Überblick über VCO
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Überblick über VCO-Schaltungen VDD L1 X L2 Y M1 M2 IDD Vcont Roland Pfeiffer 13. Vorlesung Design eines VCOs Ihr Chef stellt Ihnen die Aufgabe, einen spannungsgesteuerten Oszillator (Voltage-Controlled Oscillator VCO) für Mobilfunkfrequenzen zu designen. Ihre Aufgabe: -Aufgaben des VCOs -Meßgrößen des VCOs -verschiedene VCO-Architekturen aus Veröffentlichungen Design eines VCOs Problemstellung Name: VCO= Voltage Controlled Oscillator durch Kontrollspannung: Oszillator-Frequenzveränderung Abstimmbarkeit zur Kanalwahl Verwendung als LO-Signal zum Mixer LNA enthält VCO Band Pass Filter Frequenz Synthesizer Duplexer Filter PA Band Pass Filter Kanal Wahl Aufgaben und Meßgrößen eines VCOs Ein VCO soll schwingen (Grundvoraussetzung) Prinzip der Oszillator-Schaltungen Frage: Leiten Sie von unteren Bild die Schwingbedingung her (Prinzip der Oszillator-Schaltungen) ! Antwort: Schwingbedingung (hinreichend, aber nicht zwingend): Betrag der Schleifenverstärkung (Loop gain) =1 und zugleich Phase der Schleifenverstärkung = 0° bei positiver Rückkopplung (oder =180° bei negativer Rückkopplung) X (s) + H (s) + Frequenzselektives Netzwerk Y (s) |Loop gain| =1 Phase=0° (positive Rückkopplung) Prinzip der Oszillator-Schaltungen Frage: Leiten Sie von unteren Bild die Schwingbedingung her (Prinzip der Oszillator-Schaltungen) ! Antwort: Schwingbedingung (hinreichend, aber nicht zwingend): Betrag der Schleifenverstärkung (Loop gain) =1 und zugleich Phase der Schleifenverstärkung = 0° bei positiver Rückkopplung Schaltungstechnik II (oder =180° bei negativer Rückkopplung) Prof. Maurer X (s) + H (s) + Frequenzselektives Netzwerk Y (s) |Loop gain| =1 Phase=0° (positive Rückkopplung) Aufgaben und Meßgrößen eines VCOs Ein VCO soll schwingen (Grundvoraussetzung) die Oszillationsfrequenzen ohne Störfrequenzen bilden Meßgröße: „Phase Noise“ Phase Noise Schaltungstechnik II Prof. Maurer Phase Noise -Phasenrauschen „Phase Noise“ Idealer Oszillator Realer Oszillator „skirts“ wC w wC Dw w analoge Betrachtung: „Phase Noise“ in Frequenzdarstellung digitale Betrachtung: „Cycle-to-Cycle Jitter“ in Zeitdarstellung selbe Ursache, Umrechnungsmöglichkeit ! Phase Noise „Phase noise“: Idealer Oszillator wC Realer Oszillator w wC Dw w Angabe „Phase Noise“ in dBc/Hz (Leistung in dB im Bezug auf die erzeugte Frequenz („carrier“) pro Hz) und Frequenzabstand von der erzeugten Frequenz Dw Phase Noise Angabe „Phase Noise“ in dBc/Hz (Leistung in dB im Bezug auf die erzeugte Frequenz („carrier“) pro Hz) und Frequenzabstand von der erzeugten Frequenz Beispiel: Frequenzabstand 1 MHz, „Carrier“ -2 dBm, Phase Noise: -70 dBm im 1kHz-Bandbreite: 1kHz Phase Noise = -70 dBm +2 dBm -30 dB = -98 dBc/Hz im Frequenzabstand 1 MHz -2 dBm wC Dw 1 MHz w -70 dBm in 1kHz Phase Noise Wichtig bei VCO „Phase noise“ in CMOS-Technologie: MOS-Transistoren liefern 1/f-Rauschen in Oszillatorschaltung: 1/f-Rauschen liefert Beitrag zum Phase Noise !! Niederfrequenz Hochfrequenz log f Idealer Oszillator wC Realer Oszillator w wC Dw w Phase Noise Wichtig bei VCO „Phase noise“ in CMOS-Technologie: Phasenrauschen bei MOS-Oszillatoren 1 f3 1/f-Rauschen MOSTransistor 1 f2 wC thermisches Rauschen MOSTransistor thermisches Rauschen Oszillator w Phase Noise Auswirkungen auf Mobilfunk: Naher Sender Transmit: Gewünschtes Signal w1 w2 w Receive: Störer Gewünschtes Signal LO Ausgang w0 Herabgemischte Signale w w „reciprocal mixing“ Phase Noise Verminderung von „Phase noise“: zurückgehend auf Leeson-Gleichung (Phase Noise): - Minimierung der Zahl der aktiven (und verlustbehafteten passiven) Bauelemente in Oszillationspfad - Verwendung der L und C mit geringstmöglichen Verlust ( Güte Q hoch) - Maximierung der Oszillationsleistung Aufgaben und Meßgrößen eines VCOs Ein VCO soll schwingen (Grundvoraussetzung) die Oszillationsfrequenzen ohne Störfrequenzen bilden Meßgröße: „Phase Noise“ Abstimmbarkeit über die Kanäle Meßgröße: „Tuneability“ Tuneability VCO als frequenzbestimmendes Element: LC-Schwingkreis 2 f 1 L C Df DC bei konstanten L CLow/CHigh maximieren LNA enthält VCO Band Pass Filter Frequenz Synthesizer Duplexer Filter PA Band Pass Filter Kanal Wahl Aufgaben und Meßgrößen eines VCOs Ein VCO soll schwingen (Grundvoraussetzung) die Oszillationsfrequenzen ohne Störfrequenzen bilden Meßgröße: „Phase Noise“ Abstimmbarkeit über die Kanäle Meßgröße: „Tuneability“ Unempfindlichkeit gegenüber Versorgungsspannungsschwankungen und gegenüber Substrateinkopplungen Homodyne-Sender „Injection locking“ durch Modulation fM ≠ f0 I f0 PA VCO fM(odulation) w Q VCO rotes Handy natürliche Frequenz f0 VCO rotes Handy auf fM abgelenkte Frequenz Koppelung auf VCO steigt f fMf0 f fMf0 f fMf0 f Aufgaben und Meßgrößen eines VCOs Ein VCO soll schwingen (Grundvoraussetzung) die Oszillationsfrequenzen ohne Störfrequenzen bilden Meßgröße: „Phase Noise“ Abstimmbarkeit über die Kanäle Meßgröße: „Tuneability“ Unempfindlichkeit gegenüber Versorgungsspannungsschwankungen und gegenüber Substrateinkopplungen geringe Leistungsaufnahme aufweisen (insbesondere bei batteriebetriebenen Geräten wie Handys) Aufgaben und Meßgrößen eines VCOs Frage: Was erscheint Ihnen am wichtigsten unter den Spezifikationen ? Ein VCO soll schwingen (Grundvoraussetzung) die Oszillationsfrequenzen ohne Störfrequenzen bilden Meßgröße: „Phase Noise“ Abstimmbarkeit über die Kanäle Meßgröße: „Tuneability“ Unempfindlichkeit gegenüber Versorgungsspannungsschwankungen und gegenüber Substrateinkopplungen geringe Leistungsaufnahme aufweisen (insbesondere bei batteriebetriebenen Geräten wie Handys) Design eines VCOs Ihr Chef stellt Ihnen die Aufgabe, einen spannungsgesteuerten Oszillator (Voltage-Controlled Oscillator VCO) für Mobilfunkfrequenzen zu designen. Ihre Aufgabe: -Aufgaben des VCOs -Meßgrößen des VCOs -verschiedene VCO-Architekturen aus Veröffentlichungen Design eines VCOs Ringoszillator Ringoszillatoren: ungerade Anzahl von Invertern Ausgang des letzten Inverters verbunden mit Eingang der ersten Inverters Ungerade Anzahl von Invertern Achtung: „resonatorless oscillator“ !! Frage: Optimierung bezüglich „Phase Noise“ ? Antwort: ?? Ringoszillator Ringoszillatoren: ungerade Anzahl von Inventern Ausgang des letzten Inverters verbunden mit Eingang der ersten Inverters Ungerade Anzahl von Invertern Frage: Optimierung bezüglich „Phase Noise“ ? Antwort: Kette von Invertern zu viele aktive Elemente !! Relaxationsoszillatoren -Relaxationsoszillatoren: nur ein Speicherelement, Hystere „astabile Multivibratoren“, „integrate-and-fire oscillators“ Beispiel: RC-Schaltung mit Neonröhre (leuchtet ab gewisser Spannung) V R t VDC „integrate-and-fire oscillators“ C 0 Achtung: „resonatorless oscillator“ !! Relaxationsoszillatoren -Relaxationsoszillatoren (einfaches Bespiel): RC RC RC RC RC V R t VDC „integrate-and-fire oscillators“ C 0 Frage: Optimierung bezüglich „Phase Noise“ ? Antwort: großen Zeitraum der Periode ohne Rückkopplung, RC-Glied !! Relaxationsoszillatoren -Relaxationsoszillatoren in CMOS: differentielle Ausführung VDD R1 R2 X Y M1 M2 ISS C1 ISS Frage: Optimierung bezüglich „Phase Noise“ ? Antwort: ?? Relaxationsoszillatoren -Relaxationsoszillatoren in CMOS: VDD Rückkopplung t obere Schwelle Kapazitätspannung untere Schwelle R1 R2 X Y M1 M2 ISS C1 ISS Frage: Optimierung bezüglich „Phase Noise“ ? Antwort: großen Zeitraum der Periode schwache positive Rückkopplung, an den kritischen Umkehrpunkte starke positive Rückkopplung ungünstiger Einfluß auf „Phase Noise“ !! Relaxationsoszillatoren -Hochfrequenz-Relaxationsoszillatoren in CMOS: „Niederfrequenz“: VDD VDD R1 R2 X Y M1 M2 R1 R2 M1 M2 Hochfrequenz: ISS C1 ISS ISS 2C1 ISS 2C1 Frage: Optimierung bezüglich „Phase Noise“ ? Antwort: keine Relaxation mehr Sinusschwingung Ersatzschaltbild analog zweistufiger Ringoszillator ungünstiger Einfluß auf „Phase Noise“ !! LC-Oszillatoren LC-Oszillatoren als Resonator LP RP CP LP negativ rückgekoppelt Frage: Optimierung bezüglich „Phase Noise“ ? Antwort: ?? RP CP positiv rückgekoppelt LC-Oszillatoren LC-Oszillatoren: LP RP CP LP RP CP Frage: Optimierung bezüglich „Phase Noise“ ? Antwort: nur ein aktives Element, LC-Schwingkreis Abhängigkeit von Güte LC-Oszillatoren Prinzip der LC-Schaltung: LP RP CP LP Resonanzfrequenz: Impedanz real Spannung/Strom 0° Phasenverschiebung positive Rückkopplung (Spannung) Schaltung: Gate-Spannung: negative Rückkopplung Source-Spannung: positive Rückkopplung Rückkopplung an der Source !! an der Source Impedanz 1/gm Problem: direkte Anbindung Parallelschaltung von 1/gm mehr Verluste Schwingung erlischt !! LP CP RP 1 gm RP CP LC-Oszillatoren Lösung des Problem: Impedanztransformation von 1/gm zu höheren Impedanzwert k/gm höherer Impedanzwert liegt parallel zu L und C niedrigere Verluste Schwingung !! k gm 1 gm 1 gm Impedanz Transformation LC-Oszillatoren eine mögliche Realisierung der Impedanztransformation: Transformator n:1 k gm 1 gm Impedanz Transformation 1 gm LC-Oszillatoren andere Realisierung der Impedanztransformation: „passive Impedanztransformation” durch Aufteilung des C oder L in der hintereinanderschaltete C und L Wirkung für eine Frequenz analog Transformator !! C1 L1 k gm 1 gm Impedanz Transformation C2 C1 Colpitts Oszillator L2 X X 1 gm L1 1 gm Hartley Oszillator LC-Oszillatoren passive Impedanztransformation: RS Beispiel: RC-Umwandlung: C P CS C CP RP CS analog: C1 C1 CP RP CS Ceq RS RS Ctot RP Rtot 1 2 RS C w Colpitts Oszillator CP L1 Ltot LP RP Rtot Hartley Oszillator LC-Oszillatoren noch eine andere Realisierung der Impedanztransformation: aktive Impedanztransformation (z.Bsp. Source-Folger) B1 k gm 1 gm Impedanz Transformation aktiver Buffer SourceFolger LC-Oszillatoren differentielle Implementierung der Source-Folger-Schaltung: single-ended Source-Folger differentielle Schaltung Zusammenfassung Oszillator-Schaltungen Prinzip: rückgekoppelte Schaltung mit frequenzselektiven Netzwerk, Schwingungbedingung Arten: Ringoszillatoren, Relaxationsoszillatoren, LC-Oszillatoren LC-Oszillatoren: -Rückkopplung an der Source wegen Strom/Spannung-Phase 0° -Problem Source-Impedanz 1/gm Lösung: Impedanztransformation -Möglichkeiten zur Impedanztransformation: - Transformator - passive Impedanztransformation (Colpitts-, Hartley-Schaltung) - aktive Impedanztransformation (Source-Folger) -differentielle Schaltung mit Source-Folger möglich Gliederung Problemstellung, Aufgaben, Meßgrößen Oszillator-Schaltungen Prinzip der Oszillator-Schaltungen Prinzip der LC-Schaltungen VCO Prinzip Ausführungsformen von L und deren Q Ausführungsformen von Varaktoren und deren Q Ausführungsformen von VCO Zusammenfassung Literaturhinweise Oszillator VCO Frage: Bis jetzt haben Sie Oszillatoren mit einer einzigen Frequenz gebaut. Bei LC-Oszillator soll die Veränderung der Resonanzfrequenz durch eine Kontrollspannung geschehen. Beurteilen Sie die Möglichkeiten der Änderung der L- und C-Werte !! Antwort: ?? Oszillator VCO Frage: Bis jetzt haben Sie Oszillatoren mit einer einzigen Frequenz gebaut. Bei LC-Oszillator soll die Veränderung der Resonanzfrequenz durch eine Kontrollspannung geschehen. Beurteilen Sie die Möglichkeiten der Änderung der L- und C-Werte !! Antwort: Spule: Veränderung der Induktivität durch eine Kontrollspannung nicht möglich, da feste Windungszahl !! Kapazität: Veränderung der Kapazität durch eine Kontrollspannung möglich !! Bezeichnung: spannungsabhängiger Kondensator = „Varaktor“ VCO U C J C J 0 1 PN I Beispiele für Varaktoren: M Cj CJ0 rückwärtsgepolter pn-Übergang (Dioden-Varaktor) 0 fi UP N verschiedene Strukturen auf MOS-Transistor-Basis VBG G D p+ n- Cox S B p+ n+ Cmos Cox mit Source=Drain=BulkKurzschluß !! VBG p- Accumulation Depletion Weak inversion Strong inversion Moderate inversion Phase Noise Vermeidung von „Phase noise“: zurückgehend auf Leeson-Gleichung (Phase Noise): - Minimierung der Zahl der aktiven (und verlustbehafteten passiven) Bauelemente in Oszillationspfad - Verwendung der L und C mit geringstmöglichen Verlust ( Güte Q hoch) - Maximierung der Oszillationsleistung VCO Definitionen der Güte Q: LP einzelnes Bauelement: RP RP CP Güte Q = 2··gespeicherte Energie/verbrauchter Energie pro Zyklus LC-Schwingkreis „3dB-Güte“: Güte Q = Resonanzfrequenz w0/3dB-Bandbreite Dw H(jw LP RP CP 3 dB Dw w0 w Gliederung Problemstellung, Aufgaben, Meßgrößen Oszillator-Schaltungen Prinzip der Oszillator-Schaltungen Prinzip der LC-Schaltungen VCO Prinzip Ausführungsformen von L und deren Q Ausführungsformen von Varaktoren und deren Q Ausführungsformen von VCO Zusammenfassung Literaturhinweise Gliederung Problemstellung, Aufgaben, Meßgrößen Oszillator-Schaltungen Prinzip der Oszillator-Schaltungen Prinzip der LC-Schaltungen VCO Prinzip Ausführungsformen von L und deren Q Ausführungsformen von Varaktoren und deren Q Ausführungsformen von VCO Zusammenfassung Literaturhinweise Varaktoren Ideale Varaktoren: -Abstimmbarkeit: 0 Farad - unendlich Farad -Linearität Kontrollspannung-DC -Kontrollspannung 0 Volt - unendlich Volt -Güte Q unendlich (keine Verluste) -kein Platzbedarf on-chip Reale Varaktoren: -Eigenschaften nicht ideal Arten (unter anderem): -rückwärtsgepolter pn-Übergang (Dioden-Varaktor) -verschiedene Strukturen auf MOS-Transistor-Basis Cj CJ0 Cmos fi UPN Cox VBG Accumulation Depletion Weak inversion Strong inversion Moderate inversion Dioden-Varaktoren -Aufbau: n+ p+ n-well p-substrate Cj 2 CJ0 1 0 Cmos -Abstimmbarkeit: Cmax/ Cmin 2 fi UPN Cox Cj -keine direkte Linearität Kontrollspannung-DC -Kontrollspannung: darf nicht als Diode wirken (-unendlich V (theoretisch) bis +0,5 V) -Güte Q durch Wannen-Widerstand und Wannen-Kapazität reduziert VBG C Accumulation Depletion Weak inversionJ0 0 Cmos Strong inversion Moderate inversion UPN fi Cox n+ p+ n-well VBG p-substrate Accumulation Depletion Strong inversion MOS-Varaktoren VBG Cj G D -Annahme: Source-Drain-BulkKurzschluß -Aufbau: p+ -Abstimmbarkeit: Cmax/ Cmin 2 2 COX n- S B CJ0+ n+ p p- Cmos Cox 1 VBG Accumulation Depletion Weak inversion Strong inversion Moderate inversion Beobachtung: Fallen und Steigen von CMOS eigentlich nur eine Richtung erforderlich Optimierung möglich?? Cmos MOS-Varaktoren Cox VBG Accumulation Depletion Weak inversion Strong inversion -Optimierung auf steigendes DC: Source-Drain-Kurzschluß, Bulk an höchste Spannung bei PMOS-Struktur -Bezeichnung: Inversion-Mode MOS Varaktor -Aufbau: VBG Cox Cj G D p+ n- Moderate inversion höchste Spannung S B p+ n+ p- Prinzip: Varaktor-C wird gebildet durch Hintereinanderschaltung von Oxid-C COX (Gate-Inversionsschicht) und Sperrschicht-C Cj (Inversionsschicht-Substrat) Cmos MOS-Varaktoren Cox Inversion-Mode MOS Varaktor: VBG Accumulation Depletion Weak inversion -Abstimmbarkeit: Cmax/ Cmin 2 -gute Linearität -Kontrollspannung: wirksamer Bereich schmal -Güte Q durch Kanal-Widerstand reduziert Cmos (pF) 1,4 Strong inversion Moderate inversion p+ B=D=S 1,0 I-MOS 0,6 -2 0 Vsg (V) G D 2 n- S B p+ n+ p- Cmos Cox MOS-Varaktoren VBG Accumulation Depletion Weak inversion Strong inversion -Optimierung auf fallendes DC: anstatt Source/Drain-p+-Gebiete n+-Gebiete als direkter Bulk-Anschluß Bezeichnung: Akkumulation-Mode MOS Varaktor -Aufbau: B G Moderate inversion B Cox CA n+ n- n+ p- Prinzip: Varaktor-C wird gebildet durch Hintereinanderschaltung von Oxid-C COX (Gate-Verarmungsschicht) und Verarmungsschicht-C CA (Verarmungsschicht-Substrat) MOS-Varaktoren Cmos Cox Akkumulation-Mode MOS Varaktor: VBG -Abstimmbarkeit: Cmax/ Cmin 2 -keine direkte Linearität -Kontrollspannung: wirksamer Bereich schmal -Güte Q durch Wannen-Widerstand reduziert B Cmos (pF) 1,4 G Strong inversion Moderate inversion B B=D=S 1,0 n+ A-MOS 0,6 Accumulation Depletion Weak inversion -2 0 Vsg (V) 2 n- n+ p- Zusammenfassung Varaktoren Reale Varaktoren -Dioden-Varaktoren -Inversion-Mode MOS Varaktor -Akkumulation-Mode MOS Varaktor -weitere nicht vorgestellte Varaktoren (z.Bsp. mikromechanische Plattenkondensatoren) Gemeinsamkeit: Eigenschaften ungefähr gleichwertig bevorzugter Varaktor für VCO-Schaltungen noch nicht gefunden weitere Forschungen nötig Cj CJ0 Cmos fi UPN Cox VBG Accumulation Depletion Weak inversion Strong inversion Moderate inversion Varaktorenforschung am Institut Ziel: maximales Cmax/ Cmin ( maximale Frequenzänderung bei VCO) bei einer Güte besser als von on-chip Spulen MOS Varaktor (n-Kanal): neu: konventionell: Vgate Vgate Vtune n+ p- poly Vtune n+ Vtune n+ STI Vtune poly STI n+ npShallow Trench Isolation Gliederung Problemstellung, Aufgaben, Meßgrößen Oszillator-Schaltungen Prinzip der Oszillator-Schaltungen Prinzip der LC-Schaltungen VCO Prinzip Ausführungsformen von L und deren Q Ausführungsformen von Varaktoren und deren Q Ausführungsformen von VCO Zusammenfassung Literaturhinweise VCO-Schaltungen differentielle Implementierung VCO-Schaltung VDD L1 X L2 Y M1 M2 IDD Vcont differentielle Schaltung differentielle VCO-Schaltung VCO-Schaltungen Zusammenfassung Problemstellung, Aufgaben, Meßgrößen Oszillator-Schaltungen Prinzip der Oszillator-Schaltungen Prinzip der LC-Schaltungen VCO Prinzip Ausführungsformen von L und deren Q Ausführungsformen von Varaktoren und deren Q Ausführungsformen von VCO Zusammenfassung Literaturhinweise Literaturhinweise Bücher: -B. Razavi, „RF Microelectronics“ ,Prentice Hall, 1998, ISBN 0-13-887571-5 Veröffentlichungen: -P. Andreani, S. Mattisson, „On the Use of MOS Varactor in RF VCO“, Journal of Solid-State Circuits, Juni 2000 -Maget, J., Tiebout, M., Kraus, R.: Influence of novel MOS varactors on the performance of a fully integrated UMTS VCO in standard 0.25-µm CMOS technology Journal of Solid-State Circuits, Juli 2002 -Wang, T.-P., Wang, S.-Y.: A low-voltage low-power low-phase-noise wide-tuning-range 0.18-μm CMOS VCO with high-performance FOMT of −196.3 dBc/Hz , Microwave Symposium 2013
