A study of phase noise in class C oscillator with a novel extension of the Groszkowski's result.

In the last decade the growing request for mobile data transmission is shifting the interest towards higher frequencies where wider bands are available. The future 5G cellular communication standard will probably use frequencies around 28-30GHz and then even around 75GHz. In order to support this high communication rates, complex modulation systems have been introduced which impose increasingly stringent requirements, expecially about the reduction of phase noise (PN) of the local receiver and transmitter oscillator. The use of such high frequencies causes a degradation of the quality factor of the resonator's switched capacitances implying an increase of the white noise contribution in the output phase spectrum. At the same time the higher oscillation frequencies require the use of scaled technologies, intrinsically having an higher Flicker noise corner frequency. It is well known in literature that, by maximizing the oscillation amplitude of the oscillator, the white noise contribution is minimized. This justifies the trend of designing oscillator topologies minimizing power consumption and at the same time obtaining the maximum oscillation amplitude. \\ Unfortunately the mechanisms of Flicker noise upconversion are not completely clear as in the previous case. The only source of upconversion is the AM-FM mechanism affecting the amplitude modulation produced by the Flicker noise source, due to the Groszkowski effect and through the presence of variable capacitors. While the second one is correctly addressed in literature, the first one is often misinterpreted. The Groszkowski's result is in fact valid only in single-ended oscillator and it cannot be always applied on the common differential totoplogies. \\ The aim of this thesis is to provide a complete description of the conversion phenomena of flicker noise into phase noise in the class C oscillator. This choice was made since class C oscillator is one of the most promising oscillator in the minimization of white noise component.\\ In order to provide a formal background to some of the results inuitively discussed in literature, and to fill the gap with the already unexplained flicker upconversion phenomena, a novel extension of Groszkowski result will be introduced. It is shown that the standard formulation is just a particular case, valid only as an approximation in modern differential circuit topologies.

La crescente richiesta della trasmissione di dati mobili sta spostando l’interesse verso frequenze più elevate a cui sono disponibili bande più ampie. Il futuro standard di comunicazione cellulare 5G utilizzerà probabilmente frequenze attorno ai 28-30GHz e successivamente anche banda attorno ai 75GHz. Al fine di supportare alte velocità di comunicazione, sono stati introdotti sistemi di modulazione complessi che impongono richieste sempre più stringenti per quanto concerne la riduzione del rumore di fase (PN) dell’oscillatore locale di ricevitore e trasmettitore radio. L’utilizzo di così alte frequenze provoca il degrado del fattore di qualità delle capacità commutate del risonatore e, di conseguenza, il rumore di fase dovuto all’integrazione del rumore bianco peggiora. Le alte frequenze di oscillazione, inoltre, richedono l'utilizzo di tecnologie scalate, che intrinsecamente provocano un aumento della frequenza di corner del Flicker.\\ In letteratura è ben noto che la minimizzazione dei contributi di rumore bianchi è ottenuta attraverso la massimizzazione dell'ampiezza di oscillazione. Sfortunatamente i meccanismi della conversione del rumore Flicker non sono completamente chiari come nel caso precedente. L'unica fonte di upconversion di questo rumore è il meccanismo AM-FM che affligge la modulazione di ampiezza dell'oscillazione data dal Flicker. Una mudulazione di ampiezza crea una variazione di frequenze attraverso l'effetto Groszkowski e la presenza di condensatori parassiti variabili. Mentre il secondo fenomeno è stato correttamento spiegato in letteratura, il primo è spesso male interpretato. Il risultato di Groszkowski infatti è valido soltanto nel caso oscillatori single-ended e non può essere applicato alle comuni totopologie differenziali. Lo scopo di questa tesi è quello fornire una descrizione completa dei fenomeni di conversione del rumore Flicker in rumore di fase nell'oscillatore di classe C. Questa scelta è stata fatta poiché l'oscillatore di classe C è uno degli oscillatori più promettenti nella minimizzazione del rumore bianco. Al fine di fornire uno sfondo formale ad alcuni dei risultati discussi in modo inuitivo in letteratura e per colmare la carenza di una chiara descrizione dei fenomeni di convesione del rumore Flicker verrà introdotta una nuova estensione del risultato di Groszkowski. Verrà infatti mostrato che la formulazione classica è solo un caso particolare, valido solo come approssimazione nelle moderne topologie di circuiti differenziali.