CMOS 임펄스 발생기와 고출력 밀리미터파 전압 제어 발진기 설계

Abstract

본 논문에서는 임펄스 기반 초광대역(Ultra-wideband, UWB) 시스템용 CMOS 임펄스 발생기와 최근 광대역 무선 통신의 새로운 적용 분야로 관심 받고 있는 밀리미터파 송수신기 적용 고출력 전압 제어 발진기를 설계 및 제작하였다. 제안된 임펄스 발생기와 전압 제어 발진기는 TSMC 0.18-㎛ CMOS 공정을 사용하여 설계하였다. 제안된 임펄스 발생기의 구조는 delay 클락을 발생시키기 위하여 fast path와 slow path 회로를 연결한 두 단의 delay-cell을 사용하였고 Gilbert cell구조의 exclusive-OR 회로와 RLC 대역 통과 필터를 사용하여 임펄스 출력이 발생하도록 구현하였다. 모의실험 결과 공급 전압 1.8 V에서 최대 delay time은 92 ps이며 임펄스의 폭은 1 ns이하로 구현하였다. 이때 전체 회로의 소비 전력은 12.8 mW이다. 두 번째 설계는 고출력 밀리미터파 전압 제어 발진기를 설계하였다. 제안된 발진기는 cross-coupled 발진 회로에 증폭 회로를 연결하여 증폭된 출력신호가 다시 입력 단으로 피드백됨으로써 높은 출력 신호를 발생시킬 수 있는 구조이다. 모의실험 결과 공급 전압 1 V에서 주파수 조정 범위는 31.4625 GHz부터 33.495 GHz까지 2.0325 GHz로 구현하였으며, 이때의 출력 전력은 -7.2 dBm부터 최대 -5.9 dBm 까지 구현하였다. 위상 잡음은 1 MHz 오프셋 주파수에서 -99.5 dBc/Hz 결과 값을 얻었다. 레이아웃에서 사용된 메탈 라인에 대한 EM 모의실험을 실시하였으며 발진기 회로의 소비 전류는 15.3 mA이며, buffer는 4.6 mA를 소비하여 총 소비 전력은 19.9 mW이다.; This thesis presents the design of methods for an impulse generator for the On-Off Keying(OOK) ultra-wideband impulse radio(UWB-IR) system and a high output power voltage-controlled oscillator(VCO) for millimeter-wave transceiver with TSMC 0.18-㎛ CMOS technology. The proposed impulse generator consists of two delay-cells with fast and slow paths, a exclusive-OR(XOR) with the Gilbert cell, and a band-pass filter(BPF) for the impulse generation. Only two delay-cells are used to reduce the power consumption. Simulation results show the delay time of 92 ps and shorter pulse width time less than 1 ns. The power consumption of this circuit is 12.8 mW for 1.8 V supply. The proposed VCO adopts the feedback technique that consists of cross-coupled oscillator and amplifier circuit for the high output power level. Simulation results show the operating frequency ranging from 31.4625 GHz to 33.495 GHz, the output power level of -6.58 dBm and the phase noise of -99.5 dBc/Hz at 1 MHz offset. The power consumption of the VCO core and buffer is 19.9 mW for 1 V supply.