[논문]고속 통신 시스템을 위한 40GHz CMOS 전압 제어 발진기의 설계

이종석; 문용

doi:10.5573/ieie.2014.51.3.055

고속 통신 시스템을 위한 40GHz CMOS 전압 제어 발진기의 설계
A Design of 40GHz CMOS VCO (Voltage Controlled Oscillator) for High Speed Communication System 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.51 no.3, 2014년, pp.55 - 60

이종석 (숭실대학교 정보통신전자공학부) , 문용 (숭실대학교 정보통신전자공학부)

초록
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고속 통신을 위해서 0.11um CMOS 공정을 사용하여 40GHz 전압 제어 발진기 (VCO : Voltage Controlled Oscillatior)를 제작했다. 밀리미터 웨이브 대역에서 동작하는 VCO는 높은 성능을 얻기 위하여 스마트 바이어스 테크닉을 사용하였고 스파이럴 형태의 인덕터와 출력버퍼를 추가하여 LC형 구조로 설계했다. 제안하는 VCO의 동작범위는 34~40GHz이며, 이 주파수 대역은 밀리미터 웨이브 통신 시스템에 적합하다. VCO의 측정결과 -16dBm의 출력파워와 16%의 동작범위, 38GHz 중심주파수에서 -100.33dBc/Hz(@1MHz)의 위상잡음을 갖는다. 또한 1.2V 전원에서 PAD를 포함한 전체 소모전력은 16.8mW이다. VCO의 성능을 비교할 수 있는 FOMT의 값은 -183.3dBc/Hz로 이전의 VCO에 비해 우수한 성능을 확인했다.

Abstract ▼ AI-Helper

For an high speed communication, a 40GHz VCO was implemented using a 0.11um standard CMOS technology. The mm-wave VCO was designed by a LC type using a spiral inductor, and a simplified architecture with buffers and a smart biasing technique were used to get a high performance. The frequency range of the proposed VCO is 34~40GHz which is suitable for mm-Wave communication system. It has an output power of -16dBm and 16% tuning range. And the phase noise is -100.33dBc/Hz at 1MHz offset at 38GHz fundamental frequency. The total power consumption of VCO including PADs is 16.8mW with 1.2V supply voltage. The VCO achieves the FOMT of -183.8dBc/Hz which is better than previous VOCs.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

공정에서 주어지는 인덕터를 사용하는데 있어서 인덕터의 두께와 지름 선택에 한계가 있기 때문에 인덕터 크기와 모양에 대한 연구를 진행했다. 주어진 인덕터의 모양을 임의로 변경하면 레이아웃에서 인덕턴스 추출이 안되기 때문에 시뮬레이션이 불가능하다.
본 논문은 CDR에 적용할 수 있는 고속 PLL의 블록도에서 CMOS 기반의 40㎓ VCO에 대해 설명을 하고, 제작한 VCO에 대한 측정결과를 기술한다. 그리고 설계한 VCO의 성능에 대한 정리를 한 후에 결론을 맺고자 한다.
VCO가 높은 주파수에서 동작하기 위해 인젝션 록킹, 4진 위상 변이, 병렬 피킹 인덕터 기법 등 여러 가지 방법이 제시되었지만^[5～7], 소자 개수를 최소화하여 기생성분을 최소화하는 LC 구조의 VCO를 설계하였다. 또한 인덕터의 Q값을 높여서 위상잡음 특성을 좋게 하기 위해 인덕터 모양에 대한 연구를 진행하였다.
본 논문은 CDR에 적용할 수 있는 고속 PLL의 블록도에서 CMOS 기반의 40㎓ VCO에 대해 설명을 하고, 제작한 VCO에 대한 측정결과를 기술한다. 그리고 설계한 VCO의 성능에 대한 정리를 한 후에 결론을 맺고자 한다.
본 연구를 통해 CMOS공정을 이용하여 저렴하고 높은 성능의 VCO를 측정을 통하여 확인했다. 제안하는 VCO는 트래픽 증가에 따른 400-Gb/s의 높은 데이터 전송률을 갖는 OC-768 광 통신 시스템에 적용이 용이할 것으로 여겨진다.
와 연결되어 칩과 연결되어 있는 소자이다. 이러한 구조를 사용한 이유는 VCO의 발진주파수는 인덕터에 인가되는 전류 I_S에 의해 바뀌기 때문에 외부저항 R_EXT를 교체하여 I_S를 제어하는 목적에서 선택했다. R_IN은 외부 신호가 저항을 거쳐서 회로에 입력되게 해주기 때문에 예기치 않은 입력에도 회로의 손상을 줄일 수 있다.
이중 OC-768은 40-Gbps의 높은 데이터 전송률을 갖고 있는 광통신 네트워크의 표준이며^[1], CDR(Clock and Data Recovery)은 광통신 시스템에서 가장 중요한 블록중 하나이다^[2], CDR을 위해서는 수십㎓의 채널속도와 같은 PLL이 필요하다^[3～4]. 특히 VCO(Voltage Controlled Oscillator)는 PLL에서 가장 중요한 블록이며, 밀리미터 대역에 적용하기 위한 40㎓ VCO에 대한 연구를 진행하였다. 40㎓ VCO의 경우 화합물반도체 등을 통해서 많이 구현되어 왔지만 요즘에는 CMOS 공정 발전과 함께 가격이 낮은 CMOS를 기반으로 한 회로에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

제안 방법

8dB으로 기존의 VCO 대비 우수한 성능을 가진다. FOM_T를 낮추기 위해 동작주파수에서 인덕터의 Q값을 최대로 하여 위상잡음특성을 좋게 하였고, V_ctrl값과 R_EXT를 이용하여 FTR를 증가시켰다. 그리고 높은 주파수에서 동작할 수 있도록 C값을 줄이기 위해 최소한의 소자 갯수를 사용하였으며, 차동 NMOS의 크기를 최소화하여 전력소모를 줄였다.
이와 비교하여 인덕터를 기반으로 한 VCO는 LC 공진주파수에서 상당히 큰 임피던스를 제공하기 때문에 트랜지스터로부터 요구되는 g_m값을 낮춰주고 낮은 전력소모와 작은 기생 캐패시턴스를 가져온다. PMOS는 전압-전류 특성상 바이어스 회로에는 적합하지만 고주파 동작에 적합하지 않기 때문에 MN1과 MN2의 NMOS를 이용한 교차쌍 구조로 설계하였으며, 이는 부성저항(-2/g_m)을 제공하여 LC tank에서 발생하는 손실을 줄여준다. 특히 높은 주파수에서 동작하기 위해서는 L_VCO와 C_VAR1, C_VAR2의 값이 작아야 하데 그 이유는 VCO의 발진주파수와 직접적인 영향이 있기 때문이며, 기생성분을 포함한 발진주파수를 수식으로 표현하면 식(1)과 같다.
40㎓ VCO의 경우 화합물반도체 등을 통해서 많이 구현되어 왔지만 요즘에는 CMOS 공정 발전과 함께 가격이 낮은 CMOS를 기반으로 한 회로에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. VCO가 높은 주파수에서 동작하기 위해 인젝션 록킹, 4진 위상 변이, 병렬 피킹 인덕터 기법 등 여러 가지 방법이 제시되었지만^[5～7], 소자 개수를 최소화하여 기생성분을 최소화하는 LC 구조의 VCO를 설계하였다. 또한 인덕터의 Q값을 높여서 위상잡음 특성을 좋게 하기 위해 인덕터 모양에 대한 연구를 진행하였다.
고속통신 시스템의 수신부를 위한 회로에서 중요한 블록인 VCO를 0.11㎛ CMOS공정으로 설계했다. 설계한 VCO는 NMOS 교차쌍 차동 LC 타입으로 설계하였으며 동작범위를 넓히기 위하여 V_ctrl전압과 전류소스의 외부저항(R_EXT)을 이용했다.
FOM_T를 낮추기 위해 동작주파수에서 인덕터의 Q값을 최대로 하여 위상잡음특성을 좋게 하였고, V_ctrl값과 R_EXT를 이용하여 FTR를 증가시켰다. 그리고 높은 주파수에서 동작할 수 있도록 C값을 줄이기 위해 최소한의 소자 갯수를 사용하였으며, 차동 NMOS의 크기를 최소화하여 전력소모를 줄였다. 공급전압은 1.
설계한 VCO의 성능 판정을 위해서는 다른 VCO들의 비교가 필수적이다. 다른 VCO들과 성능 비교를 위해 여러 가지 파라미터가 있으므로 이를 종합적으로 판단할 수 있는 아래와 같은 FOM_T식을 이용하여 특성을 비교했다. 사용한 FOM_T식의 정의는 식(4)와 같다^[6].
또한, 측정을 위해서 오른쪽 세 개와 아래 세 개는 GSG 프로브를 통한 출력신호 측정 패드를 배치했으며, 왼쪽 에는 VDD, RBIAS,Vctrl핀을 배치하여 DC 프로브를 이용하여 측정을 했다. 측정에는 프로브스테이션을 사용하여 웨이퍼상 프로빙하였고, 주파수 측정을 위해 Agilent 8565EC 스펙트럼 분석기와 E3648A 이중 전원 장비를 이용했다.
측정에는 프로브스테이션을 사용하여 웨이퍼상 프로빙하였고, 주파수 측정을 위해 Agilent 8565EC 스펙트럼 분석기와 E3648A 이중 전원 장비를 이용했다. 먼저 VCO의 주파수 특성을 살펴보기 위한 측정을 진행했다. 그림 5는 V_ctrl전압과 R_EXT값을 변동하면서 이에 따른 출력주파수를 측정한 결과이다.
11㎛ CMOS공정으로 설계했다. 설계한 VCO는 NMOS 교차쌍 차동 LC 타입으로 설계하였으며 동작범위를 넓히기 위하여 V_ctrl전압과 전류소스의 외부저항(R_EXT)을 이용했다. 측정결과 설계한 VCO는 중심주파수 38㎓에서 약 16%의 동작범위와 –5.
R_IN은 외부 신호가 저항을 거쳐서 회로에 입력되게 해주기 때문에 예기치 않은 입력에도 회로의 손상을 줄일 수 있다. 시뮬레이션 결과와 측정결과에 의해 R_EXT에 의한 VCO 출력주파수의 변화를 확인했다.
적합한 REXT값을 구하기 위해서 저항값을 1.2KΩ씩 증가하고 Vctrl 전압을 0～1.5V까지 변동하여 측정했다.
제안하는 VCO는 인덕터 기반의 LC형 구조로 설계하였으며, 공정에 의한 변화를 최소화하고 전력소모를 줄이기 위하여 최소의 소자만을 사용하여 설계했다. 도파관이나 트랜스미션 라인을 기반으로 한 VCO도 밀리미터 대역의 발진이 가능하나 트랜지스터로부터 높은 g_m을 필요로 하기 때문에 결국 높은 전력소모와 큰 기생 캐패시턴스를 가져온다.
제안한 VCO는 34～40㎓의 밀리미터 대역에서 동작하며, 교차쌍 차동 LC 구조를 가진다. 이러한 VCO의 회로도를 그림 2에 나타냈다.
또한, 측정을 위해서 오른쪽 세 개와 아래 세 개는 GSG 프로브를 통한 출력신호 측정 패드를 배치했으며, 왼쪽 에는 VDD, RBIAS,Vctrl핀을 배치하여 DC 프로브를 이용하여 측정을 했다. 측정에는 프로브스테이션을 사용하여 웨이퍼상 프로빙하였고, 주파수 측정을 위해 Agilent 8565EC 스펙트럼 분석기와 E3648A 이중 전원 장비를 이용했다. 먼저 VCO의 주파수 특성을 살펴보기 위한 측정을 진행했다.

대상 데이터

설계한 VCO는 0.11㎛ CMOS 공정을 사용하여 제작하였고, 그림4는 제작한 VCO의 칩사진이며 총 면적은 0.18×0.26㎟ 이다.

데이터처리

표 1에서 제안한 VCO와 기존의 VCO들과의 성능을 비교 했다.

성능/효과

는 VCO의 소모전력이다. FOM_T는 작을 수록 VCO의 성능이 좋다는 것을 의미하며 계산결과 설계한 VCO는 약-183.8dB로 기존의 유사한 주파수 대역의 다른 VCO에 비해서 우수한 성능을 나타냈다.
이러한 단순한 구조는 면적과 소자의 개수를 최소화하였기 때문에 고속 동작에 유리하고 부하의 임피던스 제어가 편리하다는 장점이 있다. 또한, MN5와 MN6의 핑거타입 레이아웃을 통하여 고속 동작이 가능하면서도 최소한의 크기를 가질 수 있도록 했다.
시뮬레이션 결과, REXT값이 2.4KΩ에서 1.2KΩ씩 줄어들수록 전류소스 첫단에서 소비하는 전력이 작아지기 때문에 IS는 21%, 47%씩 증가하였다.
시뮬레이션 결과, Vds는 REXT값이 2.4KΩ에서 1.2KΩ씩 줄어들수록 7%, 15%씩 증가하였다.
이외에도 VCO의 튜닝범위를 넓히기 위해 I_S를 조절하였는데 센터텝 인덕터에 가해지는 전류원은 2차 전류미러 형태로 설계했다. 제안하는 VCO가 NMOS를 기반으로 하였기 때문에 PMOS를 통한 바이어스를 필요로 하게 되는데, 2차 바이어스 구조는 외부에서는 NMOS를 통한 전류조절이 가능하므로 트랜지스터의 크기면에서 유리하고 전류조절 측면에서도 편리한 장점이 있다. 또한 NMOS가 접지에서 전류를 제어하기 때문에 PMOS 전류 컨트롤에 비해 PSRR이 더 좋아지게 된다.
측정결과 설계한 VCO는 중심주파수 38㎓에서 약 16%의 동작범위와 –5.23dBm 의 출력전력을 가진다.
측정된 위상잡음 값은 1㎒ 오프셋에서 –100.33dBc/Hz이며 FOMT은 –183.8dB으로 기존의 VCO 대비 우수한 성능을 가진다.
측정장비의 불안정한 전원공급 때문에 중심주파수와 10～100 KHz 사이에서 노이즈가 발생하는 것을 확인했다. 그림 7은 측정 결과 중 위상잡음 특성이 가장 좋았을 경우의 데이터이다.

후속연구

본 연구를 통해 CMOS공정을 이용하여 저렴하고 높은 성능의 VCO를 측정을 통하여 확인했다. 제안하는 VCO는 트래픽 증가에 따른 400-Gb/s의 높은 데이터 전송률을 갖는 OC-768 광 통신 시스템에 적용이 용이할 것으로 여겨진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	OC-768은 무엇인가?	현재 고속 전송 시스템에는 무선 통신 시스템, 자동차 레이다 시스템, 광 통신 시스템 등이 있으며, 밀리미터 웨이브 대역의 통신에 적용된다. 이중 OC-768은 40-Gbps의 높은 데이터 전송률을 갖고 있는 광통신 네트워크의 표준이며[1], CDR(Clock and Data Recovery)은 광통신 시스템에서 가장 중요한 블록중 하나이다[2], CDR을 위해서는 수십㎓의 채널속도와 같은 PLL이 필요하다[3～4]. 특히 VCO(Voltage Controlled Oscillator)는 PLL에서 가장 중요한 블록이며, 밀리미터 대역에 적용하기 위한 40㎓ VCO에 대한 연구를 진행하였다.
	본 논문에서 설계한 CMOS 기반의 40㎓ VCO의 측정결과는 어떻게 되는가?	제안하는 VCO의 동작범위는 34~40GHz이며, 이 주파수 대역은 밀리미터 웨이브 통신 시스템에 적합하다. VCO의 측정결과 -16dBm의 출력파워와 16%의 동작범위, 38GHz 중심주파수에서 -100.33dBc/Hz(@1MHz)의 위상잡음을 갖는다. 또한 1.2V 전원에서 PAD를 포함한 전체 소모전력은 16.8mW이다. VCO의 성능을 비교할 수 있는 FOMT의 값은 -183.3dBc/Hz로 이전의 VCO에 비해 우수한 성능을 확인했다.
	VCO를 높은 주파수에서 동작하기 위한 기법에는 무엇이 제시되었는가?	40㎓ VCO의 경우 화합물반도체 등을 통해서 많이 구현되어 왔지만 요즘에는 CMOS 공정 발전과 함께 가격이 낮은 CMOS를 기반으로 한 회로에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. VCO가 높은 주파수에서 동작하기 위해 인젝션 록킹, 4진 위상 변이, 병렬 피킹 인덕터 기법 등 여러 가지 방법이 제시되었지만[5～7], 소자 개수를 최소화하여 기생성분을 최소화하는 LC 구조의 VCO를 설계하였다. 또한 인덕터의 Q값을 높여서 위상잡음 특성을 좋게 하기 위해 인덕터 모양에 대한 연구를 진행하였다.

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

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