[논문]65 nm CMOS 공정을 이용한 77 GHz LNA 설계

김준영; 김성균; 김병성

doi:10.5515/kjkiees.2013.24.9.915

65 nm CMOS 공정을 이용한 77 GHz LNA 설계
A Design of 77 GHz LNA Using 65 nm CMOS Process 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.24 no.9, 2013년, pp.915 - 921

김준영 (성균관대학교 정보통신대학) , 김성균 (성균관대학교 정보통신대학) , (성균관대학교 정보통신대학) , 김병성 (성균관대학교 정보통신대학)

초록
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본 논문에서는 65 nm RF CMOS 공정을 이용한 차량 레이더용 77 GHz 저 잡음 증폭기의 설계 방법론 및 측정 결과를 제시한다. 설계한 LNA는 3단 공통소스 증폭단 구조이며, 전송선을 사용하여 입출력 임피던스 정합을 구현하였다. 3차원 전자기 시뮬레이션 시간을 단축하기 위해 전송선 EM 라이브러리를 사전에 구축하여 정합회로를 설계하였으며, 측정을 통해 제안 방법론의 정확성을 확인하였다. 제작한 저 잡음 증폭기의 최대 이득은 77 GHz에서 10 dB, 입출력 반사 손실은 -10 dB 이하이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This work presents a 77 GHz low noise amplifier(LNA) for automotive radar systems using 65 nm RF CMOS process. The LNA is composed of three stage common source amplifiers and includes transmission line matching networks. To reduce the time for three dimensional EM simulation, we optimize the transmission line impedance matching network using a pre-built EM library. The proposed compact simulation technique is confirmed by measurement results. The peak gain of the LNA is 10 dB at 77 GHz and input/output return losses are below -10 dB around the design frequency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 77 GHz 저 잡음 증폭기의 설계 방법과 제작 결과를 제시하였다. 3단 공통소스 구조의 저 잡음 증폭기로 EM 라이브러리를 사용한 시뮬레이션을 통해 설계 및 최적화 시간을 효율적으로 줄이는 방법을 제시하였다.
본 논문에서는 CMOS 공정을 이용한 77 GHz 차량 레이더용 저 잡음 증폭기(LNA)의 설계 및 제작 결과를 제시한다. 논문의 구성은 다음과 같다.
본 논문에서는 일단 기본 전송선의 선로 파라미터를 구해 해석적 모델을 만들어 일차적으로 정합에 필요한 전송선 길이를 결정한다. 그러나 실제 레이아웃에서는 칩의 크기 등을 고려하여 굽은 선로 및 사형(serpentine) 구조의 레이아웃을 사용해야 하기 때문에 해석적 모델로는 그 특성을 정확히 예측할 수 없으므로 EM 시뮬레이션이 필수적이다.

제안 방법

192 μm의 전송선을 각각 길이 192 μm인 단일 전송선의 S파라미터 값과 길이 96 μm인 전송선의 S파라미터 값의 2단 직렬 연결한 것과 길이 48 μ m인 전송선의 S파라미터를 4단 직렬 연결한 결과와 비교하였다.
본 논문에서는 77 GHz 저 잡음 증폭기의 설계 방법과 제작 결과를 제시하였다. 3단 공통소스 구조의 저 잡음 증폭기로 EM 라이브러리를 사용한 시뮬레이션을 통해 설계 및 최적화 시간을 효율적으로 줄이는 방법을 제시하였다.
그러나 본 논문에서 사용한 65 nm 공정의 NMOS FET는 차단 주파수(ft) 가 150 GHz, 최대 가용 이득 주파수(fmax)가 220 GHz정도로, 소스 및 드레인 접합의 커패시턴스가 커 그림 1에서 알 수 있듯이 77 GHz에서는 공통 소스 증폭단이 캐스코드 증폭단보다 2 dB 높은 최대 가용 이득(Maximum Available Gain, MAG)를 갖는다. 따라서 본 논문에서는 공통 소스단을 증폭단으로 선택하였다. 아울러, 77 GHz에서 단일 공통 소스 증폭단이 제공하는 MAG가 5～6 dB에 불과하고, 정합 회로의 손실이 커 충분한 이득을 얻기 위해 3 단의 공통 소스 증폭단 구조로 설계하였다.
따라서 본 논문에서는 공통 소스단을 증폭단으로 선택하였다. 아울러, 77 GHz에서 단일 공통 소스 증폭단이 제공하는 MAG가 5～6 dB에 불과하고, 정합 회로의 손실이 커 충분한 이득을 얻기 위해 3 단의 공통 소스 증폭단 구조로 설계하였다. 시뮬레이션에서 사용한 소자의 폭은 24 μm이며, 게이트 바이어스는 0.
전송 선로의 길이가 길어질수록 EM 시뮬레이션 시간이 증가하기 때문에, 긴 전송선은 짧은 전송선의 EM 시뮬레이션 결과를 ABCD 파라미터로 변환하여 다단 접속해 특성을 예측하는 방법을 사용하였다. 이 방법의 타당성을 확인하기 위해 그림 3과 같이 긴 길이의 전송선을 짧은 길이의 전송선으로 다단 접속해 만들고, 동일한 설정으로 시뮬레이션 하였다. 192 μm의 전송선을 각각 길이 192 μm인 단일 전송선의 S파라미터 값과 길이 96 μm인 전송선의 S파라미터 값의 2단 직렬 연결한 것과 길이 48 μ m인 전송선의 S파라미터를 4단 직렬 연결한 결과와 비교하였다.
이때 모든 전송선을 직접 EM 시뮬레이션하는 대신 2장에서 설명한 EM 라이브러리 소자의 다단 접속 방법을 사용해 기 구축한 전송선 및 각종 기생 성분 회로를 붙여 시뮬레이션하여 설계 시간을 최소화하고 특성이 초기 설계 값에서 벗어날 경우 최소 길이 전송선 소자를 추가하거나 삭제하여 미세 조정을 수행하였다. 따라서 추가 레이아웃 및 EM 시뮬레이션 없이 소자 및 전송선의 길이를 변경하여 최적설계를 할 수 있으므로 회로 설계를 간소화 할 수 있다.
또한, 설계에 사용한 인덕터 L₁과 L₂는 각각 130 pH, 103 pH의 인덕턴스를 가지며, 두 인덕터의 Q값은 77 GHz에서 16～18이다. 입출력단의 정합은 이득의 중심 주파수에 크게 영향을 미치는 점을 고려하여 전송선 만으로 설계하였으며, 증폭단간 정합은 인덕터 L₁과 L₂와 전송선 TLIN4, TLIN5과 TLIN6를 조합하여 정합 회로를 구성하였다. 인덕터는 게이트 바이어스용 회로로도 동작한다.
전송 선로의 길이가 길어질수록 EM 시뮬레이션 시간이 증가하기 때문에, 긴 전송선은 짧은 전송선의 EM 시뮬레이션 결과를 ABCD 파라미터로 변환하여 다단 접속해 특성을 예측하는 방법을 사용하였다. 이 방법의 타당성을 확인하기 위해 그림 3과 같이 긴 길이의 전송선을 짧은 길이의 전송선으로 다단 접속해 만들고, 동일한 설정으로 시뮬레이션 하였다.

대상 데이터

설계에 사용한 65 nm 공정은 하나의 폴리층과 8개의 금속 층을 제공하며, 최상위층은 3μm의 두께의 구리 금속 층으로 되어 있다.
설계에 사용한 전송선의 Z0는 약 32—j1.5[Ω]이며, 전송선은 TLIN1～TLIN6으로 길이는 각각 12 μm, 124 μm, 108 μm, 256 μm, 240 μm, 144 μm 이다.
시뮬레이션에서 사용한 소자의 폭은 24 μm이며, 게이트 바이어스는 0.9 V 드레인 바이어스는 1.2 V이다.
전송선은 GCPW (Grounded Coplanar Waveguide) 구조를 사용하였으며[9], 최하위 두 금속 층(M1 & M2)을 접지면으로 신호선은 최상위 구리 금속 층을 사용하였다 (그림 2).

이론/모형

이에 비해 인덕터를 사용한 정합 회로는 손실과 크기가 작은 반면, 전류 귀환 경로가 불확실에 레이아웃에 따라 인덕터 값이 영향을 많이 받는 문제점이 있어 공진 주파수를 정확히 맞추기 어려운 점이 발생한다. 본 설계에서는 입출력단의 정합 회로를 구성하는데 있어 입력 단에는 소자의 추출된 잡음 모델을 기반으로 NF(Noise Figure) contours를 이용한 잡음정합을 하였으며, 이후 틀어지는 내부단의 임피던스에 Conjugate 정합 기법을 사용하였다. 설계에 사용한 전송선의 Z₀는 약 32—j1.
시뮬레이션에 10 pH 정도의 인덕턴스를 추가할 경우, 측정값과 거의 유사한 이득이 나타남을 확인하였다. 칩의 측정은 on-wafer probing을 사용하였다. 잡음지수의 시뮬레이션 결과는 77 GHz에서 약 7.

성능/효과

일반적으로 낮은 GHz 대에서는 저 잡음 증폭기 구조로 캐스코드 증폭단이 가장 널리 사용되고 있다^[7],[8]. 그러나 본 논문에서 사용한 65 nm 공정의 NMOS FET는 차단 주파수(ft) 가 150 GHz, 최대 가용 이득 주파수(fmax)가 220 GHz정도로, 소스 및 드레인 접합의 커패시턴스가 커 그림 1에서 알 수 있듯이 77 GHz에서는 공통 소스 증폭단이 캐스코드 증폭단보다 2 dB 높은 최대 가용 이득(Maximum Available Gain, MAG)를 갖는다. 따라서 본 논문에서는 공통 소스단을 증폭단으로 선택하였다.
그림 4에서 보는 바와 같이 다단 접속을 통해서도 원 길이의 전송선 특성을 재현할 수 있음 확인할 수 있다. 그러나 시뮬레이션에서 입력 및 출력 포트를 설정할 때 포트가 밀접하게 배치되어 커플링될 가능성이 있기 때문에, 전송 선로 4개를 직렬 연결한 데이터는 약간의 편차가 나타남을 확인할 수 있다.
시뮬레이션 결과는 부하 조건 50 Ω에서 최대 전압 이득이 15 dB이며, 측정 결과는 77 GHz에서 최대 전압 이득 10 dB이다.
입출력 특성에서 공진 주파수의 변화가 거의 없고 반사 손실이 시뮬레이션과 유사함을 고려할 때 이득이 감소한 이유는 접지면의 귀환전류에 의해 형성되는 인덕턴스에 의한 degeneration 효과로 추정된다. 시뮬레이션에 10 pH 정도의 인덕턴스를 추가할 경우, 측정값과 거의 유사한 이득이 나타남을 확인하였다. 칩의 측정은 on-wafer probing을 사용하였다.
칩의 측정은 on-wafer probing을 사용하였다. 잡음지수의 시뮬레이션 결과는 77 GHz에서 약 7.8 dB이며, 측정 결과는 77 GHz에서 7.92 dB이다.

후속연구

차량용 레이더 시스템 개발은 짧은 거리를 감지하는 SRR과 긴 거리를 감지하는 LRR로 구분하여 진행되고 있다. SRR은 24 GHz 대역과 79 GHz 대역의 UWB 방식을 사용하였고, LRR은 77 GHz 대역의 FMCW 방식을 사용해 왔으나, 향후 SRR과 LRR을 통합한 하나의 레이더 시스템으로 구현되어 널리 사용될 전망이다^[2]. 특히, 77 GHz 주파수를 이용한 자동차 레이더 시스템은 차세대 안전장비 중 가장 핵심 시스템이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화합물 소자는 일부 고급 차량에만 장착되고 있는 이유는?	현재까지는 주로 화합물 반도체 소자를 이용해 77 GHz 레이더 센서를 구현하고 있다. 화합물 소자는 그 자체로 고가일 뿐더러 공정 집적도가 낮아 여러 개의 칩을 사용해 레이더 모듈을 제작해야 하기 때문에, 패키징 비용도 높아 레이더 모듈의 가격이 비싸 일부 고급 차량에만 장착되고 있다[3]～[5]. 하지만 최근 CMOS 공정 기술의 발전으로 밀리미터파 분야에서도 CMOS 공정을 이용한 차량용 레이더 송수신기의 개발이 활발히 진행되고 있다[6].
	차량용 레이더 시스템 개발은 어떻게 구분되어 진행되고 있는가?	그 중 가장 활발한 연구를 하고 있는 분야가 바로 차량용 레이더 시스템이다[1]. 차량용 레이더 시스템 개발은 짧은 거리를 감지하는 SRR과 긴 거리를 감지하는 LRR로 구분하여 진행되고 있다. SRR은 24 GHz 대역과 79 GHz 대역의 UWB 방식을 사용하였고, LRR은 77 GHz 대역의 FMCW 방식을 사용해 왔으나, 향후 SRR과 LRR을 통합한 하나의 레이더 시스템으로 구현되어 널리 사용될 전망이다[2].
	우천/눈/안개 등의 다양한 차량 주행 환경에서 가장 안정적인 성능 및 높은 가격 경쟁력을 가질 수 있는 자동차 레이더 센서가 필요한 이유는?	자동차 보유수가 점점 늘어감에 따라 보행자의 안전과 운전자의 편의 및 안전이 문제시 되고 있다. 이에 따라 차량 주행 안전 시스템으로 초음파, 레이저, 카메라 등의 다양한 센서가 이용되어 왔지만, 우천/눈/안개 등의 다양한 차량 주행 환경에서 가장 안정적인 성능 및 높은 가격 경쟁력을 가질 수 있는 자동차 레이더 센서가 필요로 하였다.

참고문헌 (9)

박민, 박필재, 김동영, 김천수, 구본태, 정희범, 유현규, "77 GHz 자동차 레이더 부품 기술동향", 전자통신동향분석, 27(1), pp. 101-112, 2012년 2월.

원문보기 상세보기
이상주, 박공만, "자동차 충돌방지용 밀리미터파레이다 기술동향", 전자공학회지, 26(10), pp. 1016-1024, 1999년 10월.
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W. M. Huang, J. P. John, S. Braithwaite, J. Kirchgessner, I. S. Lim, D. Morgan, Y. B. Park, S. Shams, I. To, P. Welch, R. Reuter, H. Li, A. Ghazinour, P. Wennekers, and Y. Yin, "SiGe 77 GHz automotive radar technology", IEEE International Symposium on Circuit and Systems, pp. 1967-1970, May 2007.
N. Tanahashi, K. Kanaya, T. Matsuzuka, T. Katoh, Y. Notani, T. Ishida, T. Oh, T. Ishikawa M. Komaru, and Y. Matsuda, "A W-band ultra low noise amplifier MMIC using GaAs pHEMT", IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, vol. 3, no. 1, pp. 2225-2228, Jun. 2003.
Jri Lee, Yi-An Li, Meng-Hsiung Hung, and Shih- Jou Huang, "A fully-integrated 77- GHz FMCW radar transceiver in 65-nm RF CMOS technology", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 45, no. 12, pp. 2746- 2756, Dec. 2010.

상세보기
D. K. Shaeffer, T. H. Lee, "A 1.5-V, 1.5- GHz CMOS low noise amplifier", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 32, no. 5, pp. 745-759, May 1997.

상세보기
T. -K. Nguyen, C. -H. Kim, G. -J. Ihm, M. -S. Yang, and S. -G. Lee, "CMOS low-noise amplifier design optimization techniques", IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 52, no. 5, pp. 1433-1442, May 2004.

상세보기
J. Kim, B. Jung, P. Cheung, and R. Harjani, "Novel CMOS low-loss transmission line structure", in Proc. 2004 IEEE Radio and Wireless Conf., pp. 235-238, Sep. 2004.

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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