Integrované obvody CMOS - Ročníková práce Elektrotechnologie

Díky prudkému rozvoji digitálních obvodů je v současné době nejčastěji používanou technologií technologie CMOS. Použití dvou technologií, jedné pro VCO (popř. PLL) a druhé pro digitální část čipu, je velmi nákladné. Návrh integrovaných VCO v technologii CMOS umožňuje snížit náklady na výrobu a je tedy preferovaným řešením. Hnací silou v rozvoji digitálních mobilních telekomunikacích je především rychlost jednotlivých obvodových bloků. V současné době se používají CMOS VCO pro telekomunikační obvody v oblasti 900MHz, a je snaha použít CMOS VCO i pro oblasti do 2GHz . Nad tyto kmitočty je návrh VCO s použití současných CMOS technologií nesnadný. Oscilátory řízené napětím pro tyto kmitočty se často navrhují v bipolárních popř. kombinovaných technologiích (BiCMOS, GaAs MESFET).

8.1 Parametry oscilátorů řízených napětím v technologii CMOS

Parametry oscilátorů řízených napětím ovlivňují vlastnosti celé smyčky fázového závěsu. To se týká především spektrální čistoty výstupního signálu a kmitočtové stability (odolnosti proti změnám teploty a kolísání napájecího napětí). Spektrální čistota výstupního signálu úzce souvisí s fázovým šumem (phase noise). Fázový šum je definován jako variace fáze signálu v určitých bodech na časové ose. V praxi lze fázový šum pozorovat na paměťovém osciloskopu jako slabé chvění výstupního signálu (timing jitter).

Další parametry VCO souvisí s napěťovým (proudovým) řízením oscilátoru a s převodní charakteristikou VCO, tj. závislostí kmitočtu oscilátoru na řídicím napětí popř. proudu. Důležitými parametry jsou především linearita převodní charakteristiky, kmitočtový rozsah a maximální pracovní kmitočet. V aplikacích pro digitální mobilní telekomunikace není kmitočtový rozsah kritický, obvykle je požadovaný rozsah několik desítek MHz. Při implementaci VCO přímo na čip však musíme počítat s rozptylem výrobních parametrů, což vede k zvýšeným požadavkům na kmitočtový rozsah VCO (až stovky MHz). Linearita (i sklon) charakteristiky VCO má vliv na celkové chování PLL. Pokud je však odklon od nelinearity dostatečně malý, může být vykompenzován vlastní smyčkou fázového závěsu.

V digitálních telekomunikacích je VCO často implementován na čipu spolu s ostatními digitálními obvody. Obzvláště v synchronních systémech dochází k prudkému kolísání napájecího napětí vlivem současného spínání velkého počtu digitálních součástek. Míra odolnosti proti pronikání signálu z napájecích linek je tedy důležitou vlastností CMOS VCO. S použitím VCO v digitálních mobilních telekomunikacích však úzce souvisí také nízká spotřeba celého obvodu a nízké výrobní náklady.

8.2 Obvodové řešení VCO v technologii CMOS

Oscilátory řízené napětím v diskrétní podobě se často řeší pomocí laděných LC obvodů. Laděné LC oscilátory mají vysoký činitel jakosti obvodu Q a tedy velmi dobrou stabilitu kmitočtu a spektrální čistotu výstupního signálu. To je však podmíněno použitím kvalitních pasivních součástek. Při požadavcích na integraci celého obvodu to znamená značné omezení pro použití oscilátorů LC na čipu. Kondenzátory i cívky na čipu zabírají velkou plochu a jejich činitel jakosti Q je nízký. Navíc realizace cívky přímo na ploše čipu vyžaduje použití speciální technologie.