Progetto di oscillatori controllati in tensione per applicazioni ad onde millimetriche in tecnologia 28-nm FD-SOI CMOS

Aimed at supporting driving and significantly improving the on-road safety, advanced driver assistance systems (ADASs) have quickly become a very popular feature in most modern vehicles. Nowadays, modern ADASs provide vehicles with a growing automation in the driving functions and represent the key underlying technology in emerging autonomous vehicle. To accomplish their operation, such systems rely on the information provided by many on-board sensors, which detect the state of the vehicle as well as the surrounding environment and other road actors. Since comprehensive and accurate information about the vehicle surrounding cannot be provided by any single sensor, several kinds of sensors must be equipped in vehicles to address the driving tasks. Among them, mm-wave radar sensors provide a key enabling technology for the deployment of effective and reliable driving systems, as they are able to detect and localize obstacles with a high range of coverage over every weather or lighting condition. To cover the several functionalities of a driver assistance system, long-range and short-range radar sensors, operating in 76-77 GHz and 77-81 GHz frequency bands, respectively, are properly distributed around the car to recognize a target ranging from few centimeters to about 250 m. Modern automotive radar sensors rely on frequency-modulated continuous wave (FMCW) principle to reduce both complexity and power consumption, while benefit from the multimode radar approach to further constraining the whole system cost. Indeed, they can support both long- and short-range radar operation modes, thus avoiding the need for different radar devices. However, this poses significative challenges on mm-wave transceivers (TRXs) especially for the frequency synthesizer, which must be able to guarantee both wide frequency tuning range and high spectral purity to enable high-resolution sensing for short-range operation and accurate detection of low reflected signals for long-range operation, respectively. In a voltage-controlled oscillator (VCO)-based frequency synthesizer, these requirements are largely determined by the VCO itself. The design of VCOs that are capable of simultaneously achieving low phase noise and wide tuning range is a very challenging task, especially at mm-wave frequencies. Moreover, the transition toward CMOS technologies, to pursue for cost reduction and system-on-chip (SoC) solutions, poses additional challenges in the VCO, which asks for an advanced circuit design. This thesis deals with the design of mm-wave VCOs for W-band automotive FMCW radar applications, which is able of providing a proper frequency tuning range without impairing the phase noise. Two novel approaches are introduced, which are aimed at improving the oscillator tuning range without impairing the phase noise performance. A first approach relies on a varactor-based technique to implement a dual-band VCO, which allows both long range (i.e., from 76 GHz to 77 GHz) and short range (from 77 GHz to 81 GHz) radar operation to be achieved, thus avoiding the need for different radar devices. A second approach is based on a flash frequency tuning technique for SC-based VCOs, which overcomes the tuning delay limitations of state-of-the-art solutions, thus achieving high speed frequency locking, useful in a wide range of modern frequency synthesizers. Both techniques reduce the varactor size allowing the desired tuning range in two or more sub bands to be achieved. Unfortunately, the tuning curves in the sub bands move up or down due to PVT variations, which limit the varactor size. To address this issue, a novel calibration strategy has been proposed, which compensates for PVT variations during the PLL start-up, thus resulting in a more relaxed VCO tuning range requirement. The proposed VCOs have been embedded in a sub-harmonic PLL where a novel push-push frequency doubler has been implemented to address the high sensitivity of this circuit to the impedance supply paths, which is a critical issue at mm-wave frequencies. Finally, all the proposed architectures have been patented, thus showing the industrial interest towards this Ph.D. research activity.

Mirati a supportare la guida e migliorare significativamente la sicurezza su strada, i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) sono diventati rapidamente una caratteristica molto popolare nella maggior parte dei veicoli odierni. Al giorno d'oggi, i moderni ADAS forniscono ai veicoli un crescente livello di automazione nelle funzioni di guida e rappresentano la tecnologia chiave alla base dei veicoli autonomi emergenti. Per realizzare il loro funzionamento, tali sistemi si basano sulle informazioni fornite dai diversi sensori di bordo, che rilevano lo stato del veicolo, nonché l'ambiente circostante e gli altri attori dello scenario stradale. Poiché un solo tipo di sensore non è in grado di fornire informazioni complete e accurate sull'ambiente circostante il veicolo, è necessario che diversi tipi di sensori siano equipaggiati all’interno del veicolo per affrontare le attività di guida. Tra questi, i sensori radar a onde millimetriche forniscono una tecnologia abilitante per l'implementazione di sistemi di guida efficaci e affidabili, in quanto sono in grado di rilevare e localizzare ostacoli con un'ampia gamma di copertura in ogni condizione meteorologica o di illuminazione. Per coprire le diverse funzionalità di un sistema di assistenza alla guida, sensori radar a lungo e corto raggio, operanti rispettivamente nelle bande di frequenza 76-77 GHz e 77-81 GHz, sono opportunamente distribuiti intorno all'auto per riconoscere un target che va da pochi centimetri a circa 250 m. I moderni sensori radar per autoveicoli si basano sul principio dell'onda continua modulata in frequenza (FMCW) per ridurre sia la complessità che il consumo energetico, mentre beneficiano dell'approccio radar multimodale per limitare ulteriormente il costo dell'intero sistema. Infatti, essi sono in grado di supportare le modalità di funzionamento radar sia a lungo che a corto raggio, evitando così la necessità di dispositivi radar diversi. Tuttavia, ciò pone sfide significative ai ricetrasmettitori a onde millimetriche (TRX) in particolare per il sintetizzatore di frequenza, che deve essere in grado di garantire sia un'ampia gamma di sintonizzazione di frequenza che un'elevata purezza spettrale per consentire il rilevamento ad alta risoluzione per il funzionamento a corto raggio e il rilevamento accurato di segnali a bassa riflessione per il funzionamento a lungo raggio, rispettivamente. In un sintetizzatore di frequenza basato su oscillatore controllato in tensione (VCO), questi requisiti sono in gran parte determinati dal VCO stesso. La progettazione di VCO in grado di ottenere contemporaneamente un basso rumore di fase e un'ampia gamma di sintonizzazione è un compito molto impegnativo, specialmente alle frequenze delle onde millimetriche. Inoltre, la transizione verso le tecnologie CMOS, per perseguire la riduzione dei costi e soluzioni system-on-chip (SoC), pone ulteriori sfide nel VCO, che richiede un design avanzato del circuito. Questa tesi si occupa della progettazione di VCO a onde millimetriche per applicazioni radar FMCW per autoveicoli in banda W, in grado di fornire un intervallo di sintonia di frequenza adeguato senza compromettere il rumore di fase. Vengono introdotti due nuovi approcci, i quali mirano a migliorare la gamma di sintonizzazione dell'oscillatore senza compromettere le prestazioni del rumore di fase. Un primo approccio si basa su una tecnica basata su varactor per implementare un VCO dual-band, che consente di ottenere operazioni radar sia a lungo raggio (cioè da 76 GHz a 77 GHz) che a corto raggio (da 77 GHz a 81 GHz), evitando così la necessità di diversi dispositivi radar. Un secondo approccio si basa su una tecnica flash di sintonizzazione della frequenza per VCO basati su array di capacità commutate, che permette di superare i limiti del ritardo di sintonizzazione delle soluzioni presenti allo stato dell’arte, ottenendo così un blocco della frequenza ad alta velocità, utile in un'ampia gamma di moderni sintetizzatori di frequenza. Entrambe le tecniche riducono la dimensione del varactor consentendo di ottenere la gamma di sintonizzazione desiderata in due o più sottobande. Sfortunatamente, le curve di sintonia nelle sottobande si spostano verso l'alto o verso il basso a causa delle variazioni del PVT, che limitano la dimensione del varactor. Per affrontare questo problema, è stata proposta una nuova strategia di calibrazione, che compensa le variazioni PVT durante l'avvio del PLL, determinando così un requisito di intervallo di sintonizzazione VCO più rilassato. I VCO proposti sono stati incorporati in un PLL sub-armonico in cui è stato implementato un nuovo duplicatore di frequenza di tipo push-push per affrontare l'elevata sensibilità di questo circuito ai percorsi di alimentazione dell'impedenza, che è un problema critico alle frequenze delle onde mm. Infine, tutte le architetture proposte sono state brevettate, a dimostrazione dell'interesse industriale verso questa attività di ricerca.