Retour au site du LAAS-CNRS

Abstract

This paper introduces a new bipolar differential pair topology for both Gaussian and sinusoidal signal shaping, to be used as a phase-to-amplitude converter alternative in low-power ultra-high-speed DDS. A DDS using this converter, with a 9-bit frequency resolution and an 8-bit amplitude resolution has been designed in a 0.13 μm SiGe BiCMOS technology, with ft/fmax of 200/250 GHz, and simulated up to a 20 GHz operating clock frequency. It consumes 585 mW under a 2.8 V power supply. Simulated triangle shape allows an optimal SFDR of -44.5 dBc in sinus mode and a SLRR of -43.5 dBc in Gaussian mode.

Abstract

This paper presents a novel architecture of a low spurious level fractional-N frequency divider. It has already been shown in previous work that the use of a direct digital synthesizer (DDS) represents a promising solution to the mitigation of the fractional spurs that appear at the output of fractional frequency dividers, but with the drawback of causing a non-linear control of the division ratio. The DDS-based architecture proposed in this paper recovers the benefit of having a linear tuning of the division ratio, while still having similar performance in terms of fractional spurs.

Abstract

Un étage différentiel capable de mettre en forme des signaux gaussiens aussi bien que sinusoïdaux est proposé comme alternative dans les architectures de DDS basse consommation ultra rapides. Il a permis la conception d'un DDS fonctionnant jusqu'à 20GHz, avec une résolution de 9bits en fréquence et de 8bits en amplitude, sur une technologie SiGe BiCMOS 0,13µm de ft/fmax égal à 200/250GHz. Il conduit à un SFDR de −44,5dBc en mode sinusoïdal et un SLRR de −43,5dBc en mode gaussien.

Abstract

A phase noise measurement bench is integrated on a 3.6 mm2 silicon chip. The bench includes a splitter with quadrature outputs, a phase detector, a low noise baseband amplifier and, if necessary, a synthesized source. Applications to the characterization of frequency sources and BAW resonators are discussed.

Résumé

Cette habilitation à diriger des recherches résume la majeure partie des activités que nous avons menées dans le domaine des systèmes communicants hautes fréquences, et qui nous ont permis d'en explorer l'élément central "synthèse de fréquences", dans ses déclinaisons intégrées sur silicium, véritables lignes directrices de nos travaux. Si la synthèse de fréquences est essentielle, c'est qu'elle permet aux différents standards de communication actuels (WiFi, Bluetooth, ZigBee, ...) et futurs (Wireless-HD, ...) d'exister et de cohabiter, de commuter entre les canaux des différents utilisateurs, et dans certaines techniques d'étalement de spectre, d'assurer des sauts de fréquences ultra rapides. De multiples aspects ont été abordés, dont l'originalité réside dans le croisement des approches analogiques, numériques, mixtes, basses et hautes fréquences, impliquant les niveaux composants, circuits et systèmes, depuis l'optimisation très ciblée de fonctions élémentaires jusqu'à une application de métrologie de bruit de phase totalement atypique car entièrement intégrée et reconfigurable, en passant par la remise en question d'architectures habituelles de synthèse visant à en résoudre certains défauts récurrents. En tout premier lieu, nous avons mené une activité de conception analogique « classique » d'oscillateurs intégrés, que notre participation à un projet européen nous a permis de coupler pour la première fois à des résonateurs à ondes acoustiques de volume (BAW) très sélectifs dans une approche SoC "above-IC" à 5 GHz. Ils ont affiché des performances en bruit de phase à l'état de l'art au moment de leur publication. À côté de cela, nous avons développé des activités autour de la boucle à verrouillage de phase (PLL), fonction complexe standard des synthèses de fréquences. Avec elles, nous avons pu mettre en oeuvre des techniques de conception originales dans la numérisation haute fréquence des fonctions de la boucle, diviseurs, comparateurs phase/fréquence et filtres, ce qui nous a permis de dépasser certaines limitations au regard des technologies standards utilisées, en termes de chemins critiques, de parasites et de fréquences de fonctionnement notamment. En nous intéressant à la numérisation du dernier bloc de la PLL, l'oscillateur contrôlé en tension (VCO), nous nous sommes tournés vers le synthétiseur de fréquences digital direct (DDS). C'est avec cette fonction, dont le domaine d'application se révéla bien plus large que le seul oscillateur numérique (NCO), que nous avons pu apporter les solutions les plus singulières, voire les plus osées, en totale rupture avec les habitudes du domaine basse fréquence dont elle est issue. Nous avons ainsi été les premiers à proposer une architecture basse consommation de plusieurs milliers de transistors et fonctionnant au-delà de la gamme RF (6 GHz) sur une technologie pourtant grand public. Un brevet nous a également permis de mettre en valeur un fonctionnement spécial du DDS, capable de lui faire générer facilement des impulsions ultra-large bande (UWB). Dans une dernière partie, nous avons abordé les systèmes de mesure sur puce, et en particulier la mesure intégrée de bruit de phase, paramètre dont la minimisation est essentielle à la qualité des systèmes communicants. Nous avons montré qu'il était possible de concevoir sur une technologie courante des fonctions analogiques d'instrumentation dont la contribution minime en bruit a pu permettre la création d'un banc de mesure de bruit de phase reconfigurable totalement intégré. Les déclinaisons de ce banc, décrites dans un brevet, le rendent capable aussi bien de mesurer le bruit de phase de sources de fréquences que celui résiduel de quadripôles. Nul doute que les micro et nano systèmes hétérogènes multiphysiques du futur sauront tirer bénéfice de tels bancs de mesure miniatures intégrés, autorisant un traitement du signal des plus fidèle car effectué "au plus proche" des différents capteurs à interroger. Notre contribution s'est toujours voulue volontairement appliquée, en gardant à l'esprit certaines notions élémentaires telles que le coût et la consommation raisonnés des techniques et technologies mises en oeuvre, que la quête de l'innovation et de l'excellence doit malgré tout motiver, mais que le Graal de la performance ultime peut facilement faire oublier.

Mots-Clés / Keywords

Synthèse de fréquences; Analogique; Numérique; Mixte; BAW; DDS; Mesure intégrée; PLL; UWB; VCO; Micro-ondes;