Design of various VCO topologies and performance comparison at 2.4 GHz
Farklı yapılarda VCO tasarımları ve 2.4 GHz'de performans karşılaştırması
- Tez No: 349754
- Danışmanlar: DOÇ. DR. NİL TARIM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 130
Özet
Gelişen teknoloji ile birlikte, yüksek frekans haberleşme sistemlerinin entegrasyonu daha da önem kazanmıştır. Artık tüm alıcı ya da verici yapısı tek bir entegre ile gerçeklenmeye başlanmıştır. Tasarlanan bu karmaşık entegre devrelerin aynı zamanda düşük gürültülü ve harcadığı enerjinin de az olması beklenmektedir. Gerilim kontrollü osilatör devreleri, bu karmaşık entegre blokların performansını etkileyen önemli bloklardan biridir. Bunlar alıcı ve verici sistemlerde çarpıcı işaret olarak kullanılırlar.Güç tüketimi, çalışma frekans aralığı, faz gürültüsü gibi özellikler gerilim kontrollü osilatörler için başlıca tasarım parametreleridir. Bu parametreleri iyileştirme açısından bir çok çeşit devre yapıları mevcuttur. Fakat bunların birçoğu entegre endüktans kullanımını gerektirmektedir. Bu durum da maliyeti artırmakta ve endüktansın modellenmesi zor olduğundan güvenilirliği azaltmaktadır.Entegre endüktans kullanmadan da yüksek frekans osilatör tasarımı mümkündür. Bu konuda değişik devre yapıları önerilmiştir. Bunlardan biri aktif elemanlarla endüktans fonksiyonunu gerçeklemektir. Fakat bu yaklaşımda gürültü performansı kötüleşmektedir.Ring osilatör yapısı endüktans kullanılmayan bir diğer yaklaşımdır. Temel olarak ard arda eviricilerin bağlanarak osilasyon için gerekli faz çevrimi elde edilir. Faz gürültüleri LC osilatörlere gore kötü olmasına rağmen özellikle frekans çalışma aralığı geniş ve düşük maliyetli uygulamalarda tercih edilirler. Ayrıca bu yapıların entegrasyonu daha basittir.Endüktans kullanmadan gerçeklenen bir başka osilatör yapısı da Wien-bridge yapıdır. Temel olarak band geçiren filtre karakteristiği gösterir. Fakat bu yapı yüksek frekanslar için uygun değildir çünkü içinde kullanılan operasyonel kuvvetlendirici devresinin band genişliği osilatörün çıkabileceği maksimum osilasyon frekansını belirlemektedir. Fakat onun yerine işlemsel geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi kullanılırsa daha yüksek frekanslarda çalışabilen bir osilatör devresi tasarlanabilir. Bu devre yapısı da bu tezdeki tasarımlar arasında yer almaktadır.Son olarak da, bir diğer alternatif osilatör yapısı da relaksasyon osilatörlerdir. Bu osilatörler, bir kapasitenin iki referans gerilimi seviyesi arasında doldurup boşaltılması prensibine gore çalışır.Bu tez çalışmasında yukarıda bahsedilen 4 farklı osilatör yapısı 2.4 GHz osilasyon frekansı olacak şekilde tasarlanmıştır. Tüm tasarımlar 0.18µm teknolojisinde ve 1.8 V besleme gerilimi ile yapılmıştır. 2.4 GHz frekans bandı günümüzde oldukça yaygın bir kullanım ağına sahiptir. Bluetooth, Wi-Fi standartları ve araba elektronik sistemleri kullanım alanlarından bazılarıdır.En iyi faz gürültü performansı-120 dBc/Hz (1 MHz ofset) ile LC osilatörden elde edilmiştir. Devrenin değer katsayısı diğer yapılara gore yüksek olduğu için bu beklenen bir sonuçtur. Hem PMOS hem de NMOS transistörler kullanılarak simetrik ve diferansiyel bir yapı oluşturulmuştur. Transistörlere kutuplama akımları ise NMOS akım aynası tarafından sağlanmıştır. Kullanılan diferansiyel endüktans sayesinde daha yüksek Q değerlerine ulaşılmış ve bu değer 8 olarak hesaplanmıştır. Diferansiyel endüktans yapısının frekans arttıkça Q değeri üzerindeki iyileştirme etkisinin daha da etkin olduğu gösterilmiştir.Faz gürültüsü açısından LC yapıya en yakın sonuç -108.5 dBc/Hz ile relaksasyon osilatör yapısı ile elde edilmiştir. Ayrıca bu yapının önemli bir özelliği, aralarında 900 faz farkı ile dört farkı işaret elde etmek için uygulanan tekniğin faz gürültüsünü düşürmesidir. LC yapılarda bu tam tersi şeklinde olur ve faz gürültüsü yükselir. Bu iki farklı diferansiyel çıkış işaretleri arasındaki faz hatasının da 0.5 derece gibi düşük olduğu da gösterilmiştir. Bu tür yapılar günümüz yüksek frekans haberleşme sistemleri için önemlidir. Çünkü kullanılan çarpıcı devre yapılarında istenmeyen banddaki işaretin bastırılması için birbirinin kopyası iki çarpıcı devresi kullanılır ve taşıyıcı işaret girişlerine 900 faz farkıyla işaret uygulanır. Bu 900 faz farkı üzerinde hata, çarpıcının istenmeyen banddaki işareti bastırma oranını önemli ölçüde etkiler. Bu açıdan bu tür yapılar için faz hatası kritiktir.Bir başka yaygın olarak kullanılan ring osilatör yapısı da 2.4 GHz osilasyon frekansı için tasarlanmıştır. Bu yapının da olumlu ve olumsuz yönleri ortaya konulmuştur. Geniş frekans ayarlama aralığı, tasarım ve entegrasyon kolaylığı bu yapıyı öne çıkaran özellikler olurken yüksek faz gürültüsü (97 dBc/Hz), üretim ve ortam sıcaklığı gibi değişken parametreler bağımlılığının yüksek olması da zayıf yönleri olarak sıralanabilir.Ring osilatör yapılarına alternatif olabilecek, işlemsel geçiş iletkenliği kuvvetlendirici ile gerçeklenmiş, band geçiren filtre karakteristiğe sahip osilatör yapısı da yine 2.4 GHz için tasarlanmıştır. Bu yapınin ise üretim ve ortam sıcaklığı gibi değişken parametrelere karşı duyarlılığı daha az olduğu görülmüştür. 1 MHz ofset ile 95.8 dBc/Hz faz gürültüsü elde edilmiştir. İşlemsel geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisinin parazitik kapasitesi azaltıldığı taktirde bu devre yapısının performansının iyileştirilebileceği gösterilmiştir.Uygulama devresi olarak ise,çıkışları arasında 900 faz farkı olacak şekilde tasarlanmış relaksasyon osilatör yapısı için çarpıcı devresi tasarlanmıştır. Bu uygulama ile relaksasyon devresinin düzgün bir şekilde çıkış işaretlerini üretip bunların çarpıcı devrelerde taşıyıcı işaret olarak kullanılabileceği gösterilmiştir. Özellikle düşük faz hatası ile üretilen çıkış işaretleri istenmeyen banddaki işareti 40 dB den fazla bastırma imkanı sağlamıştır. Buna benzer RF uygulamalar için relaksasyon osilatörünün LC osilatörlere iyi bir alternatif olabileceği gösterilmiştir.Sonuç bölümünde bu farklı yapılardaki tasarımların karşılaştırması tablo halinde verilmiştir. Birbirlerine gore avantajları ve dezavantajları ortaya konmuştur. Buna gore bir tasarımcının, tasarlayacağı osilatör devresinin hangi uygulamada kullanılacağını bilip buna gore hangi parametrenin önemli olduğunu belirlemesi ve buna uygun tasarım yapısını seçmesi en iyi performansın elde edilmesini sağlayacaktır.
Özet (Çeviri)
RF transceiver architecture design is critical in the realization of monolithic chip solutions. Low noise and low power designs are necessary for high performance wireless transceivers. Voltage controlled oscillators are among the key building block for the RF communication systems. They are used as local oscillator in up and down converters. Therefore, the performance of voltage controlled oscillator is important to determine overall performance of the transceiver.Power consumption, phase noise and tuning range are some important design parameters for voltage controlled oscillators. There are many different circuit structures to improve these parameters. However, many of these structures require on-chip inductors. There are several downsides to use IC inductors in design such as high cost and difficult to accurate design.It is also possible to design an oscillator without using inductors. One of them implements inductor using active circuits. However, noise performance is very poor for these structures. Another approach is ring oscillator topology. Although, it is still worse phase noise performance compared to LC oscillators, they are used in RF systems because of their high tuning range and easy integration. Another oscillator topology without IC inductor is Wien-bridge structure. This topology is based on band-pass filter structure. An operational amplifier is used there to provide stable oscillation. However, this structure isn?t suitable for high frequency oscillations because it is limited by operational amplifiers gain-bandwidth product. If an operational transconductance amplifier is used, this structure can also provide high frequency operation. Relaxation oscillators are another alternative to LC oscillators. These kinds of oscillators operate by alternately charging and discharging a capacitor between two threshold voltage levels.In this thesis, four different voltage controlled oscillator structures are designed in the same 2.4 GHz oscillation frequency. 2.4 GHz is one of the most popular frequency band that is used in Bluetooth, cordless telephones, car alarms and Wi-Fi networks. 0.18µm process and 1.8V supply voltage is used in all designs to compare fairly each other.The design with LC structure has best phase noise performance (-120 dBc/Hz @ 1MHz) as expected. However, relaxation oscillator topology provides also good phase noise performance especially using quadrature structure (-108 dBc/Hz @ 1MHz). Some applications in RF communication systems such as image rejection mixer topologies require quadrature local oscillators and it is very critical to have signals with 900 phase shift to reject image band accurately. Quadrature relaxation oscillators can be alternative to LC oscillators for these applications because LC oscillator phase noise performance decreases in quadrature structure. Ring oscillator and RC BPF based oscillator structures are also analyzed and designed in this work. The phase noise performances are obtained about 95.8 dBc/Hz @ 1 MHz for RC BPF based topology and 97 dBc/Hz @ 1 MHz for ring topology. Their phase noise performances are worse than others but they have also some advantages such as high tuning range, easy design and implementation.Each design is compared with similar structures in literature at the end of chapters. The best alternative without using on-chip inductor is the quadrature relaxation oscillator structure. Quadrature up conversion mixer is designed as an application for quadrature relaxation oscillator. It is used there as local oscillator. Obtained results are satisfying that quadrature relaxation oscillator can be used effectively in image reject up and down conversion systems.At the end of thesis, these four structures are compared and discussed in detail. Their advantages and disadvantages are manifested according to each other.
Benzer Tezler
- Gerilim izleyicili akım fark kuvvetlendiricisi (CDBA)
Current differencing buffer amplifier (CDBA) and oscillator implementations
ABDULKADİR PAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2000
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. CEVDET ACAR
- Clock and data recovery using bang-bang PLL's
İki konumlu FKÇ'ler ile saat ve data işaretlerinin yeniden çıkarımı
ÇAĞLAR YILMAZER
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ TOKER
- Compensation of current harmonics in single phase grid connected inverters with deadtime under distorted grid voltage
Tek fazlı şebeke bağlantılı inverterlerde ölü zaman ve gürültülü şebeke gerilimi altında akım harmoniklerinin kompanzasyonu
BARIŞ TEKİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ YILDIRIM
- Spintronic devices for wireless communication,memory, and analog applications
Kablosuz haberleşme, hafıza, ve analog uygulamalar için spintronik aygıtlar
MESUT ATASOYU
Doktora
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL SERDAR ÖZOĞUZ
- Hücresel nöral ağlar ve uygulamaları
Cellular neural networks and applications
SEVİLAY ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. I. CEM GÖKNAR