Recently, the market of board-band mobile communication has been expanded in the world. The communication solution above 10 ~ 40 GHz is needed with low cost. This thesis proposes and implements frequency sources covering 10 ~ 40 GHz with 0.18 um analog standard CMOS process.
The proposed frequency source structure is consisted of the quadrature VCO with low phase noise and the balanced frequency multiplier. Thus, two topologies of low phase noise quadrature VCOs are proposed which are suitable to the frequency multiplier. One is the balanced topology with current switching. This topology has reliable start-up, reduction of active noises and quadrature coupling, which are proved theoretically and experimentally. In addition, the coupled resonator with the transformer is used to improve the quality factor. The measured phase noise values of the single VCO and the quadrature VCO are -114.83 dBc/Hz and -116.67 dBc/Hz at the offset frequencies of 1 MHz at 10.21 GHz and 10.81 GHz, respectively. The VCO cores consume about 8.8 mA from a 1.8 V supply. The FOM’s of 183 dB and 185 dB are achieved in the single VCO and the quadrature VCO, respectively. The phase noise performance and FOM of both VCOs are comparable to ever reported VCOs. The quadrature VCO is superior to the single one in phase noise, oscillation frequency, tuning range, and FOM except start-up condition.
The other topology is the differential topology. This VCO has four noise reduction mechanisms which are series connected transistors, transformer-based resonators, absent of current source and gate bias by external control. These mechanisms are related to each other complexly. The VCO has low phase noise of -117.5 dB/Hz at 1 MHz offset frequency. The VCO can operate under 1.8 V of power supply. The figure of merit (FOM) is 187.5 dB at 10.3 GHz oscillation frequency, which is the best value among X-band VCOs. Moreover, the VCO is able to connect to the frequency multiplier without a buffer and a DC level shifter since the VCO has RF output port with low DC level.
The proposed millimeter-wave sources are fully integrated in 0.18 um CMOS process. The 20 GHz and 40 GHz signal are generated by harmonics of quadrature signals of the VCO. A pinch-off clipping which increases output power of harmonics is connected to the VCO directly. The $2^{nd}$ frequency multiplier of which output can be tuned between 19.8 and 22 GHz have low noise of -111.67 dBc/Hz at 1 MHz offset frequency. The phase noise of the multiplier is 7 dB higher than that of the VCO. The output power is -6.83 dBm which is comparable to the VCO output power of -7 dBm. The $4^{th}$ frequency multiplier of 39.7 ~ 44.2 GHz shows a phase noise of -102.5 dBc/Hz at 1 MHz offset frequency with output power of -18.67 dBm. The chip sizes of the quadrature VCO, the $2^{nd}$ and $4^{th}$ frequency multiplier are $1280x710 um^2$, $1280x760 um^2$ and $1280x850 um^2$, respectively. The figure of merit (FOM) are 188 dB, 181.5 dB and 174 dB, respectively. Despite the small size, these results are remarkable to reported CMOS VCOs, especially in the higher frequency.
This thesis shows the frequency source covering 10 ~ 44 GHz in analog standard 0.18 um CMOS process without any external component. Despite the small chip size, the proposed frequency sources are superior to the reported VCOs in the phase noise, tuning range, and output power. Moreover, these sources are suitable to high frequency PLL with low $f_T$ transistors.
이동통신의 발전함에 따라 멀티미디어와 대용량 데이터를 위한 광대역 통신의 필요성이 더욱 높아지고 있다. LMDS, IEEE802.16과 같은 광대역 통신을 위해서는 전송신호의 주파수가 높아져야 한다. 이러한 시스템은 고성능 및 저가로 만드는 것이 중요해지고 있는데 그 중 frequency source가 가장 중요한 block 이다. 본 논문에서는 표준 analog CMOS 공정을 이용하여 10 ~ 44 GHz 영역의 신호원을 만드는 방법을 제안하고 실제 구현해 보았다.
이러한 block을 만들기 위해서는 제한된 구조는 저 잡음 특성을 가지는 quadrature VCO를 필요로 한다. 따라서 Q-VCO를 먼저 제안하고, 이를 이용하여 balanced frequency multiplier와 함께 millimeter-wave source를 0.18 um CMOS공정에 집적하였다.
제안된 quadrature VCO 구조는 2가지 구조이다. 그 중 하나는 current switching balanced VCO이다. 이 구조는 reliable한 start-up이 가능하고 bias current가 줄어들고 quadrature 신호를 만들 수 있다는 장점이 있다. 또한 공진기의 Q-factor값을 높이기 위해 transformer를 사용하였다. Current switching에 의해 노이즈가 줄어드는 현상을 Linear Noise Model을 이용하여 증명하였다. Oscillation frequency는 10.81 GHz, phase noise @ 1 MHz offset 은 -116.67, Figure of Merit은 185.28 dB이다. 이 결과는 X-band CMOS VCO중 비슷하거나 우수한 특성을 보였다. 또한 current switching VCO의 노이즈 특성 모델을 제시 하였다.
제안된 또 다른 Quadrature VCO 구조는 series connected differential VCO이다. 이 구조는 노이즈를 줄이는 4가지 특성(직렬연결 된 트렌지스터, 트렌스 포머, current source 제거, 외부에서 조절하는 gate bias)이 유기적으로 결합하여 좋은 특성을 보였다. 본 VCO는 10.18 ~ 11.37 GHz영역에서 -6 dBm의 출력을 가지며 -118.67 dBc/Hz @ 1 MHz offset의 위상잡음 특성을 가진다. 또한 이 VCO는 낮은 DC 전압의 RF 신호 port 가 있어서 frequency multiplier에 연결하기 좋은 특성을 가진다.
제안된 VCO와 frequency multiplier를 연결할 때는 손실이나 노이즈의 원인이 되는buffer와 dc level shifter 없이 연결가능하기 때문에 표준 analog CMOS 공정을 이용하여 높은 주파수 소스를 집적하는 데 성공하였다. Frequency doubler는 pinch-off clipper, inductive load, active buffer로 구성 되어있으며 19.8 ~ 22 GHz에서 -6.83 dBm의 출력을 가지며 -111.67 dBc/Hz @ 1 MHz offset의 위상잡음 특성을 보였다. $4^{th}$ order multiplier는 pinch-off clipper, $4^{th}$ order harmonic matching circuit으로 구성되어 있으며 39.33 ~ 43.67 GHz에서 -18 dBm의 출력을 가지며 -102 dBc/Hz @ 1 MHz offset의 위상잡음 특성을 보였다. Quadrature VCO, frequency doubler with VCO, 4th multiplier with VCO의 칩 사이즈는 각각 $1280x710 um^2$, $1280x760 um^2$, $1280x850 um^2$ 로 매우 작은 크기를 가지지만 Figure Of Merit은 각각 188 dB, 181.5 dB, 174 dB 으로 매우 좋은 특성을 보였다. 기존의 CMOS VCO 보다 주파수가 높을수록 위상잡음 특성은 더욱 개선되었다.
본 논문에서 제작된 10 ~ 44 GHz 영역의 frequency source는 CMOS를 이용하여 저가격으로 외부 component 없이 Fully integrated 되었다. 적은 칩 면적임에도 불구하고 기존의 VCO보다 좋은 phase noise, 넓은 tuning range, 적은 소모전력, reliable한 output power등 더 좋은 특성을 보였다. 또한, 제안된 frequency source는 낮은 $f_T$ 의 CMOS를 이용하여 고주파용 PLL을 만드는 데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 예상된다.
