TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 9, September  2014, pp. 66 6 7  ~ 667 2   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i9.472 7          6667     Re cei v ed  No vem ber 7, 20 13; Re vised  May 15, 20 14 ; Accepte d  Ju ne 10, 201 4   Design of a Current Starved Ring Oscillator Based VCO  for Phase-Locked Loop       Khairun  Nis a ’ Minhad, Zainab Ka zem i, Mamun Bin IbneRe az,  Juba y e r Jalil*,   Noorfaz ila Kamal     Dep a rtment of Electrical, El ec tronic an d S y st em s Engi ne eri ng, Univ ersiti K eba ngs aan Ma la ysia,    436 00 UKM Ba ngi, Sel a n gor, Mala ysi a   *Corres p o ndi n g  author, em ail :  juba yer.j a li l@ gmail.c o     A b st ra ct   A desi gn of th e pro pose d  V C O w a s devel ope d for  PL L i n  radi o freq ue ncy id entificati on (RF I D )   app licati on. By  usi ng c u rre nt  star ved r i ng  os cillator, t he  des ign ed c i rcuit  is  simulat ed  usin g 0.1 8 - μ m CM O S   process i n  Men t or Graphics e n viro nment. T he results show  that the voltag e draw is aro und 5V s upp lie a t   VDD, an d the   prod uct of this  current a nd v o l t age h a s a ppr o x imate 1 05.3 m W  pow er cons umptio n w h il e th e   VCO gener ate s  212MH z   at 1. 4V.     Keywo r d s:  low  pow er, current starved VC   Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion   In modern  world, modules are being  utiliz ed i n  sm art  home  syst ems, advanced image  pro c e ssi ng  impleme n tatio n s, a n d  nu mero us net works [1 -8]. Du e to  a d vent, of  CMOS  techn o logy, semico ndu cto r  device s   perv ade in  ev ery discipline   of engin eeri ng, and  to activa te   these  devi c e s , o scill ators  become  co re  co mpon ent s [9-15]. A vol t age  controlle d o scill ator i s  a   module in which the o sci llation frequ e n cy is  co ntro lled by voltage input. Voltage cont roll ed  oscillator  (VCO) form s a key element in the des ign of high frequency component using phased   locked lo op s (PLLs). In very larg e scale inte g r atio n (VLSI) technolo g y, VCOs devel ope d in  CMOS  pro c e s s are utili ze d in a  nu mbe r  of a ppli c atio ns  as the  sou r ce of si gnal  gen eratio n a n d   as  d a ta o r   clo ck  re cove ry system s a s  well a s  RF ID appli c atio ns [16 - 21]. I n  this pl ace, we   recomme nd  that a  wid e  tu ning  ran g e  is co mprehe nd ed by  digital   and i n cessa n t  (an a log )  tun i ng  circuits to red u ce the V C O  gain. The di gital tuning schem e dist rib u tes a wi deb and tunin g  ra nge   into slight er b and s.  The  co ntinuou s tuni ng cont rol i s   a mechani sm  techni que fo r the PLL. A PLL  adju s tment circuit is u s e d  to apporti on the accu rate su b ba nd for an a s sumed  cha nnel  freque ncy  so  that the PLL can lo ck withi n  t uning volta ge ra nge. PL L adju s tment  techni que s are   defined a nd a  new auto - cal i bration  circui t is offered.   Voltage co ntrolled o scill ato r s pl ay an important  role in  modern digit a l system s, p r oviding  sign als  req u ired for timin g  in digital  circuits  and fre quen cy tran sl ation in radio  freque ncy  RF   Circuits.  Thei r o u tput fre q uen cy is a f unctio n   of  control in put  usually a  voltage. An  id eal  voltage-cont rolled voltag oscillator i s  a  circuit  wh o s e  output fre q u ency i s  a lin e a r fun c tion  of its   control voltag e. Most  appli c ation  re quired that o s cill ator b e  tuna b l e, i.e. their o u tput freq uen cy  be a fun c tion  of a control  input, u s uall y  a volt age.  There a r e two differe nt types  of voltag controlled o s cillators u s ed  in PLL, Curre n starved VCO and Sou r ce cou p led VCO [22-2 4 ].  In recent years LC tank os cillators have shown good phase- noi se performance with  low  power  con s u m ption. However, there a r e so me di sa d v antage s. First, the tunin g  ran ge of a n   LC- oscillator app roximately a r ound  10%-2 0%, and thi s   is relatively low  whe n   compa r ed to  ring   oscillators which a c comm odate s  >5 0%. So the  output freque ncy may fall o u t of the desired   rang e in the presen ce of process variation.  Secon d , the phase - noi se pe rformance of the   oscillators  hi ghly depends on the  quality factor of  on-chi p  spiral inductors.  For m o st  digital   CMOS p r o c e s ses, it is  di fficult to obtain a q ua lity factor  of the indu ctor l a rge r  than th ree.  Therefore,  so me extra  pro c e ssi ng  step s may  be  re q u ired. A nd fin a lly, on-chip   spiral in du cto r occupy a lot of chip are a , typically larg e whic h is un desi r abl e for co st and yield con s ide r ati on  [25].  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  66 67 – 667 2   6668 The VCO gai n sugg estivel y  varies over the wide tuni ng ran ge, this, in turn, damage s the  PLL pe rform ance. One  el ucid ation i s  t o  split th tu ning  ran ge in to a di screte  smalle r b and  it is  use d  as a lo cal oscillator  (LO) to up -co n vert  and d o w n-co nvert th e incomi ng RF sign als. It is the   purp o seful bl ock in mod e rn RF commu nicatio n  sy ste m s. Cu rrent market ha s a d vanced in such   way that everything is available in co mp act and a ffordable p r ices.  In orde r to re alize this, fully  integrate d   circuits are ma n datory. Th us  a lot of   re sea r ch  ha bee n  don e in th e f i eld of  wirele ss  comm uni cati ons. Desi gni ng a freq ue ncy synthe si zer  com m issioning a V C O is a maj o r   experim ent.   A PLL i s  fun d a mentally a  feedb ack l oop  that  lo cks th e on -chip  clo c k ph ase to t hat of a n   input clo ck o r  signal. Pha s e locked loo p  is closed lo o p  control syst em that asso ciate s  the output  pha se with  the input ph ase. Hi gh-pe rforma nc e di gital system s use clo c ks to sequ en ce  operation s  an d synchro n ize betwe en pu rpo s eful unit s  and betwe en  ICs. Clo ck freque nci e s an data rates h a ve bee swelling  with e a c gene ratio n  of p r o c e ssi ng te chnol og y and p r o c e s sor  architectu re.  Within th e di gital sy stems,  well -t imed  cl ocks are g e n e rate d  by p h a se -lo c ked l o ops  (PLL s). Th e  prom pt up surge  of the  system’ s   cl ock fre quen cy po ssesse s challe nge s in   gene rating a n d  distrib u ting  the clo ck  with  low un certai nty.      2.  Metho dolog y   and Desig n  Conside r ation  It is actually signifi cant to  sele ct the  accurate te ch nology library  and pro c e ss before   desi gning  a  circuit [22]. T he technol og y expresse the model  pa ramete rs a s sociate d  with t he  device s  th at  are  used i n  t he  schemati c  and  it al so provide s   th e grou nd rul e s for  laying   out   a   circuit. In the anticip ated  desig n Men t or Gra phi cs Desi gn Architect IC (DA-IC) Te ch n o logy  CMOS proce ss  wa s use d . The  cu rre nt-sta rved VCO is  sho w n in Figure 1. The VCO  is  comp osed of 7 ca scade d inverters. The  inve rter sch e m atic is given  in Figure 2.         Figure 1. Current-sta rved VCO         Figure 2. Inverter Schemati c     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     De sign of a Current Starve d Ring O s cill ator Based VCO for… (Kh a irun  Nisa  Minhad 6669 2.1. Design  Step De sign  step s as follo w:  1)  The inverte r  size s M2 and  M3, of Figure  1, are cal c ul ated.  2)  The ca pa cita nce i s  cal c ul a t ed as:        5/2  WPLP WNLN                                                                           (1)    3)  The num ber  of stages of  the oscillator is sel e cted  The circuit of  current starv ed  V C i s   same as  the ri ng  oscillator.  Middle  P MO S  M1 a nd  N MO S  M2 play role a s  inverter  while  u pper P MO S  M13 and l o wer N MO S  M14 operate  as  cu rrent  sou r ces. T h e  curre n t sou r ce s limit the  curre n t available to the i n verter. In ot her  words, t h e   inverter i s   st arved fo current. Th e current in th e first N MO S  and  PMOS are m i rro red  in e a c inverter/ c urre nt sou r ce sta ge. P MO S  M11 and N MO S  M11 drain currents a r e the  same  and a r e set  by the input control voltag e The VCO o u tput wave forms are in sh own Fig u re 1 .  It is noted that  the input Voltage = 2.5V, so the circuit transfe rs  fro m  the unde sired  balance poin t  to  the desire d   balan ce poi nt Q. On the basi s  of the start circ uit, this wo rk d e si g ned an en abl e-control circuit,  throug h an e nable te rmin al EN to co n t rol the ci rcui t work or  not . This de sig n  wa s ba sed  on   TSMC 0.5 - µ m  pro c e s s, a nd u s ing T T  (typical typi cal )  pr oc es cor ner s f o cir c u i t  simulat i on.   B y   looki ng to th e  model  library  file, we  can  get the  foll owing p a ra mete rs  (TT  process  corne r  mo d e l)  that may be used for m anu al cal c ulation  in Table 1.        Table 1. De si gn Param e ters  De v i ce  ty p e   Maximu chan nel(le ng th )   Minimum  chan nel(le ng th )   Model  Gate  thick n ess   Thres hold  v o l t ag N MOS   0.5E-10  0.2E-6   49  0.2-0.5   0.5-1.8   P MO S   0.55E-10  0.2E-6   49  0.2-0.5   0.5-1.8       Acco rdi ng to  the  simulati on mo del, M 1 ’s th re shol d  is  about  0.5  V,to ensure  the M1  workin g in  sa turated  zone,  nee d a bout  200  mV, over drive voltag e. So the  volta ge b e twe en  M1’s  gate and  sou r ce is a bout 1 V . When calculate the wid e  long ratio of  M1, accordi n g to Figure 2,       I K V  V   ,       5     We sele ct gate’s len g th L=0.2 um, so W = 10 um. Th e next sele ction:         ,              CEDE C 0.1 8 μ m process  h a bee n u s e d  to de sig n  a n d  sim u late th e ci rcuit dia g ram an d   the layout of  the co mpon ents. Fin a lly, all  com pon ents h a ve b een a s sembl ed togeth e and   tested  at phy sical d e scri ption level  ba se d on  availabl e CM OS te ch nology. P MO S  and  N MO S  s i zes  descri bed a s   in Table 2.       Table 2. Devi ce Size De v i ce   num ber   De v i ce  ty p e   Chan nel  w i dth  Chan nel  lengt h   De v i ce   num ber   De v i ce  ty p e   Chane l   w i dth  Chan nel   lengt h   M1 N MO S  10  0.5  M12  P MO S  10  0.5  M2 N MO S  10  0.5  M13  P MO S  10  0.5  M3 N MO S  10  0.5  M14  P MO S  10  0.5  M4 N MO S  10  0.5  M15  P MO S  10  0.5  M5 N MO S  10  0.5  M16  P MO S  10  0.5  M6 N MO S  8  0.2  M17  P MO S  8  0.2  M7 N MO S  8  0.2  M18  P MO S  8  0.2  M8 N MO S  8  0.2  M19  P MO S  8  0.2  M9 N MO S  8  0.2  M20  P MO S  8  0.2  M10 N MO S  8  0.2  M21  P MO S  8  0.2  M11 N MO S  8  0.2  M22  P MO S  8  0.2  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  66 67 – 667 2   6670 3. Resul t and  Discus s ion   Acco rdi ng  to   the pre - sim u lation wavef o rm of   curre n t so urce  de sign ed  by thi s  p ape r,  whe n  the po wer  sup p ly voltage chan g e  from 1 to  6 . 5V and the power voltag e bigge r than  3 V,  whe n  po we sup p ly voltag e fluctuate s  f r om 4V  to  5. 5V and th e fl uctuatio n ran ge was 15.7 9 %,  the pre-simul a tion temp erature  co effici ent of  curre n t  sou r ce i s  5 03 p p m; the  enabl e pin  can   effectively co ntrol the  circu i t open o r  cl o s ed. After  ext r act the  pa ra sitic p a ra met e rs  of layout take  layout sim u l a tion, and  d o  a d e tailed  com pari s o n  betwe en p r e-si mulatio n   data an d lay o u t   simulatio n  da ta, the re sult sho w ed  tha t  besid es the  temperature  coeffi cient  chang e a l o t, the   three othe r i ndicators of layout simula tion ar e ba si cally sam e   with pre - sim u lation data,  the   para s itic pa ra meters of lay out influen ce   the functio n  o f  circuit is sm all. The  circui t diagram of t he  V co  by using 11 P MO S  and N MO S  that  parall e l connected. A cu rrent starved ring oscillator for   pha se-l ocke d   loop (PLL ) whi c h a s 1 1   P MO S  and 11 N MO S  has su ccessfully  develop ed  and   verified with  DRC an d LVS clean.           Figure 3. VCO Schem atic      Figure 4. Current Starved  VCO Outp ut Wavefo rm         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     De sign of a Current Starve d Ring O s cill ator Based VCO for… (Kh a irun  Nisa  Minhad 6671 Table 3. Co ntrol Voltage vs. Fr eque ncy o f  Current Starved VCO   Con t rol v o lta g e   Frequ e nc y ( MHz )   0.5 129.3   0.6 147.05   0.7 161.29   0.8 178.57   0.9 188.67   1 192.30   1.1 203.99   1.2 208.62   1.3 212.24   1.4 212.77         Figure 5. Current Starved  VCO Layout  De sign     4. Conclu sion   A simple V C O circuit r y has be en d e signed u s in the 0.18-µm  CMOS tech nology.    Acco rdi ng to  the pre - si mul a tion wavefo rm of current  sou r ce de sig ned by this p a per,  whe n  the  power  su pply  voltage  ch a nge f r om  1.8  to 6.5V  and  the p o wer voltage  bigg er than  3 V  when  power  sup p ly voltage fluct uates from 4 V  to 5.5V  and  the fluctuatio n ran ge is  15. 79%, the ena b le   pin ca n effectively control  the circuit op en or  cl o s ed.  After extract  the  para s itic param eters  of  layout take l a yout simul a tion, and d o  a deta iled  co mpari s o n  bet w ee n pre-sim u lation data  and   layout simulat i on data, the results sho w e d  that bes ide s  the tempera t ure co efficie n t chang e  a lot,  the thre e oth e r in dicators  of layout si m u lation a r e  b a si cally same  with p r e - si m u lation d a ta,  the   para s itic p a rameters of layout influence the functi o n  of circuit little, and the layout this pa per  desi gne d is p e rfect. T h is p aper ad opts the  stand ar d   CMOS te ch n o logy, therefo r e, the  de sign  of  curre n t source unit  can  be  used a s   module  ap pe ared  in  co mplete  chip   desi gn to  pro v ide   static d c  bia s   for othe r ci rcu i t module, an d make  them  work in th e a ppro p ri ate dc  operating p o i n to ensu r e the  whol e chi p  ca n work no rma lly.      Referen ces   [1]  M Akter, MBI Reaz, F  Mohd-Yas i n, F  Choo ng. A  modifie d -set parti tioni ng in h i er archic al trees   alg o rithm for re al-time im age c o mpressi on.  J. Co mmun icati o ns T e chn o lo gy and El ectron ic s . 2008; 53 :   642- 650.   [2]  S Mogaki, M Kamad a T  Yonekura, S O k amoto, Y O h taki,  MBI Reaz.  Time-stamp servic e m a k e s real- time g a m i ng ch eat-free.  Proc. Net w ork a nd S y stem Su pport  W o rkshop. 20 0 7 ; 135-1 38.   [3]  F  Cho ong, MB I Reaz, T C  Ch in, F  Mo hd-Ya sin.  D e sig n  a n d  i m p l e m entati on  of a  data  c o mpressi o n   sche m e: A par tial matchin g  a ppro a ch Proc. Com puter  G r aph ics, Imag in g a n d  Visu al iz ation.  20 06;   150- 155.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  66 67 – 667 2   6672 [4]  F  Choon g, MBI Reaz, F  Mohd-Yasi n.  Pow e r qual ity distur banc e detecti o n  usin g artifici a l  intel lig enc e :   A hardw are a p p roac h.  Proc. IEEE Parall el a nd Distri buted  Processi ng S y mp., 2005; 14 6 a [5]  MBI Reaz, F  Mohd-Y a sin, MS  Sulaima n , KT   T ho, KH Yeo w .   Hardw a re prot otypin g of bool ean functi o n   classification s c hem e s  for  los s less data c o m p r e ssion.  Pr oc. IEEE Com putationa l Cy b e rnetics  Conf.,  200 4: 47-5 1 [6]  Assim, MBI R eaz, MI Ibra hi m y , AF  Ismai l , F  Ch oon g, F   Mohd-Y a sin. A n  AI b a se d se lf-moder at e d   smart-home.  Inform ative . 200 6; 36: 91-9 4 [7]  MBI Reaz, WF Lee, NH Hamid, HH Lo, AYM Shak aff. High degr ee of testabilit y  using f u ll scan chai and AT PG-An industri a l pers p ective.  Journ a of Appli ed Sci e nces . 200 9; 9: 261 3-26 18.   [8]  MR Alam, MBI  Reaz, MAM Al i .  Statistical mo deli ng  of  the r e side nt' s  activit y  interva l  i n  sma r t homes.  J.   Appl ied Sci enc es . 2011; 1 1 : 3058- 306 1.   [9]  F  Mohd-Yasi n, MK Kha w , M B I Reaz. Radi o freque nc y id entificati on: Ev oluti on of trans pon der circu i t   desi gn.  Microw ave Jour nal . 2 006; 49: 5 6 -70.   [10]  J Udd i n, MBI  Reaz, MA H a s an, AN N o rd in,  MI  Ibrahim y MAM Ali. UHF  RF ID ante nna  architectur e s   and a p p licati o n s Scientific Re search a nd Es says . 2010; 5:  103 3-10 51.   [11]  MJ Uddin, MI I b rahim y , MBI  Reaz, A N  Nordin. De s i g n  a n d   app licati on  of r adi o freq ue nc y ide n tificati on   s y stems.  Euro pea n Jour nal o f  Scientific Res earch . 20 09; 3 3 : 438-4 53.   [12]  LF  Rahma n , MBI Reaz, MA Mohd Ali, M Kamad a Desi gn of an EEP ROM in RF ID  tag: Empl oyi n g   ma pp ed EPC  and IPv6 ad dr ess.  Proc. IEEE Asia-Pacifi c  Confer ence  on Circuits and S y stems.  APCCAS. 201 0: 168-1 71.   [13]  F  Mohd-Yasi n, MK Kha w , M B I Reaz.  T e chniq ues  of RF ID s y stems: Archit ectures a n d app licati ons .   Microw ave Jou r nal . 20 06; 49:  62-7 4 [14]  F M  Yasin, KF   T y e, MBI R eaz Desi gn  an d i m p l e m e n tatio n  of i n terface  cir c uitry for CMO S -base d  SA W   gas sens ors.  Proc. IEEE Internatio nal SOC  Confer ence. 2 005: 16 1-1 64.   [15]  MK Kha w , F   Mohd-Y a sin,  MI Reaz.  R e c ent a d vanc es  in th e i n tegr ated circ uit d e sig n  of RF ID   transpo nd er.  Proc. IEEE International  Co nference  on S e miconductor El ec tronics (ICSE  2004). 2004;   326- 330.   [16]  MBI Reaz, MS Sulaim an, F M  Yasin, T A  Len g.  IRIS recogn i t ion us ing  ne ur al n e tw ork bas ed o n  VHD L   prototypi ng.  Proc. Information  and Comm uni cati on T e ch. Symp., 20 04: 46 3-46 4.  [17]  W L  Pang, MBI Reaz, MI  Ibrahim y , LC L o w ,   F  Mohd- Yasin, RA Ra him. Hand w r itten char acte r   recog n itio n usi ng fuzz y   w a ve l e t: A VHDL ap proac h.  WSEAS Trans. System s . 20 06; 5: 1641- 164 7.   [18]  MBI Reaz, PW Leon g, F  Mohd-Yasi n,  T C  Chin.  Mod e li ng  of data compre ssion usi ng p a r t ial matchin g A VHDL ap pro a ch . Proc. W i reless C ongr es s. 2005: 41 1-4 16.   [19]  YK T eh, F Mohd-Yas i n, F  Ch oon g, MI Reaz , AV Kordesch.  Desig n  an d a nal ysis  of UHF  micropo w e r   CMOS DT MOST rectifiers.  IEEE Trans. Circuits and System s II: Express Briefs . 2009; 5 6 : 122-1 26.   [20]  F  Mohd-Yas i n,  MT  Yap, MBI  Reaz. CMOS i n strum entati o n  ampl ifier  w i t h   offset cance llat i on c i rcuitr for biome d ica l  app licati on.  WSEAS Trans. on Circuits and  System s . 20 07 ; 6: 171-17 4.  [21]  NB Romli, M  Mamun, MAS  B hui ya n, H H u sain. D e sig n  o f  a Lo w  P o w e r  Dissip a tio n  a nd L o w  In put   Voltag e Ra nge  Level S h ifter i n  Ced e c 0.18- µm Cmos Proc ess.  W o rld App lied Sc ienc es J ourn a l . 20 12 ;   19: 114 0-1 148.   [22]  HJ Chen. A Digita l  Phas e- Locke d Loo p   w i th N o vel  F r eque nc y  Es timation a nd Phase Erro r   Comp ensati on.   M. Eng. T h esis, Nati ona T a i w a n   Un iver sit y  of Sci enc e an d T e chnol og y, T a i w a n ,   201 2.  [23]  P Andre ani. A  T X  VCO for WCDMA/EDGE i n  90  nm RF  C M OS.  IEEE J.  Solid-State Cir cuits . 201 1;  46(7): 16 18- 16 26.   [24]  RK Patil, VG Nasre. Cu rr ent  Starved Volta ge Co ntrol l ed Oscillator  for PLL  usi ng 0.1 8 μ m CMOS   Process.  Proc. Int. J. Eng. and  Innovative T e c h ., 2012; 1(2):  48-5 2 [25] G Jovanov ic  ́ , M Stojc ˇ ev, Z  Stamenkov ic.  A CMOS Volta ge C ontro lle Ring  Oscill ator  w i th Improv e d   Freque ncy Sta b ility.  Sc ientific  Pub licati ons  o f   the State  U n i v ersit y  Of Nov i   Pazar  Ser. A:  Appl. Math.   Inform. And Mech .  201 0; 2(1) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.