Transformer-based variable inductance applied to a CMOS voltage-controlled oscillator

Abstract

Resumo: Com o aumento constante dos requisitos necessários para operação em padrões de comunicação mais recentes, aliado à indispensabilidade da interação com os padrões já existentes, a complexidade e integrabilidade na implementação de circuitos de radiofrequência tem alcançado patamares cada vez mais altos. Em paralelo, existe a sempre crescente necessidade da redução do consumo da energia gasta em circuitos eletrônicos integrados. Neste cenário, a versatilidade dos circuitos é essencial. Diversos elementos como capacitores e transistores dispõem de soluções corriqueiras em se tratando de variabilidade, permitindo que esses elementos operem dependendo de um controle externo, promovendo assim essa versatilidade tão essencial. Por outro lado, indutores integrados ainda carecem de soluções mais consistentes. Este trabalho apresenta uma estrutura capaz de fornecer diferentes indutâncias utilizando um transformador e um esquema de chaveamento; o funcionamento da estrutura é descrito, bem como suas limitações. A operação do transformador é extraída a partir de simulações eletromagnéticas, possibilitando uma análise criteriosa do seu funcionamento. Um oscilador controlado por tensão é projetado utilizando uma indutância variável com quatro modos de operação; os resultados são extraídos através de simulações pós-leiaute. As quatro indutâncias fornecidas pela estrutura permitem um considerável alcance percentual de frequências de oscilação de aproximadamente 88%. O circuito oscila entre 2.31 GHz e 5.93 GHz, apresentando uma frequência central de 4.12 GHz. O ruído de fase em 1 MHz varia entre - 108 dBc/Hz e - 117.7 dBc/Hz mantendo um consumo de potência abaixo de 3.21 mW. Esses parâmetros rendem uma FoMT entre - 214 dBc/Hz e - 224 dBc/Hz; resultados bastante interessantes quando comparados ao atual estado da arte.

Abstract: In order to keep up with the increasing requirements that the newest communication standards demand while being capable of interacting with older technologies, radiofrequency circuits need to achieve an ever-increasing level of integrability and complexity in its implementation. Accompanying this tendency is the environmental necessity to reduce energy consumption in electronic devices; versatility is key in this scenario. Different elements such as capacitors and transistors possess ubiquitous solutions in variability, allowing these elements to perform in accordance to an external control composition, granting them a so desired versatility. Variable inductors, however, still struggle to present a dependable solution. This work presents an integrated transformer-based variable inductance that utilizes a switching scheme to present an interchangeable equivalent inductance; the proposed structure is described and its capabilities and limitations are discussed. Electromagnetic simulations are utilized to extract the operating performance of the proposed structure, which conveys reliable results. An integrated voltage-controlled oscillator is designed utilizing a 4-mode variable inductance and its performance is extracted from postlayout simulations. Due to the four different equivalent inductances provided to oscillator, an extended frequency tunning range (of around 88%) is achieved. The circuit oscillates from 2.31 GHz to 5.93 GHz, with a central frequency of 4.12 GHz. A phase noise @ 1 MHz varying from -108 dBc/Hz to -117.7 dBc/Hz is obtained, while consuming no more than 3.21 mW. These parameters promote a FoMT from - 214 dBc/Hz to - 224 dBc/Hz, which are notable results when compared to state-ofthe- art circuit.