Στη παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε, σχεδιάστηκε, προσομοιώθηκε και κατασκευάστηκε ένα σύστημα ενός ταλαντωτή το οποίο μειώνει τον θόρυβο φάσης (phase noise) σε εικονικά οποιονδήποτε ήδη υπάρχον ταλαντωτή ελεγχόμενου από τάση (VCO). Για να το πετύχει αυτό η προτεινόμενη τεχνική δανείζεται από την ιδέα του βρόχου κλειδωμένης φάσης (Phase Locked Loop) και με λίγα επιπλέον ηλεκτρονικά στοιχεία καθιστά δυνατή την μείωση του phase noise επηρεάζοντας σε μικρό βαθμό τα χαρακτηριστικά του VCO αλλά και δίνοντας την δυνατότητα παραμετροποίησης των χαρακτηριστικών ποιοτικών στοιχείων του τελικού ταλαντωτή που προκύπτει. Το σύστημα του ταλαντωτή κατασκευάστηκε σε πλακέτα(PCB) με διακριτά στοιχεία τα οποία παρέχονταν από το Εργαστήριο Ηλεκτρονικών Εφαρμογών. Το σύστημα αυτό μπορεί να ανταποκριθεί στις ραγδαία αυξανόμενες απαιτήσεις απόδοσης των ταλαντωτών στις σημερινές εφαρμογές, όσο αφορά στον χαμηλό θόρυβο φάσης, την χαμηλή κατανάλωση, την μικρή πολυπλοκότητα στο σχεδιασμό, την μικρή επιφάνεια και την ευκολία στην ολοκλήρωση. / The present diploma thesis pertains the study, design, simulation and implementation of an oscillator system that reduces phase noise in virtually any given already existing voltage controlled oscillator (VCO). To achieve that the proposed technique borrows from the idea of the Phase Locked Loop and with just a few extra electronic components it enables the reduction of phase noise ,by affecting the core characteristic qualities of the employed VCO only by a small fraction, as well as the optimization of the specifications of the resulting oscillator. This oscillator system was manufactured on a printed circuit board and implemented with discrete components which were supplied by the Applied Electronics Lab. This system can measure up to the increasing performance demands for oscillators by todays applications in terms of low phase noise, low power consumption, small design complexity, small area and ease of integration.

Le but de cette thèse est d'explorer les opportunités de design au-delà des fréquences millimétriques en se rapprochant le plus possible de la bande THz en technologie CMOS. L’application spécifique est la détection hétérodyne pour l'imagerie THz. Sachant qu’on vise des fréquences autour de 280 GHz et on travaille avec la technologie CMOS 65 nm, les composant réalisés fonctionnent 80 GHz au-dessus de la fréquence de coupure fmax des transistors utilisés. En termes de réalisation on a développé deux oscillateurs à verrouillage par injection sous-harmonique fonctionnant autour de 280 GHz. La fréquence d’injection de chaque oscillateur est d’environ 47 GHz (1/6 de la fréquence de sortie). Afin de produire des oscillations au-delà de fmax, des techniques de génération harmonique ont été utilisées (push-push, triple-push, etc). Les oscillateurs génèrent des signaux de – 19 et – 14 dBm de puissance à 280 GHz. Chaque composant a été utilisé comme oscillateur local pour des récepteurs hétérodynes fonctionnant à la même fréquence. Ces récepteurs n’ont pas de LNA au début de la chaîne à cause des faibles fréquences de coure néanmoins ils utilisent des mélangeurs passifs afin de pouvoir multiplier des signaux au-delà des limites. Les deux récepteurs développés ont un gain de conversion de – 6 dB et ont des figures de bruit (NF) de 36 et 30 dB. La version la plus performante du récepteur (30 dB de NF) a été intégrée avec une antenne développée par le Labsticc afin de pouvoir réaliser des images Sub-THz avec la détection hétérodyne. / The main goal of this thesis is to explore design opportunities beyond the millimeter wave frequencies and to get as close as possible to the THz band using CMOS technologies. The main application is the heterodyne detection for THz imaging. The cut-off frequencies ft/fmax of the used process (65 nm CMOS) are 150/205 GHz, the chosen operation frequency of the developed systems is 280 GHz which means that the circuits developed during this thesis operate at least 80 GHz beyond their fmax cut-off frequency. Two 280 GHz sub-harmonic injection locked oscillators were developed, the injection frequency corresponds to one sixth of the ouput frequency. In order to generate oscillations beyond fmax, harmonic boost techniques are used such as the push-push and triple push techniques. The output power of the oscillators are - 19 and - 14 dBm at 280 GHz. Both components were used as local oscillators for two heterodyne receivers operating around the same frequency. In order to down-covert the Sub-THz signal, a passive resistive mixer is used; this kind of circuit allows mixing beyond the active transistor limits. Also there is no LNA at the begining of the Rx chain since the cut-off frequencies are very low and there will be no gain for amplification at 280 GHz. The conversion gain of both receivers is - 6 dB however the NF's are 36 dB and 30 dB. The best receiver (30 dB) is co-integrated with an antenna (developed by Labsticc) using the same process allowing heterodyne detection THz imaging.

Η περιοχή της σχεδίασης ολοκληρωμένων κυκλωμάτων στις RF συχνότητες είναι ιδιαίτερα δυναμική τα τελευταία χρόνια, πράγμα που αποδεικνύεται και από τις πολύ υψηλού επιπέδου δημοσιεύσεις σε ένα από τα πλέον έγκριτα περιοδικά του χώρου, το IEEE Journal of Solid State Circuits - JSSC. Οι προκλήσεις είναι τεράστιες διότι από τη μια μεριά οι τεχνικές ολοκλήρωσης επιφέρουν σμίκρυνση σε βαθιά υπομικρονικές μέχρι νάνο διαστάσεις, ενώ από την άλλη η σχεδίαση των κυκλωμάτων είναι πολύ απαιτητική με πολλές παγίδες λόγω των παρασιτικών φαινομένων που παίζουν τεράστιο ρόλο σε όλα τα μοντέλα. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας επικεντρωνό μαστε στη μελέτη των VCOs (voltage controlled oscillators). Παραθέτουμε τις πλέον σύγχρονες τοπολογίες που χρησιμοποιούνται σήμερα και μελετούμε τη συμπεριφορά τους ως προς το θόρυβο με το πολύ πρόσφατο μοντέλο που βασίζεται στη μέθοδο Impulse Sensitivity function. Εξετάζουμε συν τοις άλλοις τις ιδιαιτερότητες που εμφανίζουν τα παθητικά στοιχεία (πηνίο και πυκνωτής) στις υψηλές συχνότητες. Στη συνέχεια, εφαρμόζουμε τεχνικές βελτιστοποίησης ως προς το θόρυβο φάσης για κάθε μία από τις τοπολογίες, αναδεικνύοντας τους απαιτούμενους συμβιβασμούς στις απαιτήσεις της σχεδίασης και συγκρίνουμε τα αποτελέσματα θεωρίας και εξομοίωσης, τα οποία και συγκλίνουν. Τέλος, παρουσιάζονται και μελετώνται τοπολογίες που παράγουν ορθογώνια σήματα και προτείνεται μια νέα τοπολογία για τον ταλαντωτή Colpitts. / The RF integrated circuits design is an intensively developed region of electronics lately, which is also observed by the high level of publications in the world's most specialized journal of the field. Design challenges are huge due to the sub-micron processes of integration and the increased parasitics of the devices. in this work, the focus was on the study of VCOs (voltage controlled oscillators). We mention the latest topologies that are used nowadays and we study their behavior in terms of noise using the recently developed model of Impulse Sensitivity function. Moreover we examine the particularities of passive elements (inductor and capacitor) in high frequencies. Later, we apply optimization techniques regarding the phase noise, showing the necessary design trade-offs and compare the theoretical and simulation results, which converge. Finally, quadrature signal topologies are presented and studied and a new topology is proposed for Colpitts oscillator.

L'objectif de cette thèse est de démontrer la faisabilité d'oscillateurs contrôlés en tension (O.C.T.) rivalisant en termes de bruit de phase avec les O.C.T. fabriqués en technologies III V. Cet O.C.T. doit être complètement intégré, adresser la bande Ku et utiliser la technologie QUBiC4X de NXP Semiconductors. Les travaux de cette thèse sont articulés autour de trois chapitres principaux, le premier revient sur les bases fondamentales à la compréhension des phénomènes inhérents aux composants électroniques et présents dans les oscillateurs plus particulièrement. Le second explique, en s'appuyant sur l'analyse des formes d'ondes et sur des calculs analytiques, les choix retenus en termes d'architecture pour la partie active ainsi que pour le résonateur afin de minimiser la conversion du bruit AM/PM et atteindre les meilleures performances possibles en bruit de phase. Il décrit les quatre versions d'O.C.T. réalisés et analyse les résultats de simulations post-layout obtenus pour justifier leur fabrication. Il présente notamment une architecture innovante utilisant les avantages d'un montage cascode ainsi qu'un résonateur à trois inductances différentielles imbriquées les unes dans les autres. Le troisième chapitre détaille les choix de design faits lors du dessin des masques ainsi que les résultats de mesures obtenus pour les quatre versions fabriquées. Enfin, il se termine par une énumération des recherches menées dans le but d'expliquer les différences observées entre les résultats de mesure et de simulation. / The thesis goal is to demonstrate the feasibility of voltage controlled oscillator (VCO) challenging the VCOs using III-V technologies regarding phase noise performances. This VCO must be fully integrated, target the Ku-band and use the QUBiC4X process from NXP Semiconductors. This thesis work is based on three main chapters, the first one reviews the fundamentals to understand the intrinsic phenomena in electronics components and more particularly in oscillators. The second explains, by using the waveforms analysis and analytical demonstrations, the choices made regarding both the active part and the resonator architecture in order to minimize the AM/PM noise conversion and then to reach the best phase noise performances. It describes the four versions of the realized VCOs and analyzes the post-layout simulations results to justify their fabrications. It shows more specifically an innovative architecture using the advantages of a cascode configuration and a resonator based on three interlocked differential inductors. Finally, the third chapter focuses on the masks' layout and measurements results of the four VCOs. It also details the investigations made to explain the differences between measurements and simulations.

Ο στόχος της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η μελέτη ενός διαφορικού ταλαντωτή Collpits ο οποίος λειτουργεί ως διαιρέτης συχνότητας με έγχυση ρεύματος στην πηγή, χαμηλού θορύβου και διαφορικής εισόδου, ως προς την κατανάλωση και το θόρυβο. Επίσης συγκρίνεται η απόδοσή του σε αυτούς τους τομείς με την απόδοση άλλων τοπολογιών αναλογικών διαιρετών συχνότητας αλλά και ψηφιακών. / The objective of this thesis is to study a Collpits differential oscillator which works as a low noise and differential input, current source injection frequency divider, by taking into account consumption and noise. Also the performance in these areas is compared with other topologies of analogue and/or digital frequency dividers.

Σε αυτήν την εργασία μελετήθηκε και σχεδιάστηκε ένας ψηφιακά ελεγχόμενος ταλαντωτής (DCO) με σκοπό GSM εφαρμογή. Οι συχνότητες λειτουργίας κυμαίνονται στο φάσμα 1.6GHz – 2GHz με βήμα 20kHz. Ο θόρυβος φάσης ποσοτικοποιείται στα -160dB/Hz σε 20 MHz απόκλιση. Ο έλεγχος του DCO γίνεται πλήρως ψηφιακά επιτρέποντας την υλοποίηση πλήρους ψηφιακού βρόχου κλειδώματος φάσης (ADPLL) και καθολικού system on chip design (SoC). Ο ταλαντωτής καταναλώνει 4,5 mWatt με 3,76 mA ρεύμα σε 1.2 V τροφοδοσία. / A Digitally Controlled Oscillator is studied and designed for GSM application. The operating frequencies are 1.6-2GHz with tuning range of 400MHz and finest step size 20 KHz. A fully digital control is achieved form where arises the opportunity for fabrication of an All-Digital Phase Locked Loop (ADPLL) and the whole system on chip (SoC). The proposed DCO core consumes 3.76mA from a 1.2V supply.