TP Conception systèmes mixtes

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TP conception systèmes mixtes M. Kraemer, D. Dragomirescu INSA Toulouse
Polycopie Version 2009
TP Conception systèmes mixtes
Partie Analogique : Conception d’un oscillateur intégré LC
Enseignant : Michael Kraemer Email : mkraem[email protected]
Dans le cadre de ces cinq séances de TP on va concevoir un oscillateur LC intégrée en
utilisant l’environnement CADENCE. Le Design Kit utilisé est basé sur une technologie
CMOS 0.35 µm du fondeur AMS (« Austrian Microelectronic Systems »).
A. Introduction
Un Oscillateur LC : Qu’est-ce que c’est ?
1. Description :
- dispositif pour générer un signal sinusoïdal haute (voir très haute) fréquence, dite
« RF » (radio frequency)
- entièrement intégré, c'est-à-dire, il n’y a pas de résonateur externe (quartz)
- les éléments pour déterminer la fréquence sont une inductance intégrée (bobine) et
un condensateur. Pour réaliser les capacités, dans ce TP on va utiliser des
condensateurs MIM (metal-insulator-metal), qui créent la capacité entre deux
couches de métallisation. Nous devrons aussi prendre en compte les capacités
parasites du transistor.
2. Performances :
- consommation de puissance : La partie RF est responsable d’une grande partie de
là consommation d’un circuit de communication, surtout dans les applications
autonome. Il faut donc minimiser la consommation des circuits RF
- bruit de phase (si on considère le circuit en domaine fréquentiel. En temporel le
bruit de phase correspond à la gigue (anglais: jitter))
3. Modèle oscillateur :
Résonateur avec résistance négative et non-linéaire pour stabiliser la fréquence
Le modèle équivalent d’oscillateur qu’on va utiliser pendant ce TP contient un résonateur
LC monté en parallèle avec des pertes (qui sont représenté par l’admittance gl). Ces pertes
sont compensées par un transistor (la partie active), qui ajoute une admittance négative et
non linéaire (gnegatif) ainsi que des capacités parasites qu’il faut aussi prendre en compte
pour la détermination de la fréquence de résonance. La non-linéarité du transistor stabilise
l’amplitude de l’oscillation.

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Pendant la conception de l’oscillateur il y a deux conditions à respecter :
• lnegatif gg > pour que toutes les pertes soient compensées et que l’oscillation
démarre
• )(2
1
parasite
res CCL
f
+
=
π
pour fixer la fréquence de résonance
4. Paramètres clés :
Une fois l’architecture de l’oscillateur est choisie, les performances dépendent des
paramètres suivants :
• taille de transistor : plus le transistor est large, plus la résistance négative est
importante.
• point de polarisation du transistor : il y a un point optimum, où une
performance souhaité est favorable
• valeur de l’inductance :
Î plus la valeur de l’inductance est grande, plus son admittance (gl)
est petite, et donc les pertes qu’il ajoute sont faibles
Î plus la valeur de l’inductance est petite, plus le bruit de phase du
circuit est faible
B. Flot de conception
1. Définir la spécification
2. Choisir l’architecture
3. Trouver le point de polarisation
4. Construire un modèle équivalent petit signal de l’oscillateur
5. Faire une première conception à la main (calcul de gnégatif et gl, des
valeurs des capacités et inductances)
6. Simulation du fonctionnement de l’oscillateur (sous SPECTRE où
SPICE)
7. Placement et Routage (manuel)
8. Design Rule Check (DRC)
9. Layout Versus Schematic (LVS)
10. Extraction
11. Simulation avec le modèle extrait
Dans le cadre de ce TP, on va suivre ce flot jusqu’au LVS. Cela permettra de comprendre ce
flot. Chaque étape sera détaillée dans un des chapitres suivants.

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1. Spécification
Pour ce TP vous avez le choix entre deux cahiers des charges :
• soit, vous concevrez un oscillateur faible bruit de phase (dans ce cas,
l’inductance utilisée doit être la plus petite possible)
• soit, vous concevrez un oscillateur faible consommation (dans ce cas,
l’inductance utilisée doit être la plus grande possible, afin d’avoir une taille de
transistor la plus petite possible)
Votre choix : ………………………………………. (À faire tout au début)
La fréquence d’oscillation va être 2.4 GHz (fréquence Wifi) dans un premier temps. Un
oscillateur avec une fréquence de 5 GHz pourrait être conçu s’il reste encore du temps.
2. Architecture
La première étape de la conception est de choisir une architecture pour le circuit à concevoir.
Ce choix se base sur les spécifications, l'expérience de l'ingénieur, une recherche
bibliographique où, plus rare, une idée géniale.
Dans notre cas on va utiliser une architecture canonique d'oscillateur, l'oscillateur type
Colpitts. Il y a plusieurs variantes de cet oscillateur. Le point clef est que le résonateur
contient un diviseur de tension capacitive, dont une partie est connecté à l'entrée du transistor.
Le schéma du circuit qu’on va utiliser est le suivant:
Figure 1
Dans le schéma équivalent petit signal, l'inductance apparaîtra en parallèle avec les capacités.
Le transistor est utilisé en forme « gate commune », c'est à dire l'entre du transistor est la
tension entre la source et la masse, la sortie est le courant au drain.

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Pour simuler ce circuit, nous utiliserons le simulateur SPECTRE sous Cadence. Pour créer
notre schématique sur Cadence, nous utiliserons le VIRTUOSO SCHEMATIC EDITOR.
Pour commencer, connectez-vous sur la machine MADIRAN. Puis créez un dossier dans
votre dossier home, et entrez dedans :
mkdir DesignAnalog
cd DesignAnalog
Pour lancer Cadence, taper
ams
et puis
ams_cds –tech c35b4
dans votre dossier du travail. Le « process option » qu’on utilise est le C35B4C3.
La fenêtre CIW de Cadence apparaisse (figure 2):
Figure 2
Verifiez bien que en bas à gauche, la version du Design Kit est « HIT-Kit 3.70 » et le tech-file
utilisé est le « c35b4c3 ».
Pour corriger une petite faute dans un fichier de configuration de Cadence, quittez la
fenêtre CIW. Vous vous retrouvez dans le dossier que vous venez de créer. Editez le
fichier « cds.lib »qui se trouve dans ce dossier en entrant
kedit cds.lib &
Trouvez la ligne qui commence par « -- DEFINE TECH_C35B3 $AMS… » et
supprimez les deux tiret devant la commande DEFINE. Sauvegardez ce fichier.
Cette correction est à faire une seule fois au cours du TP. Ensuite, vous pouvez
redémarrer Cadence.
Pour créer votre bibliothèque du travail, lancez « Tools » -> « Library Manager ... » dans le
menu du CIW. Il y a une deuxième fenêtre qui apparaît (figure 3).
Le Library manager contient une liste avec toutes les bibliothèques disponibles (à gauche,
« Library »). Ces bibliothèques contiennent les composants (colonne du milieu, « Cell »).
Chaque composant (« Cell ») contient plusieurs « View » (à droit), c'est-à-dire représentations
!

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différentes, comme le layout, le modèle spectre, le symbole pour utiliser dans le schématique,
et cetera.
Figure 3
Dans le Library Manager, faites « File -> New -> Library ... » et entrez un nom pour votre
propre bibliothèque (par exemple OSCILLATEUR_MK, avec MK étant vos initiales).
Après avoir cliqué sur OK une deuxième fenêtre s’ouvra. Choisissez « Attach to an existing
tech file », OK, et dans la fenêtre qui suit choisissez le fichier TECH_C35B4. Comme ça, tous
que vous créez dans cette bibliothèque sera affilié avec la technologie 0,35µm, version beta 4.
Dans le dialogue suivant, prenez la version choisie par défaut.
Pour créer enfin un « Cell » avec un « View » qui contient le schéma de votre oscillateur,
sélectionnez votre bibliothèque, faites « File-> New-> Cell View ... ». La fenêtre de la figure
4 apparaît.
Figure 4