This thesis proposes a simple ASK modulator for 60GHz application. Every independent chips and integrated modulator is fabricated with 0.13um 1P8M bulk CMOS technology. The proposed modulator integrates a VCO as a signal source, and a switch for ASK modulation. The fabricated chip has a dimension of 971um $\times$ 726um $\times$ 300um. It shows output power of -16.6dBm and tuning range of 4GHz, from 52GHz to 56GHz. The data rate of proposed ASK modulator is 5Gbps, which is the best among reported ASK modulator. It also consumes the least DC power, among the ASK Modulators with active component. The operation is simple, which makes less circuits and power consumption possible, in a view point of transmitter system. The VCO generates a CW signal of 60GHz with the DC power, and the switch receives the signal as an input. A base-band signal received as another input of switch induces the on/off operation of switch. Then, at an output of switch generates a ASK modulated signal, in 60GHz band.
Each VCO and switch is optimized for Ask modulation. The VCO designed with cross-coupled topology, which is easily oscillated with low DC power. This topology has been widely used for VCOs in many applications, by reason of easily achievable symmetry of VCOs. A size of the fabricated VCO is 530um $\times$ 615.5um $\times$ 300um, with on-wafer test pads. An output power of the VCO is -6.35dB and tuning range is 4GHz. The VCO core consumes only 8.64mW, and shows the best power efficiency in comparison among previously reported VCOs, which is requirements for a signal source of ASK modulation. A phase noise is measured almost same with the simulated results, -86.5dBc/Hz at 1MHz offset.
The proposed switch uses series-shunt topology with an impedance transformation concept, for optimizing the isolation. By using this concept, high isolation over wide frequency range is able without additional circuits or power consumption. The simulated and fabricated millimeter switch has a dimension of 680um x 712um x 300um. The optimized isolation is -56.6 dB and insertion loss is 6.2dB at 60GHz. On/off ratio of the proposed switch is 50.4dB at 60GHz and exceed 20dB in frequency range from 49GHz to 76GHz. On/off control voltages for the switch is 700mVpp, which has range from 1V to 0.3V. The base- band signal has voltage level of 700mVpp, so there is no requirement for additional circuit to modify the base-band signal.
Considering the integration of a transmitter system, the proposed ASK modulator is suitable for communication systems for 60GHz application, which requires high data rate while consuming less DC power.
본 논문에서는 간단한 구조를 가지면서 높은 data rate 의 변조를 수행할수 있는 CMOS ASK 변조기를 제안하고, 이를 0.13um CMOS 공정을 이용하여 구현 및 측정하였다. 가장 간단한 변조 방식인 ASK 변조의 특성에 따라 전송기를 구현할 경우 필요한 회로의 수가 감소하고, 그에 따라 소모하는 전력의 양을 줄일 수 있다. 또한, ASK 변조방식의 경우 위상잡음에 의한 영향이 적기 때문에, 발진기에 요구되는 성능에 제약이 줄어들게 되고, 이 경우에도 소비 전력을 줄일 수 있는 장점이 있다. 제안하는 변조기는 전압 제어 발진기와 스위치로 구성되어 971um $\times$ 726um $\times$ 300um 크기의 단일 칩으로 제작 되었다. 제안하는 변조기 구조에서는, 전압 제어 발진기에서 직류 전력을 받아 일정한 크기의 지속파를 발생시키고, 이 신호를 스위치의 입력신호로 전달한다. 스위치에서는 기저대역의 디지털 신호를 스위치 조절신호로 받아들여, 지속파의 ASK 변조를 실행한다.
전압 제어 발진기는 가장 널리 이용되고 있는 cross-coupled 구조를 이용하여, 낮은 전력을 소비하면서 높은 출력파워를 낼 수 있게 설계하였다. Cross-coupled 구조의 장점은, 구조상의 대칭성을 쉬운 방법으로 얻을 수 있다는 점과, 또한 전압 이득 루프의 위상 변화가 0 도가 됨으로써 발진이 쉽다는 점이다. 트랜지스터의 크기와 LC 공진기의 최적화를 통해 최고의 전력 효율을 낼 수 있음을 시뮬레이션을 통해 확인하고 이를 구현하였다. 전압 제어 발진기는 530um $\times$ 615um $\times$ 300um 의 크기로 제작 되었고, -6.35dBm 의 출력파워와 4 기가 헤르츠의 조율 범위를 가진다. 위상 잡음은 1 메가 헤르츠의 오프셋 주파수에서 -86.5dBc/Hz 이고, 발진기 중심부에서 8.64mW 의 전력을 소비한다.
밀리미터파 스위치는 변조를 실행하는 주요 회로로서, 크기는 680um $\times$ 712um $\times$ 300um 이다. 변조 시 사각 파의 구성성분에 의해 다양한 고조파가 형성되는데 이 고조파들은 사각 파의 정보를 포함하고 있다. 이 고조파들의 일그러짐을 막기 위해 밀리미터파 스위치는 넓은 주파수 범위에서 on/off 비율을 유지해야 하는데, 이를 위해 series-shunt 구조를 이용하였다. 이 구조를 사용할 시 발생하는 추가적인 회로의 필요성과 전력 소모를 제거하기 위해, 다른 용도의 임피던스 변형 개념을 제안하여, 넓은 대역의 격리를 증가시켰으며, 삽입 손실을 최소화 하기 위해 트랜지스터의 series-shunt 크기비율을 최적화 하였다. 이 회로 설계를 통해, 60 기가 헤르츠에서 삽입 손실은 6.2dB, 격리는 56.6dB 의 결과를 얻었다. On/off 비율은 49 기가 헤르츠부터 76 기가 헤르츠까지의 대역에서 20dB 이상을 유지함으로써 스위치가 5Gbps 의 data rate 의 기저대역 데이터 신호를 변조할 수 있도록 설계 하였다.
집적된 ASK 변조기는 -16.6dBm 의 출력 전압을 내는데, 이는 계산된 수치 -15.8dBm 과 거의 차이가 없는 수치임이 수식 계산을 통해 증명되었다. 또한, 능동 소자로 설계, 제작된 ASK 변조기 중, 가장 낮은 전력 소비로 가장 높은 data rate 의 변조를 수행할 수 있음이 시뮬레이션을 통해 입증 되었다. 스위치 설계상의 실수로 인해 측정 결과는 시뮬레이션 결과와 차이가 크지만, 역 시뮬레이션을 통해 문제점을 찾아 내었고, 이 문제점이 해결될 경우 충분히 시뮬레이션과 같은 결과를 낼 수 있음이 계산을 통해 밝혀졌다.
더 나아가서, 이 변조기를 통해 전송 시스템을 구현할 경우, 이론적으로 전체 소비 전력 50mW 수준에서 5Gbps 의 data rate 를 갖는 기저대역 신호의 변조가 가능하다.
본 논문에서는 위에서 말한 특징을 가진 ASK 변조기를 변조방식에 최적화 된 방법으로 제안하였고, 0.13um CMOS 공정을 통해 설계, 제작 및 측정하여, 제안된 방법의 유효성을 검증 하였다. 제안된 구조는 ASK 변조 방법에 큰 이점을 가지는 적합한 구조로서, 이를 통해 집적될 수 있는 전송 시스템은 60 기가 헤르츠 대역의 무선 통신 시스템에 적합하며, 송/수신 양면에서 매우 유리한 위치를 가질 수 있을 것으로 전망된다.
