Using large signal S-parameters to design low power class-B and class-C CMOS cross-coupled voltage controlled oscillators

• Autorzy: Szczepkowski, G. , Farrell, R.

Warianty tytułu

PL

Wykorzystanie wielkosygnałowych parametrów S do projektowania generatorów VCO niskiej mocy w technologii CMOS pracujących w klasie B i klasie C

• Konferencja: International Conference on Signal and Electronic Systems : ICSES 2012 (18-21.09.2012; Wrocław, Polska)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This article presents a method for design of cross-coupled LC oscillators using open-loop technique and large signal scattering matrix parameters (S-parameters) in place of well known and established negative resistance approach. Thanks to the open-loop methodology, the main circuit parameters such as loaded quality factor, steady-state oscillation amplitude and signal frequency under large signal regime can be extracted without, often tedious and time consuming, transient simulations. The most important aspect of the proposed method is its ability to provide relatively simple and intuitive representation of a cross-coupled oscillator under changing bias conditions, with 10% accuracy in comparison to analysis in time domain. The presented methodology is not technology specific, however CMOS was chosen due to its availability, relative low cost and popularity of circuit implementation. The article shows two low power, sub-1 V voltage controlled oscillator prototypes, one operating in class-B, the other one in class-C, designed using the described method and operating under the reduced power supply requirements yet retaining a state of the art Figure of Merit (FoM) of various VCO reported in the literature.

PL

Artykuł prezentuje metodę projektowania oscylatorów wzajemnie sprzężonych przy użyciu wielkosygnałowych parametrów rozproszenia (macierzy S) w otwartej pętli, w przeciwieństwie do ogólnie stosowanej metody ujemnej rezystancji. Przedstawione podejście pozwala na analizę takich parametrów jak dobroć, amplitudę drgań w stanie ustalonym oraz częstotliwość drgań przy wymuszeniu wielkosygnałowym. Zaprezentowana metoda nie jest zależna od użytej technologii, jednak ze względu na dostępność i popularność, wyniki pokazane są przy użyciu procesu CMOS. Artykuł prezentuje dwa prototypy oscylatorów zasilanych niskim napięciem, poniżej 1 V, pracującymi w klasie B i klasie C. Pomimo zmniejszonego poboru mocy, zaprezentowane układy plasują się na równi z czołowymi układami tego typu przedstawionymi w najnowszej literaturze.

Słowa kluczowe

PL

generatory CMOS sterowane napięciem; analiza układów z otwartą pętlą; wielkosygnałowe parametry S

EN

CMOS voltage controlled oscillators; open loop analysis; large signal S-parameters

• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 54, nr 2
• Strony: 37-41
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., wykr.

Twórcy

autor

Szczepkowski, G.

autor

Farrell, R.

• CTVR-The Telecommunication Research Centre, Callan Institute, National University of Ireland Maynooth, Co. Kildare, Ireland

Bibliografia

• [1] Alechno S.: „Analysis Method Characterizes Microwave Oscillators (four parts)”, Microwaves & RF, Nov. 1997-Feb. 1998.
• [2] Randall M. and T. Hock: „General oscillator characterization using linear open-loop S-parameters”, Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 49, no. 6, pp. 1094-1100, Jun 2001.
• [3] Rhea R.: „Discrete oscillator design: linear, nonlinear, transient, and noise domains”, Artech House, 2010.
• [4] Szczepkowski G., R. Farrell: „350 mV, 0.5 mW, 5 GHz, 130 nm CMOS Class-C VCO Design Using Open Loop Analysis”, in IET Irish Signals and Systems Conference, 2012, Maynooth, Ireland.
• [5] Szczepkowski G., R. Farrell: „Open Loop Approach to Design Low Voltage, 400 mV, 1.3 mW, 10 GHz CMOS Class-B VCO”, in IEEE International Conference on Signals and Electronic Systems, 2012, Wrocław, Poland.
• [6] Razavi В.: „A study of phase noise in CMOS oscillators”, Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol. 31, no. 3, pp. 331 - 343, Mar 1996.
• [7] Deng W., K. Okada, and A. Matsuzawa: „A feedback class-C VCO with robust startup condition over PVT variations and enhanced oscillation swing”, in ESSCIRC (ESSCIRC), 2011 Proceedings of the, Sept. 2011, pp. 499-502.
• [8] Okada K., Y. Nomiyama, R. Murakami, and A. Matsuzawa: „A 0.114-mW dual-conduction class-C CMOS VCO with 0.2-V power supply” in VLSI Circuits, 2009 Symposium on, June 2009, pp. 228 - 229.
• [9] Chen J., F. Jonsson, M. Carlsson, C. Hedenas, and L.-R. Zheng: „A Low Power, Startup Ensured and Constant Amplitude Class-C VCO in 0.18um CMOS”, Microwave and Wireless Components Letters, IEEE, vol. 21, no. 8, pp. 427-429, Aug. 2011.
• [10] Mazzanti A. and P. Andreani: „A 1.4 mW 4.90-to-5.65GHz Class-C CMOS VCO with an Average FoM of 194.5dBc/Hz” in Solid-State Circuits Conference, 2008. ISSCC 2008. Digest of Technical Papers. IEEE International, Feb. 2008, pp. 474-629.
• [11] Tohidian M., A. Fotowat-Ahmadi, M. Kamarei, and F. Ndagijimana: „High-swing class-C VCO” in ESSCIRC (ESSCIRC), 2011 Proceedings of the, Sept. 2011, pp. 495 - 498.