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

In those systems where it is important to synthesize a precise frequency signal, such as the carrier of a transmission system, phase noise is certainly one of the most important aspects that define the performance. Because of the ever increasing data rate in modern communication systems (5G), the interest of low phase noise frequency synthesizer is high. Radar systems are another example in which the phase noise has an important role: by exploiting the Doppler effect, informations on distance and speed of the target are obtained by comparing the frequency of the transmitted and received signal. Radar systems are precise but also expensive due to their complexity. As an example, radar are used in air plane to detect perturbations. In recent years, however, radar systems have also been spreading in the automotive field, as advanced driving assistance systems (ADAS). Although this is not new: the first car to have a radar system appeared in the market in 1990, only luxury models were employing radar. Nowadays, ultrascaled CMOS technology has made the widespread deployment of radar on low-cost cars economically advantageous. The challenge is to obtain good performances comparable with bipolar technology. For this reason, oscillators, which are the heart of a frequency synthesizer, in CMOS technology, are the main topic of this thesis. After a brief introduction about the operating principle of a typical car radar, we enter into the merits of the design of an analog circuit by developing a methodology to identify the optimum oscillation frequency, that is, the frequency that allows us to obtain the best performance. Then the designs of two oscillator topologies are described, both operating at 20GHz: the first is a hybrid class B/D oscillator, while the second one a class C. The latter in particular proves to be effective in reducing the contribution of the flicker noise from the active devices, one of the biggest imitations of modern CMOS technologies. Finally, a method to extract the fourth harmonic from the class C oscillator is presented. This allows to employ the class C oscillator for automotive radar application, as described by regulations.

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.