Conception et optimisation des oscillateurs à 2.5 GHz à très faible consommation de
puissance
Imen GHORBEL, Fayrouz HADDAD and Wenceslas RAHAJANDRAIBE
Laboratoire IM2NP, Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence
UMR CNRS 7334, Aix-Marseille Université
Technopôle de Château Gombert
13453 MARSEILLE Cedex 13, France
E-mail : imen.ghorbel@im2np.fr
Résumé
La conception d’un oscillateur radiofréquences (RF)
performant est devenue de plus en plus difficile à cause de
l’évolution des exigences des standards de communication et
essentiellement en termes de faible coût, faible consommation,
forte intégration, etc. Il s’avère donc nécessaire de mettre en
place une méthodologie de conception d’oscillateurs RF et une
approche d’optimisation de leurs performances afin de
respecter ces diverses contraintes. Dans ce travail, deux
topologies d’oscillateurs contrôlés en tension (VCO) RF
utilisant deux techniques de réduction de la consommation sont
étudiées. Les deux techniques utilisées sont la réutilisation de
courant et le fonctionnement en régime sous le seuil. Une
approche d’optimisation permettant d’améliorer les
performances en termes de consommation, de bruit de phase et
de plage de variation de fréquence est présentée. Deux
oscillateurs ont été conçus et simulés sous l’environnement
cadence en utilisant le simulateur Spectre-RF. Les résultats de
simulation montrent une très basse consommation de
puissance et valident donc l’efficacité de l’approche
d’optimisation. Cependant, la plage de variation de fréquences
est faible. Donc, il y a un compromis à faire entre plage
d’accord en fréquence et la consommation de puissance. Ce
qui nous a amené à proposer un organigramme présentant
l’impact des différents éléments constitutifs du VCO sur ses
performances, et par la suite permettant de faciliter le choix
optimal de la structure d’oscillateur selon les contraintes des
diverses applications.
1. Introduction
Actuellement dans le domaine des radiofréquences, la
tendance actuelle du marché s’oriente vers l'utilisation
des oscillateurs autonomes pendant une longue durée. Vu
que la fiabilité de ces circuits est directement liée à la
consommation de puissance, il est nécessaire de
développer des oscillateurs performants, peu
encombrants qui consomment des très faibles énergies.
Une attention particulière devra être portée à
l’optimisation de la puissance.
Certains concepteurs de circuits intégrés RF ont
proposé des structures optimisées des VCOs. Dans ce
contexte, deux techniques sont apparues dans la
littérature. La première technique consiste à utiliser la
configuration de réutilisation de courant [1,2]. La
deuxième technique consiste à réduire la tension
d’alimentation. Cependant, bien que cette technique
s’avère une approche très intéressante pour réduire
fortement la puissance dynamique et statique, elle exige
l’utilisation des transistors en région sous le seuil
(subthreshold), qui présente une forte sensibilité aux
variations PVT [3.4]. Cette minimisation de la puissance a
un impact direct sur le bruit de phase de l’oscillateur. Il y
a toujours la contrainte de ce bruit qui incite à consommer
plus d’énergie. Dans ce travail, Le compromis
consommation de puissance et bruit de phase a été mis en
avant.
Le premier objectif de ce travail sera consacré à l’étude et
la comparaison deux oscillateurs utilisant deux différentes
techniques pour la réduction de consommation. Le
deuxième objectif consiste à concevoir ces deux
oscillateurs sous l’environnement Cadence, en satisfaisant
les contraintes de conception d’un VCO tels que le bruit de
phase, l’excursion du signal de sortie et la plage de
variation de la fréquence (Tuning range). Le dernier
objectif sera consacré à trouver une méthodologie de
conception et une approche d’optimisation permettant de
faciliter le choix optimal de la structure de l’oscillateur et
les éléments constitutifs de ce dernier, en tenant compte
des différentes contraintes imposées par le standard.
2. Contraintes de conception du VCO
Les performances des VCOs sont étroitement liées à leurs
caractéristiques. Elles sont notamment caractérisées par
la fréquence d'oscillation, la plage de variation de la
fréquence « Tuning range », la consommation d’énergie
le bruit de phase et la surface [5]. Etant donné qu’il y a
une forte relation entre ces caractéristiques, reprenons
donc les principales contraintes avec les différents
éléments d’un VCO-LC représentés sur la figure 1.
Figure 1 : les contraintes de conception et les différents
éléments d’un VCO-LC
Puissance
Bruit de phase
Surface
Plage de variation
Inductance
Varactors
Eléments Active