CMOS oscillator design by using a metamaterial-based splitring resonator

Abstract

Yüksek saflıkta osilatörler, iletişim, radar veya tıbbi enstrümantasyon sistemlerinde büyük önem taşırlar. Günümüzün entegre devresi teknolojisinde, düşük kalite faktörlü endüktörler ve kondansatörler, osilatörlerin en düşük faz gürültüsünün sınırlarını belirlemektedirler.Bu çalısma, düşük kaliteli rezonatörlere bir alternatif göstermek amacıyla, metamalzeme tabanlı Ayrık Halka Rezonatörü (SRR) kullanılarak tasarlanan bütünleyici çapraz bağlı bir osilatörü sunmaktadır. Eşsiz metamalzeme özelliklerine sahip olan SRR'lar çok yüksek kalite faktörleri gösterebildikleri için düşük faz gürültülü ve düşük güçlü osilatör tasarımını mümkün kılabilirler. Bu dökümanda osilatör tasarımından önce, SRR'nin toplu öğeli eleman modeline yer verilmiştir ve ölçüm sonuçları ile doğru-lanmıştır. Örnek olarak, SRR'lı bütünleyici çapraz bağlı osilatör 180nm Yalıtkan Üstü Silisyum (SOI) işlemi kullanılarak tasarlanmıştır ve 1.8GHz merkez frekansında çalışır. Çizim sonrası simülasyon sonuçları osilatör faz gürültüsünün 100kHz ve 1MHz sapma frekanslarında sırasıyla -179.5dBc/Hz ve -180.8dBc/Hz olduğunu gösteriyor. Toplam güç tüketimi 1.8V besleme geriliminde 8.1mW olmuştur.

High purity oscillators are of great importance in communication, radar, or medical instrumentation systems. In today's integrated circuit technology, low quality factor of inductors and capacitors define the limits of the phase noise of oscillators.In order to demonstrate an alternative low quality resonators, this work presents a design of complementary cross coupled oscillator by using a metamaterial-based Split Ring Resonator (SRR). SRRs having unique properties can exhibit very high quality factors which enable the design of low phase noise low power oscillator. Prior to oscillator design in this document, a lumped element model of SRR is also provided and verified with the measurement results. For demonstration, the proposed complementary cross coupled oscillator by using SRR is designed using 180nm Silicon-On-Insulator (SOI) process which operates at 1.8GHz center frequency. Post-layout simulation results show that the oscillator phase noise is -179.5dBc/Hz and -180.8dBc/Hz at 100kHz and 1MHz offset frequencies, relatively. The total power consumption is 8.1mW at 1.8V supply voltage.