Modeling, characterization and analysis of integrated PLL systems using a global chip-package-board approach

Cette thèse porte sur la caractérisation, la modélisation et l'analyse des phénomènes de «Pulling» et de «Pushing» dans les systèmes de boucles à verrouillage de phase (PLL), utilisant une approche globale où les effets de couplages électromagnétiques aux différents niveaux d'intégration (niveau puce, niveau assemblage, niveau report sur PCB) sont pris en compte de manière distribuée. L'approche de modélisation adopte une méthodologie hybride où l'analyse des couplages électromagnétiques combinée à des schémas équivalents large-bande (compatibles avec les modèles de composants actifs disponibles dans les librairies) est couplée à des représentations comportementales dynamiques. Les représentations comportementales développées permettent de capturer des effets de non-linéarités tant au niveau composant (caractéristique non-linéaire des Varicap en fonction des tensions de contrôle) qu'au niveau block de fonction (gain KVCO non uniforme de l'oscillateur contrôlé en tension (VCO) en fonction de la fréquence).Cette méthodologie hybride permet l'évaluation d'effets compétitifs résultant de phénomènes de «pulling» et de «Pushing» au niveau de la puce (influence de la PLL, effets de l'amplificateur de puissance, intégrité des alimentations ou distribution des références de masse, etc.) , et des distorsions induites par des éléments extérieurs à la puce (exemple de composants sur PCB : Filtre SAW, capacités de découplages, réseaux d'adaptation).L'approche proposée est utilisée pour l'étude et la conception de deux types de circuits développés par NXP-semi-conducteurs pour des applications liées à la sécurité automobile (PLL fonctionnant aux alentours de 1.736GHz) et à la réception satellitaire (PLL de faible consommation fonctionnant à 9.75/10.6 GHz pour les circuits LNB).Les résultats de modélisation obtenus sont validés par corrélations avec les données expérimentales et par comparaison avec les résultats obtenus de différents outils (ADS Harmonic- Balance/Transient de Agilent, Spectre de CadenceThis thesis work focuses on characterization, modeling and analysis of «Pulling» and «Pushing» phenomena in Phase Locked Loops (PLL) based on a global approach where distributed effects of electromagnetic couplings at different integration levels (chip-level, assembly-level, board or PCB-level) are taken into account. The modeling approach adopts a hybrid methodology where the analysis of electromagnetic couplings combined with broadband equivalent circuit synthesis (compatible with library models of active components) is coupled with dynamic behavioral representations. The derived behavioral representations properly capture the effects of nonlinearities both at component scale (non-linear characteristic of varicap as function of control voltages) and at function block level (non-uniform gain KVCO of VCO circuits depending on frequency).The hybrid methodology renders possible the assessment of competitive effects resulting from «Pulling» and «Pushing» phenomena at chip level (influence of the PLL, effects of the power amplifier, power integrity, or ground reference distribution, etc..), and the distortions induced by components external to the chip at package and board levels (such as components on PCB: SAW filters, decoupling capacitors, matching networks).The proposed approach is used for the study and design of two types of circuits developed by NXP- Semiconductors, for applications related to automotive security and immobilization (an RF low power transceiver Integrated Circuit (PLL running around 1.763GHz), and to satellite receiver (PLL operating at low power for LNB circuits working at 9.75/10.6 GHz).The obtained modeling results are validated by correlation with experimental data and by comparison with different time-domain and frequency-domain simulation tools results (ADS-Harmonic Balance, ADS-Shooting solutions, Cadence-Spectre