Phase noise of voltage-controlled oscillators (VCOs) is a key figure in the design of wireless communication systems. If the phase noise is low, it will lower the bit error rate of the systems. It is well known that in VCO designs the higher the power consumption, the lower the phase noise. However, if too much power is used for the VCOs, the battery life will be shorter. Therefore, low power and low phase noise are two of the most important concerns when designing the VCOs to extend the battery life and lower the bit error rate of the wireless communication systems, respectively.
In this dissertation, three low power, low phase noise VCOs are proposed. The first two VCOs aim at the target of small power consumption and very low far-out phase noise. Meanwhile, the last VCO deals with the close-in phase noise. All three proposed VCOs are designed using TSMC 0.18 μm CMOS technology.
The first VCO is called the tuned-input tuned-output (TITO) VCO with loop gain enhancement. By using a negative conductance in parallel with the output tank, the minimum start-up requirement of the single-ended TITO oscillator can be as small as or even smaller than that of the cross-coupled LC oscillator. Compared to the conventional TITO VCO, the proposed TITO VCO has the loop gain which is 2.5 times higher, and saving 58% of power consumption. The measurement result of the first proposed VCO shows that the phase noise is -120.5 dBc/Hz at 1 MHz offset frequency from the oscillation frequency of 6.08 GHz while dissipating 1.5 mA from a 1.8-V supply. The VCO has an excellent FOM of -191.9 dBc/Hz.
The second proposed VCO is the dual positive feedback VCO with noise cancellation. By employing two positive feedback loops to enhance its output swing and to partially cancel the drain noise currents of active devices, the proposed VCO can operate at a low supply voltage and has excellent phase noise performance in the 1/f 2 region. The measurement result of the second VCO shows that the phase noise at 1 MHz offset frequency from the oscillation frequency of 3.8 GHz is -126.6 dBc/Hz. With a power dissipation of 5.1 mW from a 1-V supply, the proposed VCO has a very good FOM of -191.1 dBc/Hz.
The third VCO is for suppressing AM-to-FM conversion in a differential cross-coupled LC VCO. By connecting resistors between the gate of one switching transistor and the drain of the other in the cross-coupled oscillator, AM-to-FM conversion by the parasitic capacitances of the switching transistors reduces remarkably. The conversion is negligible in the proposed oscillator, resulting in a phase noise with no 1/f 3 region. In the proposed VCO, the improvement of the phase noise at 10 kHz offset frequency varies from 7.4 dB to 13.9 dB depending on the oscillation frequency. This proposed VCO not only has excellent close-in phase noise, but also very good far-out phase noise and FOM. The post-simulation result shows that the proposed VCO has the phase noise of -128.7 dBc/Hz at 1 MHz offset frequency from the oscillation frequency of 2.55 GHz while dissipating 3.5 mA from a 1.5-V supply. The corresponding FOM is -189.6 dBc/Hz.
전압 제어 발진기(VCO)의 위상 잡음은 무선 통신 시스템 설계에 있어 매우 중요한 지표입니다. 위상 잡음이 낮다면 시스템의 비트 에러율(BER)이 낮아집니다. 전압 제어 발진기 설계에 있어서 전력 소모를 크게 가져가면 위상 잡음이 낮아지는 것이 잘 알려져 있는 사실입니다. 그러나 전압 제어 발진기 자체에서 큰 전력을 소모한다면 이를 구동하는 배터리의 수명이 짧아질 수 밖에 없습니다. 그러므로 전압 제어 발진기를 설계 시 두 가지의 가장 중요한 지표는 저 전력 소모와 저 위상 잡음이 되며, 이들은 각각 배터리의 긴 수명과 무선 통신 시스템의 낮은 비트 에러율을 보장하게 됩니다.
이 학위논문에서 세 개의 저 전력, 저 위상 잡음의 전압 제어 발진기를 제안하였습니다. 앞의 두 전압 제어 발진기는 저 전력 소모와 매우 낮은 far-out 위상 잡음에 중점을 두고 설계 했습니다. 그리고 마지막 전압 제어 발진기는 close-in 위상 잡음에 중점을 두고 설계 했습니다. 이 세 개의 전압 제어 발진기는 TSMC 0.18 μm CMOS 공정을 이용하여 설계하였습니다.
첫 번째 전압 제어 발진기는 입력 조정, 출력 조정(TITO) VCO라고 일컬어지며 루프 이득 향상을 한 발진기 입니다. 출력 탱크에 음의 부호를 갖는 컨덕턴스를 병렬로 사용함으로써 단일 출력 TITO VCO의 시동 조건이 교차 커플 된 LC 발진기와 비슷해지거나 더 작아질 수 있습니다. 기존의 TITO VCO와 비교하면 제안된 TITO VCO는 루프 이득이 2.5배 향상되었으며, 전력 소모를 58% 줄였습니다. 첫 번째로 제안된 전압 제어 발진기는 6.08 GHz의 발진 주파수에서 동작하고 1 MHz의 오프셋 주파수에서 -120.5 dBc/Hz의 위상 잡음을 가지며 1.8V의 전원에서 1.5 mA를 소모합니다. 이 전압 제어 발진기는 -191.9 dBc/Hz의 매우 좋은 FOM을 가집니다.
두 번째로 제안한 전압 제어 발진기는 잡음 상쇄 성능을 지닌 듀얼 정귀환 VCO입니다. 두 개의 정귀환 루프를 이용함으로써 출력 스윙을 높이고 능동 소자의 드레인 쪽 잡음 전류를 일부 상쇄시켰습니다. 제안된 전압 제어 발진기는 낮은 전원 전압에서 구동되며 1/f^2 근방에서 매우 좋은 위상 잡음 성능을 보입니다. 두 번째로 제안한 전압 제어 발진기의 측정 결과로는 발진 주파수 3.8 GHz에서 1 MHz 떨어진 오프셋 주파수에서 -126.6 dBc/Hz의 위상 잡음이 있습니다. 1 V의 전원 전압에서 5.1 mW의 전력을 소모하는 이 전압 제어 발진기는 매우 좋은 -191.1 dBc/Hz의 FOM을 가집니다.
세 번째로 제안한 전압 제어 발진기는 교차 커플된 differential LC VCO에서 AM-FM 변환을 억제하는 데에 중점을 두었습니다. 교차 커플된 발진기에서 스위칭 하는 트랜지스터의 게이트와 다른 트랜지스터의 드레인 사이에 저항들을 연결함으로써 스위칭 하는 트랜지스터들의 기생 capacitance에 의한 AM-FM 변환을 작게 줄였습니다. 제안된 발진기에서 이 변환은 무시할만하며 이에 따라 1/f^3 지역이 없는 위상 잡음 특성을 보입니다. 제안된 전압 제어 발진기에서 10 kHz 오프셋 주파수에서의 향상된 위상 잡음은 발진 주파수에 따라 7.4 dB 부터 13.9 dB까지 변합니다. 제안된 전압 제어 발진기는 close-in 위상 잡음 특성이 우수할 뿐 아니라 far-out 위상 잡음 특성과 FOM 또한 매우 좋습니다. 포스트-시뮬레이션 결과에 의하면 제안된 전압 제어 발진기는 2.55 GHz의 발진 주파수에서 1 MHz 떨어진 오프셋 주파수에서 -128.7 dBc/Hz의 위상 잡음을 보이며 1.5 V의 전원 전압에서 3.5 mA의 전류를 소모합니다. 그리고 본 전압 제어 발진기의 FOM은 -189.6 dBc/Hz가 도출되었습니다.
