دانلود مقاله تولید سیگنال CMOS فرکانس 85 تا 127 گیگاهرتز با استفاده از تربیع VCO

چکیده 
     تربیع LC-VCO با کوپلینگ  (تزویج) پسیو و ترکیب هارمونیک باندپهن برای گسترش 4 برابری فرکانس و القاگرهای  NMOS متغیر سوئیچی به‌منظور تولید سیگنال‌هایی در فرکانس 85 تا 127 گیگاهرتز در CMOS با اندازه 65 نانومتر قرار می‌گیرند. کوپلینگ تربیع پسیو ، نیاز به Tبایاس باندپهن روی تراشه را رفع می‌کند، درحالی‌که مصرف انرژی، نویز فاز و تلفات تئوری تبدیل برای تولید هارمونیک مرتبه چهارم را به اندازه 3 دسی‌بل بیشتر از برهم‌کنش (تطابق) خطی کاهش می‌دهد. بازه تنظیم فرکانس 39٪ حداقل 4 برابر بیشتر از سایر کاربردهای CMOS دارای فرکانس مرکزی بیش از 90 گیگاهرتز است. در زمان مصرف انرژی 30 تا 45 میلی‌وات از یک منبع تغذیه 1.5 ولت، توان خروجی اندازه‌گیری شده از 15 تا 23 dBm متغیر است و نویز فاز نیز در آفست 10 مگاهرتز از 108 تا 102 dBc/Hz بالاتر از بازه فرکانس خروجی تغییر می‌کند. این مشخصه‌ها برای استفاده در طیف‌نمایی چرخشی با موج میلی‌متری مناسب است.

1. مقدمه
     از امواج الکتریکی-مغناطیسی در بازه فرکانس موج میلی‌متری و کمتر از آن (100 تا 1000 گیگاهرتز) برای طیف‌نمایی چرخشی با قابلیت اسکن سریع به‌منظور تشخیص و شناسایی مولکول‌های گاز استفاده می‌شود. از این روش می‌توان برای نظارت بر کیفیت هوا، نشت گاز، نفس انسان در محیط‌های سربسته و حوزه‌های دیگر نظیر انواع متفاوت کاربری‌های ایمنی، امنیتی و پزشکی استفاده کرد. پیشرفت توانایی فرکانس بالای CMOS باعث شده است تا از آن به عنوان یک تجهیز مقرون‌به‌صرفه برای پیاده‌سازی سیستم‌های طیف‌سنجی الکترونیکی استفاده گردد، که از ویژگی‌های مهم آن، مدار تولیدکننده سیگنال در فرکانس کار حدود 100 گیگاهرتز و بیشتر با بازه تنظیم فرکانس فوق‌العاده گسترده (50%) است. کاربرد طیف‌سنجی چرخشی به‌طور خاص برای پیاده‌سازی CMOS مناسب است، زیرا برای جلوگیری از اشباع مولکول‌ها، فقط به چند میکرووات انرژی انتقالی نیاز دارد. این موضوع با کاربردهای مخابراتی یا رادار بسیار تفاوت دارد، زیرا در آن‌ها انرژی انتقالی بسیار بیشتری نیاز است.
در سال‌های اخیر اسیلاتورهای LC متعددی برای تولید سیگنال CMOS موج میلی‌متری معرفی شده است [2] - [16]. این آثار می‌توانند بر اساس اهداف طراحی به سه گروه تقسیم شوند. اولین گروه سیگنال‌هایی با فرکانس تا حد امکان بالا تولید می‌کند [2] - [7]. یک VCO مد پایه 300 گیگاهرتزی در CMOS 65 نانومتری در [6] نشان می‌دهد که فرکانس خروجی پایه اسیلاتور درواقع می‌تواند به f_max فناوری (عملی) نزدیک شود. سیگنال‌های بزرگ‌تر از f_max  را می‌توان با استفاده از فناوری گسترش فرکانسی به همراه اسیلاتور تولید کرد. به‌عنوان‌مثال، در [7] یک سیگنال 553 گیگاهرتزی با استفاده از فناوری 4-push در CMOS 45 نانومتری تولید شده است. در دومین مورد [8] - [15] به‌صورت هم‌زمان بازه تنظیم افزایش یافته و نویز فاز حداقل شده است. در [10] یک اسیلاتور 57.5 تا 90.1 گیگاهرتزی معرفی شده و یک بازه تنظیم 44٪ شامل شکاف فرکانس خروجی a~2 GHz با استفاده از روش تنظیم مغناطیسی چندحالته ارائه گردیده است. سومین مورد در خصوص تمرکز بر روی افزایش توان خروجی است. به‌عنوان‌مثال در [16] یک VCO 283 تا 296 گیگاهرتز در CMOS 65 نانومتری با حداکثر توان خروجی 0.76 میلی‌وات نشان داده شده است. این موضوع نشان می‌دهد که با استفاده از فناوری فشار سه‌گانه، قدرت خروجی مدار مولد سیگنال CMOS می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی در فرکانس‌های موج کمتر از میلی‌متر بهبود یابد.
     این مقاله نشان داد که ممکن است یک مدار تولید سیگنال خروجی که سیگنال‌های خروجی آن از 85 تا 127 گیگاهرتز است (40% بازه تنظیم فرکانس) برای طیف‌نمایی چرخشی موج میلی‌متری در CMOS 65 نانومتری مناسب است. این کار با استفاده از روش جدید ترکیب هارمونیک باندپهن و گسترش استفاده از اندوکتانس‌های متغیر مبتنی بر سوئیچ NMOS  در فرکانس‌های موج میلی‌متری انجام می‌شود. علاوه بر این، این مقاله نشان داده است که کوپلینگ تربیعی پسیو که نیازی به Tبایاس باندپهن بر روی تراشه ندارد، موجب کاهش مصرف انرژی، نویز فاز و تلفات تبدیل برای تولید هارمونیک مرتبه چهارم به مقدار 3 دسی‌بل نسبت به برهم‌کنش خطی می‌شود [5]. جدول 2 عملکرد مدار پیشرفته تولید سیگنال موج میلی‌متری CMOS را نشان داده و مقایسه می‌کند. مدار تولید سیگنال ارائه‌شده در این مقاله دارای یک بازه تنظیم فرکانس بیش از 4 برابری نسبت به مدار تولید سیگنال قبلی با فرکانس مرکزی بیش از 90 گیگاهرتز است و FOM_T از -179 تا -186 dBc/Hz فراهم می‌کند که حداقل 4 دسی‌بل کمتر از موارد مشابه در [12] – [15] است. علاوه بر این، نویز فاز این مدار حدود 2 دسی‌بل کمتر و توان خروجی آن 5 دسی‌بل بیشتر از [10] است، درحالی‌که در فرکانس خروجی مشابه (85 تا 90 گیگاهرتز)، FOM_T و بازدهی توان یکسان دارد و دارای شکاف فرکانسی نیست. درنهایت، این مقاله راه را برای پیاده‌سازی یک فرستنده CMOS برای طیف‌نمایی چرخشی در فرکانس 180 تا 300 گیگاهرتز آسان می‌سازد.

5. نتیجه‌گیری

     این مقاله نشان داد که ممکن است یک مدار تولید سیگنال خروجی که سیگنال‌های خروجی آن از 85 تا 127 گیگاهرتز است (40% بازه تنظیم فرکانس) برای طیف‌نمایی چرخشی موج میلی‌متری در CMOS 65 نانومتری مناسب است. این کار با استفاده از روش جدید ترکیب هارمونیک باندپهن و گسترش استفاده از اندوکتانس‌های متغیر مبتنی بر سوئیچ NMOS  در فرکانس‌های موج میلی‌متری انجام می‌شود. علاوه بر این، این مقاله نشان داده است که کوپلینگ تربیعی پسیو که نیازی به Tبایاس باندپهن بر روی تراشه ندارد، موجب کاهش مصرف انرژی، نویز فاز و تلفات تبدیل برای تولید هارمونیک مرتبه چهارم به مقدار 3 دسی‌بل نسبت به برهم‌کنش خطی می‌شود [5]. جدول 2 عملکرد مدار پیشرفته تولید سیگنال موج میلی‌متری CMOS را نشان داده و مقایسه می‌کند. مدار تولید سیگنال ارائه‌شده در این مقاله دارای یک بازه تنظیم فرکانس بیش از 4 برابری نسبت به مدار تولید سیگنال قبلی با فرکانس مرکزی بیش از 90 گیگاهرتز است و FOM_T از -179 تا -186 dBc/Hz فراهم می‌کند که حداقل 4 دسی‌بل کمتر از موارد مشابه در [12] – [15] است. علاوه بر این، نویز فاز این مدار حدود 2 دسی‌بل کمتر و توان خروجی آن 5 دسی‌بل بیشتر از [10] است، درحالی‌که در فرکانس خروجی مشابه (85 تا 90 گیگاهرتز)، FOM_T و بازدهی توان یکسان دارد و دارای شکاف فرکانسی نیست. درنهایت، این مقاله راه را برای پیاده‌سازی یک فرستنده CMOS برای طیف‌نمایی چرخشی در فرکانس 180 تا 300 گیگاهرتز آسان می‌سازد.

Abstract

     A quadrature LC-VCO incorporating passive coupling and broadband harmonic combining for frequency multiplication by 4, and NMOS switched variable inductors is fabricated in 65 nm bulk CMOS to generate signals at 85 to 127 GHz. The passive quadrature coupling bypasses the need for a broadband on-chip bias-T, while reducing power consumption, phase noise, and the theoretical conversion loss for the 4th order harmonic generation by 3 dB over the linear superposition. The 39% frequency tuning range is at least 4x higher than the other CMOS implementations with center frequency over 90 GHz. At power consumption of 30–45 mW from a 1.5 V power supply, the measured output power varies from 15 to 23 dBm and phase noise at 10 MHz offset varies from 108 to 102 dBc/Hz over the output frequency range. These are sufficient for use in millimeter wave rotational spectroscopy.

I. INTRODUCTION

     ELECTRO-MAGNETIC waves in the millimeter and submillimeter wave frequency range (100 to 1000 GHz) are being utilized in fast-scan rotational spectroscopy for detection and identification of gas molecules [1]. This technique can be used for monitoring indoor air quality, gas leaks, human breath, and others for a wide variety of safety, security and medical applications. Advances of the high frequency capability of CMOS [2] have made it possible to consider CMOS as an affordable means for implementing the electronics for these spectroscopy systems, in which a signal generation circuit operating at ~100 GHz and higher with an ultra-wide frequency tuning range (~50%) is a key component. The rotational spectroscopy application is particularly well suited for CMOS implementation because it requires only a few micro-watt of transmitted power to avoid the saturation of molecules [1]. This is significantly different from communication or radar applications in which much higher transmitted power is needed.

     In recent years, numerous millimeter-wave CMOS signal generation circuits/LC oscillators have been reported [2]–[16]. These works can be categorized into three groups based on their design target. The first is generation of signals at frequencies as high as possible [2]–[7]. A 300 GHz fundamental mode VCO in 65 nm CMOS [6] demonstrated that the fundamental output frequency of an oscillator can indeed approach the Fmax of technology. By employing a frequency multiplication technique in conjunction with an oscillator, signals can be generated beyond Fmax. As an example, a 553 GHz signal was generated by using a 4-push technique in 45 nm CMOS [7]. The second is increasing the tuning range while minimizing phase noise degradation [8]–[15]. A 57.5–90.1 GHz oscillator was reported [10]. A 44%-tuning range including a ~2 GHz wide output frequency gap was reported using a magnetically-tuned multi-mode technique. The third focus has been increasing the output power. For example, a 283-to-296 GHz VCO in 65 nm CMOS with 0.76 mW peak output power [16] has been demonstrated. It showed that using a triple-push technique, the output power of CMOS signal generation circuit can be significantly improved at the sub-millimeter wave frequencies.

V. CONCLUSION

     This work has shown that it is possible to realize a signal generation circuit that outputs signals from 85 to 127 GHz (40 % frequency tuning range) suitable for millimeter wave rotational spectroscopy in 65 nm CMOS. This is accomplished by using a new broadband harmonic combining technique and extending the use of NMOS switch based variable inductors into millimeter wave frequencies. Furthermore, this work has shown that passive quadrature coupling that bypasses the need for a broadband on-chip bias-T reduces power consumption, phase noise, and conversion loss for the 4th order harmonic generation by ~3 dB over the linear superposition [5]. Table II summaries and compares the performance of state-of-the-art CMOS millimeter wave signal generation circuits. The signal generation circuit reported in this paper has a frequency tuning range which is more than 4x higher compared to the previously reported CMOS signal generation circuit with center frequency over 90 GHz, and achieves FOMT of -179 to -186 dBc/Hz which is at least 4 dB lower than that of the others [12]–[15]. In addition, this circuit exhibits ~2 dB lower phase noise and ~5 dB higher output power than [10] while having the same FOMT at the same output frequencies (85 to 90 GHz) and power efficiency, and not having a frequency gap. Lastly, this work paves the way for implementing a single CMOS transmitter for rotational spectroscopy at 180–300 GHz.

(جهت بزرگ نمایی روی عکس کلیک نمایید)

چکیده 
1. مقدمه
2. طراحی مولد سیگنال
3. طراحی مدار پیشنهادی
4. نتایج پیاده‌سازی و اندازه‌گیری
5. نتیجه‌گیری
منابع

Abstract
.1 INTRODUCTION
.2 SIGNAL GENERATOR ARCHITECTURE
.3 PROPOSED CIRCUIT ARCHITECTURE
.4 IMPLEMENTATION AND MEASUREMENT RESULTS
.5 CONCLUSION
REFERENCES