Behavioral Analysis and Design of K-Band Low-Phase-Noise Digitally Controlled Oscillators in 22 nm FD-SOI for 76 - 81 GHz Automotive Radars - Université de Limoges Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Behavioral Analysis and Design of K-Band Low-Phase-Noise Digitally Controlled Oscillators in 22 nm FD-SOI for 76 - 81 GHz Automotive Radars

Analyse comportementale et conception d'oscillateurs à commande numérique à faible bruit de phase en bande K et implémentés en technologie 22 nm FD-SOI pour les radars automobiles à 76-81 GHz

Zhigang Li
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1259176
  • IdRef : 270219536

Résumé

The millimeter-wave radar is indispensable for realizing vehicle safety and autonomous driving functions, making it one of the current research hotspots. The main objective of this thesis is to implement a K-band low-phase-noise digitally controlled oscillator (DCO) with a frequency tuning range of more than 20 % for an all-digital phase-locked loop (ADPLL), which will be further applied to 76 – 81 GHz frequency-modulated continuous-wave (FMCW) automotive radars.Two different solutions are proposed:The first is a triple-bank DCO (T-DCO). Its coarse-tuning bank is mainly used to compensate for the PVT variations, while the medium- and fine-tuning banks work together to cover the frequency modulation bandwidth, thus requiring a frequency overlap of more than 15 % like conventional DCOs. Thanks to the proposed novel back-gate-based fine-tuning structure, the T-DCO achieves a fine frequency resolution of 1.38 MHz at a carrier frequency of approximately 20 GHz.The second is a dual-bank DCO (D-DCO), which solely relies on a large 10-bit fine-tuning bank to generate frequency-modulated signals. This original approach allows us to address the issue of frequency overlap and calibration in multi-bank DCOs (more than three frequency-tuning banks, similar to the T-DCO) from the design level rather than only from the algorithm level, thereby making it more suitable for FMCW automotive radars.Meanwhile, the D-DCO achieves a fine frequency resolution of 2.1 MHz and a fine-tuning range of 2 GHz by employing a novel customized MOM capacitor of 973 aF. Furthermore, both T-DCO and D-DCO are implemented in an advanced 22 nm FD-SOI process, achieving the best-in-class phase noise lower than -110 dBc/Hz over the entire frequency range at 1 MHz frequency offset.
Les radars à ondes millimétriques sont indispensables dans la réalisation de fonctions de sécurité des véhicules et pour la conduite autonome, ce qui en fait l’un des domaines de recherche les plus en vogue actuellement. L’objectif principal de cette thèse est de mettre en œuvre un oscillateur à commande numérique (OCN) en bande K à faible bruit de phase avec une large bande d’accord en fréquence de plus de 20 % pour une boucle à verrouillage de phase entièrement numérique (ADPLL en anglais), qui sera ensuite appliquée aux radars automobiles à ondes continues modulées en fréquence (FMCW en anglais) de 76 à 81 GHz.Deux solutions différentes sont proposées : La première est un OCN à triple banques de capacités commutées (T-OCN), dont la banque de réglage grossier est principalement utilisée pour compenser les variations de PVT, tandis que les banques de réglage moyen et fin permettent de couvrir la largeur de bande de fréquence désirée, nécessitant ainsi un chevauchement des fréquences de plus de 15 % comme dans les OCN conventionnels. En outre, grâce à la nouvelle architecture de réglage fin proposée et basée sur la polarisation de la grille arrière, le T-OCN permet d’obtenir une résolution de fréquence fine de 1.38 MHz à une fréquence porteuse d’environ 20 GHz.La seconde est un OCN à double banque (D-OCN), qui s’appuie uniquement sur une banque de réglage fin à grand nombre d’éléments contrôlée sur 10-bit afin de générer des signaux modulés en fréquence. Cette approche originale nous permet de nous affranchir du problème de chevauchement et de calibration de la fréquence indispensable dans le cas des OCNs à plusieurs banques (plus de trois banques de réglage de fréquence, similaire au T-OCN), le rendant ainsi plus adapté à une utilisation dans le domaine des radars automobiles FMCW.Parallèlement, le D-OCN permet d’obtenir une résolution de fréquence fine de 2.1 MHz et une plage de réglage fin de 2 GHz en utilisant une nouvelle capacité MOM personnalisée de 973 aF. De plus, le T-OCN et le D-OCN sont tous les deux implémentés en technologie 22 nm FD-SOI, ce qui permet d’atteindre des performances en bruit de phase à l’état de l’art et inférieures à -110 dBc/Hz à 1 MHz de la porteuse sur l'ensemble de la plage de fréquences.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04116911 , version 1 (05-06-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04116911 , version 1

Citer

Zhigang Li. Behavioral Analysis and Design of K-Band Low-Phase-Noise Digitally Controlled Oscillators in 22 nm FD-SOI for 76 - 81 GHz Automotive Radars. Electronics. Université de Poitiers, 2023. English. ⟨NNT : 2023POIT2259⟩. ⟨tel-04116911⟩
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