KR100708296B1 - 크리스털 없는 오실레이터 트랜시버 - Google Patents

Abstract

적어도 하나의 무선 주파수 집적 칩(1), 기준 오실레이터(도 2, 80) 및 위상 동기 오실레이터(도 2, 82)를 포함하는 무선 주파수 트랜시버(도 1, 1, 11)는 크리스털 오실레이터들 대신 크리스털 아닌 공진기 구조들을 이용하여 기준 오실레이터 주파수 기능 및 위상 동기 오실레이터 주파수 기능을 제공한다. 벌크 음향 웨이브(BAW) 공진기들을 포함하는 필름 벌크 음향 공진기(FBAR) 구조들이 RFIC와 모놀리식으로 집적되거나 그 위에 플립 칩되어, 트랜시버의 크기, 중량 및 비용을 줄인다. RF 트랜시버는 TDMA 또는 CDMA 트랜시버일 수 있다.

Description

크리스털 없는 오실레이터 트랜시버{Crystal-less oscillator transceiver}

본 발명은 일반적으로 멀티밴드 무선 주파수(RF) 트랜시버들에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하나 이상의 트랜시버 무선 주파수 집적 칩들(RFICs) 상에 하나 이상의 중간값(가령 400에서 8000) 품질 팩터 공진기들을 가진 멀티밴드 무선 주파수 트랜시버 구조를 다룬 것이다. 보다 특정할 때, 본 발명은 RF 트랜시버들의 전압 제어형 오실레이터들(VCO) 및 기준 오실레이터들에 사용되는 크리스털을 대신할 크리스털 없는 오실레이터 RF 트랜시버 및 공진기 구조들을 다룬다.

모바일 전화기들의 이동 및 개발이 멀티밴드 어플리케이션들을 지향해 계속되고 있다. 이러한 멀티밴드 어플리케이션들은 트랜시버 안에서, 가령 전 세계적 개선을 위한 보강된 데이터 레이트(EDGE, Enhanced Data Rates for Global Evolution) 주파수 변조 및 진폭 변조 등과 같은 여러 다양하거나 복잡한 변조 방식들의 조합을 필요로 할 것이다. 더 복잡한 문제는 모바일 전화기들의 추세가 사양과 서비스의 증대된 집적화를 향해 간다는 것이다. 이러한 고집적을 향한 노력은 대부분의 기능들이 이제 하나 이상의 RFIC들에 집적되어 모바일 전화기의 크기를 줄이거나 크기의 증가를 막도록 하는 상황을 불러왔다. 그 기능들에는, 가령, 업/다운 변화기, LNA들, 위상 동기 루프(PLL), 증폭기/버퍼들, 및 무선 통신 시스 템에 사용되는 디바이스 및 장치에서의 기타 기능들이 포함된다. 선택된 무선 구조에 따라, 주어진 시스템 및 변조 방법에 대한 업/다운 변환, 채널 선택 및 변조를 제공하기 위해 트랜시버 안에 여러 개의 서로 다른 오실레이터들이 필요로 된다.

셀룰라 통신 시스템에 활용되는 종류와 같이 현재 알려져 있는 멀티밴드 RF 트랜시버들은 통상적으로 크리스털 공진기 오실레이터들을 사용한다. 서로 다른 크리스털 공진기 오실레이터들의 수가 트랜시버 가격과 크기의 주요 원천이고, 성능에도 가장 많은 기여를 한다. 일바적으로 크리스털 공진기들은 따로따로 패키징되어 오실레이터의 별개의 구성요소 또는 모듈로서 마더보드 상에 탑재된다. 크리스털 공진기 패키지들은 또한 통상적으로 오실레이터를 위한 튜닝 및 증폭 전자회로들을 포함한다. 크리스털 공진기 패키지들은 트랜시버에 무게를 더하며, 크리스털 및 공진기의 구성요소들은 트랜시버가 패키지의 중량으로 인해 떨어지는 경우의 쇼크나 충격력에 따른 손상, 및 그러한 힘들을 견디는 구성 요소 탑재 및 접착 수단의 기능에 민감하다. 트랜시버의 크기를 줄이기 위한 하나의 방편이, 최소 수의 오실레이터들을 사용하여 다른 RF 구조들에 비해 공간과 부피를 절약할 수 있는 직접 변환 및 변조 방법들과 같은 RF 구조를 선택하는 것이다. 추가 집적 방법은 일반적으로 동일 칩들 상의 기준 오실레이터들의 증폭 기능들을 PLL들과 병합하지만, 크리스털 그 자체는 외부 구성요소로서 남는다, 즉, PLL 칩들과 함께 집적되지 않는다. 또, 크리스털 및 공진기들과 같은 것으로부터의 필요한 몇 가지 구성요소 기능들은, 집적시 주로 실리콘 및 갈륨 비소 기술 등과 같이 가장 흔하게 이용되는 반도체와의 비호환성 때문에, 소형화, 하이브리드화, 및 집적화하는데 도움이 되지 않으며 보통 매우 어렵다.

크리스털 기반 오실레이터들은 기준 오실레이터 동작에 높은 Q 값을 제공하기 때문에 멀티밴드 무선 트랜시버에서 선호되고 있다. PLL에서의 위상 검출기와 같은 보조적 구성요소 기능들이 집적 회로 기술의 발전, 개선 및 실현으로 인해 훨씬 높은 주파수대에서 동작함에 따라, 기준 오실레이터 주파수들도 마찬가지로 주파수의 증가를 필요로 한다. 더 높은 주파수들 및 크기 감소 목적을 달성하기 위해 물리적으로 매우 작고, 가벼우며 조밀한 내성 특성을 가질 크리스털을 제조하기가 더 어려울 것이라는 것이 예상된다. 추가적 어려움으로는 크리스털 래핑(lapping), 정밀 커팅(cutting), 와이어나 납땜/연결 기술 등에 의한 접촉 연결과 같은 기계적 제조 측면이 더 포함된다.

다른 단점은 기준 오실레이터 모듈들에서 기준 크리스털이나 크리스털의 패키징에 보통 사용되는 와이어 본딩(bonding)과 같은 패키징 방법들은 트랜시버나 기준 오실레이터 모듈의 제조 중 및/또는 이후에 주파수 교정(calibration)의 필요성을 야기한다는 것이다. 일반적으로, 이러한 주파수 교정은 오실레이터의 중심 주파수를 조정하는데 사용하기 위한 스위치 가능 커패시터들의 도움으로 이뤄진다. 또, VCO에 사용되는 낮은 Q 값 공진기들의 부정확성은 VCO 오실레이터 모듈들의 제조시 중심 주파수 교정을 필요로 할 수 있다. 독자는 크리스털 및 크리스털 오실레이터들의 한계와 이들 각자의 작동 한계의 성능에 관한 디자인 이슈들 및 추가 설명에 대한 보다 상세한 정보를, 출판 영역에서 이용 가능한 텍스트북과 기술 저 널들을 참조해 얻을 수 있다.

그 외에, 높은 Q(>10000) 값 공진기들의 모놀리식(monolithic) 집적은, 가령, 지금까지 IC 집적에 가장 널리 사용되는 매체인 실리콘과, 크리스털 또는 몇 가지를 호명하자면 리튬 니오베이트(niobate)나 리튬 탄탈레이트(tantalate) 상의 SAW 공진기들에서 보여지는 석영 사이 등에서의 서로 다른 물질 호환 필요요건에 따라 기술적으로 실현되고 있지 못하다.

따라서, 크리스털 없는 공진기 구조 및, 전압 제어형, 온도 제어형 크리스털 오실레이터(VC(TC)XO)들을 포함해 VCO들과 기준 오실레이터들에서 크리스털 대신 사용하기 위한 공진기들을 구현하는 방법을 제공하는 것이 요망되는 일일 것이다. 크리스털 없는 공진기 구조가, TDMA 시스템들에서 사용되는 것과 같은 위상 동기 루프(PLL)나, 가령 CDMA 시스템에서 필요로 되는 것과 같은 동시 송수신 기능을 가진 트랜시버들 등에 필요로 될 수 있는 여러 PLL 칩들을 포함하는 것이 가능한 RFIC나 RFIC들 위에 집적 또는 플립 칩(flip chipped, 점착)된 박막 기반 공진기들(FBAR, BAW)로서 구현됨이 바람직하다. 가령, 트랜시버 안에 글로벌 위치 시스템(GPS) 사양 등을 포함하는 것과 같이, 다른 RF 밴드 기능을 병합하는 것은, 트랜시버의 가격과 복잡성을 추가로 증가시키는 하나 이상의 부가적 오실레이터/크리스털 기능들을 필요로 할 것이다. 따라서, 이러한 부가적 RF 밴드 기능들을 구현하기 위해 크리스털 없는 공진기 구조들을 사용하는 것 역시 요망된다.

따라서 본 발명의 목적은, RF 트랜시버 시스템에 사용되는 PLL 또는 PLL들과 함께 동일 찹 상에 플립 칩되거나 모놀리식으로 집적된 VCO 또는 VCO들 및 기준 오 실레이터를 위해 모든 필요한 공진기들을 FBAR(film bulk acoustic resonator) 또는 BAW(bulk acoustic wave resonator) 형태로 포함하는, PLL 또는 PLL들을 포함하는 것이 가능한 RFIC 또는 여러 RFIC들에 기반하는 고도로 소형화된 RF 트랜시버들을 제공하는데 있다.

본 발명의 이점은 분명하게 더 작아진 크기, 적은 개수의 부품 및 매우 가벼운 공진기들로 인해 비용 절약 및 휴대형 트랜시버 기기의 쇼크/드롭(drop)에 대한 강인성을 제공할 수 있다는 것이다.

본 발명의 제1양상에서, 적어도 하나의 무선 주파수 집적 칩(RFIC), 기준 오실레이터, 및 위상 동기 오실레이터를 포함하는 형태의 무선 주파수(RF) 트랜시버는 제1공진기 구조를 기준 오실레이터로서 사용하고 제2공진기 구조를 위상 동기 오실레이터로서 사용한다.

제1공진기 구조는 제1필름 벌크 음향 공진기(FBAR) 구조이고, 제2공진기 구조는 제2필름 벌코 음향 공진기(FBAR) 구조임이 바람직하다.

제1 및 제2FBAR 구조는 RFIC 칩과 모놀리식으로 집적됨이 바람직하다.

제1 및 제2FBAR 구조는 RFIC 칩 상에서 플립 칩됨이 바람직하다.

제1공진기 구조 및 제2공진기 구조는 벌크 음향 웨이브 공진기(BAW) 구조들임이 바람직하다. BAW 공진기 구조들은, 박막 기술 또는, 꼭 한정된 것은 아니지만 후막(thick film) 기술이나 기타 필름 층 제조 기술들을 포함해 다른 어떤 적절한 제조 기술로 제조된 형태일 수 있다.

제1 및 제2공진기 구조들의 품질 팩터(Q)는 약 40 내지 8000의 범위 내에 있는 값을 가짐이 바람직하다.

본 발명에 대한 기타 목적들, 사양들, 및 이점들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명된 본 발명의 이하의 상세 설명으로부터 보다 용이하게 알 수 있다.

도 1은 본 발명이 사용될 수 있는 형태의 기준 오실레이터 및 전압 제어형 오실레이터를 사용하는 직접 변환 RF 구조에 기반하는 시분할(TDMA) 트랜시버의 기능적 블록도이다.

도 2는 각각 전압 제어형 크리스털 오실레이터(VCXO) 및 VCO의 위상 노이즈 대 캐리어 주파수로부터의 오프셋 주파수 특성에 대한 위상 노이즈의 그래프 표현이다.

도 3은 PLL의 캐리어 주파수 특성으로부터의 오프셋에 대한 위상 노이즈의 그래프 표현이다.

도 4는 통상적인 기준 오실레이터의 위상 노이즈 특성에 대한 그래프적 표현이다.

도 5는 일반적인 초고주파 전압 제어형 오실레이터(UHFVCO)의 위상 노이즈 특성에 대한 그래프 표현이다.

도 6은 제1기본 FBAR/BAW 공진기 구조의 개략적 표현이다.

도 7은 제2기본 FBAR/BAW 공진기 구조의 개략적 표현이다.

도 8은 1 킬로헤르쯔 오프셋 주파수에서의 일반적 전력 신호(Psig)를 가지는 600 내지 1200 범위의 FBAR 공진기에서의 Q 값들에 대한 초고주파 전압 제어형 오실레이터(UHFVCO)의 위상 노이즈 특성에 대한 그래프 표현이다.

도 9는 크리스털 대신 600 내지 1200 범주의 Q 값을 가진 FBAR 공진기를 채용한 통상적 크리스털 오실레이터의 위상 노이즈 특성의 그래프 표현이다.

도 10은 트랜시버 오실레이터들을 제공하기 위해 RFIC와 함께 모놀리식으로 집적된 FBAR 공진기의 실시예에 대한 개략적 표현이다.

도 11은 트랜시버 오실레이터들을 제공하기 위해 RFIC 상에 플립 칩된(flip-chipped) FBAR 공진기의 다른 실시예의 개략적 표현이다.

이제 도면들을 주목하여 본 발명을 보다 구체적으로 고려할 때, 본 발명이 사용될 수 있는 형태의 통상적인 시분할 다중화 액세스(TDMA) RF 트랜시버의 개략적이고 기능적인 블록도가 10으로 표시되어 도면에 도시되고 있다. RF 트랜시버 기술의 당업자라면 본 발명이 가령 코드 분할 다중화 액세스(CDMA) 또는 지금 알려져 있거나 앞으로 전개될 기타 액세스 방식에서와 같이 TDMA 트랜시버들 이외의 방식들에서 사용될 수 있음을 인식 및 이해할 수 있을 것이다. 도 1에 도시된 TDMA RF 트랜시버(10)는 원하는 주파수들을 발생하는데 두 개의 최소 수의 오실레이터들이 필요로 되는 직접 변환 RF 구조에 기반하고 있다. 도 1에서, 실선의 박스(12) 안에 도시된 주파수 합성기는 위상 동기된 루프(PLL)을 이용해 원하는 주파수들을 생성한다. PLL의 동작은 이 기술 분야의 당업자들에게 일반적으로 잘 알려져 있으므로, 여기서는 비교할 목적으로 여기 사용된 크리스털 오실레이터들의 특징 및 일 반적 동작 패러미터들을 이해하고, 본 발명의 크리스털 없는 트랜시버 및 공진기 구조들의 동작 및 이점을 더 충분히 이해하기 위해 필요한 만큼만 설명할 것이다. 도 1에 도시된 예에서, 20으로 표시된 기준 주파수 오실레이터가, 50으로 표시된 고정된 제2오실레이터의 위상을 유지하는데 필요로 된다. 제2오실레이터(50)는 일반적으로 전압 제어형 오실레이터(VCO)이거나 초고주파 전압 제어형 오실ㄹ이터(UHFVCO)이다. 기준 주파수 오실레이터(20)는 일반적으로 크리스털(22)을 공진기로 이용하여 10에서 50 메가 헤르쯔 범위의 주파수들을 발생할 수 있는 크리스털 오실레이터이다. 크리스털 공진기(22)는 10,000에서 30,000의 범위에 있는 상대적으로 높은 Q 값을 가진다. 크리스털 기반의 기준 오실레이터의 주파수는 위상 검출기의 속도 및 PLL의 세팅 또는 동기 시간을 포함하는 여러 팩터들에 기초해 선택된다. 제2오실레이터 또는 UHFVCO(50)는 보통 약 500 메가헤르쯔에서 5 기가헤르쯔의 주파수에서 동작하고 약 20에서 60의 범위에 있는 상대적으로 낮은 Q 값을 가진다. UHFVCO(50) 공진기는 통상적으로 가령 시스템 및/또는 오실레이터 모듈 마더보드와 같은 인쇄 와이어링 보드(PWB) 상에 구현되거나 가령 한 개 혹은 여러 개의 가장 두꺼운 금속 층들을 이용해 실리콘 또는 갈륨 비소 집적 회로 등 위에 직접 구현된 공진기들 및/또는 코일들로 이뤄질 수 있다. 집적 회로는 또한 전압 제어 및 증폭 회로를 위해 버랙터(varactor) 또는 그와 유사한 구성 요소 기능 역시 포함할 수 있다.

도 1에서, 기준 주파수 오실레이터(20)의 출력(24)시의 주파수는 분주기(26)로 입력되어 위상 검출기(30)로 공급되도록 요망된 더 낮은 주파수로 생성된다. 위상 검출기(30) 출력(32)은 전압 또는 전류로 표현되는 루프 에러를 포함하여 루프 필터(34)로 입력되고, 루프 필터의 출력은 VCO(50)의 출력(42)에서의 주파수(위상)를 조정할 VCO(50)의 입력(40)에 연결된다. VCO(50)의 출력(42) 또한 VCO(50) 및 위상 검출기(30) 사이의 루프 피드백 경로에 위치하는 분할기(60)의 입력으로 연결된다. 분할기(60)는 적분기 또는 분수형 분할기일 수 있지만, 보통 분할기(60)는 멀티-율(multi-modulus) 분할기로서 PLL에 대해 보다 적은 단계와 보다 빠른 설정 시간 기능을 제공한다. 선택사양으로서, 델타 시그마 모듈레이터 기능(70)이 분주기(26)의 출력과 분할기(60)의 입력(62) 사이의 경로에 위치되어, 훨씬 더 빠른 설정 또는 동기 시간, 및 보다 양호한 정밀도를 위해 보다 적은 증가 스텝들을 제공한다.

FBAR 또는 SAW 공진기가, 낮은 비용과 최소 구성요소 수 및 적어도 동일한 노이즈 성능 레벨 하에서, 증가된 기준 오실레이터 주파수, 높아진 집적 레벨, 작아진 크기, 및 보다 빠른 속도의 보다 예측가능한 동작 중 요망한 조합을 제공하도록 크리스털 기반의 공진기들의 동작 특성을 복제해야 할 필요가 있다. RF 트랜시버에 사용되는 PLL들과 크리스털 기반 오실레이터들의 다양한 특성에 대한 설명은 다음과 같다. 일반적으로 저주파수대의 크리스털 기반 오실레이터들은 전압 제어형 오실레이터들(VCOs)에 비해 더 낮은 위상 노이즈를 가진다. 반대로, 크리스털 기반의 오실레이터들은 보다 높은 주파수대 및 캐리어 노이즈로부터의 오프셋에서 VCO들과 비교할 때 보다 큰 위상 노이즈를 가진다. 도 2를 참조하면, 크리스탈 기반 기준 오실레이터의 위상 노이즈 대, 캐리어 주파수로부터의 오프셋의 특성(80) 과, 전압 제어형 오실레이터의 위상 노이즈 대, 캐리어 주파수로부터의 오프셋의 특성(82)이 그래프 표현 형식으로 예시되고 있다. 곡선 80으로 나타낸 크리스털 기반 오실레이터 특성은 낮은 주파수대에서 VCO에 비해 더 낮은 위상 노이즈를 가지며, 곡선 82로 나타낸 VCO 특성은 고주파수대에서 크리스털 기반 오실레이터에 비해 더 낮은 위상 노이즈를 가짐을 알 수 있다.

휴대형 PLL RF 트랜시버들에서, VCO 주파수는 기준 오실레이터 위상에 동기된다. 기준 오실레이터는 PLL 대역폭 안에서 PLL 위상 노이즈를 정하며, VCO는 PLL 대역폭 밖의 PLL 위상 노이즈의 주요 공급자이다. 도 2에 도시된 것과 같은 위상 노이즈 특성을 가진 VCO 및 상대적으로 높은 Q 값을 가진 크리스털 기반 기준 오실레이터가 PLL 안에서 사용될 때, 도 3에서 PLL의 위상 노이즈 특성(86)이 VCO의 위상 노이즈 특성(84)과 크리스털 기반 기준 오실레이터의 위상 노이즈 특성(88)으로 이뤄짐을 알 수 있다. 매우 높은 Q 값 팩터를 가진 크리스털 공진기를 사용하는 크리스털 기반 기준 오실레이터는 가령, 캐리어 주파수로부터의 1 kHz 오프셋과 같이 상대적으로 작은 오프셋에서 매우 낮은 위상 노이즈를 제공한다.

이하에서 설명하는 것과 같이 PLL 위상 노이즈에 기여하는 다른 요소들 역시 존재한다. 오실레이터의 스펙트럼 밀도(L)가 공진기의 품질 팩터 Q, 중심 주파수

로부터 오프셋된 중심 주파수

, 및 다음 식과 같이 정의된 캐리어 주파수(

)에 의존한다는 것이 알려져 있다:

T는 온도이고 k는 Blotzman의 상수이다. 이 식의 해의 곡선은 도 3에 도시된 곡선들과 일치한다. 그러나, 오실레이터의 동일한 오프셋 주파수 및 신호 레벨에서 보다 높은 Q 값들은 더 낮은 스펙트럼 밀도를 생성하고 그에 따라 더 낮은 위상 노이즈를 생성한다는 것이 분명하다. 또한 PLL 기반 시스템에서 총 위상 노이즈가 VCO 위사 노이즈, 기준 오실레이터 위상 노이즈, 루프 필터의 구성 요소들로부터의 온도 및 디바이스 노이즈, 원하는 주파수들을 생성하는데 필요한 분주기로부터의 노이즈, 및 주파수/위상 검출기의 노이즈를 포함한다는 것 역시 알려져 있다.

각각 90, 92 및 94로 표시된 곡선들로 나타낸 1, 2, 및 4 기가 헤르쯔의 중심 주파수들에 대해, 1 kHz 오프셋에서의 통상적 전력 신호(Psig) 대 Q 값의, 온 또는 오프 칩 코일들이나 마이크로스트립 또는 스트립 라인 공진기들을 사용하는 일반적으로 알려진 전압 제어형 오실레이터들의 위상 노이즈 특성들이 도 4에 도시된다. 어떤 특별한 경우들에서 Q 값은 40과 60 사이의 범위에 있을 수 있다. 각각 96, 98, 및 100으로 표시된 곡선들로 나타낸 것과 같은 10, 20, 및 60 메가 헤르쯔에서의 중심 주파수들에 대해, 1 kHz 오프셋 대 Q 값의, 일반적으로 알려진 전압 제어형 크리스털 오실레이터들의 위상 노이즈 특성들이 도 5에 도시된다.

크리스털 대신, RF 트랜시버들에 사용하기 위해 본 발명에서 고려되는 것들 과 같은 박막 FBAR(film bulk acoustic) 또는 BAW(bulk acoustic wave) 공진기들은 일반적으로 특정 구조에 의존하는 6 내지 15 마스크 층 프로세스의 마이크로 전자회로 기술로 제조된다. 도 6은 110으로 표시된 FBAR 공진 구조의 대략적 형태를 도시한 것으로, 여기서 112로 표시된 음향 미러가 공진기(114) 아래 위치되어 구조물과 기판(116) 사이에 음향적 절연을 제공한다. 공진기(114)는 Aln, ZnO, PZT나 기타 의도된 임의의 기능을 달성하기 적절한 임의 형태일 수 있는 압전 물질과 같은 압전 물질의 층(118)을 포함한다. 또한 공진기는 압전 층(118)의 한 면에 외부 또는 상부 전극(120)을, 상부 층에서 반대로 배치되어 음향 미러(112)를 마주보는 압전 층(118)의 한 면에는 하부 또는 바닥 전극(122)을 포함한다. 음향 미러(112)는 바닥 전극(122)과 기판(116) 사이에서 고음향 임피던스 층들(124)과 저음향 임피던스 층들(126)이 번갈아 놓여지는 스택으로 이뤄진다. 음향 미러(112)는 공진기(114)를 공진에 대해 자유롭게 한다. 공진기(114)의 공진 주파수는 압전 층(118)의 두께에 의해 결정된다. 기판(116)은 보통 실리콘, 갈륨 비소, 유리 또는 이 분야에 잘 알려져 있는 적절한 절연 물질이다. FBAR 공진기의 품질(Q) 팩터는 Q 값의 정의 및 계측 정확도에 따라 달라지는데, 일반적으로 500에서 1200이지만, 최근 2000년 4월 6일에 공개가 허용된 한국의 정보 통신 대학의 공대에서 박 등에 의해 "RF 필터 어플리케이션을 위한 필름 벌크 음향 공진기 제조"라는 제목의 논문에서는 7700 이상의 범위에 있는 훨씬 더 높은 Q 값들이 보고되었다. 그 개시 내용이 여기 참고사항으로 포함된다. 도 7은 도 6에 도시된 것과 유사한 다른 전형적 FBAR 공진 구조(130)의 개략적 형태를 보이며, 동일한 참조 부호들은 동일한 구 성 요소를 나타낸다. 공진기(114)의 바닥 전극(122)은 기판(116)에 형성된 공동(cavity)이나 브리지(132)의 오프닝(134)에 위치되거나 그렇지 않으면 탑재됨으로써 공진기를 공진에 대해 자유롭게 한다. 공동(132)은 에어 공동(air cavity)이라고도 불린다.

도 8을 참조하면, 1 kHz에서의 통상 전력 신호(Psig)의 FBAR 공진기의 600 내지 1200 범위내 Q 값들에 대한 초고주파 전압 제어형 오실레이터(UHFVCO)의 위상 노이즈 특성이 각각 150, 152, 및 154의 곡선들로 나타낸 것과 같은 1, 2, 및 4 GHz의 중심 주파수들에 대해 도시되어 있다. 오실레이터 전력 및 공진 주파수가 동일하게 유지될 때 VCO 위상 노이즈의 현저한 개선 또는 감소가 있게 됨을 알 수 있다. 가령 도 4에 도시된 것과 같이 10에서 50 MHz 사이의 저발진 주파수대에서의 통상의 크리스털 기반 기준 오실레이터 위상 노이즈 특성과, 도 8에 도시된 것과 같은 FBAR 공진기 Q 값들 및 통상적 VCO 신호 레벨들 기반의 VCO 위상 노이즈를 비교하면, 위상 노이즈 특성들은 공진 주파수가 충분히 높을 때 서로 근접한다는 것을 알 수 있다. 유일하게 차별화되는 팩터들은 발진 주파수 및 통상적 신호 레벨들이다.

기준 오실레이터에서 크리스털을 FBAR 또는 BAW 공진기 구조로 대체하면 더 낮아진 Q 값들(Q_FBAR- 400에서 1200 대 Q_crystal-10000에서 30000)로 인해 위상 노이즈의 극적인 증가를 일으킨다. 이 증가는 도 9에서 도시된 것과 같이 오실레이터의 발진 주파수와 신호 레벨이 실질적으로 동일하게 유지될 때 더 확연해진다. 그러 나, FBAR 공진기의 공진 주파수는 층이 얇을수록 공진 주파수가 높아지는 압전 물질 층의 두께에 의해 결정된다. deposition 및/또는 sputtering 기술들과 같은 것을 이용하는 압전 층을 제공하는데 필요로 되는 긴 제조 시간 때문에 400 MHz 미만의 주파수대에서 공진하는 공진기들은 제조에 실용적이지가 못하다. 따라서, 도 9에 도시된 상황은 이론적 실제로서 오실레이터 위상 노이즈에 대한 감소된 Q 값의 효과를 보이기 위해 나타낸 것이다. 보다 새로운 제조 기술들 및 프로세스들이 개발됨에 따라, 그러한 공진기들이 제조되고 사용가능하는데 있어 실제적이 될 것이라는 기대를 할 수 있고, 그에 따라 본 발명은 그러한 장래의 개발 사항들을 고려한다.

약 20dB/decade의 추가 위상 노이즈 감소가, 기준 오실레이터에 필요한 저주파수들을 얻기 위해 FBAR 공진기에서 발생된 100에서 400 MHz의 주파수 분주를 통해 구현된다. 예를 들어, 5 GHz에서 50MHz로부터의 주파수 분주 단독으로 위상 노이즈를 40 dB 정도 감소시킬 것이다. 그런데, 주파수 분주 프로세스는 오실레이터의 최종 위상 노이즈에 추가 노이즈를 제공할 수도 있다. 그러나 그 영향은 가령 적절한 노이즈 최적화 바이어싱 소자들을 선택하거나 노이즈 제거 방법들을 이용하는 등의 신중한 설계에 의해 최소화될 수 있다. 그러나, 분수적 주파수 분할에 기반한 보다 쇄신되고 새로운 고속 안정 PLL들이 정수 기반 PLL들에 비해 더 높은 기준 주파수의 사용을 가능하게 하고, 그에 따라 기준 오시레이터 주파수의 분주에 대한 필요성을 최소화시키거나 실질적으로 필요성이 없게 만든다. 더 높은 주파수 기준 오실레이터 및 더 빨리 안정되는 PLL들의 추가적 이점은 전력 공급하는데 매 우 적은 구성 소자들이 필요로 되는데 기인한 전력 소비의 감소이다.

상술한 팩터들은, 약 10000에서 3000 범위의 상대적으로 높은 값의 Q 품질 팩터를 갖는 통상적 10 내지 50 MHz의 저 주파수 크리스탈 기반의 기준 오실레이터를, 약 400에서 1200 및 7700까지의 범위에 있는 중간 값의 Q 품질 팩터를 갖는 약 400 MHz에서 5 GHz 범위의 고주파수의 박막 FBAR 공진기 기반 오실레이터로 교체 될 수 있게 하고, 더 작은 크기에 더 적은 부품 수, 및 공진 소자들의 감소된 중량으로 인해 쇼크나 드롭에 대해 향상된 견고성을 가진 휴대형 트랜시버들에서 적어도 동일한 성능의 PLL들과 주파수 합성기들을 획득 가능하게 한다.

RF 시스템 사양 및 FBAR 공진기 관점의 압전 층의 두께 제조 능력으로부터, 트랜시버의 기준 및 UHFVCO 오실레이터들 모두에 대해 충분히 낮은 위상 노이즈 특성을 제공하는 상술한 예에서의 5 GHz 주파수 등과 같이 충분히 높은 주파수를 얻을 수 있다. 동일한 발진 주파수가 기준 오실레이터와 UHFVCO 오실레이터 모두에 대해 사용되면, 그 기준 및 VCO 오실레이터들이나 기준 오실레이터 단독의 공진기들에 대한 완전 모놀리식 집적 또는 플립 칩이 상술한 바와 같이 FBAR 공진기를 사용해 가능하게 된다. 현재 알려진 낮은 Q 기반 UHFVCO 해법들이 위상 노이즈 성능 관점에서 적절하기 때문에, 고 주파수(>3 GHz) 기준 오실레이터만을 위한 FBAR 공진기의 사용 역시 가능하고 또 실용적일 수 있다.

다른 필요한 트랜시버 기능들이 자리한 RFIC(들)과 같은 동일한 반도체 기판 또는 기판들 상에 모놀리식으로 집적되거나 플립 칩된 중간 품질 팩터 FBAR 또는 BAW를 사용하는 것은 극도의 소형화, 칩크기(들)의 감소, 및 패키징 및 재료 사용 을 최소화하는 적은 부품들의 수를 파생시키고 그에 따라 비용을 최소화할 수 있다.

도 10은 기준 오실레이터 주파수 기능을 제공하기 위해 RFIC(184)와 함께 모놀리식으로 집적된 FBAR 공진기(182) 및 VCO 주파수 오실레이터 기능을 제공하기 위해 RFIC(184)와 함께 모놀리식으로 집적된 FBAR 공진기(186)의 가능한 한 실시예(180)를 개략적으로 도시한 것이다. 도 11은 기준 오실레이터 주파수 기능을 제공하기 위해 RFIC(194)에 플립 칩(점착)된 FBAR 공진기(192) 및 VCO 주파수 오실레이터 기능을 제공하기 위해 RFIC(194)에 플립 칩된 FBAR 공진기(196)의 가능한 한 실시예(190)를 개략적으로 도시한 것이다.

PLL 기능 역시 포함할 수 있는 RFIC 위나 RFIC들 위에, 오실레이터(들)과 매우 가깝거나 물리적으로 밀착하여 FBAR 공진기(들)을 플립 칩에 의해 결합함으로써 비용면에서 효율적인 설계 및 완전 집적 구축 옵션이 된다. FBAR 및 모놀리식 집적으로 인해 증가된 마스크 수는 증가된 마스크 수의 가격 보다 RFIC 칩(들)의 제조 가격을 더 선형적으로 증가시킬 수 있다. 제조 기술들이 진보해감에 때라, 혹은 새 제조 기술들이 출현함에 따라, 이러한 상황은 바뀔 것이며 FBAR 공진기의 완전 집적이 보다 경제적으로 될 수 있을 것임이 명백하다.

RF 트랜시버의 전압 제어형 오실레이터(VCO)들 및 기준 오실레이터들에 사용되는 크리스털을 대신하는 크리스털 없는 트랜시버 및 공진기 구조가 여러 바람직한 실시예들을 통해 위에서 설명되었다. 본 발명의 개념과 범주로부터 벗어나지 않고 상기 실시에들에 대한 수많은 변화 및 변경이 이뤄질 수 있다. 예를 들어, 공진기 구조에 대한 제조 기술들은 주어진 RFIC에 순응 및 동작에 적합한 것으로 바뀔 수 있다. 따라서, 본 발명은 한정이 아닌 예로서 설명되었다.

Claims (11)

1. 적어도 하나의 무선 주파수 집적 칩(RFIC), 기준 오실레이터 및 위상 동기(phase-locked) 오실레이터를 포함하는 형태의 무선 주파수(RF) 트랜시버에 있어서,

   상기 기준 오실레이터는 제1공진기 구조를 구비하고, 상기 위상 동기 오실레이터는 제2공진기 구조를 구비하고,

   상기 제1공진기 구조는 제1필름 벌크 음향 공진기(FBAR) 구조이고, 상기 제2공진기 구조는 제2필름 벌크 음향 공진기(FBAR) 구조임을 특징으로 하는 RF 트랜시버.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2FBAR 구조들은 RFIC 칩과 함께 모놀리식(monolithic)으로 집적됨을 특징으로 하는 RF 트랜시버.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1및 제2FBAR 구조들은 RFIC 칩 상에 플립 칩(점착)됨을 특징으로 하는 RF 트랜시버.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1공진기 구조 및 상기 제2공진기 구조는 벌크 음향 웨이브 공진기(BAW) 구조들임을 특징으로 하는 RF 트랜시버.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2공진기 구조들의 품질 팩터(Q)는 약 400에서 8000까지의 범위에 있는 값을 포함함을 특징으로 하는 RF 트랜시버.
6. 제3항에 있어서, 상기 RFIC 칩은 위상 동기 루프(PLL) 칩을 더 포함함을 특징으로 하는 RF 트랜시버.
7. 적어도 하나의 무선 주파수 집적 칩(RFIC), 기준 오실레이터 및 위상 동기(phase-locked) 오실레이터를 포함하는 형태의 무선 주파수(RF) 트랜시버에 있어서,

   상기 기준 오실레이터는 제1필름 벌크 음향 공진기(FBAR) 구조인 제1공진기 구조를 구비하고, 상기 위상 동기 오실레이터는 제2필름 벌크 음향 공진기(FBAR) 구조인 제2공진기 구조를 구비하고,

   상기 제2공진기 구조는 낮은 Q 기반의 UHFVCO이고, 상기 제1공진기 구조는 고주파(>3 GHz) 기준 오실레이터 주파수 기능을 규정하기 위해 제1무선 주파수 집적 칩(RFIC)과 함께 모놀리식으로 집적된 제1필름 벌크 음향 공진기(FBAR) 구조임을 특징으로 하는 RF 트랜시버.
8. 적어도 하나의 무선 주파수 집적 칩(RFIC), 기준 오실레이터 및 위상 동기(phase-locked) 오실레이터를 포함하는 형태의 무선 주파수(RF) 트랜시버에 있어서,

   상기 기준 오실레이터는 제1필름 벌크 음향 공진기(FBAR) 구조인 제1공진기 구조를 구비하고, 상기 위상 동기 오실레이터는 제2필름 벌크 음향 공진기(FBAR) 구조인 제2공진기 구조를 구비하고,

   상기 제2공진기 구조는 낮은 Q 기반의 UHFVCO이고, 상기 제1공진기 구조는 고주파(>3 GHz) 기준 오실레이터 주파수 기능을 규정하기 위해 제1무선 주파수 집적 칩(RFIC) 상에 플립 칩된 제1필름 벌크 음향 공진기(FBAR) 구조임을 특징으로 하는 RF 트랜시버.
9. 제1항에 있어서, TDMA RF 트랜시버임을 특징으로 하는 RF 트랜시버.
10. 제1항에 있어서, CDMA RF 트랜시버임을 특징으로 하는 RF 트랜시버.
11. 삭제

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