[논문]On-Chip 나선형 인덕터의 품질계수 향상을 통한 저잡음 RF 전치부 설계

고재형; 정효빈; 최진규; 김형석

문제 정의

PGS 구조가 있는 인덕터의 Q-factor를 목표로 정하여 Q-factor가 높을 수로 좋은 망대특성을 이용하여 Q-factor 의 최대치를 갖는 PGS 구조를 찾고자 하였다. 각 설계 인자는 각 세가지 수준 수를 갖도록 하였으며 고려된 설계 인자 및 수준 수에 따라 수행되어야 할 최소 실험 회수 조합을 L9(3‘)형 직교배열표를 사용하였다.
높은 이득을 얻을 수 있도록 한다. 또한 load단에 저항과 같이 커패시턴스를 포함하여 출력단의 고조파 성분을 제거하기 위해 RC filter를 사용하여 혼합기의 선형성을 높이고자 하였다. 또한 RF 단 MOS 의 bias current 를 LO switchling단을 거치지 않고 높일 수 있으므로 역시 Mixer의 이득을 높일 수 있다.
본 논문에서는 TSMC 0.18/zm 공정으로 Cascode LNA에사용되 는 인덕터 에 PGS를 삽입 하여 LNA의 입력 회 로 Q-factor를 향상에 대해 연구하고 Current Bleeding 기법을 적용한 직접변환 방식의 Mixer를 설계하여 전체 RF Receiver Front-End의 주요 특성 및 잡음 지수 향상에 대한 연구를 하였다.

제안 방법

또한 RF 단 MOS 의 bias current 를 LO switchling단을 거치지 않고 높일 수 있으므로 역시 Mixer의 이득을 높일 수 있다. 혼합기의 flicker noise를 줄이기 위해 switchling단의 트랜지스터의 크기가 커짐으로 인해 회로에서 영향이 커진 switching단의 트랜지스터의 기생 커패시터의 영향을 줄이기 위해 "과, L2를 연결하였다.
사용한다. Cascode 구조에서 인덕터를 사용한 series feedback을 통해, 입력 매칭과 노이즈 매칭을 동시에 만족시키는 simultaneous noise and input matching(SNIM) 방법을 사용하여 LNA를 설계하였다 .[4]
Mixer는 Gilbert cell구조인 이중평형 형태를 기본 구조로 설계 하였다. Gilbert cell구조의 혼합기는 RF 신호와 LO 신호를 차동으로 동작 시키고 RF, LO 및 IF 신호포트들이 서로 분리되어 있기 때문에 각 포트간의 격리도가 좋으며, 위상차에 의해서 짝수차수 고조파 성분이 상쇄되기 때문에 각종 스퓨리어스나 고조파 발생이 억제된다.
Mixer와 LNA를 각각 설계한 후 두 회로를 B&hm을 연결하여 LNA-Mixer를 시뮬레이션 하였다 Mixer의 LO입력단역시 : Bahm을 연결하여 단일의 LO신호가 Balun< 통해 Balanced되어 Mixer로 입력 되도록 구성하였다, 본 연구를 통해 설계한 LNA-Mixer의 Schematic을 그럼 18에 나타내었다.
낮은 주파수에서는 strip 넓이 (C)가 많은 영향을 주나 주파수가 증가하면서 PGS 높이(A)가 Q-factoir와 인덕턴스에 많은 영향을 주는 것을 확인 할 수 있었다. PGS를 삽입함으로써 Q-factor 향상을 크게 하면서 인덕턴스 감소가 적은 구조의 PGS를 찾아 EM 시뮬레이션을 통해 넓은 주파수 대역에서도 일정한 영향을 주는 구조를 찾았다.
PGS를 적용한 인덕터의 결과를 ADS 프로그램을 이용하여 LNA에 적용하여 시뮬레이션을 하였다.
찾기 위해 다구찌 실험 계획법을 사용하였다. 다구찌 실험 계획법을 통해 인자 별 백분 기여율과 설계 인자 및 수준별 설계 민감도를 분석하였다. 낮은 주파수에서는 strip 넓이 (C)가 많은 영향을 주나 주파수가 증가하면서 PGS 높이(A)가 Q-factoir와 인덕턴스에 많은 영향을 주는 것을 확인 할 수 있었다.
또한 LNA 뒷단에 붙일 Mixer> 설계를 한 뒤 이를 결합하기 위해 외부 발룬을 통하여 전체적인 Front-End를 구성하였다. 기존의 Front-End 구조에 비해 설계된 PGS 구조를 적용한 Front-End의 잡음지수가 0.
본 논문에서는 Mixer를 직접 변환 방식으로 설계를 하였다. Mixer를 직접 변환 방식으로 설계 할 경우 M 0S에서 생성되는 고유잡음인 Flicker noise특성이 주요 고려사항이 된다.
본 연구에서 사용되는 PGS 구조 설계 인자를 그림 7과같이 PGS의 삽입 위치인 나선형 PGS의 위치(A)와 나선형 인덕터에 의한 image current를 감소시키기 위한 slot 간격 (B) 및 나선형 인덕터에서 형성되는 전기장을 차단시키기위한 strip 넓이 (C)와 함께 중앙 strip 넓이 (D)로 인자를 결정하여 다구찌법을 이용하여 PGS 구조에 대해 연구하였다.
설계한 LNA-Mixer 의 One chip 제작을 위해 TSMC 0, 18um공정을 이용하여 레이아웃 하였다, 레이아웃 시 시뮬레이션 실험결과와 측정결과의 차이를 줄이기 위해. 기생소자를 최대한 고려하여 레이아웃 하였다' Layout를 한 후 테스트 환경을 그림 20에 나타내었다.
성능 결정 요소이다. 설계한 Mixer의 선형성을 보기 위해 2-tone Simulation을 하였다. Simulation 결과 혼합기의 IIP3는 약 -3.
설계한 PGS 구조를 시스템 전체 잡음지수에 영향을 미치는 LNA의 입력 매칭부 인덕터에 삽입하여 시뮬레이션 하였다. 또한 LNA 뒷단에 붙일 Mixer> 설계를 한 뒤 이를 결합하기 위해 외부 발룬을 통하여 전체적인 Front-End를 구성하였다.
앞서 기술한 SNIM 방식을 이용하여 2.45GHz 대역의 단일 대역 LNA를 설계하였다.
회로 설계 후, 성능이 최적화되는 소자 값들을 찾았다. 완성된 회로의 시뮬레이션 결과를 그림 3와 4에 나타내었다.

이론/모형

최대치를 갖는 PGS 구조를 찾고자 하였다. 각 설계 인자는 각 세가지 수준 수를 갖도록 하였으며 고려된 설계 인자 및 수준 수에 따라 수행되어야 할 최소 실험 회수 조합을 L9(3‘)형 직교배열표를 사용하였다. 모의 시험 조합에 따라 2.
본 연구에서 나선형 인덕터에 삽입되는 PGS로 인해 Q-factor와 인덕턴스를 향상시키기 위해 최적의 PGS 구조를 찾기 위해 다구찌 실험 계획법을 사용하였다. 다구찌 실험 계획법을 통해 인자 별 백분 기여율과 설계 인자 및 수준별 설계 민감도를 분석하였다.
또한 noise 전류는 bias 전류에 비례하고 혼합기의 flicker noise는 switching단의 영향을 많이 받으므로 switching단의 bias cuirent를 줄여야 할 필요가 있다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 CMOS를 이용한 current bleeding 기법을 이용하여 Mixer를 설계하였다. 그림 13은 Current Bleeding기법을 적용한 직접변환 방식의 Mixer 회로도를 나타내었다.

성능/효과

488dB가 나왔다. 그리고 같은 조건에서 PGS구조가 결합된 LNA -Mixer의 시뮬레이션 결과 Gaine 20.47dB의 결과를 보였으며 NF 결과 2.423dB로 0X)6정도의 향상된 결과를 볼 쑤 있었다. 그림 19에 두 회로의 DSB Noise figure특성을 비교 하였다.
또한 LNA 뒷단에 붙일 Mixer> 설계를 한 뒤 이를 결합하기 위해 외부 발룬을 통하여 전체적인 Front-End를 구성하였다. 기존의 Front-End 구조에 비해 설계된 PGS 구조를 적용한 Front-End의 잡음지수가 0.06dB의 향상된 결과를 볼 수 있다. 본 논문에서 설계된 PGS 기법을 향후 RFIC 설계에 있어 RF 수신부의 중요한 특성인 잡음 지수향상에 기여를 할 수 있을 것으로 사료된다.
다구찌 실험 계획법을 통해 인자 별 백분 기여율과 설계 인자 및 수준별 설계 민감도를 분석하였다. 낮은 주파수에서는 strip 넓이 (C)가 많은 영향을 주나 주파수가 증가하면서 PGS 높이(A)가 Q-factoir와 인덕턴스에 많은 영향을 주는 것을 확인 할 수 있었다. PGS를 삽입함으로써 Q-factor 향상을 크게 하면서 인덕턴스 감소가 적은 구조의 PGS를 찾아 EM 시뮬레이션을 통해 넓은 주파수 대역에서도 일정한 영향을 주는 구조를 찾았다.

후속연구

06dB의 향상된 결과를 볼 수 있다. 본 논문에서 설계된 PGS 기법을 향후 RFIC 설계에 있어 RF 수신부의 중요한 특성인 잡음 지수향상에 기여를 할 수 있을 것으로 사료된다.

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