Validation du modèle par rapport à l’influence des tolérances du processus de

La précision requise pour un modèle d’inductance spirale n’a pas nécessairement besoin d’être supérieure aux variations associées aux tolérances du processus de fabrication. Une modification de la réponse fréquentielle du composant peut en effet provenir des tolérances sur le layout du composant, ou sur les épaisseurs des couches d’oxyde et de métal. De plus, la valeur de l’inductance et les éléments parasites du composant sont très dépendants de l’environnement de la self et de son contexte d’utilisation (par exemple par la présence d’autres composants, de lignes de métal ou de masse à proximité). Dans le processus de fabrication CMOS, plusieurs paramètres technologiques peuvent affecter la caractéristique en fréquence du composant [162]. Nous pouvons par exemple citer l’épaisseur de diélectrique entre les niveaux de métal, ou encore l’épaisseur de la couche de passivation déposée au dessus du composant. Enfin, les tolérances associées aux largeurs et aux épaisseurs des lignes de métal peuvent aussi modifier la caractéristique fréquentielle de l’inductance.

Nous proposons dans cette section de valider que la précision d’estimation des paramètres de notre modèle peut-être suffisante pour la conception de dispositifs RF. Nous allons pour cela mettre en évidence que les écarts des caractéristiques induits par le processus de fabrication peuvent être supérieurs à ceux observés entre les données mesurées et modélisées.

L’analyse est effectuée à partir d’un oscillateur contrôlé en tension fonctionnant dans la bande 1.9-2.2GHz, qui a été conçu à partir du logiciel ADS. Cet oscillateur utilise une inductance de 7.5 tours, qui présente une largeur de ligne w=12µm, un espace inter-lignes s=4µm, et un

diamètre extérieur dout=300µm. Les paramètres variables du processus de fabrication

considéré sont l’épaisseur d’oxyde se trouvant sous l’inductance, qui peut elle varier entre 1.6 et 1.8µm et l’épaisseur de la couche de passivation qui elle peut varier de 1.8 à 2.4µm. Enfin, nous considérons une variation maximale de ±5% sur les largeurs de lignes de métal. Des inductances spirales prenant en compte les déviations maximales de ces paramètres ont été simulées à partir du logiciel 3D HFSS. Les résultats de simulation et ceux du modèle ont tous été implantés dans la simulation circuit du VCO afin d’observer les écarts en sortie du dispositif.

Le schéma électrique du VCO utilisé dans cette étude est présenté sur la Fig. 5-17, il est basé sur une architecture différentielle à base de résistance négative construite avec deux

transistors MOS ayant leurs grilles et drains interconnectés entre eux [163]. Ces deux

transistors, s’ils sont associés à un circuit résonant, permettent de générer une résistance négative d’amplitude suffisante pour autoriser les oscillations. Enfin, le circuit résonant est composé de l’inductance spirale qui nous intéresse et d’une capacité variable formée grâce aux capacités de déplétionde deux transistors MOS dont le drain et la source sont en court- circuit.

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Fig. 5-17 – VCO différentiel à base de résistance négative simulé pour valider la faisabilité d’utiliser le modèle d’échelle pour la conception de RFIC.

Le VCO a été conçu en technologie CMOS 0.5µm et fonctionne avec une tension d’alimentation de 2.2V. La tension de commande des MOSFETs du circuit résonant est de 1.75V à 2.15V. Le courant de référence (Itail) doit être de 6mA pour que les conditions d’oscillation soient respectées. Les longueurs de grilles des transistors L et largeurs W des transistors de la résistance négative sont respectivement de 0.8µm et 64µm. Les transistors MOSFETs utilisés dans le circuit résonant LC parallèle ont eux des dimensions L=5µm et W=55µm. Le VCO simulé sous ADS utilise les modèles Bsim3v3 disponibles de la technologie CMOS 0.5µm. La réponse de référence de l’oscillateur comprend à la fois celle utilisant les données mesurées et modélisées de l’inductance de 7.5tours, et cela sans considérer les tolérances qui peuvent être associées à la fabrication des circuits actifs ou des interconnexions. Les paramètres de sortie du VCO que nous considérons ici sont l’amplitude maximale du signal de sortie (Fig.5-18), la puissance de l’harmonique d’ordre 3 (Fig.5-19), et enfin le bruit de phase de l’oscillateur à 1MHz (Fig.5-20). Nous pouvons observer sur ces trois figures que la réponse du VCO obtenue à partir du modèle se positionne globalement bien dans la gamme de valeurs extrêmes induite par les variations des dimensions de l’inductance. Aussi, ces résultats démontrent la faisabilité d’utiliser un modèle d’échelle pour les premières phases de conception de RFIC et ce, bien que les équations analytiques soient déduites de nombreuses approximations.

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Fig.5-18 - Amplitude de sortie maximale simulée des VCOs avec : comme référence la réponse du VCO implantée à partir des fichiers de paramètres S mesurés, modélisés, et ceux des inductances simulées en 3D et qui tiennent compte des variations maximales induites par le

processus de fabrication

Fig.5-19 – Puissance de l’harmonique d’ordre 3 simulée des VCOs avec : comme référence la réponse du VCO implantée à partir des fichiers de paramètres S mesurés, modélisé, et ceux des

inductances simulées en 3D qui tiennent compte des variations maximales induites par le processus de fabrication

1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10

1.75

2.15

-45

-40

-35

-50

-30

Tension de commande Vtune (V)

Puissance de l'harmonique

d'ordre 3 (dBc)

VCO simulé à partir du fichier de paramètres S de l’inductance mesurée VCO simulé à partir du modèle

Déviation maximale par les tolérances du processus de fabrication 1.8 1.8 1.9 1.9 2.0 2.0 2.1 1.7 2.1 0.7 0.8 0.8 0.7 0.9

Tension de commande Vtune (V)

Max. de l'amplitude sortie (V)

Déviation maximale par les tolérances du processus de fabrication

VCO simulé à partir du fichier de paramètres S de l’inductance mesurée VCO simulé à partir du modèle

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Fig.5-20 – Bruit de phase à 1MHz simulé des VCOs avec : comme référence la réponse du VCO implanté à partir des fichiers de paramètres S mesurés, modélisés, et ceux des inductances

simulées en 3D qui tiennent compte des variations maximales induites par le processus de fabrication