Conception de VCO millimétrique basé sur les lignes de transmission à ondes lentes

Design of millimeter wave VCO based on slow-wave transmission lines

• Auteur / Autrice : Ekta Sharma
• Direction : Sylvain Bourdel, Philippe Ferrari, Emmanuel Pistono
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 14/10/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de radiofréquences, optique et micro-nanoélectronique des Alpes (2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean Gaubert
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Didier Vincent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déphaseurs

Changeurs de fréquence

Ondes millimétriques

Oscillateurs

Mots clés libres

Ondes millimétriques

Vco

Ondes lentes

Millimeter waves

Vco

Slow-Wave

Résumé

Ce travail se concentre sur la conception de VCO mm-wave pour les applications de Backhaul en BiCMOS 55 nm technologie. Toutes les conceptions de VCO proposées sont par rapport à conventionnel LC-tank oscillateur. La première conception de l'oscillateur proposé fonctionne entre 81-86 GHz. L'innovation est liée à l'utilisation d'une bande coplanaires ondes lentes (S-CPS) comme inducteur différentiel. Grace à facteur de qualité élevé (≈ 33) de S-CPS, le bruit de phase a été amélioré de 20 dBc/Hz à l'offset 10MHz et la consommation d'énergie a été réduite de 14% aussi. La plage de réglage de fréquence (FTR) était de 5,3 GHz seulement. La seconde conception du VCO est sur la base de ligne déphaseur chargé comme un résonateur. Le déphaseur a été conçu en utilisant une topologie dissymétrique de S-CPS, afin de parvenir à une meilleure FTR. Mais la performance réalisée de VCO n'a pas été beaucoup améliorée en raison de la capacité parasite en charge. Ainsi, avec le même dissymétrique résonateur déphaseur sur la base d'un oscillateur d'onde permanente distribuée a été conçu, ce qui a réduit l'effet de charge et de conduire à une FTR de 8 GHz. Enfin, un buffer moins mm-wave oscillateur stationnaire a été conçu. Dans ce proposé moins oscillateur buffer, il a montré que l’impédance caractéristique de sortie peut être envisagé grâce à un choix judicieux de la position de sortie. Par conséquent, aucun buffer de sortie n’est nécessaire dans la conception proposée, en raison de la flexibilité dans le choix de la position long de sortie de SWO. Cette innovation conduit à deux mérites. Tout d'abord une sortie 50 ohms peut-être synthétisé sans consommation d'énergie supplémentaire et d'autre part la taille est réduite si un réseau d'adaptation est nécessaire pour connecter le VCO à un mélangeur ou un autre bloc de construction du système d'émetteur-récepteur.

This work focuses on the design of mm-wave VCO for Backhaul applications in BiCMOS 55 nm technology. All the proposed VCO designs are compared to the conventional LC-tank oscillator. The first proposed oscillator design operates between 81-86 GHz. The innovation is linked to the use of a slow-wave coplanar strip (S-CPS) as a differential inductor. Thanks to high quality factor (≈ 33) of S-CPS, the phase noise was improved by 20 dBc/Hz at 10 MHz offset and the power consumption was reduced by 14 % as well. The achieved frequency tuning range (FTR) was 5.3 GHz only. The second VCO design is based on loaded line phase shifter as a resonator. The phase shifter has been designed using an unsymmetric topology of S-CPS in order to achieve better FTR. But the achieved VCO performance was not improved a lot due to the loading parasitic capacitance. So, with the same unsymmetric phase shifter based resonator a distributed standing wave oscillator was designed, which reduced the loading effect and lead to a FTR of 8 GHz. Finally, a buffer less mm-wave standing wave oscillator was designed. In this proposed buffer less oscillator it is shown that any output characteristic impedance can be envisaged thanks to a careful choice of the output position. Hence, no output buffer is needed in the proposed design, due to the flexibility in choosing the output position along the SWO. This innovation leads to two merits. Firstly a 50 ohms output can be synthesized without any additional power consumption and secondly the size is reduced if a matching network is needed to connect the VCO to a mixer or another building block of the transceiver system.