A reconfigurable RF front-end using a tunable interstage matching network is designed in 0.25 $\mum$ CMOS technology. It consists of a wideband LNA, interstage matching network, a Gilbert-cell mixer, and reconfigurable QVCO. Tunability of the interstage matching can be obtained by a MOS varactor. It can change tuning frequency by controlling capacitance of varactor. Gain of the RF front-end can be flattened over whole target band by the proposed interstage matching form 1.8 to 2.4 GHz. It can also reduce chip-size and noise for added inductor.
The reconfigurable QVCO composed of L and switched C tank has wide tuning range from 1.76 to 2.6 GHz and low phase noise less than -120 dBc/Hz at 1MHz offset from the carrier frequency. The proposed QVCO can generate quadrature signals by superharmonic coupling with inductors. It can reduce phase noise by substituting current source into decoupling inductors. Low phase noise characteristic is also achieved by optimizations of many noise sources in the QVCO.
Designed RF front-end has homogeneous performance from 1.8 to 2.4 GHz. It can be used for 3G wireless communications, mobile internet, and WLAN applications such as IEEE 802.11b/g.
무선 통신 기술의 빠른 발전에 따라 여러 가지 주파수 대역을 지원하는 다중 모드 RF front-end 에 대한 수요가 급증하고 있다. 이러한 다중 모드 동작을 위해서, 광대역 매칭 (wideband) 이나 다수 주파수 대역에 대한 동시 매칭(concurrent) 방법 등이 고안되었으나 성능 저하나 chip 크기의 증가라는 문제가 야기 된다.
본 논문에서는 기존의 다중 모드 RF front-end 구성 방법들의 문제점을 해결하기 위해서, 가변 커패시터 (varactor) 를 이용한 interstage matching 회로를 제안하여 광대역 LNA 와 mixer 로 이루어진 RF front-end 를 구성하였다. 이 matching 회로는 전압에 따른 커패시턴스 값의 변화를 이용하여 동작 주파수 에 따른 interstage matching 을 가능케 하였다. 그 결과, 고안된 RF front-end 는 작은 크기와 낮은 전류 소모로서 1.8~2.4 GHz 주파수 범위에서 전체적으로 균일한 성능을 얻을 수 있었다.
다중 모드 지원을 위한 전압 제어 발진기 (VCO) 는 넓은 주파수 범위에 걸쳐서 발진해야 하며 낮은 위상 잡음을 가져야만 한다. 또한 직접 주파수 변환 방식 (direct-conversion) 송, 수신기에 사용하려면 90$\deg$만큼의 위상 차이 가 나는 4 개의 신호 (quadrature) 를 만들어 낼 수 있어야 한다. 본 논문에서 제시하는 VCO 는 결합 트랜지스터와 인덕터를 이용하여 quadrature 를 만들어 내며, 이는 기존의 quadrature 신호를 만들어 내는 방식보 다 우수한 위상 잡음 특성을 가진다. 특히, VCO 내의 잡음 유발 소자들에 대한 체계적 실험을 통 해, 그들 상호간의 영향과 VCO 의 전체 성능에 끼치는 영향을 살펴 보았다.
제안된 RF front-end 와 VCO 는 모두 TSMC 0.25 $\mum$ 공정을 이용하여 chip 으로 제작 되었다. 측정 결과로서 RF front-end 는 목표로 하는 전 주파수 대역 에서 -10 dB 이하의 반사 계수와 약 15 dB 의 전압 변환 이득을 가진다. 실험결과와 다소 차이는 있지만 전 주파수 대역에 따라 균일한 성능이 나오는 것 을 통해서 제안된 interstage matching 의 타당성이 입증된다. VCO 는 실험시보다 약 500 MHz 높은 주파수에서 발진이 일어나며 그 범위도 35% 정도 감소 되었다. 이는 실제 설계 시, 과도하게 계산된 기생 성분이 반영된 작은 인덕턴스값과 커패시터를 동작시키는 스위치 트랜지스터의 높은 저항에 기인한다.
끝으로, 다중 모드 지원을 위한 무선 송, 수신기는 필연적으로 넓은 주파수 대역을 지원해야만 하며, 주파수에 대한 가변성이 매우 필수적인 요소가 된다. 이러한 점에 비추어 볼 때, 제안 된 RF front-end 와 VCO 는 효과적인 해결 방안이 될 수 있다.
