Skip to main content
SUPERVISOR
Rasoul Dehghani,Asghar Gholami
رسول دهقانی (استاد راهنما) اصغر غلامی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Alireza Taghizadeh
علیرضا تقی زاده

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388

TITLE

A Survey and Analysis of Phase Noise in LC-CMOS Oscillators and Providing Methods for improving it
Rapid growth of communication systems in two recent decades has involved manufacturing transceiver with higher capabilities, smaller size, reduced power consumption and lower prices. Analog, digital and mixed-mode blocks have been usually employed in the structure of the transceiver system. CMOS technology with high capabilities has provided possibilities to develop all parts of a communication system on a single chip with the lowest cost and minimum power consumption. Most signal processing has shifted from analog to digital domain. However, due to availability of high performance digital circuits, the role of sensitive analog blocks has been more crucial. One of the most important blocks in the high frequency analog part of a transceiver is the voltage controlled oscillator with minimum phase noise in CMOS technology. For instance, in an OFDM system the local oscillator phase noise is a key parameter in the whole performance of the system. The importance of phase noise is not restricted to analog systems and even in digital systems, phase noise interpreted as jitter has a considerable significance. There are different architectures used as VCOs, among which the cross-coupled LC VCO is the most important. Comparison to other architectures, it has better specifications in terms of lower phase noise. Due to nonlinearity behavior of oscillators, the mechanism of converting noise sources to phase noise is very complex. Attempts in phase noise analysis have resulted in developing different models. One famous model is Leeson model and a recent model proposed by Hajimiri. Based on different models, various methods have been used to decrease the phase noise of oscillator. This thesis introduces operational principles of different types of high frequency oscillators. Jitter and phase noise concepts and their effects on the performance of a communication system are studied as well. It then, discuses different proposed models for phase noise of LC oscillators. The effect of each parameter on phase noise is studied, and the accuracy of the analysis is verified by simulation. More precise equations for oscillation amplitude in terms of differential pair sizing and consequently an optimum dimension for the good specifications are provided and also the effect of mutual induction between two inductors on oscillator is examined. Methods to decrease phase noise in LC oscillators are investigated and some new methods are proposed and verified via simulations. Key Words: Communication Systems, CMOS Technology, LC Oscillator, Voltage Controlled Oscillator, Phase Noise, Minimum Noise
رشد فزاینده مخابرات بی سیم در دو دهه گذشته نیاز به ساخت فرستنده-گیرنده های با قابلیت های بالاتر، اندازه کوچکتر، توان مصرفی کمتر و ارزان تر را ایجاب نموده است. در ساختار فرستنده-گیرنده از بخش های آنالوگ، دیجیتال و مد ترکیبی استفاده می شود. تکنولوژی CMOS با ظرفیت های عظیم خود امکان ساخت کلیه بخش های یک سیستم مخابراتی روی چیپ را با کمترین هزینه و توان مصرفی فراهم آورده است. به علاوه با پیشرفت روز افزون مدارات مجتمع دیجیتال و افزایش سرعت پردازش آنها بیشتر عملیات پردازشی از بخش آنالوگ به دیجیتال منتقل گردیده است. با این وجود نه تنها از اهمیت بخش آنالوگ کاسته نشده است، بلکه روز به روز بر اهمیت این بخش افزوده شده است. از مهمترین مواردی که در قسمت آنالوگ فرکانس بالا در فرستنده-گیرنده امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته است، ساخت اسیلاتور کنترل شونده با ولتاژ در تکنولوژی CMOS با نویز فاز پایین است. به عنوان مثال پارامتر نویز فاز در سیستم های مخابراتی با مدولاسیون نوع OFDM از اهمیت ویژه ای برخوردار است. البته اهمیت نویز فاز تنها به دنیای آنالوگ محدود نمی شود و حتی در دنیای دیجیتال نیز، نویز فاز تحت عنوان جیتر حائز اهمیت می باشد. ساختارهای مختلفی برای اسیلاتورهای کنترل شونده با ولتاژ وجود دارد که مهمترین و پرکاربردترین آنها اسیلاتورکنترل شونده با ولتاژ CMOS نوع LC است که دارای مشخصات بسیار مناسبی از جمله نویز فاز بسیار پایین نسبت به سایر ساختارها می باشد. مکانیزم تبدیل منابع نویز مختلف موجود در این مدار به نویز فاز خروجی به دلیل خاصیت غیرخطی و سیگنال بزرگ مدار اسیلاتور بسیار پیچیده می باشد. در طول سالها تلاش های گوناگونی در آنالیز نویز فاز صورت گرفته است که باعث ایجاد مدل های مختلف گردیده است. هر کدام از این مدل ها دارای نقاط ضعف و قوت خاص خود می باشند و تأثیر برخی از پارامتر ها روی نویز فاز را مشخص می نمایند. از مهمترین این مدل ها، مدل Leeson و مدل جدیدتر ارائه شده توسط Hajimiri می باشد. براساس مدل های مختلف، در طول سال ها روش های مختلفی برای کاهش نویز فاز اسیلاتورها به کار گرفته شده اند که همگی سعی در کاهش این پدیده مخرب با حداقل هزینه دارند. در این پایان نامه ابتدا به معرفی اصول عملکرد و انواع اسیلاتور های فرکانس بالا و مفاهیم نویز فاز و جیتر و تأثیر آن بر عملکرد سیستم مخابراتی می پردازیم. سپس مدل های ارائه شده برای نویز فاز اسیلاتور LC را معرفی و روابط مربوط به این مدل ها بررسی می کنیم. در ادامه با بررسی پایه ای این اسیلاتور اثر تغییر هر کدام از پارامتر های مؤثر در نویز فاز آن به تنهایی بررسی و شبیه سازی های لازم صورت خواهد گرفت. روابط دقیق تری برای دامنة نوسان اسیلاتور بر حسب نسبت ابعاد ترانزیستور های سوئیچ و در نتیجه تعیین یک نسبت بهینه برای مشخصات مناسب به دست می آید و اثر ضریب تزویج بین دو سلف بر عملکرد اسیلاتور مورد بررسی قرار می گیرد. در ادامه روش های کاهش نویز در اسیلاتور LC مورد بررسی قرار می گیرد و روش هایی برای کاهش نویز اسیلاتورها ارائه و با شبیه سازی تأیید می شوند. کلمات کلیدی: سیستم های مخابراتی، تکنولوژی CMOS، اسیلاتور LC، اسیلاتور کنترل شونده با ولتاژ، نویز فاز، کاهش نویز.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی