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-noise, high-gain wideband transmitter for OOK STNO communication. The designed OOK transmitter consists of LNA and RF-amplifier, and OOK modulation method is selected to overcome the high phase noise characteristic of STNO. Unlike other transmitter, low-noise amplifier (LNA) is used at first stage considering low output power of STNO and RF-amplifier is added for large amplifying. Using resistive feedback with PSCNMIM method, the noise and input of LNA is simultaneously matched in wideband frequency range from 3 GHz to 4GHz. This wideband matching covers the oscillating frequency of STNOs. which has wide tuning range. RF amplifier also designed using resistive feedback topology for wideband matching and eliminate the noise matching to increase the total transmitter gain.
Because proposed transmitter has an oscillation issue that general high-gain amplifiers have, we devised two different ground layout for perfect ground and perfect isolation to lower the possibility of oscillation and made two transmitters without oscillation applying theses ground layout. Measured transmitter gain and noise figure is 34 dB and 4 dB with 9.2 mW power consumption.
Wireless communication experiment is done using designed transmitter. Measured output power output power of STNO is -82 dBm at 3.3 GHz and signal was successfully transmitted to receiver when transmitter module sends 1MHz data signal. Maximum communication distance is 1 m and calculated maximum data rate is 8.5 Mbps.
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 스핀 통신을 위한 CMOS OOK 송신기를 설계했다. 스핀발진기의 높은 위상 잡음 성분을 극복하기 위해 OOK 변조 방식을 선택했으며, 송신기는 스핀 소자의 낮은 잡음 특성을 극복하기 위해 저잡음 증폭기를 삽입하였고, 높은 이득을 얻기 위해 RF 증폭기를 추가하였다. 증폭기가 높은 이득을 가질수록 발진 확률 또한 증가하므로 이를 해결하고자 기존 방식과 다른 두 가지 접지 방법을 고안하여 적용하였다.
제안된 송신기는 스핀발진기가 최대 출력 전력을 가지는 가변 주파수 대역인 3~4GHz 대역에서 동작하도록 설계했으며, 넓은 대역폭을 만족시키기 위해 병렬 저항 피드백 구조를 사용하여 설계되었다. 설계된 송신기는 40dB의 이득과 3dB의 잡음 지수를 가지며, 9.2mW의 전력을 소모한다. 제안된 송신기와 자체 제작된 안테나, 수신기를 사용하여 무선 영상 전송 실험을 진행하였다. 측정된 스핀 소자의 출력 파워는 3.3GHz 주파수에서 -82dBm을 가졌으며, 송신단에서 1MHz의 신호를 보냈을 때, 수신단에서 영상이 끊김없이 전송되는 것을 확인할 수 있었고, 스핀 소자를 통한 영상 전송 가능성을 확인해 볼 수 있었다.
