This thesis presents 5Gbps gain-boosting demodulator in $0.13\microm$ CMOS for 60 GHz application. Customer demand for a higher data rate is increasing each year. Next generation wireless personal area networks (WPAN) 60 GHz band requires data rate over 1 Gbps. 60GHz band has a worldwide common unlicensed band of 3GHz, and transmits high data over 1 Gbps without complicate modulation schemes.
One of the strongest applications is handheld device because user has handheld devices and carries some of them. For this application operated in battery, low power consumption is a key issue. On-off keying (OOK) modulation scheme is the best suitable way since this scheme does not need local oscillator.
Demodulator converts 60 GHz modulated signal into information of a digital signal with low power consumption. However, main demerit of the OOK demodulator is high conversion loss that increases power consumption and limits high data transmission. Design issue of demodulator is increase in conversion gain. In this thesis, we introduce gain-boosting technique to improve higher conversion gain.
Demodulator consists of detector, gain-boosting stage, voltage level shift, and 3-stage resistive feedback baseband amplifier. A voltage responsivity of gain-boosting demodulator is 1.5 times larger than conventional demodulator, and baseband amplifier has 3-dB bandwidth of 4 GHz.
Demodulator occupies $365 x 852 \microm^2$, consumes DC power of 14.7 mW. Input return loss is below -10 dB at the 60 GHz unlicensed band from 57 GHz to 66 GHz, and detector has a voltage responsivity of 2434 mV/mW. Conversion gain of demodulator is 13.6 dBm at the -16 dBm input power. These conversion gain and voltage responsivity demonstrate high performance and possibility in low power system. Furthermore, measure eye diagram shows 5 Gbps data rate, and energy per bit indicating energy efficient is the highest value of 2.94pJ/bit among ever published papers. Finally, these measured values show that proposed demodulator is suitable for handheld device of 60 GHz band.
In the appendix, I introduce X/Ku-band SiGe LNA. Inductors using MISM lines have above Q-factor of 19 consuming small chip area. Proposed LNA has a mean noise figure of 1.73 dB from 10.5 GHz to 13.5 GHz within a small chip area of $0.34 mm^2$. The maximum power gain is 15.9 dB at 12 GHz, and the input 1-dB compression point and input third-order intercept point $(IIP_3)$ are -12 dBm and -3.5 dBm, respectively, under a power consumption of 9 mW from a 1.8 V supply. In comparison with other Ku-band LNAs that use Si-based technology, this LNA appears to achieve the lowest noise figure with the smallest chip area.
본 학위 논문은 무선 단말기에 적용하기 위해 $130\microm$ CMOS를 이용한 저전력 밀리미터파 대역 복조기 회로를 소개한다. 소비자들의 무선통신 데이터량에 대한 수요는 매년 증가하고 있고 다음 세대 wireless personal area network (WPAN)은 1 Gbps이상의 속도를 요구하고 있다. 60GHz 대역은 세계 공통적으로 3 GHz 이상의 넓은 비면허 대역을 갖고 60 GHz 대역의 특성상 주파수 재사용이 가능하고 회로의 크기가 작고 보완성이 우수하며 복잡한 변조방식을 사용하지 않아 저비용이 가능하다. 이러한 장점은 60GHz 대역에서 Gbps급 무선 데이터 통신의 무수한 가능성을 보여준다.
60 GHz대역의 단말기 중 가장 많이 사용되는 이동단말기는 누구나 소유하고 휴대하기 때문에 그 시장규모가 가장 클 것으로 보인다. 이러한 이동 단말기 응용을 위해서는 무엇보다 저전력 소모가 가장 중요하다. OOK 모듈레이션 방식은 국진 발진기가 필요 없기 때문에 저전력 구조 시스템에 가장 적합하다.
본 논문에서는 OOK 모듈레이션 회로 중 복조기를 소개한다. 복조기는 60GHz의 변조된 신호를 복조하여 디지털 신호로 복원한다. 복조기는 단점은 주파수 변환 이득이 낮다는 것인데, 이는 시스템 전체 저전력 구조와 고속 다운로드에 제한이 된다. 따라서 변환 이득을 향상시키는 것이 중요한데, 이를 위해 이득향상 기법을 사용하여 변환 이득을 향상시킨다.
복조기는 엔벨럽 딕텍션을 하는 탐지기와 게인 향상, 전압 레벨 변환, 3단 저항을 이용한 되먹임 베이스밴드 증폭기로 구성된다. 게인 향상 기법은 기존의 구조를 사용한 것보다 voltage responsivity (mV/mW)를 1.5배로 향상시키고 베이스밴드 증폭기는 4GHz의 대역을 가져 높은 효율, 높은 데이터 전송률을 갖게 하였다.
단일 칩으로 제작된 이득향상 복조기는 $0.365 x 0.852 \microm^2$ 의 면적을 차지하고 14.7mW의 전력을 소비한다. 입력 반사계수는 60 GHz 무면허 대역인 57 GHz ~ 66GHz에서 -10 dB 이하의 값을 갖고 2343 mV/mW의 voltage responsivity를 가져 뛰어난 성능을 보여주었다. 복조기의 변환 이득은 -16 dBm 입력일 때 13.6dB의 값을 갖는다. 더욱이 eye diagram은 5Gbps의 데이터 전송률이 가능함을 보여주었다. 에너지의 효율성을 나타내는 energy/bit [pJ/bit]은 2.94 pJ/bit으로 아주 작은 값을 갖고 이 값은 복조기가 아주 효율적임을 보여준다.
제안된 복조기는 출판된 논문 중에서 가장 큰 값의 변환 이득을 갖고 가장 높은 데이터 전송률을 보여준다. 이러한 값들은 제안된 복조기가 아주 효율적이고 60 GHz 대역의 이동 단말기에 아주 적합함을 보여준다.
부록에서는 SiGe을 이용한 X/Ku-band의 저잡음 증폭기를 소개한다. MISM 을 이용한 인덕터는 19이상의 Q값을 갖고 적은 면적을 사용하게 된다. 제안된 저잡음 증폭기는 $0.34mm^2$ 의 면적에 10.5 GHz ~ 13.5 GHz에서 평균 1.73dB의 잡음 지수를 갖는다. 이는 실리콘 기술을 기반으로 한 Ku-band 저잡음 증폭기 중 가장 작은 면적을 차지하면서 가장 작은 잡음지수를 갖는다.
