Les varactors

Pour concevoir des varactors, nous ne disposons que de modèles en CMOS/BULK 0.13µm. Les varactors à accumulation sont de type PMOS ou NMOS.

Nous avons, dans un premier temps, créé un schéma électrique, représenté sur la Figure 3- 27, permettant de simuler le varactor dans des conditions similaires à celles présentes lorsque le varactor est utilisé dans un VCO.

CHAPITRE III 134 Tension de contrôle Alimentation Niveau 0 Volt Générateur de tension alternative Varactor Inductance de choc Inductance de choc Capacité de liaison Capacité de liaison

Figure 3- 27: Schéma électrique de simulation du varactor.

En régime continu, les inductances de choc se comportent comme des court-circuits et les capacités de liaison comme des circuits ouverts. Donc la tension continue aux bornes du varactor est égale à la tension de contrôle.

En régime haute fréquence, les inductances sont des circuits ouverts et les capacités des court-circuits. On observe donc, aux bornes du varactor, le comportement à haute fréquence.

De plus, les inductances de choc permettront, sur la carte de test, de filtrer les bruits sur l'alimentation et sur la tension de contrôle.

Les contraintes de conception liées au modèle sont les suivantes:

- la capacité maximale du varactor doit être supérieure à 200fF,

- le nombre de doigts d'un varactor doit être compris entre 1 et 50,

- la longueur d'un varactor doit être comprise entre 0.35 µm et 2 µm.

En faisant varier le nombre de doigts, Nf, du varactor, on a mesuré le facteur de qualité en fonction de la tension de contrôle des varactors (

V

vingt doigts puis se stabilise. A titre d'exemple, le Tableau 3- 9 ci-après indique la variation du facteur de qualité pour un varactors de type PMOS en fonction de

V

Nombre de doigts 2 20

Tension de contrôle VC en [V] -3 3 -3 3

Facteur de qualité Q 7 2,5 30 15

ANALYSE ET CONCEPTION DE VCO CMOS/SOI 0.13µm POUR LES LIENS HAUT DEBIT

Au-delà de 20 doigts, l'augmentation du coefficient de qualité simulé est très faible. Nous avons donc opté pour un varactor à 20 doigts. Nous avons également choisi une longueur minimale de 0.35µm pour les varactors. En effet, le coefficient de qualité augmente lorsque la longueur diminue (réduction de la résistance série).

Nous avons simulé sur CMOS/BULK l'évolution du facteur de qualité en fonction de la tension de contrôle des varactors NMOS et PMOS à 1GHz, 5GHz et 10GHz pour une capacité maximale de 350fF, un nombre de doigts de 20 et une longueur de doigt de 0.35µm (Figure 3- 28):

(a) Varactor NMOS (b) Varactor PMOS

Figure 3- 28: Variation du facteur de qualité des varactors NMOS et PMOS en fonction de la tension de contrôle à différentes fréquences.

Dans les deux cas, le facteur de qualité diminue fortement avec la fréquence. Le varactor NMOS présente à fréquence de 1GHz un facteur de qualité supérieur et de variation opposée sur la plage de contrôle. Examinons maintenant le facteur de qualité à 10GHz en fonction de la tension de contrôle (Figure 3- 29):

CHAPITRE III

136

On observe sur la figure ci-dessus que le varactor NMOS présente un meilleur facteur de qualité que son homologue PMOS. Cette supériorité est d'autant plus importante pour les valeurs élevées de la tension de contrôle. En effet, la longueur des doigts du varactor PMOS est plus grande que la longueur des doigts de son homologue NMOS. Ceci induit une résistance série plus grande pour le varactor PMOS et donc un facteur de qualité inférieur.

Analysons maintenant l'évolution de la capacité en fonction de la tension de contrôle aux trois mêmes fréquences (Figure 3- 30):

(a) Varactor NMOS (b) Varactor PMOS

Figure 3- 30: Variation de la capacité des varactors NMOS et PMOS en fonction de la tension de contrôle à différentes fréquences.

Il est intéressant de constater que les courbes pour les trois fréquences sont extrêmement voisines.

Observons plus spécialement la superposition des deux capacités NMOS et PMOS à 10GHz (Figure 3- 31):

ANALYSE ET CONCEPTION DE VCO CMOS/SOI 0.13µm POUR LES LIENS HAUT DEBIT

D'après la figure ci-dessus, on peut donc s'attendre à obtenir une plage de variation quasiment identique de la fréquence des VCO à varactors NMOS et à varactors PMOS. L'écart entre les capacités maximum et minimum du varactors est de 250fF. Le rapport CMAX / CMIN vaut 3.5. La dynamique de fréquence attendue serait de 1.87GHz. Soit une plage de variation autour de 10GHz de 18.7%. On s'attend à une plage de variation plus grande en CMOS/SOI.

Afin d'accroître la compacité du résonateur et donc du circuit, nous avons écarté les bornes de l'inductance afin de placer les deux varactors à l'intérieur. Cette disposition présente l'intérêt de minimiser les capacités parasites et la taille globale du VCO.

Inductance 1.1nH

Varactors NMOS Tension de contrôle

Figure 3- 32: Implantation des varactors dans l'inductance.

En conclusion, rappelons que les varactors ont été simulés grâce aux modèles CMOS/BULK. Cette étape de conception nous permet d'envisager de bonnes performances en CMOS/SOI avec notamment:

- un facteur de qualité meilleur en NMOS qu'en PMOS,

- une plage de fréquence supérieure ou égale à 18.7%.