As technologies develop, consumer wants more compact-sized handheld devices. With CMOS technology advancing at a fast-growing rate, the size of digital circuit is shrinking and more digital process circuit are integrated in a single chip. However the size of the RF block is not shrinking as digital circuit. Conventional LC-tank based oscillator is widely used in today’s wireless transceiver for their superior phase noise performance. And the size of the passive device such as inductor is difficult to reduce as CMOS technology advances because inductance or capacitance are strongly depend on the physical dimension. Spin-torque nano-oscillator is the promising device for the future RF communication. It has merit of nano size. The size of STNO is 50 times smaller than the conventional LC-tank based oscillator. Another merit of STNO is wide frequency tuning range.
This thesis presents a low-power OOK transceiver for spin-torque nano-oscillator. It operates with low power consumption enhancing the energy efficiency. Also this OOK transceiver has a very small footprint of the chip. The proposed OOK receiver consists of inductorless wideband balun-LNA, a modified Cherry-Hooper amplifier, a negative impedance converter, an envelope detector, a baseband stage. The current reuse with a capacitive cross coupling technique is applied to inductorless wideband balun-LNA. A modified Cherry-Hooper amplifier is used to make up for lacking gain for demodulation. The envelope detector demodulate RF OOK signal to baseband data signal. The baseband stage is used for chip measurement purpose. The baseband stage consists of baseband amplifiers and a comparator. The proposed OOK transmitter consists of STNO with bias-T network, inductorless wideband balun-LNA, three cascaded modified Cherry-Hooper amplifier and a buffer.
The proposed receiver consumes 8.5 mW including baseband stage. It can process data have data rate of 200 Mbps. Therefore, is shows energy efficiency of 42.5 pJ/Bit which is the best performance compared to stage-of-the-art energy efficient receivers. The receiver chip size is 0.194 mm^2 which is very small among the other state-of-the-art receivers. The proposed transmitter dissipates 15.5 mW from 1.8 V supply. The transmitter chip size is 0.175 mm^2.
최근 기술이 발전함에 따라 소비자들은 더욱 작은 크기의 휴대용 전자기기를 원하고 있다. 더불어 CMOS 집적회로 기술의 빠른 발전에 힘입어 Digital 회로의 크기가 줄고 하나의 칩에 더욱 많은 Digital 신호처리 회로를 집적할 수 있게 되었다. 그러나 RF회로의 크기는 Digital 회로와 다르게 줄지 않는다. 그 주된 이유는 LC-tank 기반의 발진기에 들어가는 인덕터 때문이다. 기존의 LC-tank 기반의 발진기가 좋은 위상 노이즈 성능 때문에 오늘날의 무선 송수신기에 널리 사용되고 있는데 인덕터와 같은 수동 소자의 크기는 CMOS 집적회로 기술의 발전에 따라 줄지 않는다. 스핀 토크 나노 발진기는 미래의 RF 소자로 매우 유망한 소자이다. 스핀 토크 나노 발진기는 크기가 나노 사이즈로 매우 작은 장점이 있으며, 사이즈가 기존의 LC-tank 기반의 발진기보다 50배 이상 작다. 또한 주파수 가변 범위가 매우 넓은 장점이 있다.
본 논문에서는 스핀 토크 나노 발진기를 위한 저전력 OOK 송수신기를 설계한다. OOK 송수신기는 에너지 효율이 좋으며 칩 사이즈가 매우 작다. 제안된 OOK 수신기는 인덕터가 없는 광대역 balun-LNA, 변형된 Cherry-Hooper 증폭기, 네거티브 임피던스 변환기, 포락선 검출기, 기저대역단으로 구성된다. 제안된 OOK 송신기는 bias-T망, 인덕터가 없는 광대역 balun-LNA, 3단으로 구성된 변형된 Cherry-Hooper 증폭기와 버퍼로 구성된다.
제안된 수신기는 8.5mW를 소모하며 200Mbps의 데이터를 변조할 수 있다. 또한 42.5pJ/B의 에너지 효율을 보이며 이는 state-of-the-art와 비교했을 때 가장 좋은 성능이다. 칩 면적은 0.194mm^2으로 다른 제안된 수신기들에 비해 매우 작다. 제안된 송신기는 15.5mW를 소모하며 칩의 크기는 0.175mm^2이다.
