Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός ταλαντωτή εμβολής, ο οποίος θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως διαιρέτης συχνοτήτων. Ο ταλαντωτής και ο διαιρέτης συχνοτήτων, αποτελούν εξέχουσας σημασίας δομικά στοιχεία των RF πομποδεκτών και τοποθετούνται κατά κύριο λόγο μέσα στο βρόχο κλειδώματος φάσης-PLL, ο οποίος επιλέγεται ως συνθέτης συχνοτήτων στα περισσότερα ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Αφού μελετήσαμε τη δομή και τις κυριότερες τοπολογίες που χρησιμοποιούνται στη σχεδίαση των ταλαντωτών, προχωρήσαμε στην ανάλυση της εφαρμογή της μεθόδου της εμβολής (injection locking), με σκοπό τη βελτίωση των χαρακτηριστικών της εξόδου τους και ιδιαίτερα τη μείωση του θορύβου φάσης. Επίσης, περιγράφονται τα βασικά χαρακτηριστικά των αναλογικών και των ψηφιακών διαιρετών, ενώ δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στην ανάλυση της λειτουργίας των αναλογικών διαιρετών συχνότητας που βασίζονται σε ταλαντωτές εμβολής και είναι ευρύτερα γνωστοί ως injection-locked διαιρέτες συχνότητας (ILFDs). Η επιλογή για περαιτέρω μελέτη και υλοποίηση ενός Colpitts και ενός διαφορικού ταλαντωτή, βασίστηκε στα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν οι συγκεκριμένες τοπολογίες, με αποτέλεσμα την ευρεία χρήση τους σε RF εφαρμογές υψηλών συχνοτήτων. Επίσης οι ταλαντωτές εμβολής που προκύπτουν από τους ταλαντωτές αυτούς, επιδεικνύουν χαμηλή κατανάλωση ισχύος και πολύ καλή συμπεριφοράς ως προς τον θόρυβο φάσης. Ως συχνότητα λειτουργίας των προτεινόμενων κυκλωμάτων, επιλέχθηκε η πολύ σημαντική για τα ασύρματα συστήματα τηλεπικοινωνιών, συχνότητα των 5GHz. Προτείνεται και υλοποιείται λοιπόν ένας Colpitts ταλαντωτής και ο αντίστοιχος ταλαντωτής εμβολής, όπου όπως αποδεικνύεται τόσο από τις εξομοιώσεις όσο και από τα πειραματικά αποτελέσματα, μπορεί να λειτουργεί ως διαιρέτης συχνότητας δια-2 (Divide-by-2 ILFD). Από τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη μέτρηση του υλοποιημένου ταλαντωτή εμβολής, γίνεται ακόμη αντιληπτό ότι ο θόρυβος φάσης είναι εμφανώς βελτιωμένος, όπως αναμενόταν λόγω της εφαρμογής του σήματος εμβολής. Τέλος, σχεδιάστηκε και εξομοιώθηκε ένας διαφορικός ταλαντωτής (differential oscillator), από τον οποίο με κατάλληλη τροποποίηση της τοπολογίας του, προέκυψε ένας injection-locked divide-by-2 διαιρέτης συχνότητας. Το συγκεκριμένο κύκλωμα χρησιμοποιείται ευρέως για τη λειτουργία της διαίρεσης δια-2, εξαιτίας του ότι η τοπολογία του παρέχει ένα φυσικό divide-by-2 injection σημείο. / The subject of the present diplomatic project is the design and implementation of an injection locked oscillator, which might also be used as a frequency divider. The oscillator and the frequency divider, constitute distinguished important structural elements of RF transceivers and are mostly placed into the phase-locked-loop (PLL), which is selected as frequency synthesizer in most wireless telecommunications systems. After we studied the structure and the main topologies used in the design of oscillators, we advanced in the analysis and the application of injection locking method, aiming at the improvement of characteristics of their output and particularly the reduction of phase noise. Also, the basic characteristics of analog and digital dividers are described, while particular emphasis is given in the analysis of operation of analog frequency dividers that is based on injection-locked oscillators, more widely known as injection-locked frequency dividers (ILFDs). The choice for further study and implementation of a Colpitts and differential oscillator, was based on the advantages of the particular topologies, which result in their wide use in high-frequencies RF applications. Also the injection-locked oscillators that result from these oscillators, demonstrate low power consumption and very good behavior as far the phase noise. As operation frequency for the proposed circuits, was selected the very important for the wireless telecommunications systems, frequency of 5GHz. Therefore, it is proposed and implemented a Colpitts oscillator and the corresponding injection-locked oscillator, where as it is proved by the simulations as much as by the experimental results, can function as a divide-by-2 injection-locked frequency divider. From the results that resulted from the measurement of implemented injection-locked oscillator, it becomes clear that the phase noise is obviously improved, as it was expected due to the application of the injection signal. Finally, a differential oscillator was designed and simulated, from which with suitable modification of its topology, resulted a divide-by-2 injection-locked frequency divider. This particular circuit is used widely for the operation of division by-2, because its topology provides a natural divide-by-2 injection point.

Στη διατριβή αυτή προτείνονται, αναλύονται και υλοποιούνται εναλλακτικές τοπολογίες για δυο από τα κύρια υποσυστήματα ενός πομποδέκτη, τον τοπικό ταλαντωτή και τον ενισχυτή χαμηλού θορύβου. Το κύριο σύστημα που εξετάζεται είναι αυτό του τοπικού ταλαντωτή, όπου μελετούνται και υλοποιούνται τοπολογίες ταλαντωτών και βρόχων που λειτουργούν υπό εμβολή, με κύριο προσανατολισμό την ελαχιστοποίηση του θορύβου φάσης. Ο προτεινόμενος βρόχος εμβολής προσφέρει την δυνατότητα χρησιμοποίησής του σε multiband συστήματα με ταυτόχρονη μάλιστα λειτουργία στις ζώνες των 2.4 GHz και 5.2 GHz για την περίπτωση των ασύρματων τοπικών δικτύων. Ένας τέτοιος βρόχος μπορεί να συμβάλει καθοριστικά στην ελαχιστοποίηση του μεγέθους και της κατανάλωσης του συνολικού multiband συστήματος. Προτείνεται και υλοποιείται ένας ταλαντωτής εμβολής (injection-locked oscillator) και διερευνάται η δυνατότητά του να λειτουργεί παράλληλα και ως μίκτης δίνοντας ένα κύκλωμα πολλαπλών λειτουργιών και εφαρμογών. Το κύκλωμα αυτό ανάλογα με τα σήματα που εμφανίζονται στην είσοδό του λειτουργεί ως απλός ταλαντωτής, ως ταλαντωτής εμβολής, ή ως ίδιο-ταλαντούμενος μίκτης. Προτείνεται και υλοποιείται βρόχος εμβολής (injection-locked phase-locked loop, ILPLL) και μελετάται η βελτίωση στον θόρυβο φάσης και την περιοχή κλειδώματος. Στα πλαίσια των ILPLL μελετώνται και υλοποιούνται βρόχοι εμβολής στην θεμελιώδη συχνότητα και βρόχοι υπό-αρμονικής (sub-harmonic) εμβολής (s-ILPLL). Ο βρόχος υπό-αρμονικής εμβολής χρησιμοποιεί σήμα εμβολής στα 2.5 GHz και παράγει συχνότητα εξόδου 5 GHz. Στα πλαίσια της διερεύνησης του θορύβου φάσης σε συστήματα τοπικών ταλαντωτών μελετάται η διάταξη του συνθέτη διπλού βρόχου και αναπτύσσεται μία πρωτότυπη τοπολογία με καλύτερα χαρακτηριστικά στον θόρυβο φάσης σε σύγκριση με τις κλασικές αρχιτεκτονικές διπλού βρόχου. Σε όλες τις παραπάνω διατάξεις, παρουσιάζονται, η μαθηματική ανάλυση για τον θόρυβο φάσης και τα αποτελέσματα των θεωρητικών υπολογισμών. Η ορθότητα των προτάσεων και η λειτουργία των προτεινόμενων διατάξεων επαληθεύεται με μετρήσεις των πειραματικών πρωτοτύπων. Τέλος, στα πλαίσια της διατριβής προτείνεται ένας ενισχυτής χαμηλού θορύβου που περιλαμβάνει κύκλωμα ελέγχου του κέρδους, το οποίο δίνει την δυνατότητα στο σύστημα να «επιλέξει» την επιθυμητή ενίσχυση ανάλογα με τις συνθήκες, μειώνοντας έτσι σημαντικά την κατανάλωση σε περιπτώσεις όπου αυτό είναι δυνατό. Περιλαμβάνει επίσης και φίλτρο απόρριψης ειδώλου που ελέγχεται από εξωτερική τάση συντονισμού. / In this dissertation we propose, study and develop alternative topologies for two of the most important blocks of a Front-End, the Local Oscillator and the Low Noise Amplifier. We are mainly concerned with the analysis of various local oscillator topologies, studying the phase noise and the injection-locking performance of oscillators and phase-locked loops. The overall performance of the experimental design demonstrates the applicability of the proposed approach to the development of dual-band synthesizers (2.4 GHz and 5.2 GHz), which constitute very important subsystems for modern multiband/multistandard transceivers in WLAN applications. We propose and develop an injection locked oscillator (ILO) and investigate the ability to operate simultaneously as a mixer resulting in a multifunctional circuit. The proposed circuit topology operates as: a) a free-running oscillator, b) both an injection-locked oscillator and a subharmonic injection-locked oscillator (s-ILO), c) both a self-oscillating mixer and a harmonic self-oscillating mixer (h-SOM), and d) a subharmonic injection-locked self-oscillating mixer (s-ILSOM). We propose and develop a different approach for ILPLL design at 5 GHz by applying a technique used in optical communications. We newly address the phase-noise analysis using the loop linear model and compare the results with previously reported work. Furthermore, we address the phase noise improvement of subharmonic ILPLLs, especially for the 5-GHz band. Theoretical analysis and computer calculations demonstrate an improved performance for phase noise and power consumption. We present the analysis and experimental evaluation of a modified dual-loop phase locked loop synthesizer, using the phase noise transfer functions resulting from the linear model of the synthesizer. The different arrangement in the high frequency loop, in contrast to previous reported series-connected dual-loop topologies, offers various advantages, such as improved phase noise, finer resolution and lower spurious levels. Discrete elements are used to implement a prototype system for testing. This adds to the flexibility of the design and allows for experimental optimisation of the loop trade-offs. The synthesizer generates signals in the 4850 MHz to 5050 MHz range with a 10 MHz resolution and can match the specifications for wireless LANs operating at 5 GHz. The design resulted in a prototype with very good characteristics suitable for future integration. For all the proposed topologies we present the mathematical analysis and calculated results for the phase noise. Measurement results illustrate the validity of the proposed analyses, demonstrate the main characteristics, and confirm the feasibility of the proposed systems. Finally, a bipolar Low Noise Amplifier (LNA) is designed in this thesis. The IC contains the LNA core, an externally programmed bias network and an image rejection filter. The externally programmed bias network allows the user to select the bias current in an adaptive manner, depending upon the requirements of the individual system. (Low NF, high gain, low consumption etc). Furthermore, the chip can be powered down by sending an appropriate bit stream to the bias network.