The noteworthy expansion in telecommunication systems, such as cellular telephony, demands continuous efforts toward the improvement of radio-frequency(RF) circuit performance at ever-increasing levels of integration. The transceiver solutions that fully integrate low-noise amplifiers (LNA's), mixers, voltage-controlled oscillators (VCO's), and transmit modulators already exist. Moreover, the rigid noise and spurious emissions requirements for cellular communications system, such as GSM, DCS, and PCS, need to be achieved with even lower power-consumption levels. Especially, the VCO is the most important block of the frequency synthesizer and RF front-ended transceiver because it operated at a high frequency and requires a low phase noise. The VCO is the element of the frequency synthesizer that determines its overall quality. The main characteristics of a VCO are its normalized phase noise and tuning range. Usually, they go in opposite direction and thus there is a delicate tradeoff observed. Beside, the quadrature output of a VCO is demanded in image-rejection receiver or direct-conversion transceiver. The VCO has been demanded for many capabilities. Recently, especially, finding out the solution of how to obtain lower noise characteristic, how to generate quadrature signal, and how to get wide tuning range feature, has been hot issue. In this thesis, we describe three points, such as wide tuning, quadrature output generation, and low phase noise characteristics in monolithic VCO based on standard CMOS technology. In order to solve the problem about tuning range of VCO, a monolithic VCO topology is presented that use binary-weighted accumulation-mode MOS capacitors to expand the tuning range. The measured tunable range of the implemented VCO is 1.56~2.71 GHz (74%). And then, for function of quadrature generation, a new quadrature VCO with body effect is proposed. The proposed VCO can generate quadrature signal supplementary current and additional active device. Finally, the design technique for low phase noise is also introduced. The reduction of the phase noise based on tail noise source depends on how much can be reduce doubled frequency component. So the technique for reducing tail noise source is proposed by qualitative explanation. In this thesis, we only considered the LC tank VCO. And all simulation and implementation is based on a standard CMOS technology.
이동단말기와 무선통신기와 같은 통신시스템의 가치가 높아지고 집적도가 계속 높아짐에 따라 RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit)에 성능향상에 대한 계속적이 노력이 요구되고 있다. 저잡음 증폭기, 하향/상향 주파수 변환기, 주파수 발생기를 동시에 수용하고 있는 완전한 송수신기는 이미 존재하고 있는 상태이다. 더구나 GSM, DCS 그리고 PCS와 같은 이동통신 단말기에서의 잡음과 주파수 간섭에 대한 내응성을 가지고 있는 설계가 요구되고 있다. 하지만, CMOS의 여러가지 고주파수에서의 문제점 때문에 이동통신 단말기 송수신기 부분에 대해 미진한 상태이다. 그러나 최근의 CMOS 공정기술의 발달은 CMOS 공정기술을 이용한 단말기 송수신기 설계의 길을 열었다. 특히 고주파수에서의 동작과 요구되는 위상잡음으로 전압 제어 주파수 발생기는 단말기 송수신기 설계에서 가장 중요한 부분 중에 하나이다. 주파수 합성기의 성능이 주파수 발생기의 전체적인 성능에 의해 크게 좌우된다. 주파수 발생기의 가장 중요한 성능은 위상잡음과 주파수 제어 범위인데 이들은 항상 서로 반대의 특성을 나타낸다. 게다가 최근에는 이미지 주파수 제거 수신기와 집적변환 방식 송수신기에서 주파수 발생기의 4-위상 발생능력이 요구되고 있다. 특히 근래에는 어떻게 저위상잡음 특성을 얻을 것인가, 어떻게 넓은 주파수 제어 범위 특성을 얻을 것인가, 그리고 어떻게 4-위상 신호를 발생시킬 것인가 등과 같은 문제에 대한 해결책을 찾는 것이 과제로 떠오르고 있다. 본 학위 논문에서는 표준 CMOS 공정을 이용한 집적화된 전압제어 주파수 발생기에서의 이 세가지 문제에 대해 기술하면서 동시에 이에 대한 해결책을 제시하였다. 전압 제어 주파수 발생기의 주파수 제어 범위에 대한 문제를 해결하기 위해서 이진 선택적 MOS 커패시터를 이용한 집적 전압 제어 주파수 발생기를 제안하였다. 제작한 전압 제어 주파수 발생기의 측정결과로 1.56~2.17 GHz(74%)의 주파수 제어 범위를 얻었다. 그리고 4-위상 발생 기능을 위해 새로운 4-위상 신호 전압 제어 주파수 발생기를 제안하였다. 제안한 전압 제어 주파수 발생기는 추가적인 전력소모와 소자가 필요없다. 마지막으로 저 위상잡음을 위한 설계 바업을 소개하였다. 전류원에 기인한 위상잡음 줄이기는 제2 고조파 성분을 얼마만큼 줄이는 가에 달려 있다. 그래서 전류원에 기반한 잡음원을 줄이는 방법을 정성적으로 설명하였다. 본 학위 논문에서는 오직 인덕터-커패시터 공진기를 이용한 전압 제어 주파수 발진기에 대해서만 기술하였다. 그리고 모든 모의 실험과 제작은 표준 CMOS 공정을 기반으로 하였다.
