CHAPITRE II : ÉTUDES ET CONCEPTIONS D’O.C.T EN BANDE KU
5. O.C.T version VCO_A1X2
5.1. Description de la version VCO_A1X2
Cette version de l’O.C.T. utilise les blocs FP1, FP2, FP3 version 2 et FP4. C’est une version couplée de la version VCO_A1. Le couplage est réalisé de manière directe (voir Figure II-70) et les résultats attendus devraient être très proches de ceux de la version VCO_A1, si ce n’est que la consommation devrait doubler et que les niveaux de bruit de phase devraient diminuer de 3 dB.
Figure II-70 — Schéma de principe du couplage direct
Cette technique d’amélioration du bruit de phase par le couplage est détaillée dans [II-12]. Il y est montré que le bruit de phase dans les oscillateurs couplés diminue de la quantité 10.log(N), N étant le nombre d’oscillateurs couplés.
Les résultats des simulations sont ceux obtenus après avoir réalisé le dessin des masques et l’extraction des parasites résistifs, inductifs et capacitifs, nous parlerons encore une fois de simulations « post-layout ». Ces extractions sont réalisées dans les mêmes conditions que précédemment avec le module Assura de Cadence Virtuoso. Le schéma de test utilisé pour réaliser les simulations est identique à celui de la Figure II-71.
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Figure II-71 — Circuit de test utilisé pour les simulations post-layout de la version VCO_A1X2.
5.2. Simulations post-layout
Nous ne présenterons pas les résultats des simulations de vérification des conditions de démarrage puisqu’elles ne représentent pas ici un intérêt capital. Comme nous le disions, l’impact apporté par le couplage de deux O.C.T. se trouve sur la consommation ainsi que les niveaux de bruit de phase. Cependant, nous allons tout de même vérifier la stabilité des oscillations afin de s’assurer qu’il n’y a pas de décrochage lié au couplage.
5.2.1. Analyse temporelle
L’objectif de l’analyse temporelle pour la version VCO_A1X2 est de vérifier que les deux O.C.T. couplés résonnent bien à la même fréquence d’accord. Dans le cas présent, le couplage est direct, les deux O.C.T. couplés devraient donc osciller à la même fréquence que lorsqu’ils étaient seul. Pour cela, un temps de simulation de 40 ns est fixé, voir Figure II-72.
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Figure II-72 — Analyse temporelle pour Vtune = 1 V et Vtune = 4,5 V.
Les oscillations sont parfaitement stables, le fonctionnement des O.C.T. couplés est validé.
5.2.2. Analyse PSS-HB/PNOISE en fonction de Vtune
Afin de vérifier le comportement fréquentiel de l’O.C.T. dans sa version VCO_A1X2, nous lançons une première analyse PSS (Periodic Steady State) utilisant le moteur HB (Harmonic balance) avec comme paramètre la tension de commande des diodes varicaps : Vtune. Nous faisons varier Vtune entre 1 V e t 4,5 V avec un pas de 0,5V. Une analyse PNOISE est ensuite exécutée pour simuler le bruit de phase de l’O.C.T. Les résultats obtenus sont donnés dans les Figure II-73 et Figure II-74.
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Figure II-73 — Fréquence d’oscillation simulée de l’O.C.T. VCO_A1X2 en fonction de
Vtune.
Figure II-74 — Niveaux de bruit de phase à 10 kHz, 100 kHz et 1 MHz de la porteuse en fonction de Vtune.
La fréquence d’oscillation couverte par l’O.C.T. est comprise entre 14,51 GHz et 15,89 GHz. Ce qui donne une plage de fréquence de 9 % (pourcentage de la fréquence centrale d’oscillation) et un gain KVCO de 394,3 MHz/V. Les niveaux de bruit de phase sont dans le pire cas de :
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-82,5 dBc/Hz @ 10 kHz -102,9 dBc/Hz @ 100 kHz -123,0 dBc/Hz @ 1 MHz
Ces résultats sont au niveau des spécifications du cahier des charges fixé.
Figure II-75 — Consommation totale de courant en fonction de Vtune.
La consommation totale de courant une fois le régime établi atteint est donnée dans la Figure II-75 en fonction de la tension de commande Vtune. Elle n’excède jamais les 48 mA, ce qui est en dessous de la recommandation du cahier des charges.
5.2.3. Analyse PSS-HB en fonction de la température
Le cahier des charges impose une variation typique de la fréquence d’oscillation avec la température de 2 MHz / °C. Nous exécutons une simulation PSS-HB pour Vtune = 1 V et Vtune = 4,5 V avec comme paramètre la température (comprise entre -40°C et +85°C), les résultats de simulation sont donnés dans les Figure II-76 et Figure II-77. On constate que la variation de la fréquence d’oscillation en fonction de la température est de 1,68 MHz/°C pour Vtune = 1 V et de 1,04 MHz/°C pour Vtune = 4,5 V, sur l’ensemble de la plage de température.TECHNOLOGIE BICMOSSIGE:C0,25 µm
(a) (b)
Figure II-76 — Sensibilité de la fréquence d’oscillation en fonction de la température pour
Vtune = 1 V (a) et Vtune = 4,5 V (b).
Le bruit de phase quant à lui présente une sensibilité relativement faible. On note pour Vtune = 1 V une variation de 1,17 dB, 1,4 dB et 1,5 dB à respectivement 10 kHz, 100 kHz et 1 MHz de la porteuse. Pour Vtune = 4,5 V, on note une variation de 1,54 dB, 1,8 dB et 1,9 dB à respectivement 10 kHz, 100 kHz et 1 MHz de la porteuse.
(a) (b)
Figure II-77 — Sensibilité du bruit de phase à différentes distances de la porteuse en fonction de la température pour Vtune = 1 V (a) et Vtune = 4,5 V (b).
Comme précédemment, ce comportement en fonction de la température est tout à fait acceptable.
5.2.4. Analyse PSS-HB pour le calcul du pushing
Pour simuler ce phénomène, nous réalisons une analyse PSS-HB avec comme variable la tension d’alimentation. Nous la faisons varier de 5 V à 5,1 V et mesurons la fréquence d’oscillation, nous pouvons alors tracer la Figure II-78.
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Figure II-78 — Sensibilité de la fréquence d’oscillation à la tension d’alimentation en fonction de Vtune.
La Figure II-78 présente un comportement de l’O.C.T. face à des variations de la tension d’alimentation qui ne satisfait toujours pas les recommandations du cahier des charges. Un pushing de 30 MHz/V est toléré et l’O.C.T. simulé présente un pushing supérieur à 40 MHz/V.
5.2.5. Résumé des résultats de simulations
Paramètre Spécification Simulation Unité
Itotal 100 typ. 48 max. mA
Fréquence d’oscillation 14,25 -> 15,75 14,51 / 15,89 GHz PN 10kHz -76 min. / -79 typ. -82,5 min. dBc/Hz PN 100kHz -100 min. / -103 typ. -102,9 min. dBc/Hz
PN 1MHz -120 min. / -123 typ. -123 min. dBc/Hz
Pout @ RF 3 typ. -10 min. dBm
Dérive de la fréquence avec Ta 2 typ. 1,68 max. MHz/°C Taux de pushing +/-20 typ. 62 max. MHz/V
En comparaison avec les versions non couplées, cette version VCO_A1X2 permet effectivement d’améliorer les performances en termes de bruit de phase de 3 dB. Cette amélioration se fait au détriment de la consommation qui est doublée ici, mais qui reste inscrite dans le budget consommation autorisé par le cahier des charges. 35 40 45 50 55 60 65 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 P u sh in g ( M H z/V ) Vtune (V)
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