Design and simulation of micro resonator oscillator for communication circuits

Abstract

Haberleşme Devreleri için Mikro Rezonatör Osilatörlerin Tasarımı ve Simülasyonu Özet Bu tez MikroelektroMekanik sistem (MEMS) bazlı osilatörün tasarımını ve simlasy- onunu sunar. Elektrostatik olarak etkileşebilen tarak benzeri (Mikro Rezonatör) bir MEMS yapısı osilatörün yapı taşı olarak kullanıldı. Bu tezin konusu olan mikro rezonatör gibi MEMS bazlı titreşen yapılar işaret işleme uygulamalarında kullanılabilecek aletlerdir. Osilatör yapımında Mikro Rezonatörün kullanılmasının seçimi MEMS bazlı yapıların havasız ortamda yüksek kalite faktörüne (Yüksek-Q) sahip olmasından kaynaklanmaktadır. Yüksek kararlı osilatörler Mikro Rezonatörler kullanılarak yapılabilmekte ve 16 kHz'de çalışan örnekleri gösterilmiştir. Fakat bu osilatörlerin taşınabilir haberleşme devrelerinde kullanılabilmesi için çalışma frekansı nın en azından IF bandına (> 455 kHz) çıkartılması gerekmektedir. Bu tezde MEMS bazlı osilatörlerin simülasyonu yapıldı ve fiziksel boyutlarında yapılan uygun değişikliklerle istenilen frekans aralığında çalışması sağlandı. Mikro Rezonatörün elektriksel eşdeğer devreleri ve belirleyici matematiksel denklemleri incelendi. Elde edilen bu sonuçlar kullanılarak MEMS bazlı, 500 kHz'de çalışan bir osilatör tasar landı. Bu calişmalar hem Mikro Rezonatörün eşdeğer devresi hem de matematiksel denklemleri kullanılarak yapıldı. Bu çalışmanın yapılmasındaki diğer bir amaç MEMS yapılarının kolaylıkla CMOS elektronik devreleriyle entegre olabilme özelliğidir. Dolayısıyla tamamıyla aynı çip üzerinde gerçeklenmiş MEMS tabanlı osilatörler amaç olarak seçilmiştir. Yüksek kalite faktörüne sahip olan MEMS yapıları şu anda haberleşme devrelerinde kul lanılan kristal ve yüzey akustik dalga (SAW) rezonatörlerinin yerine kullanabilecek bir kapasiteye sahiptir. Bu tezde Mikro Rezonatörün elektriksel modeli osilatörde frekans belirleyici devre olarak kullanıldı. Değişik osilatörler dizayn edildi ve re zonatör performansları diğer mekanik (SAW, kristal) rezonatörlerle karşılaştırıldı. Osilatör devresi gerçeklenirken daha karalı salınım sağlayabilmesi için çeşitli CMOS analog devreleri tasarlandı ve optimize edildi.

Design and Simulation of Micro Resonator Oscillator for Communication Circuits Abstract In this theses design and simulation of a Micro Electro Mechanical System (MEMS) based oscillator is presented. Electrostatic comb drive is chosen as the core structure in oscillator. MicroElectroMechanical (MEM) vibrating structures such as linear drive resonators can be used as driving components in signal processing applica tions. The choice of these components is assisted by the fact that these MEM devices display high quality factor values when operated under vacuum. The design of a highly stable oscillator is an example utilizing the linear drive resonators and working samples are demonstrated at 16.5 kHz. For this oscillator to be used in portable communication devices, the operating frequency will have to be increased to at least IF band (> 450kHz). MEMS based microstructures are simulated and prepared for implementation by properly adjusting the physical dimensions of the micromechanical resonator. The Dimensions of the resonator is tuned to achieve higher resonance frequencies. Electrical model and governing equations of interdigi- tated finger structure are studied. Based on results of these studies a micromechan ical oscillator is designed to attain above-mentioned frequency. The study is carried out both analytically and on the equivalent circuit. Integration of MEMS structure with Complementary Metal Oxide Semiconduc tor (CMOS) electronics is another motivation and driving force of this study. There fore completely monolithic high-Q micromechanical oscillator integrated with CMOS circuits is aimed and described. As it has high Q (over 80.000) and very stable, lat erally driven microresonators can be a good miniaturized replacement of a crystal and surface acoustic wave (SAW) resonator based oscillators used in telecommuni cation applications. The electrical model of the microresonator is given and used as a frequency selective network in the oscillator design. Different oscillator circuits are designed and simulated to estimate and compare their performance to other me chanical based oscillators (SAW, FBAR, Crystal etc.). Analog CMOS intcgraated circuits are designed and optimized to achieve highly stable oscillations.