THz CMOS VCOs with wide tuning range and ASK transmitter using Q-switching VCO are proposed. The VCOs have been designed at G-band (163 GHz) and J-band (239 GHz), respectively. The ASK transmitter has been implemented using the later VCO.
First, the G-band VCO adopts a push-push standing-wave structure. By properly distributing negative gm cells in a transmission-line (TL) resonator, wide frequency tuning range with low phase noise can be obtained. The electrical length of the TL resonator is determined to have a high 2nd harmonic output power. Second, the J-band push-push transformer-based VCO is proposed. It has been also analyzed to achieve high efficiency and a wide tuning range at THz frequencies. Analyses show that the coupling factor of the transformer to obtain high output power has to be carefully chosen by consideration of gate-to-drain voltage gain as well as matching impedances seen from the drain and to the gate of a VCO transistor at the 2nd harmonic frequency. Analysis also shows that the transformer-based resonator allows a wide tuning range. The Q factor of the resonator is enhanced by the introduction of a parallel inductor to a varactor, which leads to high $P_{OUT}$ and low phase noise. Finally, the 254 GHz ASK transmitter using Q-switching characteristic of the J-band VCO is proposed. Design method for high data rate and high on/off ratio has been analyzed.
테라헤르츠에서는 이용 가능한 넓은 주파수 대역이 있고, 칩 위에 송수신기와 함께 안테나를 집적할 수 있는 장점이 있어, 높은 데이터 전송률을 가지는 통신 시스템 응용에 유리하다. 하지만, 100 GHz 이상에서 넓은 주파수 동조 범위, 높은 출력 파워 및 효율을 가지는 VCO 를 설계하는 것은 여전히 도전과제이다. 높은 주파수에서는 변조를 위한 스위칭 동작이 잘 이루어지지 않기 때문에, 낮은 주파수에서 먼저 변조를 한 후에 주파수 체배기를 이용하여 THz 신호를 얻는 방식이 제안되고 있다. 그러나 이 방식은 체배기의 손실을 극복하기 위해 전력 증폭기가 필요하기 때문에, 많은 전력소모가 있고 또한 많은 면적을 차지한다. 이런 문제를 해결하기 위하여 본 연구에서는 G-band, J-band 에서 VCO 구조를 제안하였고, varactor 의 품질계수 스위칭을 이용하여 ASK 송신기를제안하였다.
먼저, 넓은 동조범위와 낮은 위상 잡음을 위하여 push-push $\lambda/2$ standing wave 를 이용하여 G-band VCO 를 설계하였다. gm cell 을 분포시킴으로써, 공진기의 고정 캐패시턴스를 줄일 수 있었고, 이를 통해서 넓은 동조 범위와 낮은 위상 잡음을 얻을 수 있었다. 전력소모가 높아지는 단점이 있으나, 전체 성능을 판별할 수 있는 FOMT 지표를 이용하여, 최적 성능을 얻을 수 있는 분배 조건을 찾을 수 있었다. 이 VCO 의 동조 범위는 24 GHz, FOMT 는 -182.6 dBc/Hz 로 140 GHz 이상의 VCO 에서 가장 좋은 성능을 나타낸다.
다음으로 J-band 에서 변압기를 이용한 VCO를 이용하여 넓은 동조 범위와 높은 효율을 갖는 VCO 를 제안하였다. 트랜지스터의 게이트와 드레인 사이 전압 이득 조건의 최적 점에 가깝도록 변압기의 커플링 계수를 최적화하였고, 변압기를 이용한 VCO 구조가 넓은 동조 범위를 가진다는 것을 수식적으로 분석하여 증명하였다. 또한 varactor 와 병렬로 연결되는 인덕터를 이용함으로써 위상잡음을 낮추고, 출력 파워를 많이 향상 시킬 수 있었다. 이를 통해 얻은 동조 범위는 12.5 %이고, DC to RF 효율은 1.47 %로 측정 결과를 얻을 수 있었다.
마지막으로, 위 VCO 의 Q-switching 특성을 이용하여 254 GHz ASK 송신단을 구현하였다. 최대 데이터 전송률은 envelop 의 rising 그리고 falling time 에 의해 14 Gbps 였고, 측정에서는 12 Gbps 까지 변조가 잘 이루어 지는 결과를 얻을 수 있었다. 송신기가 하나의 VCO 만으로 이루어져 있기 때문에, 파워소모와 면적이 다른 200 GHz 송신기와 비교했을 때 매우 작다. 특히, 200 GHz 송신기 중에서 가장 높은 효율을 가지는 결과를 보여주었다.
