The major research issue in this thesis is on the design and implementation of wideband microwave monolithic integrated circuit(MMIC) voltage controlled oscillator(VCO) adaptably tunable to the frequency between 2.5 to 6 GHz for portable intelligent RF applications. Two different approaches have been proposed and tried for tunability extension and low power operation of the MMIC differential VCO employing: (1) varactor coupling between VCO output and load as well as LC tuner and (2) modified active tunable inductance directly connected to negative resistance generator. The MMIC VCOs have been implemented using the InGaP/GaAs Heterojunction Bipolar Transistor (HBT) technology with a compact dimension less than 800 x 900 $um^2$.
To overcome the limitation of an active tunable inductor circuit such as high voltage operation and high power consumption, which is related to compensation of the internal loss, this thesis proposes a new integration circuit with an active tunable inductor directly connected with the negative resistance generator by eliminating a capacitance canceling transistor, which results in the reduction of power consumption by a factor of two while using 3.3V operation and by inserting the transistor in the resistive feedback network, resistance can be varied from 30 to 150 ohms, which results in excellent tunability. The monolithic integrated differential VCO with the proposed active tunable inductor circuit reveals 66% tuning range from 3.4GHz to 6.8GHz with single ended output power of -4.85dBm $\pm$ 1.85dB within full oscillation band, and the measured phase noise characteristics of -85.6dBc/Hz at 1MHz offset from 6.3GHz carrier frequency is obtained. To reduce the load pulling effect, the emitter follower buffers are inserted between VCO output and load. This VCO consumes 64mA with 3.3V supply voltage while VCO core consumes only 40mA and control voltage varies from 0.7V to 4.7V.
Consequently, for operating active inductor VCO of above 3GHz, the proposed one reveal that (1) the excellent tunability from 3.4 to 6.8GHz, which is nearly three times compared with the active inductor VCO proposed by K.Kobayashi et al. [22], (2) the supply voltage and power consumptions are reduced by factor of two, which means from above 6V to 3.3V. In addition, (3) the measured phase noise at 1MHz offset of -85.8dBc/Hz is comparable to the other active inductor VCOs in spite of the low power consumption.
The other approach is on the tuning range extension of LC-tuned VCO. Conventionally, VCOs have a output coupling capacitor toward the load. In a sense of tuning range, output coupling capacitance takes a finite portion of the full capacitance of resonance. To enlarge the overall capacitance variation ratio, in this work, the varactor coupling circuit between VCO outputs and differential outputs was proposed for 5 through 6GHz WLANs and overall capacitance variation ratio was enlarged by the proposed varactor coupling circuit, which reveals 40% improvement of frequency tunability compared with a conventional capacitor coupling VCO. The fabricated MMIC consumes the 89.1mW for 3.0V supply voltage and DC current of 30mA while VCO core consumes 15mA. The fabricated VCOs reveal the single ended output power of -1.9dBm $\pm$ 0.5dB within full oscillation band and the phase noise characteristics of -126.5dBc/Hz at 1MHz offset from 5.4GHz carrier frequency. These results are equal to the F.O.M of -185dB/Hz, comparable to the state of the art VCO realized with InGaP/GaAs HBT technology. Therefore the proposed varactor coupling VCO can be a feasible solution of adaptive RF systems for 5 through 6GHz WLANs applications.
본 논문의 주된 연구 주제는 2.5~6GHz 대역에서 동작하는 차세대 Adaptive or intelligent RF 이동통신 시스템에서 핵심적인 역할을 담당하는 전압제어 발진기의 발진영역을 효과적으로 향상시키는 것이다. 이를 위해 본 연구에서는 특히 높은 주파수에서 동작가능하며 신뢰성이 뛰어난 InGaP/GaAs 이중접합 트랜지스터(HBT)를 활용하여 발진기를 설계 및 제작하였다.
본 논문에서는 능동 가변 인덕턴스를 구현할 수 있는 변경된 능동 인덕턴스 회로를 제안하고, 제안된 능동 인덕턴스회로와 부성 저항 발생회로를 MIM capacitor와 같은 AC coupling 회로없이 새로운 DC coupling 집적방법을 제안하고, InGaP/GaAs HBT를 이용하여 단일집적화된 전압제어 발진기를 구현하였다. 특히 제안된 능동 가변 인덕턴스 회로의 경우 기존에 제안된 동종의 GaAs 계열의 화합물 반도체를 사용하여 제작된 능동 인덕턴스 발진기와 비교할 때, 3.3V의 낮은 동작 전압하에서 구동하며, 인덕턴스회로와 부성저항 회로를 연결소자 없이 직접으로 연결함으로써 전류소모를 대략적으로 1/2 수준으로 낮출 수 있었다. 또한 본 논문에서 제안한 능동 가변 인덕턴스 전압제어 발진기는 능동 인덕터의 저항 궤환부에 트랜지스터를 삽입하여 가변저항처럼 동작하게 함으로써 매우 넓은 가변영역을 확보할 수 있었다. 본 논문에서 제안한 구조를 적용하여 제작된 발진기는 3.3V 공급전압과 68mA의 전류 조건에서 구동하며 능동 저항성 궤환회로를 적용하여 3.4~6.8GHz, 즉 중심주파수로부터 66% 가변 영역에서 발진 가능하였으며, 전체 발진영역내에서 평균적으로 -4.85dBm $\pm$ 1.85dB 의 출력파워와 매우 우수한 광대역의 850MHz/V의 가변 능력(민감도)을 갖는다. 발진기에서 중요한 특성중의 하나인 phase noise 는 6.3GHz 의 반송 주파수로부터 -85.6dBc/Hz@1MHz offset 로 측정되었다. 3GHz 이상에서 동작하는 능동 인덕터를 적용한 기존의 발진기들과 비교할 때, 본 논문에서 제안하는 회로는 대략 3배의 발진영역이 증가하였으며, 공급전압과 소모 전력은 50% 정도 감소 하였다. 또한 낮은 소모 전력에도 불구하고, -85.8dB/Hz 의 Phase noise가 측정되었으며, 이 결과는 기존에 발표된 타 발진기와 비교할만한 수준이다. 이러한 광대역에서 동작하는 발진기는 새로이 출현하는 적응형 RF 시스템에서 하나의 중요한 소자기술이 될 수 있다.
통상적인 LC-tuned 차동 발진기의 구조에서는 출력을 부하단에 전송하기 위해 캐패시터를 사용하는 구조인데, 이때 사용되는 캐패시턴스는 전체 캐패시턴스에서 일정한 부분을 차지하게 된다. 이에 본 논문에서는 varactor를 이용하여, 전체 캐패시턴스의 가변 영역을 확장시킴으로써 발진 주파수를 확장하는 회로를 제안하였다. 제안된 회로의 성능비교를 위해 일반적인 캐패시터를 연결소자로 사용하는 발진기와 제안된 회로의 발진기를 모두 제작하였으며, 기존의 수동 캐패시터를 사용하는 경우와 비교하여 약 40% 이상의 발진 주파수 영역을 향상되었다. 또한 본 논문에서 고안된 LC-tuned 차동 발진기는 3V 공급전압과 30mA의 전류 조건에서 구동하며, 4.63~5.28GHz의 발진 영역과 전체 발진영역내에서 평균적으로 -1.9dBm$\plusmn$0.5dB의 출력파워와 218.3MHz/V의 가변 능력을 갖는다. 성능비교를 위해 제작된 통상적인 캐패시터를 연결부로 사용한 발진기의 경우 5.04~5.54GHz의 발진 영역과 평균적으로 -2.8dBm $\pm$ 0.6dB의 출력파워와 168MHz/V의 가변 능력을 갖는다. 이때 측정된 phase noise 는 5.4GHz의 반송 주파수로부터 -126.5dBc/Hz @ 1MHz offset 이다. 타 발진기와의 성능비교를 위해 F.O.M을 계산하면 -185dB/Hz 의 우수한 성능을 갖는데, 이는 최적화된 전류를 사용함으로써 전류소모량을 줄인것에 기인한다. 그러므로, 본 논문에서 제안하는 발진기는 최근에 관심이 증가되고 있는 5-6GHz 대역의 다양한 무선표준에 대응하는 중요한 소자기술이 될 수 있다.
