Contribution à l’étude des architectures de radiocommunications à références d’horloges hautes fréquences : application des résonateurs BAW à la génération de fréquence de référence dans les systèmes de communication mobile

High-frequency reference clock for radio-communication architectures : application of BAW resonators for reference frequency generation in mobile communication systems

• Auteur / Autrice : Pierre Guillot
• Direction : Corinne Berland
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 17/10/2011
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marie Paillot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Corinne Berland, Dominique Morche, Eric Kerherve, Pascal Philippe, Jean-François Bercher
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Rolland, Olivier Llopis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amplificateurs haute fréquence

Kalman, Filtrage de

Radiocommunications mobiles

Oscillateurs

Mots clés libres

Référence de fréquence

Résonateur BAW

Contrôle de fréquence

Oscillateur

Radio-fréquence

Frequency reference

BAW resonator

Frequency control

Oscillator

Radio-frequency

Résumé

Ces travaux de thèse portent principalement sur la génération de signal d'horloge haute fréquence. Dans un premier temps, la faisabilité d'un oscillateur à base de BAW y est démontrée par la conception d'un circuit en technologie CMOS 65 nm. Les deux principales innovations sont les performances en terme de stabilité (bruit de phase de -128dBc/Hz à 100kHz de la porteuse) et en précision (implémentation d'une banque de capacités ayant un pas de 0.4ppm) de l'oscillateur. Sa consommation est optimisée (0.9mW). Il est suivi d'un diviseur faible bruit (-140dBc/Hz à 100kHz de la porteuse) délivrant un signal à 500MHz. Dans un second temps, les imperfections des résonateurs BAW sont analysées. Une procédure de calibration comprenant une calibration initiale et une calibration en boucle ouverte est alors proposée. Cette dernière repose sur l'identification et l'utilisation d'un modèle comportemental du dispositif, régulièrement mis à jour grâce à un filtre de Kalman. Une précision de 0.4 ppm est atteinte

This thesis deals with the gigahertz range reference frequency generation. In a first part, this document presents the design of a 500 MHz oscillator in a 65 nm CMOS process using a 2 GHz Bulk Acoustic Wave resonator. A digital frequency control is implemented using a switched capacitor bank in parallel to the resonator. The tuning range is up to 500 kHz with a minimum step of 200 Hz. The oscillator core uses a differential topology and is designed for low phase noise (-128 dBc/Hz at 100 kHz offset) at low power consumption (0.9 mW). It is followed by a low noise divider which provides a 500 MHz output with a phase noise of -139 dBc/Hz at 100 kHz offset from the carrier. In a second part, we consider a method for the calibration of a BAW based frequency reference. In fact, the frequency variations of a BAW oscillator against process, supply, temperature and aging effects make difficult its use as a frequency reference. We propose here a method based on Kalman filtering to identify with high precision a behavioral model of this BAW reference, thus enabling its use in an open loop frequency tuning. A precision of 0.4 ppm is achieved