Recently, a number of the wireless data communication systems using millimeter-wave (mm-wave) are researched to overcome the limit of the wire-connected communication. The bandwidth which is regulated and limited in the low frequency band is easily allocated in mm-wave band, resulting in the advantage of high speed data transfer. In this mm-wave wireless communication system, a voltage controlled oscillator (VCO) is an im-portant block because it generates clocks and affects the overall system performances to a large extent.
Since the performance of varactors is poor at 80GHz, a Push-Push VCO, which consists of a 40GHz core VCO and a frequency doubler, is proposed. This structure avoids the degradation of varactor performance and it is very power efficient, excluding output buffers. To further improve the overall performance, the proposed VCO adopts q-enhancement technique for inductors. A proposed inductor includes a NMOS source-follow net-work for positive feedback, and it shows the maximum quality factor of 19.6 with additional power consump-tion. Moreover, the inductance of proposed inductors varies depending on bias voltage, therefore it results in the wider frequency tuning range.
Cadence Spectre and GoldenGate along with Full-3D EM simulation were used to predict the perfor-mance of the proposed VCO. The 80GHz VCO shows better performance with the higher quality factor of in-ductors as expected. In simulation, 1.09GHz of the frequency tuning range, 2.2dB of output power and 1.4dB of phase noise have been improved at the cost of 1.82mW power consumption in the proposed VCO.
The designed 80GHz VCO was realized using a standard 1P9M TSMC 65nm CMOS fabrication process and W-band measurement equipment was used to observe the 80GHz VCO. With the optimum bias point, the measured FOM and FOMT of the proposed VCO is -180.4dBc/Hz and -180.6dBc/Hz, respectively. The meas-urement results show that 0.9GHz of the frequency tuning range, 3.5dB of output power and 5.47dB of phase noise have been improved at the cost of 3.4mW power consumption in the proposed VCO.
최근에 유선 데이터 전송의 한계를 뛰어넘기 위해 밀리미터파 주파수에서의 무선 데이터 전송 시스템에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 저주파 대역에서 제한되어 있는 대역폭이 밀리미터파 대역에서는 쉽게 할당되어 고속 데이터 전송이 용이하다는 장점이 있다. 이러한 밀리미터파 무선 전송 시스템에서, 전압제어발진기는 클럭을 만들고 전반적인 시스템 성능에 크게 영향을 미치기 때문에 중요한 블럭이다.
80GHz 대역에서 varactor의 성능이 좋지 않기 때문에, 40GHz에서 동작하는 발진기와 주파수 체배기를 이용하는 구조의 전압제어 발진기를 제안하였다. 이러한 구조는 varactor 성능 저하를 피할 뿐 아니라, 출력 버퍼가 불필요하게 되어 전력 소모에 있어서 매우 효율적이다. 전체적인 성능을 더욱 개선하기 위해, Q값 개선 방법을 인덕터에 적용하였다. 제안된 인덕터는 NMOS 소스 팔로워 구조의 정귀환 회로를 포함하고 있어 추가적인 전력소모를 하며, Q값은 최대 19.6까지 증가시킬 수 있다. 또한 제안된 인덕터는 인가되는 전압에 따라 인덕턴스가 바뀌므로 더 넓은 주파수 동조 범위를 갖게 된다.
Cadence Spectre와 GoldenGate 시뮬레이션을 Full-3D EM 시뮬레이션과 함께 진행하여 VCO의 성능을 확인할 수 있었다. 제안된 인덕터의 Q값이 향상될수록 80GHz VCO의 성능이 향상 됨을 확인할 수 있다. 제안된 전압제어발진기 에서는 1.82mW의 추가 전력을 소모함으로써 주파수 동조 범위는 1.09GHz, 출력파워는 2.2dB, 위상 잡음은 1.4dB 향상된 결과를 얻을 수 있었다.
설계된 80GHz 전압제어발진기는 1P9M TSMC 65nm CMOS 상용 공정을 이용하여 제작되었고, W-band 장비들을 이용하여 측정을 진행하였다. 최적의 인가 전압에서 제안된 전압제어발진기의 측정값으로 계산한 FOM과 FOMT는 각각 -180.4dBc/Hz와 -180.6dBc/Hz이다. 측정결과를 보면, 3.4mW의 추가 전력소모를 통해서 0.9GHz의 주파수 동조 범위가 넓어졌고, 3.5dB의 출력 파워가 향상되었으며, 5.37dB의 위상잡음 감소가 있었음을 확인할 수 있다.
