Modellizzazione del rumore di fase degli oscillatori MEMS

This thesis work focuses on phase noise models for MEMS-based oscillators. MEMS-based oscillators constitute a subset of electrical oscillators that utilize MEMS technology for the resonating element, a role traditionally performed by quartz crystals. The study is designed as a review and comparative analysis of existing models in the literature. MEMS resonators exhibit early-onset of non-linear behaviours compared to their quartz counterparts. These non-linearities can stem from both electrical and mechanical factors. Such deviations significantly constrain the power-handling capabilities of MEMS resonators and their application in high-frequency environments. Although MEMS resonator non-linearities are generally viewed as detrimental, limiting the attainable signal-to-noise ratio and system stability, it is demonstrated that, if properly managed, these effects can be harnessed to benefit oscillator operation. The quintessential parameter to evaluate oscillator quality is its phase noise figure, specifically the single-sided phase noise power spectral density. Various phase noise models are introduced to increasingly approximate experimental results. Each model accommodates specific aspects of the non-linear nature of MEMS-based oscillators, yet consensus on the fundamental sources of phase noise power spectral broadening remains elusive. A comparative theoretical analysis is undertaken to address and illustrate the diverse approaches documented in the literature.

Questo lavoro di tesi si concentra sui modelli di rumore di fase per gli oscillatori basati su tecnologia MEMS. Tali oscillatori costituiscono una sottoclasse di oscillatori elettrici che utilizzano la tecnologia MEMS per l'elemento risuonante, un ruolo tradizionalmente svolto dai cristalli di quarzo. Lo studio è concepito come una revisione e un'analisi comparativa dei modelli esistenti in letteratura. I risonatori MEMS presentano comportamenti non lineari precocemente rispetto ai loro equivalenti in quarzo. Queste non linearità possono derivare da fattori sia elettrici che meccanici. Tali deviazioni limitano significativamente le capacità di gestione della potenza dei risonatori MEMS e la loro applicazione in sistemi ad alta frequenza. Sebbene le non linearità dei risonatori MEMS siano generalmente considerate dannose, limitando il rapporto segnale-rumore ottenibile e la stabilità del sistema, viene dimostrato che, se gestiti correttamente, questi effetti possono essere sfruttati a vantaggio del funzionamento dell'oscillatore. Il parametro fondamentale per valutare la qualità dell'oscillatore è la sua figura di rumore di fase, in particolare la densità spettrale di potenza del rumore di fase mono laterale. In letteratura sono stati presentati diversi modelli di rumore di fase per avvicinarsi sempre più ai risultati sperimentali. Ogni modello tiene conto di aspetti specifici della natura non lineare degli oscillatori basati su MEMS; tuttavia, il consenso sulla natura fondamentale della dispersione spettrale del rumore di fase rimane sfuggente. Nel presente lavoro viene effettuata un'analisi teorica comparativa per affrontare e illustrare i diversi approcci documentati in letteratura.