МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ КМОП-ГЕНЕРАТОРОВ, УПРАВЛЯЕМЫХ НАПРЯЖЕНИЕМ, С ПЕРЕКРЕСТНЫМИ ОБРАТНЫМИ СВЯЗЯМИ И МАЛЫМ ЗНАЧЕНИЕМ УРОВНЯ ФАЗОВОГО ШУМА

Денис И. Сотсков

Аннотация


Представлена методика проектирования КМОП-генераторов, управляемых напряжением (ГУН), с LC резонансным контуром (РК) и перекрестными обратными связями (ОС), основанная на применении комплекса мер, направленных на снижение уровня фазового шума (ФШ), в ходе операций, выполняемых средствами как малосигнального, так и нелинейного анализа. Методика формализована в виде алгоритма и позволяет в рамках трех взаимосвязанных этапов выполнить оперативную оптимизацию параметров электрической схемы ГУН для достижения малого значения уровня ФШ при заданных ограничениях на диапазон частот выходного сигнала, диапазон управляющих напряжений и напряжение питания. Согласно предложенной методике, на первом этапе осуществляется предварительный расчет РК ГУН. Базовые подходы к снижению уровня ФШ, реализуемые на данном этапе заключаются в увеличении собственной добротности РК, снижении крутизны вольт-частотной характеристики (ВЧХ) РК и увеличении значения допустимой радиочастотной мощности, поступающей в РК. На втором этапе средствами малосигнального анализа проводится оценка и обеспечение выполнения условий самовозбуждения ГУН. На третьем этапе проводится нелинейный анализ ГУН в частотной области. Задача по обеспечению малого уровня ФШ, решаемая на данном этапе, сводится к поиску оптимальных параметров электрической схемы ГУН, которые с одной стороны обеспечивают достаточно высокое значение подводимой к РК мощности и допустимо низкое значение крутизны ВЧХ ГУН, а с другой – обеспечивают малые значения шумовых параметров МОП-транзисторов из состава ГУН. С использованием предложенной методики разработан комплект КМОП ГУН с перекрестными ОС, рабочими частотами до 3 ГГц и уровнем ФШ порядка минус 90 дБн/Гц при частоте отстройки от несущей 100 кГц.

Ключевые слова


методика проектирования, генератор, управляемый напряжением, КМОП, фазовый шум, резонансный контур.

Полный текст:

PDF

Литература


1. Razavi, Behzad. Design of Analog CMOS Integrated Circuits, 2nd Edition. McGraw Hill Publisher, 2016. 800 p. ISBN 978-0-07-252493-2.

2. Bae, J., Radhapuram, S., Jo, I., Kihara, T. and Matsuoka, T. (2015) A Subthreshold Low-Voltage Low-Phase-Noise CMOS LC-VCO with Resistive Biasing. Circuits and Systems, 6, 136-142. DOI: http://dx.doi.org/10.4236/cs.2015.65014.

3. Никифоров А.Ю., Телец В.А., Кессаринский Л.Н. и др. Концепция доверенной ЭКБ микроэлектроники – новая категория качества и безопасности для регулируемых рынков критической информационной инфраструктуры. Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2025, № 7(248), с. 56-74. ISSN 1992-4178. DOI: http://dx.doi.org/10.22184/1992-4178.2025.249.7.56.74.
Nikiforov A., Telets V., Kessarinsky L. et al. The concept of trusted electronic component base as a new category of electronic component base products for regulated markets of critical information infrastructure. Electronics: Science, Technology, Business. 2025, № 7(248), pp. 56-74. ISSN 1992-4178. DOI: http://dx.doi.org/10.22184/1992-4178.2025.249.7.56.74 (in Russian).

4. Юров, Виктор В.; Кондрашов, Захар К.; Старовойтов, Евгений И. Отечественная навигационно-связная экосистема для защиты критической информационной инфраструктуры. Безопасность информационных технологий, [S.l.], т. 32, № 1, с. 143-152, 2025. ISSN 2074-7136. DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2025.1.10.
Yurov, Viktor V.; Kondrashov, Zakhar K.; Starovoitov, Evgenii I. National telecommunications ecosystem for protecting critical information infrastructure. IT Security (Russia), [S.l.], v. 32, no. 1, pp. 143-152, 2025. ISSN 2074-7136. DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2025.1.10 (in Russian).

5. Гавдан, Григорий П. и др. Обеспечение безопасности государственных информационных систем как объектов критической информационной инфраструктуры. Безопасность информационных технологий, [S.l.], т. 32, № 3, с. 26-43, 2025. ISSN 2074-7136. DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2025.3.03.
Gavdan, Grigory P. et al. Managing the security of government information systems as critical information infrastructure objects. IT Security (Russia), [S.l.], v. 32, no. 3, pp. 26-43, 2025. ISSN 2074-7136. DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2025.3.03 (in Russian).

6. Сотсков, Денис И. и др. Специализированная СВЧ библиотека для разработки приемопередающей доверенной ЭКБ. Безопасность информационных технологий, [S.l.], т. 30, № 3, с. 104-115, 2023.
ISSN 2074-7136. DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2023.3.07.
Sotskov, Denis I. et al. The specialized RF elements library for trusted transceiver VLSI design. IT Security (Russia), [S.l.], v. 30, no. 3, pp. 104-115, 2023. ISSN 2074-7136. DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2023.3.07 (in Russian).

7. Bunch R.L., Raman S. Large-signal analysis of MOS varactors in CMOS Gm LC VCOs. IEEE Journal of Solid-State Circuits. V. 38, no. 8, 2003, pp. 1325-1332. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/JSSC.2003.814416.

8. Rohde Ulrich L., Poddar Ajay Kumar, Bock Georg. The Design of Modern Microwave Oscillators for Wireless Applications: Theory and Optimization. John Wiley & Sons, Inc., 2005. 543 p. – ISBN 0-471-72342-8.

9. Grebennikov A. RF and Microwave Transistor Oscillator Design. John Wiley & Sons Ltd, 2007. 458 p. ISBN 978-0-470-51208-1.
10. Banerjee D. PLL Performance, Simulation, and Design, 4th Edition. Dog Ear Publishing LLC, 2006. 340 p. ISBN‎ 978-1598581348.

11. Ji Chen, Juin J. Liou On-Chip Spiral Inductors for RF Applications: An Overview, Journal of Semiconductor Technology and Science, v. 4, no. 3, 2004, pp. 149-167. URL: https://www.researchgate.net/publication/228865439_On‑Chip_Spiral_Inductors_for_RF_Applications_An_Overview (дата обращения: 15.12.2025).

12. Сотсков Денис И. и др. Доверенный УВЧ тракт приемника систем цифровой маркировки и идентификации объектов критической инфраструктуры. Безопасность информационных технологий, [S.l.], т. 30, № 4, с. 114-127, 2023. ISSN 2074-7136. DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2023.4.07.
Sotskov Denis I. et al. The Trusted UHF Receiver for Radio Frequency Identification of Critical Infrastructure Objects. IT Security (Russia), [S.l.], v. 30, no. 4, pp. 114-127, 2023. ISSN 2074-7136. DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2023.4.07 (in Russian).

13. Ali Hajimiri, Thomas H. Lee. The Design of Low Noise Oscillators, Kluwer Academic Publishers, 1999. 220 p. ISBN 0-7923-8455-5.

14. Randall W. Rhea. Discrete Oscillator Design: Linear, Nonlinear, Transient, and Noise Domains. Artech House Publishers, 2010. 450 p. ISBN 978-1608070473.

15. Sotskov D.I. et al. Design and Test Issues of a SOl CMOS Voltage Controlled Oscillators for Radiation Tolerant Frequency Synthesizers. 2018 IEEE East-West Design Test Symposium (EWDTS), 2018, pp. 1-4. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/EWDTS.2018.8524835.

16. Cheol-Woo Kang, Hyunwon Moon, Jong-Ryul Yang. Switched-Biasing Techniques for CMOS Voltage-Controlled Oscillator. Sensors, 2021, 21, no. 1: 316. DOI: https://doi.org/10.3390/s21010316.

17. Zhang, Zhaofeng. CMOS Radio Frequency Integrated Circuit Design for Direct Conversion Receivers. The Hong Kong University of Science and Technology, 2001. 140 p. URL: https://www.researchgate.net/publication/266045016_CMOS_Radio_Frequency_Integrated_Circuit_Design_for_Direct_Conversion_Receivers (дата обращения: 15.12.2025).

18. Hegazi E., Sjoland H., Abidi A.A. A filtering technique to lower LC oscillator phase noise. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2001, v. 36, no. 12,p p. 1921-1930. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/4.972142.

19. Усачев Н.А., Елесин В.В., Назарова Г.Н. и др. Исследования возможностей отечественной технологии КМОП КНИ 180 нм для создания радиочастотных приемо-передающих БИС космического назначения. Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА, 2017. № 6(22), с. 546-558. DOI: http://dx.doi.org/10.24151/1561-5405-2017-22-6-546-558.
Usachev N.A., Elesin V.V., Nazarova G.N. et al. Capabilities of the domestic 180-nm CMOS SOI technology to de-sign radio frequency transceiver ICs for space applications. Proc. of Universities. Electronics, 2017, v. 22, № 6, pp. 546-558. DOI: http://dx.doi.org/10.214151/1561-5405-2017-22-6-546-558 (in Russian).

20. Rui Ma, Fei Lu, Qi Chen, et al. A 2.22–2.92GHz LC-VCO demonstrated with an integrated magnetic-enhanced inductor in 180nm SOI CMOS. 2016 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC), 2016, pp. 110-113. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/RFIC.2016.7508263.




DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2026.1.13

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.