Проектирование и анализ кольцевого VCO на базе 65-нм CMOS технологии с широким диапазоном перестройки

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347019050054

Ключові слова:

кольцевой генератор, генератор управляемый напряжением, ячейка дифференциальной задержки, широкий диапазон настройки, фазовый шум

Анотація

В статье предложен кольцевой генератор, управляемый напряжением VCO (Voltage-Controlled Oscillator), с четырьмя каскадами, состоящий из ячеек дифференциальной задержки с двумя управляющими напряжениями. Этот VCO использует технику петли с двойной задержкой для достижения высокой рабочей частоты. Каждая ячейка задержки предлагаемого VCO включает в себя две пары транзисторов нагрузки PMOS и NMOS с перекрестными связями для формирования защелки. «Сила» и рабочая частота добавленной защелки регулируются с помощью пары перекрестных NMOS транзисторов. Кроме того, изменено влияние вторичного пути предлагаемого VCO для регулирования частоты при работе на высоких частотах. Данный VCO смоделирован при использовании 65-нм CMOS технологии компании Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) в программном пакете Cadence при напряжении питания 1,2 В. Широкий диапазон перестройки предлагаемого VCO варьируется от 4,25 до 21,31 ГГц (80,07%), а его мощность составляет 12,36 мВт на частоте 4,25 ГГц. Фазовый шум имеет величину –90,47 дБн/Гц при смещении 1 МГц и –117,4 дБн/Гц при смещении 10 МГц от 4,25 ГГц. При этом его площадь составляет 535,99 мкм2.

Посилання

Mendhe, N. K.; Thakare, M. N.; Korde, G. D. “High frequency power optimized ring voltage controlled oscillator for 65nm CMOS technology-Review,” Int. J. Eng. Trends Tech., Vol. 8, No. 3, p. 127-129, 2014. DOI: http://doi.org/10.14445/22315381/IJETT-V8P223.

Мандал, Амритакар; Мишра, Раджеш; Нагар, М. Р. “Реализация комплексной цифровой системы ФАПЧ для фазового детектирования в программно определяемом радаре,” Известия вузов. Радиоэлектроника, Т. 59, № 4, С. 3–18, 2016. DOI: https://doi.org/10.20535/S0021347016040014.

Chen, Z.; Wang, M.; Chen, J.-X.; Liang, W.-F.; Yan, P.-P.; Zhai, J.-F.; Hong, Wei. “Linear CMOS LC-VCO based on triple-coupled inductors and its application to 40-GHz phase-locked loop,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 65, No. 8, p. 2977-2989, 2017. DOI: https://doi.org/10.1109/TMTT.2017.2663401.

Islam, R.; Suprotik, A. N. K.; Uddin, S. M. Zia; Amin, M. T. “Design and analysis of 3 stage ring oscillator based on MOS capacitance for wireless applications,” Proc. of Int. Conf. on Electrical, Computer and Communication Engineering, 16-18 Feb. 2017, Cox’s Bazar, Bangladesh. IEEE, 2017, p. 723-727. DOI: https://doi.org/10.1109/ECACE.2017.7912998.

Lee, W.-T.; Shim, J.; Jeong, J. “Design of a three-stage ring-type voltage-controlled oscillator with a wide tuning range by controlling the current level in an embedded delay cell,” Microelectronics J., Vol. 44, No. 12, p. 1328-1335, 2013. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mejo.2013.09.003.

Yin, J.; Mak, P.-I.; Maloberti, F.; Martins, R. P. “A time-interleaved ring-VCO with reduced 1/f3 phase noise corner, extended tuning range and inherent divided output,” IEEE J. Solid-State Circuits, Vol. 51, No. 12, p. 2979-2991, 2016. DOI: https://doi.org/10.1109/JSSC.2016.2597847.

Zhang, X.; Apsel, A. B. “A low-power, process-and-temperature-compensated ring oscillator with addition-based current source,” IEEE Trans. Circuits Systems I: Regular Papers, Vol. 58, No. 5, p. 868-878, 2011. DOI: https://doi.org/10.1109/TCSI.2010.2092110.

Kumar, M. S. S.; Aarthy, M. “A 2.8 GHz low power high tuning voltage controlled ring oscillator,” Int. J. Eng. Advanced Tech., Vol. 3, No. 4, p. 2249-8958, 2014.

Suman, S.; Sharma, K. G.; Ghosh, P. K. “Analysis and design of current starved ring VCO,” Proc. of Int. Conf. on Electrical, Electronics, and Optimization Techniques, 3-5 Mar. 2016, Chennai, India. IEEE, 2016, p. 3222-3227. DOI: https://doi.org/10.1109/ICEEOT.2016.7755299.

Ramazani, A.; Biabani, S.; Hadidi, G. “CMOS ring oscillator with combined delay stages,” AEU - Int. J. Electronics Commun., Vol. 68, No. 6, p. 515-519, 2014. DOI: https://doi.org/10.1016/j.aeue.2013.12.008.

Johnson, J.; Ponnambalam, M.; Chandramani, P. V. “Comparison of tunability and phase noise associated with injection locked three staged single and differential ended VCOs in 90nm CMOS,” Proc. of 2017 Fourth Int. Conf. on Signal Processing, Communication and Networking, 16-18 Mar. 2017, Chennai, India. IEEE, 2017, p. 1-4. DOI: https://doi.org/10.1109/ICSCN.2017.8085700.

Ghonoodi, H.; Miar-Naimi, H.; Gholami, M. “Analysis of frequency and amplitude in CMOS differential ring oscillators,” Integration, Vol. 52, p. 253-259, 2016. DOI: https://doi.org/10.1016/j.vlsi.2015.07.004.

Salem, S.; Tajabadi, M.; Saneei, M. “The design and analysis of dual control voltages delay cell for low power and wide tuning range ring oscillators in 65nm CMOS technology for CDR applications,” AEU - Int. J. Electronics Commun., Vol. 82, p. 406-412, 2017. DOI: https://doi.org/10.1016/j.aeue.2017.10.012.

Sharma, A.; Saurabh; Biswas, S. “A low power CMOS voltage controlled oscillator in 65 nm technology,” Proc. of Int. Conf. on Computer Communication and Informatics, 3-5 Jan. 2014, Coimbatore, India. IEEE, 2014, p. 1-5. DOI: https://doi.org/10.1109/ICCCI.2014.6921794.

Jovanovic, G.; Stojcev, M.; Stamenkovic, Z. “A CMOS voltage controlled ring oscillator with improved frequency stability,” Scientific Publications of the State University of Novi Pazar, Series A: Applied Mathematics, Informatics and mechanics, Vol. 2, p. 1-9, 2010.

Kackar, T.; Suman, S.; Ghosh, P. K. “Differential voltage controlled ring oscillators—A review,” Proc. of Int. Conf. on Communication and Networks, Vol. 508, p. 571-579, 2017. DOI: http://doi.org/10.1007/978-981-10-2750-5_59.

Sheu, M.-L.; Tiao, Y.-S.; Taso, L.-J. “A 1-V 4-GHz wide tuning range voltage-controlled ring oscillator in 0.18 mm CMOS,” Microelectronics J., Vol. 42, No. 6, p. 897-902, 2011. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mejo.2011.03.015.

Lee, S.-y.; Amakawa, S.; Ishihara, N.; Masu, K. “2.4-10 GHz low-noise injection-locked ring voltage controlled oscillator in 90 nm complementary metal oxide semiconductor,” Japanese J. Appl. Phys., Vol. 50, No. 4S, p. 04DE03, 2011. DOI: https://doi.org/10.1143/JJAP.50.04DE03.

Parvizi, M.; Khodabakhsh, A.; Nabavi, A. “Low-power high-tuning range CMOS ring oscillator VCOs,” Proc. of IEEE Int. Conf. on Semiconductor Electronics, 25-27 Nov. 2008. Johor Bahru, Malaysia. IEEE, 2008, p. 40-44. DOI: https://doi.org/10.1109/SMELEC.2008.4770273.

Tiao, Y.-S.; Sheu, M.-L. “Full range voltage-controlled ring oscillator in 0.18µm CMOS for low-voltage operation,” Electron. Lett., Vol. 46, No. 1, p. 30-32, 2010. DOI: https://doi.org/10.1049/el.2010.2542.

Min, S.; Copani, T.; Kiaei, S.; Bakkaloglu, B. “A 90-nm CMOS 5-GHz ring-oscillator PLL with delay-discriminator-based active phase-noise cancellation,” IEEE J. Solid-State Circuits, Vol. 48, No. 5, p. 1151-1160, 2013. DOI: https://doi.org/10.1109/JSSC.2013.2252515.

Cheng, K.-H.; Kuo, S.-C.; Tu, C.-M. “A low noise, 2.0 GHz CMOS VCO design,” Proc. of IEEE 46th Midwest Symp. on Circuits and Systems, 27-30 Dec. 2003, Cairo, Egypt. IEEE, 2003, p. 205-208. DOI: https://doi.org/10.1109/MWSCAS.2003.1562254.

Thakur, V.; Verma, V. “Low power consumption differential ring oscillator,” Int. J. Electronics Commun. Eng., Vol. 6, No. 1, p. 81-92, 2013. URI: http://www.irphouse.com/ijece/ijecev6n1_09.pdf.

Haijun, G.; Lingling, S.; Xiaofei, K.; Liheng, L. “A low-phase-noise ring oscillator with coarse and fine tuning in a standard CMOS process,” J. Semiconductors, Vol. 33, No. 7, p. 075004, 2012. DOI: https://doi.org/10.1088/1674-4926/33/7/075004.

Demartinos, A. C.; Tsimpos, A.; Vlassis, S.; Sgourenas, S.; Souliotis, G. “A 3GHz VCO suitable for MIPI M-PHY serial interface,” Proc. of 10th Int. Conf. on Design & Technology of Integrated Systems in Nanoscale Era, 21-23 Apr. 2015, Naples, Italy. IEEE, 2015, p. 1-6. DOI: https://doi.org/10.1109/DTIS.2015.7127353.

Kim, J.-M.; Kim, S.; Lee, I.-Y.; Han, S.-K.; Lee, S.-G. “A low-noise four-stage voltage-controlled ring oscillator in deep-submicrometer CMOS technology,” IEEE Trans. Circuits Systems II: Express Briefs, Vol. 60, No. 2, p. 71-75, 2013. DOI: https://doi.org/10.1109/TCSII.2012.2235734.

Jalil, J.; Reaz, M. B. I.; Ali, M. A. M. “CMOS differential ring oscillators: Review of the performance of CMOS ROs in communication systems,” IEEE Microwave Mag., Vol. 14, No. 5, p. 97-109, 2013. DOI: https://doi.org/10.1109/MMM.2013.2259401.

Yoo, S.; Kim, J. J.; Choi, J. “A 2-8 GHz wideband dually frequency-tuned ring-VCO with a scalable KVCO,” IEEE Microwave Wireless Components Lett., Vol. 23, No. 11, p. 602-604, 2013. DOI: https://doi.org/10.1109/LMWC.2013.2280641.

##submission.downloads##

Опубліковано

2019-05-29

Як цитувати

Аскари, Ш., Саней, М., & Салем, С. (2019). Проектирование и анализ кольцевого VCO на базе 65-нм CMOS технологии с широким диапазоном перестройки. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 62(5), 287–296. https://doi.org/10.20535/S0021347019050054

Номер

Том 62 № 5 (2019)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2019 Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.