A 10GHz integrated LC-DCO underneath a single-turn inductor in 28-nm CMOS

A possible design choice, to satisfy the need of low power RF LC-based oscillators in PLL for IoT applications, is to dimension the inductor without size limitations obtaining big coil with high quaity factor. To overcome the problem of large area consumption, the tank capacitance and the other components of the entire PLL, including digital blocks, could be implemented as structures underneath the inductor. Such a decision introduces problems linked to cross talking which degrades the oscillator performances. So, the use of pattern metallic shields, to electrically isolate the coil from the beneath circuitry, is analyzed showing that the best choice to avoid cross-talking is to use a patterned ground shield (PGS). In this thesis is presented a 10GHz LC-based Class-B DCO in 28-nm CMOS underneath a single-turn shielded inductor, with FOM = −192.9dBc/Hz and FOMT = −199.1dBc/Hz. Its simulated phase noise at 27C is equal to -112.5dBc/Hz, at the offset frequency of 1MHz, with a power consumption Pdc = 0.9mW.

Una possibile scelta progettuale, per soddisfare l’esigenza di oscillatori RF LC-based a bassa potenza in PLL per applicazioni IoT, è quella di dimensionare l’induttore senza limiti di spazio occupato, ottenendo spirali di grandi dimensioni con un elevato fattore di qualità. Per ovviare al problema del grande consumo areale, la capacità del tank e gli altri componenti dell’intero PLL, compresi blocchi digitali, potrebbero essere implementati come strutture al di sotto dell’induttore. Questa scelta introduce problemi legati al cross talking che degradano le prestazioni dell’oscillatore. E' stato quindi analizzato l’uso di schermature metalliche discontinue, per isolare elettricamente le spire dell’induttore dalla circuiteria sottostante, dimostrando che la scelta migliore per evitare il cross-talking `e quella di utilizzare una schermatura discontinua connessa a massa (PGS). In questa tesi viene presentato un DCO LC-based in Classe B a 10GHz, in tecnologia CMOS a 28-nm sotto un induttore schermato, formato da un unica spira, con una FOM = −192.9dBc/Hz e una FOMT = −199.1dBc/Hz. Il rumore di fase simulato alla temperatura di 27C è pari a -112.5dBc/Hz, alla frequenza di offset di 1MHz, con un consumo di potenza Pdc = 0.9mW.