Modellierungskonzept für MOS Varaktoren zur Minimierung der AM-FM Konversion in VCOs

Abstract. In dieser Arbeit wird ein analytisches Simulationsmodell für MOS Varaktoren zur Entwurfsunterstützung von integrierten CMOS LC-Tank VCO-Schaltungen präsentiert. Das analytische Simulationsmodell wurde auf Basis des EKV-Transistormodells implementiert und beinhaltet ausschließlich Design- und Prozessparameter für die Berechnung der Varaktorkapazität. Dieses Simulationsmodell ermöglicht es, die verwendeten Varaktoren im Vorfeld des VCO-Entwurfs zu dimensionieren, die effektive Großsignalkapazität in Abhängigkeit des Ausgangssignals zu berechnen und einzelne Eigenschaften der Varaktoren, wie z.B. das AM-FM Konversionsverhalten zu optimieren. Die Gültigkeit des vorgestellten analytischen Simulationsmodells zur Beschreibung der Varaktorkapazität in CMOS LC-Tank VCOs, wird anhand von Spectre (Cadence) Simulationen auf Basis eines 0.25 μm CMOS Prozesses der Firma IHP (SGB25) und eines 0.35 μm CMOS Prozesses der Firma AMS (C35) verifiziert.

In this work an analytical simulation model for MOS varactors, that can be used in a systematically VCO design flow, is presented. The simulation model is based on the EKV transistor model and includes only design and process parameters of the used CMOS technology. The proposed simulation model allows calculating the required design parameters and the effective large signal capacitance of the varactors incorporated into the VCO as a function of the output signal of the VCO. Based on the expression for the effective large signal capacitance it is possible to optimize the AM-FM conversion behavior of the used varactors. The validity and accuracy of the simulation model is verified by Spectre simulations which are based on a 0.25 μm CMOS process (SGB25) from the company IHP and a 0.35 μm CMOS process (C35) from the company AMS. The simulation results show a good accordance in all transistor operating regions for NMOS varactors as well as PMOS varactors.