Untersuchung des Rauschens in komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Ringoszillatoren

Abstract

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.

Electrical oscillators are used within all kinds of electronic systems in the information, communication and sensor technology fields. These systems are implemented with as few discrete components as possible. Most oscillators are therefore embedded in an integrated circuit today. As the progressive downscaling of semiconductor technology is focused on CMOS digital circuits, ring oscillators with static CMOS inverters are particularly suited to be integrated in complex systems-on-chip, which include RF, analog and digital signal processing on a single chip. CMOS inverter ring oscillators offer some valuable advantages like a large tuning range, a large signal swing and a small chip area. However, CMOS ring oscillators exhibit a larger noise level than LC-oscillators, as they don't have a passive resonator that determines the oscillation frequency. The noise problem gets worse due to the increasing low frequency 1/f noise of scaled CMOS technologies. The low frequency 1/f-noise causes an increased close-in phase noise and signal edge jitter of the oscillation signal. Current application and technology trends raise some questions about the design of ring oscillators in modern CMOS technologies and their noise characteristics that are investigated in this work: - Which circuit topologies are suited for large tuning range CMOS ring oscillators, especially with an even number of stages? - What is the shape of the spectrum of a free running oscillator and how does the jitter accumulation take place if an oscillator is disturbed by a large amount of 1/f-noise? - What is the transformation mechanism between the thermal and 1/f MOSFET noise sources and the ring oscillator signal noise, and what are the rules for low noise CMOS ring oscillator designs? The basics of the MOSFETs that are used in the ring oscillators are presented in the first chapter of this work. Besides the DC- and AC-characteristics of the devices, the main focus are the MOSFET noise sources, especially the 1/f-noise. The theoretical and technical foundations of electrical oscillators are addressed in the second chapter of this work. A method to design ring oscillators with static CMOS inverters and an even number of stages is introduced. Latch up of the inverter ring is suppressed by additional inverters that form feedforward paths. An oscillator relying on these principles is implemented in 0.18 µm standard CMOS technology. It has a tuning range from 100 MHz to 3.5 GHz. The basic properties of the spectrum and of the jitter accumulation of free running oscillators that are disturbed by white noise and by 1/f noise are examined in the third chapter of this work. Concerning the random modulation by 1/f noise, the measurement or observation time has to be taken into account. A comprehensive theory about the spectrum and the jitter of free running oscillators that also includes the relations in between jitter and spectrum is presented. The fourth chapter of this work deals with the transformation of device noise to phase noise in CMOS inverter ring oscillators. Simple expressions for the noise of CMOS inverter ring oscillators that rely on the sampled noise spectrum of the MOSFETs' drain currents and that include the random modulation by white and by 1/f noise are presented. Methods to optimize the noise of CMOS inverter ring oscillators for given technology and noise parameters can be derived from these equations. In this context, a method to reduce the phase noise of a CMOS inverter ring oscillator by operation with a low noise current supply is presented. This work shows that ring oscillators with static CMOS inverters can be designed for a very large tuning range. They offer an interesting alternative for all applications that cover a broad frequency range and that have relaxed phase noise requirements. Moreover, the basic characteristics of the spectrum and the jitter of a free running oscillator are derived for random modulation by white and by 1/f noise. A comprehensive basis is established to understand the measured jitter and spectrum of a free running oscillator and the relations between the jitter and the spectrum. The noise of CMOS inverter ring oscillators is calculated analytically on the basis of the thermal and 1/f noise parameters of the MOSFET devices.