very Low-Phase-Noise Oscillator in CMOS,” Electronics Industries Quarterly Vol.5 No.4 Winter 2014.
[7] Q. Wu, S. Elabd, T. K. Quach, A. Mattamana, S. R. Dooley, J. McCue, P. L. Orlando, G. L. Creech and W. Khalil,” A−189 dBc/Hz FOMT Wide Tuning Range Ka-band VCO Using Tunable Negative Capacitance and Inductance Redistribution,” 2013 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, Seattle, USA.
[8] C. S. Azqueta, J. Aguirre, C. Gimeno, C. Aldea and S. Celma,” A 1.7-GHz Wide-Band CMOS LC-VCO with 7-Bit Coarse Control,” IEEE Symposium on Circuit and Systems,ISCAS 2015, Portugal.
[9] L. Fanori, and et al, “Low-phase-noise 3.4–4.5 GHz dynamic-bias class-C CMOS VCOs with a FoM of 191 dBc/Hz,” In Proceedings of European Solid-State Circuits Conference, (ESSCIRC), pp. 406–409, 2012, France.
[10] T. P. Wang and Y. M. Yan, “A low Voltage low-power wide-tuning range hybrid class-AB/class-B VCO with robust start-up and high- performance,”IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 62, no. 3, pp. 521–531, Mar. 2014.
[11] N. Chen, and et al, “Reduction of 1/f3 phase noise in LC oscillator with improved self-switched biasing,” Analog Integr Circ Sig Process vol. 84, pp. 19–27 Mar. 2015.
[12] X. Yang, and et al, “Low power ultra-wideband power detector IC in 130 nm CMOS technology,” IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Millimeter Wave Wireless Technology and Applications (IMWS), Sept. 2012, China.
[13] I. Chaour and et al, “Enhanced Passive RF-DC Converter Circuit Efficiency for Low RF Energy Harvesting,” Sensors, vol. 17, no.3, pp., 1-14, Mar. 2017. doi:10.3390/s17030546
[14] “RF/IF Circuit” Application note, Analog Devices, available at: www.analog.com/media/en/training-seminars/design-handbooks/Chapter4.
[15] Chen, J., Jonsson, F., Carlsson, M., Hedenas, C., & Zheng, L.-R.
 “A low power, startup ensured and constant amplitude class-C VCO in 0.18um CMOS,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 21, pp. 427–429, 2011.
[16] Ikeda, S., Kamimura, T., Lee, S., Kanemaru, N., Ito, H., Ishihara, N., Masu, & K, “A 0.5-V 5.5-GHz class-C-VCO-based PLL with ultra-low-power ILFD in 65 nm CMOS,” IEEE Asian Solid-State Circuits Conference (ASSCC),” pp.357–360,Nov. 2012, Japan.
[17] Okada, K., Nomiyama, Y., Murakami, R., & Matsuzawa, A, “A 0.114-mW dual-conduction class-C CMOS VCO with 0.2-V power supply,” Symposium on VLSI Circuits, pp. 228–229, Jun. 2009, Japan.
[18] B. Hou, and et al, “A 11 mW 2.4 GHz 0.18 µm CMOS Transceivers for Wireless Sensor Networks,” Sensors, vol.17, pp.1-14 , Jan. 2017.
[19] M. Rezaei and A. Jannesari, “Low-phase-noise CMOS VCO with new drain–gate feedback path,” Analog Integr Circ Sig Process vol. 88, pp.89–95, May 2016.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار