Oscillateurs asynchrones en anneau : de la théorie à la pratique

par Oussama El Issati

Thèse de doctorat en Micro et nanoélectronique

Sous la direction de Laurent Fesquet.

Le président du jury était Guy Cathébras.

Le jury était composé de Laurent Fesquet, Sébastien Rieubon.

Les rapporteurs étaient Gilles Jacquemod, Christian Piguet.


  • Résumé

    Les oscillateurs sont des blocs qui figurent dans presque tous les circuits. En effet,ils sont utilisés pour générer les signaux de synchronisation (les horloges), les signauxmodulés et démodulés ou récupérer des signaux noyés dans du bruit (détection synchrone).Les caractéristiques de ces oscillateurs dépendent de l'application. Dans le cas des boucles àverrouillage de phase (PLL), il existe de fortes exigences en matière de stabilité et de bruitde phase. En outre, face aux avancées des technologies nanométriques, il est égalementnécessaire de prendre en compte les effets liés à la variabilité des procédés de fabrication.Aujourd'hui, de nombreuses études sont menées sur les oscillateurs asynchrones en anneauqui présentent des caractéristiques bien adaptées à la gestion de la variabilité et qui offrentune structure appropriée pour limiter le bruit de phase. A ce titre, les anneaux asynchronessont considérés comme une solution prometteuse pour générer des horloges.Cette thèse étudie les avantages et les potentiels offerts par les oscillateursasynchrones en anneau. Deux applications principales ont été identifiées. D’une part, cesoscillateurs sont une solution prometteuse pour la génération d’horloges polyphasées àhaute fréquence et à faible bruit de phase. D’autre part, ils constituent une alternativesimple, dans une certaine mesure aux oscillateurs plus conventionnels et aux DLLs, car ilssont programmables en fréquence numériquement et sont susceptibles de fournir lesfonctionnalités d’arrêt de type gated clock de façon native. Plusieurs oscillateurs ont étéconçus, implémentés, fabriqués en technologie CMOS 65 nm de STMicroelectronics et,finalement, caractérisés sous pointes. Ces travaux ont notamment permis de démontrer lapertinence de ces oscillateurs, qui constituent une alternative sérieuse aux très classiquesoscillateurs en anneau à base d’inverseurs.

  • Titre traduit

    Ring oscillators and asynchronous delay lines : applications to PLLs and "Clock recovery" systems


  • Résumé

    Oscillators are essential building blocks in many applications. For instance, they arebasic blocks in almost all designs: they are part of PLLs, clock recovery systems andfrequency synthesizers. The design of a low phase-noise multi-phase clock circuitry isespecially crucial when a large number of phases is required. There are plenty of workscovering the design of multiphase clocks. High frequency oscillators can be implementedusing ring structures, relaxation circuits or LC circuits. Ring architectures can easily providemultiple clocks with a small die size. With the advanced nanometric technologies, it is alsorequired to deal with the process variability, stability and phase noise. Today many studiesare oriented to Self-Timed Ring (STR) oscillators which present well-suited characteristicsfor managing process variability and offering an appropriate structure to limit the phasenoise. Therefore, self-timed rings are considered as promising solution for generatingclocks.This thesis studies the benefits and potential offered by Self-Timed Ring oscillators.Two main applications have been identified. On the one hand, these oscillators are apromising solution for the generation of high-frequency multi-phase low phase noise clocks.On the other hand, they are a simple alternative to some extent to the conventionaloscillators and DLLs, because they are digitally programmable. Several oscillators havebeen designed, implemented, manufactured in 65 nm CMOS technology fromSTMicroelectronics, and characterized. This work has demonstrated the relevance of theseoscillators, which are a serious alternative to the conventional ring oscillators based oninverters.


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