[논문]UHF 대역 모바일 RFID 시스템에 적합한 저잡음 콜피츠 VCO 설계

노형환; 박경태; 박준석; 조홍구; 김형준; 김용운

doi:10.5515/kjkiees.2007.18.8.964

[국내논문] UHF 대역 모바일 RFID 시스템에 적합한 저잡음 콜피츠 VCO 설계
Design of Regulated Low Phase Noise Colpitts VCO for UHF Band Mobile RFID System 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.18 no.8 = no.123, 2007년, pp.964 - 969

노형환 (국민대학교 전자공학과) , 박경태 (국민대학교 전자공학과) , 박준석 (국민대학교 전자공학과) , 조홍구 (국민대학교 전자공학과) , 김형준 (한국전자통신연구원 표준연구센터) , 김용운 (한국전자통신연구원 표준연구센터)

초록
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본 논문에서는 모바일 RFID 시스템 환경을 제시하였고, 그 환경에 적합한 저 잡음 차동 콜피츠 전압 제어 발진기를 구현하였다. 밀집 리더 환경에 맞춘 전압 제어 발진기는 $0.35{\mu}m$ 공정을 사용하였고, 주파수 범위는 RFID 주파수 범위인 $860{\sim}960 MHz$를 포함시킬 수 있도록 $1.55{sim}2.053 GHz$로 설계하였다. 2분주기 출력에서 측정한 위상 잡음은 오프셋 주파수가 40 kHz일 때 -106 dBc/Hz로 측정되었고, 1MHz일 때에는 -135 dBc/Hz로 측정되었다. 5 비트의 디지털 튜닝을 이용하여 낮은 발진기 이득(<45 MHz/V)을 갖게 하여 주파수 합성기에서의 위상 잡음 특성을 좋게 하였다. 설계한 차동 콜피츠 발진기의 FOM은 1.93 dB로 타 2 GHz 대역의 발진기들 보다 높게 측정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A regulated low phase noise differential colpitts VCO(Voltage Controlled Oscillator) for mobile RFID system is presented. The differential colpitts VCO meets the dense reader environment specifications. The VCO use a $0.35{\mu}m$ technology and achieves tuning range $1.55{sim}2.053 GHz$. Measuring 910 MHz frequency divider output, phase noise performance is -106 dBcMz and -135dBc/Hz at 40 kHz and 1MHz offset, respectively. 5-bit digital coarse-tuning and accumulation type MOS varactors allow for 28.2% tuning range, which is required to cover the LO frequency range of a UHF Mobile RFID system, Optimum design techniques ensure low VCO gain(<45 MHz/V) for good interoperability with the frequency synthesizer. To the author' knowledge, this differential colpitts VCO achieves a figure of merit(FOM) of 1.93dB at 2-GHz band.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 실제 모바일 RFID 환경에 맞게 리더와 태그와의 거리가 1 m일 때 밀집 리더 환경의 위상 잡음 조건을 제시하고 EPCglobal RFID 규격에 맞고 모바일 환경에 적용시킬 수 있는 차동 콜피츠전압 제어 발진기를 설계하였다山.

제안 방법

거의 같은 전압 크기를 인가해줄 때, NM0S의 최소 잡음 계수 (minimum noise figure)가 PMOS보다 크기 때문이다 [81. 그런 이유로 W와 1俨, 1俨 영역에서 위상 잡음을 최적 조건으로 맞추기 위해 PMOS만을 이용하여 전압 제어 발진기를 설계했다.
제안한 차동 콜피츠 전압 제어 발진기(그림 2) 는두 개의 싱글 콜피츠 발진기를 대칭으로 연결하여우 모드 발진을 억압시키고 기 모드 발진을 하는 구조로 구현하였다. 궤환 커패시터(Ce)는 부성 컨덕턴스를 제공해 준다.
궤환 커패시터(Ce)는 부성 컨덕턴스를 제공해 준다. 그리고 공통 모드 잡음을 줄이기 위해 전압 제어 발진기의 전원을 조절해 주었다. 레귤레이터의 기준 전압 匕寸는 八方邳四와 같다.
일반적으로 전압 제어 발진기의 위상 잡음은 온도가 올라감에 따라 LC 탱크의 부하 품질 계수가 줄어 들어 저하된다. 그 문제점을 해결하기 위해 레귤레이터를 사용하여 온도가 높아질 때 발진기의 전원을 키워줌으로써 전체 전류를 상승 시켜 보상해 주었다.
그러나 전압 제어 발진기의 주파수 조정 범위는 발진기 이득과 비례한다. UHF RFID 주파수 대역 860~960 MHz을 만족하면서 발진기 이득을 낮게 하기 위해 5개의 디지털 비트를 사용하여 단계적으로 주파수를 변화시켜 주었다. 그리고 능동 소자 전류 원에 의해 생기는 플리커 잡음이 전체 플리커 잡음 중에서 거의 대부분을 차지하기 때문에 전류원 소자로 저 항과 PMOS 스위치를 이용하여 플리커 잡음 원을 원천적으로 제거해 주어 위상 잡음 특성을 향상시켜주었다.
UHF RFID 주파수 대역 860~960 MHz을 만족하면서 발진기 이득을 낮게 하기 위해 5개의 디지털 비트를 사용하여 단계적으로 주파수를 변화시켜 주었다. 그리고 능동 소자 전류 원에 의해 생기는 플리커 잡음이 전체 플리커 잡음 중에서 거의 대부분을 차지하기 때문에 전류원 소자로 저 항과 PMOS 스위치를 이용하여 플리커 잡음 원을 원천적으로 제거해 주어 위상 잡음 특성을 향상시켜주었다.
제작한 차동 콜피츠 발진기는 RFID 특징에 맞게 100 kHz 이니의 위상 잡음의 최소화에 중점을 갖고 설계하였다. 측정값은 -115.
본 논문에서 제안한 전압 제어 발진기는 능동 소자 전류원을 수동 저항으로 대치하여 가장 큰 잡음 원을 제거하였다. 게다가, 발진기의 능동 소자를 PM-OS만으로 설계하였고, 5 비트의 디지털 제어를 통해 Kyco를 줄여 위상 잡음 성능을 향상시켰다.
제거하였다. 게다가, 발진기의 능동 소자를 PM-OS만으로 설계하였고, 5 비트의 디지털 제어를 통해 Kyco를 줄여 위상 잡음 성능을 향상시켰다. 그리고 PTAT을 이용한 레귤레이터를 집적하여 온도 변화와 발진기 전원 잡음에 대해 안정하도록 설계하여 40 kHz 오프셋에서의 위상 잡음을 모바일 RFID 시스템에 적용할 수 있도록 하였다.
게다가, 발진기의 능동 소자를 PM-OS만으로 설계하였고, 5 비트의 디지털 제어를 통해 Kyco를 줄여 위상 잡음 성능을 향상시켰다. 그리고 PTAT을 이용한 레귤레이터를 집적하여 온도 변화와 발진기 전원 잡음에 대해 안정하도록 설계하여 40 kHz 오프셋에서의 위상 잡음을 모바일 RFID 시스템에 적용할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

본 논문에서 설계한 발진기는 3 V 전원에 7 mA의 전류를 이용하고, 그림 3과 같이 650x850 佝수 크기로 설계하였다. 발진 주파수는 1.

이론/모형

이때 하나의 리더 셀을 정육면체로 가정하면 그 셀을 중심으로 6개의 다른 리더 셀이 인접하게 되는데, 리더의 태그 인식 거리를 1미터로 목표를 잡고 있기 때문에 중심 셀과 인접 셀까지의 거리는 2미터 정도가 될 것이다. 각 셀은 15개의 서로 다른 채널을 가지고 있고, 사용자는 LBT(Listen Before Talk) 방법으로 채널을 선택한다. [1].
높은 FOM을 가진다. FOM(Figure of Merit) 기본 식인 식 (3)을 이용하여 FOM을 구하였다[4].

성능/효과

본 논문의 성능은 제시된 구지"図와 비교하였을 때 높은 FOM을 가진다. FOM(Figure of Merit) 기본 식인 식 (3)을 이용하여 FOM을 구하였다[4].
측정한 결과 값으로는 1.545-2.053 GHz의 주파수 튜닝 범위가 측정되었다. 그리고 측정된 콜피츠발진기의 위상 잡음은 전류가 7 mA이고 주파수 디지털 비트가 VCO_VC=10, 000일 때 -106 dBc/Hz @ 40 kHz, -115 dBc/Hz @ 100 kHz, -136 dBc/Hz @ 1 MHz로 측정되어 제한된 모바일 RFID 위상 잡음 특성에 적용할 수 있음을 보였다.
053 GHz의 주파수 튜닝 범위가 측정되었다. 그리고 측정된 콜피츠발진기의 위상 잡음은 전류가 7 mA이고 주파수 디지털 비트가 VCO_VC=10, 000일 때 -106 dBc/Hz @ 40 kHz, -115 dBc/Hz @ 100 kHz, -136 dBc/Hz @ 1 MHz로 측정되어 제한된 모바일 RFID 위상 잡음 특성에 적용할 수 있음을 보였다. 그림 6에 측정된 위상 잡음을 나타내었다.

참고문헌 (9)

EPCglobal EPCTM Radio-Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UFH RFID Protocol for Communications at 860-960 MHz Version 1.0.7 Hz
D. Ham, A. Hajimiri, 'Concepts and methods of optimization of integrated LC VCOs', IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 36, pp. 896-909, Jun. 2001

상세보기
B. De Muer, N. Itoh, M. Borremans, and M. Steyaert, 'A 1.8 GHz highly-tunable low phase-noise CMOS VCO', IEEE Custom Integrated Circuits Conf., pp. 585-558, 2000
Alex D. Berny, Ali Mm Niknejad, and Robert G. Meyrt, 'A wideband low phase noise CMOS VCO', IEEE CICC, pp. 555-558, 2003
Ping-Wing Lai, Lazlo Dobos, and Stephen Long, 'A 2.4 GHz SiGe low phase-noise VCO using on chip tapped inductor', IEEE, ESSIRC, pp. 505-508, 2003
Yue Wu, Vladimir Aparin, 'A monolithic low phase noise 1.7 GHz CMOS VCO for Zero-IF cellular CDMA receivers', IEEE, ISSCC, pp. 396-397, 2004
J. Bhattacharjee, D. Mukherjeee, E. Gebara, E. Nuttinck, and J. Laskar, 'A 5.8 GHz fully integrated low power low phase noise CMOS LC VCO for WLAN applications', IEEE RFIC Symp., pp. 585- 558, 2002
S. Levantino, et al., 'Frequency dependence on bias current in 5-GHz CMOS VCOs: Impact on tuning range and flicker noise upconversion', IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 37, pp. 1003-1011, Aug. 2002

상세보기
J. Kucera, 'Wideband BiCMOS VCO for GSM/ UMTS direct conversion receivers', ISSCC Dig. Tech. Paper, pp. 374-375, 2001

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