Digitally Controlled Inductors in LC-tank VCOs

Abstract

This work presents the study and design of a digitally controlled inductor in LC-tank based Voltage-Controlled Oscillators (VCOs). The primary objective of this investigation is to achieve a wide tuning range with good phase noise performance, with the purpose of meeting the requirements of different high-speed data transfer protocols. The study investigates multiple topologies of variable inductors, focusing on the ability to provide distinct inductance values while sustaining a high quality factor, a key parameter in minimizing phase noise and ensuring power efficiency. The chosen variable inductor topology consists of two sets of varactors connected to the inductor in two different configurations, denominated X-type and L-type. In the X-type topology the sets of varactors are connected in parallel to the inductor, while in L-type they are connected in series to the inductor. The X-type configuration achieved a greater inductance variation and the same reduction in quality factor, compared to the L-type configuration. This topology is incorporated into a VCO, designed in 16nm FinFET technology, together with a 7-bit switched capacitor array and its performance is analysed under Process, Voltage, and Temperature (PVT) variations. In the fine tuning simulations of the VCO, the oscillator with the X-type has shown higher VCO gain with an average value of 3.75 GHz/V at 0.5 V, whereas the VCO with the L-type recorded an average value of 0.60 GHz/V at the same voltage. Overall, the proposed VCO with the X-type achieved a tuning range of 29.8 % and an average phase noise of -99.4 dBc/Hz. With the L-type inductor, a 32.8 % tuning range and -98.1 dBc/Hz of phase noise were obtained. With the phase noise values being measured at a 1 MHz offset. Both VCOs occupy an area of 0.0162 µm2 and presented a power consumption of 8.4 mW.

Este trabalho apresenta o projeto e o estudo de indutores controlados digitalmente em osciladores controlados por tensão (VCOs) baseados num tanque LC. O principal objetivo desta investigação é obter uma ampla gama de sintonização de frequências com um bom desempenho de ruído de fase, com a finalidade de satisfazer os requisitos de diferentes protocolos de transferência de dados a alta velocidade. O estudo investiga múltiplas topologias de indutores variáveis, centrando-se na capacidade de fornecer valores de indutância distintos e, ao mesmo tempo, manter um fator de qualidade elevado, um parâmetro fundamental para minimizar o ruído de fase e garantir a eficiência energética. A topologia de indutor variável escolhida consiste em dois conjuntos de varactors ligados ao indutor em duas configurações diferentes, denominadas tipo X e tipo L. Na topologia do tipo X os conjuntos de varactors estão ligados em paralelo com o indutor, enquanto que no tipo L os varactors estão ligados em série com o indutor. A configuração tipo X permite obter uma maior variação da indutância e a mesma redução do fator de qualidade que a configuração tipo L. Esta topologia é incorporada num VCO, projetado em tecnologia FinFET de 16nm, juntamente com uma matriz de condensadores comutados de 7 bits e o seu o seu desempenho é analisado sob variações de processo, tensão e temperatura (PVT). Nas simulações de ajuste contínuo, o VCO com o indutor do tipo X demonstrou um maior ganho obtendo um valor médio de 3,75 GHz/V a 0,5 V, em contrapartida o VCO com o tipo L registou um valor médio de 0,60 GHz/V no mesmo valor de tensão. De um modo geral, o VCO proposto com o indutor tipo X atingiu uma gama de sintonização de 29,8 % e um ruído de fase médio de -99,4 dBc/Hz. Com o indutor tipo L, obteve-se uma gama de sintonização de 32,8 % e um ruído de fase de -98,1 dBc/Hz. Com os valores de ruído de fase a serem medidos com um desvio de 1 MHz. Ambos os VCOs ocupam uma área de 0,0162 µm2 e apresentaram um consumo de energia de 8,4 mW.