Analysis of the high frequency substrate noise effects on LC-VCOs

Resum

La integració de transceptors per comunicacions de radiofreqüència en CMOS pot quedar seriosament limitada per la interacció entre els seus blocs, arribant a desaconsellar la utilització de un únic dau de silici. El soroll d’alta freqüència generat per certs blocs, com l’amplificador de potencia, pot viatjar pel substrat i amenaçar el correcte funcionament de l’oscil·lador local. Trobem tres raons importants que mostren aquest risc d’interacció entre blocs i que justifiquen la necessitat d’un estudi profund per minimitzar-lo. Les característiques del substrat fan que el soroll d’alta freqüència es propagui m’és fàcilment que el de baixa freqüència. Per altra banda, les estructures de protecció perden eficiència a mesura que la freqüència augmenta. Finalment, el soroll d’alta freqüència que arriba a l’oscil·lador degrada al seu correcte comportament. El propòsit d’aquesta tesis és analitzar en profunditat la interacció entre el soroll d’alta freqüència que es propaga pel substrat i l’oscil·lador amb l’objectiu de poder predir, mitjançant un model, l’efecte que aquest soroll pot tenir sobre el correcte funcionament de l’oscil·lador. Es volen proporcionar diverses guies i normes a seguir que permeti als dissenyadors augmentar la robustesa dels oscil·ladors al soroll d’alta freqüència que viatja pel substrat. La investigació de l’efecte del soroll de substrat en oscil·ladors s’ha iniciat des d’un punt de vista empíric, per una banda, analitzant la propagació de senyals a través del substrat i avaluant l’eficiència d’estructures per bloquejar aquesta propagació, i per altra, determinant l’efecte d’un to present en el substrat en un oscil·lador. Aquesta investigació ha mostrat que la injecció d’un to d’alta freqüència en el substrat es pot propagar fins arribar a l’oscil·lador i que, a causa del ’pulling’ de freqüència, pot modular en freqüència la sortida de l’oscil·lador. A partir dels resultats de l’anàlisi empíric s’ha aportat un model matemàtic que permet predir l’efecte del soroll en l’oscil·lador. Aquest model té el principal avantatge en el fet de que està basat en paràmetres físics de l’oscil·lador o del soroll, permetent determinar les mesures que un dissenyador pot prendre per augmentar la robustesa de l’oscil·lador així com les conseqüències que aquestes mesures tenen sobre el seu funcionament global (trade-offs). El model ha estat comparat tant amb simulacions com amb mesures reals demostrant ser molt precís a l’hora de predir l’efecte del soroll de substrat. La utilitat del model com a eina de disseny s’ha demostrat en dos estudis. Primerament, les conclusions del model han estat aplicades en el procés de disseny d’un oscil·lador d’ultra baix consum a 2.5GHz, aconseguint un oscil·lador robust al soroll de substrat d’alta freqüència i amb característiques totalment compatibles amb els principals estàndards de comunicació en aquesta banda. Finalment, el model s’ha utilitzat com a eina d’anàlisi per avaluar la causa de les diferències, en termes de robustesa a soroll de substrat, mesurades en dos oscil·ladors a 60GHz amb dues diferents estratègies d’apantallament de l’inductor del tanc de ressonant, flotant en un cas i connectat a terra en l’altre. El model ha mostrat que les diferències en robustesa són causades per la millora en el factor de qualitat i en l’amplitud d’oscil·lació i no per un augment en l’aïllament entre tanc i substrat. Per altra banda, el model ha demostrat ser vàlid i molt precís inclús en aquest rang de freqüència tan extrem. el principal avantatge en el fet de que està basat en paràmetres físics de l’oscil·lador o del soroll, permetent determinar les mesures que un dissenyador pot prendre per augmentar la robustesa de l’oscil·lador així com les conseqüències que aquestes mesures tenen sobre el seu funcionament global (trade-offs). El model ha estat comparat tant amb simulacions com amb mesures reals demostrant ser molt precís a l’hora de predir l’efecte del soroll de substrat. La utilitat del model com a eina de disseny s’ha demostrat en dos estudis. Primerament, les conclusions del model han estat aplicades en el procés de disseny d’un oscil·lador d’ultra baix consum a 2.5GHz, aconseguint un oscil·lador robust al soroll de substrat d’alta freqüència i amb característiques totalment compatibles amb els principals estàndards de comunicació en aquesta banda. Finalment, el model s’ha utilitzat com a eina d’anàlisi per avaluar la causa de les diferències, en termes de robustesa a soroll de substrat, mesurades en dos oscil·ladors a 60GHz amb dues diferents estratègies d’apantallament de l’inductor del tanc de ressonant, flotant en un cas i connectat a terra en l’altre. El model ha mostrat que les diferències en robustesa són causades per la millora en el factor de qualitat i en l’amplitud d’oscil·lació i no per un augment en l’aïllament entre tanc i substrat. Per altra banda, el model ha demostrat ser vàlid i molt precís inclús en aquest rang de freqüència tan extrem.