Bouchami, Anoir
(2017).
« Modeling and implementation of high performance MEMS-based oscillator » Mémoire.
Montréal (Québec, Canada), Université du Québec à Montréal, Maîtrise en génie électrique.
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Résumé
Au cours de la dernière décennie, les recherches portant sur les applications à base de référence temporelle ont montré un intérêt ce qui concerne l'oscillateur de référence intégré qui peut offrir les mêmes performances que les oscillateurs à base de cristal de quartz. Les microsystèmes électromécaniques (MEMS) sont considérés comme un candidat idéal qui peut avoir des avantages concernant la réduction de taille et l'intégration avec d'autres processus de fabrication à moindre coût. L'objectif est de réaliser un amplificateur à transimpédance (TIA) entièrement différentiel à haute performance pour un oscillateur de référence intégré. Le but de ce circuit sera de maintenir l'oscillation d'un résonateur MEMS en boucle fermée. Ce mémoire couvre les effets non linéaires du résonateur MEMS à partir d'un modèle en langage Verilog-A d'une poutre biencastrée. Ceci permet de modéliser les effets de non-linéarité électriques et mécaniques. Un oscillateur basé sur le modèle Verilog-A du résonateur est ainsi implémenté avec un amplificateur à transimpédance conçu en 0.13 μm. La dépendance de la performance du bruit de phase sur les effets non linéaires du résonateur et sa tension de polarisation est illustrée par des simulations. Les résultats de la simulation confirment qu'une conception soigneuse doit être appliquée lorsque les résonateurs MEMS sont utilisés afin de s'assurer que les non-linéarités et les tensions de polarisation ne détériorent pas considérablement les performances des oscillateurs. En outre, deux modèles d'amplificateur à transimpédance totalement différentiel sont conçus pour répondre aux spécifications des oscillateurs MEMS à base de résonateurs piézoélectriques et capacitifs, respectivement, en matière de facteur de qualité et de perte d'insertion. Les amplificateurs sont conçus dans un processus CMOS 65 nm pour profiter des avantages en matière de larges gain et bande passante avec la moindre consommation de puissance offerts par cette technologie, par conséquent, compenser les pertes du résonateur et pour assurer un petit déphasage afin que des fréquences d'oscillation élevées (supérieures à 20 MHz) puissent être atteintes. De plus, le gain et la bande passante peuvent être réglables séparément et des méthodes de réduction des impédances d'entrée et de sortie sont appliquées pour éviter de charger le facteur de qualité du résonateur à faible coût de consommation. Le premier design utilise une topologie de cascade régulé (RGC) comme étage d'entrée pour bénéficier d'un gain plus élevé et d'une impédance d'entrée inférieure. Ainsi, l'amplificateur peut fournir suffisamment de gain et de bande passante pour maintenir l'oscillation et compenser les pertes des résonateurs capacitifs. Le TIA proposé consomme 1.4 mA à partir d'une alimentation de 1 V. Le gain en transimpédance maximal mesuré est de 80 dBΩ et le TIA dispose d'une bande passante réglable avec une bande passante maximale de 214 MHz. La mesure du bruit en courant à l'entrée est inférieure à 4 pA/√Hz. Le TIA est intégré au résonateur piézoélectrique à disque et la performance de l'oscillateur en fonction de bruit de phase et la stabilité de la fréquence a été présentée. La mesure de bruit de phase dans l'air et sous vide est d'environ -104 dBc/Hz et -116 dBc/Hz, respectivement, à un décalage de 1 kHz, tandis que le bruit de phase de fond atteint -130 dBc/Hz. La stabilité mesurée à court terme de l'oscillateur est ±0.38 ppm. Finalement, le deuxième design présente un nouvel amplificateur à transimpédance entièrement différentiel, conçu aux oscillateurs à base de résonateurs piézoélectriques, et ceci en utilisant les avantages des topologies de cascode régulé (RGC) et de source commune en rétroaction active. L'amplificateur consomme 0.9 mA à partir d'une alimentation de 1 V. Le gain maximal en transimpédance mesuré est de 98 dBΩ et le TIA dispose d'une bande passante réglable avec une bande passante maximale de 142 MHz. La mesure du bruit en courant à l'entrée est inférieure à 15 pA/√Hz. Le bruit de phase de l'oscillateur mesuré est d'environ -120 dBc/Hz à décalage de 1 kHz sous vide, tandis que le bruit de phase de fond atteint -127 dBc/Hz. La stabilité mesurée à court terme de l'oscillateur basé sur MEMS est de ±0.25 ppm.
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MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Amplificateur à transimpédance, Microsystème électromécanique, Oscillateur, Résonateur électrostatique, Résonateur piezoélectrique.
| Type: |
Mémoire accepté
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| Informations complémentaires: |
Le mémoire a été numérisé tel que transmis par l'auteur. |
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Directeur de thèse: |
Nabki, Frédéric |
| Mots-clés ou Sujets: |
Amplificateurs à transimpédance -- Conception et construction / Oscillateurs / Microsystèmes électromécaniques / Résonateurs électriques |
| Unité d'appartenance: |
Faculté des sciences > Département d'informatique |
| Déposé par: |
Service des bibliothèques
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| Date de dépôt: |
20 nov. 2017 14:48 |
| Dernière modification: |
20 nov. 2017 14:48 |
| Adresse URL : |
http://archipel.uqam.ca/id/eprint/10647 |
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