[논문]UWB 응용을 위한 고주파 CMOS VCO 설계 및 제작

박봉혁; 이승식; 최상성

doi:10.5515/kjkiees.2007.18.2.213

초록
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본 논문에서는 CMOS 0.18 ${\mu}m$ 공정을 이용하여 DS-CDMA UWB용 고주파 VCO를 설계하고 제작하였다. 위상 잡음 특성을 좋게 하기 위해서 PMOS, NMOS 소자를 대칭으로 구성한 complementary cross-coupled LC 발진기 구조로 설계하였고, varactor를 이용하여 주파수를 조정하였다. 또한 전류원의 1/f 잡음 신호를 줄이기 위해 저항을 이용하여 전류원을 구성하였다. 스펙트림 분석기를 이용한 측정을 위해 칩 내부에 고속 동작을 위한 인버터 버퍼를 추가로 설계하였다. 제작한 VCO의 core size는 $340{\mu}m{\times}535{\mu}m$이고, 측정한 VCO의 위상 잡음은 1-MHz offset에서 -107 dBc/Hz의 특성을 나타내고, 주파수 조정 범위는 $7.09{\sim}7.52$ GHz의 특성을 보인다 Harmonic suppression은 32 dB, VCO core의 전류 소모는 1.8 V 공급 전압에서 2 mA의 저전력 소모를 나타내도록 설계하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose the design and fabrication on high frequency CMOS VCO for DS-UWB(Direct-Sequence Ultra-WideBand) applications using 0.18 ${\mu}m$ process. The complementary cross-coupled LC oscillator architecture which is composed of PMOS, NMOS symmetrically, is designed for im...

In this paper, we propose the design and fabrication on high frequency CMOS VCO for DS-UWB(Direct-Sequence Ultra-WideBand) applications using 0.18 ${\mu}m$ process. The complementary cross-coupled LC oscillator architecture which is composed of PMOS, NMOS symmetrically, is designed for improving the phase noise characteristic. The resistor is used instead of current source that reduce the 1/f noise of current source. The high-speed buffer is needed for measuring the output characteristic of VCO using spectrum analyzer, therefore the high-speed inverter buffer is designed with VCO. A fabricated core VCO size is $340{\mu}m{\times}535{\mu}m$. The VCO is tunable between 7.09 and 7.52 GHz and has a phase noise lower than -107 dBc/Hz at 1-MHz offset over entire tuning range. The measured harmonic suppression is 32 dB. The VCO core circuit draws 2.0 mA from a 1.8 V supply.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

UWB 시스템은 의무적으로 구현해야 하는 저 대역인 3~5 GHz 대역과 선택적으로 구현하는 고대 역인 6~10 GHz 대역으로 구분되는데, 현재 대부분의 개발 결과들은 저대역을 중심으로 이루어지고 있다. 고속 데이터 전송을 위한 UWB 시스템은 단 채널 특성을 가지는 DS-UWB(Direct-Sequence Ultra WideBand) 방식과 다채널 특성을 가지는 MB-OFDM (Multi Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식으로 구분되며, 본 논문에서는 DS-UWB 방식의 시스템에 적용 가능한 고주파 VCO의 설계 및 제작에 대해서 기술한다. DS-UWB 방식 시스템은 채널 대역폭이 3~5 GHz로 2 GHz 대역의 광대역 특성을 나타내므로 수신 입력시 많은 interferer가 들어오게 된다.

제안 방법

DS-UWB 시스템에서는 BPSK 변복조를 사용하기 때문에 송신에서는 단일 path로 설계하였고, 수신에서는 멀티패스 영향을 보상해 주기 위해서 I, Q path 로 구현하였다.
RF 송수신기는 구조가 간단하고 제작 비용도 적게 드는W 그림 1과 같은 직접 변환 방식 구조로 설계하였으며, 송수신 주파수와의 동일한 주파수 사용으로 인해 로컬쪽으로 유입되는 신호에 의한 pulling 영향을 줄이기 위해 동작 주파수의 두 배인 7.8 GHz 신호를 VCO에서 공급하도록 하였다. VCO에서 공급되는 신호를 2분주하여 I, Q 신호를 생성한다.
18 “m 공정을 이용하여 설계 및 제작하였다. VCO core 만의 설계 면적은 340 “mx535 “이이고, 전력 소모는 3.6 mW의 저전력으로 설계하였다. 향후 주파수 tuning 회로를 첨가하고, tank 회로의 인덕터 값을 줄여 기생 성분으로 인한 주파수 천이 현상을 해결해야 한다.
고주파 VCO의 측정용 버퍼는 고주파에서도 손실이 없이 동작을 잘 할 수 있도록 그림 4와 같이 인버터 형태의 버퍼를 설계하였다. 인버터 버퍼는 VCO 와 동일한 웨이퍼상에 구현하였다.
그런데 tank 신호의 크기는 와 같이 공급 전류에 비례하나 공급 전류가 크면 위상 잡음이 커지는 trade-off 관계에 있기 때문에 이를 고려하여 그림 2와 같이 대칭구조이면서 & 저항을 이용하여 바이어스를 조절할 수 있도록 설계하였다. 또한 Ri 저항은 보통의 current mirror의 Ilf 잡음을 없애 기위해서 current source를 구성 한다.
PMOS 와 NMOS 가 대칭으로 구성되어 부성 저항 성분이 2배가 되어 LC tank 회로에서 발생하는 손실을 현저히 줄일 수 있고, varactor Cl, C₂의 전압을 조절하여 주파수를 변화시킨다. 전류 원인 일반적인 능동 소자를 이용한 전류원 대신에 저항을 사용하여 전류원에서 발생하는 잡음 특성을 개선하였다. LC 발진기 구조는 고주파에서 저 위상 잡음 특성을 나타내고, 대칭 구조에 의해 소자의 成 잡음이 상향 주파수로 바뀌는 특성을 줄일 수 있다.

대상 데이터

Mi, 泌의 NMOS와 M3, M의 PMOS의 면적 비는 1:3으로 설계하였으며 NMOS의 면적은 50 “m, PMOS의 면적은 150 “m 를 사용하였다. 3 인덕터는 대칭형 spiral 인덕터를 사용하였다.
또한 Ri 저항은 보통의 current mirror의 Ilf 잡음을 없애 기위해서 current source를 구성 한다. Mi, 泌의 NMOS와 M3, M의 PMOS의 면적 비는 1:3으로 설계하였으며 NMOS의 면적은 50 “m, PMOS의 면적은 150 “m 를 사용하였다. 3 인덕터는 대칭형 spiral 인덕터를 사용하였다.
본 논문에서는 DS-UWB용 고주파 VCO를 CMOS 0.18 “m 공정을 이용하여 설계 및 제작하였다. VCO core 만의 설계 면적은 340 “mx535 “이이고, 전력 소모는 3.

성능/효과

51 GHz, -1 dBm 정도의 신호 특성을 나타내며, 32 dBc 의 하모닉 suppression 특성을 나타낸다. 시뮬레이션 결과는 1.5 V 제어 전압에서 7.9 GHz의 특성을 나타내 었으나, 측정 결과는 400MHz 정도의 주파수 천이가 발생했고, 이는 시뮬레이션 시 고려되지 않은 기생 성분인 Cgd, C也, C容 에 의한 영향 때문이다.

후속연구

6 mW의 저전력으로 설계하였다. 향후 주파수 tuning 회로를 첨가하고, tank 회로의 인덕터 값을 줄여 기생 성분으로 인한 주파수 천이 현상을 해결해야 한다.

참고문헌 (9)

B. Razavi, RF Microelectronics, Prentice-Hall, 1998
Matt Welborn, DS-UWB Physical Layer Submission to 802.15 Task Group 3a, IEEE P802.15-04/r-00137r0
Ali. Hajimiri, Thomas H. Lee, 'Design issues in CMOS differential LC oscillators', IEEE Journal of Solid-state Circuits, vol. 34, no. 5, May 1999
A. Hajimiri, T. H. Lee, 'A general theory of phase noise in electrical oscillators', IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 33, pp. 179-194, Feb. 1998

상세보기
Peter Vancorenland, Michiel S. J. Steyaert, 'A 1.57-GHz fully integrated very low-phase-noise auadrature VCO', IEEE J. of Solid-State, vol. 37, no. 5, pp. 653-656, May 2002

상세보기
A. Ravi, K. Soumyanath, R. E. Bishop, B. A. Bloechel, and L. R. Carley, 'An optimally transformer coupled, 5 GHz quadrature VCO in a 0.18 ${\mu}m$ digital CMOS process', in Symp. VLSI Circuits Dig. Tech. Papers, pp. 141-144, Jun. 2003
D. Baek, T. Song, E. Yoon, and S. Hong, '8 GHz CMOS quadrature VCO using transformer-based LC tank', IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 13, no. 10, pp. 446-448, Oct. 2003

상세보기
N. J. Oh, S. G. Lee, '11-GHz CMOS differential VCO with back-gate transformer feedback', IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 15, no. 11, pp. 733-735, Nov. 2005

상세보기
Multi-band OFDM Physical Layer Proposal for IEEE802.15 Task Group 3a, IEEE P802.15-03/268r1

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