Recently system demands lots of application standards in single device. But unfortunately each standard uses individual system chain. It wastes of chip size, extra cost and complexity. That is because for example if the device needs four standards, four individual system chains will be required and this will lead us to large size. Because of the large size the extra cost will be needed. And for the each system chain control circuit is needed so, this will make the total chip more complex and more size.
To solve these problem multi-standard wireless device are now highly demanded. To realize the multi-standard receiver, wideband or multiband voltage controlled oscillator (VCO) is essential to operate the wireless system. However traditional VCO design techniques are not suitable for wideband or multiband VCO design. By taking the VCO core to operate as wideband switched capacitor array is necessary. But, this structure makes the degradation of phase noise.
In the master thesis I focus on to design a wideband and low phase noise VCO. There is a filtering technique to lower the phase noise of the narrowband VCOs. It makes the common mode node as high impedance to prevent the down converting of 2nd order harmonic. But, it has difficulty to apply to the wideband VCO. Because LC resonator operate as narrowband, so to cover the wideband filtering multiple passive inductor is required this is the critical disadvantage to the system. So, this paper recommends active inductor filtering technique. Active inductor doesn’t waste extra area of the chip and shows better phase noise than conventional VCO. Wu folded active inductor structure is chosen for the design. Measurement results shows that the power consumption of this VCO is 5 mW form the 1.2 V power supply, the tuning range is from 3.8 GHz to 5.6 GHz, and the phase noise at 1 MHz from the carrier frequency of 4.28 GHz -119.21 dBc/Hz and FoMA shows 189.5. And the core size is 0.344 $mm^{2}$ size is reduce as portion of 37.68 % compare to LC filtering technique VCO. Second proposed VCO was to use as universal phase noise improvement. I focused at fixed capacitor which is to use for setting the wanted frequency. But choosing the fixed capacitor there is two way inside case and outside case. Both has individual advantage so I split the fixed capacitor and take the both advantage. The power measurement results of split fixed capacitor is 6.48 mW form the 1.2 V power supply and tuning range is from 2.35 GHz to 2.467 GHz, and the phase noise at 1 MHz from the carrier frequency of 2.44 GHz -124.95 dBc/Hz and FoM is -184.54.
최근의 시장에서는 단일 장치에 다양한 표준을 요구하고 있다. 특히 미래의 이동통신은 CDMA, GSM, WCDMA 등의 이동통신과 함께 다양한 표준의 WLAN(802.11 a/b/g/n), 방송(DMB), Zigbee, UWB, RFID, ubiquitous wireless sensor 와 앞으로 새롭게 제시될 다양한 표준이 단일 단말기로 구면되는 융복합(conversions)의 개념이 도입된다. 그러나 불행하게도 현재의 시스템은 각 표준 별로 개별적인 시스템을 갖고 설계가 되고 있다. 이러한 설계는 장치의 전체적인 칩 사이즈와 복잡도가 증가하여서 결과적으로 가격의 상승으로까지 이어지게 된다. 그 이유를 살펴보면 예를 들어 하나의 장치에 4가지의 표준을 적용시켜야 한다고 생각해 보자, 그로 인해 각각의 표준 별로 개별적인 시스템을 적용해야 하게 되고 사이즈의 증가를 야기 시킨다. 최종적으로는 다수의 시스템의 의한 복잡성도 증가하여 가격의 상승이라는 상황을 초래하게 된다.
이 문제를 해결하기 위해 다양한 표준을 만족할 수 있는 장치의 개발이 요구되고 있다. 다양한 표준의 수신기를 제작하기 위해선 광대역 또는 다중대역 전압 조절 발진기는 기본적으로 필요로 한다. 그러나 기존의 발진기의 제작 기술은 광대역 또는 다중대역 발진기 제작에 어려움이 발생한다. 발진기가 광대역으로 동작하게 하기 위해 switched capacitor array가 필요하게 된다. 그러나 가장 중요한 phase noise 특성이 나빠지게 된다.
이번 석사 졸업 논문에서는 광대역을 이루면서 phase noise 특성이 좋은 VCO를 설계 하는데 주안점을 두었다. 첫째로 phase noise 향상을 이루지만 협대역으로 동작하는 filtering technique이 있다. 2번째 고조파 주파수에 맞춰 common mode node의 임피던스를 높게 만들어서 2번째 고조파의 down converting을 최소화 하는 기술이다. 그러나 광대역 발진기에 적용시키는 데는 어려움이 있다. 왜냐하면 LC 공진기는 협대혁으로 동작하게 되므로 광대역으로 동작하게 하기 위해선 다수의 수동 인덕터가 필요하게 된다. 그러나 다수의 수동 인덕터가 들어가게 되면 면적의 증가는 불가피 해지고 큰 단점이 된다. 그러므로 능동 인덕터를 이용한 filtering 기술은 제안하였다. 능동 인덕터를 이용한 filtering 기술은 기존 VCO보다 나은 phase noise 성능을 보이면서 면적을 거의 차지하지 않는다. Active inductor 중에서도 Wu folded active inductor의 구조를 선택하였다. 측정 결과를 살펴보면 1.2 V를 이용하여 5 mW의 파워를 소모한다. 주파수 범위는 3.8 GHz 부터 5.6 GHz까지 이며, 4.28 GHz에서 측정된 phase noise는 -119.21 dBc/Hz 그리고 FoMA는 189.5이다. 코어의 사이즈는 0.344 $mm^{2}$로 기존 LC filtering 기술 VCO 보다 약 37.68 %의 면적 감소 효과를 이룰 수 있다.
두 번째로 제안된 구조는 모든 VCO에 적용될 수 있는 형태이다. Tank 안의 고정된 capacitor의 값에 주목하였다. 이 고정된 capacitor는 발진기가 원하는 주파수에서 동작하게 하기 위해서 필요로 하게 된다. 고정된 capacitor를 선택할 때는 두 가지 방법이 있다. Capacitor를 안쪽에 AC ground를 형성해서 연결하는 방법과 바깥쪽에 ground에 직접 연결해서 하는 방법이다. 두 가지 방법 모두 각자의 장점을 갖고 있다. 그러므로 제안된 발진기 에는 두 가지 방법을 모두 혼합하여 양쪽의 장점을 취하였다. 소모된 파워는 6.48 mW이고 1.2 V 전압을 사용하였다. 주파수 범위는 2.35 GHz 부터 2.467 GHz까지 이다. 그리고 2.43 GHz에서 측정된 1 MHz offset phase noise는 -124.95 dBc/Hz이고 FoM은 -184.54이다.
