Mnoho bezdrátových vysílačů/přijímačů Itra Wideband je napájeno z baterie, je to maximální kolísání napětí Nad touto úrovní kolísání se zvyšuje proud, který bude mít odpadní fáze pow3 Jednotranzistorová oscilátornost pozitivní zpětná vazba poskytovaná aktivním zařízením V oscilátoru Hartley má lc síť dvě induktory andance Nmosamplifier je zapojen ve společné konfiguraci hradla Kapacita C3 má jeden portother port připojený k L2 Neexistuje způsob, jak tuto kapacitu nahradit zátěžovou kapacitouMLIL當Obr 1 AC ekvivalentní obvod a) Colpitts VCO se zátěžovou induktorem b)Hartley OscilátorJednoduchý přepínač vCO (SS-vCO) a dvojitý přepínač VCO (DS-vCO) použité při návrhu integrovaných oscilátorů Obrázek 2 ukazuje zjednodušené schéma obou topologií
Transkonduktance v obou obvodech, která je nastavena předpětím, aby se řídil záporný odpor a tedy nastavila amplituda kmitání, je použit koncový proud (tranzistor M3 na obr. 2(a), který snižuje světlou výšku kmitání, což ovlivňuje ss -vCo dvě integrované tlumivky nebo jedna diferenciální tlumivka se středovým vývodem mohou být spojeny s transkondulárem v Ds-vco než v CO Thetance snižují jak frekvenci tuninoscilace Amplituda oscilace DS-vCO pro identické rezonátory a stejnou spotřebu energie se očekává být dvakrát větší než v SS-vCo [2] Tedy DS-ntechopen
Ultra širokopásmové oscilátory7 3 Integrované pasivní tlumivky ovlivňují výkon fázového šumu a určují ztrátový výkon Se zvyšujícím se počtem kovových vrstev pid se obecně zvyšuje kvalita (Q) pasiv Typy standardních změn v rozsahu několika nH s Q v rozmezí od 2 do 10 (pro frekvence pod 6 GHz), v závislosti na kondenzátorech a odporech. Nicméně, plošná indukce plošně neefektivní konstrukce, vektory často potřebují velké loore široce implementované kvůli jejich plochému Q a standardním procesům Typické spirinduktorové struktury na čipu jsou znázorněny na obrázku 12, které se skládají z více čtvercových, osmiúhelníkových nebo kruhových spirálovitých závitů, které tvoří širší tlumivku, snižuje sériový odpor, a má tedy pozitivní vliv na rozsah [12] To by však zvýšilo koilapacitanci a dále snížilo rezonanční frekvenci. maximální šířka kovu (obvykle je to asi 15-30 um) je obvykle stanovena pomocí optimalizace pro Spirála je obecně implementována nejdostupnější tloušťka kovové vrstvy než spodní kovové vrstvy, což pomáhá snížit parazitní kapacitu na substrátu, horní kovové vrstvy dávají vzniknout vyšší samoparalelní pro snížení odporu
Tato technika opět účinně přibližuje cívku blíže k průměru induktoru závisí na tom, jak široká induktor zakončuje oblast, kterou induktor pokrývá. skutečnost, že vnitřní závity jsou pouze nepatrné, celková indukčnost Ttiralové indukčnosti jsou zřídka naplněny na maximální počet závitů a zvýšení indukčnosti se obvykle dosahuje zvýšením poloměru cívky výpočty vyžadují použití řešičů pole. Nicméně přibližný odhad, vhodně rychle ručně vypočítaný v [12t které se liší ve srovnání s polní úhlovou nebo kruhovou spirálou, zatímco je známo, že kruhové spirály poskytují poněkud vyšší faktor Q Osmiúhelníkové spirály se používají jako další nejlepší alternativa [4]často kruhová geometrie podporovaná mnoha nástroji rozvržení a není povolena v mnoha technologiích. Další populární technika, která poskytuje mnohem kompaktnějším uspořádáním je využít navíc diferenciální strukturu as tím související ztráty [14] Tyto výhody mohou také zlepšit selfntechopen
Itra Wideband回◎(integrované induktory: (a)čtvercové, (b) osmiúhelníkové a (c)kruhové spirály 14Obr. 13, Dvojice induktorů s jedním koncem (a) a diferenciální induktor (b) s podobným součtem použito na stejném čipu, vzdálenost mezi středy cívek by měla být alespoň dvakrát větší než průměr cívek pro každý pár cívek, u kterých se předpokládá zvýšení Q dvakrát nebo třikrát, používá slitiny mědi (Cu) místo slitin Al Druhým opatřením je odstranění substrát pod cívkou dvakrát nebo třikrát
Mikroobráběné Cu tlumivky mohou mít Qs až 50 a umožňují realizaci pásmových filtrů s vložným útlumem, který je lepší než -5 dB na frekvenci asi 6GHd, což je Q, protože snižuje ztrátu substrátu [13 ] Thia také snižuje šum spojený se substrátem za cenu snížení rezonanční frekvence induktoru tlumivky jsou vyráběné parametry v návrhu RF obvodů a v mnoha případech jsou hlavním úzkým hrdlem celých systémů.
Ultra širokopásmové oscilátory732 Inductor Moddown s technologií [2] Kromě jejich velkých fyzických rozměrů jsou integrované induktory obvykle popsány jednoduchými soustředěnými ekvivalentními sítěmi. Obrázek 14(a) ukazuje soustředěný T-model pro integrovaný induktor L, popisuje sériový odpor kovová latance mezi stopami, v křemíkové technologii poměrně vodivá, která rezonuje s induktorem ve vztahu k odporové dráze v substrátu, která také Q induktoru Csub modeluje kapacitní vazbu z kovu na substrát, která červeně integrovaná induktor(b) širokopásmový koncentrovaný ekvivalent t-ekvivalent síť je širokopásmový model platný pouze v těsné blízkosti té rtikulární frekvence a není vhodný pro širokopásmové návrhy [4]síť má vlastnosti coig rozšířené soustředěné ekvivalentní sítě
V důsledku toho platí jeho platnost v mnohem širším frekvenčním rozsahu a je vhodnější pro analýzu návrhu debond [4]Hodnota Q ideálu indted s incteqtTo je však proto, že parazitní kapacita a ztráty substrátu ukazují svůj význam na vyšších frekvencích [12The sériový stejnosměrný odpor induktoru je dominantním přispěvatelem ztrát při nízkých frekvencích (<1GHz) Při vyšších frekvencích značně stoupá, ae spirála Díky tomu jsou vnitřní závity spirály méně účinné než vnější závity a efekty odporové blízkosti v důsledku polí ze sousedních závitů výsledkem je podobný frekvenčně závislý a odpovídající nárůst ztrát Také proudění v substrátu se promítá do dalších ztrát, které jsou silnou funkcí substrátové hustoty a stávají se významnými jako frekvenční technologie
Itra WidebandVýsledkem je, že Q zpočátku téměř s frekvencí, protože ztrátě dominuje sériový odpor cívky sdc. Nakonec se dominantní stanou efekty kůže a blízkosti, jakož i substrát. Q postupně dosahuje maximálních hodnot a za nimi rychle klesá protože frekvenční dopad výše uvedených vlivů na výkon induktoru je velmi komplikovaný, a proto musí být pro jeho zájem o vysokofrekvenční obvody použity softwarové nástroje, protože aduktory jsou z hlediska technologie výroby a připojení dvou transvodičů s odporem15-18 Tato realizace (obrázek 15(b) což prokázala nerovnost Také thetance R mezi M a M3 výrazně zvyšuje indukčnost [16]
Vzhledem k nízké hodnotě indukčnosti a úzkému frekvenčnímu rozsahu výše uvedené topologie je vylepšená struktura cascode využívající aktivní členy na fe16(a) a na obrázku 16(b), v tomto pořadí Tento aktivní induktor využívá laditelný zpětnovazební odpor, implementovaný připojením rezistoru( R) paralelně s tranzistorem Napětí zdroje Thete (Vune) v tomto tranzistoru řídí celkový efektivní odpor( re) To snižuje výstupní vodivost a zlepšuje kvalitu factIZin15(a) Schéma aktivního induktoru uzemněného kaskádou s odporem zpětné vazby(b )ntechopen
Ultra širokopásmové oscilátory Ekvivalentní kapacita, indukčnost a rezistory jsou [19Fig, 16(aTAlb) Ekvivalentní model aktivní induktoro3C2C(R,g2+1)m32m3Cg2(Rg2+1)8m18m28m3+@gm28dsr3C2 ), účinek zpětnovazebního odporu je znázorněn (R,8ds2 +I), který je navržen jako jednota
Snížení Rey pomocí R resulquality faktoru a vstupní impedance TAI lze získat od Intechopen
Itra Wideband(R1+RG1+(OL /R4)(+Re Ge -@ leo Ce)+ja(Re Ce+Le Geo)Všimněte si, že v konvenční topologii TAI je Vi=konstanta (viz obrázek 16(a) As Může být (10), (11) a (13), aktivní rezistor má přímý vliv na. Toto zvýšení Ro však zhorší činitel jakosti Tobe, který se používá jako dodatečné ladicí napětí k řízení plynu 12. Tedy indukčnost a činitel jakosti další zvýšení kvantové indukčnosti lze použít tranzistorový m5th zpětnovazební odpor znázorněný na obrázku 17(b)[18]
Tento tranzistor, který v oblasti omezení, technologie CMOS, laditelný odpor od 10 022 do 16 ks může dosáhnout pláže [18 pro Vtune12v až Vune"0 4V, jak je znázorněno na obrázku 17(a) Porovnání efektivního odporu versus ladění napětí (b) Navrhovaný odpor s paralelním MOSFETem (c) Kolísání kapacity v navrhovaném aktivním odporuHodnoty každé součásti modelu ekvivalentního obvodu jsou vyjádřeny jako
nízká (ekvivalentní kapacita M2aC, Regas? Re antechopenUltra širokopásmové oscilátory20CefrRoCRgm1gds2gds3(CPC(17gml 8m2 8m3 +0 Cgm1gm?cKeff Sds?gm28), aby ostatní konvenční indukčnosti měly být uspokojeny větší a menší než ostatní konvenční induktory korents napěťově řízených oscilátorů (VCO) si zaslouží fotunability (Cmax/Cmin), CV linearita fn obecně byly vyvinuty dva typy varaktorů pro RF CMOS procesy, MOS akumulační režim kondenzátor (MOS varactor) a CMOS diodové MOS diodové varaktory jsou v podstatě reverzní vychýlené p-n přechody, které lze implementovat pomocí dostupných difuzí a p-jamek [4] Tyto varaktory vykazují laditelnostDe, která se používá tam, kde je jemné ladění kapacitních
Poskytují také lepší linearitu než MOS varactorshe mos varactor canaractors, Tato vynikající laditelnost a efektivně vysoký Q faktor Výkon tohoto varaktoru se zlepšuje technologií HA)junction varactor byl v literatuře s téměř lineárním poměrem C-V ladění 31 a Q přesahujícím 100 při 2 GHz[8]ntechopen
Ultra širokopásmové oscilátory CO vykazují lepší výkon fázového šumu ve srovnání s SS-vCO První jmenovaný však vyžaduje větší napájecí napětí než druhý, kvůli dodatečnému stohování P1P2DDVtuneM2M3 Obr. 2 Schéma zjednodušených obvodů (a) SS-VCO a( b) DS-vCO Nejkritičtější specifikací výkonu oscilátoru je jeho spektrální čistota
Inoscilátor, spektrum má výkon distribuovaný kolem požadované oscilační frekvence (n, známý jako fázový šum, navíc k výkonu umístěnému na harmonické frekvenci Obr 3 Praktické obvody oscilátoru spojené dohromady Uvažujme model lineární zpětné vazby znázorněný na obrázku 4ntechopen
Základní oscilátor Itra Wideband4 dodává zpět celkovou přenosovou funkci frol(s)a(s) 1-a(sf(s)Thistput bez jakéhokoliv vstupu, pokud je množství a(s)f(s),e zisk smyčky , je jedna a fázový posun kolem smyčky je nulová velikost zesílení větší nelinearity v zesilovači sníží velikost na přesnou operaci Za předpokladu, že a(s) má nulový fázový posun, můžeme implementovat f(s) jako rezonátor, realizovaný s paralelní LC nádrží, s nulovým fázovým posunem při požadované frekvenci kmitání.Jiným způsobem je oscilátor brexaktně vyvážený záporným odporem -Ra obvodu, záporný odpor kompenzuje ztráty v rezonátoru a oscilace v ustáleném stavu je Aktivní proudR Obr.
5 Dva jednoportové sítě pohled na oscilátor51 Jednoportový pohled na fázový šumObrázek 6 ukazuje ekvivalentní jednoportový model LC oscilátoru, ve kterém in(o) označuje alin obvod Předpokládejme, že potom je otevřený
Ultra širokopásmové oscilátoryAssurlineární časově invariantní chování, celková hustota šumového výkonu Pn(o)/Ao lze vypočítat model LC oscilátoru aktivního oscilátor Za druhé, měl by být použit co nejužší, tj. faktor vysoké kvality (Q) pro 5
2 Dvouportový pohled na fázový šum Vraťme se k dvouportovému modelu znázorněnému na obrázku 4, nádrž RLC, jak je znázorněno na obrázku 7(a) Velikost a phaof takového(b) Jak bylo diskutováno před potřebou nulových stupňů čisté zpětné smyčky fázového posunu (jakékoli celé číslo v několika stupních) Vzhledem k tomu, že zdroje hluku v oscilačním obvodu budou ve zpětné smyčce dočasně fázové posuny, bude se okamžitá oscilační frekvence měnit tak, že nádrž vytvoří kompenzační fázový posun, přičemž celkový fázový posun kolem smyčky zůstane stejný. kmitočet oscilací [3]Fázový šum označený L(Aolis definovaný jako L[△o}=10logwhereAw) představuje výkon v jednom postranním pásmu měřený v šířce pásma 1 Hz, který se nachází s frekvenčním posunem Ao od frekvence oscilací oo P, představuje celkový sio pes, jako píkální graf L (Aolis zobrazený na obrázku 8 Všimněte si existence oblastí ntechopen
Itra WidebandJak bylo uvedeno výše, pro snížení fázového šumu by měla být odezva velikosti nádrže co nejostřejší, tj. měla by mít velmi faktor QZrFig
7(a) Paralelní RLC nádrž(b) Velikost a fázová odezvaL{△o}↑Obr. 8 Obecný vzhled jednopostranních fázových noal lc nádrží obsahuje adWo=1/vLC, impedance nádrže je čistě odporová ve fázi impedancetechopen
Odezva ultraširokopásmových oscilátorů je přesně nulová Při frekvencích pod (nad)paralelní RLC síť je hlavně induktivní (kapacitní) U sériových RLC sítí je tento Faktor kvality rezonátorů Q obecně definován jako Uložená energiePrůměrný ztrátový výkon Faktor kvality, který udává schopnost energie tankainu, často C VCOs Také Q označuje strmost impedance, ostrost špičkové impedance při (o Proto Q lze také popsat pomocí Q, AO-3dB je šířka pásma impedance -3db)
Je zřejmé, že větší Q má za následek vyšší potlačení spektrální energie od rezonanční frekvence, čistotu olova rezonance výstupu oscilátoru, Q sítí RLC je dáno RWorc (paralelní rlc) (sériové RLC) a paralelní RLC sítě je zdánlivě širokopásmové CO, eq ukazuje simulované Q standardní dostupné technologie CMOS [2pozorováno, že Q je lineární Zaměření na širokopásmové vCO pracující mezi 3-6 Ginterest to have Q na nejvyšší frekvenci a může být sníženo se ziskem v Q Nicméně odchylky in Q ovlivňují výstupní amplitudu Tento problém bude podrobněji prozkoumán v sekcintechopen
Itra Wideband1046811214161820of MeritVětšina návrhářů oscilátorů obvykle uvádí hodnotu hodnoty (FoM) pro jejich specificky použitou hodnotu FoM v komunitě RF power-trequency-tuningormalized (PFTN) hodnotu hodnoty (FOM), jak je definováno v [4, 6FoM=10 loO,max-a a L(Aol je fázový šum měřený při offsetu Ao od theAlso, (xmaxnd aomin označují horní a dolní frekvence ladícího rozsahu, respektive v obvodech CMOS VCO, přičemž se najde optimální rozložení pro oba pasivní a aktivní zařízení jsou důležitá pro dosažení co nejlepšího výkonu Sjednocení vlivu therasitics na uspořádání zařízení s technologickým škálováním. faktor, aktivní indukční kondenzátory, varaktor, rezistory a tranzistory pro realizaci konečného cíle návrhu vCo
71 Rezistory Přednostními hodnotami rezistorů jsou plošný odpor, tolerance, parazitní kapacita, napětí a teplotní koeficienty In) technologie odporované hradlovým polysilikonem, aktivními oblastmi zdroje/odvodu a kovovými Odpory se často používají integrované obvody pro jejich napětí a teplotu A pro applicatintechopen se používá nízko dopovaný polysilikonový odpor typu p
Ultra širokopásmové oscilátory s vysokým odporem Navzdory své dobré parazitní kapacitě tento rezistor vykazuje 25% dopované polysilikonové rezistory typu p, které jsou ve většině případů preferovány kvůli jejich dobrému přizpůsobení a nízkému parasiNesalicidní vysoký odpor poly má plošný odpor mezi 800- 1200 ohm/nesalicidní P+(N+) poly odpor má plošný odpor 280-455(95-180)ohm/čtverec Tyto nesalicidové poly odpory lze použít pro vysokofrekvenční obvody Salicid P+/Npoly odpor má plošný odpor 2-15 ohm/čtverec, s malou parazitní kapacitou Paraso% tolerSalicidní p+/nt difuzeInce má plošný velký parazitní Non-salicid P+(N+)difuze má plošný odpor 110-190 (60-100)ohm/čtverec Non-salicidní difúze rezistory jsou vhodné pouze pro nízkofrekvenční obvody, např. často se používají pro ESD ochranu Pro svou silnou závislost na napětí se obvykle používají k napájení Další vysoce výkonný rezistor je tvořen tenkým kovovým filmem, dále nad substrátem v úrovních zapojení [ 9]
Má plošný odpor 0025 až 0 115 ohmů/čtverec s několika atraktivními vlastnostmi, jako je nízká tolerance7 2 Capacitorst5Motal 4Obr. 10 Čtyři naskládané kondenzátory s bočním tokem Prsty s tmavým průřezem jsou připojeny k jednomu portu Zbývající prsty jsou připojeny k druhému port [101ntechopen
Širokopásmové kondenzátory Itra mohou být realizovány z libovolných dvou různých, což je dosaženo pomocí tepelného výkonu. K dosažení velké kapacity na jednotku plochy je běžné používat několik kondenzátorů sendvičového typu a zapojovat je paralelně (obrázek 11). V souladu s relativně vysokým Q mohou být také implementovány aplikace pro řízení (005-05pF)
S více kovovými vrstvami moderní ztrátový kov-izolátor-metalově tenká vrstva z nitridu křemíku sendvičovaná nebo mezilehlá kovová vrstva Jejich typické Q přesahuje 100 při 1 GHz s relativní kapacitou (1 % nebo méně) představuje sériovou ztrátu z konečného odporu kovové destičkyMetal3AMetal3C3Metal2MetalCross-SectionObr 11 Řez vertikálním síťovým kondenzátorem (vlevo) a boční pohled (vpravo)(10]ntechopen