Simulation au niveau transistor de l’élément à retard en mode oscillation

L’élément à retard contrôlable en tension choisi est présenté à la figure 2-7. La fréquence maximale visée étant relativement élevée, il nous a fallu un élément contenant le moins d’étages possible. D’autre part, afin de profiter des avantages de la technologie SOI en matière d’amélioration de la vitesse ainsi que de réduction de la consommation, l’architecture doit être numérique. L’architecture correspondant le mieux à ces exigences est la porte inverseuse CMOS.

Dans une configuration de type inverseur CMOS, la limitation de la vitesse est principalement due aux transistors PMOS dont les porteurs majoritaires présentent une mobilité environ trois fois inférieures à celle des électrons dans le cas de transistors NMOS. De ce fait, nous nous sommes orientés vers une topologie de type inverseur NMOS, le transistor PMOS servant de générateur de courant variable. L’élément de retard consiste donc

en la mise en série de deux inverseurs dont la vitesse de transition d’un état à l’autre est contrôlée par la tension appliquée sur la grille des transistors PMOS. Pour permettre l’oscillation, la porte NON-OU a aussi été réalisée, l’oscillation s’obtient en rebouclant la sortie de l’élément à retard contrôlable sur une des deux entrées de la porte NON-OU, la seconde entrée étant reliée à la masse.

Vctrl In1 Ckin Ckret In2 Élément de retard Porte NON-OU

Figure 2-7 : Elément de retard.

Ce bloc a été simulé avec le logiciel Cadence SpectreRF, à partir du Design Kit de la technologie HCMOS9 130nm Bulk de STMicroelectronics. En effet, la technologie SOI étant en cours de développement par notre fondeur, nous n’avons pu disposer de modèles fiables pour réaliser ces simulations.

La figure 2-8 présente l’évolution de la fréquence d’oscillation en fonction de la tension de contrôle : les fréquences des standards désirés, à savoir entre 4 et 12 GHz, sont atteintes. Fréquence de sortie (GHz) 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 400 mV 500 mV 600 mV 700 mV 800 mV 900 mV Vctrl

Le logiciel Cadence SpectreRF permet de calculer le bruit de phase fréquentiel des oscillateurs. Le résultat de simulation du bruit de phase fréquentiel de l’opérateur de retard en mode oscillation est donné à la figure 2-9. Ce bruit de phase a été réalisé pour une porteuse à la fréquence de 12 GHz. Bruit de phase (dBc/Hz) -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100 -110 -120 -130 10 KHz 100 KHz Distance de la porteuse @ 12 GHz 1 MHz 10 MHz 100 MHz

Figure 2-9 : Bruit de phase à 12 GHz.

Le bruit de phase simulé est relativement haut : par exemple à 1 MHz de la porteuse il est de l’ordre de -75 dBc/Hz. Ce qui était prévisible sachant que les oscillateurs en anneau de type inverseur CMOS (single ended) sont très bruyants. Il ne rejette par exemple pas le bruit d’alimentation.

La figure précédente présente le bruit de l’opérateur considéré comme un oscillateur en anneau évoluant librement. Mais, nous désirons obtenir le bruit de l’oscillateur asservi sur une période de la référence, deux phénomènes sont donc à prendre en compte et vont modifier la forme de bruit simulé.

Tout d’abord, le système étant asservi, il faut prendre en compte l’effet de la boucle sur le bruit. Une boucle à verrouillage de délai est un circuit du premier ordre dont le filtre est une capacité, le système se comporte alors comme un passe haut pour le bruit dans la bande passante du système [MAC94-1]. La réjection dans la bande passante du bruit suit une courbe de pente -20 dB par décade.

D’autre part, le circuit est une DLL, il annule le bruit de phase à chaque nouvelle période de l’horloge de référence, ce qui se traduit par une réjection du bruit pour des fréquences supérieures à celle de référence d’un facteur égal à 20 dB par décade (cf. chapitre 1, §3.3.2.1).

La figure 2-10 présente la courbe de bruit de phase de l’oscillateur libre et celle du système asservi par une DLL. Cette dernière peut être décomposée en trois zones.

• Tout d’abord, une première zone est définie pour des fréquences inférieures à la

fréquence de coupure de la boucle. Cette fréquence a été prise égale à la fréquence du signal de référence divisée par un facteur 10, ce choix s’explique par l’étude de stabilité du système

qui sera menée à la fin de ce chapitre. Le bruit de phase du système asservi suit celui de l’oscillateur libre corrigé par l’action de la boucle (courbe bleue de la figure 2-10). Dans ce cas, la courbe de bruit de phase de l’oscillateur libre décroît en raison de -30 dB par décade. L’action de la boucle se traduit par une courbe de type passe-haut, de pente + 20 dB par décade. Il en résulte, pour le système asservi une décroissance de la courbe de bruit de phase avec une pente de -10 dB par décade.

• Une seconde zone est à distinguer, comprise entre la fréquence de coupure de la boucle et la fréquence de référence. Dans cette zone, le bruit de phase du système asservi est égal à celui du système libre.

• Enfin, la dernière zone est définie pour des fréquences supérieures à la fréquence de référence. Pour ces fréquences, le bruit de phase du système asservi suit celui de l’oscillateur libre corrigé par l’effet DLL (courbe bleue de la figure 2-10), c’est-à-dire la remise à zéro du bruit de phase temporelle à chaque nouveau cycle de l’horloge d’entrée. Ce phénomène se traduit par une courbe de type passe-bas, dont la pente est égale à -20 dB par décade. Dans notre exemple, le bruit de phase de l’oscillateur libre décroît en raison de -20 dB par décade. Par suite la pente de la courbe de bruit de phase de l’oscillateur asservi décroît avec une pente de -40 dB par décade. -200 -150 -100 -50 0 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ 10⁸ 10⁹

Bruit de phase de l'oscillateur libre

action de la boucle effet DLL

bruit de phase de l'oscillateur asservi

Br ui t de ph as e (d BC /H z) Fréquence (Hz) -30 dB/déc -10 dB/déc +20 dB/déc -20 dB/déc -40 dB/déc Fc Fréf

Figure 2-10 : Bruit de phase de l’oscillateur libre et asservi.

Notre objectif étant de déterminer la gigue temporelle accumulée par le système asservi sur une période de l’horloge de référence, la prochaine étape est donc à partir de la précédente courbe de déterminer quelle est la valeur de cette gigue.

3.2.2.3. Estimation de la gigue temporelle accumulée sur une période de