Tecnica di analisi spettrale di un PLL basata su macro-modelli tempo-varianti parametrici

The spectral purity of the local oscillator is one of the main limiting factors in the performance of a broadband wireless system. This issue is even more relevant in modern high-bit-rate mobile radio systems employing complex multilevel modulation schemes. The local oscillator, realized in practice with a phase-locked loop, generally operates at GHz or tens of GHz frequency range and has to maintain accurate phase coherence during millisecond-range time slots. Therefore, a fast yet accurate computational method to get the noise spectrum of the output signal over approximately nine decades of frequency would be extremely useful during the design phase. Unfortunately, this computation involves the analysis of about 109 instants of time, and even the most advanced commercially-available circuit simulators, performing noise transient analyses ("noisetran"), would require extremely long simulation times, easily exceeding 100 days. This thesis proposes an innovative methodology based on a parametric time-variant macro-modeling of the building blocks, and a numerical system-level analysis, which overcomes the typical trade-off between accuracy and simulation time. The derivation of the models of the individual sub-blocks is obtained by circuit simulations made with Cadence SpectreRF. The proposed method is able to compute the noise spectrum starting from the internal thermal- and flicker-noise sources and the disturbances injected into the system sensitive nodes, such as the power supply. The proposed method is applied to a realistic case of a PLL with an output frequency of 2.7 GHz designed at transistor level. The validation of the method is obtained by comparing the spectra with those obtained with noisetran simulations. The proposed methodology allows reducing simulation times by a factor of about 1000 while keeping accuracy within the per-cent range.

La purezza spettrale dell’oscillatore locale è uno dei fattori che determinano le prestazioni di un sistema wireless a larga banda. Tale problematica è ancora più rilevante nei moderni sistemi radiomobili a elevato bit rate in cui si utilizzano complessi schemi di modulazione multilivello. L’oscillatore locale, realizzato nella pratica con un anello ad aggancio di fase, opera generalmente a frequenza di GHz o di alcune decine di GHz, dovendo garantire un’adeguata coerenza di fase su tempi dell’ordine del ms. Pertanto, in fase di progetto, è necessario un metodo di computazione che permetta in tempi brevi di ricavare con la dovuta accuratezza lo spettro di rumore del segnale di uscita su circa nove decadi di frequenza. Ciò richiederebbe, a livello di simulazione circuitale, una analisi su circa 109 istanti di tempo. Anche i più avanzati simulatori circuitali disponibili commercialmente che permettono di realizzare analisi di rumore in transitorio (“noisetran”) richiedono tempi di simulazioni estremamente lunghi, che in casi pratici superano facilmente i 100 giorni, difficilmente conciliabili con le strette tempistiche di sviluppo richieste dal mercato. In questa tesi, si propone un’innovativa metodologia di modellizzazione basata su macro-modelli tempo-varianti e parametrici, e un’analisi numerica dell’anello, che permette di superare il compromesso fra accuratezza e tempi di simulazione. La derivazione dei modelli dei singoli sotto blocchi è ottenuta mediante simulazioni circuitali realizzate con Cadence SpectreRF. Il metodo proposto è in grado di calcolare lo spettro di rumore a partire dalle sorgenti di rumore termico e flicker del circuito e dai disturbi introdotti sui nodi sensibili del sistema, quale l’alimentazione del circuito. Il modello sviluppato è applicato a un caso realistico di progetto di un PLL con frequenza di uscita di 2.7 GHz progettato a livello di transistor in tecnologia CMOS La validazione del metodo è ottenuta confrontando gli spettri con quelli ottenuti con simulazioni noisetran. La metodologia proposta permette di ottenere accuratezze dell’ordine del percento con tempi di simulazione ridotti di circa un fattore 1000.