Mobile terminals, an indispensable gadget of modern life, are becoming more compact and power efficient while serving multiple functions and operating in different standards of wireless communication. One of the main issues associated with multi-tandard transceivers is how to design a compact, low-power, low-phase-noise, and wideband voltage-controlled oscillator (VCO). The rapid progress in spintronics technology suggests that the spin-torque nano-oscillator (STNO), owing to its small chip size and high tunability, can be a new solution not only for memory and but also for radio-frequency (RF) devices.
However, several issues remain that hinder the realization of an STNO-based RF transceiver. The STNOs have critical disadvantages such as lower output power and poorer spectral purity in comparison with LC voltage-controlled oscillators (VCOs). Many research groups have tried to improve the output power and spectral purity of a single or multiple STNOs. For example, to increase the output power associated with STNOs, the synchronization of multiple STNOs as well as structural optimizations has all been attempted; however, these devices require a sizable amplification for wireless communication. Even with multiple amplifications of the STNO output, modulation which uses a mixer for up- and down-conversion of the frequency cannot be realized due to the poor spectral purity, as evidenced by several MHz of the linewidth and numerous spurious signals, mode hopping, and the frequency？amplitude nonlinearity.
Here we take an alternative approach to perform wireless communication by adopting direct modulation with on-off keying (OOK) despite major drawbacks of STNOs. The STNO-based wireless communication was demonstrated for the first time successfully at a distance of 1m at 200 kbps with the direct OOK modulation and demodulation. By analyzing the STNO noise, a SNR of STNO is 12.5 dB and the 350-ns possible data rate based-on 1-ns fast turn-on time of the STNO can be obtained if the output power of STNO is -75 dBm under 10-dB SNR.
The previously implemented OOK CMOS receiver to improve the data rate by reducing the rise and fall time is designed for 200？Mbps data rate. However, the data rate is limited to 43 Mbps in measurement. The receiver for STNO demodulation needs more-than-50 dB gain followed by the link budget from the low output power of STNO. Because the OOK CMOS receiver is targeted to low power consumption, the high gain baseband amplifier (BBA) is adopted instead of high-gain amplifier at 2.4 GHz in front of an envelope detector. The high gain of BBA results in the high load capacitance of the demodulator. Thus, in the modified CMOS OOK receiver, the pulse shaping circuit with the resistor to modify pole and zero is proposed to improve data rate by reducing the load capacitance of the demodulator and reducing rise time and fall time of the demodulator from the elimination of undershooting. Consequently, when the 100？MHz pulse signal with 2.5-GHz is the input of the receiver, the rise time after OOK demodulator is 8 ns and the rise time after pulse shaping circuit is 2 ns. The possible data rate is increased from 43 Mbps to 71 Mbps as 65 % improvement.
휴대 단말기의 수요증가로 인하여 단말기 집적화와 생산비용 절감은 이슈가 되어왔다. 그에 따라 스핀 나노 발진기는 나노 사이즈, 넓은 주파수 가변 범위, 및 CMOS 공정과 호환가능한 장점으로 인하여, 메모리 분야 뿐 아닌 무선통신에서의 발진기로써의 응용 가능성에 대한 연구가 꾸준히 이루어져 왔다. 한편, 스핀 나노 발진기의 낮은 출력 전력, 넓은 선폭으로 인한 높은 위상잡음, 주파수 호핑, 및 발진 주파수와 발진신호의 진폭간의 비선형성을 갖는 특성은 스핀 나노 발진기가 무선통신을 하는데 제약 사항이 된다.
본 논문에서는 OOK 변조 및 포락선 검출기를 사용한 비동기식 복조를 사용하여 스핀 나노 발진기를 사용한 무선통신을 최초로 구현하였으며, 200 kbps의 신호를 측정하였고, 462 kbps의 동영상 전송을 성공적으로 수행하였다. 측정 결과를 통하여 구현된 무선통신에서의 데이터 전송률의 제한은 상용 포락선 검출기의 긴 상승 및 하강시간과 스핀 발진기의 낮은 출력 전력으로부터 기인함을 분석하였다.
따라서, 상용 포락선 검출기보다 짧은 상승 및 하강 시간을 위해 200-Mbps CMOS OOK 수신기를 설계하였으나, 실제 측정 시, 약 43 Mbps로 데이터 전송률이 제한되었다. 기 설계된 CMOS 수신기는 저전력을 기반으로 설계되었는데, 스핀 발진기의 저출력으로 인해 수신기에서 높은 전력 이득이 요구되어짐에 따라서, 수신기를 구성하고 있는 포락선 검출기의 앞단에 고이득을 가져가는 것은 전력소모의 증가를 가져오게 되므로, 포락선 검출기의 이후에 고이득을 갖도록 수신기를 구성함으로써 전력 소모를 최소화하였다. 하지만, 포락선 검출기 이후의 기저대역 증폭기의 고이득은 기저대역 증폭기의 입력 캐패시턴스 값을 증가시키는데 이러한 현상으로 인해 수신기의 상승 및 하강 시간이 길어지게 된다. 이는 데이터 전송률을 감소시키게 되어, 결과적으로 43 Mbps의 데이터 전송률을 획득하게 되었다.
CMOS OOK 수신기에 CR-RC회로 사이에 저주파 비반전 증폭기를 연결한 CR-RC pulse shaping회로를 제안함으로써 기저대역 증폭기의 입력 캐패시턴스를 낮춤과 동시에 펄스신호의 overshooting을 제거함으로써 짧은 상승 시간과 하강 시간을 획득할 수 있었다. 그에 따라 데이터 전송률이 71 Mbps로 43 Mbps 대비 약 65%의 데이터 전송률 개선효과를 획득하였다.
