[논문]UHF 대역 RFID 리더 응용을 위한 주파수합성기 설계

김경환; 오근창; 박동삼; 유종근

UHF 대역 RFID 리더 응용을 위한 주파수합성기 설계
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김경환 (인천대학교 전자공학과) , 오근창 (인천대학교 전자공학과) , 박동삼 (인천대학교 기계공학과) , 유종근 (인천대학교 전자공학과)

This paper presents a 900MHz fractional-N frequency synthesizer for radio frequency identification (RFID) reader using $0.18{\mu}m$ standard CMOS process. The IC meets the EPC Class-1 Generation-2 and ISO-18000 Type-C standards. To minimize VCO pulling, the 900MHz VCO is generated by a 1.8GHz VCO followed by a frequency divider. The settling time of the synthesizer is less than $20{\mu}m$. The frequency synthesizer achieves the phase noise of -105.6dBc/Hz at 200kHz offset. The frequency synthesizer occupies an area of $1.8{\times}0.99mm^2$, and dissipates 8mA from a low supply voltage of 1.8V.

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문제 정의

본 논문에서는 UHF 대역 RFID Reader용 Fractional-N 주파수 합성기를 설계하였다. 합성 주파수는 해당 응용분야를 지원하는 800MHz-1040MHz 대역의 주파수를 제공하며, 1MHz offset에서 T25dBc/Hz의 우수한 위상 노이즈 특성을 갖는다.
본 연구에서는 in-band noise 특성과 spur 특성을 향상시키기 위해 Integer-N 유형 대신 modulator를 사용하는 Fractional-N 유형의 주파수합성기를(2) 설계하였다. VCO는 직접 변환 수신기(direct conversion receiver)에서의 VCO pulling 효과를 최소화하기 위해 L8GHz 대역으로 설계하였고 dual-modulus prescaler 전단에 고속의 frequency divider을 사용하여 900MHz 대역으로 생성되로록 구성하였다.

제안 방법

합성 주파수는 해당 응용분야를 지원하는 800MHz-1040MHz 대역의 주파수를 제공하며, 1MHz offset에서 T25dBc/Hz의 우수한 위상 노이즈 특성을 갖는다. Frequency resolutione 19.53kHz로써 UHF RFID 리더 표준 채널 간격 200kHz/500kHz< 만족 하도록 설계하였다. 또한 전류 소모는 L8V 전원전압에서 약 8mA의 낮은 전류소모를 갖는 것을 모의실험 결과를 통하여 확인하였다.
주파수를 프로그램 하는 역할을 수행한다. Multi-modulus divaer 블록은 dual-modulus 4/5 prescaler, 4-bit M-counter, 2-bit A-co니nter 등으로 구성되어 있으며 최소 40분주 최대 52분주모드까지 동작할 수 있도록 설계하였다.
대역폭 밖으로 밀려난 잡음은 PLL의 루프필터에 의하여 효과적으로 제거된다. Multi-modulus divider 블록은 4/5 prescaler, 4-bit main counter, 2-bit auxiliary counter 등으로 구성되어 있으며 처소 40 분주 최대 52분주 모드까지 동작할 수 있도록 설계하였다,
설계하였다. VCO는 직접 변환 수신기(direct conversion receiver)에서의 VCO pulling 효과를 최소화하기 위해 L8GHz 대역으로 설계하였고 dual-modulus prescaler 전단에 고속의 frequency divider을 사용하여 900MHz 대역으로 생성되로록 구성하였다. 또한, UHF 대역 RFID 리더의 표준 채널간격인 200kHz/500kHz 모두 만족 하도록 설계하였다.
설계한 VCO는 NP-core 형태로써 N-core only type이나 P-core only type에 비해 같은 바이어스 전류 조건하에서 출력 진폭이 2배 크기 때문에 전력소모 면에서 유리하므로 모바일 RFID 리더에 적합하고, 출력신호파형의 대칭성이 우수한 창점이 있다. 또한 넓은 tuning range와 낮은 VCO gain을 갖기 위해 4bit 제어 신호로 동작하는 capacitor bank를 구성하였고. 플리커(1/f) 잡음이 작은 PMOS 바이어스 단을 구성하였다.
VCO는 직접 변환 수신기(direct conversion receiver)에서의 VCO pulling 효과를 최소화하기 위해 L8GHz 대역으로 설계하였고 dual-modulus prescaler 전단에 고속의 frequency divider을 사용하여 900MHz 대역으로 생성되로록 구성하였다. 또한, UHF 대역 RFID 리더의 표준 채널간격인 200kHz/500kHz 모두 만족 하도록 설계하였다.

대상 데이터

그림 8는 설계된 주파수 합성기의 layout 도면이다. TSMC 0.18um 1-poly 6-metal 공정을 사용하였다.
또한 넓은 tuning range와 낮은 VCO gain을 갖기 위해 4bit 제어 신호로 동작하는 capacitor bank를 구성하였고. 플리커(1/f) 잡음이 작은 PMOS 바이어스 단을 구성하였다.

성능/효과

53kHz로써 UHF RFID 리더 표준 채널 간격 200kHz/500kHz< 만족 하도록 설계하였다. 또한 전류 소모는 L8V 전원전압에서 약 8mA의 낮은 전류소모를 갖는 것을 모의실험 결과를 통하여 확인하였다. 칩 면적은 PAD 포함하여 1.
2는 설계한 VCO의 회로도를 나타낸다. 설계한 VCO는 NP-core 형태로써 N-core only type이나 P-core only type에 비해 같은 바이어스 전류 조건하에서 출력 진폭이 2배 크기 때문에 전력소모 면에서 유리하므로 모바일 RFID 리더에 적합하고, 출력신호파형의 대칭성이 우수한 창점이 있다. 또한 넓은 tuning range와 낮은 VCO gain을 갖기 위해 4bit 제어 신호로 동작하는 capacitor bank를 구성하였고.

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