STNO (Spin Torque Nano Oscillator) based on spintronics technology is recently considered as RF-oscillator. As flowing current in the perpendicular of STNO, spin of electron passing through a magnetic layer becomes polarized along the magnetic direction. When the polarized spin goes to the free layer that magnetic layer is changed by external magnetic field, the spin of electrons is rotated and oscillation signal in GHz band is acquired [1].
Memory device research using spintronics technology has been steady developing, but the research about STNO is still staying on basic step. Recently published paper [2] shows wireless communication possibility and some issues are reported in the wireless communication using STNO.
This thesis presents a CMOS OOK transmitter for STNO. Conventional transmitter design is consisted of an oscillator for carrier signal, a modulator for modulation and power amp for transmission at the receiver. However, due to low output power of STNO, the transmitter have to consider noise problem for SNR in receiver. Thus, first stage of the transmitter is LNA and additional RF-amplifier is required for compensation of low out power of STNO. Also, the transmitter has to have wideband characteristic for covering wide tuning range of STNO.
Proposed transmitter consists of a LNA and a RF-amplifier. The LNA realizes noise matching for low noise figure and wideband input matching considering operation frequency of STNO. Thus, minimum noise figure of 1.8dB is acquired and input matching has range from1.9GHz to 3.2GHz. Also, power gain by current reuse technique using PMOS is 16dB. Power dissipation of the LNA is 3.7mW. The RF-amplifier consists of 3 stages. Each stage has different operation frequency (2GHz/2.5GHz/3GHz) and wideband RF-amplifier is realized by overlapped bandwidth. The bandwidth of RF-amplifier has range from 2GHz to 3.2GHz and the RF-amplifier has power gain of 30dB with power consuming of 23mW.
The transmitter operates at 2.5GHz centered frequency having bandwidth over 1GHz. Communication distance of the transceiver is 1m with receiver having sensitivity of -81dBm. The transmitter has power gain of 40dB and noise figure of 2.1dB with power dissipation of 26.7mW. Fabricated chip size is 2100 ×1060 um^2
스핀트로닉스 기술은 전자의 스핀에 나타나는 물리적인 현상의 응용을 기반으로 하는 기술이다. 자성층/비자성층/자성층으로 이루어진 필자구조의 스핀소자는 두 자성층의 자화방향에 따라 다른 물리적인 현상을 나타내며 이러한 현상은 거대자기저항 효과라고 불려진다 스핀트로닉스 기술에 기반으로 한 STNO는 자화방향이 고정된 고정 자화층과 자화방향이 결정되지 않은 자유 자화층으로 이루어졌다. 이때 스핀소자에 전류가 인가되면 전자의 스핀은 고정 자화층을 통과 하게 되면서 스핀방향을 일정하게 배열하게 되며 배열된 스핀방향은 자유 자화층에서 외부에서 인가된 자화 방향과 이미 고정된 자화 방향 사이를 회전하게 되면 이때 발진 신호를 발생하게 된다.
이러한 스핀발진기 자체에 대한 연구는 많은 발전이 있으나 STNO를 이용한 무선통신 연구는 아직 기초단계에 머물고 있다. 최근 발간된 Nature 논문은 상용소자를 사용하여 스핀을 이용한 무선통신 실험을 하였다. 또한 스핀 소자는 추후 CMOS 공정을 통해 집적화가 가능하며 이는 스핀소자를 이용한 다양한 어플리케이션의 집적화의 가능성을 나타낸다.
제안된 CMOS 송신기는 저 잡음 증폭기와 RF-증폭기로 이루어져있다. STNO의 낮은 출력 전력은 채널 노이즈 파워레벨과 큰 차이를 가지지 않기 때문에 송신기에서부터 노이즈 문제를 고려 해주어야 한다. 이에 STNO의 다음 단은 저 잡음 증폭기가 오게 되며 이는 전체 시스템의 Nosie Figure를 낮추게 된다. 또한 STNO의 낮은 출력전력은 추가적인 높은 이득의 증폭기를 요구하게 되므로 고 이득 RF-증폭기를 설계하였다. 넓은 tuning range를 가진 STNO의 주파수 특성을 수용하기 위하여 저 잡음 증폭기와 RF-증폭기는 광 대역 특성을 가진다. 설계된 송신기는 2-3GHz 대역을 가지며 40dB의 전력 이득, 2.1dB의 minimum noise figure를 가지며 26.7mW 전력소모를 한다 제작된 칩의 사이즈는 2100 ×1060 um^2이다.
측정된 CMOS 송신기는 2.1GHz-3GHz 대역을 가지며 28.8dB의 전력이득을 가진다. 이렇게 감소된 전력이득의 원인은 와이어 본딩에 의한 인덕턴스 발생으로 원하지 않는 피드백 루프의 형성이다. 이러한 피드백 루프는 시스템의 이득을 감소시키는 원인이 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 칩 내부에서 하나로 묶어진 ground가 아니라 stage마다 분리된 ground를 가진다면 이러한 피드백 루프는 형성되지 않을 것이다.
설계된 송신기는 낮은 noise figure를 가지며 STNO의 낮은 출력전력을 보완하기 위한 고 이득 증폭기이다. 또한 STNO 넓은 tuning range를 커버할 수 있는 광 대역 증폭기의 특성을 나타낸다.
