Techniques de conception d'oscillateurs contrôlés en tension à très faible bruit de phase en bande Ku intégrés sur silicium en technologie BiCMOS

Design techniques of Ku-band fully integrated Voltage Controlled Oscillators for very low phase noise on silicon in 0.25 µm BiCMOS technology

• Auteur / Autrice : Jérémy Hyvert
• Direction : Jean-Marie Paillot, David Cordeau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique et nanoélectronique
• Date : Soutenance le 22/09/2016
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Signal, Image, Communication
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Michel Prigent
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marie Paillot, David Cordeau, Florin Huţu, Pascal Philippe
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Baptiste Begueret, Philippe Descamps

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés

Semiconducteurs

Microélectronique

Bruit électronique

Oscillateurs

Mots clés libres

O.c.t.

Bruit de phase

Conversion AM/PM

Bande Ku

BiCMOS

Vco

Phase noise

AM/PM conversion

Ku-Band

BiCMOS

Résumé

L'objectif de cette thèse est de démontrer la faisabilité d'oscillateurs contrôlés en tension (O.C.T.) rivalisant en termes de bruit de phase avec les O.C.T. fabriqués en technologies III V. Cet O.C.T. doit être complètement intégré, adresser la bande Ku et utiliser la technologie QUBiC4X de NXP Semiconductors. Les travaux de cette thèse sont articulés autour de trois chapitres principaux, le premier revient sur les bases fondamentales à la compréhension des phénomènes inhérents aux composants électroniques et présents dans les oscillateurs plus particulièrement. Le second explique, en s'appuyant sur l'analyse des formes d'ondes et sur des calculs analytiques, les choix retenus en termes d'architecture pour la partie active ainsi que pour le résonateur afin de minimiser la conversion du bruit AM/PM et atteindre les meilleures performances possibles en bruit de phase. Il décrit les quatre versions d'O.C.T. réalisés et analyse les résultats de simulations post-layout obtenus pour justifier leur fabrication. Il présente notamment une architecture innovante utilisant les avantages d'un montage cascode ainsi qu'un résonateur à trois inductances différentielles imbriquées les unes dans les autres. Le troisième chapitre détaille les choix de design faits lors du dessin des masques ainsi que les résultats de mesures obtenus pour les quatre versions fabriquées. Enfin, il se termine par une énumération des recherches menées dans le but d'expliquer les différences observées entre les résultats de mesure et de simulation.

The thesis goal is to demonstrate the feasibility of voltage controlled oscillator (VCO) challenging the VCOs using III-V technologies regarding phase noise performances. This VCO must be fully integrated, target the Ku-band and use the QUBiC4X process from NXP Semiconductors. This thesis work is based on three main chapters, the first one reviews the fundamentals to understand the intrinsic phenomena in electronics components and more particularly in oscillators. The second explains, by using the waveforms analysis and analytical demonstrations, the choices made regarding both the active part and the resonator architecture in order to minimize the AM/PM noise conversion and then to reach the best phase noise performances. It describes the four versions of the realized VCOs and analyzes the post-layout simulations results to justify their fabrications. It shows more specifically an innovative architecture using the advantages of a cascode configuration and a resonator based on three interlocked differential inductors. Finally, the third chapter focuses on the masks' layout and measurements results of the four VCOs. It also details the investigations made to explain the differences between measurements and simulations.