이 논문은 CMOS 구조에 적합하면서 GHz 대역의 이동 통신 등에 적용할 수 있는 발진기에 관한 논문으로 이론과 실험을 통해 이해와 확증을 하였다. 이 논문에서 새롭게 제시하는 구조인 이종 접합 발진기는 다중 궤환 링 발진기(Multiple-Nested Feedback Ring Oscillator: MNFRO) 구조에 바탕을 두고 있기 때 MNFRO 해석이 반드시 필요하다. 기존의 해석 기법은 선형 궤환 루프 해석에 기반을 두고 있는 데 이 기법으로는 해석이 난해하고 무한히 확장된 형태의 다중 궤환 링 발진기를 해석할 수 없다. 이 논문에서는 페이져 개념으로부터 변형 트랜스콘덕턴스를 얻을 수 있고 이 트랜스콘덕터를 이용하면 해석상에서 어려움으로 작용하는 지역적 다중 궤환을 제거하여 간단한 형태의 링 발진기로 변형이 가능하다. 따라서 이 기법을 통하여 N-단 다중 루프 링 발진기의 발진 주파수 관계식 및 발진에 필요한 최소의 이득등을 구할 수 있었다. 또한 발진기의 위상 잡음 해석을 할 수 있었다. 이 제안된 기법은 다중 궤환 링 발진기가 발진 상태에 있다고 가정한 상황에서 올바른 해답을 제시하는 데 다중 궤환 링 발진기는 지역적 궤환 루프에 의해 발진을 할 경우 이와 같은 방법은 적절치 못한 것이다. 따라서 이러한 비정상 발진 상태의 가능성을 지연 해석을 통해 조사해 보았다. 조사한 결과 비정상 발진 상태는 있을 수 없음을 입증하였다.
MNFRO는 링 구조에 있어서 획기적이고 체계적으로 발전된 형태이 고 보조 궤환 루프의 기여도를 바꿈에 따라 발진 주파수 향상, 잡음의 개선 등의 여지가 있지만 발진기의 부하가 저항과 커패시터이기 때문에 잡음 면에서 L-C 발진기에 비해 나쁜 성능을 보인다. 반면에 L-C 발진기는 바랙터로 튜닝을 할 경우 저 전압 응용에서 가변 범위가 작은 단점이 있다. 이 두 발진기의 장점만을 얻기 위하여 이종 접합 발진기라는 것을 제안하였다. 이종 접합 발진기를 구성하기위해서 세 가지의 대표적인 기본 발진기를 이용하였다. 기본 발진기는 (1) 다중 궤환 링 발진기 (MNFRO), (2) 이장 발진기 (Relaxation oscillator), (3) L-C 발진기 (L-C oscillator) 이다. 이 세 가지 발진기를 이용하여 다음과 같은 이종 접합 발진기를 제시하였다. (1) L-C oscillator + MNFRO: LCRO, (2) Relaxation oscillator + MNFRO: XRO, (3) L-C oscillator + Relaxation oscillator: LCXO, (4) L-C oscillator + Relaxation oscillator + MNFRO: LCXRO. 이 네 가지 종류에 대해서 마찬가지로 페이져 개념을 이용하여 발진 주파수, 발진에 필요한 최소의 이득 그리고 위상 잡음 특성에 대한 통합 수식을 제시하였다. L-C 발진기를 이용한 이종 접합 발진기의 경우는 두개의 주파수로 발진이 가능함을 알 수 있었고 실제의 경우에 이와 같은 문제가 발생하는지에 대해 기술하였다.
이상의 이론적 확증을 바탕으로 $2^1$-stage MNFRO, $2^1$-stage LCRO, $2^1$-stage LCXRO를 0.8, 0.6 mm CMOS 공정을 이용하여 제작하고 실험을 하였다. $2^1$-stage MNFRO는 TYPE I과 TYPE II의 두 가지 형태로 제작하였다. 각각 최대 914-MHz, 1.66-MHz의 발진 주파수를 얻었으며 600-kHz ?？V에서 -85-dBc/Hz의 위상 잡음을 얻을 수 있었다. $2^1$-stage LCRO는 7.5-mA 전류를 공급해서 최대 2.8-GHz의 발진 주파수를 얻을 수 있었으며 600-kHz ?？V에서 -109.1-dBc/Hz의 위상잡음을 얻을 수 있었다. 가변 범위는 500-MHz로 바랙터를 사용한 경우가 100-MHz인 것에 비하면 상당히 넓은 가변 범위를 얻을 수 있었다. $2^1$-stage LCXRO의 경우는 최대 3-GHz의 발진과 600-kHz ?？V에서 -109.5-dBc/Hz의 위상잡음을 얻을 수 있었다. 이 경우 이장 발진기 구조가 삽입이 되어 같은 전력 소모에서 LCRO 보다 500-MHz 빠른 성능을 얻을 수 있었다. 반면에 가변 범위는 100-MHz 정도로 LCRO에 비해 작은 가변 범위를 보였다. 하지만 바랙터와 함께 튜닝을 할 경우 튜닝 범위를 더울 증가 할 수 있다.
이론적으로 입증한 바처럼 LCRO 및 LCXRO는 L-C 발진기의 저잡음 특성과 링 발진기의 가변 방법 및 넓은 가변 특성을 동시에 가짐을 알 수 있었다. 이러한 특성은 이동 통신 시스템에 적용함에 있어 매우 좋은 특성이고 온도와 부품의 열화, 공정의 변화에 다른 발진주파수 변동에 대처할 수 있으므로 수율을 높일 수 있다.
이상의 제안된 이종 접합 발진기는 세 가지의 응용 분야에 적용할 수 있음을 보였다. 그 응용 분야는 (1) PCS 용 발진기, (2) ATM에 사용할 수 있는 2.5-GHz 클럭 발생기 (3) 디지털 TV 용 주파수 합성기이다.
