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[국내논문] I/Q 오차 보정 회로를 갖는 2.5GHz Quadrature LC VCO 설계
Design of a 2.5GHz Quadrature LC VCO with an I/Q Mismatch Compensator 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. SD, 반도체, v.48 no.2 = no.404, 2011년, pp.35 - 43  

변상진 (동국대학교 전자전기공학부) ,  심재훈 (경북대학교 전자공학부)

초록
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본 논문에서는 Quadrature LC VCO(Voltage controlled oscillator)의 I/Q 오차를 분석하고, 그 분석된 결과를 이용하여 I/Q 오차 보정 회로를 제안한다. 제안된 I/Q 오차 보정 회로는 높은 주파수 대역폭을 요구하는 위상 오차 검출기를 사용하는 대신에 낮은 주파수 대역폭으로도 동작이 가능한 진폭 오차 검출기를 사용한다. 제안된 I/Q 오차 보정 회로의 검증을 위하여 2.5GHz Quadrature LC VCO가 $0.18{\mu}m$ CMOS 공정으로 제작 및 측정되었다. 측정결과 제안된 진폭 오차 검출기를 사용해도 기존의 위상 오차 검출기는 사용하는 경우들과 유사한 I/Q 오차 보정 성능을 얻을 수 있음을 확인하였다. 본 I/Q 오차 보정 회로는 1.8V 전원 전압에서 0.4mA 전류를 소모하며, 차지하는 칩 면적은 $0.04mm^2$이다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, an analysis on I/Q mismatch characteristics of a quadrature LC VCO(Voltage controlled oscillator) is presented. Based on this analysis, a new I/Q mismatch compensator is proposed. The proposed I/Q mismatch compensator utilizes an amplitude mismatch detector rather than the conventiona...

Keyword

#LC VCO   #CMOS   #I/Q mismatch  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 특히 I/Q 직교 신호의 오차 특성을 분석하고, 그에 따른 I/Q 오차 보정 회로를 제안 및 설계한다. 이미 Quadrature LC VCO의 I/Q 직교 신호의 오차 특성을 분석한 몇 편의 훌륭한 논문들이 발표된 바 있다[4～6].
  • 하지만, 위상 오차와 진폭 오차간의 상관 관계를 주목하고 분석하지는 않은 한계가 있다. 본 논문은 기존의 논문들과 다르게 Quadrature LC VCO의 위상 오차와 진폭 오차간의 상관 관계를 주목하고, 그 관계를 분석하는 차이점이 있다. 덧붙여, 본 논문은 LC VCO가 전압 제한 영역 및 전류 제한 영역으로 두 가지 동작 영역을 가지고 있으며, 각 동작 영역에 따라서 서로 매우 다른 동작 특성을 보인다는 사실을 고려하였다[7].
  • 본 논문에서는 다양한 유무선 통신 및 데이터 송수신 시스템에서 유용하게 사용되는 Quadrautre LC VCO의 I/Q 오차를 분석하고, 분석된 결과를 바탕으로 진폭 오차 검출기를 이용한 I/Q 오차 보정 회로를 제안하였다. 제안된 회로는 2.

가설 설정

  • 본 논문은 기존의 논문들과 다르게 Quadrature LC VCO의 위상 오차와 진폭 오차간의 상관 관계를 주목하고, 그 관계를 분석하는 차이점이 있다. 덧붙여, 본 논문은 LC VCO가 전압 제한 영역 및 전류 제한 영역으로 두 가지 동작 영역을 가지고 있으며, 각 동작 영역에 따라서 서로 매우 다른 동작 특성을 보인다는 사실을 고려하였다[7]. 본 논문의 I/Q 오차 분석은 LC 오실레이터 내부의 전류 신호와 전압 신호가 보다 적은 왜곡을 갖고, 따라서 Quadrature LC VCO의 위상 오차와 진폭 오차가 보다 명확한 상관 관계를 갖고 있는 전류 제한 영역으로 한정하였다.
  • 첫째, R1과 R2의 오차는 무시한다. 실제적으로 L과 C 오차는 R 오차보다 Q 팩터(quality factor) 만큼 I/Q 오차에 더 영향을 미친다[6].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Quadrature LC VCO가 사용되는 전체 송수신 시스템의 성능에 직접적인 영향을 미치는 것은? 이러한 Quadrature LC VCO는 서로 90⁰ 차이 나는 I/Q 직교 신호를 발생할 수 있다는 장점을 갖고 있을 뿐만 아니라, 두 개의 LC VCO를 사용함으로써 밴드 패스 필터링 효과에 의하여 보다 나은 위상 잡음 특성을 갖는 장점이 있는 유용한 회로이다[3]. Quadrature LC VCO가 제공하는 위상 잡음 특성과 I/Q 직교 신호의 정확성은 Quadrature LC VCO가 사용되는 전체 송수신 시스템의 성능에 직접적인 영향을 미치므로 Quadrature LC VCO를 설계할 때에는 위상 잡음 특성과 I/Q 직교 신호의 오차 특성을 함께 고려하여야 한다.
Quadrature LC VCO의 장점은? 일반적으로 Quadrature LC VCO(Voltage controlled oscillator)는 다양한 유무선 통신 및 데이터 송수신 회로들에서 폭넓게 사용되고 있다[1～2]. 이러한 Quadrature LC VCO는 서로 90⁰ 차이 나는 I/Q 직교 신호를 발생할 수 있다는 장점을 갖고 있을 뿐만 아니라, 두 개의 LC VCO를 사용함으로써 밴드 패스 필터링 효과에 의하여 보다 나은 위상 잡음 특성을 갖는 장점이 있는 유용한 회로이다[3]. Quadrature LC VCO가 제공하는 위상 잡음 특성과 I/Q 직교 신호의 정확성은 Quadrature LC VCO가 사용되는 전체 송수신 시스템의 성능에 직접적인 영향을 미치므로 Quadrature LC VCO를 설계할 때에는 위상 잡음 특성과 I/Q 직교 신호의 오차 특성을 함께 고려하여야 한다.
일반적인 Quadrature LC VCO의 회로도는 어떻게 구성되는가? 그림 1은 일반적인 Quadrature LC VCO의 회로도및 선형화 된 모델이다. Quadrature LC VCO는 두 개의 동일한 LC 오실레이터로 구성되며, 각 LC 오실레이터는 다시 동일한 인덕터, 캐패시터, 네가티브 트랜스 콘덕터와 커플링 트랜스 콘덕터로 구성된다. 이들 구성 소자와 각 소자에 흐르는 전류는 그림 1(b)와 같이 선형화하여 나타낼 수 있다.
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참고문헌 (9)

  1. A. Rofougaran, G. Chang, J. J. Rael, J. Y.-C. Chang, M. Rofougaran, P. J. Chang, M. Djafari, M.-K. Ku, E. W. Roth, A. A. Abidi and H. Samueli, "A single-chip 900-MHz spreadspectrum wireless transceiver in 1- $\mu$ m CMOSPart I: architecture and transmitter design," IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 33, no. 4, pp. 515-534, Apr. 1998. 

  2. J. E. Rogers and J. R. Long, "A 10-Gb/s CDR/DEMUX with LC delay line VCO in 0.18- $\mu$ m CMOS," IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 37, no. 12, pp. 1781-1789, Dec. 2002. 

  3. J. J. Kim and B. Kim, "A low-phase noise CMOS LC oscillator with a ring structure," in IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC) Dig. Tech. Papers, pp. 430-431, San Francisco, CA, USA, Feb. 2000. 

  4. A. Mirzaei, M. E. Heidari, R. Bagheri, S. Chehrazi and A. A. Abidi, "The quadrature LC oscillator: a complete portrait based on injection locking," IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 42, no. 9, pp. 1916-1932, Sep. 2007. 

    상세보기 crossref

  5. L. Romano, S. Levantino, C. Samori and A. L. Lacaita, "Multiphase LC oscillators," IEEE Trans. Circuits Syst. I , vol. 53, no. 7, pp. 1579-1588, Jul. 2006. 

    상세보기 crossref

  6. A. Mazzanti, F. Svelto and P. Andreani, "On the amplitude and phase errors of quadrature LC-tank CMOS oscillators," IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 41, no. 6, pp. 1305-1313, Jun. 2006. 

  7. A. Hajimiri and T. H. Lee, "Design issues in CMOS differential LC oscillators," IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 34, no. 5, pp. 717-724, May. 1999. 

  8. H. K. Ahn, I.-C. Park and B. Kim, "A 5-GHz self-calibrated I/Q clock generator using a quadrature LC-VCO," in Proc. IEEE Int. Symp. Circuits and Systems(ISCAS), vol. 1, pp.797-800, May 2003. 

  9. A. Y. Valero-Lopez, S. T. Moon and E. Sanchez-Sinencio, "Self-calibrated quadrature generator for WLAN multistandard frequency synthesizer," IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 41, no. 5, pp. 1031-1041, May 2006. 

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