Nesta dissertação os conceitos e técnicas relacionadas com a automação e otimização do projeto de um oscilador controlável por tensão para aplicações de rádio frequência são apresentados. O problema de projeto do oscilador foi formulado como um problema de otimização matemática conhecido como programação geométrica. Uma abordagem à aplicação da programação geométrica no projeto de um circuito simples foi feita primeiro. Dessa forma, as vantagens e limitações da metodologia são identificadas e propostas para lidar com esses problemas são revisados. Com uma idéia clara da metodologia, o problema de projeto do oscilador como um programa geométrico é apresentado. Um requerimento importante da aplicação de programação geométrica no projeto de circuitos é a necessidade de contar com modelos dos dispositivos que sejam compatíveis com a forma matemática do problema de otimização. Nesse sentido, neste trabalho se mostra como foram obtidos esses modelos para parâmetros do transistor e de um indutor quadrado simétrico onchip. Finalmente, aplicou-se a metodologia no projeto de um VCO na banda ISM 2.4GHz numa tecnologia CMOS 0.35um padrão de 4 metais, simulações do circuito mostraram uma figura de mérito de 180dBc/Hz com o ruído de fase de -130dBc/Hz a 3MHz de offset da portadora. Finalmente, o layout do protótipo de um VCO foi feito e fabricado. Testes experimentais foram desenvolvidos. Os resultados obtidos mostraram boa correlação com as simulações póslayout do circuito. / In this work the concepts and techniques related to the optimization and automation of the design of a controlled voltage oscillator intended for radio frequency applications are presented. The design problem of the oscillator was cast as a mathematical optimization problem known as geometric programming. As a first approach, the application of geometric programming in the design of a simple circuits was done. Thus, the advantages and limitations of the methodology were first reviewed and strategies to overcome theses problems were also presented. With a better understanding of the methodology, the formulation of the oscillator as a geometric program was presented. One of the most important requirements in the application of geometric programming in circuit design is the needed of device models suitable with the mathematical form of a geometric program. Thus, in this work the techniques used to obtain theses models for transistor and inductor parameters were presented. Using the proposed methodology, a VCO for the 2.4GHz ISM frequency band was designed in a standard 4 metals 0.35um CMOS technology. From simulations results, the VCO achieved a figure of merit of 180 dBc/Hz with a phase noise of -130dBc/Hz at 3MHz of offset frequency. A prototype of a VCO was fabricated and experimental tests were developed. From the obtained results good agreement with post layout simulations were observed.

Nesta dissertação os conceitos e técnicas relacionadas com a automação e otimização do projeto de um oscilador controlável por tensão para aplicações de rádio frequência são apresentados. O problema de projeto do oscilador foi formulado como um problema de otimização matemática conhecido como programação geométrica. Uma abordagem à aplicação da programação geométrica no projeto de um circuito simples foi feita primeiro. Dessa forma, as vantagens e limitações da metodologia são identificadas e propostas para lidar com esses problemas são revisados. Com uma idéia clara da metodologia, o problema de projeto do oscilador como um programa geométrico é apresentado. Um requerimento importante da aplicação de programação geométrica no projeto de circuitos é a necessidade de contar com modelos dos dispositivos que sejam compatíveis com a forma matemática do problema de otimização. Nesse sentido, neste trabalho se mostra como foram obtidos esses modelos para parâmetros do transistor e de um indutor quadrado simétrico onchip. Finalmente, aplicou-se a metodologia no projeto de um VCO na banda ISM 2.4GHz numa tecnologia CMOS 0.35um padrão de 4 metais, simulações do circuito mostraram uma figura de mérito de 180dBc/Hz com o ruído de fase de -130dBc/Hz a 3MHz de offset da portadora. Finalmente, o layout do protótipo de um VCO foi feito e fabricado. Testes experimentais foram desenvolvidos. Os resultados obtidos mostraram boa correlação com as simulações póslayout do circuito. / In this work the concepts and techniques related to the optimization and automation of the design of a controlled voltage oscillator intended for radio frequency applications are presented. The design problem of the oscillator was cast as a mathematical optimization problem known as geometric programming. As a first approach, the application of geometric programming in the design of a simple circuits was done. Thus, the advantages and limitations of the methodology were first reviewed and strategies to overcome theses problems were also presented. With a better understanding of the methodology, the formulation of the oscillator as a geometric program was presented. One of the most important requirements in the application of geometric programming in circuit design is the needed of device models suitable with the mathematical form of a geometric program. Thus, in this work the techniques used to obtain theses models for transistor and inductor parameters were presented. Using the proposed methodology, a VCO for the 2.4GHz ISM frequency band was designed in a standard 4 metals 0.35um CMOS technology. From simulations results, the VCO achieved a figure of merit of 180 dBc/Hz with a phase noise of -130dBc/Hz at 3MHz of offset frequency. A prototype of a VCO was fabricated and experimental tests were developed. From the obtained results good agreement with post layout simulations were observed.

Os diodos laser são amplamente usados em física atômica em configurações de cavidade externa com uma rede de difração (Configuração Littrow ou Littrow-Metcalf), que permite sintonizar o seu comprimento de onda e filtrar do seu espectro. Mesmo com este controle, eles apresentam um excesso de ruído por volta de 40 dB acima do ruído quântico padrão, dificultando seu uso em ótica quântica. Nosso propósito neste projeto é diminuir os valores típicos de ruído do diodo laser até níveis aceitáveis que permitam trabalhar em ótica quântica. Para conseguir isto, construímos um laser em estrutura em anel com o diodo semicondutor como o meio de ganho. Caracterizamos a potência de saída do laser em função da corrente de injeção no chip. Também introduzimos um mecanismo de controle das perdas da cavidade para caracterizar a potência de saída em função das perdas. Alcançamos uma potência máxima de 25 mW para 0, 8 A, com um limiar de oscilação de 0, 45 A, e uma potência máxima de 10 mW (a 0, 8 A) com um limiar de 0, 41 A. Para caracterizar as suas propriedades de ruído, usamos a técnica da rotação de elipse para diferentes valores da corrente de injeção e de perdas controladas. Finalmente, comparamos o ruído das quadraturas do nosso novo sistema com o ruído de um laser de diodo em configuração Littrow. Enquanto o laser Littrow apresenta excesso de 40 dB no ruído da fase, encontramos valores para o ruído de amplitude do nosso novo laser entre 10 e 15 dB e do ruído de fase entre 11 e 27 dB acima do nível do ruído quântico padrão. Assim, conseguimos diminuir o ruído da quadratura fase por volta de 20 dB, porém, também incrementamos o ruído de amplitude, fazendo com que o ruído das quadraturas esteja no nível de 11 dB acimo do nível do ruído quântico padrão. Este nível é compatível com laseres de estado sólido (Nd:YAG) e pode ser facilmente reduzido com ajuda de uma cavidade de filtro. / Laser diodes are widely used in atomic physics in configurations of external cavity with a diffraction grating (Littrow or Littrow-Metcalf configuration), that allows us to tune its wavelength and filter their spectrum. Even with this control they present an excess noise about 40 dB above the standard quantum level,limiting their uses for quantum optics. Our goal in this project is to decrease the typical noise level of the diode laser, to reasonable values for future work with quantum optics. In order to do that we built a ring laser using a semiconductor chip as the gain medium. We characterize the output power of the laser as a function of the injection current. We also introduce a mechanism for controlling the losses so that, we were able to characterize the output power by changing the controlled losses. We reach a maximum power of 25 mW at 0.8 A, with the threshold current value 0.45 A, and a maximum power of 10 mW (@ 0.8 A) for 0.41 A of threshold current. In order to characterize its noise properties, we performed the ellipse rotation technique for different values of the injection current and controlled looses. Finally, we compare the quadrature noise of our new system with the noise of a diode laser in Littrow configuration. While Littrow laser present excess of of 40 dB on the phase noise, we found noise levels for the amplitude noise of our new laser between 10 to 15 dB and its phase noise between 11 to 27 dB above the standard quantum level. So, we achieved a noise reduction of the phase quadrature in 20 dB, but, we also increase the amplitude noise, obtaining a quadrature noise around 11 dB above the standard quantum limit. This level is compatible with solid state lasers (Nd:YAG) and can be easily reduced with the help of a filter cavity.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-08-30Bitstream added on 2014-06-13T19:27:59Z : No. of bitstreams: 1 pereira_mva_me_ilha.pdf: 1675496 bytes, checksum: e8bfb14cdd90155eb3c43096d4c160df (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Este trabalho apresenta um Oscilador Controlado por Corrente (CCO) com configuração em anel usando tecnologia CMOS, com melhorias na faixa de operação e ruído de fase. O oscilador proposto tem uma faixa de oscilação de 0,0989 GHz a 1,2 GHz com uma corrente de controle com um intervalo de 0,1 mA a 3 mA com uma potência dissipada de 11,8 mW. A arquitetura apresenta uma melhoria na fase de ruído de -7 dBc / Hz em relação a um oscilador em anel de três estágios (VCO), também apresentado neste trabalho. A estrutura proposta é baseada na mudança da entrada de controle do oscilador e também em modificações nas polarizações dos transistor de carga do estágio de atraso. Estas mudanças, além de aumentar a faixa de operação do oscilador e diminuir o efeito do ruído de fase, também reduzem a variação da amplitude do sinal de saída que acontece a medida que a frequência de operação aumenta ou diminui. Simulações realizadas com ambos os osciladores, confirmam os resultados. / This dissertation presents a Current Controlled Oscillator (CCO-Current-Controlled Oscillator) at ring configuration using CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) technology, with improvements in operating range and phase noise. The proposed oscillator has an oscillation range of 98.959 MHz to 1.2 GHz with a current control with a range of 0.1 mA to 3 mA with a power dissipation of 11.8 mW. The architecture shows an improvement in phase noise of -7 dBc / Hz when compared with a ring oscillator in three stages (VCO-Voltage- Controlled Oscillator), also presented in this paper. The proposed structure is in the change of input control and also in the polarizations of the load transistor stage of delay. These changes, in modifications increase the operations range of the oscillator, reduce the phase noise and minimize the amplitude variation of the output signal when the frequency operation increase or decrease. Simulations with both oscillators and their comparisons confirm these results.

Os diodos laser são amplamente usados em física atômica em configurações de cavidade externa com uma rede de difração (Configuração Littrow ou Littrow-Metcalf), que permite sintonizar o seu comprimento de onda e filtrar do seu espectro. Mesmo com este controle, eles apresentam um excesso de ruído por volta de 40 dB acima do ruído quântico padrão, dificultando seu uso em ótica quântica. Nosso propósito neste projeto é diminuir os valores típicos de ruído do diodo laser até níveis aceitáveis que permitam trabalhar em ótica quântica. Para conseguir isto, construímos um laser em estrutura em anel com o diodo semicondutor como o meio de ganho. Caracterizamos a potência de saída do laser em função da corrente de injeção no chip. Também introduzimos um mecanismo de controle das perdas da cavidade para caracterizar a potência de saída em função das perdas. Alcançamos uma potência máxima de 25 mW para 0, 8 A, com um limiar de oscilação de 0, 45 A, e uma potência máxima de 10 mW (a 0, 8 A) com um limiar de 0, 41 A. Para caracterizar as suas propriedades de ruído, usamos a técnica da rotação de elipse para diferentes valores da corrente de injeção e de perdas controladas. Finalmente, comparamos o ruído das quadraturas do nosso novo sistema com o ruído de um laser de diodo em configuração Littrow. Enquanto o laser Littrow apresenta excesso de 40 dB no ruído da fase, encontramos valores para o ruído de amplitude do nosso novo laser entre 10 e 15 dB e do ruído de fase entre 11 e 27 dB acima do nível do ruído quântico padrão. Assim, conseguimos diminuir o ruído da quadratura fase por volta de 20 dB, porém, também incrementamos o ruído de amplitude, fazendo com que o ruído das quadraturas esteja no nível de 11 dB acimo do nível do ruído quântico padrão. Este nível é compatível com laseres de estado sólido (Nd:YAG) e pode ser facilmente reduzido com ajuda de uma cavidade de filtro. / Laser diodes are widely used in atomic physics in configurations of external cavity with a diffraction grating (Littrow or Littrow-Metcalf configuration), that allows us to tune its wavelength and filter their spectrum. Even with this control they present an excess noise about 40 dB above the standard quantum level,limiting their uses for quantum optics. Our goal in this project is to decrease the typical noise level of the diode laser, to reasonable values for future work with quantum optics. In order to do that we built a ring laser using a semiconductor chip as the gain medium. We characterize the output power of the laser as a function of the injection current. We also introduce a mechanism for controlling the losses so that, we were able to characterize the output power by changing the controlled losses. We reach a maximum power of 25 mW at 0.8 A, with the threshold current value 0.45 A, and a maximum power of 10 mW (@ 0.8 A) for 0.41 A of threshold current. In order to characterize its noise properties, we performed the ellipse rotation technique for different values of the injection current and controlled looses. Finally, we compare the quadrature noise of our new system with the noise of a diode laser in Littrow configuration. While Littrow laser present excess of of 40 dB on the phase noise, we found noise levels for the amplitude noise of our new laser between 10 to 15 dB and its phase noise between 11 to 27 dB above the standard quantum level. So, we achieved a noise reduction of the phase quadrature in 20 dB, but, we also increase the amplitude noise, obtaining a quadrature noise around 11 dB above the standard quantum limit. This level is compatible with solid state lasers (Nd:YAG) and can be easily reduced with the help of a filter cavity.