Analysis and Design of a Multimode Digitally Controlled Oscillator in 22nm CMOS for UWB Applications

Ultra-Wideband (UWB) technology has recently seen a resurgence of interest due to its unmatched performance in secure short range communication, localization and RADAR. Still, its requirement for low phase noise and wide bandwidth frequency generation, all while keeping power consumption low for mobile applications, leads to cost or performance compromises on Digitally Controlled Oscillator (DCO) design. In this thesis, a DCO based on a state-of-the-art multi-mode architecture, which aims to tackle the current trade-offs on phase noise, power and silicon area, is analyzed and designed. The oscillator is implemented in a digital-friendly 22nm CMOS technology and obtains a minimum simulated phase noise at 1MHz offset of −108.6dBc/Hz, drawing a maximum of 5.4mW of power. This while displaying a 62% tuning range going from 10.3 to 19.6 GHz and a maximum simulated FOM = −187.4dBc/Hz.

La tecnologia UWB sta vivendo un rinato interesse grazie alle sue elevate prestazioni in applicazioni a corto raggio: comunicazioni sicure, localizzazione e RADAR. Al contempo, questa necessita di un riferimento di frequenza a larga banda con basso rumore di fase, e con consumo di potenza ridotto per le applicazioni mobili; tutto ciò porta a compromessi di costo o prestazioni nella progettazione del DCO (Oscillatore Controllato Digitalmente). In questa tesi, un DCO basato su un architettura multi-mode in linea con lo stato dell’arte è progettato e analizzato, e punta a superare gli attuali compromessi di rumore di fase, potenza e area. Il DCO è implementato in tecnologia CMOS a 22 nm, ed è quindi compatibile con circuiti digitali ad elevate prestazioni. Le simulazioni mostrano un rumore di fase minimo di −108.6dBc/Hz a 1MHz di offset, con un consumo massimo di 5.4mW. L’oscillatore dimostra inoltre un tuning range del 62%, con frequenza variabile da 10.3 a 19.6 GHz, e figura di merito massima FOM = −187.4dBc/Hz.