This thesis proposes a low power, low flicker noise and high IIP3 I/Q mixer for 76-108MHz EURO/US/Korea/Japan FM radio receiver applications is presented. Before explaining proposed I/Q mixer, the fundamental theory of mixer is summarized. The explanation of performance metrics of mixer and various mixer architectures are also included.
The proposed I/Q mixer includes a trans-conductance (Gm) stage, a current mode passive mixer core driven by a 25% duty cycle LO, a trans-impedance amplifier (TIA), and a 25% duty cycle LO generator. By adopting gm” cancellation in the Gm stage and a 25% duty cycle LO in the switching stage, the proposed mixer achieves good linearity and significantly low 1/f noise with extremely low power consumption. Simulated in 65nm CMOS technology, the proposed mixer shows 23dB gain, 8.7dB DSB-NF, under 10kHz 1/f noise corner frequency, and 10dBm IIP3, respectively, while consuming 960uW from a 1.2V supply.
요즘에 많은 사람들이 사용하고 있는 스마트 폰, MP3 플레이어, PMP 등의 휴대기기에는 그것들의 기복적인 기능뿐만 아니라 다양한 기능들을 수행할 수 있도록 부가기능들이 추가되어있다. 작은 제품 안에 다양한 기능을 넣는 것이 가능한 이유는 CMOS 공정의 발달 때문이다. CMOS 공정이 발달함에 따라 다양한 기능을 수행하는 아날로그 회로, RF 회로, 디지털 회로를 매우 작은 실리콘 반도체 위에 구현 할 수 있게 되었고 이런 반도체를 이용하여 제품의 크기를 줄이는 것이 가능한 것이다.
휴대기기들의 다양한 부가기능 중에 FM 라디오가 있다. 오래된 방송매체이지만 현재까지도 다양한 방송 프로그램이 송출되고 있고 그로 인해 거리를 다니거나 대중교통을 이용할 때 휴대기기를 사용하여 FM 라디오 방송을 듣는 청취자들이 여전히 많이 있다. 따라서 휴대기기의 부가기능으로써 FM 라디오의 유무는 사용자들이 휴대기기를 선택할 때 큰 영향을 줄 것이라고 판단된다. 배터리로 동작되는 휴대기기의 생명은 오랜 지속시간이다. 하지만 다양한 기능을 수행하다 보면 휴대기기의 파워소모가 심해져서 그 기능을 오래 지속할 수 가 없게 된다. 따라서 각 기능을 수행하는 회로들의 파워소모를 줄이는 것이 중요한 이슈중의 하나이다.
FM 라디오 수신기도 마찬가지이다. 휴대기기 기능 중의 일부로서 파워 소모를 줄여서 휴대기기의 원래 기능을 오래 사용하는데 문제가 없어야 한다. 파워 소모를 줄이기 위해 구조가 간단한 direct conversion 방식이나 low-IF 방식의 수신기를 많이 사용한다. 하지만 이런 구조에서는 1/f 잡음이 문제가 된다. 왜냐하면 ownconversion된 신호가 1/f noise corner 주파수 아래에 위치하게 되기 때문이다.
전체 수신기에서 1/f 잡음에 가장 큰 영향을 주는 building block 중의 하나가 바로 믹서이다. 기존에 많이 사용되던 active 타입의 믹서는 switching 단에 AC 전류 뿐만 아니라 DC 전류가 많이 흐르기 때문에 기본적으로 1/f 잡음성능이 좋지가 않다. active 타입 믹서의 1/f 잡음을 개선시키기 위해 많은 회로적인 접근이 시도되었고 그 중에 bleeding current 를 사용하여 switching 단에 DC 전류를 줄여 1/f 잡음을 줄이는 current bleeding technique 이 많이 사용 되어왔다. 하지만 1/f 잡음을
줄이는 것은 가능 했지만 믹서의 중요한 또 하나의 성능인 IIP3 성능이 문제가 되었다. 특히 CMOS 공정이 발달하면서 전원 전압이 점점 낮아지는 추세에 있어서 트랜지스터가 위로 많이 stack 되는 active 믹서 구조로는 시스템에서 요구되는 믹서 성능조건을 맞추기가 힘들어지고 있다. 반면에 passive 타입의 믹서는 switching 단에 DC 전류가 기본적으로 흐르지 않아 1/f 잡음과 IIP3 성능간에 trade-off 가 적어 최근에 많이 주목을 받고 있다.
본 논문에서는 FM 라디오 수신기에 사용되는 저전력, 저 1/f 잡음 및 높은 IIP3 특성을 갖는 I/Q 믹서를 제안하였다. I/Q 믹서는 Gm 단, switching 단, transimpedance amplifier 단, 그리고 25% LO duty cycle 을 갖는 LO 발생기로 구성이 되어있다. Current driven passive 타입의 믹서를 기본 구조로 사용하여 switching 단에서 발생하는 1/f 잡음을 줄이고 Gm 단에 gm” cancellation 기법을 nMOS 입력과 pMOS 입력에 각각 적용하여 IIP3 성능을 개선하였다. 또한 기존의 50% duty cycle LO 대신에 25% duty cycle LO 를 적용하여 I/Q 믹서의 이득과 잡음 성능을 더욱 개선하였다.
제안된 I/Q 믹서는 65nm CMOS 공정으로 설계가 되었고 시뮬레이션 결과 23dB 전압이득, 8.7dB DSB-NF, 10dBm IIP3, 10kHz 이하의 1/f noise corner 주파수를 얻었다.
전원전압으로 1.2V 를 사용하였으며 800uA 라는 작은 전류를 소모하여 위와 같은 성능을 낼 수 있었다.
