Συντάχθηκε 15-12-2023 11:48
Ενημερώθηκε:
15-12-2023 12:10
Τόπος:
Σύνδεσμος τηλεδιάσκεψης
Έναρξη: 19/12/2023 11:00
Λήξη: 19/12/2023 12:00
ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ
Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών
Πρόγραμμα Προπτυχιακών Σπουδών
ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ
Νικολάου - Δημοσθένη Αγιωργούση
με θέμα
Σχεδίαση Ταλαντωτή Ελεγχόμενου από Τάση LC-VCO Χαμηλής Κατανάλωσης στα 10 GHz για Ασύρματη Τηλεπικοινωνία σε Τεχνολογία FDSOI
Design of a Low-power 10 GHz LC Voltage Controlled Oscillator (LC-VCO) for Wireless Communications in FDSOI Technology
Εξεταστική Επιτροπή
Καθηγητής Ματτίας Μπούχερ (επιβλέπων)
Καθηγητής Άγγελος Μπλέτσας
Δρ Γεώργιος Καμουλάκος
Περίληψη
Η παρούσα διπλωματική εργασία είχε ως στόχο τη μελέτη, τον σχεδιασμό και την προσομοίωση ενός ταλαντωτή ελεγχόμενου από τάση (VCO) για ασύρματες επικοινωνίες στα 10GHz. Το μεγαλύτερο μέρος της εργασίας πραγματοποιήθηκε στην στην εταιρεία weasic Microelectronics S.A:, η οποία παρείχε πρόσβαση στα πακέτα σχεδίασης και τεχνολογίας. Ο ταλαντωτής που σχεδιάστηκε υιοθετεί ένα κύκλωμα LC-VCO διασταυρούμενου ζεύγους NMOS και υλοποιείται σε τεχνολογία FD-SOI 22nm, γνωστή για το fully depleted στρώμα στο πυρίτιο. Αυτή η τεχνολογία διασφαλίζει υψηλή απόδοση ισχύος, αντιμετωπίζει αποτελεσματικά τα short-channel effects και προσφέρει ενισχυμένο έλεγχο επί της ηλεκτροστατικής των τρανζίστορ. Οι έρευνες αποκάλυψαν ότι η μειωμένη ευαισθησία στη θερμοκρασία της τεχνολογίας FD-SOI συμβάλλει στη σταθερή απόδοση, κρίσιμη για ένα LC-VCO υψηλής απόδοσης. Οι αρχικές προδιαγραφές για την υλοποίηση του συγκεκριμένου VCO ήταν να μπορεί να κυμαίνεται σε ένα εύρος συχνοτήτων από 9.5GHz έως 10.125GHz. Πράγματι, στην συγκεκριμένη διπλωματική εργασία, οι συχνότητες λειτουργίας κυμαίνονται στο φάσμα 9.44GHz έως 10.17GHz με βήμα 4.8MHz. Ο θόρυβος φάσης σε συχνότητα λειτουργίας τα 10GHz ποσοτικοποιείται στα -125.138dBc/Hz σε 1MHz απόκλιση, με μεταβλητή τάση ελέγχου από 0.1V έως 1.1V. Ο ταλαντωτής καταναλώνει 12.9mW με 10.448mA dc ρεύμα, σε τροφοδοσία 1.24V. Η συνολική απόδοση του LC-VCO συγκρίνεται με αυτή άλλων δημοσιευμένων ταλαντωτών, με την χρήση δεικτών ποιότητας (Figures of Merit, FoM). Σε αυτήν τη εργασία, μετά από εκτενείς έρευνες, όπως παραμετρικές προσομοιώσεις και μελέτες περιπτώσεων, έγινε εμφανές το πόσο σημαντικός είναι ο παράγοντας ποιότητας τόσο των επιμέρους παθητικών στοιχείων του κυκλώματος όσο και ολόκληρου του συστήματος. Αποκαλύφθηκε πώς αυτός ο παράγοντας επηρεάζει την απόδοση του συνολικού σχεδιασμού, χαρακτηρίζοντάς τον ως το ’bottleneck’ του συστήματος, λόγω της επίδρασής του στον θόρυβο φάσης.
Abstract
The present thesis aimed to study, design, and simulate a voltage-controlled oscillator (VCO) for wireless communications at 10GHz. Almost the entire work was conducted at weasic Microelectronics S.A, which provided access to simulation tools and the process design kit. The proposed oscillator adopts an NMOS cross-coupled pair LC-VCO circuit which is implemented in a 22nm FD-SOI process known for its fully depleted silicon layer. This technology ensures superior power efficiency, mitigates short-channel effects and offers enhanced control over transistor electrostatics. Investigations revealed that the reduced temperature sensitivity of FD-SOI contributes to stable performance, critical for a high-performance LC-VCO. The initial specifications for implementing this specific VCO were to operate in a frequency range from 9.5GHz to 10.125GHz. Indeed, in this thesis, the operating frequencies range from 9.44GHz to 10.17GHz with a step of 4.8MHz. The phase noise at the operating frequency of 10GHz is quantified at -125.138dBc/Hz at a 1MHz offset with a tuned control voltage from 0.1V to 1.1V. The oscillator consumes 12.9mW with a 10.448mA DC current at a 1.24V supply voltage. The overall performance of the LC-VCO is compared to that of other published oscillators using quality indicators (Figures of Merit, FoM). In this thesis, after extensive investigations, such as parametric explorations and studies of cases, the significance of the quality factor became evident, both for the individual passive elements of the circuit and the overall system. It was revealed how this factor influences the performance of the overall design, determining it as the ’bottleneck’ of the system by influencing phase noise.
