Solutions de synthèse de fréquence à 30 GHz en technologie 65-nm PD-SOI

30 GHz frequency synthesis solutions in 65-nm PD-SOI technology.

• Auteur / Autrice : Romane Dumont
• Direction : Yann Deval, Andreia Cathelin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 29/03/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Patricia Desgreys
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florence Podevin, Nathalie Deltimple, Alain Fleury
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Chris Rudell, Pietro Andreani

Mots clés

Mots clés contrôlés

5G (téléphonie mobile)

Ondes millimétriques

Oscillateurs

Mots clés libres

Oscillateurs-contrôlés

Verrouillé par injection

Ondes millimetrique

Cinquième génération (5G)

Controlled-Oscillators

Injection-locked

Millimeter-wave

Ąfth-generation(5G)

Résumé

Alors que la communication cellulaire entre maintenant dans sa cinquième génération(5G), les fréquences à ondes millimétriques (mm-W) sont prises en charge pour la première fois. Il s’agit d’un territoire inexploré pour le projet de partenariat de troisièmegénération (3GPP). Par rapport à la 4G Long-Term Evolution (LTE), les expériencesmobiles des utilisateurs sont largement améliorées : augmentation des débits de donnéeset des densités de connexion tout en réduisant la latence ; et de nouvelles opportunitéssont créées dans le développement de nouvelles technologies (communications de type machine pour inst.). Les normes 5G utilisent à la fois des bandes de fréquences inférieures à 6 GHz et des bandes de fréquences mm-W avec une largeur de bande de canal plus large, des techniques MIMO (entrées multiples, sorties multiples) et des modulations complexes telles que la modulation d’amplitude en quadrature (QAM) 256. Ces spécifications sont connues pour imposer des performances strictes en matière de bruit de phase et de tonalités parasites à l’oscillateur local (LO). C’est pourquoi 3GPP a accordé une grande attention à la génération de l’oscillateur local (OL) dans les fréquences millimétriques. En outre, comme il s’agit d’une application de marché de masse, la demande est croissante pour fournir des communications mobiles 5G à tout le monde. Par conséquent, elle nécessite l’utilisation de technologies d’intégration à très grande échelle (VLSI) optimisées en termes de coûts et de performances, telles que la technologie 65-nm CMOS PD-SOI de STMicroelectronics utilisée dans cette thèse.Dans ce contexte, cette thèse propose une solution pour la génération de fréquencesmillimétriques en technologie CMOS : l’oscillateur à commande numérique à injectiondifférentielle couplée en quadrature (QILDCO). Les travaux présentés dans cette thèseexposent les spécifications des normes 5G et l’analyse de l’état de l’art et de ses limitations, la méthodologie détaillée de conception millimétrique et la conception de démonstrateurs technologiques. Le QILDCO implémenté en technologie 65-nm CMOS PD-SOI de STMicroelectronics démontre la faisabilité d’une génération de fréquence millimétrique large bande avec de faibles performances de gigue et d’erreur de phase tout en offrant un design très compact. La robustesse de la conception est également validée. Cette approche de conception n’est pas limitée aux communications 5G et peut être facilement étendue à d’autres fréquences et à d’autres applications.

As cellular communication now enters its fifth-generation (5G), millimeter-wave (mm-W) frequencies are supported for the first time. It has been an uncharted territory forthe 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Compared to 4G Long-Term Evolution(LTE), mobile user experiences are widely enhanced: the increase of data rates and connection densities while reducing the latency; and new opportunities are created in thedevelopment of new technologies (machine type communications for instance). 5G standards use both sub-6-GHz and mm-W frequency bands with wider channel bandwidth, multiple-input, multiple-output (MIMO) techniques, and complex modulations such as the 256 quadrature amplitude modulation (QAM). These specifications are known to impose stringent phase noise and spurious tone performances on the local oscillator (LO). That is why, 3GPP has especially paid great attention to mm-W local oscillator (LO) generation. In addition, as it is a mass-market application, the demand is growing to provide 5G mobile communications for everyone. Hence, it requires using a cost-optimized, high performance, and huge scale integration (VLSI) technology, such as the 65-nm CMOS PD-SOI technology from STMicroelectronics used in this thesis.In this context, this dissertation proposes a solution for mm-W frequency generationin CMOS technology: the quadrature-coupled differentially injection-locked digitally controlled oscillator (QILDCO). The work presented in this dissertation presents the 5Gstandards specifications and the analysis of the state-of-the-art and its limitations, thedetailed mm-W design methodology, and the design of technological demonstrators. TheQILDCO implemented in 65-nm CMOS PD-SOI technology from STMicroelectronicsdemonstrates the feasibility of a mm-W frequency generation with a wide tuning range,low-jitter, and phase error performances while providing a very compact design. Thedesign robustness is also validated. This design approach is not limited to 5G communications and can be easily extended to other frequencies and other applications.