In this thesis, a fully-integrated 5GHz differentially-tuned CMOS LC voltage controlled oscillator (VCO) for a half-rate 10Gb/s clock and data recovery (CDR), is designed and analyzed. The designed VCO has the feature of simple LC tank which gives high VCO performance. By using differentially-tunable voltage control topology, high frequency tuning range and ideal tuning linearity could be obtained.
The proposed 5GHz VCO had wide tuning range, super tuning linearity and low phase noise performances for half-rate 10Gb/s CDR applications and the TSMC 0.18$\mum$ CMOS technology was used for integrated circuits (IC) design. In order to verify its operation after IC fabrication, the designed IC was simulated under the various realistic environments: temperature and process variations. The VCO has the principal designed specifications of -135dBc/Hz @ 1MHz offset frequency and 4.25GHz~5.7GHz frequency tuning range (28%) in the simulation using the Cadence as a design tool.
본 논문에서는 고속 광 송수신기의 half-rate 10Gb/s CDR에서 필요로 하는 5GHz의 전압제어 주파수발생기를 0.18 $\mum$ CMOS 공정을 이용하여 새로이 설계하고 설계된 회로의 시뮬레이션 및 그에 대한 분석에 관한 내용을 중점으로 한다.
10Gb/s 클럭 및 데이터 복원기(CDR)는 광통신 시스템의 수신단 블록에서 수신된 입력 데이터가 높은 잡음 특성과 비동기적 성격을 띔에 따라 저잡음, 동기적 신호 처리를 위하여 요구되는 타이밍 정보를 제공하는 역할을 담당한다. 따라서, 수신된 데이터로부터 정확한 타이밍 정보를 제공해주기 위해 필요한 주요한 부분은 첫째, 수신된 데이터와 동일한 주파수를 갖는 클럭을 발생시키는 전압제어 주파수발생기부(VCO), 둘째로, 입력 데이터와 발생된 클럭 사이의 위상차를 검출하고 위상차에 해당하는 펄스를 발생시키는 위상 검출기부 (PD)로 구분될 수 있다.
특히, 전압제어 주파수발생기는 복원된 데이터의 지터와 BER성능에 결정적인 영향을 끼치는 중요한 블록으로써, 본 논문에서는 5GHz의 전압제어 주파수발생기의 구조 분석을 통해 노이즈 특성의 우수성과 높은 출력 전압폭 및 낮은 전력소모의 장점을 가진 NMOS-PMOS cross-coupled LC type VCO를 기본 설계 구조로 하여 설계를 하였다. 또한, 제안된 전압제어 주파수발진기의 동작 주파수 영역에서의 제어전압 대비 가변주파수의 선형성 및 주파수 조절 범위를 극대화하기 위하여, 입력 제어 전압과 varactor사이의 전압차를 차동적으로 제어 할 수 있는 LC tank구조를 통해 매우 이상적인 선형성을 갖고, 우수한 노이즈 특성, 넓은 주파수 조절 범위를 갖는 VCO를 설계할 수 있었다.
제안된 전압제어 주파수발생기는 1.8V 의 공급전원 환경에서, 5GHz에서 1MHz떨어진 곳에서 -113.5dBc/Hz의 우수한 노이즈 특성과 4.25GHz~5.7GHz의 넓은 주파수 가변 특성 및 725MHz/V의 VCO이득 결과를 보였다. 또한, 추후 설계된 전압제어 주파수발생기의 제작시 측정 오차를 줄이기 위하여, 온도 변화와 공정상의 worst-case변화에 대한 시뮬레이션을 통해 실제 환경속에서도 설계한 VCO가 매우 안정적인 동작을 보장함을 확인하였다. 또한, 5GHz의 중심주파수를 갖는 여러 가지 전압제어 주파수발생기와의 성능 비교를 통하여, 본 논문에서 제안한 VCO는 선형성, 이득, 주파수 조절범위, phase noise 특성면에서의 우수성을 확인할 수 있었다.
이러한 특성들을 갖도록 설계된 전압제어 주파수발생기는 제어전압 대비 가변주파수의 선형성이 매우 이상적이며, 우수한 잡음 특성 그리고 넓은 주파수 가변폭을 제공함으로써, 수신기의 jitter와 BER 성능에 중요한 영향을 끼치는 half-rate 10Gb/s CDR회로에 직접 적용 가능함을 확인할 수 있다.
