Quadrature signal generation in 5-6GHz range using SiGe BiCMOS process

Abstract

Bu yüzyılın son on yılı, haberleşme endüstrisinde büyük bir büyüme görmüştür. İnsanlar telsiz haberleşme araçlarım kullanarak sürekli bağlantıda olmak istemektedirler. Büyüyen teknolojiyle, sistemlerin maliyeti de çok önemli hale gelmiştir ki RF tasarım ayrık tasarımdan tümleşik devre çözümlerine kaymıştır. Avrupa yüksek performanslı radyo yerel ağ (HEPERLAN) sistemi gibi 5GHz ISM bandı kullanılarak bilgi iletim hızlarının arttırılmasında dünyaca yaygın bir ilgi vardır. Hatta HIPERLAN2 sistemi 54Mb/s' lara ulaşan çok yüksek iletim hızına sahiptir. Bir haberleşme alıcı-vericisi değişik bloklar içerir fakat gerilim kontrollü osilatör (VCO), alıcı-vericinin kritik bir alt bloğudur. VCO'lar birçok yenilikler sunmasının yanında, kabul edilebilir faz gürültüsü ve ayar aralığı için, mikrodalga frekanslarında düşük güçlü aktif elemanlara ek olarak, yüksek kalitede düşük parazitik değerlere sahip pasif elemanlara ihtiyaç duyar. VCO'lann önemli karakteristikleri, çalışma frekansı, sıcaklıkla frekans kararlılığı, frekans karakteristiğine karşı gerilimin lineerliği, ayar aralığı, faz gürültüsü ve üretim maliyetini içerir. QPSK, GMSK, OFDM gibi dijital modülasyonu kullanan alıcı-verici sistemlerinde, 90° faz farklı (quadrature) işaret üretimi çok kritik bir noktadır. HIPERLAN2 sistemi de dijital modülasyonu kullanan bu sistemlerden biridir. Bazı alıcı- vericilerde, tüm sistem performansı için, 90° faz farklı işaret hatası sınırı çok sıkıdır, diğer bir deyişle çok az hata kabul edilebilinir. Bu da faz gürültüsü performansı ve ya güç tüketimi gibi kendi karakteristikleri ile birlikte VCO'nun, tasarımını çok güçleştirir. Bu tez 0.35um SiGe (Silikon germanyum) BiCMOS prosesi ile HIPERLAN2 sisteminin 90° faz farklı lokal osilatörü (LO) işareti üretimi için tasarlanan iki değişik VCO tasarımım kapsar. Temel bilgi olarak, genel osilasyon teorisi ve değişik tipte temel yüksek frekans osilatörleri sunulmuştur. Kristal osilatörler, temel LC osilatörler, Wien-Bridge osilatörü, Colpitts osilatörü, Hartley osilatörü, rölaksasyon osilatörler ve halka osilatörler, RF osilatörlerinin temelleri olduğundan 2. Bölümün konusu olmuşlardır. Haberleşme kanal aralıklarının çok küçük olmasından dolayı, frekans sentezleyeceğinin çıkış işareti çok saf bir sinüs olmalıdır. Çevrim bant genişliğinden büyük olan ofset frekanslarında, faz gürültüsü esas olarak VCO tarafından belirlenir. Burada, osilatörlerdeki faz gürültüsünün temel teorisi sunulmuştur. Buradaki tasarımında kullanılan halka ve LC VCO'lann faz gürültü modelleri ve bu tür osilatörlerin değişik topolojilerdeki faz gürültüsü performansları tartışılmıştır. LC VCO tasarımında, devrenin faz gürültüsü ve ayar bölgesi performansı üzerinde özellikle etkili olan iki eleman vardır. Bunlar varaktör ve endüktanstır ve bunlar için bir literatür araştırılması yapılmıştır. Değişik tipte varaktörler verilmiş ve VCO'lar XV üzerindeki performans etkileri karşılaştırılmıştır. Bunlar, diyot varaktörler, evirtim modlu MOS varaktör, akümulasyon MOS varaktör ve geçitlenmiş MOS varaktörlerdir. Akümülasyon MOS varaktörlerin, şimdilerde diyot varaktörlerinin yerini aldığı görülmüştür. Çünkü, akümülasyon MOS varaktörle tasarlanan VCO'ların, diyot varaktörle tasarlanmış VCO'lardan, daha az güç harcadığı, daha geniş ayar aralığının bulunduğu ve daha iyi bir faz gürültüsü performansı göstermektedir. Endüktanslar VCO'nun faz gürültüsü performansındaa çok etkilidir. Endüktansların değişik gerçekleştirilmesi olan, aktif endüktanslar, bağ telli ve spiral endüktanslar avantaj ve dezavantaj larıyla açıklanmıştır. Faz gürültüsü, varaktör ve endüktansla ilgili bu çalışmalar Bölüm 3'te sunulmuştur. 90'lar dan bugüne kadar sunulmuş olan değişik tipte VCO'lar Bölüm 4'te sunulmuştur. Bu çalışma LC ve halka osilatörler üzerine bir araştırmayı kapsar. LC VCO'lar okuyucunun karşılaştırması açısından, özellikle farklı varaktör, endüktans ve kuvvetlendirici devreleri kullananlardan seçilmiştir. LC VCO'lar üzerindeki çalışma daha çok negatif-Gm osilatörleri üzerinedir. Halka osilatörler için değişik ayar metotları açıklanmıştır. Her iki osilatör çeşidi olan halka ve LC osilatörler, kendi kategorileri içinde faz gürültüsü performansı, ayar aralığı, güç tüketimi ve kapladıkları alan maliyeti açısından karşılaştırılmışlardır. Dört çeşit kuadratür LO işareti üretim yöntemleri de Bölüm 4'te sunulmuştur. Bunlar RC-CR ağı (polifaz filtre), frekans bölme, iki çapraz bağlı VCO ve 90° faz farklı halka osilatörüdür ve örneklerle açıklanmıştır. VCO ve RC-CR ağı kombinasyonu takip eden tampon veya sınırlandırıcılar kullanılan metot, çok güç tüketir, çok fazla kırmık alam kaplar ve kuadratür işaret performansı selimdeki uygunsuz eşleşmeye çok bağlıdır. HIPERLAN2 gibi yüksek frekans uygulamalarında iki kat frekansta VCO tasannu mümkün değildir. Bu nedenle, son iki metot olan, iki çapraz bağlı VCO ve 90° faz farklı halka VCO bizim tasarımımız için mümkündür. Bölüm 5'te, HIPERLAN2 projesi için 90° faz farklı LC ve halka osilatörü tasannu sunulmuştur. Her iki VCO da 0.35um SiGe BiCMOS prosesi kullanılarak tasarlanmıştır. Devrelerin çalışma prensipleri, tasarım şemaları ile birlikte açıklanmıştır. İlk tasarım birbirinin aynı iki çapraz bağlı LC VCO tasarımını içerir. Her iki VCO da diferansiyel çapraz bağlı PMOS ve NMOS transistorlar ve simetrik bir endüktans ile gerçeklenmiştir. Daha iyi bir ayar aralığı için, diyot varaktör yerine MOS varaktör. tercih edilmiştir. Tipik, karakterizasyon ve Monte Carlo simülasyonları her iki VCO için de gerçeklenmiştir. İkinci tasarım, iki gecikme hücresiyle tasarlanan halka VCO' dür. Gecikme hücreleri diferansiyel BiCMOS çiftidir. Hem kuyruk akımı hem de gecikme hücrelerinin PMOS transistorlerinin geçit gerilimi, çıkış genlik salınımındaki değişimini azaltmak için aynı anda bir analog gerilim ile kontrol edilmektedir. Her iki VCO'nun sonuç ve performansları verilip karşılaştırılmıştır. LC VCO'nun faz gürültüsü performansı halka VCO' dan daha iyidir. Halka osilatörün ayar aralığı LC VCO' dan daha iyidir. Kuadratür faz hatası her iki osilatörde de hemen hemen aynıdır. 5-6GHz aralığının kullanıldığı sistemlerde, faz gürültüsü performansının önemli ve sistem sınırlarının sıkı olduğu durumlarda, yüksek maliyetten ödün verilerek LC VCO seçilmelidir. Ve kırmığın alan maliyetinin önemli olduğu durumlarda ise, faz gürültüsünden feragat edilerek halka VCO seçilmelidir.

The last decade of this century has seen an explosive growth in the communications industry. People want to be connected all the time using wireless communication devices. With the growing technology, the cost of the systems has also become very important that RF design is shifted from discrete design to IC solutions. There is worldwide interest in increasing data transmission rates by using the 5 GHZ ISM band like the European high-performance radio LAN (HIPERLAN) system where HIPERLAN2 has a very high transmission rate up to 54 Mb/s. A communication transceiver consists of different blocks, but the VCO is a critical sub-block of the transceiver. They present many challenges to any technology since they require low parasitic high quality passive components for acceptable tuning range and phase noise levels, in addition to the need for low power active devices at microwave frequencies. Important characteristics of VCO's include frequency operation, frequency stability with temperature, linearity of the voltage to frequency characteristic, tuning range, phase noise and cost of fabrication. Quadrature signal generation is a critic point of the transceiver systems, which use digital modulations such as QPSK, GMSK, OFDM etc. HIPERLAN2 system is one of them, which uses digital modulation. Some of the transceivers have very strict spec for the quadrature signal error for the overall system performance. This makes the design of the VCO more difficult together with its own characteristics like its phase noise performance or power consumption etc. This thesis covers the design of two different VCOs for quadrature LO signal generation for HIPERLAN2 system with 0.35um SiGe BiCMOS process. As a basic knowledge, the general theory of oscillation and different type of basic RF oscillators have been presented. Crystal oscillators, basic LC oscillators, Wien- Bridge oscillator, Colpitts oscillator, Hartley oscillator, relaxation oscillators and ring oscillators have been a subject of the 2nd Chapter as they are the basics of the RF oscillators. Due to very small communication channel spacing, the output signal of the frequency synthesizer must be a very pure sinusoid. At frequency offsets larger than the loop bandwidth, the phase noise is mainly determined by the VCO. Here, the general theory of phase noise in oscillators has been presented. The phase noise models for ring and LC VCOs and phase noise performance of these kinds of oscillators have been discussed as these types of oscillators are used in this design. In the design of LC VCOs there are two devices which are especially effective on the phase noise and tuning range performance of the circuit. These are the varactors and inductors and a literature research has been done for them. Different types of varactors are given and their performance effects on the VCOs are compared. These varactors are diode varactor, inversion mode MOS varactor, accumulation MOS varactor and gated xvn MOS varactors. It is seen that nowadays the accumulation MOS varactor is taking the place of diode varactor because the LC VCOs designed with accumulation MOS varactor consumes less power, has a larger tuning range and a better phase noise performance than the ones designed with diode varactors. Inductors are very effective on the phase noise performance of the VCO. Different implementations of inductors; active inductors, bondwire and spiral inductors are explained with their advantages and disadvantages. All the research on phase noise, varactors and inductors have been presented in Chapter 3. Different type of VCOs, designed from 90s until today has been presented in Chapter 4. The work covers a research on LC and ring VCOs with their operation principles. The LC VCOs are especially chosen from their different usage of varactor and inductors and amplifier circuits, so that the reader can compare them. The work for LC VCO is mostly on negative-Gm oscillators. Different tuning methods has been explained for the ring VCOs. Both ring and LC VCOs are compared within their own category for their phase noise performance, tuning range, power consumption and cost of area. Different methods to generate quadrature LO signals have been also presented in Chapter 4. These are RC-CR network (polyphase filter), frequency division, two cross-coupled VCO and quadrature ring oscillator, are explained with examples. Using RC-CR network or polyphase filter after the VCO, following with buffers or limiters, consume too much power, costs big chip area and quadrature signal performance is very dependent to the mismatch in the layout. In applications of high frequency like HIPERLAN2 it is not possible to design a double frequency VCO. Therefore, the last two methods, two cross-coupled VCO and the quadrature ring oscillator are feasible for our design. In Chapter 5, the design of the quadrature LC and quadrature ring VCO for HIPERLAN2 project has been presented. Both of the VCOs has been designed with 0.35um SiGe BiCMOS process. The operating principles of the circuits have been explained with their design schematics. First design consists of two identical cross- coupled LC VCOs. Each VCO has been realized with coupled differential PMOS and NMOS transistors with a symmetrical coil. For a better tuning range MOS varactors have been preferred instead of diode varactors. The typical, characterization and Monte Carlo simulations have been performed for the VCOs. The second design is the quadrature ring oscillator with two delay cells. The delay cells are designed with a differential BiCMOS pair. Both the tail current and the gate voltage of the PMOS transistors of the delay cell are controlled with one tuning voltage in order to decrease the amplitude swing variation. The results and the performance of both VCOs have been given and compared. The phase noise performance of the LC VCO is better than the ring VCO. The ring VCO has a better tuning range than LC VCO. The quadrature phase mismatch results are exactly the same. For other systems where the 5-6GHz range is used, if the phase noise performance is important and strict, the LC VCO should be preferred with high cost. And if chip area cost is important ring VCO should be preferred suffering from phase noise.