Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   8 , No .   6 ,  Decem ber   201 8 , p p.   44 96 ~ 4504   IS S N:  20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v 8 i 6 . pp 4496 - 45 04           4496       Journ al h om e page :  http: // ia es core .c om/ journa ls /i ndex. ph p/IJECE   A Novel  Des i gn o f Voltag e Cont rolled Os cil lator  b y  U sing  th e  Meth od of  Neg ative R esistanc e       Ayoub  Ma lki 1 , La r bi El  A b dell ao ui 2 ,  Jam al Z bito u 3 ,  A. Er rkik 4 , A .T aj m ouat i 5 ,  Mo ha med  La tr ac h 6   1 ,2,3,4,5 LMEE T   L abor at or y   FS T   o f  Settat  H assan  1 st Uni ver sit y ,   M oroc co   6 Microwa ve  g ro up  ESEO  Anger s Franc e       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Ma r   3 , 2 01 8   Re vised  Ju l   17 ,  201 8   Accepte d  J ul   30 , 2 01 8       The   objecti v e  of  thi s  pape r  is  to  deve lop  a  new  d esign  of  a  volt ag e  cont rol le d   m ic rowave   osci l la tor   b y   using  th e  m et hod  of   neg at iv e  resist ance  in  orde r   to   fab ricate   VCO   with  ver y   good  per form anc e  i n  te rm s  of  tuni ng  ran g,   phas e   noise,   outpu t  po wer  and  stab i lit y .   Th e  use  of  h y brid   m ic rowav e  integra te d   ci rcu it   te chno lo g y ’s  (HM IC)  o ffe rs  a  lot   of   a dvant ag e  for  o ur  struct ur e   conc ern ing  size,   cost,   produc t ivit y ,   and  Q  factor .   Thi s  VCO   is  designe d  at  [480MH z;   1. 4GH z]   fre quency   for  appl i ca t ions  in  the   ph ase   l ocke d  loo p   (PLL)  for  signal  tra cki ng ,   FM   d emodulat ion ,   fre quency   m odula tion,  m obil e   comm unic at ion,  et c .   Th e  diff ere nt  st eps  of   studie d  vol ta g e  cont ro ll e d   oscil lator’s  desi gn  are   thorough l y   desc r ibe d .   Init iall y   designed   at   a  fixe d  fre quency   m ea n while   the   use  of  a   var actor  al low   us  to  tune   the   fre quency   of   the   sec ond  des ign.   It  has  be en  opti m iz ed  e spec iall y   reg ard ing  tuni ng  bandwidt h,   pow er,   phase   noise,   consum pti on  and  size   of  the   whole  ci r cui t .   The   ac hi eve d  re sults  and  propos ed  amendm ent   a re  th e  produc t  of   the or e tical  stud y   and  pre d i ct iv e  sim ula ti on s  with  adva nce d   design  sy st em  m ic rowave   design  software .   A m ic ro - strip  V CO wit h  low  ph ase   noise  base d  on  high  gai n   ult ra  low  noise  RF   tra nsistor  BF P  740  has  bee n  designe d,   fab r ic a te d,   and  cha ra cteri z ed.   T he  VCO   del ive r s   a  sinusoidal   signal   a t  the   fre quency   480   MH z  with  tun in g  bandwidt h   92 0  MH z,   spe ct ru m   power  of  12. 62  dBm   int o   50  Ω  loa d  and  phase   noise  of  - 108  dBc/ Hz  at   100  Hz  offset .   Mea surem ent   result s  and  sim ula ti on   ar e  in  g ood  agr e ement.   Circ uit  is  desig ned  on  FR 4   su bstrat e  whi ch i ncl udes  int egr ate d  resona tors   and passive  compon ent s.   Ke yw or d:   Acti ve device   Mi cro strip   Oscil la tor   Ph ase  noise    Re so nat or   Vo lt age  contr ol le d  os ci ll at or   Copyright   ©   201 8   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights  reserv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Ayo ub Mal ki,    Faculty  of S ci e nces a nd Tec hniq ues ,   Un i ver sit y Ha s san 1st ,   Un i ver sit y C om pl ex  Ca sablanca  ro a d, Km  3 . 5,  B .P :  577 S et ta t, Moro c co .   Em a il :  ay ou b.m al ki8 8@gm a il .co m       1.   INTROD U CTION   The  s pectr um   congesti on  of  f reque ncies  in   the  m ic ro wa ve  fiel d,   t he  resea rch  f or  ne w   ap plica ti on s  i n  the  te le co m m un ic at io n  dom ai n ,  an d  co nst raints  of   inte gr at io n  le ad  currently   to  the  de velo pm e nt  of   m ic ro wa ve  sy stem s.  In   reg a rd   t o  these   syst e m s,  os ci ll at or s  (sim ple  or  vo lt a ge  co ntr ol le d  os ci ll at or )  a re   essenti al   de vices  an d  their  de sign   pr e sents   m any  diff ic ulti es  and   c halle ng e s  f or   la bor at or ie s  a nd   res earc h  centers.   S o  s uc h  syst em s  ca n’ t  ben e fit  a  no ti ceable   de ve lop m ent  un le ss  their  pro duct ion   pr ic e  be com e   reasona ble;  the  diff ic ulty   o f  de sign i ng   s uch   ci rcu it s  is  theref ore  sti ll   sp read in g  due  to  the  seek  for   low  costs .   The  s olu ti on  i s   to  de sig n  a  m on olit hic  or   hybri d  m ic ro w ave  inte gr at e d  ci rcu it   reali zi ng   f ull  integra ti on   of  com po ne nts in t he  sam e stru ct ur e . Th is t ec hnology w ou l d  al low  the m ass prod uction of  t he se stru ct ur es i n  the   sam e series o f op e rati ons   [1 ] - [ 2 ] .      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       A Novel  Desig n of V oltag e  C on tr olled  Oscil lator By  usi ng  the Met ho d of  Ne ga ti ve Resi s tan ce  ( Ay oub Malki )   4497   Vo lt age   c on tr ol le d  os ci ll at or  are  act ually   ve ry  im po rtant  a nd  in disp e ns a bl e  m od ule  in   the  desig n  of   com m un ic at ion   syst em   e m pl oying  in   m ic r ow a ve   te ch no l og y.   T he  obj e ct ive’s  desig n  is  to  get  ver y  sta ble   ou t pu t  sig nal  con t ro ll ed  in  f r equ e ncy  with  ver y  low  ph as e  no ise ,  po wer  m anag em ent  (cons um ption ,  ou t pu t   powe r) ,  pull ing ,  m at ching   im ped a nce   a nd  th e  rej ect io n  of   unwa nted  fr e qu ency  ba nds .  T he   ro le   of   t he  V CO  is   to  pro vid e  a pp roxi m at e ly   ver y  per fect  si gn a l  to  the  ante nna  to  av oid   the  us e  of  ver y  high  gai n  am plifi er  a nd   the  use   of   filt ers  to   bl oc  unde sirable  fr e qu e nc ie s.  Als o  the   no ise   ge ner at e s  into  t he  outp ut  sig nal  of   t he   VCO   is  su sce ptible  s tro ng ly   to  de grade  the  s ensiti vity   of   t he  co m m un ic at ion   s yst e m .   This  no ise   cal le d  phas e  no ise   is  distribu te d  a rou nd   the  m ai n  fr e qu e ncy.   I n  the  oth e r  ha nd ,  in  ad diti on   to  the  dif ficult y  of  VC O  desi gn s   ,  the   te chnolo gical   te nd e ncy,  the   requirem ents  of   the  re gula ti on s  an d  th e  sp eed  of   de velo pm ent   of   the  te le com m un ic a ti on s  ha ve  inc reasin gly  fo rc ed  to  fabrica te   vo lt age  co nt ro ll ed  osc il la t or   with  ver y  pr eci s e   perform ances  i n  te rm   of   siz e,  con s um ption ,  ph a se  noise ,  sta bili ty   and   ou t pu t  po wer.   For   that  w e  pr ese nt  in  this  wor k,   the   stud y  an d  co m ple te   de sign   of   a  lo w  phas e  no ise   vo lt ag e  con tr olled  osc il la tor,   opera ti ng   at   [48 0MHz;  1.4 GH z]   on e poxy  FR4   with  perform ances m or e b et te r  t han f ounde d  in  the lit eratur e .   We  beg i n  by  presenti ng  t he  osc il la tor  theo ry   inclu ding  the  fun dam ental   os ci ll at ion s  co ndit ion s ,  the   neg at ive  resist ance  str uctur e s  and   the  hybri d  integ rated  vo lt age  c ontro ll ed  os ci ll at or  sp eci ficat ion s .  T he   cho ic e  of   the  topolo gy  is  then  ar gu e d.   T he   la st  p art  of   this  work   relat es  to  the  desi gn   process  up  to  the  fabrica ti on   a nd  te sti ng   of  our  VC O.   T he  i m po rtance  of   the  la yout  reali zat ion   ste p  is  widely   dev el op e d.   It  al lowed  to   pr oo s e  a n  optim iz ed  a nd  ori gi nal  arc hitec tur e.  T he  pr e sent at ion   a nd  a nal ysi s  of  th e   ob ta ined   resu lt s  with t he  pub li s hed res ul ts i n  the li te rat ur e  posit ively   end this  w ork   [ 3] .         2.   FI X ED  F REQ UEN CY OS C ILL ATOR  D ESIGN   In   this  pap e r,  befor e  to  de sign   vo lt age  c on t ro ll ed  os ci ll at or   with  known  t un i ng   ba ndwidt h  w e   pro po se   firstly   to  de sig n  an   os c il la tor  at   fi xed  f reque ncy  to  acq uire  t he   high  perform ance  of   our  osc il la tor.  Seco nd ly   we  r eplace   the  res onat or  of  the  fixed   fr e quency  os ci ll at or   by  m od el   of   va ra ct or   based   on  diode  to   al low us  t o  c ontrol the  freq ue ncy of t he vo lt age c on t ro ll ed   os ci ll at or .     An   os ci ll at or   consi st  gen e ra ll y  of   fo ur  in dep e ndent  pa r ts:   m a tc hin g  netw ork,   act iv e  el e m ent   (am plifie r) ,  re so na tor  a nd   bias  networ k  fe edb ac k  el em e nt.  D ur in g  the   pr oce dure  de sign,  to  i m pr ove  the  char act e risti c  of   the  propose d  m od el   each  com po nen t  m us t  be  analy ze d  sepa ratel y  (ch oice  of   tra nsi stor,   cho ic e  of   po sit ion in g  of   tu ning  el em ent,  bias  desig n  an d  t he  arc hitec ture   of   the  resonat or).   Fi nally   the  stud y  of   the  i nteract ive  be hav i or s  betwee n  the  di ff ere nt  com ponen ts  of   os ci ll at or   is  ve ry  im po rtant  duri ng   t he  proce dure  desi gn b eca us e  this  step all ow  us  t o get ve ry  pr ec ise  p er f or m ance of  our  str uctu re [4 ].   The  t heory  of   os ci ll at or s   ca n  be  fi rstly   ap proac hed  by  t he  m od el ing  of  a  c ounter - re act ed  syst em   wh ic h  is  none   oth er  t han   t he   transm issi on   appro ac h  s hown   i n   F ig ur e  1( a ).   A  non - li near   am plifie r  wit h  trans fer   functi on   G  is  res ponsi ble  f or   s uppl yi ng   the  powe r  to  t he  loa d,   i t  is  then  ass oci at ed  in  the   os c il la tor   loop  with  a  sel ect ive  transf e r  functi on  filt er  β  (f ) .  It  is  theref ore  a  po sit iv e  feed ba ck  tha t  reinj ec ts  par t  of   the   ou t pu t  sig nal a t t he  in pu t  of t he  am plifie r  to  bu il d t he oscil la ti on   [5 ] - [ 6 ] .           (a)   (b)     Figure  1 .   Oscil la tor  as   (a)   fee db ac k  l oop   ( b)   neg at ive  r esi st ance.       A  su sta ine d  osc il la ti on   in  ste ady  sta te ,  req ui res  that  tw o  co nd it io ns ,  known  as  the   Ba rk ha us e n  crit erion,  be  si m ul ta neo usl y  sat isfie d.   S uc h  a  loope d  syst e m   reaches  it s   sta ble  os ci ll at ion   sta te   wh e n  the   cl os ed  l oop  tra ns fe r  f unct io n  is  exactl y  equ a l  to  1   [7 ] .  T his   i m plies  that  the  total   ph a se  s hift  on  a  l oop  t urn  is   zero. Ma them at ic al ly  the Bark ha us e n  c rite rion can  b e  writ te n  as  foll ows:       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber   201 8   :   44 96   -   4504   4498   ║β (f 0 )* G║=1   (1 )     Φ(β(f 0 )* G)=0   (2 )     Althou gh   the  m od el   sh own  in  Fig ur e  1  (a)   can  be  us e d  to   analy ze  and   de te rm ine  the  necessary  an d  su f fici ent  co nd it ion s  f or   os ci ll at ion ,  it   is  m or e  jud ic i ou s  i n  the  case  of   t he   desig n  of  V CO,  to  us e  the   m od el  sh ow n  in  Fi gure  1  ( b)  w hose   analy sis  is  per f or m ed  us in g  the  co ncep t  of  neg at ive  resis ta nce.  T his  co ncep t   exp la in s  that  t he  tu ne d  ci rc ui t,  once  it   is  s upplied   wit h  volt age,  will   os ci ll at e  con ti nuou sly   if  there   is  act ive  dev ic e  t o  com pen sat e  the r esi s ta nce  that  ab sorb  e ne rg y.  T he  functi on  of  the   am plifie r  theref ore has  the role  of   pro du ci ng   t he  neg at ive r esi st ance  nec essary   to  m a intai n  th e  os ci ll at ion ,  e ns uri ng  a q ua nt it y  of   energy  e qu al   to  that abs orbe d   [8 ] .    The  e ne rg y  i n  an  os ci ll at or   is   ine vitably   dis sipate d  due  t o  the  non - i deali ty   of  the   ci rc uit  el e m ents.   Ther e f or e,  e ne rg y  m us t  be  us ed  to  m a intai n  the  os ci ll at ion .   This  can  be  achiev e d  with  the  res ulti ng   ne gative   resist ance o f  t r ansisto r  create d  by  t he  tra ns c onduct ance g  of  tran sist or.   F or  this  stu dy,  a n  ultra - l ow  noise  SiGe  transisto r  f ro m   Infine on,  the BFP740, w as  c ho s en .  I nf i neon  BFP 740  is  a g ene ral  pu rpos e   transisto r  tha t  of fe r s   excell ent  pe rfo rm ance  at   hig h  fr e quency.  Th e  BFP7 40  is  house d  i n  a  lo w   cost  lo w  par as it ic   3  le ad  F 59.     Thi s   transisto r  is  re com m end ed   by   In fi ne on   t o  fabrica te   low - no ise   m ic ro wa ve  osc il la tors  or   am plifie rs  and   it   delivers  outst and i ng   pe rfor m ance  f or  a  wi de   range  of   wir el ess  app li cat ion   up  to  fr e qu encies  of  12   G Hz.   Its  transiti on fre quency is  giv e n  a t 150 G Hz  a nd  it  h as a  ultra - l ow  no ise  f ig ure.   At  the  sta rt  of  an  os ci ll at or   the  noise   existi ng   insi de  each   el ect rical  com pone nt  m us t  be  e xcite d  to   pro du ce  ou t pu t   sign al .  T his  excit at ion   is  the   resu lt   of   th e  neg at ive  e nerg y  create d  by  the  transist or.  Fo r  t he   transisto r  deliv er  a  suffici ent   am ou nt  of   ne gative  e nergy,   it   m us t  be  suffici ently   unst able  w he n  t he   powe r   so urce  is  co nnect ed  to  the  s yst e m .  This  instabil it y  is  translat ed  by  the  m o du le   of  ret urn  loss  great er  th an  th e   un it   i n  the   in put  port  (|S 11 |˃ )  a nd  the   sta bili ty   facto r  le ss   tha n  the   un it   (|K|˂1).  It ’s  necessa ry  that  bo t h  po rts  of   the  a m plifie r  are  unsta ble  be cause  both  si de s  of   the  am plifie r  serv e  a  pa rtic ular  pur po se  in  the  bu il t  up   of   os ci ll at ion .     = − |  | − |  | + |   −   | |   |         Ba sed  on  the  s cat te ring   par a m et ers  of   BFP 740  at   com m on   base  giv e n  by   the  m anu fact ur e r  I nf i neon   at   1  GH z ,  we  c an  c on cl ude  th at   the  tra ns ist or  op e rates  at   th e  sta ble  a rea.  I n  order  to   m ake  it   unsta ble  w e  ha ve   add e d  a  fee db a ck  el e m ent.  So  by  op ti m iz at ion   of   t hese  fee dback  el em ents  par am et ers  and  the  adjustm ents  of   po la rizat ion   pa ram et ers  the tr ansisto r  is  bec o m ing  unstable .   The  stu dy  of  th e  act ive  de vice  sta bili ty   in  the  com m on   base co nfi gurati on  c an  be  disc us se d  us i ng  the   ADS  si m ulati on   sp eci al ly   the  too l  Stabfact  to  get  the  sta bi li t y  factor   k.     This  m e tho d  c on sist   to  cha nge  the  fr e qu e ncy  ar ound  t he  f reque ncy  of  osc il la t ion   sit ti ng  in  t he  S - pa ram et e rs  com pone nt  (start=0 .4   G H z  an d  stop =  1.4  GH z ).   The  r esulti ng  k  fact or   ve rs us   fr e que ncy  is  sh own  in  T a bl e.1 .    Th e  act ive  dev ic e  in  a  com m on   base c onfig urat ion   with t he fe edb ac k  el em ent are po te ntial l y un sta ble at  [48 0M Hz;  1.4GHz]   [9 ].       Table  1 .   K Fac tor f or T t e  Acti ve Device    Frequ en cy   Sab f act:K   4 0 0 MHz   - 0 .81   7 0 0  M Hz   - 0 .82   9 0 0 MHz   - 0 .84   1 .1GHz   - 0 .82   1 .4GHz   - 0 .79       The  bias o f  the   transisto r  is  prov i ded  b y  a  res ist or   bri dge  R 1 ,   R 2   and   a  colle ct or   s upply  vo l ta ge  of  5v.  A  ve ry  detai le d  stu dy  is  br ough t  t o  see  the   diff e re nt  bias  pa ram et ers  becau se  it   play s  a  ve ry  i m po rta nt  r ole  to  achieve  t he  pe r form ances  of   our  os ci ll at or   in   te rm   of   power,  eff ic ie nt  an d  ph a se  noise .  In  this  stud y  we  trie d  to  ha ve   a  sta ble  tra ns ist or   operati on   po int  an d  t o  m ini m iz e  the  powe r  c onsu m m at ion   beca use   the  char act e risti cs o f  our t ra ns ist or  dep e nd  direct ly  o n  it s  pola ri zat ion   [10 ] .   An   im po rtant  issue  in  the  de sign   of   a  high   per f orm ance  os ci ll at or   is  the  desig n   of   a  high  qual it y  resonato r.   As  we  ha ve  in dicat ed,   the  qual it y  factor   has  a   sign ific a nt  i m pact  on   the  pe rfor m ance  of   ph a se   no ise .  It  is  the refor e   im po rtant  to   ch oose  t he   hi gh  qual it y  resonato r  i n  order  to  m eet   the  best  sp eci ficat ions .   The  ch os e n  re so na tor   is  a  m ic r o  strip  res onat or  of   le ngt h  λ/ 2.   T he  ci r cuit  being   in  hy br id  te ch nolo gy,  the  su r face  str ess  is  m uch   le ss  t han  with   an  i nteg rated  ci rc uit.  T he  use   of  this  ty pe  of   res on at or   im pro ves   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       A Novel  Desig n of V oltag e  C on tr olled  Oscil lator By  usi ng  the Met ho d of  Ne ga ti ve Resi s tan ce  ( Ay oub Malki )   4499   os ci ll at or   s pecifica ti on s  bette r   than  LC  resonato r  in  te rm s  of   si ze  a nd   noise .  The  ai m   is   to  ha ve  in du c ta nc e   and  capaci ta nc e  w her e  one  ca n  sto re  e nergy  without  los s  a nd  at   the  sam e  tim e  the  abili t y  to  integ rate  with  a   var act or .  T he q ualit y fact or of  this m ic ro  stri p resonat or ca n be  de fine d  as  f ollows :     Q = w 0 ∆ w         (4)     Q = 2π En e rg ie   stok ée En e rg ie   libe rée   par   c y c le   (5 )     At   fr e quencies   near   of   res onance  f reque nc y,  the  m ic ro str ip  li ne  can  be   rep la ce d    by    an  RLC   series   ci rcu it   whose val ues  c an be esti m at e d usin g  t he  f ollow i ng r el at io nship :     L s = Q   R s w 0      (6 )     C s = 1 Q   R s w 0         (7)     R S   the  series  resist ance  deter m ined  by  the  act ual  par t  of  the  input  i m ped ance  of   the  r eso nator   at   resona nce,  W 0   is  the  pulsa ti on  at   res onance ,  Ls  in duct anc e  com po ne nt  of  the  resonato r   and   C S   ca paci ta nce  com po ne nt  of   the  resonato r.   To  re du ce  t he  series  res ist anc e  of   the  res ona tor  we  trie d  th e  m axi m u m   po ssible  to r e duce the  wi dth   of m ic ro  strip  li nes . So a   m ini m u m  ch aracte risti c i m ped ance  chose n  i s 25.   The  la st  ste p  i n  this  w ork  is  to   desig n  m at ching   im ped a nce.  Im ped ance  m at ching  is  a  te ch nique  us ed   in  el ect rici ty   t o  op ti m iz e  the  trans fer  of  el ect rical   powe r   betwee n  a   tra ns m itter  (sou r ce)  a nd  an   el ect rical  receiver  (loa d)  1  and   op ti m ize  the  transm iss ion   of  te le com m un ic at ion s  sign al s .the  the ory   of   m axi m u m  powe r   determ ines  that  the  i m ped anc e  of   t he  loa d  m us t  be   t he  co nj ug at e  c om plex  of   t he  im ped ance  of  the  ge ne rator;   Now  the  whol e  ci rcu it   inclu di ng   the  act ive  dev ic e  with  it s  po la rizat io n,   r eso nator   a nd  m at c hin g  im ped ance  is  as in  F ig ur e  2 .           Figure  2.   The  s chem at ic  o f  th e n e gative  resi sta nce m ic ro w ave  os ci ll at or .       Fo r   the  sim ulati ng   of  the  obt ai ned   os ci ll at or   we  ca n  us e  t he  ha rm on ic   ba la nce  us e d  for  no nlinear   structu re  w hich  is  fr e qu e ncy   dom ai n  analy sis  too l.   The   f r equ e ncy  s pectr um ,  the  ste ady   sta te   a nd  the  ph a se  no ise  r es ults ar e shown  su cce ssively  in  F i gure  3  (a ),  F ig ur e  3   ( b)  a nd  F i gure  3( c ).   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber   201 8   :   44 96   -   4504   4500       (a)   (b)       (c)       Figure  3. Sim ulate d  res ult o f f ixed oscil la tor   in ( a )  ti m e d om ai ne  (b) fre quency  dom ai ne  (c) p hase  nois e.       It  is  seen  from   Figure  3  ( a)  t hat  the  wav e f orm   of   the  ou t put  sig nal  is  pu rely   sinu s oid al   at   1  G Hz.   The ou t pu t  power  at the  f undam ental  f reque ncy is 1 4.909 d B m  as sh own  i n  Fig ure 3 (b). We can  also  obser ve   that  the  power   of   the  ha rm on ic s  is  ver y  neg li gib le   com par e d  to  the  fun da m ental   we  can  al so   obser ve  th at   the   powe r  of   t he  har m on ic s  is  ve ry  ne gligible   com par ed  t o  t he  fun dam enta l  on e .  Wh ic h  f ur t her   im pr ove s  the   distor ti on  of  th e  os ci ll at or .  I n  the  auth or   hand  the  phase  noi se  pr e dicti on   of  the  m ic ro wa ve   os c il la tor  is  117.6   dBc/Hz.   The  pro po s ed  vo lt age   co ntr ol le d  osc il la tor  pe rfor m ances  w ere  c om par ed  t o  s om e  existi ng   works  i n  the  li te ratur e  in   te rm s  of   ph ase   no ise , output  p owe r  an d   di st or ti on ,  t he  com par is on  r es ults  cond ucts  to  the   best   resu lt s. Ge ner a ll y, in   the li te ra ture,  t he best r esults are a bout   - 110dBc /hz  fr om  1 00 H z  of t he  car rier i n  te r m  o f  ph a se  noise   an d  7dBm   in  te r m   of   outp ut  power.  If   we  com par e  the ses  val ues  with  reach ed  val ues  in  ou r  w or k  (phase  noise :  - 117.6  dBc  at   100  Hz   from   ca rr ie r;  outp ut  p ow e r:  14.90 9  dBm   and   the  ha rm on ic   about  - 8.42  dBm ),   we   ca n con cl ud e  that t he pr opos e d V CO has e xcell ent p e rfo rm ances co m par ed  to  t he rep or te d work s .       3.   VOLTA GE  C ONTROL LE D  O SC ILL AT OR DESI GN     In   t he  fo ll owi ng  sect io n  the   desi gn  of  vo lt age  c on t ro ll ed   os ci ll at or   is   gi ven .   T his  de sign  exam ple   will  u se the  sa m e stru ct ure u s ed  in  the  fixe d fr e qu e ncy  ver s ion   but we t ry to r e place t he  r e so na tor  b y  varac tor .   The  ob j ect ive  of   this  ste p  is  the  fr e quen cy   va riat ion   of  the  fixe d  fr e quenc y  os ci ll at or .  This  is  al lo wed   wh e n  the  res onat or  pa ram et ers  can  be  m od ifie d,  nam el y  i ts  indu ct ance  an d  ca pa ci ta nce.  T here  are  m any  m e thods ,   each  has  thei r a dv a ntage s a nd d isa dva ntages .  An inte gr at io n of va ricap  bas ed on   di od e is   ver y a dequate t o our  structu re.   The   var act or   diode,   a lso  cal le d  va ricap  diode,   re ver se   pola rize d  will   hav e   a  var ia ble  capaci ta nce   betwee n  the se  two  te rm inals.   In  orde r  t o  c hoose   a  su it able   va racto r  for  t he  desig n,  we   hav e   to   deci de   on  t he  tu ning   ba ndwi dth .   This  pa rtic ular   requirem ent  is  for  a  tu ning  ba ndwidt h  45  MHz/ V  ove r  the  tu ning  ra ng e  of   1  to  20V .  To  giv e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       A Novel  Desig n of V oltag e  C on tr olled  Oscil lator By  usi ng  the Met ho d of  Ne ga ti ve Resi s tan ce  ( Ay oub Malki )   4501   us   s om e  m arg in  to  c over   the   exter nal  pa ras it e  eff ect s  we   choose  a   ba nd width  of  50 M Hz/V.  The   va r act or   sh oul d  ha ve  a  m ini m u m   of   par asi ti s m ,  so   w e  op t  f or  a  SM T  dev ic e .  The  si m ulati on   of   t he  com plete   cir cu it   with  the  va ract or   was  r un   a nd   re - r un  f or   eac h  val ue  of  the  vo lt age  from   1V   to  20 V.   T he   resu lt s  of  va riat ion   vo lt age  v e rs us   fr e qu e ncy a nd  ou t pu t  powe r  a re  giv e n  in   T a bl e   2.       Table  2.   T unin g  F re qu e ncy   of V CO  in  Funct ion   of  Vo lt age   Vo ltag e   Frequ en cy   0 .5V   5 0 0 MHz   5V   7 0 0  M Hz   10V   9 0 0 MHz   15V   1 .1GHz   20V   1 .4GHz       4.   E X PERI MEN TAL RES UL TS A ND   D IS CUSSIO N   Goo d  isolat io n  betwee n  com pone nts  as  wel l  as  sat isfact ory   decoup li ng  betwee n  the  D C  ports  an d  the  RF  li ne s  a re  crit ic al   co nsi der at io ns   f or  achie ving  a n  RF  or  m ic ro w ave  desig n.  T o  a vo i d  i ntrod ucin g  asym m e try   int o  the  os ci ll at ion   wav e f or m s  and   to  in du c e  add i ti onal   phase  noise   on   the  ou tp ut  sign al ,   par ti cula r  at te nt ion   m us t  be  gi ven   t o  the  sy m m e try   of   the   com plete   la yo ut.  T he  vo lt ag e  co ntro ll ed   osc il la tor   was  fa br ic at ed   on   the  e poxy  su bst rate  with  the  diele ct ric  con sta nt  of  4.4,  the  m et al   thickne ss  of  0.0 35   m m ,  and   heig ht  is  1.60   m m ;  as  h ybrid  m ic ro wa ve  integ rated  c ircuit   struct ur e .  All  the  ci rcu i t  com po nen ts  are  i n  SMD  (Sur face   Mou nt  De vic e)  pac kag e .  Figure   4  il lustra te s  the  ph ot og raph  of  the  com plete d  fab ri cat ed  vo lt age  c ontro ll ed  os ci ll at or .   It  occupies  a  su r face  of  28 *30mm 2   integrati ng   the  pads  of   po wer   s upplies .   Be fore  the  real iz at ion   of   the  c ircuit ,  the  el ect rical   diagr am   e xtracted  f r om   t he  final  la yout,   was  si m ulate d  for   the  la st  ti m e  t akin g  i nto   acc ount  t he  giv e n  m ini m u m   a nd  m axi m u m   values   of  t he  crit ic a l  com po nent s   (in du ct a nce, va ractor, ca pacit ances) .           Figure  4 .   P ho t ogra ph of the  fa br ic at ed  volt age c on t ro ll ed  osci ll at or       The  fa br i qu at e d  volt age  co ntr olled  os ci ll at or  is  char act erize d  su cce velly   in   tim e   do m ai ne,   fr eq ue ncy   do m ai n  an d  phase  no ise   us i ng   Te ktronix  DPO  7245   digi ta l  ph osp hor  os ci ll os co pe ,   Ag il ent  E4 440A  P SA  sp ect r um   analy zer  an d  A gilent  55 05A.  F ig ure   5   (b)  s ho ws  th at   The   VCO  delive rs   12. 62dbm   at   1   GH z ,  F ig ure 5( c )   s hows  that  phase   noise   le vels  of   outp ut  sig na l  is  - 1 0 8   dB c/ Hz  at   100  Hz  at   an   os ci ll at ion   fr e qu e ncy  of  1   G Hz  a nd  f rom   F ig ur e  5  (a )   The   outp ut  volt age  has   ideal   sin us oi dal  s ha pe  with  pe ak   to  pea k  vo lt age  s wing  of 2.6 V.     The  m easur ed   and  sim ulate d  par am et ers  of   our  vo lt age   co ntr olled  osc il la tor  pr ese nt  a pproxim at e ly  the  sam e   resu lt s  i n  te r m   of   tun in g  ba ndwidt h,     fr e quency  and   ou t pu t  po wer   an d  s om e  offset  in    ph as e  no ise   (9dBc) .  T his  offset  betwee n  m easur ed   a nd  sim ulate d  ph a se  no ise   is  norm al   du e   to  t he  fa bri cat ion,   appr ox im at ion s  ta ken  by  A D S  especial ly   phase  no ise ,  the   qual it y  of   c om p on ents  a nd  the  integ rati on   of  the  var ic a p.   If   we  c om par ed  the   obta ine d  res ults  of  this   w ork  (phase  no ise   - 108  dB c/ hz  ,  t un i ng  ba ndwith  92 0  MHz)  with  the   publishe d  res ul ts  of   s om e  scien ti fic  re ports  on  m ic ro wav e  os ci ll at or   desig ns   [ 11 ] - [ 17] ,  w e  ca n  con cl ud e   that  t his  volt age  c on trolle d  os ci ll at or  h as good r es ults  in  te rm   of  tun in g  ba ndwith,  phase  noise ,   good  ou t pu t  po wer   a nd   fr e qu e ncy  a ccur acy .  T hese   resu lt s  we re  the  pro duct   of   deep   st ud y  of  each  pa ram et er   of   the   vo lt age  contr ol le d  osc il la tor  a nd es pecial ly   t he  inte racti on  betwee n  the se  par am et res.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber   201 8   :   44 96   -   4504   4502                                 (a)                                                                                                                       (b)                                                                                           (c)     Figure  5 .  Mea s ur em ent r es ult of VC O  in  ( a )  t i m e d om ai ne  (b )  freq ue ncy dom ai ne  (c)   pha se noise.       5.   CONCL US I O N   As  a  co nclusi on,  we  can  de du ce  th at   we   hav e  de vel oped  a  novel  str uctu re  ne gativ e  resist ance  vo lt age  co ntr olled  os ci ll at or   a t  480   M Hz  with  tu ning  ba nd with  92 0  MHz .  The  fabrica te d  volt age  c ontroll e d  os ci ll at or   produces  sin usoida l  sign al   in  fr e quency  range  [4 80MH z;   1. 4GH z ]   with  sta rt  fr e qu e ncy  of  480 M H z ,  ou t pu t  powe r  at   1GHz  e qu al   to  12. 62 dBm ,  phase  noise   o f  the  outp ut  sign al   a rou nd  - 108 dBc/Hz  at   100  Hz.  This  wor k  has  been desig ned and  a dju ste d b y  us in g  a   the oret ic al   ste p  an d  op ti m iz ation   to ols  a pp li ed  o n ac ti ve   dev ic e,  Bi as  ne tworks ,  m a tc hing  i m ped a nc e  and   re sonat or  with  it s  var ic ap, .  T he  com par at ive  stu dy  of  this  vo lt age  c ontr ol le d  os ci ll at or   desig n  with  s om e   su m m ary   of   s om e  sci e ntific   repo rts  on   volt age  co ntr olled   m ic ro wa ve osc il la tor  desi gn s   sh ows  that  we go t  bette r res ults.       REFERE NCE S   [1]   M.M  El sherbini ,   M.F  El kord y ,   a nd  A.M  Go m aa ,   " Design  and  Si m ula ti on  for  UH F  O scil la tor  u sing  SAWR  wit h   Diffe ren t   Sche m at ic s ,   "   Indon esian  Journal   o f  Elec tric al   and   Computer  Sc ience . Vol .   1 ,   No.   2,   pp .   294 – 29 9,   Februa r y   2016 .   [2]   Kengo  Kawasak i,   T akay u k i  T an aka ,   and  Masa yoshi  Aikawa ,   " Ku  band  Secon d  Harm onic   N - Couple d  Pus h - Pus h   Os ci ll at o r  A rra y   using  Microstri p  Resonat or,   "   2010  Pro ce edi ng s  of  the   IEE E  MTT - S  on   Mic rowave  Symposium  Digest, Anah ei m, 2010, pp.   1182 - 1 185   [3]   T.   Ohira ,   " Rigor ous  Q - fac tor  form ula ti on  for  one -   and  two - port  passive  li near  net works   from   an   osci ll at or  noise   spec trum  vie wpoint, "   2005  IEEE  Tr ansacti ons  on  Circui ts  and  Syste ms   II:  Ex press   Brie fs ,  vol.   5 2 ,   no.   1 2,   pp.   846 - 850 ,   2017 .   [4]   D.M Poza r,  "   Mi cro wave   engi n eering,   "   John   Wile y  . 1989 .   [5]   Bhan   u  Shrestha ,   N.  Kim ,   " Low  phase   noise  m ic rowave   osci ll a t or  using  m ea nder   spurline   r esona tor  for  X  ban d   appl i ca t ion, "   Ind ian  journal   of en gine ering   materi als sc ie n ce s ,   Vol .   18 ,   pp .   381 – 38 4,   Octob er  2011 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       A Novel  Desig n of V oltag e  C on tr olled  Oscil lator By  usi ng  the Met ho d of  Ne ga ti ve Resi s tan ce  ( Ay oub Malki )   4503   [6]   Bhava na  b ena k a p rasa d,   Sal ah  shara bi ,   K.  E lga id ,   " RF   and  Microwa ve  oscillat or  design  using  p - HEMT  tra nsisto r , "   Inte rnational   jou rnal  of  sc ie nt if i c and re search  pu bli cation ,   Vol.   0 4,   No  8 ,   pp .   1 – 7 ,   Augus t  2014 .   [7]   A.  Haji m iri, T. H . Lee,   " The   desig n  of  low   noise  o scil lator, "   Norw e ll   . 1999.   [8]   K.  C hang,   I .   Ba hl,   V.  Nair .   Ed itors ,   " RF   and  m ic rowave   c irc u it   and  compon ent   design  for  wire l e ss   sy stems , "   Wiley   . 2002.   [9]   Achm ad  Munir,   Endon   Bhara t a,   " Self  o scil lating   m ixe r  with  die l ec tr ic   resona tor  for  low  noise  bloc k  appl i ca t ion, "   TEL KOMNIKA  te lecomm unic ation c omputing   e l ec troni c s   and  co ntrol ,   Vol .   09 , No 2, pp. 351 – 356 ,   Augus t  2011 .   [10]   Khair un  Nisa’  Minhad,   Zaina b   Kaz emi,   Mam un  Bin  Ibne Reaz,   Juba y er  Jalil,   Noorfaz il a  Ka m al ,   " Design  of  a   Curre nt  Starve d   Ring  Os ci ll at o r  Based  VCO   f or  Phase - Loc ke d  Loop , "   Indone sian  Journal  of  El e ct rica l  and   Engi ne ering ,   Vol. 12, No   9,   pp.   66 67 – 6672,   Sept e m ber   2014 .   [11]   R. A.  Puce l,  R.   Bera,  D.   Mass e   ,  " Expe rimen ts  on  integra te d   gal l iu m - arse ni de  FET   oscillators   at   X  b and, "   El e ct ronics  le t ter s . vol.   11 ,   no .   10 ,   pp .   2 19 - 220 ,  1 975 .   [12]   O.  Ishi har a ,   T .   S awa no,   M.   Naka ta ni ,   " Highl y   sta bil ized  GaAs   FE T  oscillat or   usin g  a  di el e ct ri c  res onat or   fe edback  ci rcu it   in  9 - 14   GH z, "   IE EE t rans act ion   on  mi cro wave   the ory   and   technique s .   vol .   28,   no .   08 ,   pp .   8 17 - 824 ,  1980 .   [13]   S.  Chen,   S.  T a da y on ,   T .   Ho  ,   K.  Pande,   P.   R i a,   J.  Ada ir,   M.  Ghahre nani,   " U - band  MM IC  H BT  DRO .   IEEE   m ic rowave   and guide d  wav e le t t ers , "   vol .   04 ,   no .   02 ,   pp.   50 - 52 ,  1 994 .   [14]   H.Jac obss on,   S.  Gevorgi an  ,   M.   Mokhtari   ,   C .   H ede nas  ,   B .   Hans son  ,   T .   Le win  ,   H.  Berg  ,   W .   Ra be  ,   A.  Schupp e n,   " Low  phase   noi se  low  power  IC  VCO   for  5 - 8   GH z  wirle ss   appl icati on ,   "   IE EE   MTT - S  int e gration  microwave  sympos ium .  vol.  48,   no .   12 ,   pp .   7 23 - 726 ,  2 000 .   [15]   H un - W ah  Fan,   K.  - K.  M.  Cheng, "   New  m et hod   in  cha racte ri zi n g  the   nonli ne ar  cur ren t  m odel   o f  MESF E T  usin g   single - ton e  ex cit at ion ,   " IE EE MTT - S  Inte rnationa l  on  M ic rowav e Symposium Diges t .  pp.   449 - 452 ,  2000 .   [16]   D.Ku y l ensti en a,  S . la i,   M.B ao,   H.  Zi rat h ,   " Design  of  low  phas e  noise  oscil l at o rs  and  wideba nd  W ard   VCOs  i n   InGap  HBT  t echnolog y , "   IE EE  Tr ansacti ons  on  Mic rowav e  Theory  and  Te ch nique s .   vo l.   60 ,   no.   11 ,   pp.   34 20 - 3430 ,  2012 .   [17]   Mad ure ira,  N.De lt imple ,   E. Kerh e rve ,   " Design  and   m ea surem en t  of  cl ass E F2  powe r  oscil la to r, "   Ele ct ronics  Lett ers .   vol.   51 ,   no .   10 ,   p p.   05 - 14 ,  2015 .       BIOGR AP HI ES   OF  A UTH ORS       A y oub  Malki   w as  born  in  Sett at,  Morocc o,   In  j a nuar y   1988 .   He  rec e ive d  th e  m aste r  degr e e  in  ae rona u ti c  and  t el e comm unic at i ons  from  Air  ro y a l  scool ,   Unive rsit y   of  kadi   Aa y ad  Marr ake ch ,   Morocc o.   He  is  cur ren t l y   workin g  towar d  the   Ph. D.  degr ee   in  ph y sics  and  eng ineeri ng  scie n ce s   at   Facult y   of  Scie n ce s  and  T echnologie s,  Set tat,   Morocc o .   His  rese arc h  int er e sts  inc lude   th e   ana l y sis  and  d esi gn  of  h y brid ,   m o noli thic  ac t ive and pa ss ive   m i cro wave   e lectr oni c ci rcu it s.             La rbi  E l  Abdellaoui  was  born  in  Ti flet ,   Moroc co,   in  1961.   He   rec ei v ed  the   P h. D.  degr e e  in  el e ct roni cs  from   the   Univer sit y   of  Metz ,   in  199 4,   Franc e .   He  is  cur ren t l y   an  associate   Profess or   of  El e ct ron ic s  in   Facul t y   of  sci en ce s  and  techniqu es,   Univer si t y   Hass an  1st,  Set ta t ,   Morocc o.   H e  is i nvolv e d  in   th e  design   of  h y br i d,   m onoli th ic a c t ive   and  p assive m ic rowave   el e ctronic ci r cui ts.               Jam al   Zbi tou   was  born  in  Fes,  Morocc o,   in  June  1976.   He  rec e ive d  th e  Ph.D.  degr ee   i n   el e ct roni cs  from   Pol y t ec h  of  Na nte s,  the   Univ er sit y   of  Nant es,   Nante s,  Franc e,   in  2005.   He  is   cur ren t l y   an  associate   Profess or  of  El ec t ronic s  i n  FS T,   Univer sit y   Hass an  1st,  Settat,   Mo roc co   and  th e  h ea d  o f  Com puti ng  Net works   and  t el e c om m unic at ion  i n  LMEET  L abo rat or y   in  FS TS.   He  is  invol ved  in  the   design  of   h y brid ,   m onolithic   a ct iv e  and  passive  m ic rowave   e le c troni c   ci rcu it s.           Ahm ed  Err kik   w as  born  in   Jul y   1 960  in  Moroc co.  He  r ec e ive d   the  Ph.D.  d egr e e  in   ph y si cs  from   the   Univer si t y   of  Technol og y   Com pie `gne   (U TC),   Com pie `g ne,   Fran ce.  He   is  cur ren tly   an  associa t e  Profess or  of  ph y sics  in   FS T  Univer sit y   Hass an  1st,  Settat,   Moroc co.   He   is  invol v ed  i n   the   d esign  of   h ybrid,   m onolithic  ac t ive   and  p assive  m ic rowav e elect ron ic   ci r cui ts .           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber   201 8   :   44 96   -   4504   4504     Abdela l i  T aj m ouat i   was  born  i n,   Moroc co,   in  1962.   He   recei v ed  th e  Ph.D.   de gre e  in  sc ie nc e   engi ne eri ng  fro m   the   Univer sit y   of  Perp igna n ,   Franc e ,   in  199 2.   He  is  cur ren t l y   an  associa t e   Profess or  of  El ec tron ic s,  the rm al   tr ansfe r  and   the rm od y n amic  in  Facu lty   of   scie nc es  an d   te chn ique s  Univ ersity   Hass an  1 st,  Set ta t ,   Moro cc o.   He  is  invo lve d  in  th e  d esign  of  h y brid ,   m onoli thi c   activ e  and   passive   m ic rowave   elec tro nic   ci r cu it s.             Moham ed  La trach  (IE E E  m ember)  recei v ed  the   Ph.D.  degr e e  in  el e ct roni cs  from   the   Univer si t y   of  Li m oges,   L imoges,  Franc e,   in  1990.   He  is  cur r ent l y   Profess or  of  m ic rowave   en gine er ing  with  the   Ec o le   Supéri eur e  d’Elec tronique  de  l’Oue st   (ESEO),   Angers,  Franc e,   wher e  he  is  hea d  of  the  Radi o - Freque n c y   &  Microwa v e  rese arc h   group.   His  rese arc h   intere sts  include :  d esign  of  h y brid   &  m onoli thic  a ct iv e  and   passiv e  m ic rowav e  c i rcu it s,   m et amat e ria ls,   LH  m ateri al s,  antenna s,  rec t enna s  and  th ei r  app li c at ions  in  wire l ess  com m unic at ions,  an d  wire le ss   power  tra nsm ission  (W PT).       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.