In these days, radio frequency identificaiton (RFID) reader become be incorporated in mobile products to identify information from a RFID tag. Mobile RFID reader is needed to become smaller size and lower power consumption. To satify this condition, System-in-Package (SiP) technology has been applied to RFID reader system. However, there are many problems as SiP has been applied. In a mobile RFID reader, there are digital circuits, RF circuits, analog circuits together in a pacakge. There is power noise coupling from digital circuit to RF circuit because digital circuit and RF circuit exist on same package. This package coupling noise is a main path to degrade the performance of the RFID system. Another noise coupling path is silicon substrate as digital circuit and RF circuit share same silicon substrate. In this paper, we analyze the effect of power coupling noise from two paths on RF circuit by using measurement and modeling and simulation. And then, we propose noise reduction methods. We compare package coupling noise with silicon substarte coupling noise.
무선 통신 시장이 커지면서 소비자들의 모바일 제품의 소형화에 대한 요구도 증가하고 있다. 그에 따라 System in Package(SiP) 기술 System on Chip(SoC) 기술에 대한 요구가 증가하고 있다. 점점 좁은 면적에 많은 회로를 집적함에 따라 회로간에 노이즈 커플링이 발생 할 수 있다. 특히 디지털 스위칭 노이즈가 노이즈에 민감한 RF 회로에 영향을 주면 시스템 전체 성능에 저하를 주게 된다.
극초단파 무선 인식 리더 시스템-인-패키지는 혼성 모드 시스템으로 디지털 회로와 RF회로와 base-band 회로가 같이 존재 하게 된다. SiP의 경우에 같은 패키지 위에 칩들이 실장 되게 되면 패키지 파워/그라운드를 통해 디지털 스위칭 노이즈가 RF회로에 악영향을 미치게 된다. 또한 SoC인 경우에 디지털 스위칭 노이즈가 실리콘 기판을 통해 RF회로에 전달 되게 된다. 비록 디지털회로와 RF회로의 isolation을 위해 Deep N-well 기술과 Guard Ring 방식이 사용되지만 노이즈를 완전히 제거 해주지 못한다. 따라서 패키지 커플링 노이즈 분석과 실리콘 기판 커플링 노이즈 분석이 동시에 이루어 져야 한다.
극초단파 무선 인식 리더 시스템에 사용되는 발룬은 능동 소자를 사용한 회로로 single-ended 출력의 LNA와 differential 입력의 Mixer 사이에 사용될 수 있다. 발룬은 LNA와 비슷한 증폭율을 가지며 single-ended 입력을 넣으면 differential 출력을 가지고 나오게 되며 NF가 낮아서 LNA로도 사용될 수 있다. 능동 발룬에서 중요한 스펙은 gain error, phase error가 된다. gain error는 출력의 두 신호간의 gain 차이가 되며 phase error는 두 신호간의 위상차를 나타낸다. 노이즈가 인가되었을 경우에 이 두 가지 스펙이 나빠지게 된다.
본 연구에서는 RF 회로 중에 하나인 능동 발룬이 디지털 스위칭 노이즈에 영향을 받는 정도를 실험을 기반으로 해서 분석하였다. 스위칭 노이즈는 다양한 주파수 성분을 포함하기 때문에 싱글 사인파 주파수에 따른 주파수 분석을 하였다. 그리고 스위칭 노이즈가 패키지 파워를 통해 커플링되는 경우와 실리콘 기판을 통해 커플링 되는 정도를 측정하고 분석하였다. 그리고 패키지 커플링을 줄이기 위한 파워 그라운드 노이즈 LC 필터를 제시하였으며 실리콘 기판 노이즈를 줄이는 방법으로 바이어스 온칩 파워그라운드 링을 제시하였다.
패키지 커플링을 분석하기 위해서 시간 영역 측정, 스펙트럼 측정, 주파수 sweep 측정, PDN(Power Distribution Network)측정을 하였으며 패키지 파워/ 그라운드 모델링을 TLM 방식을 사용하여 모델링 하였다. 그리고 실리콘 기판 커플링을 분석하기 위해서 S-parameter 측정, 주파수 sweep 측정을 하였으며 간단한 실리콘 기판 모델링을 하였다. 기판 커플링에서 와이어 본딩에 의한 biased P/G ring 효과를 측정하고 분석하였다.
이 논문에서는 패키지 커플링과 실리콘 기판 커플링이 노이즈 주파수에 따라 차이 나는 현상을 정리하고 분석하였다. 그리고 두 가지 경로에 대해 노이즈를 줄이는 방법으로 LC filter를 사용하는 방법과 바이어스 된 파워/그라운드 링 효과를 검증하였다.
