The CMOS technologies have become increasingly attractive for use in wireless receivers and it might have been expected to do that in the future. Also, among all RF blocks, voltage-controlled oscillator (VCO) has received the most attention in recent years. Therefore, it is a good challenge to design for the high performance VCO on the CMOS chip. In this thesis, we present the low power Quadrature VCO applied to down-mixer of the receiver system by using the CMOS technology.
In this paper, a new quadrature VCO (QVCO) topology is proposed where the back-gates of the core transistors are used as coupling terminals. The use of back-gates reduces the power dissipation and removes the additional noise contributions compare to the conventional coupling transistor based topology. The advantages of the proposed QVCO topology in comparison with prior works are exploited based on simulation. A QVCO based on the proposed topology with additional design ideas has been implemented using a 0.18-$\mum$ CMOS technology for 1 GHz-band operation, and measurement shows the phase noise of -120dBc/Hz at 1MHz offset with output power of 2.8dBm, while dissipating only 3mA for the whole QVCO from 1.8V supply.
Additionally, a 5-GHz LNA for wireless LAN application based on 0.5$\mum$ SiGe BiCMOS is explained in Appendix A.
최근 모바일 통신 시스템에 대한 관심이 증대되면서, RFIC의 개발은 저전력, 저비용, 높은 직접화를 목표로 연구되어 지고 있다. 그러한 요구를 만족시키기위해 가장 관심있게 개발 되고 있는 RF 트랜시버는 직접변환방식(Direct-conversion) 송수신기이다. 이 직접변환방식의 송수신기를 구현하기 위해서는 VCO로부터 4-위상 신호가 요구된다. 또한 VCO는 전력소비가 다른 블록과 비교해 크기 때문에, 저전력의 4-위상 VCO 설계를 위한 연구가 많이 되어지고 있다.
본 논문에서는 직접변환방식 송수신기에 적용할 수 있는 4-위상 전압제어발진기를 기존의 방법과는 다른 커플링 방법을 제안함으로써 저전력의 페이즈 노이즈 특성을 향상시킨 4-위상 전압제어발진기를 설계하였다. 4-위상 전압제어발진기(Quadrature VCO)는 출력단에서 직접적으로 $90^\circ$의 위상차를 가지는 신호가 발생되는 VCO를 말한다. 종래의 Quadrature VCO는 각각의 differential VCO의 신호를 서로 다른 VCO로 커플링 시킬 때, 추가적인 트랜지스터(커플링 트랜지스터)를 사용한다. 회로에서 커플링 트랜지스터의 사용은 더 많은 전력 소비와 노이즈를 유도하는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 연구에서는 커플링 트랜지스터를 사용하는 대신 코어 트랜지스터의 백게이트를 이용하여 신호를 커플링 시키는 방법을 제안하고, 다른 추가적인 아이디어를 적용하여 새로운 4-위상 전압제어발진기를 구현하였다. 구현된 Quadrature VCO는 0.18-$\mum$ CMOS 공정을 이용하였으며, 페이즈노이즈 측정결과 1MHz 옵셋에서 -120dBc/Hz를 보여주었다. 또한, 전력소비는 1.8V 전원에서 5.4 mW의 매우 저전력의 특성을 나타내었다.
