Analysis and minimization of flicker noise up-conversion in radio frequency LC-tuned oscillators

The world cell phones market experienced a steady growth in latest years, driven by the increasing number of applications available on smartphones, tablet computers and PDAs. Today's portable devices integrate multiple communication capabilities with ever-increasing data transfer rates. In this scenario, the implementation of single-chip radio transceivers capable of operating over multiple standards is of great interest. The need for a higher integration level to reduce board size and cost led CMOS processes to fast become the technology of choice in RFIC development. However, to take full advantage of the switching characteristics of MOS transistors in CMOS, a digital approach started to be adopted in the RFIC design. On the contrary, the analog section of transceivers must cope with the limitations imposed by the adoption of scaled CMOS processes, for example the large flicker noise corner frequencies. In this context, the design of local oscillators (LOs) for signal (de)modu-lation is becoming a highly-demanding task. This is due to the need of oscillators with an increasingly-broad tuning range to comply with different radio-communication standards. In the traditional design approach, however, this generally leads to a non-optimum sizing of the active devices of the oscillators. This further exacerbates the impact of flicker noise, eventually resulting into unacceptable phase noise performances. The main purpose of this doctoral thesis is to provide a detailed quantitative analysis of the flicker noise up-conversion mechanisms, filling the gap towards a complete understanding of this phenomenon. In particular, it will be shown that harmonic distortion is the major 1/f^3 phase noise source in voltage-biased oscillator topologies, while the modulation of parasitics is the dominant effect in the current-biased counterparts. A detailed analysis is carried out in the framework of the so-called impulse sensitivity function. Basing on theoretical results, several techniques to mitigate or suppress the flicker noise up-conversion are presented, together with measurements results carried out on three different test chips which confirm the validity of the proposed analyses. Furthermore, a new accurate simulation technique to compute the impulse sensitivity function in oscillators is presented, which is easier and faster to be implemented with respect to the traditional method.

Il mercato mondiale dei telefoni cellulari ha assistito negli ultimi anni ad una crescita esplosiva, guidata dal crescente numero di funzioni disponibili negli ``smartphone'' e nei computer ``tablet''. I moderni dispositivi portatili integrano molteplici standard di comunicazione con velocità di trasmissione dei dati sempre maggiore. In questo scenario è di grande interesse la possibilità di implementare trasmettitori radio su singolo chip capaci di operare su diversi sistemi di comunicazione. D'altra parte, la necessità di ottenere un'elevata integrazione, per ridurre l'ingombro ed il costo della scheda, ha consentito alle tecnologie CMOS scalate di diventare ben presto le tecnologie principali nell'ambito della progettazione dei circuiti integrati a radiofrequenza. Ciò ha comportato l'impiego sempre maggiore di circuiti digitali, per poter beneficiare a pieno delle caratteristiche di buoni interruttori dei transistori MOS scalati. La sezione analogica del ricetrasmettitore, invece, deve adattarsi alle limitazioni imposte dell'adozione di tecnologie CMOS scalate, ad esempio l'elevata presenza di rumore flicker prodotto dai transistori. In questo contesto la progettazione di oscillatori locali per la (de)modula-zione dei segnali diventa un'attività molto complessa. Ciò è dovuto in maniera determinante anche alla necessità di realizzare oscillatori capaci di sintetizzare ampi intervalli di frequenza, in modo da operare su diversi standard di comunicazione. Tuttavia, adottando un approccio di progetto tradizionale, questa richiesta comporterebbe un dimensionamento non ottimale dei dispositivi attivi dell'oscillatore. Ciò determina un ulteriore innalzamento dell'impatto del rumore flicker, che si traduce infine in prestazioni di rumore inaccettabili. Lo scopo principale di questa tesi di dottorato è fornire un'analisi quantitativa dettagliata dei meccanismi di conversione del rumore flicker in rumore di fase, basata su una profonda comprensione fisica del fenomeno. In particolare, sarà dimostrato che la distorsione armonica è l'origine principale del rumore di fase con andamento 1/f^3 nelle topologie di oscillatore polarizzate in tensione, mentre la modulazione dei parassiti capacitivi è l'effetto dominante in quelle polarizzate in corrente. L'analisi di entrambi i fenomeni viene effettuata adottando il concetto di funzione di sensitività all'impulso. Sulla base dei risultati teorici sono presentate diverse tecniche circuitali per ridurre l'impatto del rumore flicker, la cui validità è stata verificata attraverso tre diversi circuiti integrati di test. Le misure effettuate confermano inoltre la bontà dell'analisi di rumore. Infine, viene presentata una nuova accurata tecnica di simulazione per ricavare la funzione di sensitività all'impulso negli oscillatori. L'impiego di tale metodologia si rivela più veloce e semplice da implementare rispetto a quella tradizionale.