RADAR(radio detection and ranging)는 본래 항공기 및 선박을 탐지하는 군사 장비로 발명되었다. 최근에 이르러 반도체 공정 및 회로 기술의 발전과 스마트 환경에서의 필요성이 맞물려, 저전력 및 낮은 가격의 RADAR 센서에 대한 관심이 높아지고 있다. 기존의 레이더용 송수신기는 주로 ...
RADAR(radio detection and ranging)는 본래 항공기 및 선박을 탐지하는 군사 장비로 발명되었다. 최근에 이르러 반도체 공정 및 회로 기술의 발전과 스마트 환경에서의 필요성이 맞물려, 저전력 및 낮은 가격의 RADAR 센서에 대한 관심이 높아지고 있다. 기존의 레이더용 송수신기는 주로 RF 성능이 우수한 화합물 반도체를 통해 구현하였다. 그러나 GaAs 및 SiGe 공정의 화합물 반도체는 생산 비용이 높고, 디지털 회로를 포함하는 송수신기를 하나의 칩에 집적하기 어렵다. 반면, bulk CMOS 공정은 생산 가격이 낮고, 집적도가 높지만 화합물 반도체에 비해 RF 성능이 떨어진다. 이러한 CMOS의 특성은 레이더 시스템의 중요 성능 지표인 국부 발진기의 위상 잡음 성능에 악영향을 미친다. 이 학위논문에서는 완전 집적된 K-band FMCW RADAR를 위한 4채널 송수신기를 65 nm RF CMOS 공정을 사용하여 구현한다. FMCW 동작을 위해서 주파수 스위프 발생기(FSG)를 포함하는 국부 발진기를 설계하였다. CMOS 공정에서도 국부 발진기의 우수한 위상 잡음 성능을 위해 class-C VCO를 설계하였다. 이 class-C VCO는 제안하는 디지털적으로 제어하는 게이트 바이어스 기술을 적용하여, 기존의 시동 실패 문제를 해결하였다. 주파수 모듈레이션을 위해 fractional-N 위상 고정 루프는 FSG에 의해 제어된다. 주파수 변조는 주파수의 상승, 하강 그리고 고정의 세가지 모드로 반복 동작한다. 설계한 FSG는 위상 고정 루프의 주파수 분주 비를 조절하여 FMCW RADAR를 위한 동작을 한다. 제안한 국부 발진기의 출력 주파수 범위는 22.8 GHz ~ 26.7 GHz 이다. 인-밴드 위상 잡음 성능은 24 GHz에서 -84 dBc이다. 설계한 k-band 수신기는 저잡음 증폭기(LNA)와 주파수 믹서, 기저대역 필터(BBF)등으로 이루어져 있다. LNA는 2단으로 구성된 cascade 차동 구조로 설계하였다. source degeneration 인덕터를 사용하여 잡음지수를 개선하고 매칭을 용이하게 하였다. 기저대역 필터는 레이더 수신 파워의 근거리 보상을 위한 4차 바이 쿼드밴드 패스 필터를 적용하였다. 수신기의 트랜스-임피던스 증폭기 (TIA)는 DC 포화를 방지하기 위해서 DC offset canceler (DCOC)를 포함한다. 설계한 FMCW RADAR용 수신기의 최대 이득은 100 dB이며, 1 dB 단위로 조절이 가능하다. 전체 칩의 크기는 4채널 송수신기와 패드들을 포함하여 2.96 mm x 2.76 mm 이다.
RADAR(radio detection and ranging)는 본래 항공기 및 선박을 탐지하는 군사 장비로 발명되었다. 최근에 이르러 반도체 공정 및 회로 기술의 발전과 스마트 환경에서의 필요성이 맞물려, 저전력 및 낮은 가격의 RADAR 센서에 대한 관심이 높아지고 있다. 기존의 레이더용 송수신기는 주로 RF 성능이 우수한 화합물 반도체를 통해 구현하였다. 그러나 GaAs 및 SiGe 공정의 화합물 반도체는 생산 비용이 높고, 디지털 회로를 포함하는 송수신기를 하나의 칩에 집적하기 어렵다. 반면, bulk CMOS 공정은 생산 가격이 낮고, 집적도가 높지만 화합물 반도체에 비해 RF 성능이 떨어진다. 이러한 CMOS의 특성은 레이더 시스템의 중요 성능 지표인 국부 발진기의 위상 잡음 성능에 악영향을 미친다. 이 학위논문에서는 완전 집적된 K-band FMCW RADAR를 위한 4채널 송수신기를 65 nm RF CMOS 공정을 사용하여 구현한다. FMCW 동작을 위해서 주파수 스위프 발생기(FSG)를 포함하는 국부 발진기를 설계하였다. CMOS 공정에서도 국부 발진기의 우수한 위상 잡음 성능을 위해 class-C VCO를 설계하였다. 이 class-C VCO는 제안하는 디지털적으로 제어하는 게이트 바이어스 기술을 적용하여, 기존의 시동 실패 문제를 해결하였다. 주파수 모듈레이션을 위해 fractional-N 위상 고정 루프는 FSG에 의해 제어된다. 주파수 변조는 주파수의 상승, 하강 그리고 고정의 세가지 모드로 반복 동작한다. 설계한 FSG는 위상 고정 루프의 주파수 분주 비를 조절하여 FMCW RADAR를 위한 동작을 한다. 제안한 국부 발진기의 출력 주파수 범위는 22.8 GHz ~ 26.7 GHz 이다. 인-밴드 위상 잡음 성능은 24 GHz에서 -84 dBc이다. 설계한 k-band 수신기는 저잡음 증폭기(LNA)와 주파수 믹서, 기저대역 필터(BBF)등으로 이루어져 있다. LNA는 2단으로 구성된 cascade 차동 구조로 설계하였다. source degeneration 인덕터를 사용하여 잡음지수를 개선하고 매칭을 용이하게 하였다. 기저대역 필터는 레이더 수신 파워의 근거리 보상을 위한 4차 바이 쿼드 밴드 패스 필터를 적용하였다. 수신기의 트랜스-임피던스 증폭기 (TIA)는 DC 포화를 방지하기 위해서 DC offset canceler (DCOC)를 포함한다. 설계한 FMCW RADAR용 수신기의 최대 이득은 100 dB이며, 1 dB 단위로 조절이 가능하다. 전체 칩의 크기는 4채널 송수신기와 패드들을 포함하여 2.96 mm x 2.76 mm 이다.
RADAR (radio detection and ranging) was originally invented as a military instrument to detect aircraft and ships. Recently, with the development of semiconductor process and circuit technology and the necessity in smart environment, interest in low power and low price RADAR sensor is increasing. Co...
RADAR (radio detection and ranging) was originally invented as a military instrument to detect aircraft and ships. Recently, with the development of semiconductor process and circuit technology and the necessity in smart environment, interest in low power and low price RADAR sensor is increasing. Conventional radar transceivers are mainly implemented with compound semiconductors with excellent RF performance. However, compound semiconductors of GaAs and SiGe processes are expensive to produce and it is difficult to integrate full transceivers including digital circuits on a single chip. On the other hand, the bulk CMOS process has a low production cost and a high degree of integration, but has a lower RF performance than a compound semiconductor. These CMOS characteristics adversely affect the phase noise performance of the local oscillator, which is an important performance indicator of the radar system. In this thesis, a 4-channel transceiver for the fully integrated K-band FMCW RADAR is implemented using a 65 nm RF CMOS process. A local oscillator including a frequency sweep generator (FSG) is designed for FMCW operation. In the CMOS process, a class-C VCO is designed for excellent phase noise performance of a local oscillator. This class-C VCO solves the existing start-up failure problem by applying the proposed digitally controlled gate bias technology. For frequency modulation, the fractional-n phase-locked loop is controlled by the FSG. Frequency modulation repeats in three modes: rising, falling and fixed. The designed FSG operates for the FMCW RADAR by adjusting the frequency division ratio of the phase locked loop. The output frequency range of the proposed local oscillator is 22.8 GHz to 26.7 GHz. The in-band phase noise performance is -84 dBc at 24 GHz. The designed k-band receiver consists of a low-noise amplifier (LNA), a frequency mixer, and a baseband filter (BBF). The LNA is designed as a two-stage cascade differential structure. Source degeneration inductors are used to improve noise figure and facilitate matching. BBF applied a 4th order bi-quad bandpass filter for short range compensation of radar received power. The receiver's trans-impedance amplifier (TIA) includes a DC offset canceller (DCOC) to prevent DC saturation. The maximum gain of the designed FMCW RADAR transceiver receiver is 100 dB, which can be adjusted in 1 dB steps. The total chip size is 2.96 mm x 2.76 mm, including a 4-channel transceiver and pads.
RADAR (radio detection and ranging) was originally invented as a military instrument to detect aircraft and ships. Recently, with the development of semiconductor process and circuit technology and the necessity in smart environment, interest in low power and low price RADAR sensor is increasing. Conventional radar transceivers are mainly implemented with compound semiconductors with excellent RF performance. However, compound semiconductors of GaAs and SiGe processes are expensive to produce and it is difficult to integrate full transceivers including digital circuits on a single chip. On the other hand, the bulk CMOS process has a low production cost and a high degree of integration, but has a lower RF performance than a compound semiconductor. These CMOS characteristics adversely affect the phase noise performance of the local oscillator, which is an important performance indicator of the radar system. In this thesis, a 4-channel transceiver for the fully integrated K-band FMCW RADAR is implemented using a 65 nm RF CMOS process. A local oscillator including a frequency sweep generator (FSG) is designed for FMCW operation. In the CMOS process, a class-C VCO is designed for excellent phase noise performance of a local oscillator. This class-C VCO solves the existing start-up failure problem by applying the proposed digitally controlled gate bias technology. For frequency modulation, the fractional-n phase-locked loop is controlled by the FSG. Frequency modulation repeats in three modes: rising, falling and fixed. The designed FSG operates for the FMCW RADAR by adjusting the frequency division ratio of the phase locked loop. The output frequency range of the proposed local oscillator is 22.8 GHz to 26.7 GHz. The in-band phase noise performance is -84 dBc at 24 GHz. The designed k-band receiver consists of a low-noise amplifier (LNA), a frequency mixer, and a baseband filter (BBF). The LNA is designed as a two-stage cascade differential structure. Source degeneration inductors are used to improve noise figure and facilitate matching. BBF applied a 4th order bi-quad bandpass filter for short range compensation of radar received power. The receiver's trans-impedance amplifier (TIA) includes a DC offset canceller (DCOC) to prevent DC saturation. The maximum gain of the designed FMCW RADAR transceiver receiver is 100 dB, which can be adjusted in 1 dB steps. The total chip size is 2.96 mm x 2.76 mm, including a 4-channel transceiver and pads.
Keyword
#레이더 주파수 변조 연속파 위상 고정 루프 클래스-C 전압 제어 발진기 저잡음 증폭기 완전 통합 송수신기
학위논문 정보
저자
이정윤
학위수여기관
중앙대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
전자전기공학과 반도체 및 집적회로전공
지도교수
백동현
발행연도
2019
총페이지
xi, 92장
키워드
레이더 주파수 변조 연속파 위상 고정 루프 클래스-C 전압 제어 발진기 저잡음 증폭기 완전 통합 송수신기
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.