Since Slonczewski proposed a new mechanism for exciting the magnetic state of a ferromagnet and a nano-structure that generates spin transfer torque in 1996 [1], various researches have been carried out to utilize this quantum mechanics effect efficiently. STT-MRAM and Spin-torque-nano-oscillators (or Spin-transfer-nano-oscillators, STNOs) are two representative applications using spin transfer torque. Especially STNOs have been investigated as one of the next-generation oscillators. Conventional LC-tank oscillators which are widely used in today’s wireless transceivers limit the possibility of shrinking the chip size. However, STNOs are normally 50 times smaller than the conventional LC-tank oscillators, and have wide frequency tuning range. With these two superiorities, STNOs can replace the position of LC-tank oscillators if STNOs make up for their low output power and high phase noise properties.
This thesis presents a low-power OOK receiver for spin-torque nano-oscillator. The designed OOK receiver consisted of LNA, RF-amplifier, balun-amplifier, envelope detector and baseband amplifier. Each stage was designed and allocated considering the characteristics of STNOs. The first stage basically provided low noise figure to lower the whole noise figure of receiver. The LNA should be matched with wide frequency range to cover the oscillating frequency of STNOs. In addition, the gain boosting scheme was adopted to provide additional DC current path and increase trans-conductance. RF amplifier mixes series inductive LNA and resistive feedback LNA to take advantage of both topology. By designing series inductive resistive feedback LNA, it is possible to get low noise figure and high gain covering from 2 GHz to 3GHz. Balun amplifier generates differential output to drive differential input envelope detector. Since differential detector reduces ripple problem and enhance the sensitivity, balun amplifier is needed, and it shows 0.63dB gain error, and $6^\circ$ phase error. As mentioned earlier envelope detector adopted differential input and gain boosting scheme to enhance conversion gain. The last stage baseband amplifier consisted of comparator, common source amp, and output buffer. It was designed to demonstrate video module wireless communication. It shows 32.7dB voltage gain whose 3dB bandwidth is from 0.42MHz to 40 MHz.
The proposed receiver consumes 27.35 mW including baseband stage. It was designed to cover LO carrier frequency from 2GHz to 3GHz, and LO power from -76dBm, and pulse data rate over 1Mbps. The receiver chip size is $1.415 mm^{2}$ including pads.
고정자성층/비자성층/자유자성층으로 구성된 나노 미터 크기의 구조체에서 발생하는 양자역학적인 현상을 이용하여 고주파수의 발진 신호가 얻어질 수 있음이 밝혀진 이래로, 이러한 현상과 소자를 연구하는 스핀트로닉스라 불리는 학문이 활발히 연구되어 왔다. 이에 대한 응용으로 스핀자성메모리, 스핀발진기가 존재하며 스핀발진기를 실제 무선 통신에 활용하기 위한 노력이 진행되고 있다. 특히 상용 소자로 구현되었던 기존의 무선 통신 시연에서 한 단계 발전하여 CMOS 공정을 통해 만들어진 CMOS 송수신기를 활용한 무선 통신을 성공시키고자 본 연구가 진행되었다.
본 논문에서는 스핀발진기를 활용한 CMOS OOK 수신기를 설계했으며 수신기를 구성하는 요소에는 저잡음 증폭기, RF 증폭기, Balun 증폭기, 포락선 검출기, 기저대역 증폭기가 있다. 스핀발진기의 높은 위상잡음 성분을 극복하기 위해 OOK 변조 방식을 선택했으며, 낮은 출력 신호를 증폭하기 위해 이득을 늘린 차동입력 포락선 검출기, Balun 증폭기, 이득을 늘린 광대역 저잡음 증폭기 등을 설계하여 각 구성요소들은 높은 증폭을 유도하고 낮은 스핀발진기의 출력에도 복조가 가능한 수신기를 설계하고자 했다.
제안된 수신기는 스핀발진기의 가변 주파수 대역인 2~3GHz 대역에서 동작하도록 설계했으며, -76dBm 이하의 입력 조건에서도 복조가 가능하도록 설계되었다. 또한 1 Mbps 영상 모듈 전송 시연에 대비하여 출력 전압을 조절하는 것과 데이터 전송률 1Mbps 이상을 복조할 수 있도록 설계했으며 패드를 포함하여 $1334 \times 1061 \mu m^{2}$ 의 면적을 차지하여 27.53mW의 전력을 소모한다.
상용 소자 및 측정 장비를 이용하여 측정된 수신기는 -40dBm 이상의 국부발진기 출력에서, 2034~2612 MHz 주파수 범위, 18MHz 이하의 펄스 주파수 범위에서 동작하는 것을 확인했으며, 실제 스핀발진기를 연결한 측정에서는 1MHz의 펄스 주파수를 -50dBm의 환경에서 복조하는 모습을 확인하여 이후 영상 전송 시연에 활용될 수 있는 가능성을 확인했다.
