Μελέτη και σχεδιασμός ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για εφαρμογές υψηλών συχνοτήτων

Abstract

The object of this thesis focuses on the study, design and implementation of circuit units identified in a phase-locked loop system (PLL). More specifically, these circuits are a phase-frequency detector, a charge pump and a programmable frequency divider based on a modular architecture for operation at 1.8GHz and 0.18mm CMOS RF process. Also presents a programmable frequency divider circuit based on the technique of pulse-swallow function in 15GHz and RF CMOS 90nm process, which is part of a PLL for wireless data transmission using very high data rate (1Gbps) and long distances (~1km). Emphasis was focused on achieving low phase noise, since PLL close-in noise bandwidth significantly affected by noise performance, low power consumption and small chip silicon area. Moreover these circuits and particularly the programmable frequency divider can be used in wide-band applications supporting multi-band and multi-standard communication protocols.Additionally exponential current generator and variable gain amplifier (VGA) circuits have been studied and implemented. The former can be applied in voltage controlled oscillators (VCOs), for increasing the frequency range, due to the exponential variation of the current/voltage control signal, and in variable gain amplifiers to establish a linear-in-dB gain range (VGA). Specifically they proposed two versions of exponential current generator circuits with robustness against to temperature, process parameters and supply voltage (PVT) variations and operation at low supply voltage. Furthermore a variable gain amplifier VGA has been designed, which can used both in PLL systems for VCO sensitivity stabilization, and in loop automatic gain control systems (AGC), in order to provide a constant signal power regardless of the input signal voltage level variations at the antenna of a modern transceiver.

Το αντικείμενο αυτής της διατριβής εστιάζεται στη μελέτη, στο σχεδιασμό και στην υλοποίηση κυκλωματικών μονάδων που εντοπίζονται σε ένα σύστημα βρόχου κλειδωμένης φάσης (PLL). Πιο συγκεκριμένα τα κυκλώματα αυτά αφορούν έναν ανιχνευτή φάσης-συχνότητας, μία αντλία φορτίου και έναν προγραμματιζόμενο διαιρέτη συχνότητας αρθρωτής διάταξης για λειτουργία στα 1.8GHz και σε τεχνολογία CMOS RF 0.18μm Επίσης παρουσιάζεται ένα κύκλωμα προγραμματιζόμενου διαιρέτη συχνότητας βασισμένο στην τεχνική pulse-swallow για λειτουργία στα 15GHz (90nm), το οποίο αποτελεί μέρος ενός PLL για χρήση ασύρματης μετάδοσης δεδομένων πολύ υψηλού ρυθμού (1Gbps) και για μεγάλες αποστάσεις (1km). Κατά τον σχεδιασμό τους ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην επίτευξη χαμηλού θορύβου φάσης, αφού επηρεάζουν σημαντικά την απόδοση θορύβου εντός εύρος ζώνης του PLL, χαμηλής κατανάλωσης ρεύματος και μικρής επιφάνειας ολοκλήρωσης στο πυρίτιο. Επιπλέον τα κυκλώματα αυτά και ιδιαίτερα οι προγραμματιζόμενοι διαιρέτες συχνότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές όπου απαιτείται μεγάλο εύρος ζώνης συχνοτήτων (UWB) και υποστήριξη πολυζωνικών και πολλαπλών πρωτοκόλλων επικοινωνίας. Επιπρόσθετα μελετήθηκαν και υλοποιήθηκαν κυκλώματα γεννητριών εκθετικού ρεύματος και ενισχυτών μεταβλητού κέρδους (VGA). Tα πρώτα βρίσκουν εφαρμογή σε κυκλώματα ταλαντωτών ελεγχόμενων από τάση (VCO), για την αύξηση της περιοχής τιμών συχνοτήτων, λόγω της εκθετικής μεταβολής του ρεύματος/τάσης ελέγχου, αλλά και σε κυκλώματα ενισχυτών μεταβλητού κέρδους (VGA). Συγκεκριμένα προτείνονται δύο εκδόσεις κυκλωμάτων γεννήτριας εκθετικού ρεύματος, με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά την ανθεκτικότητα έναντι των μεταβολών της θερμοκρασίας, των παραμέτρων της τεχνολογίας και της τάσης τροφοδοσίας (PVT) καθώς και τη λειτουργία σε χαμηλή τάση τροφοδοσίας. Επιπλέον σχεδιάστηκε ένας ενισχυτής μεταβλητού κέρδους VGA, ο οποίος χρησιμοποιείται τόσο σε συστήματα PLL για την σταθεροποίηση των μεταβολών της ευαισθησίας του VCO, όσο και σε συστήματα βρόχου αυτομάτου ελέγχου κέρδους (AGC), για την παροχή σήματος με σταθερή ισχύ ανεξάρτητα από τις μεταβολές του πλάτους του σήματος εισόδου στην κεραία ενός σύγχρονου πομποδέκτη.