05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik

This paper presents an electrical, fully integrated, high quality (Q) factor GmC bandpass filter (BPF) stage for a wireless 27 MHz direct conversion receiver for a bendable sensor system-in-foil (Briem, 2016). The core of 10 the BPF with a Q factor of more than 200 is an operational transconductance amplifier (OTA) with a high linearity at an input range of up to 300 mVpp,diff. The OTA’s signal-to-noise-and-distortion-ratio (SNDR) of more than 80 dB in the mentioned range is achieved by stabilizing its transconductance Gm with a respective feedback loop and a source degeneration resistance RDG. The filter stage can be tuned and is tolerant to global and local process variations due to offset and common-mode 15 feedback (CMFB) control circuits. The results are determined by periodic steady state (PSS) simulations at more than 200 global and local process variation parameter and temperature points and corner simulations. It is expected, that the parasitic elements of the layout have no significant influence on the filter behaviour. The current consumption of the whole filter stage is less than 600 μA.

Elektrische Oszillatoren werden in einer Vielzahl von elektronischen Systemen der Informations-, der Kommunikations- und der Sensortechnik eingesetzt und sind oft in ein komplexes System-on-Chip eingebettet. Die meisten Oszillatoren sind daher heute in integrierten CMOS-Schaltungen zu finden. Da die fortschreitende Miniaturisierung der Halbleitertechnologie hauptsächlich auf digitale Schaltungen in statischer CMOS-Logik ausgerichtet wird, bieten sich Ringoszillatoren mit statischen CMOS-Invertern ganz besonders zur Integration an. Diese CMOS-Ringoszillatoren bieten eine Reihe von Vorteilen, wie z.B. einen potenziell sehr großen Durchstimmbereich, einen großen Signalhub und einen kleinen Chipflächenverbrauch. Allerdings weisen CMOS-Ringoszillatoren ein größeres Rauschen auf als LC-Oszillatoren, weil sie keinen passiven Resonator haben, durch welchen die Schwingfrequenz festgelegt wird. Verschärft wird das Problem durch ein immer größer werdendes niederfrequentes 1/f-Rauschen der MOSFETs mit fortschreitender Technologieentwicklung. Dieses niederfrequente Rauschen führt zu einem vergrößerten mittenfrequenznahen Phasenrauschen und zu einem größeren Jitter der Signalflanken des Oszillatorsignals. Aus aktuellen Anwendungen für Oszillatoren und aus den gegenwärtigen Trends in der Technologieentwicklung lassen sich folgende Fragestellungen zu CMOS-Ringoszillatoren ableiten, die im Zentrum dieser Arbeit stehen: - Wie können breitbandig durchstimmbare Ringoszillatoren mit CMOS-Invertern, insbesondere auch mit Quadraturausgängen, entworfen werden? - Welche Form nimmt das Spektrum des freilaufenden Oszillators unter dem Einfluss von starkem 1/f-Rauschen an und wie verhält sich der akkumulierte Jitter? - Wie wird das thermische Rauschen und das 1/f-Rauschen der MOSFET in CMOS-Ringoszillatoren in das Oszillatorrauschen transformiert und welche Regeln lassen sich daraus für einen rauscharmen Entwurf von CMOS-Ringoszillatoren ableiten? Zunächst werden die Grundlagen der in den Oszillatoren verwendeten MOSFETs dargestellt. Neben den grundlegenden Gleichstrom- und Wechselstromeigenschaften liegt der Schwerpunkt auf dem Rauschen des MOSFETs, insbesondere auf dem 1/f-Rauschen. Im nächsten Teil der Arbeit wird auf die Technik der Elektrischen Oszillatoren eingegangen. Es wird ein Verfahren für den Aufbau von Ringoszillatoren mit statischen CMOS-Invertern und einer geraden Anzahl von Stufen vorgestellt. Der statisch stabile Arbeitspunkt des Rings mit gerader Stufenanzahl wird durch zusätzliche Vorwärtskopplungsinverter aufgehoben. Ein auf diesem Prinzip beruhender Oszillator mit Quadraturausgängen in 0,18 µm CMOS-Technologie weist einen Durchstimmbereich von 100 MHz bis 3,5 GHz auf. Im Weiteren wird auf die grundlegenden Eigenschaften des Spektrums und des akkumulierten Jitters von freilaufenden Oszillatoren eingegangen. Die Störmodulation durch weiße und durch 1/f-Rauschquellen wird betrachtet. Bei der Störmodulation durch 1/f-Rauschen muss dabei die Mess- oder Beobachtungsdauer in die Berechnung einbezogen werden. Es werden quantitative Zusammenhänge zwischen dem Spektrum und dem Jitter in allen Bereichen hergeleitet. Im letzten Teil der Arbeit wird auf das Rauschen in Ringoszillatoren mit statischen CMOS-Invertern eingegangen. Es werden einfache analytische Ausdrücke für das Rauschen in CMOS-Inverter-Ringoszillatoren vorgestellt, die auf der Abtastung des MOSFET-Rauschens beruhen und die sowohl die Frequenzstörmodulation durch thermisches wie auch durch 1/f-Rauschen beschreiben. Anhand dieser Ausdrücke wird deutlich, wie ein Oszillator ausgelegt werden muss, damit er bei gegebenen Technologie- und Rauschparametern ein möglichst kleines Phasenrauschen aufweist. In diesem Zusammenhang wird auch ein Verfahren vorgestellt, wie mit Stromeinprägung über eine rauscharme Stromquelle das Phasenrauschen von CMOS-Ringoszillatoren gegenüber dem Betrieb mit Spannungseinprägung verringert werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird deutlich, dass Ringoszillatoren mit statischen CMOS-Invertern für einen sehr großen Durchstimmbereich ausgelegt werden können und damit eine interessante Alternative für alle Anwendungen darstellen, die einen großen Frequenzbereich abdecken und bei denen die Anforderungen an das Phasenrauschen nicht allzu hoch sind. Weiterhin werden in dieser Arbeit die prinzipiellen Eigenschaften des Spektrums und des akkumulierten Jitters von freilaufenden Oszillatoren unter dem Einfluss von verstärktem 1/f-Rauschen analytisch hergeleitet. Dadurch wird eine umfassende Basis für das Verständnis des gemessenen Jitters und Spektrums gelegt. Für CMOS-Inverter-Ringoszillatoren wird das Oszillatorrauschen analytisch auf Basis der thermischen und 1/f-Rauschparameter der dem Entwurf zugrunde liegenden MOSFETs berechnet. Mit Hilfe dieser neuen Beziehungen kann das Oszillatorrauschen leicht abgeschätzt werden und es lassen sich damit Entwurfsregeln für rauscharme Ringoszillatoren formulieren.

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