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.

Neste trabalho foi feita uma ampla pesquisa sobre blocos de RF, VCOs e LNAs, que fazem parte de transceptores. Esses blocos foram projetados utilizando um indutor externo com um alto Q, com o intuito de melhorar as principais características de desempenho de cada um dos blocos. Com a finalidade de ter um ponto de comparação foram projetados os mesmos blocos implementando todos os indutores integrados (internos). Foi proposta a utilização da tecnologia flip chip para interconectar os indutores externos aos dies dos circuitos, devido às vantagens que ela apresenta. Para implementar os indutores externos propôs-se um processo de fabricação completo, incluindo especificação das etapas de processos e dos materiais utilizados para estes indutores. Adicionalmente foi projetado um conjunto de máscaras para fabricar os indutores externos e fazer a montagem e teste dos circuitos que os utilizam. Para validar o processo proposto e caracterizar os indutores externos foram projetadas diferentes estruturas de teste. O Q do indutor externo é da ordem de 6 vezes maior que do indutor integrado, para a tecnologia escolhida. Foram projetados e fabricados dois VCOs LC: FC-VCO (Flip Chip VCO com o indutor externo), OC-VCO (On Chip VCO com o indutor interno), e dois LNAs CMOS de fonte comum cascode com degeneração indutiva: FC-LNA (Flip Chip LNA com o indutor Lg externo) e OC-LNA (On Chip LNA com todos os indutores internos). O objetivo desses quatro circuitos é demonstrar que o desempenho de circuitos RF pode ser melhorado, usando indutores externos com alto Q, conectados através de flip chip. Para implementação desses circuitos utilizou-se a tecnologia de processo AMS 0,35µm CMOS, para aplicações na banda 2,4GHz ISM, considerando o padrão Bluetooth. Foram medidos apenas os blocos com os indutores internos (OC-VCO e OC-LNA). Para os blocos com os indutores externos (FC-VCO e FC-LNA) foram apresentados os resultados de simulação pós-layout. Através da comparação dos resultados de simulação entre os VCOs foi comprovado que o uso de um indutor externo com alto Q conectado via flip chip pode melhorar significativamente o ruído de fase dos VCOs, atingindo -117dBc/Hz a 1MHz de frequência de offset para o FC-VCO, em 2,45GHz, onde a FOM é 8dB maior que o OC-VCO. Outro ganho foi através da área poupada, o FC-VCO tem uma área cerca de 83% menor que a do OC-VCO. Após as medidas elétricas do OC-VCO obteve-se um desempenho do ruído de fase de -110dBc/Hz@1MHz para 2,45GHz, e -112dBc/Hz@1MHz para 2,4GHz, o qual atende as especificações de projeto. O FC-LNA, que foi implementado com o indutor de porta Lg externo ao die, conectado via flip chip, atingiu uma figura de ruído de 2,39dB, 1,1dB menor que o OC-LNA com o mesmo consumo de potência. A área ocupada pelo FC-LNA é aproximadamente 30% menor do que o OC-LNA. Através das medidas elétricas do OC-LNA verificou-se que o circuito apresenta resultados adequados de S11 (perda de retorno da entrada) e S22 (perda de retorno da saída) na banda de frequências de interesse. No entanto, o valor do ganho apresenta uma redução em relação ao esperado. A proposta do trabalho de unir a tecnologia flip chip ao uso de indutores externos, proporciona circuitos mais compactos e consecutivamente mais baratos, pela economia de área de Si. Adicionalmente, após os indutores externos serem caracterizados, os mesmos indutores podem ser reutilizados independente da tecnologia CMOS utilizada facilitando o projeto dos blocos de RF em processos mais avançados. / This work presents a research about RF blocks that are used in Transceivers, VCOs and LNAs. These blocks were designed using a high-Q RF external inductor in order to improve the main performance characteristics. The same blocks were designed implementing all inductors on-chip (internal) in order to have a point of comparison. It was proposed the use of Flip Chip technology to interconnect the external inductors to the dies of the circuits due to the advantages that this technology offers. A full manufacturing process was proposed to implement the external inductors, including the specification of process steps and materials used for these inductors. Additionally, a set of masks was designed to fabricate the external inductors, to mount and test the circuits that used these inductors. Different test structures were designed to validate the proposed process and to characterize the external inductors. Q factor of the external inductor is around 6 times larger than the inductor integrated into the chosen IC technology. Two LC VCOs and two common-source cascode CMOS LNAs with inductive degeneration were designed and fabricated: FC-VCO (Flip Chip VCO using external inductor), OC-VCO (On Chip VCO using on-chip inductor), FCLNA (Flip Chip LNA using an external Lg inductor) and OC-LNA (On Chip LNA with all inductors implemented on-chip). The purpose of these four circuits is to demonstrate that the performance of RF circuits can be improved by using high-Q external inductors, connected by flip chip. The 0.35µm CMOS AMS technology was used to implement these circuits intended for applications in the 2.4 GHz ISM band, considering the Bluetooth standard. Were measured only the blocks with internal inductors (OC-VCO and OC-LNA). For the blocks with external inductors (FCVCO and FC-LNA) were presented the results of post-layout simulation. The comparison between the VCOs simulations results demonstrates that using an external high-Q inductor connected by flip chip can significantly improve the phase noise of VCOs. FC-VCO reached a phase noise of -117dBc/Hz at 1MHz offset frequency and a FOM 8dB greater than the OC-VCO. Another important improvement was the saved area, the FC-VCO has an area approximately 83% lower than that of OC-VCO. After electrical characterizations of the OC-VCO, phase noise performances of -110dBc/Hz@1MHz for 2.45GHz and -112dBc/Hz@1MHz for 2.4GHz were obtained, that accomplish the design specifications. FC-LNA reached a noise figure of 2.39dB, 1.1dB lower than that of OC-LNA with the same power comsumption. The total area occupied by FC-LNA is around 30% lower than that OC-LNA. Measurement results of the OC-LNA showed that the circuit presents suitable S11 (input return loss) and S22 (output return loss) values in the desired frequency band. However, the gain value presents a reduction compared with the expected values. The proposal to use the flip chip technology together with external inductors, allows more compact and cheap circuits, because Silicon area can be saved. Moreover, after the external inductors being characterized, the same inductors can be reused regardless of the CMOS technology facilitating the design of RF blocks in more advanced processes.

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.

Osciladores Controlados por Tensão (VCOs - Voltage-Controlled Oscillators) são circuitos de grande importância em sistemas de comunicação por radiofrequência atuais. Muitos trabalhos de pesquisa recentes têm focado no desenvolvimento de VCOs para aplicações em uma faixa muito grande de frequências (isto é, suportando amplo tunning range). O desenvolvimento de VCOs com uma ampla faixa de sintonia tem motivação na abertura de bandas de frequência, que até pouco tempo estavam licenciadas apenas para usos específicos, porém agora estão também abertas para a utilização de sistemas de rádios cognitivos. A ideia é que o rádio cognitivo tenha recursos para detectar se um canal (ou faixa de frequência) está sendo usado e, em caso de o canal não estar sendo usado, o rádio cognitivo deve se reconfigurar para operar nesse canal. Desse modo, os rádios cognitivos devem possuir um alto grau de reconfigurabilidade, de forma que possam operar em uma faixa muito ampla de frequências. Esse requisito exige o uso de de VCOs com um amplo tunning range. Este trabalho apresenta um projeto completo de um LC-VCO com uma larga faixa de frequência de operação (widedand). Um amplo tunning range foi obtido a partir do chaveamento (ou programação) do valor da capacitância total do tanque-LC do VCO, gerando assim várias sub-bandas de frequência. O ganho do VCO (KVCO) manteve-se com pequenas variações para todas as subbandas de frequência, com um valor médio de 88.6MHz, sendo 112MHz e 80MHz os valores máximo e mínimo, respectivamente. O ruído de fase variou de -118.4dBc/Hz a -107.4dBc/Hz para as portadores em 3.7GHz e 8.1GHz, respectivamente, enquanto que a potência dissipada do circuito LC-VCO variou de 1.8mW a 5.6mW para todo o tunning range. Para a figura de mérito power-frequency-tunning-normalized (FOMPFTN), os valores obtidos foram na faixa 3.1dB e 11.2dB, comparáveis com a maioria dos trabalhos publicados na área. / Voltage-Controlled Oscillators (VCOs) are very important circuits in current radio frequency communication systems. Much research has been focused recently on developing wideband VCOs in CMOS. The motivation on wideband VCOs is based on the opening of frequency bands, which until recently were licensed for specific uses, for use by cognitive radio systems. The idea is that cognitive radio must have the ability to detect whether a channel (or frequency band) is being used and if the channel is not being used, the cognitive radio must reconfigure itself to operate on that channel. Thus, cognitive radios should possess a high degree of reconfigurability, so that they can operate in a very wide frequency range. This requires the use of VCOs with a wide tunning range. This work presents a complete design of a LC-VCO with a wide operating frequency range (widedand). A wide tunning range has been obtained from the switching (or programming) the value of the total capacitance of the LC-tank of the VCO, thereby generating multiple frequency sub-bands. The VCO gain (KVCO) was maintained with small variations for all frequency sub-bands, with an average value of 88.6MHz, with 80MHz and 112MHz for the minimum and maximum values, respectively. The phase noise ranged from -118.4dBc/Hz to -107.4dBc/Hz for carriers at 3.7GHz and 8.1GHz, respectively, while the power dissipated in the LC-VCO circuit ranged from 1.8mW to 5.6mW for all tunning range. For the figure of merit power-frequency-tuning-normalized (FOMPFTN), the results were in the 3.1dB to 11.2dB range, comparable to most recently published works.

Osciladores Controlados por Tensão (VCOs - Voltage-Controlled Oscillators) são circuitos de grande importância em sistemas de comunicação por radiofrequência atuais. Muitos trabalhos de pesquisa recentes têm focado no desenvolvimento de VCOs para aplicações em uma faixa muito grande de frequências (isto é, suportando amplo tunning range). O desenvolvimento de VCOs com uma ampla faixa de sintonia tem motivação na abertura de bandas de frequência, que até pouco tempo estavam licenciadas apenas para usos específicos, porém agora estão também abertas para a utilização de sistemas de rádios cognitivos. A ideia é que o rádio cognitivo tenha recursos para detectar se um canal (ou faixa de frequência) está sendo usado e, em caso de o canal não estar sendo usado, o rádio cognitivo deve se reconfigurar para operar nesse canal. Desse modo, os rádios cognitivos devem possuir um alto grau de reconfigurabilidade, de forma que possam operar em uma faixa muito ampla de frequências. Esse requisito exige o uso de de VCOs com um amplo tunning range. Este trabalho apresenta um projeto completo de um LC-VCO com uma larga faixa de frequência de operação (widedand). Um amplo tunning range foi obtido a partir do chaveamento (ou programação) do valor da capacitância total do tanque-LC do VCO, gerando assim várias sub-bandas de frequência. O ganho do VCO (KVCO) manteve-se com pequenas variações para todas as subbandas de frequência, com um valor médio de 88.6MHz, sendo 112MHz e 80MHz os valores máximo e mínimo, respectivamente. O ruído de fase variou de -118.4dBc/Hz a -107.4dBc/Hz para as portadores em 3.7GHz e 8.1GHz, respectivamente, enquanto que a potência dissipada do circuito LC-VCO variou de 1.8mW a 5.6mW para todo o tunning range. Para a figura de mérito power-frequency-tunning-normalized (FOMPFTN), os valores obtidos foram na faixa 3.1dB e 11.2dB, comparáveis com a maioria dos trabalhos publicados na área. / Voltage-Controlled Oscillators (VCOs) are very important circuits in current radio frequency communication systems. Much research has been focused recently on developing wideband VCOs in CMOS. The motivation on wideband VCOs is based on the opening of frequency bands, which until recently were licensed for specific uses, for use by cognitive radio systems. The idea is that cognitive radio must have the ability to detect whether a channel (or frequency band) is being used and if the channel is not being used, the cognitive radio must reconfigure itself to operate on that channel. Thus, cognitive radios should possess a high degree of reconfigurability, so that they can operate in a very wide frequency range. This requires the use of VCOs with a wide tunning range. This work presents a complete design of a LC-VCO with a wide operating frequency range (widedand). A wide tunning range has been obtained from the switching (or programming) the value of the total capacitance of the LC-tank of the VCO, thereby generating multiple frequency sub-bands. The VCO gain (KVCO) was maintained with small variations for all frequency sub-bands, with an average value of 88.6MHz, with 80MHz and 112MHz for the minimum and maximum values, respectively. The phase noise ranged from -118.4dBc/Hz to -107.4dBc/Hz for carriers at 3.7GHz and 8.1GHz, respectively, while the power dissipated in the LC-VCO circuit ranged from 1.8mW to 5.6mW for all tunning range. For the figure of merit power-frequency-tuning-normalized (FOMPFTN), the results were in the 3.1dB to 11.2dB range, comparable to most recently published works.

Osciladores Controlados por Tensão (VCOs - Voltage-Controlled Oscillators) são circuitos de grande importância em sistemas de comunicação por radiofrequência atuais. Muitos trabalhos de pesquisa recentes têm focado no desenvolvimento de VCOs para aplicações em uma faixa muito grande de frequências (isto é, suportando amplo tunning range). O desenvolvimento de VCOs com uma ampla faixa de sintonia tem motivação na abertura de bandas de frequência, que até pouco tempo estavam licenciadas apenas para usos específicos, porém agora estão também abertas para a utilização de sistemas de rádios cognitivos. A ideia é que o rádio cognitivo tenha recursos para detectar se um canal (ou faixa de frequência) está sendo usado e, em caso de o canal não estar sendo usado, o rádio cognitivo deve se reconfigurar para operar nesse canal. Desse modo, os rádios cognitivos devem possuir um alto grau de reconfigurabilidade, de forma que possam operar em uma faixa muito ampla de frequências. Esse requisito exige o uso de de VCOs com um amplo tunning range. Este trabalho apresenta um projeto completo de um LC-VCO com uma larga faixa de frequência de operação (widedand). Um amplo tunning range foi obtido a partir do chaveamento (ou programação) do valor da capacitância total do tanque-LC do VCO, gerando assim várias sub-bandas de frequência. O ganho do VCO (KVCO) manteve-se com pequenas variações para todas as subbandas de frequência, com um valor médio de 88.6MHz, sendo 112MHz e 80MHz os valores máximo e mínimo, respectivamente. O ruído de fase variou de -118.4dBc/Hz a -107.4dBc/Hz para as portadores em 3.7GHz e 8.1GHz, respectivamente, enquanto que a potência dissipada do circuito LC-VCO variou de 1.8mW a 5.6mW para todo o tunning range. Para a figura de mérito power-frequency-tunning-normalized (FOMPFTN), os valores obtidos foram na faixa 3.1dB e 11.2dB, comparáveis com a maioria dos trabalhos publicados na área. / Voltage-Controlled Oscillators (VCOs) are very important circuits in current radio frequency communication systems. Much research has been focused recently on developing wideband VCOs in CMOS. The motivation on wideband VCOs is based on the opening of frequency bands, which until recently were licensed for specific uses, for use by cognitive radio systems. The idea is that cognitive radio must have the ability to detect whether a channel (or frequency band) is being used and if the channel is not being used, the cognitive radio must reconfigure itself to operate on that channel. Thus, cognitive radios should possess a high degree of reconfigurability, so that they can operate in a very wide frequency range. This requires the use of VCOs with a wide tunning range. This work presents a complete design of a LC-VCO with a wide operating frequency range (widedand). A wide tunning range has been obtained from the switching (or programming) the value of the total capacitance of the LC-tank of the VCO, thereby generating multiple frequency sub-bands. The VCO gain (KVCO) was maintained with small variations for all frequency sub-bands, with an average value of 88.6MHz, with 80MHz and 112MHz for the minimum and maximum values, respectively. The phase noise ranged from -118.4dBc/Hz to -107.4dBc/Hz for carriers at 3.7GHz and 8.1GHz, respectively, while the power dissipated in the LC-VCO circuit ranged from 1.8mW to 5.6mW for all tunning range. For the figure of merit power-frequency-tuning-normalized (FOMPFTN), the results were in the 3.1dB to 11.2dB range, comparable to most recently published works.

Neste trabalho foi feita uma ampla pesquisa sobre blocos de RF, VCOs e LNAs, que fazem parte de transceptores. Esses blocos foram projetados utilizando um indutor externo com um alto Q, com o intuito de melhorar as principais características de desempenho de cada um dos blocos. Com a finalidade de ter um ponto de comparação foram projetados os mesmos blocos implementando todos os indutores integrados (internos). Foi proposta a utilização da tecnologia flip chip para interconectar os indutores externos aos dies dos circuitos, devido às vantagens que ela apresenta. Para implementar os indutores externos propôs-se um processo de fabricação completo, incluindo especificação das etapas de processos e dos materiais utilizados para estes indutores. Adicionalmente foi projetado um conjunto de máscaras para fabricar os indutores externos e fazer a montagem e teste dos circuitos que os utilizam. Para validar o processo proposto e caracterizar os indutores externos foram projetadas diferentes estruturas de teste. O Q do indutor externo é da ordem de 6 vezes maior que do indutor integrado, para a tecnologia escolhida. Foram projetados e fabricados dois VCOs LC: FC-VCO (Flip Chip VCO com o indutor externo), OC-VCO (On Chip VCO com o indutor interno), e dois LNAs CMOS de fonte comum cascode com degeneração indutiva: FC-LNA (Flip Chip LNA com o indutor Lg externo) e OC-LNA (On Chip LNA com todos os indutores internos). O objetivo desses quatro circuitos é demonstrar que o desempenho de circuitos RF pode ser melhorado, usando indutores externos com alto Q, conectados através de flip chip. Para implementação desses circuitos utilizou-se a tecnologia de processo AMS 0,35µm CMOS, para aplicações na banda 2,4GHz ISM, considerando o padrão Bluetooth. Foram medidos apenas os blocos com os indutores internos (OC-VCO e OC-LNA). Para os blocos com os indutores externos (FC-VCO e FC-LNA) foram apresentados os resultados de simulação pós-layout. Através da comparação dos resultados de simulação entre os VCOs foi comprovado que o uso de um indutor externo com alto Q conectado via flip chip pode melhorar significativamente o ruído de fase dos VCOs, atingindo -117dBc/Hz a 1MHz de frequência de offset para o FC-VCO, em 2,45GHz, onde a FOM é 8dB maior que o OC-VCO. Outro ganho foi através da área poupada, o FC-VCO tem uma área cerca de 83% menor que a do OC-VCO. Após as medidas elétricas do OC-VCO obteve-se um desempenho do ruído de fase de -110dBc/Hz@1MHz para 2,45GHz, e -112dBc/Hz@1MHz para 2,4GHz, o qual atende as especificações de projeto. O FC-LNA, que foi implementado com o indutor de porta Lg externo ao die, conectado via flip chip, atingiu uma figura de ruído de 2,39dB, 1,1dB menor que o OC-LNA com o mesmo consumo de potência. A área ocupada pelo FC-LNA é aproximadamente 30% menor do que o OC-LNA. Através das medidas elétricas do OC-LNA verificou-se que o circuito apresenta resultados adequados de S11 (perda de retorno da entrada) e S22 (perda de retorno da saída) na banda de frequências de interesse. No entanto, o valor do ganho apresenta uma redução em relação ao esperado. A proposta do trabalho de unir a tecnologia flip chip ao uso de indutores externos, proporciona circuitos mais compactos e consecutivamente mais baratos, pela economia de área de Si. Adicionalmente, após os indutores externos serem caracterizados, os mesmos indutores podem ser reutilizados independente da tecnologia CMOS utilizada facilitando o projeto dos blocos de RF em processos mais avançados. / This work presents a research about RF blocks that are used in Transceivers, VCOs and LNAs. These blocks were designed using a high-Q RF external inductor in order to improve the main performance characteristics. The same blocks were designed implementing all inductors on-chip (internal) in order to have a point of comparison. It was proposed the use of Flip Chip technology to interconnect the external inductors to the dies of the circuits due to the advantages that this technology offers. A full manufacturing process was proposed to implement the external inductors, including the specification of process steps and materials used for these inductors. Additionally, a set of masks was designed to fabricate the external inductors, to mount and test the circuits that used these inductors. Different test structures were designed to validate the proposed process and to characterize the external inductors. Q factor of the external inductor is around 6 times larger than the inductor integrated into the chosen IC technology. Two LC VCOs and two common-source cascode CMOS LNAs with inductive degeneration were designed and fabricated: FC-VCO (Flip Chip VCO using external inductor), OC-VCO (On Chip VCO using on-chip inductor), FCLNA (Flip Chip LNA using an external Lg inductor) and OC-LNA (On Chip LNA with all inductors implemented on-chip). The purpose of these four circuits is to demonstrate that the performance of RF circuits can be improved by using high-Q external inductors, connected by flip chip. The 0.35µm CMOS AMS technology was used to implement these circuits intended for applications in the 2.4 GHz ISM band, considering the Bluetooth standard. Were measured only the blocks with internal inductors (OC-VCO and OC-LNA). For the blocks with external inductors (FCVCO and FC-LNA) were presented the results of post-layout simulation. The comparison between the VCOs simulations results demonstrates that using an external high-Q inductor connected by flip chip can significantly improve the phase noise of VCOs. FC-VCO reached a phase noise of -117dBc/Hz at 1MHz offset frequency and a FOM 8dB greater than the OC-VCO. Another important improvement was the saved area, the FC-VCO has an area approximately 83% lower than that of OC-VCO. After electrical characterizations of the OC-VCO, phase noise performances of -110dBc/Hz@1MHz for 2.45GHz and -112dBc/Hz@1MHz for 2.4GHz were obtained, that accomplish the design specifications. FC-LNA reached a noise figure of 2.39dB, 1.1dB lower than that of OC-LNA with the same power comsumption. The total area occupied by FC-LNA is around 30% lower than that OC-LNA. Measurement results of the OC-LNA showed that the circuit presents suitable S11 (input return loss) and S22 (output return loss) values in the desired frequency band. However, the gain value presents a reduction compared with the expected values. The proposal to use the flip chip technology together with external inductors, allows more compact and cheap circuits, because Silicon area can be saved. Moreover, after the external inductors being characterized, the same inductors can be reused regardless of the CMOS technology facilitating the design of RF blocks in more advanced processes.

Le secteur des communications sans fil a connu un essor considérable, soutenu par l’évolution des "smartphones" et par le développement des réseaux de capteurs sans fil et de l’Internet des Objets (connu en anglais sous le nom ‘IoT’ pour Internet of Things). Les applications actuelles visent l’autonomie énergétique des objets communicants et nécessitent la conception de circuits intégrés pouvant assurer à la fois un fonctionnement à hautes performances et à moindre coût. L’une des principales fonctions des systèmes de communications radiofréquences (RF) est la génération de fréquence, assurée par l’oscillateur. De nombreux efforts de conception sont ainsi nécessaires afin d’assurer les performances requises par les nouvelles applications sans fil. Nos travaux de recherche ont pour objectif de proposer une méthode de conception d’oscillateurs agiles à faible consommation au sein des systèmes d’émission-réception RF. Le travail s’est focalisé sur l’étude et l’optimisation des éléments constitutifs d’un oscillateur LC passif en technologie CMOS et sur la proposition d’une méthode de conception. La méthode proposée peut être exploitée pour différentes structures d’oscillateurs afin d’optimiser leurs performances essentiellement en termes de consommation de puissance et de bruit de phase. Cette méthode a été appliquée pour implémenter plusieurs VCOs en technologie CMOS. Une série de mesure sous pointes a permis de valider leur fonctionnement. La suite de ce travail de thèse est consacrée à la proposition d’une nouvelle topologie d’oscillateur LC reconfigurable à base d’inductance active dédiée aux applications multistandards faible coût / The rapid growth of the Internet of Things (IoT) applications and the wireless sensor networks boosts the need for low cost and low power radiofrequency (RF) transceivers. The voltage-controlled oscillator (VCO) is an essential building block of several RF transceivers. Design tradeoffs have been very stringent in terms of power consumption, phase-noise, area and tuning range. In this context, the aim of this work is to propose a design method, aiming to optimize the VCO design and to improve its performances essentially in terms of power consumption and phase noise.The first part of this thesis sets a study of the elements of passive LC oscillators in CMOS technology. The second part presents a complete design method, aiming to optimize the LC-VCO performance regarding the phase noise and power consumption. The evaluation of the proposed method is carried out with some test-cases in full CMOS technology. Many RF LC-VCOs have been implemented and measured. The final part of this thesis presents a new tunable VCO suitable for multi-standards applications. The frequency tuning of the VCO is ensured using an active inductor based on CMOS inverters. The desired bandwidth can be selected while achieving low surface area and low power consumption.

L’ensemble des travaux présentés au sein de manuscrit porte sur la réalisation d’un synthétiseur de fréquences millimétriques capable de répondre aux besoins de la convergence WiFi-WiGig. Une première étude est réalisée dans le but de définir une architecture de synthétiseur de fréquence faible consommation adaptée aux standards du WiFi et du WiGig. L’ensemble des éléments composants la PLL sont par la suite détaillés, mettant en avant les avantages offerts par la technologie 28 nm FDSOI CMOS. Une étude plus approfondie des VCO millimétriques large bande et faible consommation est ensuite présentée, permettant de mettre en avant une réelle méthodologie de conception en lien avec la technologie 28 nm FDSOI CMOS. Finale-ment, diverses solutions sont proposées dans le but d’améliorer les performances de la PLL, avec l’incorporation de VCO millimétriques à ondes lentes, ou d’oscillateurs à anneaux synchronisés. / The works presented in this manuscript focus on the realization of a millimeter frequency synthesizer meeting the needs of the WiGig-Fi convergence. A first study was conducted to define a suitable low-power frequency synthesizer archi-tecture for WiFi and WiGig standards. All of the PLL components are subsequently detailed, highlighting the 28nm CMOS FDSOI technology benefits. Then, a study of low power millimeter broadband VCO is presented, highlighting a design methodology related to the 28nm CMOS FDSOI technology. Finally, various solutions are proposed in order to improve the PLL performances, with the incorporation of slow wave VCO, or injection locked ring oscillators.

Ce travail porte sur l'étude d'un oscillateur de puissance contrôlé en tension en ondes millimétriques. L'objectif de la thèse est de concevoir cet oscillateur pour la bande de fréquence utilisée dans les standards IEEE 802.15.3c, IEEE 802.11ad et ECMA TC48, à savoir 56GHz-65GHz. Le principe de l'oscillateur de puissance est développé autour d'un amplificateur de puissance rebouclé pour engendrer un système oscillant. L'amplificateur de puissance développé est un amplicateur à deux étages. Celui de puissance est de classe E et le driver est de classe F. La boucle de retour est basée sur un vecteur-modulateur. Les circuits ont été fabriqués en technologie CMOS 65nm de STMicroelectronics. / This PhD thesis deals with a Power Voltage Controlled Oscillator (VCO) in millimeter waves. The aim is to design this Power VCO in the frequency band used in the standards IEEE 802.15.3c, IEEE 802.11ad and ECMA TC48, meaning from 56GHz to 65GHz. The principle of this oscillator is developed around a power amplifier in a loop, generating an oscillating system. The power amplifier is developed in a two-stage topology. The power stage is composed with a 60GHz class E cascoded amplifier and the driver stage is composed of a 60GHz class F amplifier. The feedback of the loop is based on a vector-modulator. The circuits have been realised in 65nm CMOS technology from STMicroelectronics.