KR101413527B1 - 위상 조정수단을 가진 스핀 발진기와 스핀 변조기, 그를 이용한 변조 방법 및 그 제작 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 m x n 행렬의 스핀 발진기들로 구성된 스핀 어레이(m ≥ 1 , n ≥1); 동작 조건에 따라 상기 스핀 발진기들을 선택적으로 동작시키기 위한 선택제어수단; 및 상기 동작 조건의 변동에 따라 상기 스핀 발진기들의 위상 동기 동작을 조정하기 위한 m x n 위상 조정수단들로 구성된 위상조정 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 조정수단을 가진 스핀 변조기에 관한 것이다.

Description

위상 조정수단을 가진 스핀 발진기와 스핀 변조기, 그를 이용한 변조 방법 및 그 제작 방법{Spin oscillator and spin modulator having phase tuning means and modulation and production method thereof}
본 발명은 위상 조정수단을 가진 스핀 변조기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스핀 발진기와 연결된 가변 커패시터 및 상기 가변 커패시터 조정용 조건 일람표(lookup table, 이하 'LUT'라 함)를 구비하여 원하는 성능으로 스핀 발진기를 조정함으로써, 반송파로 사용하는 스핀 발진기의 출력파워와 위상 잡음을 최적화하여 데이터를 변조시키는 위상 조정수단을 가진 스핀 변조기에 관한 것이다.
기존의 전자회로 기반으로 만들어지는 전압제어 오실레이터(voltage controlled oscillator: 이하 ‘VCO’라 함)는 발진대역이 협대역으로 멀티 밴드 통신 장치를 구현하려면 다수개의 VCO를 사용해야 하며, 전원을 인가하여 요구되는 주파수를 얻기까지의 안정시간(settling time)이 소요되는 문제점이 있다.
한편, 스핀전달토크(spin transfer torque) 현상을 이용한 발진기(이하 ‘스핀 발진기’라 함)는 인가하는 전류에 따라 주파수를 달리 발생할 수 있으므로 하나의 스핀 발진기로도 멀티 밴드 통신 장치를 구현할 수 있다. 또한 스핀 발진기는 안정시간이 매우 짧아 하나의 심볼로 변조시 FSK로는 50Mbps, ASK로는 500Mbps이상의 고속 전송할 수 있는 장점이 있다.
스핀 발진기는 나노 사이즈 단위로 실리콘 기판에 집적화가 가능하여 소형 및 대량 생산이 가능하고, 빠른 전송 속도 및 멀티 밴드 통신 구현에 큰 장점을 갖고 있으나, 현재 기술로는 스핀 발진기의 발진 신호 출력 레벨이 40dBm 이하로 낮고, 위상잡음 특성이 좋지 못해 반송파에 사용되는 기존의 VCO를 대체하거나 기타 통신 응용 부품에 활용하기에는 아직까지 문제가 많다. 40dBm 이하의 출력 레벨로는 전송거리가 극히 제한되며, 나쁜 위상잡음 특성은 원하는 신호 대 잡음비(signal to noise ratio: SNR)를 얻을 수 없다.
또한, 스핀 발진기는 나노 사이즈 단위로 제작 시에 공정조건 등에 따라 그 특성의 변동폭이 크고, 자기장 등 외부환경 및 인가 전류 등 동작 조건에 따라 출력 특성의 변동폭이 크다는 문제점이 있다.
비특허문헌 1에서 두 개의 스핀 발진기를 가변 커패시터로 동기화한 시뮬레이션 결과를 보고한 바 있다.
PYan Zhou, et. Al., "Capacitance Enhanced Synchronization of Pairs Spin-Transfer Oscillators." 2009 Transaction of Magnetics
상기와 같은 문제점을 해결하고자 본 발명은 공정조건 및 동작조건에 따른 스핀 발진기의 변동폭을 조정하기 위하여 스핀 발진기와 연결된 가변 커패시터 및 상기 가변 커패시터 조정용 LUT를 구비하여 원하는 성능으로 스핀 발진기를 조정함으로써, 반송파로 사용하는 스핀 발진기의 출력과 위상 잡음을 최적화하여 데이터를 변조시키는 위상 조정수단을 가진 스핀 변조기를 제공하고자 한다.
상기의 해결하려는 과제를 위한 본 발명에 따른 스핀변조기는 m x n 행렬의 스핀 발진기들로 구성된 스핀 어레이(m ≥ 1 , n ≥1); 동작 조건에 따라 상기 스핀 발진기들을 선택적으로 동작시키기 위한 선택제어수단; 및 상기 동작 조건에 따라 상기 스핀 발진기들의 위상 동기 동작을 조정하기 위한 m x n 위상 조정수단들로 구성된 위상조정 어레이를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 동작 조건에 따라 최적의 스핀 발진기들의 출력을 발생하기 위한 상기 위상 조정 수단마다 인가되는 조정값을 저장한 조건 일람표(LUT)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 선택제어수단에 의해 스위칭되어 상기 m x n 스핀 발진기들에 전류를 인가하는 전원공급수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 전원공급수단은, 상기 동작 조건에 따라 전류 크기가 변동되는 가변 전류원들로 구성되어 상기 스핀 발진기들의 출력 신호를 조정하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 위상 조정수단들은 상기 스핀 발진기들과 1:1 쌍으로 연결되고 상기 LUT로부터의 조정값에 의해 조정되는 가변 커패시터인 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 동작 조건에 따라 상기 선택제어수단과 상기 LUT를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예로서, 위상 조정수단을 가진 스핀 변조기의 제작 방법은, 스핀 발진기들과 위상 조정수단들을 포함하는 스핀 변조기를 제조하는 단계; 동작 조건별로 상기 스핀 변조기 및 위상 조정수단의 특성을 측정하는 단계; 측정된 결과를 통해 상기 동작 조건별로 상기 스핀 발진기의 조정값을 추출하여 LUT에 저장하는 단계; 및 상기 조정값을 상기 위상 조정수단에 인가하여 상기 스핀 발진기의 위상 동기 동작을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 스핀 변조기의 변조 방법은, 진폭 변조, 주파수 변조 및 위상 변조 중 적어도 하나의 변조 방식을 선택하는 단계; 선택된 변조 방식에 따라 스핀 어레이를 소정의 스핀 발진기 블록으로 구분하는 단계; 선택된 변조 방식에 따라 동작되는 상기 스핀 발진기 블록에 LUT로부터 조정값을 선택하여 위상 조정수단에 인가하는 단계; 및 변조할 입력 데이터에 따라 스핀 발진기 블록을 선택하고 전원을 인가하여 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 상기 스핀 발진기 블록을 구성하는 개별 스핀 발진기의 개수와 위치는 변조 방식에 따라 임의로 선택하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 상기 진폭 변조가 z-비트(bit)의 입력 데이터를 z-심볼(symbol)로 진폭 변조하는 경우, 상기 스핀 어레이를 2z-1개의 스핀 발진기 블록으로 구분하고 상기 입력 데이터에 따라 상기 스핀 발진기 블록을 조합하여 상이한 2z개의 진폭 레벨로 변조 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 상기 주파수 변조가 x-비트의 입력 데이터를 x-심볼로 주파수 변조하는 경우, 상기 스핀 어레이를 2x개의 스핀 발진기 블록으로 구분하고 상기 입력 데이터에 따라 상기 스핀 발진기 블록을 선택하여 상이한 2x개의 주파수로 변조 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 상기 위상 변조가 y-비트의 입력 데이터를 y-심볼로 위상 변조하는 경우, 상기 스핀 어레이를 2y개의 스핀 발진기 블록으로 구분하고 상기 입력 데이터에 따라 상기 스핀 발진기 블록을 선택하여 상이한 2y개의 위상 변조 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 스핀 발진기는 m x n 행렬의 스핀 발진기로 구성된 스핀 어레이(m ≥ 1 , n ≥1); 상기 스핀 발진기들을 구동시키기 위한 전원을 제어하는 전원공급수단; 및 동작 조건에 따라 상기 스핀 발진기들의 위상 동기 동작을 조정하는 m x n 위상 조정수단으로 구성된 위상조정 어레이를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 각각의 스핀 발진기마다 가변 커패시터 조정값을 LUT에 저장하여 동작 조건에 따라 가변 커패시터에 선택적으로 인가함으로써 최적의 출력 파워와 위상잡음 특성을 갖는 스핀 발진기로 동작시켜 데이터와 변조하여 변조 신호를 출력한다.
본 발명은 스핀 발진기의 특성상 나노 스케일 CMOS 공정으로 집적화가 용이하므로 SOC(system on chip)가 실현할 수 있고, 저가로 대량 제조할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 멀티 심볼 진폭 변조, 멀티 심볼 주파수 변조 및 멀티 심볼 위상 변조에 의해 기가비트 데이터 전송과 광대역의 멀티 밴드 주파수 송수신을 달성할 수 있다.
본 발명은 나노 사이즈 단위의 스핀 발진기에 의한 스핀 발진기와 스핀 변조기를 구현함으로써 저전력 소모의 초소형 통신 장치를 구현할 수 있다.
본 발명은 종래의 VCO가 전원이 인가되고 요구되는 주파수 신호를 출력하기까지 안정시간(setting time)이 길어 Kbps의 통신 전송 속도밖에 구현할 수 없는 문제점을 해결하여 멀티 심볼 변조 방식에 의해 기가비트 통신 전송 속도를 구현할 수 있는 효과가 발생한다.
도 1은 일반적인 스핀 발진기를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 위상 조정수단을 가진 스핀 발진기 및 스핀 변조기의 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 4 x 4 스핀 변조기의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 4는 도 3에 도시된 스핀 발진기, 가변 커패시터, 가변 전류원의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 m x n 스핀 발진기에 m x n 가변 커패시터 어레이가 연결된 스핀 발진기를 도시한 도면이다.
도 6은 멀티 심볼 진폭 변조 방법에 따른 스핀 어레이를 분할하는 예시를 나타낸 개념도이다.
도 7은 멀티 심볼 주파수 변조 방법에 따른 스핀 어레이를 분할하는 예시를 나타낸 개념도이다.
도 8은 멀티 심볼 위상 변조 방법에 따른 스핀 어레이를 분할하는 예시를 나타낸 개념도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 위상 조정수단을 가진 스핀 변조기의 블록도이다.
도 10은 본 발명에 따른 가변 커패시터의 일 실시예이다.
이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.
도 2는 본 발명에 따른 스핀 변조기의 블록도로서, 선택제어수단(10), 전원공급수단(20), 스핀 어레이(30), 위상조정 어레이(40), 가변 커패시터 조정용 조건 일람표(lookup table, 이하 'LUT'라 함)(50) 및 제어부(60)를 포함한다.
상기 스핀 어레이(30)는 스핀 발진기가 m x n 행렬(m ≥ 1 , n ≥1)로 설계된다. 각 스핀 발진기는 직류 전류가 인가되면 발진 신호를 출력하며, 전류의 크기를 달리 하거나 외부 자기장에 따라 주파수가 달라진다.
상기 전원공급수단(20)은 상기 선택제어수단(10)에 의해 스위칭되어 상기 스핀 어레이(30)에 전원(I11, I12, ..., Imn)을 공급하며, 전원은 직류 전류 또는 직류전압 등이다. 상기 전원공급수단(20)은 도 4에 도시된 바와 같이, 각 스핀 발진기마다 개별적인 발진 신호를 출력할 수 있도록 가변 전류원(21)일 수 있다.
상기 위상조정 어레이(40)는 상기 스핀 발진기들이 주변의 스핀 발진기와 위상이 최적으로 동기화(synchronization)가 되도록 상기 스핀 발진기들의 위상 동기 동작을 조정하는 위상 조정수단이 스핀 어레이(30)의 각 스핀 발진기와 1:1로 쌍을 이루어 스핀 어레이와 같이 m x n 행렬로 배열된다. 예를 들면 도 3, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 위상 조정수단은 가변 커패시터(41)로 구현할 수 있고, 가변 커패시터 또는 인덕터를 직렬, 병렬 또는 직병렬 조합하여 구현할 수 있다. 가변 커패시터(41)는 인가전압에 의하여 커패시턴스가 가변되는 PN 다이오드 또는 MOS 트랜지스터 등으로 구현할 수 있다. 모스 트랜지스터는 게이트 전압을 가변시켜 MOS 커패시턴스를 변화시킨다. PN 다이오드는 양극(anode)과 음극(cathode)의 채널 간격을 순방향 또는 역방향의 전압을 가변시켜 커패시턴스를 변화시킨다.
가변 커패시터(41)는 예를 들면, 도 10에 도시된 바와 같이, 대략적인(coarse) 커패시터부(41A)와 미세(fine) 커패시터부(41B)를 포함할 수 있다. 대략적인 커패시터부(41A)는 커패시턴스가 큰 제1 커패시터(C1)와 제1 스위칭 소자(SW1)로 구성되며, 커패시턴스가 작은 미세 커패시터부(41B)는 제2 커패시터(C2)와 제2 스위칭 소자로 구성된다. 표 2에 도시된 바와 같은, 조정값(W11~W44)에 의해 상기 대략적인 커패시터부(41A) 또는 상기 미세 커패시터부(41B)가 선택적으로 상기 스핀 발진기에 연결된다. 예를 들면, 도 6에 도시된 진폭 변조 동작시, 변조 동작에 따라 제1 내지 제3 스핀 발진기 블록 중 구동하는 스핀 발진기 블록도 있고, 구동하지 않는 스핀 발진기 블록도 있다. 구동하는 스핀 발진기 블록에서도, 상기 조정값에 의해 주 동작을 하는 스핀 발진기와 부 동작을 하는 스핀 발진기가 있다. 표 2를 참조하면, 동작 조건 중 진폭 변조시, 조정값(W11)은 1이고, 조정값(W12)는 0으로, 조정값(W11)이 인가되는 가변 커패시터에 연결된 스핀 발진기는 주 동작 스핀 발진기가 되고, 조정값(W12)이 인가되는 가변 커패시터에 연결된 스핀 발진기는 부 동작 스핀 발진기가 되어, 설계자에 의해 최적으로 맞추어진 진폭 레벨의 변조 신호를 출력할 수 있다. 이와 같이 조정값을 설정하면 각 동작 조건에 따라 응답속도가 빠르고 정확한 변조 신호 생성이 가능하고, 변화하는 동작 환경에서도 빠른 보상 동작을 구현할 수 있다.
상기 선택제어수단(10)은 상기 스핀 어레이(30) 내의 스핀 발진기들을 선택적으로 동작시키며, 예를 들면, 도 3에 도시된 디코더(11) 또는 역다중화기 등이 있다.
상기 LUT(50)는 위상 조정수단의 조정값을 저장하여 둔 테이블로 제작 조건이나 동작 조건에 따라 최적의 값을 찾아 위상 조정수단을 가변시킨다. 예를 들어 위상 조정수단이 PN 다이오드일 경우 인가 전압에 따른 커패시턴스 값이나 그에 비례하는 전압값을 테이블화하여 LUT(50)에 저장하고, 각 스핀 발진기의 주파수가 다른 경우 위상을 동기화시키기 위하여 원하는 커패시턴스값을 LUT(50)에서 찾아 그에 대응하는 PN 다이오드의 바이어스 전압을 가하는 것이다.
상기 제어부(60)는 ASK(amplitude shift keying: 이하 ‘진폭 변조’라 칭함), FSK(frequency shift keying: 이하 ‘주파수 변조’라 칭함) 또는 PSK(phase shift keying: 이하 ‘위상 변조’라 칭함)에 따라 상기 선택제어수단(10)을 제어하는 제1 컨트롤 신호(dat1)와 상기 전원공급수단(20)을 제어하는 제2 컨트롤 신호(dat2)와 상기 LUT을 제어하는 제3 컨트롤 신호(dat3)를 출력한다. 상기 제어부(60)는 LUT(50)에서 동작 조건에 따라 최적 조건을 찾기 위한 LUT 컨트롤러를 포함할 수 있다.
상기 선택제어수단(10)은 제1 컨트롤 신호(dat1)가 인가되면 상기 스핀 어레이(30)의 전체 또는 일부를 선택적으로 동작시키며, 상기 전원공급수단(20)은 제2 컨트롤 신호(dat2)가 인가되면 상기 스핀 어레이(30)에 공급하는 전류의 크기를 제어함으로써, 진폭 변조, 주파수 변조, 또는 위상 변조하거나, 둘 이상을 선택하여 복합적으로 변조할 수 있다. 변조 방법에 대해서는 도 6 내지 도 8에서 설명하기로 한다.
본 발명에서 위상 동기화 방법은 인접한 스핀 발진기들이 서로 영향을 주고받아 위상이 동기화되어(synchronization) 동일한 위상이나 동일한 주파수 신호로 출력한다. 스핀 발진기들이 서로 다른 위상 또는 주파수로 출력되는 경우 각 스핀 발진기들의 위상이 동일하도록 각각의 위상 조정수단의 임피던스를 조정하면, 위상이 제각기인 신호들이 마치 하나의 고출력 파워의 신호와 같이 위상이 동기화된다. 위상 동기화된 발진 신호는 출력파워는 높고, 위상 잡음은 상대적으로 감소되는 효과가 발생한다.
상기 LUT(50)는 스핀 발진기의 특성에 따라 최대 출력 파워를 낼 수 있도록 동작 조건에 최적으로 맞추어진 조정값을 저장하고, 각각의 위상 조정수단들에 개별적인 값들로 인가한다. LUT(50)는 스핀 어레이(30)의 위상 동기 동작이 어떤 동작 조건에서도 항상 최적으로 동작하여 최대 출력 신호를 얻을 수 있도록 한다.
스핀 발진기들은 자기장, 온도 및 습도에 따라 출력 레벨과 위상이 다른 신호가 발생할 수 있으며 주파수 대역, 출력 레벨, 변조 방식(ASK, FSK, PSK) 등에 따라 출력파워나 위상의 차이가 발생한다. 요구되는 동작 조건에 따라 가변 커패시터에 입력되는 최적의 조정값으로 구성된 LUT(50)를 통해 각각의 스핀 어레이(30)의 가변 커패시터 값을 조절하여 최적의 발진 신호를 출력할 수 있다. 각 스핀 발진기의 전류에 대한 발진 주파수 특성, 위상 동조 특성, 출력파워 특성을 분석 후 각 스핀 발진기에 최적의 특성을 구현하기 위한 조정값을 가변 캐피시터에 인가한다.
동작조건 W11 W12 W13 W14 W21 W22 W23 W24
진폭변조 1.03 0.98 0.99 1.05 0.88 0.97 1.06 1.07
주파수변조 1.06 1.03 0.97 1.06 1.06 1.05 1.05 1.05
위상변조 0.99 1 1.03 1.03 1.05 1.05 1.03 1
주파수 대역 1 1.07 1.07 1 1.06 1 1 1 0.99
주파수 대역 2 1.05 1.06 1.02 1.03 1.07 1 1.03 1.05
주파수 대역 3 1.03 1.07 0.97 1 1.06 0.98 1.02 1.05
출력 레벨 1 1.07 1 0.99 1.07 0.99 1.07 1.02 1
출력 레벨 2 1.03 0.98 1.02 0.97 1.02 1 1.02 1.05
출력 레벨 3 1.07 1.03 1.07 1.03 0.97 1.05 1.04 0.99
자기장 조건 1 1.02 0.98 1 0.99 1.06 1.07 0.98 1.02
자기장 조건 2 0.99 0.99 1.05 1 1.05 0.98 1.03 1
자기장 조건 3 1.02 1 1.07 1.03 1.03 1 1.02 1.08
습도 조건 1 0.99 1.07 1.02 1.06 0.98 1.07 1 0.99
습도 조건 2 1 1.03 1.05 1.05 1.06 1 1 1.08
습도 조건 3 1.03 1 0.97 1.06 1 1.06 1.02 1
동작 조건 W31 W32 W33 W34 W41 W42 W43 W44
진폭변조 1.07 1.06 1.02 1.04 1 1.06 1.06 1.05
주파수변조 0.98 1 1.05 1.05 1.06 1.07 1.02 0.99
위상변조 1.05 1.05 1.04 0.97 1.07 1.02 1.04 1.04
주파수 대역 1 1 1.04 1.06 1.05 0.98 1.06 0.98 1.05
주파수 대역 2 1.07 1 1.04 1.07 1.07 1 1.03 1
주파수 대역 3 1.05 0.97 0.98 0.99 0.99 1.02 1 1.05
출력 레벨 1 1 1.07 1 1 1 0.97 1.05 0.99
출력 레벨 2 1.04 1.05 0.99 1.07 1.02 1.03 0.99 1
출력 레벨 3 0.98 1.04 1.03 1.05 1.05 1 1 1
자기장 조건 1 1.03 1.04 1.07 0.97 1.07 1.05 1.05 0.99
자기장 조건 2 1 0.98 1.04 1.03 1.04 0.99 1.07 1.07
자기장 조건 3 1.04 1.07 1.05 0.99 1 1 1 1.04
습도 조건 1 1.05 1.05 1.07 1.05 1.03 1.04 1.07 1.05
습도 조건 2 1.04 1.07 0.98 1 1.05 1.07 1.05 1.04
습도 조건 3 1 1.04 1 0.99 1.04 1.05 1 1.07
표 1 또는 표 2의 룩업 테이브(LUT)에 도시된 바와 같이, 상기 LUT(50)는 변조 동작의 종류, 스핀 변조기의 동작 조건에 따라 각기 상기 스핀 변조기가 최대 출력 파워를 낼 수 있는 조정값들이 저장되어 있다. 룩업 테이블(LUT)은 각 동작 조건마다 수차례 측정(테스트)하여 최적의 값을 도출한 결과이다.
동작 조건 W11 W12 W13 W14 W21 W22 W23 W24
진폭변조 1 0 0 1 0 0 0 0
주파수변조 0 1 0 0 1 0 1 0
위상변조 1 1 0 1 1 1 1 0
주파수 대역 1 1 1 1 1 0 0 0 1
주파수 대역 2 0 0 1 1 1 1 0 0
주파수 대역 3 1 1 1 1 1 1 1 1
출력 레벨 1 1 1 1 1 1 1 1 0
출력 레벨 2 1 1 0 1 0 0 0 1
출력 레벨 3 1 1 1 1 1 1 1 1
자기장 조건 1 1 0 1 0 1 0 1 1
자기장 조건 2 1 1 1 0 0 1 1 0
자기장 조건 3 1 0 1 1 1 1 1 1
습도 조건 1 1 0 1 0 0 1 0 0
습도 조건 2 0 1 1 1 1 0 1 1
습도 조건 3 1 0 0 0 1 0 1 1
동작 조건 W31 W32 W33 W34 W41 W42 W43 W44
진폭변조 1 1 1 1 0 1 1 1
주파수변조 0 0 1 1 1 0 0 1
위상변조 0 1 0 0 1 0 0 0
주파수 대역 1 1 0 1 0 0 1 0 0
주파수 대역 2 1 1 1 1 1 0 0 1
주파수 대역 3 1 0 0 1 0 1 1 0
출력 레벨 1 1 1 1 1 0 0 1 1
출력 레벨 2 0 0 1 0 0 0 0 0
출력 레벨 3 1 0 1 1 1 1 1 1
자기장 조건 1 1 1 1 0 0 0 1 0
자기장 조건 2 0 0 1 1 1 0 1 1
자기장 조건 3 0 1 0 0 1 1 1 0
습도 조건 1 1 1 0 1 0 1 0 0
습도 조건 2 1 1 1 1 1 0 0 1
습도 조건 3 1 1 1 0 1 1 1 1
도 3은 도 2에 도시된 스핀 변조기의 일 실시예로서 선택제어수단(10)을 디코더(11)로, 스핀 어레이(30)는 4 x 4 스핀 발진기로, 위상조정 어레이(40)를 가변 커패시터(41)의 어레이로 설계한 것이다. 가변 커패시터(41)의 타단은 서로 연결되어 하나의 발진 신호를 출력한다. 이때의 가변 커패시터의 커패시턴스는 LUT(50)로부터 인가되는 조정값(W11, W12, .... W44)에 의해 결정된다.
도 4는 도 2 또는 도 3에서 가변 커패시터와 가변 전류원(21)을 구비한 스핀 발진기의 상세 구성을 도시한 것으로서, 트랜지스터(T1), 가변 전류원(21), 인덕터(L1), 가변 커패시터(41) 및 스핀 발진기(31)로 구성된다.
트랜지스터(T1)의 게이트에 디코더(11)의 출력단이 연결되고, 드레인이 공급전압(VDD) 단자에 연결되고, 소스에 가변 전류원(21)이 연결된다. 가변 전류원(21)의 일단에 인덕터(L1)의 일단이 연결되고, 인덕터(L1)의 타단은 스핀 발진기(31)의 일단에 연결된다. 상기 스핀 발진기(31)의 일단에는 가변 커패시터(41)의 일단도 연결된다. 상기 가변 커패시터(41)의 타단에서 발진 신호가 출력되고, 상기 스핀 발진기(31)의 타단은 접지 라인과 연결된다. 스핀 발진기(31)는 요구되는 주파수의 발진 신호를 얻을 수 있도록 가변 전류원(21)으로부터 전류가 인가된다. LUT(50)로부터 조정값이 상기 가변 커패시터(41)에 인가되는 전압으로 사용되어 주변 스핀 발진기(31)와의 최적 위상 동기 동작 특성을 갖도록 가변 커패시터(41)의 커패시턴스를 조절한다.
상기 스핀 발진기(31)는 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같은 스핀 나노 필라(nano pillar) 구조로 구현할 수 있으며, 제1 도체(31A)와 제2 도체(31E) 사이에 자유 자성층(31B), 비자성층(31C) 및 고정 자성층(31D)의 스택 구조로 형성된다. 자유 자성층(31B)은 외부에서 인가되는 자기장에 의해 전자의 스핀 방향이 쉽게 영향을 받는 연자성체(soft magnetic material)로 만들어지며, 비자성층(31C)은 비자성 금속 또는 절연 물질로 만들어지며, 고정 자성층(31D)은 주변의 자기장으로부터 쉽게 영향을 받지 않는 고정된 자성을 갖고, 전자의 스핀 방향도 거의 영향을 받지 않는다. 상기 스핀 발진기(31)는 비자성층(31C)이 절연층으로 구현되는 경우 TMR(tunneling magnetoresistance) 구조가 되고, 비자성층(31C)이 도전층일 경우 GMR(giant manetoresistance) 구조가 된다. 자유 자성층(31B)은 자구벽(magnetic domain wall) 또는 자기 소용돌이(magnetic vortex)를 포함할 수 있다. 본 발명에 사용되는 스핀 발진기는 도 1에 한정되지 않고 인가 전류에 따라 발진 신호를 출력하는 다른 구조의 스핀 발진기들에 의해서도 구현할 수 있다.
도 5는 가변 커패시터와 1 : 1 연결된 m x n 행렬의 스핀 발진기들을 도시한 것으로, 스핀 발진기는 도 4의 세부 구성을 각각 포함하고, 각 가변 커패시터(41)의 타단이 서로 연결되어 고출력파워의 발진 신호를 출력한다.
도 9의 스핀 변조기는 도 2에 도시된 스핀 변조기에서 스핀 어레이(30)를 선택제어수단(10)으로부터 직접 선택하고, 전원공급수단(10)은 상기 제어부(60)로부터의 제어에 의해 상기 스핀 어레이(30)에 전원을 공급하는 점에서 차이가 있다.
본 발명에 따른 스핀 변조기를 구현하는 방법은 다음과 같다. 스핀 발진기들과 위상 조정수단들을 포함하는 스핀 변조기를 CMOS 공정으로 제작한다. 제작된 스핀 발진기들을 가변 커패시터에 어떠한 바이어스도 가하지 않고, 전류 등 동작 조건별로 측정을 하여 LUT에 저장을 하고, 가변 커패시터도 동작 조건별로 측정을 하여 LUT에 저장을 한다. 상기 LUT에는 전류에 따른 스핀 발진기의 발진 주파수 및 출력전력 등이 저장되고, 다이오드 커패시터의 경우 바이아스 전압에 따른 커패시턴스, 스위치 커패시터의 경우 대략적인 커패시터와 미세 커패시터 값이 저장되고 가중치도 저장된다. 또는 가변 캐패시터의 커패시턴스와 스핀발진기의 주파수 또는 출력을 함수 관계식으로 결합하고 여기에 가변 커패시턴스의 조정을 가중치 조정값으로 입력하게 할 수 있다. 상기 조정값을 상기 위상 조정수단에 인가하여 상기 스핀 발진기의 위상 동기 동작을 조정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서 멀티 심볼(symbol) 진폭 변조 방법을 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 멀티 심볼 진폭 변조 멀티 비트를 하나의 심볼로 전달하는 진폭 변조이다. 즉, m-심볼 진폭변조는 2m 개의 출력 레벨이 필요하다.
예를 들면, 스핀 변조기로부터 2-심볼의 진폭 변조 신호를 얻기 위해 스핀 어레이(30)를 제1 스핀 발진기 블록(35A), 제2 스핀 발진기 블록(35B) 및 제3 스핀 발진기 블록(35C)으로 분할한다. 2-심볼의 진폭 변조 신호를 얻기 위해서는 4개의 서로 다른 진폭 레벨의 신호가 요구된다. 예를 들면, “00” 데이터를 진폭 변조시, 디코더(11)가 스핀 발진기를 모두 오프(off)시켜 거의 0의 값의 제1 레벨의 진폭 변조 신호가 출력된다. “01” 데이터를 진폭 변조시, 제1 스핀 발진기 블록(35A)을 구성하는 스핀 발진기들을 동작(on)시켜 제2 레벨 진폭 변조 신호를 얻을 수 있다. 도 6에서 좌측 하단에 배치된 스핀 발진기들(35A)만을 구동시키도록 상기 선택제어수단(10)이나 상기 디코더(11)를 조정한다. “10” 데이터를 진폭 변조시, 제1 스핀 발진기 블록(35A)과 제2 스핀 발진기 블록(35B)을 구성하는 스핀 발진기들을 동작시켜 제3 레벨 진폭 변조 신호를 얻는다. 예를 들면, 도 6에서 좌측(35A)과 우측 하단(35B)의 스핀 발진기들이 구동하도록 디코더(11)를 조정한다. 제3 레벨의 신호는 제2 레벨의 진폭 변조 신호에 비하여 진폭이 더 크다. “11” 데이터를 진폭 변조시, 제1 스핀 발진기 블록(35A), 제2 스핀 발진기 블록(35B) 및 제3 스핀 발진기 블록(35C), 즉 스핀 어레이(30) 전체를 동작시켜 제4 레벨 진폭 변조 신호를 얻는다. 제3 레벨의 신호에 비해 제4 레벨의 진폭 변조 신호의 진폭이 더 크다. 이로써 2 비트의 데이터로 스핀 어레이(30)에서 4개 레벨의 2-심볼 진폭 변조 신호를 발생시킨다. 변조 신호의 주파수는 동일하도록 스핀 어레이(30)에 인가되는 전류나 조정값을 조절한다.
또한 2 비트를 하나의 심볼로 전달하는 것과 동일한 원리로 z 비트( z ≥ 1)를 하나의 심볼로 전달할 수 있는 z-심볼 진폭 변조를 구현할 수 있다. 전체 스핀 발진기 블록을 2z-1 개의 스핀 발진기 블록으로 분할하고, 가장 작은 레벨의 신호는 스핀 어레이(30) 전체가 오프 상태에서의 신호이고, 스핀 발진기 블록이 하나씩 더 구동할 때마다 각 출력 신호의 진폭 레벨이 증가하도록 한다. 진폭 변조의 경우 각 스핀 발진기마다 송신하고자 하는 전류를 세팅한 후 모든 스핀 발진기(또는 일부 요구되는 스핀 발진기)의 가변 커패시터의 커패시턴스를 조절하여 최적의 출력파워 특성의 변조 신호를 발생시킨다. 변조할 신호(음성 및 영상 또는 데이터)에 따라 진폭 변조시키기 위해서 디코더(11)를 선택적으로 제어하여 최종 진폭 변조된 신호를 얻는다.
본 발명의 일실시예로서 멀티 심볼 주파수 변조 방법을 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
예를 들면, 2-심볼 주파수 변조는 4(22)개의 서로 다른 주파수 신호를 제1 스핀 발진기 블록(33A), 제2 스핀 발진기 블록(33B), 제3 스핀 발진기 블록(33C) 및 제4 스핀 발진기 블록(33D)마다 출력한다. “00” 데이터를 주파수 변조시, 상기 스핀 어레이(30)의 제1 스핀 발진기 블록(33A)에 배치된 스핀 발진기들이 구동되어 제1 주파수 변조 신호를 출력하고, “01” 데이터를 주파수 변조시, 상기 스핀 어레이(30)의 제2 스핀 발진기 블록(33B)에 배치된 스핀 발진기들이 구동되어 제2 주파수 변조 신호를 출력한다. “10” 데이터를 주파수 변조시, 상기 스핀 어레이(30)의 제3 스핀 발진기 블록(33C)에 배치된 스핀 발진기들이 구동되어 제3 주파수 변조 신호를 출력하고, “11” 데이터를 주파수 변조시, 상기 스핀 어레이(30)의 제4 스핀 발진기 블록(33D)에 배치된 스핀 발진기들이 구동되어 제4 주파수 변조 신호를 출력함으로써 2 비트 심볼 주파수 변조를 수행한다. 각 스핀 발진기 블록은 서로 다른 주파수 신호를 출력하기 위하여 인가되는 전류의 크기를 다르게 하거나 LUT로부터 위상 조정수단의 커패시턴스값을 변경하도록 할 수 있다.
멀티 심볼 주파수 변조시, 복수의 스핀 발진기 블록을 분할하는 방법은 첫째, 각 스핀 발진기의 주파수 특성에 따른 측정 결과를 통해 스핀 발진기 블록을 할당하고, 둘째, 각 주파수별 가변 커패시터들의 위상동기 동작을 통해 얻어진 주파수 신호의 선폭이 최소가 되는 스핀 발진기 블록을 선택하도록 한다. 또는 두 가지 방법을 복합적으로 고려하여 주파수 선폭이 최소가 되는 복수의 스핀 발진기 블록으로 분할하도록 한다. 셋째, 각각의 주파수에서 스핀 발진기 블록들의 진폭 레벨이 같도록 스핀 발진기의 개수를 가감할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 각각의 주파수에 대한 스핀 발진기 블록은 비대칭 구조이거나 서로의 스핀 발진기 블록에서 스핀 발진기들이 중복될 수 있다.
2-심볼 주파수 변조 방식을 설명하였지만 채널 환경에 따라 x 비트(x ≥ 1)를 하나의 심볼로 전달할 수 있는 x-심볼 주파수 변조도 확장할 수 있다. 스핀 어레이(30)를 2x 개의 스핀 발진기 블록으로 구분하고, 각 스핀 발진기 블록마다 인가되는 전원을 달리하여 서로 다른 주파수를 갖는 변조 신호를 출력한다.
본 발명에 일 실시예로서 멀티 심볼 위상 변조 방법을 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
상기 스핀 어레이(30)는 제1 스핀 발진기 블록(34A), 제2 스핀 발진기 블록(34B), 제3 스핀 발진기 블록(34C) 및 제4 스핀 발진기 블록(34D)으로 분할된다. “00” 데이터를 위상 변조시, 제1 스핀 발진기 블록(34A)에 배치된 스핀 발진기들이 구동되어 제1 위상 변조 신호를 출력한다. “01” 데이터를 위상 변조시, 제2 스핀 발진기 블록(34B)에 배치된 스핀 발진기들이 구동되어 제2 위상 변조 신호를 출력한다. “10” 데이터를 위상 변조시, 제3 스핀 발진기 블록(34C)에 배치된 스핀 발진기들이 구동되어 제3 위상 변조 신호를 출력하고, “11” 데이터를 위상 변조시, 제4 스핀 발진기 블록(34D)에 배치된 스핀 발진기들이 구동되어 제4 위상 변조 신호를 출력한다. 도 8에 도시된 스핀 어레이(30)는 m x n 스핀 어레이(30) 구조로 2-심볼 위상 변조로 규정하였지만 채널 환경에 따라 y 비트(y ≥ 1)를 하나의 심볼로 전달할 수 있는 y-심볼 위상 변조로 확장할 수 있다. 스핀 어레이(30)를 2y 개의 스핀 발진기 블록으로 구분하고, 각 스핀 발진기 블록마다 인가되는 전원 또는 조정값을 달리하여 서로 다른 위상을 갖는 변조 신호를 출력한다.
이와 같이, 본 발명은 위상 동기 동작이 스핀 어레이(30) 구조에서 최적으로 일어날 수 있도록 가변 커패시터 어레이를 스핀 어레이(30)와 결합하여 스핀 발진기마다 위상 동기 동작에 최적 조건을 갖도록 가변 커패시터에 인가되는 조정값을 조절한다. 각 스핀 발진기 블록은 서로 다른 위상 신호를 출력하기 위하여 인가되는 전류의 크기를 다르게 하거나 LUT로부터 위상 조정수단의 커패시턴스값을 변경하도록 할 수 있다.
가변 커패시터 어레이와 스핀 어레이(30)의 조합으로 최적의 멀티 심볼 진폭 변조, 멀티 심볼 주파수 변조 또는 멀티 심볼 위상 변조 수행을 함으로써 저전력 소모, 기가비트급 고속 데이터 전송이 가능하다.
본 발명은 기존 스핀 발진기에서 취약점인 제작공정에 따른 특성 변동, 저출력파워 및 위상 잡음을 해결하기 위해 스핀 발진기들의 위상을 조정값과 가변 커패시터에 의해 하나의 위상에 동기되도록 하고, 어레이 타입의 스핀 발진기들에 의해 동작 특성이 주변 환경에 의해 변동될 수 있는 점을 LUT(50)에 각각의 동작 특성에 따라 최적의 특성이 출력되도록 각 동작 조건에 따라 다른 위상의 가변조건을 저장하여 안정된 동작 특성을 갖는다. 따라서 본 발명은 기존 VCO보다 우수한 특성의 반송파로의 발진 신호를 제공할 뿐만 아니라 기존의 스핀 발진기보다 출력 레벨, 위상 잡음 및 선폭 측면에서 뛰어난 특성을 갖는 발진 신호와 변조 신호를 제공한다.
본 발명에서 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 스핀 발진기 블록으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 선택제어수단 20 : 전원공급수단
30 : 스핀 어레이 40 : 위상조정 어레이
50 : LUT 60 : 제어부
11 : 디코더 41 : 가변 커패시터
31 : 스핀 발진기 21 : 가변 전류원
31A : 제1 도체 31B : 자유 자성층
31C : 비자성층 31D : 고정 자성층
31E : 제2 도체

Claims (15)

  1. m x n 행렬의 스핀 발진기들로 구성된 스핀 어레이(m ≥ 1 , n ≥1);
    변조할 입력 데이터에 따라 상기 스핀 발진기들을 선택적으로 동작시키는 선택제어수단 및
    상기 스핀 발진기들에 1:1 쌍으로 연결된 위상 조정수단들을 포함하는 위상조정 어레이를 포함하고, 상기 위상 조정수단들은 동작 조건에 따라 조정값이 인가되어 상기 스핀 발진기들의 출력신호들의 위상을 동기화시키는 것을 특징으로 하는 위상 조정수단을 가진 스핀 변조기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 동작 조건에 따라 스핀 발진기들의 출력을 발생하기 위한 상기 위상 조정 수단마다 인가되는 조정값을 저장한 조건 일람표(LUT)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 조정수단을 가진 스핀 변조기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 선택제어수단에 의해 스위칭되어 상기 m x n 스핀 발진기들에 전원을 공급하는 전원공급수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 조정수단을 가진 스핀 변조기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전원공급수단은,
    상기 동작 조건에 따라 전류 크기가 변동되는 가변 전류원들로 구성되어 상기 스핀 발진기들의 출력 신호를 조정하는 것을 특징으로 하는 위상 조정수단을 가진 스핀 변조기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 위상 조정수단들은 상기 스핀 발진기들과 1:1 쌍으로 연결되고 상기 LUT로부터의 조정값에 의해 커패시턴스가 가변되는 가변 커패시터인 것을 특징으로 하는 위상 조정수단을 가진 스핀 변조기.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 동작 조건에 따라 상기 선택제어수단과 상기 LUT를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 조정수단을 가진 스핀 변조기.
  7. 스핀 발진기들과 위상 조정수단들을 포함하는 스핀 변조기를 제조하는 단계;
    동작 조건별로 상기 스핀 변조기 및 위상 조정수단의 특성을 측정하는 단계;
    측정된 결과를 통해 상기 동작 조건별로 상기 스핀 발진기의 조정값을 추출하여 LUT에 저장하는 단계; 및
    상기 조정값을 상기 위상 조정수단에 인가하여 상기 스핀 발진기의 위상 동기 동작을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 조정수단을 가진 스핀 변조기의 제작 방법.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 스핀 변조기를 이용하여 변조하는 방법에 있어서,
    진폭 변조, 주파수 변조 및 위상 변조 중 적어도 하나의 변조 방식을 선택하는 단계;
    선택된 변조 방식에 따라 스핀 어레이를 소정의 스핀 발진기 블록으로 구분하는 단계;
    선택된 변조 방식에 따라 동작되는 상기 스핀 발진기 블록에 LUT로부터 조정값을 선택하여 위상 조정수단에 인가하는 단계; 및
    변조할 입력 데이터에 따라 스핀 발진기 블록을 선택하고 전원을 인가하여 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀 변조기의 변조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 스핀 발진기 블록을 구성하는 개별 스핀 발진기의 개수와 위치는 변조 방식에 따라 임의로 선택하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스핀 변조기의 변조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 진폭 변조가 z-비트(bit)의 입력 데이터를 z-심볼(symbol)로 진폭 변조하는 경우,
    상기 스핀 어레이를 2z-1개의 스핀 발진기 블록으로 구분하고 상기 입력 데이터에 따라 상기 스핀 발진기 블록을 조합하여 상이한 2z개의 진폭 레벨로 변조 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 스핀 변조기의 변조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 주파수 변조가 x-비트의 입력 데이터를 x-심볼로 주파수 변조하는 경우,
    상기 스핀 어레이를 2x개의 스핀 발진기 블록으로 구분하고 상기 입력 데이터에 따라 상기 스핀 발진기 블록을 선택하여 상이한 2x개의 주파수로 변조 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 스핀 변조기의 변조 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 위상 변조가 y-비트의 입력 데이터를 y-심볼로 위상 변조하는 경우,
    상기 스핀 어레이를 2y개의 스핀 발진기 블록으로 구분하고 상기 입력 데이터에 따라 상기 스핀 발진기 블록을 선택하여 상이한 2y개의 위상 변조 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 스핀 변조기의 변조 방법.
  13. m x n 행렬의 스핀 발진기로 구성된 스핀 어레이(m 1 , n 1);
    상기 스핀 발진기들을 구동시키기 위한 전원을 인가하는 전원공급수단;
    동작 조건에 따라 상기 스핀 발진기들의 위상 동기 동작을 조정하는 m x n 위상 조정수단으로 구성된 위상조정 어레이 및
    상기 동작 조건에 따라 상기 스핀 발진기의 최대 출력파워를 발생시키기 위한 상기 위상 조정수단에 선택적으로 인가되는 조정값을 저장한 LUT를 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀 발진기.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 위상조정 어레이는 상기 스핀 발진기들과 1:1 쌍으로 연결되는 가변 커패시터들인 것을 특징으로 하는 스핀 발진기.
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