Driven by the demands for lower cost, lower power, wider bandwidth and high data rates in wireless communication systems and Radar sensor systems, integrated circuits are constantly pushed toward higher operating frequencies over 20GHz. Intensive effort has been made to develop RF integrated circuits at the range of few tens of GHz using low-cost CMOS process. Furthermore, due to the continuous devices scaling, the supply voltage for RF systems is reduced and impose many new design challenges to compensate the degraded circuit performance. For the systems beyond 20GHz, the signal generation block is most power consuming and its performance is critically degraded by increased frequency. And the Voltage-Controlled Oscillator (VCO) has a great effect on the performance of the signal generation block. As the operating frequency increases, phase noise and total power consumption also increase. Therefore, it is highly desirable to implement VCO that can operate beyond 20GHz with high signal purity and low power consumption when the circuit is operating with reduced supply voltage. Lowered supply voltage limits the oscillation amplitude, which in turn limits the signal-to-noise ratio and degrades phase noise. To get the large oscillation amplitude with reduced supply voltage, the novel transformer feedback topology using transmission line transformer (TLT) is proposed as a first time. Previously proposed transformer feedback voltage controlled oscillator is implemented using spiral transformer. The spiral transformer needs at least more than 2turns which generate unnecessary inductance and loss. Those unwanted effects cause limitation of operating frequency and degradation of quality factor of LC tank. However, transmission line transformer is formed by using coupled line inductors with different width, length, thickness and space. Therefore it is adjusted to high frequency operation and is expected to have higher Q factor and thus the loaded Q factor of the resonator can be increased. And also through the phase alignment of drain and source voltage by transformer feedback topology, output signals of the circuit can swing above the supply voltage and below the ground potential, thus enlarging oscillation amplitude. To demonstrate the proposed concept, 24GHz VCO is fabricated by using 0.18-㎛ 1P6M CMOS process. The measured phase noise is -100dBc/Hz at 1 MHz offset, taking 12 mA from a 0.7-V supply. A FOM of 177dBc/Hz are achieved which are best result compared to other state-of-the-art VCO operating at much higher supply voltage and same frequency.
최근, 밀리미터 대역의 통신 시스템과 Radar 시스템에 관련된 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이는 집적화, 소형화, high data-rates 그리고 넓은 통신 주파수 대역(large bandwidth)등 시스템의 질적 향상 요구가 증가하고 기존의 주파수 자원이 포화되고 있기 때문이다. 또한 군용으로 사용되던 거리, 속도 측정용 Radar를 일반 산업에서 응용하기 위해 초소형화를 시도하면서 초고주파 대역 Radar시스템 개발 및 연구가 이루어지고 있는 것도 그 원인이다. 특히 17GHz, 24GHz, 60GHz, 77GHz 등 Industrial, Scientific and Medical 분야에서 사용할 수 있도록 허가된 ISM band가 지정되면서 밀리미터 대역에서 동작하는 통신 시스템과 레이더 시스템에 관련된 연구가 증가하고 있다.
이러한 초고주파 대역의 시스템들의 RF front-end는 주파수 특성이 우수한 HBT, HEMT와 같은 화합물 반도체를 사용하여 제작되었지만 대량 생산 및 원가 절감을 위해 CMOS 공정을 이용하여 제작하려는 시도가 늘어나고 있다. 하지만, 아직까지 충분한 연구와 성과들이 보고되지 못했다. 통신 및 레이다 시스템의 성능에 지대한 영향을 끼치게 되는 주파수 생성기에 관련된 연구 역시 아직까지 큰 성과를 보고 있지 못하다. 주파수 생성기는 동작 주파수가 올라갈수록 그 성능이 매우 저하된다. 더욱이 CMOS공정을 사용하면 주파수 특성이 화합물 소자에 비해 떨어지기 때문에 이를 보완하기 위한 연구가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 주파수가 증가하여 생기는 문제점들을 해결할 수 있고 저전압, 저전력 동작이 가능하고 밀리미터 대역 동작에 적합한 전송선 변압기를 이용한 전압 제어 발진기를 제안하고 설계하였으며, 성공적인 실험 결과를 얻었다. 일반적인 전압 제어 발진기 구조는 밀리미터 대역에서 동작하기 위해 전원 전압과 전류의 증가가 불가피하며, 따라서 개선된 위상 잡음 특성을 위해 소모 전력의 증가라는 문제점이 생긴다. 변압기-정귀환(Transformer-Feedback) 전압 제어 발진기 구조를 사용하면 소모 전력의 증가를 최소화할 수 있다. 이 구조에 사용되는 나선형 변압기는 주파수가 증가할수록 구조적 특성상 Q factor가 현격히 떨어지고 발진기의 성능을 저하시킨다. 따라서 본 논문에서는 초고주파 대역의 변압기-정귀환(Transformer-Feedback) 전압 제어 발진기 구조에서 나선형 변압기를 사용할 때 생길 수 있는 문제를 해결하기 위한 전송선 변압기를 이용한 구조를 제안하였다. 이 구조를 통해 소모 전력과 위상 잡음 특성을 향상시킬 수 있다.
제안된 전압 제어 발진기는 TSMC 0.18-㎛ CMOS 공정을 이용하여 제작하였다. 제작된 전압 제어 발진기는 0.7V의 공급 전압에서 동작하며 8.4mW의 낮은 전력을 소모한다. 동작 주파수는 24.04GHz에서 24.54GHz로 조율됨을 확인하였고 출력 신호의 위상 잡음은 1MHz에서 -100dBc/Hz로 측정되었다. 이는 -177dBc/Hz의 FOM으로 동일 주파수에서 동작하는 전압 제어 발진기 중에서 매우 작은 전력으로 원활한 성능을 보임을 알 수 있다.
반면 제안된 회로는 제어 전압의 변화에 따라 주파수 조율 범위가 매우 한정되는 단점을 갖는다. 이는 초고주파 대역 발진기들의 공통된 문제이며, 따라서 이를 해결하기 위한 방안과 연구가 계속적으로 필요할 것이다.
