In this thesis, we have proposed and implement several types of VCOs covering X band to Ku band. The proposed VCOs include the balanced VCO, the mode-switched dual-band VCO, the transformer resonator coupled CMOS VCO and the frequency divided and multiplied VCOs.
The topology comparison of the balanced and the differential VCOs give important insights of Ku Band VCO design. The noise performances of these VCOs are compared using analytic noise model and experiments. The balanced VCO has higher immunity to the several noise sources that incur in active and passive devices than the differential VCO. The balanced VCO achieves the phase noise of _90.5 dBc and _113.8 dBc at 100 kHz and 1 MHz offset frequency from the carrier of 14 GHz. Its phase performance is ~ 2.5 dB and ~ 7 dB better than the differential VCOs using a microstrip line inductor and a spiral inductor respectively. It can be mentioned that the balanced topology with a microstrip line inductor is suitable for low phase noise VCO over Ku Band. They are realized on InGaP/GaAs HBT technology.
A mode switched dual band VCO is proposed for the first time in Ku band and successfully realized. The VCO has agile re-configurability and fast band switching times less than 20 ns between the bands, respectively. The VCO employing a microstrip line inductor gives the measured phase noises performances of _110 and _108 dBc/Hz at 1MHz offset for 13 and 22 GHz, respectively while drawing 22 mA and 16 mA from a 4-V supply. It can be used in mm wave dual band transceiver.
The CMOS VCO over X band frequency is most challenging problem nowadays. The analyses of coupled resonator are presented and a quadrature VCO using novel configurations is proposed. First it uses transformer-coupled resonator and the advantage of coupled resonator is investigated. Second the drain-gate transformer feedback configuration is proposed, which allows VCO have deep switched by the feedback bias level shifting. By turning off switching transistors of the core circuits of VCO deeply, the phase noise performance is improved more than 10 dB. Third, the direct current modulation method employing series-connected switch is proposed for generating quadrature I-Q signals. The VCO is implemented using 0.18 mm CMOS technology. The VCO performances are given with discussions
A 36 GHz VCO incorporating a frequency doubler is designed. LC-tuned VCO operates at 18 GHz, which is multiplied by 2 in a harmonic generator using HBT non-linear characteristics. High conversion gain of -2 dB is achieved. The frequency multiplied VCO shows the high output power of _3 dBm with a variation of 1 dBm over tuning range from 36.1 to 36.46 GHz. The VCO achieves low SSB phase noise of _96.5 dBc at 1MHz offset off 36 GHz.
In appendix, Ku band phase locked loop is discussed to know the possibility of the fully integrated phase-locked VCO. Considering the performance and the cost, the dual loop implementation is good candidate. The design and implementation of dual loop phase locked VCO are investigated. And the details of each component are explained with the simulated results.
본 논문은 X 밴드에서 Ku 밴드대역에서 동작하는 다양한 형태와 기능을 가지고 있는 전압 제어 발진기들의 제안, 제작 그리고 분석에 관한 논문이다. 제안된 회로들은 다음과 같다. 콜피츠 형태의 발진기를 이용한 밸런싱 전압 제어 발진기, 모드 스위칭 방법을 이용한 이중밴드 전압 제어 발진기, 트랜스포머 결합 공진기를 이용한 CMOS 전압 제어 발진기, 주파수 체배기와 분주기를 포함한 전압 제어 발진기를 제안, 제작하였다.
저주파에서 많이 사용해 오던 차동 발진기와 고주파에서 많이 이용되던 콜피츠 회로를 이용한 밸런싱 발진기를 비교 분석하였다. Ku밴드 대역 밸런싱 발진기가 잡음 특성 측면에서 이론적인 분석과 실험 결과, 모두 좋은 성능을 보임을 알 수 있었다. 또한 소비전력이 적고 위상잡음은 중심주파수 14 GHz에서100 kH 오프셋 주파수일 때 -90.5 dBc/Hz, 1 MHz 오프셋 주파수에서 -113.5 dBc/Hz로 우수한 성능을 보여주었고 이것은 차동 전압제어 발진기 보다 약 2.5에서 7 dB 정도 낮은 값이다. 회로는 InGaP/GaAs HBT를 이용하여 구현되었다.
이중밴드 발진기는 두 주파수 밴드를 모드 제어를 통해 스위칭 할 수 있도록 고안되었다. 모드 스위칭은 간단한 전류 제어 방식으로 구현되며 스위칭 시간이 수십 ns이하로 매우 짧다. 이중밴드 발진기는 13 GHz에서 _108 dBc/Hz 그리고 22 GHz에서 _106 dBc의 위상잡음 특성을 얻었다.
CMOS를 이용한 전압제어 발진기는 최근 많은 관심이 집중되고 있는 분야이다. 손실이 큰 실리콘 기판에서 위상잡음이 낮추기 위해 새로운 구조의 전압제어 발진기를 제안하였다. 그리고 트랜스포머를 이용한 결합 공진기의 특성들을 분석하여 CMOS 전압제어 발진기의 성능 향상 방법에 대해 분석하였다. 제안된 전압제어 발진기는 결합 공진기를 사용하여 LC 공진기의 품질 계수를 향상시켰으며 피드백 바이어스 전압 변환 방법으로 회로에 사용되는 MOS를 딥스위칭하여 소자의 잡음을 억제하였다. 이러한 방식으로 전압제어 발진기의 위상잡음을 매우 낮추어 줄 수 있었다. 그리고 직접 전류 제어방식으로 I-Q 신호를 만들어 내었다. 제안된 전압제어 발진기는 8 GHz 대역에서 동작하며1 MHz 오프셋 주파수에서 _118 dBc/Hz 의 위상잡음을 보였다. 이러한 특성은 이 주파수 대역에서 발표된 CMOS 전압제어 발진기 보다 약 10 dB 정도 우수한 특성이다. 제작은 0.18μm CMOS 공정을 이용하였다.
주파수 체배기를 이용한 36 GHz 대역의 전압제어 발진기를 제안하였다. 주파수 체배기는 HBT의 비선형 특성을 이용하여 2차 고조파가 최대가 되도록 설계 되었다. 높은 주파수 변환 이득인 _2 dB 를 얻었으며 전압제어기의 출력 전력은 _3 dBm 이었다. 제작된 전압제어 발진기는 기존의 주파수 체배기를 이용한 회로들에 비해 현저히 적은 면적에 구현되었다. 그리고 주파수 분배기를 집적한 전압 제어 발진기를 제작하였다. 8:1 주파수 분배기를 EML 로직을 이용한 D 플립 플롭으로 구현하였고 분배된 전압제어 발진기의 위상 잡음은 1.9 GHz, 1 MHz 오프셋 주파수에서 _130 dBc/Hz의 우수한 위상 잡음 특성을 보여주었다.
부록에서는 모노리식하게 집적할 수 있도록 제안된 PLL회로에 관하여 다루었다. 여기서는 Ku 밴드대역에서 적용 가능한 이중루프 PLL에 관하여 제안하고 특성 등을 분석하였으며 HBT 공정을 이용한 회로설계에 관해 설명을 하였다. 이중루프 PLL은 성능 및 가격 측면서 우수할 것으로 기대된다.
