As the development cycle of the wireless communications technology fastens, the importance of reconfigurable design grows larger and larger. Reconfigurable design enables effective implementation of a multi-standard transceiver which can processes signals from multiple existing wireless standard. In addition, it may possibly be used as a test-bed for next generation transceiver development.
With the success of high integration level architectures such as DCR (Direct conversion receiver) and Low-IF receiver, now it is a feasible goal to develop a single path multi-standard transceiver. By adopting an effective reconfigurable design method, a low power high integration level transceiver may be designed. In this dissertation, I proposed programmable LC resonant circuit for reconfigurable design of RF front-end, and applied it to the design of a reconfigurable CMOS LC QVCO.
In chapter 2, the concept of programmable LC resonant circuit is introduced. Composed of L array and C array with switches, a programmable LC resonant circuit can achieve optimized characteristics at each frequency of interest, and it can find its application as a matching circuit, a load, or LC tank of a VCO. However, as the MOS switches are not ideal switches but has some parasitic; thus, the characteristics of MOS switches and trade-off in the selection of switch size are analyzed.
In chapter 3, the basic operation of differential LC VCO and its phase noise characteristics are reviewed. One-port and two-port model of LC VCO is reviewed and well-known development idea of differential LC VCO is introduced. To provide basic knowledge about VCO phase noise, some VCO phase noise mechanism and important phase noise analysis methods are summarized.
Chapter 4 introduces proposed quadrature generation method. A new super-harmonic coupling method is introduced for low power low phase noise quadrature generation. Low phase noise performance is obtained by eliminating phase noise contribution from current source and coupling transistors. In addition, elimination of current source also eliminates the voltage headroom requirement; thus, enables low power operation. Simulation shows that the proposed method achieves 6 dB better FOM (Figure of merit) than SIPC (Source injection parallel coupled) QVCO topology with the same devices.
Chapter 5 shows the design, implementation and measurement results of reconfigurable CMOS LC QVCO. Using proposed programmable LC resonant circuit and quadrature generation topology in combination, a reconfigurable LC QVCO for multi-standard transceiver is designed. With 10 mW power consumption, the VCO achieves low phase noise performance in very wide frequency ranges of 1.72~2.49 GHz and 4.13~4.89 GHz.
무선통신표준의 발달속도가 빨라짐에 따라, 재구성 가능한 (reconfigurable) 설계의 필요성이 점차 증대되고 있다. 재구성 가능한 설계는 다중표준을 수용하는 송수신기의 구현에 있어서의 효율성을 증대시킬 수 있다. 또한, 이러한 설계는 차세대 송수신기 개발의 테스트 베드로서 사용될 수도 있다.
직접변환 수신기 (Direct conversion receiver), Low IF 수신기 등의 고집적 수신기 구조의 성공에 따라 단일 패스를 갖는 다중표준 송수신기의 구현은 실현 가능한 목표가 되고 있다. 이에 더하여 효율적인 재구성 가능 설계 방법이 개발된다면 저전력 고집적도의 송수신기가 설계될 수 있을 것이다. 이 논문에서는 프로그램 가능한 LC 공진 회로를 재구성 가능한 RF front-end 설계에 사용하는 것을 제안하고, 실제로 프로그램 가능한 LC 공진 회로를 사용하여 재구성 가능한 LC QVCO 를 설계하였다.
2 장에서는 프로그램 가능한 LC 공진 회로의 개념을 소개하였다. L array 와 C array 그리고 스위치들을 이용하여 프로그램 가능한 LC 공진 회로를 구성 할 수 있으며, 스위치의 제어에 따라 관심 주파수 대역에서 최적의 성능을 얻을 수 있다. 이 회로는 LNA, mixer 의 matching 회로나 LNA, mixer, VCO 의 부하로 사용될 수 있다. 하지만, 이 경우 MOS 스위치가 비이상적인 특성, 즉 채널 저항, capacitance 등의 parasitic 을 가지므로, 스위치의 크기에 따른 특성의 분석을 수행하였다.
3 장에서는 차동 LC VCO 의 기본 원리와 위상잡음 (Phase noise) 특성에 대한기본 이론을 정리하였다. LC VCO 의 One-port 그리고 two-port 모델을 정리하였으며, 차동 LC VCO 의 유도과정을 소개하였다. 그리고, VCO 의 위상잡음에 대한 이해를 돕기 위해서 VCO 의 위상잡음 메커니즘과 중요한 위상잡음 분석들을 정리하였다.
4 장에서는 제안된 quadrature 신호 생성 방법에 대해 설명하였다. 저전력 저위상잡음 quadrature 신호 생성을 위해서 새로운 super-harmonic coupling 방법을 제안하였는데, 이 회로에서는 전류원과 coupling 트랜지스터를 통한 위상잡음을 최소화함으로써 저위상잡음 특성을 얻을 수 있었다. 또한, 전류원을 제거함으로써 그에 필요한 전압 강하분을 제거할 수 있으므로, 이 회로는 저전력 동작에 유리하다. 시뮬레이션 결과, 제안된 회로는 기존의 SIPC QVCO에 비해서 6 dB 더 우수한 FOM (Figure of merit)을 보인다.
5 장에서는 재구성 가능한 CMOS LC QVCO 에 대한 설계, 구현, 그리고 측정 결과를 보였다. 재구성 가능한 CMOS LC QVCO 는 제안된 프로그램 가능한 LC 공진 회로와 저전력 저위상잡음 quadrature 신호 생성회로를 이용하여 설계되었다. 10 mW 전력소모를 통해서 1.72~2.49 GHz , 4.13~4.89 GHz 의 주파수 변화 특성을 얻었으며, 각 대역에서 비교적 낮은 위상잡음 특성을 얻었다. 그리고, 측정 시에 발견된 출력 간의 위상문제, 비이상적 연결선의 문제 등을 해결하기 위해 개선 방안을 제시하였다.
