This thesis proposes a new voltage controlled oscillator and a new injection locked frequency divider schemes by CMOS process for millimeter wave band, especially ample free/unlicensed 60GHz band. 60GHz wide band has a benefit to multiple applications, wireless HDTV; extremely fast wireless communication systems. Moreover CMOS design is cheap and easy integrate comparing with ⅢⅤ chemical semiconductor.
The proposed VCO achieve low phase noise and high oscillation amplitude by high load impedance resonator. This resonator realizes two poles high impedance LC tank resonator by using parasitic capacitance and additional inductor. The proposed VCO use 0.13um CMOS process and core chip size is 150um 250um. It shows phase noise of -94.83dBc/Hz, -13.33dBm output power at 55.63GHz oscillation frequency, and power consumption of 8.25mW including buffer. For comparing the proposed VCO with conventional VCO, design two VCOs which use same components except inductor. The proposed VCO show 9dB higher output power and 3dB lower phase noise than the conventional VCO. Therefore, by employing this method, high performance VCO is achievable for mmW band applications.
The proposed ILFD uses ring oscillator type for high division ratio and small chip area. Injection source is directly injecting signal through injection capacitors to Ring-ILFD. Moreover this Ring-ILFD has five stages inverter for high division ratio, divide by 5 and divide by 10. The proposed ILFD is fabricated in a 0.13um CMOS process and core chip size is 125um 100um. The operation frequency is very wide, 14.9GHz~53.3GHz by tuning supply voltage. At the highest operation frequency, this Ring-ILFD has a locking range of 1.3GHz; division ratio is 10, under 5dBm input power. Power consumption is 18mW at the highest operation frequency region, supply voltage is 1.5V. By using this Ring-ILFD, high division ratio and inductor less low power ILFD is achievable for mmW band applications.
이 논문은 밀리미터 파 대역, 특히 60GHz 대역,에 적합한 CMOS 전압제어발진기와 주파수 분할기의 새로운 구조를 제안한다. 60GHz는 wireless HDTV, WPAN 등 다양한 응용분야가 있다. 더욱이 ⅢⅤ족 화합물 반도체가 아닌 CMOS로 구현하여서 싸고 집적도가 쉬운 장점이 있다.
제안된 전압제어발진기는 높은 load impedance를 가지는 공진기를 사용하여 높은 전압폭을 가지게 함으로서 낮은 위상잡음을 갖도록 하였다. 이 공진기는 추가적인 인덕터와 기생 캐패시턴스를 이용하여 두 개의 공진점을 가지는 LC tank이다. 제안된 전압제어발진기는 0.13um CMOS공정을 이용하여 제작되었고, 칩의 크기는 150um 250um이다. 55.63GHz의 발진 주파수에서 -94.83dBc/Hz의 위상잡음을 가지고 -13.33dBm의 output power를 갖는다. 이때 전력 소모는 버퍼를 포함해서 8.25mW이다. 기존의 전압제어발진기 구조와 비교하기 위해서 인덕터를 제외한 모든 소자가 같은 두 개의 전압제어 발진기를 설계하였다. 제안된 전압제어발진기는 기존의 구조보다 9dB 높은 output power와 3dB 낮은 위상 잡음을 나타내었다. 그러므로 제안된 방법을 이용하면 밀리미터 파 대역에서 고 성능 전압제어발진기의 설계가 가능하다.
제안된 ILFD는 링 오실레이터를 기반으로하여 고 분주율과 작은 칩의 크기를 갖고 있다. 입력되는 신호는 Ring-ILFD에 직접적으로 신호가 전달되어 동작속도가 빠르다. 게다가 5개의 단을 갖는 Ring-ILFD를 통해서 높은 분주율, 1/5와 1/10, 을 구현하였다. 제안된 ILFD는 0.13um CMOS공정을 이용하여 제작되었고 칩의 크기는 125um 100um이다. 전압제어를 통해 가능한 동작 주파수 범위는 14.9GHz~53.3GHz로 매우 넓다. 제일 높은 주파수 범위에서 10분의 1로 주파수 분할이 가능한 동작 범위는 5dBm이하의 입력 신호에 대해 1.3GHz이다. 전력소모는 가장 높은 주파수 범위에서 18mW를 나타낸다. 이 Ring-ILFD를 사용하여 분주율이 높고 인덕터가 없어 경제적인 밀리미터 파 대역 용 ILFD를 설계할 수 있다.
