Análise de ruído de fase em osciladores mos baseada no grau de inversão dos transistores

Abstract

Resumo: Neste trabalho, foi desenvolvido um método de análise de ruído de fase de osciladores MOS baseado no grau de inversão dos transistores, com o objetivo de demonstrar como o nível de inversão do transistor influencia o resultado do ruído de fase em um oscilador. Foi apresentado o modelo do transistor MOS baseado no conceito do nível de inversão de operação do transistor e o uso deste conceito para definir o ruído térmico e o ruído 1/f do dispositivo. Em relação ao modelo de ruído de fase utilizado, a teoria está fundamentada na identificação da função de sensibilidade ao impulso – ISF do oscilador a ser analisado e do ruído estacionário ou ciclo-estacionário gerado pela fonte de ruído do circuito. Neste caso, para ser evidenciada a contribuição do ruído do transistor MOS no ruído de fase do circuito, foram analisados transistores operando em níveis de inversão moderada e forte. Foi utilizada a topologia de oscilador Colpitts de Sinal de Excursão Melhorada (ESCO), como circuito base para o desenvolvimento de um método de análise do ruído de fase. O projeto dos ESCOs foi desde a etapa de cálculo e simulação até fabricação e medição. O desempenho referente ao ruído de fase foi comparado com os resultados calculados pelo modelo proposto, os resultados obtidos por simulação e os medidos. A partir dos resultados obtidos, foi constatado que osciladores projetados com transistores operando em nível de inversão maior apresentaram melhor ruído de fase.

Abstract: In this study, a method of oscillator phase noise analysis based on transistor MOS inversion level was developed, in order to demonstrate how the transistor inversion level influences the result of phase noise in an oscillator. It was presented MOS transistor model based on the concept of transistor operation inversion level and use of this concept to define thermal and 1/f noise of the device. In relation to the used phase noise model, the theory is based on the identification of the oscillator impulse sensitivity function - ISF to be analyzed and the stationary noise or cyclo-stationary generated by circuit noise source. In this case, to be evidenced MOS transistor noise contribution to the phase noise of the circuit, transistors operating at moderate and strong inversion levels were analyzed. It was used Enhanced Swing Colpitts Oscillator (ESCO) topology, as a base circuit to develop a method of analysis of the phase noise. The design of ESCO was from the calculation step and simulation to manufacturing and measurement. The performance related to the phase noise was compared with the results calculated by the proposed model, the results obtained by simulation and measurement. From the results, it was verified oscillators designed with transistors operating at higher inversion level showed better phase noise