[논문]SONET 통신 시스템을 위한 <tex>$8{\\sim}10.9$</tex> GHz 저 위상 잡음과 넓은 튜닝 범위를 갖는 새로운 구조의 LC VCO 설계

김성훈; 조효문; 조상복

SONET 통신 시스템을 위한 $8{\\sim}10.9$ GHz 저 위상 잡음과 넓은 튜닝 범위를 갖는 새로운 구조의 LC VCO 설계
[ $8{\\sim}10.9$ ]-GHz-Band New LC Oscillator with Low Phase-Noise and Wide Tuning Range for SONET communication 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. SD, 반도체, v.45 no.1 = no.367, 2008년, pp.50 - 55

김성훈 (울산대학교 전기전자시스템공학과) , 조효문 (울산대학교 전기전자시스템공학과) , 조상복 (울산대학교 전기전자시스템공학과)

초록
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본 논문에서는 $0.35-{\mu}m$ CMOS 공정을 이용 $8{\sim}10.9$ GHz 밴드를 갖는 새로운 구조의 LC VCO를 설계 제안하였다. 이 회로 구성은 LC 탱크 기반의 전형적인 NMOS, PMOS cross-coupled 쌍을 병렬로 구성한 새로운 구조로 상보적인 NMOS와 PMOS 꼬리 전류와 같은 MOS cross-coupled쌍과 출력 버퍼로 구성하였다. 본 논문에서 제시한 구조로 설계된 LC VCO는 8GHz에서 10.9GHz까지로 29%의 증가된 튜닝 범위와 6.48mV의 낮은 전력소모를 가지는 것을 확인하였고 이의 core size는 $270{\mu}m{\times}340{\mu}m$, 시뮬레이션을 통한 VCO의 위상잡음은 1MHz와 10MHz offset에서 각각 -117dBc/Hz와 -137dBc/Hz이다. FOM은 10GHz의 중심 주파수으로 부터 1MHz offset에서 -189dBc/Hz를 가진다. 제안한 설계방법은 10Gb/s급의 클럭과 데이터 복원회로 그리고 SONET 통신응용에 매우 유용하다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, New LC VCO with $8{\sim}10.9$ GHz Band has been designed using commercial $0.35-{\mu}m$ CMOS technology. This proposed circuit is consisted of the parallel construction of the typical NMOS and PMOS cross-coupled pair which is based on the LC tank, MOS cross-coupled pair which has same tail current of complementary NMOS and PMOS, and output buffer. The designed LC VCO, which is according to proposed structure in this paper, takes a 29% improvement of the wide tuning range as 8 GHz to 10.9 GHz, and a 6.48mW of low power dissipation. Its core size is $270{\mu}m{\times}340{\mu}m$ and its phase noise is as -117dBc Hz and -137dBc Hz at 1-MHz and 10-MHz offset, respectively. FOM of the new proposed LC VCO gets -189dBc/Hz at a 1-MHz offset from a 10GHz center frequency. This design is very useful for the 10Gb/s clock generator and data recovery integrated circuit(IC) and SONET communication applications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Mum과 Mt/의 전류 원으로 PMOS를 사용한 것은 PMOS가 NMOS보다 플리커 노이즈가 적기 때문이며, 캐패시터 Ctaile tail 전류 원으로 사용하는 PMOS 트랜지스터의 고주파 성분이 발진 노드에 영향을 미치는 것을 억제하기 위해 삽입하였다.
본 논문에서는 0.35-/jm CMOS 공정을 이용하여 기존의 cross-coupled LC VCO 방식에서 NMOS cross- coupled와 active load 기술을 적용하여 넓은 tuning 범위와 낮은 위상잡음을 갖는 새로운 LC VCO를 설계 구조를 제안하고 설계하였다. 제안하는 LC VCO는 8GHz ~ 109GHz까지 29 %의 튜닝 범위를 가지며 위상잡음 특성은 Spectre-RF를 이용하여 시뮬레이션 한 것으로, 10GHz 의 주파수로 발진할 때 1MHz와 10MHz 각각의 오프셋 주파수에서 -117dBc/Hz와 -137dBc/Hz의 위상잡음 특성을 가진다.
본 논문에서는 기존의 상보 cross-coupled LC VCO 방식에 전력소모와 위상 잡음 및 튜닝범위와의 trade -off 관계를 개선하기 위해 NMOS cross-coupled와 PMOS active load 기술을 적용하여 SONET 통신시스템의 CDR 웅용에 가능하면서 기존의 방식보다 넓은 tuning 범위와 낮은 위상잡음을 갖는 새로운 구조의 LC VCO의 설계 기법을 제안한다.

제안 방법

LC VCO의 튜닝 범위는 버랙터 커패시터를 칩 위에 만들 경우 커패시턴스의 공정 오차와 인덕터 및 MOS 트랜지스터의 기생 커패시턴스 값을 감안하여 넓은 튜닝 범위의 LC VCO를 설계하였다. 그림 6에서와 같이 제안하는 LC VCO는 8GHz~ 10.
2GHz가 출력이 된다. 그것을 확인한 다음 VCO 입력 단에 전압 원을 달아서 0V부터 VDD인 3.3V를 입력 및 변화시키면서 그때마다 나온 주기를 측정하여 그래프를 그리면 VCO Gain 곡선이 나온다. Coner Simulation시 최악의 사태를 확인하기 위하여 Supply Voltage도 함께 변화 시키면서 동작을 시켰기 때문에 VCO Gain의 특성 곡선이 Fast Type, Typical Type, Slow Type 때마다 다르다.
그림 3과 같은 구조는 LC tank의 손실성분을 보상하기 위해 NMOS 래치 (Ml, M2) 와 PMOS 래치 (M3, M4)를연결하여 전류를 재사용하도록 구성하여 전력 소모 대비 위상 잡음 특성이 개선되도록 하였다.
또한 제안하는 구조는 다른 구조에 비해 같은 전력 소모에서 발진 스윙 전압 크기가 크고, 전원 노이즈 및 기판 노이즈의 영향이 적고, 발진 파형의 상승 시간과 하강시간의 대칭성이 뛰어나 tail 전류 원으로 사용하는 트랜지스터의 플리커 노이즈의 영향 또한 적은 구조로 널리 사용되는 방식을 기반으로 하였다.
3V로 정한다. 또한 출력 버퍼는 LC VCO의 출력 단에 연결되어 게이트 로딩 효과에 의해 발진 주파수를 가변 시켜 원하는 특성을 얻을 수 있기 때문에, 가능한 작은 사이즈에 unit gain 이상을 가져 야 하므로 PMOS 보다 전달컨덕턴스가 큰 NMOS (M9, M10)를 사용하였고, 인덕터 (11, 12)는 임피던스 매칭을 위해 칩 외부로 설계하였다.
본 논문에서 제안하는 LC VCO구조는 기존의 cross-coupled LC VCO방식에 NMOS cross-coupled (M7, M8) 과 PMOS active load (M5, M6) 기술을 적용하여 넓은 tuning 범위와 낮은 위상잡음을 갖도록 설계하였다. 그림 3에서와 같이 PMOS 丁日와 NMOS TR을 대칭적으로 구현하면 Gm 이 같게 되어 위상 잡음을 줄일 수 있으며, varactor의 전압을 조절하여 주파수를 변화시킬 수 있다(3) 이와 같이 위상 잡음을 줄이기 위하여 VCO 출력의 진폭이 포화가 되는 동작 점을 맞춰 출력을 대칭적으로 유지하여 위상잡음 개선 특성을 보였다.
많이 사용하는 구조이다. 본 논문에서는 축적 모드 바렉터의 RF 모델을 제공하지 않기 때문에 Spectre RF 툴을 이용하여 PMOS의 L/W비를 변화시키면서 시뮬레이션 하였다.
35-/jm CMOS 공정을 이용하여 기존의 cross-coupled LC VCO 방식에서 NMOS cross- coupled와 active load 기술을 적용하여 넓은 tuning 범위와 낮은 위상잡음을 갖는 새로운 LC VCO를 설계 구조를 제안하고 설계하였다. 제안하는 LC VCO는 8GHz ~ 109GHz까지 29 %의 튜닝 범위를 가지며 위상잡음 특성은 Spectre-RF를 이용하여 시뮬레이션 한 것으로, 10GHz 의 주파수로 발진할 때 1MHz와 10MHz 각각의 오프셋 주파수에서 -117dBc/Hz와 -137dBc/Hz의 위상잡음 특성을 가진다. 기존의 다른 LC VCO와 비교하기 위하여 널리 사용되어지는 FOMe 10GHz 대역에서 -189dBc/Hz @1M田이다.
그림 3에서와 같이 PMOS 丁日와 NMOS TR을 대칭적으로 구현하면 Gm 이 같게 되어 위상 잡음을 줄일 수 있으며, varactor의 전압을 조절하여 주파수를 변화시킬 수 있다(3) 이와 같이 위상 잡음을 줄이기 위하여 VCO 출력의 진폭이 포화가 되는 동작 점을 맞춰 출력을 대칭적으로 유지하여 위상잡음 개선 특성을 보였다. 제안하는 LC VCO는 각각 다른 VDD1과 VDD 2로 구성된다.
제안하는 LC VCO의 인덕터는 spiral 인덕터를 사용하였고(3), 버랙터는 축적모드 varactor로서 PMOS 트랜지스터의 소스와 드레인 전극의 p+를 n+로 대체하여 만든다. 또한 n+ diffusion에 벌크를 연결하고 이에 제어 전압을 인가하면 게이트 밑에 공핍층이 생성되는데 이때 제어 전압을 변화시켜 커패시턴스를 변화시킨다.
제안하는 새로운 LC VCO는 Cadence 사의 Spectre -RF 툴을 이용하여 3.3V 공급전압, 외부전압 Ⅳ.
그 결과를 그림 4에 나타내었다. 축적 모드 varactor 에서 게이트 길이를 짧게하면 직렬 저항이 감소하므로 Q값이 높아져 위상 잡음 특성을 개선할 수 있는데 반해 튜닝범위가 좁아지기 때문에 사이즈를 정하는데 있어 튜닝 범위와 위상잡음에 영향을 미치는 Q값 사이의 trade-off의 관계를 고려하여 게이트의 길이를 결정하였다.

성능/효과

그림 3에서와 같이 PMOS 丁日와 NMOS TR을 대칭적으로 구현하면 Gm 이 같게 되어 위상 잡음을 줄일 수 있으며, varactor의 전압을 조절하여 주파수를 변화시킬 수 있다(3) 이와 같이 위상 잡음을 줄이기 위하여 VCO 출력의 진폭이 포화가 되는 동작 점을 맞춰 출력을 대칭적으로 유지하여 위상잡음 개선 특성을 보였다. 제안하는 LC VCO는 각각 다른 VDD1과 VDD 2로 구성된다.

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상세보기
Tae-young Choi; Hanil Lee; Katehi, L.P.B.; Mohammadi, S, 'A low phase noise 10 GHz VCO in 0.18 um CMOS process' Wireless Technology, 2005. The European Conference on, 273-276, 2005
T. P. Liu, 'A 1.5 V 10-12.5 GHz Integrated CMOS Oscillators,' IEEE Symposium on VLSI Circuits, pp. 55-56, 1999
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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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