Les oscillateurs sont des blocs qui figurent dans presque tous les circuits. En effet,ils sont utilisés pour générer les signaux de synchronisation (les horloges), les signauxmodulés et démodulés ou récupérer des signaux noyés dans du bruit (détection synchrone).Les caractéristiques de ces oscillateurs dépendent de l'application. Dans le cas des boucles àverrouillage de phase (PLL), il existe de fortes exigences en matière de stabilité et de bruitde phase. En outre, face aux avancées des technologies nanométriques, il est égalementnécessaire de prendre en compte les effets liés à la variabilité des procédés de fabrication.Aujourd'hui, de nombreuses études sont menées sur les oscillateurs asynchrones en anneauqui présentent des caractéristiques bien adaptées à la gestion de la variabilité et qui offrentune structure appropriée pour limiter le bruit de phase. A ce titre, les anneaux asynchronessont considérés comme une solution prometteuse pour générer des horloges.Cette thèse étudie les avantages et les potentiels offerts par les oscillateursasynchrones en anneau. Deux applications principales ont été identifiées. D'une part, cesoscillateurs sont une solution prometteuse pour la génération d'horloges polyphasées àhaute fréquence et à faible bruit de phase. D'autre part, ils constituent une alternativesimple, dans une certaine mesure aux oscillateurs plus conventionnels et aux DLLs, car ilssont programmables en fréquence numériquement et sont susceptibles de fournir lesfonctionnalités d'arrêt de type gated clock de façon native. Plusieurs oscillateurs ont étéconçus, implémentés, fabriqués en technologie CMOS 65 nm de STMicroelectronics et,finalement, caractérisés sous pointes. Ces travaux ont notamment permis de démontrer lapertinence de ces oscillateurs, qui constituent une alternative sérieuse aux très classiquesoscillateurs en anneau à base d'inverseurs.

Le sujet de cette thèse porte sur la réalisation d'un bloc de transposition de fréquence de 1 à 20GHz à base de composants MEMS. Cette thèse s'est traduite par la conception et la réalisation d'un nouveau type de capacité MEMS RF variable, qui se base sur des structures rotatives de type gyroscope pour l'actionnement, et sur une variation de surface pour la variation de capacité. Comparée à différentes architectures publiées à ce jour, cette structure a l'avantage d'avoir la partie actionnement (la partie MEMS) et la partie RF (la capacité) isolées électriquement, ce qui permet d'éviter le phénomène d'auto actionnement avec la puissance du signal RF traversant. Un autre avantage de la structure développée est la possibilité d'avoir simultanément 8 capacités variables sur une puce unique, avec un seul système d'actionnement. La fabrication de ces puces nécessite l'utilisation d'un wafer SOI pour la partie MEMS et d'un wafer en verre pour la partie RF, ce qui offre la possibilité d'une mise en boitier du MEMS directement pendant le procédé de fabrication. Ces travaux ont également porté sur l'étude du phénomène de pullin dans le cadre des peignes interdigités incurvés (curved combdrive), laissant apparaître les paramètres physiques critiques lors du dimensionnement. Cette étude paramétrique a été utilisée pour améliorer la structure d'actionnement en utilisant des peignes interdigités à largeur de doigt et à gap variable, pour repousser ce phénomène de pullin en dehors de la plage utile d'actionnement. Cette nouvelle capacité variable a ensuite été intégrée dans un système simple d'oscillateur accordable sur alumine pour valider ses performances RF et pourra être associée à un mélangeur pour réaliser le bloc complet de transposition de fréquence

This work is dealing with phase lock loop design. In the theoretical part is principal description. In the practical part is detailed mathematical description, choice of various blocks, design calculation and optimalization of final solution. Designed solution is simulated and final result are commented.

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Signal generation at high frequency has become increasingly important in numerous wireline and wireless applications. In many gigahertz and millimeter-wave frequency ranges, conventional frequency generation techniques have encountered several design challenges in terms of frequency tuning range, phase noise, and power consumption. Recently, injection locking has been a popular technique to solve these design challenges for frequency generation. However, the narrow locking range of the injection locking techniques limits their use. Furthermore, they suffer from significant reference spur issues. This dissertation presents novel frequency generation techniques based on envelope detection for low-phase-noise signal generation using injection-locked frequency multipliers (ILFMs). Several calibration techniques using envelope detection are introduced to solve conventional problems in injection locking. The proposed topologies are demonstrated with 0.13um CMOS technology for the following injection-locked frequency generators. First, a mixed-mode injection-frequency locked loop (IFLL) is presented for calibrating locking range and phase noise of an injection-locked oscillator (ILO). The IFLL autonomously tracks the injection frequency by processing the AM modulated envelope signal bearing a frequency difference between injection frequency and ILO free-running frequency in digital feedback. Second, a quadrature injection-locked frequency tripler using third-harmonic phase shifters is proposed. Two capacitively-degenerated differential pairs are utilized for quadrature injection signals, thereby increasing injection-locking range and reducing phase error. Next, an injection-locked clock multiplier using an envelope-based frequency tracking loop is presented for a low phase noise signal and low reference spur. In the proposed technique, an envelope detector constantly monitors the VCO's output waveform distortion caused by frequency difference between the VCO frequency and reference frequency. Therefore, the proposed techniques can compensate for frequency variation of the VCO due to PVT variations. Finally, this dissertation presents a subharmonically injection-locked PLL (SILPLL), which is cascaded with a quadrature ILO. The proposed SILPLL adopts an envelope-detection based injection-timing calibration for synchronous reference pulse injection into a VCO. With one of the largest frequency division ratios (N=80) reported so far, the SILPLL can achieve low RMS jitter and reference spur. / Ph. D.

Ultra narrow-band filters and the use of two loops in a cascade configuration dominate current clock conditioners based on phase-locked-loop (PLL) schemes. Since a PLL exhibits a low-pass transfer function with respect to the reference clock, the noise performance at very close-to-carrier offset frequencies is still determined by the input signal. Although better cleaning can be achieved with extremely narrow loops, an ultra low cut-off frequency could not be selected since the stability of the configuration deteriorates as the filter bandwidth is reduced. This fact suggests that a full-spectrum clock conditioning is not possible using traditional PLL architectures, and an alternative scheme is necessary to attenuate the very-close-to-carrier phase noise (PN). In addition, ultra-narrow loop filters can compromise on-chip integration because of the large size capacitors needed when chosen as passive. Input signal attenuation with relaxed bandwidth requirements becomes the main aspect that a comprehensive clock cleaner must address to effectively regenerate a reference signal. This dissertation describes the Band-Reject Nested-PLL (BRN-PLL) scheme, a modified PLL-based architecture that provides an effective signal cleaning procedure by introducing a notch in the input transfer function through inner and outer loops and a high-pass filter (HPF). This modified response attenuates the reference-signal PN and reduces the size of the loop-filter capacitors substantially. Ultra narrow loops are no longer required because the notch size is related to the system bandwidth. The associated transfer function for the constitutive blocks (phase detectors and local oscillators) show that the output close-to-carrier and far-from-carrier PN sections are mainly dominated by the noise from the inner-PLL phase detector (PD) and local oscillator (LO) located in the outer loop, respectively. The inner-PLL PD transfer function maintains a low-pass characteristic with a passband gain inversely proportional to the PD gain becoming the main contribution around the carrier signal. On the other hand, the PN around the transition frequency is determined mainly by the reference and the inner-PLL LO. Their noise contributions to the output will depend on the associated passband local maxima, which is located at the BRN-PLL transition frequency. Hence, in this region, the inner-PLL LO is selected so that its effect can be held below that of the outer-PLL PD. The BRN-PLL can use a high-Q MEMS-based VCO to further improve the transition region of the output PN profile and an LC-VCO as outer-PLL LO to reduce the noise floor of the output signal. In particular, two tuning mechanisms are explored for the MEMS-VCO: series tuning using varactors and phase shifting of a resonator operating in nonlinear regime. Both schemes are implemented to generate a tunable oscillator with no PN-performance degradation.

Die Spezifikationen und Toleranzbereiche heutiger Hochgeschwindigkeitsdatenübertragungstechnologien nehmen immer weiter an Komplexität, aufgrund der steigenden Informationsmenge, zu. Zur Verarbeitung von Daten in Frequenzbereichen oberhalb von einem Gigahertz sind Referenzsignale notwendig, welche ein äußerst geringes Phasenrauschen aufweisen um benachbarte Kanäle nicht zu beeinflussen. Diese Referenzsignale werden in Mischerschaltungen zur Modulation oder Demodulation zwischen radio frequency (RF)- und intermediate frequency (IF)-Signalen verwendet. Die benötigte Signalform ist eine Sinusschwingung, die nicht durch digitale Schaltungsblöcke erzeugt werden kann. Daher ist die Notwendigkeit von analogen LC-Oszillatoren gegeben. Die Erzeugung von höchst stabilen und hochfrequenten Signalen war lange Zeit teuren Silizium-Germanium-Technologien vorbehalten. Jedoch erfordert der steigende Integrationsgrad und der hart umkämpfte Markt, die Entwicklung von RF-Schaltungen in günstigen CMOS-Technologien. In Zusammenarbeit mit der Landshut Silicon Foundry soll dazu eine monolithisch integrierte Phase-Locked Loop (PLL) mit einer mittleren Ausgangsfrequenz von 2,44 GHz und einem Phasenrauschen kleiner -115 dBc/Hz bei einem Abstand von 1 MHz vom Träger entwickelt werden. Dabei wird das Hauptaugenmerk auf den Kern der PLL gelegt, welcher einen spannungsgesteuerten Oszillator, einen Phasen-/Frequenzdetektor, eine Ladungspumpe, einen Schleifenfilter und einen Frequenzteiler beinhaltet. Außerdem sollen Testszenarien vorgestellt werden, um die Eigenschaften der gefertigten PLL zu bestimmen und zu vergleichen.

Die Spezifikationen und Toleranzbereiche heutiger Hochgeschwindigkeitsdatenübertragungstechnologien nehmen immer weiter an Komplexität, aufgrund der steigenden Informationsmenge, zu. Zur Verarbeitung von Daten in Frequenzbereichen oberhalb von einem Gigahertz sind Referenzsignale notwendig, welche ein äußerst geringes Phasenrauschen aufweisen um benachbarte Kanäle nicht zu beeinflussen. Diese Referenzsignale werden in Mischerschaltungen zur Modulation oder Demodulation zwischen radio frequency (RF)- und intermediate frequency (IF)-Signalen verwendet. Die benötigte Signalform ist eine Sinusschwingung, die nicht durch digitale Schaltungsblöcke erzeugt werden kann. Daher ist die Notwendigkeit von analogen LC-Oszillatoren gegeben. Die Erzeugung von höchst stabilen und hochfrequenten Signalen war lange Zeit teuren Silizium-Germanium-Technologien vorbehalten. Jedoch erfordert der steigende Integrationsgrad und der hart umkämpfte Markt, die Entwicklung von RF-Schaltungen in günstigen CMOS-Technologien. In Zusammenarbeit mit der Landshut Silicon Foundry soll dazu eine monolithisch integrierte Phase-Locked Loop (PLL) mit einer mittleren Ausgangsfrequenz von 2,44 GHz und einem Phasenrauschen kleiner -115 dBc/Hz bei einem Abstand von 1 MHz vom Träger entwickelt werden. Dabei wird das Hauptaugenmerk auf den Kern der PLL gelegt, welcher einen spannungsgesteuerten Oszillator, einen Phasen-/Frequenzdetektor, eine Ladungspumpe, einen Schleifenfilter und einen Frequenzteiler beinhaltet. Außerdem sollen Testszenarien vorgestellt werden, um die Eigenschaften der gefertigten PLL zu bestimmen und zu vergleichen.

Scaling of CMOS to nanometer dimensions has enabled dramatic improvement in digital power efficiency, with lower VDD supply voltage and decreased power consumption for logic functions. However, most traditionally prevalent ADC architectures are not well suited to the lower VDD environment. The improvement in time resolution enabled by increased digital speeds naturally drives design toward time-domain architectures such as voltage-controlled-oscillator (VCO) based ADCs. The major obstacle in the VCO-based technique is linearizing the VCO voltage-to-frequency characteristic. Achieving signal-to-noise (SNR) performance better than -40dB requires some form of calibration, which can be realized by analog or digital techniques, or some combination. A further challenge is implementing calibration without degrading energy efficiency performance. This thesis project discusses a complete design of a 10 bit three stage ring VCO-based ADC. A lookup-table (LUT) digital correction technique enabled by the "Split ADC" calibration approach is presented suitable for linearization of the ADC. An improvement in the calibration algorithm is introduced to ensure LUT continuity. Measured results for a 10 bit 48.8-kSps ADC show INL improvement of 10X after calibration convergence.