Ultra-Low Noise Oscillators enabling Frequency Generation for Radar Systems in Scaled CMOS Technologies

In qualunque sistema in cui sia necessario generare una segnale di frequenza preciso, come ad esempio la portante di un sistema di trasmissione, il rumore di fase è certamente uno degli aspetti più importanti che definiscono le prestazioni dell’apparato. L’interesse per sistemi a basso rumore di fase è al giorno d’oggi grande vista la diffusione di sistemi di comunicazione 5G. Un’altra applicazione in cui questo è importante è nei sistemi radar, dove sfruttando l’effetto Doppler, le informazioni su distanza e velocita del bersaglio vengono ottenute dal confronto tra frequenza del segnale trasmesso e ricevuto. Il radar è un apparato di misura preciso ma anche complesso e perciò costoso; in ambito civile trova applicazione soprattutto a bordo di aerei per individuare, ad esempio, perturbazioni meteo. Negli ultimi anni però, si sta assistendo alla diffusione di sistemi radar anche nel campo automibilistico, come sistemi di aiuto alla guida, i così detti ADAS. Per quanto questo non sia nuovo, la prima auto ad avere un sistema radar è comparsa nel mercato nel 1990, solo modelli di lusso montavano questi sistemi. Ora la tecnologia CMOS ha raggiunto una maturità tale da rendere econimicamente vantaggiosa la diffusione su larga scala di radar anche su auto a basso costo. La sfida è quella di ottenere prestazioni da tecnologie digitali CMOS comparabili a quelle a bipolari. Per questo motivo, questa tesi, tratta di oscillatori, che sono il cuore di un sintetizzatore di frequenza, realizzati in tecnologia CMOS. Dopo una breve introduzione su quello che è il principio di funzionamento di un tipico radar per auto, si entra nel merito del design di un circuito analogico sviluppando una metodologia per individuare la frequenza di oscillazione ottima, cioè quella frequenza che consente di ottenere le prestazioni migliori. Dopodiché vengono descritti i design di due topologie di oscillatori entrambi operanti a 20GHz: il primo è un ibrido classe B/D, il secondo un classe C. Quest’ultimo in particolare si dimostra essere efficace a ridurre il contributo del rumore flicker dei dispostivi attivi, uno dei più grossi limiti delle tecnologie CMOS moderne. Infine viene mostrato un metodo per estrarre una componente di quarta armonica, ovvero a 80 GHz, dall’oscillatore in classe C cosicché il radar possa operare a frequenze concesse dalle normative.