Low-power monolithic oscillator and amplifier are critical building blocks in the short-range wireless transceiver systems for wireless sensor network (WSN) and implantable biomedical applications. In these wireless systems, the low dc power consumption is a key design issue because of the limited capacity of the small size battery source. Among various low-power electronic devices, a resonant tunneling diode (RTD) has been developed for ultra-low power MMICs due to inherent negative differential resistance (NDR) characteristics arising from quantum-effect tunneling phenomenon achieved at a low bias voltage. However, the RTD based MMICs produce relatively low output power due to the narrow NDR voltage span of the RTD, which is inherent characteristic of the epitaxial layer structure. To enhance the output power characteristics of RTD MMICs, various power combining techniques, such as the resonant cavity-based combiners and circuit-level technologies, have been conducted.
In this thesis, to improve the output performances of RTD MMICs, among various techniques for improving output power characteristics, the RTD-pair topology has been proposed to improve the output power performances along with good dc-to-RF conversion efficiency. In order to conduct the topology research for the RTD-pair based MMICs, a reflection-type amplifier, a voltage controlled oscillator (VCO), and an on-off keying (OOK) oscillator were designed and fabricated with an InP-based RTD/HBT MMIC technology.
For the developed InP-based RTD/HBT MMIC technology, representative characteristics of the fabricated active devices are as follows. The RTD shows a peak voltage of 0.30 V and current density of 0.73 kA/$cm^2$, respectively, with a peak-to-valley current ratio (PVCR) of 13. The cutoff frequency of the RTD was 70 GHz. The HBT with an emitter area of 1.5x4$\mu m^2$ shows the maximum $f_t/f_{max}$ of 100/63 GHz, respectively, with a dc current gain of 50. As for passive devices, spiral inductors, MIM capacitors, thin film resistors, and varactor diodes have been implemented for realizing the high performance LC tank of the proposed oscillator and the hybrid coupler of RTD amplifier.
For topology research of the RTD-pair configuration, the communication blocks such as low-power amplifier, VCO, and on-off keying oscillator operated in the 5.8 GHz band have been developed. Firstly, an improved RF-power amplifier using RTD-pairs has been investigated. The fabricated IC dissipated a low dc power of 284 $\mu$W with a power gain of 9.1 dB and a return loss of -15.1 dB at a 5.64 GHz frequency. By using RTD-pair configuration, the maximum linear $P_{OUT}$ was increased up to -18.7 dBm. Secondly, the RTD based VCO using RTD-pair topology was proposed to improve the output power performances. The fabricated single VCO showed -0.53 dBm of the output power with high DC-to-RF efficiency of 12.7 % at an oscillation frequency of 5.7 GHz. Thirdly, a prototype of RTD-pair based on-off keying oscillator has been proposed and demonstrated with the direct modulation of RTD-pair based VCO. The fabricated oscillator shows a high data-rate of 500 Mb/s with a good FOM of 13.7 pJ/bit.
In order to employ the RTD-pair based OOK oscillator to practical WSN applications, an RTD oscillator integrated with the HBT switch has been proposed for a 24 GHz ISM band transmitter. The fabricated IC showed the high-speed switching capability of 5 Gb/s with a good phase noise characteristic of -118.17 dBc/Hz at 1 MHz offset. The maximum RF output power was obtained to be -1.76 dBm at a carrier frequency of 24.1 GHz. It consumes 15.8 mW, resulting in a good figure-of-merit (FOM) value of 3.2 pJ/bit. The obtained results demonstrate its potential as a high performance on-off mode oscillator for high data rate OOK transceiver systems.
무선 센서 네트워크 와 인체삽입형 생체의학 응용을 위한 근거리 무선 송수신 시스템에서, 하나의 반도체 칩에 집적가능한 (monolithic), 저전력 발진기와 증폭기 회로는 중요한 설계 블록이라 할 수 있다. 이 무선 시스템은 작은 용량 크기의 전지 (battery) 기반에서 동작하기 때문에 저전력 소모 특성이 핵심 설계 이슈로 다루어져왔다.
다양한 저전력 전자 소자 중에서 공명터널 다이오드 (RTD, resonant tunneling diode) 는 낮은 인가 전압에서, 양자터널효과 (quantum-effect tunneling) 현상에 의한, 내재된 부성 미분 컨덕턴스 (NDC, negative differential conductance) 특성을 가지고 있어, 초저전력 RF 집적회로 (MMIC, monolithic microwave integrated circuit) 개발에 널리 사용 가능하다. 하지만 에피 구조 (Epitaxial layer structure) 의 특성으로 인한 RTD소자 NDC 의 좁은 전압 범위에 의해, RTD 기반의 MMIC 회로는 상대적으로 낮은 출력 파워를 생성한다는 단점이 있다. RTD 기반 MMIC 의 출력 특성을 강화하기 위하여 공진 공동 (resonant cavity) 기반의 결합 방식과 다양한 회로 레벨에서의 출력 파워 결합 기술이 개발 되어왔다.
이 연구에서는 RTD MMIC 의 출력 성능을 개선하기 위하여 다양한 출력 특성 개선 기술 중에, DC-to-RF 변환 효율 (DC-to-RF conversion efficiency) 이 좋은 RTD 쌍 설계 기술 (RTD-pair topology) 을 제안한다. RTD 쌍 기반의 다양한 MMIC 회로 개발을 위해, 인화인듐 (InP, indium phosphide) 기반에서 이종접합 바이폴라 트랜지스터 (HBT, heterojunction bipolar transistor) 와 결합가능한, RTD/HBT MMIC공정 기술을 이용하여, 반사형 증폭기 (reflection-type amplifier), 전압 조절 발진기 (VCO, voltage controlled oscillator), 그리고 온-오프-키잉 (OOK, on-off keying) 발진기를 설계하고 제작하였다.
InP 기반의 RTD/HBT MMIC 기술 개발의 결과로, 제작된 능동소자들의 대표적인 특성들은 다음과 같다. 개발된RTD는 전류의 최고점 전압 (peak voltage) 과 전류 밀도가 각각 0.3 V, 0.73 kA/$cm^2$ 이며, 전류의 최고점 전압과 최저점 전압에서의 전류 비 (PVCR, peak-to-valley current ratio) 는 13을 확보 하였다. RTD 의 최대 동작 주파수 (fmax, maximum oscillation frequency) 는 70 GHz 로 측정 되었다. 사이즈가 1.5×4$\mu m^2$ 인 HBT 의 차단 주파수 (fT, cutoff frequency) 와 최대 동작 주파수는 각각 100 GHz, 63 GHz 이며 직류 전류 이득 (dc current gain) 은 50으로 획득하였다. 수동 소자로써는 나선 인덕터 (spiral inductor), MIM 캐패시터 (metal-insulator-metal capacitor), 박막 필름 저항 (thin film resistor) 그리고 배렉터 다이오드 (varactor diode) 가 제안된 오실레이터의 고성능 LC tank 개발에 사용되었고, RTD 증폭기 개발을 위해 하이브리드 커플러 (hybrid coupler) 가 개발되었다.
RTD 쌍 기술을 통한 다양한 회로 개발을 위해, 5.8 GHz 대역에서 동작하는 통신 설계 블록의 핵심 회로인, 저전력 증폭기, VCO 그리고 OOK 발진기가 개발 되었다. 첫 번째로, RTD 쌍을 이용하여 출력 성능이 개선된 증폭기가 개발되었다. 제작된 칩은 5.64 GHz 의 동작 주파수에서, 284 $\mu$W 의 저전력 특성을 가지고, 동시에 9.1 dB의 파워 이득 (power gain) 과 -15.1 dB의 반사 손실 (return loss) 특성을 보였다. RTD 쌍 기술에 의하여 최대 선형 출력 (linear output power) 특성은 -18.7 dBm 을 확보하였다. 두 번째로 RTD 쌍 기반의 VCO 가 출력 성능을 개선된 결과로 제안되었다. 제작된 VCO 는 -0.53 dBm의 높은 출력 특성을 보이며, 5.7 GHz의 동작 주파수에서 12.7 % 의 dc-to-rf 변환효율을 확보하였다. 세번 째로 RTD 쌍 기반의 OOK 전형 (prototype) 회로가 개발되었다. 제작된 발진기 회로는 최대 500 Mb/s 의 전송 데이터 레이트 (data-rate) 을 보였으며 13.7 pJ/bit 의 좋은 성능지수 (FOM, figure-of-merit) 를 확보하였다.
RTD 쌍 기반의 OOK 발진기를 24 GHz ISM band (industrial scientific medical band) 에서 동작하는 상용 무선 센서 네트워크 송신기 기술에 접목시키기 위해서는, RTD 발진기와 HBT 스위치 기술을 집적하는 것이 필요하다. 제작된 회로는 최대 5 Gb/s 의 데이터 레이트와 함께 -118.17 dBc/Hz의 우수한 위상 잡음 특성을 확인하였다. 24 GHz 동작주파수에서 최대 출력 파워는 -1.76 dBm 을 얻었고, 15.8 mW 의 전력을 소모하였으며, 이때 FOM 은 3.2 pJ/bit을 확보하였다.
획득한 결과를 통하여, RTD 쌍 기반의 MMIC 회로는 저전력 특성과 높은 출력 특성을 필요로 하는 다양한 MMIC회로에 접목이 가능한 기술임을 확인할 수 있다. 특히 높은 전송 데이터 레이트가 필요한 전지 에너지 기반, 저전력 송수신기 시스템에서 고성능 OOK 발진기로써, RTD 쌍 기반의 MMIC 기술이 미래 높은 시장 잠재력을 가지고 있는 저전력 근거리 무선 센서 네트워크 시스템의 송수신기로써 우수한 성능을 보인다고 결론 내릴 수 있다.
