KR101481466B1 - Ultra low phase-noise CMOS voltage-controlled oscillator for mobile applicationr - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an ultra-low phase noise CMOS voltage control oscillator (VCO) which improves a phase noise performance in comparison with an existing VCO in order to satisfy standards of a GSM 900 or DCS 1800 BTS receiver which requires the strictest phase noise performance in an offset frequency range of 600 kHz to 3 MHz. The ultra-low phase noise CMOS voltage control oscillator provided by the present invention is formed to suppress phase noise by: removing a current source which is the main noise source of a VCO; including a double tuning resonator in order to prevent a switching pair from entering a triode region; and filtering second harmonic noise from the common mode node of the VCO to a small size inductor.

Description

이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기{Ultra low phase-noise CMOS voltage-controlled oscillator for mobile applicationr} [0001] The present invention relates to an ultra low phase noise CMOS voltage controlled oscillator for mobile communications,

본 발명은 전압제어 발진기(voltage-controlled oscillator ; 이하, 'VCO'라고도 함)에 관한 것으로, 더 상세하게는, 600kHz에서 3MHz 오프셋 주파수 사이에서 가장 엄격한 위상잡음 성능(phase noise performance)이 요구되는 GSM 900이나 DCS 1800 BTS 수신기(base-station receiver)의 기준을 만족하도록, 종래의 VCO에 비해 위상잡음 성능이 개선될 수 있도록 구성되는 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a voltage-controlled oscillator (hereinafter also referred to as a 'VCO'), and more particularly to a voltage-controlled oscillator Phase noise CMOS voltage controlled oscillator for mobile communication applications which is configured to improve the phase noise performance compared to a conventional VCO so as to satisfy the criteria of a base station receiver of 900 or DCS 1800 BTS.

또한, 본 발명은, VCO의 주된 잡음원인 전류원을 제거하고, 스위칭쌍(switching pair)이 트라이오드 영역(triode region)에 진입하는 것을 방지하도록 하기 위한 이중 튜닝 공진기(double tuned resonators)를 포함하며, VCO의 공통모드 노드(common mode node)에서 작은 사이즈의 인덕터(small size inductor)로 제 2 고조파 잡음(second harmonic noise)을 필터링(filter out) 함으로써, 위상잡음을 억제할 수 있도록 구성되는 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기에 관한 것이다.
The present invention also includes double tuned resonators to eliminate the current source that is the main noise of the VCO and to prevent the switching pair from entering the triode region, In a mobile communication system configured to suppress phase noise by filtering out second harmonic noise from a common mode node of a VCO to a small size inductor, Phase noise CMOS voltage controlled oscillator for use in a low-noise,

일반적으로, 현재의 CMOS 기술로 구현되는 풀 모놀리식(fully monolithic) 전압제어 발진기(voltage-controlled oscillator ; VCO)를 이용하여 기지국(Base station ; BTS) 수신기(receiver)(RX)의 발진기(oscillator) 위상 잡음(phase noise) 기준을 만족하기는 쉽지 않다.
In general, a fully monolithic voltage-controlled oscillator (VCO) implemented in current CMOS technology is used to provide an oscillator (RX) of a base station (BTS) receiver (RX) ) Phase noise criterion is not easy to meet.

더 상세하게는, GSM 표준에 있어서, GSM 900 마이크로(micro) 및 노멀(normal) BTS는 600kHz에서 3MHz 오프셋 주파수(offset frequency)의 가장 엄격한 위상잡음 성능을 요구하며, 특히, 800kHz 오프셋에서 GSM 900 BTS RX 및 DCS 1800 BTS RX의 제원(specification)은 가장 충족시키기 어려운 것으로 알려져 있다.
More specifically, in the GSM standard, the GSM 900 micro and the normal BTS require the most stringent phase noise performance of a 3 MHz offset frequency at 600 kHz, and especially GSM 900 BTS at 800 kHz offset The specifications of the RX and DCS 1800 BTS RX are known to be the most difficult to meet.

또한, 이러한 위상잡음 성능을 만족시키기 위하여, 종래, 예를 들면, 집적된 인덕터(integrated inductor)의 Q 팩터(factor)를 증가시키거나, 또는, 그 밖의 회로기술(circuit techniques)을 이용하는 것에 의해, 위상잡음 성능을 개선하기 위한 여러 가지 연구가 진행되어 왔다.
Further, to satisfy such phase noise performance, it is conventionally possible to increase the Q factor of an integrated inductor or use other circuit techniques, for example, Various studies have been conducted to improve the phase noise performance.

그 결과, VCO의 주된 위상잡음원이 말단전류원(tail current source)인 것이 알려져 있으며(참고문헌 1 및 참고문헌 2 참조), 이에 따라 VCO의 위상잡음을 개선하는 방법으로서 말단전류원을 제거하는 것이 제시된바 있다(참고문헌 3 참조).
As a result, it is known that the dominant phase noise source of the VCO is the tail current source (see References 1 and 2), thereby eliminating the terminal current source as a way to improve the phase noise of the VCO (See Reference 3).

그러나 상기한 바와 같이 말단전류원을 제거하면, 발진 스윙(oscillation swing)이 클 때 탱크의 부하 임피던스가 감소하고, 그것에 의해, 위상잡음 성능이 감소하는 문제가 있다.
However, when the terminal current source is removed as described above, there is a problem that the load impedance of the tank decreases when the oscillation swing is large, thereby reducing the phase noise performance.

또한, 다른 방법으로, 고조파 튜닝법(harmonic tuned method)이 있으나, 이는, 고조파를 필터링하기 위해 다수의 인덕터를 필요로 하므로, 그만큼 칩 면적을 많이 소모하게 되는 단점이 있다(참고문헌 1 및 참고문헌 4 참조).
Alternatively, there is a harmonic tuned method, but this requires a large number of inductors to filter the harmonics, which results in a disadvantage that the chip area is consumed as much as this (see Reference 1 and Reference 4).

따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 VCO들의 문제점을 해결하기 위하여는, 말단전류원을 제거하는 방법은 발진 스윙이 클 때 탱크의 부하 임피던스가 감소하여 위상잡음 성능이 저하되고, 또한, 고조파 튜닝법은 다수의 인덕터를 필요로 하여 칩 면적을 많이 소모하게 되는 종래의 VCO의 위상잡음 개선방법들의 문제점을 해결할 수 있는 동시에, GSM 900 BTS RX 및 DCS 1800 BTS RX 등과 같은 GSM 표준에서 요구되는 엄격한 위상잡음 성능을 만족할 수 있도록 구성되는 새로운 구조의 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기를 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
Therefore, in order to solve the problems of the conventional VCOs described above, the method of removing the terminal current source has a problem that the load impedance of the tank is reduced when the oscillation swing is large, and the phase noise performance is deteriorated. The inductance of the conventional VCO, which requires a large area of the chip, can be solved, and the severe phase noise performance required in the GSM standard such as the GSM 900 BTS RX and the DCS 1800 BTS RX Phase noise CMOS voltage controlled oscillator for application to a mobile communication of a new structure which is configured to satisfy the above-mentioned needs. However, a device or a method that satisfies all of such requirements has not yet been provided.

[참고문헌] [references]

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IEEE J. Solid-State, IEEE Transactions on Solid-State Circuits, vol. 16, no. Circuits, vol. 42, no. 8, pp. 1635-1641, Aug. 2007.

[선행기술문헌] [Prior Art Literature]

1. 등록특허공보 제10-1205717호(2012.11.22.) 1. Patent Publication No. 10-1205717 (November 22, 2012)

2. 등록특허공보 제10-1190313호(2012.10.05.) 2. Patent Publication No. 10-1190313 (Oct. 05, 2012)

3. 공개특허공보 제10-2009-0016093호(2009.02.13.) 3. Open Patent Publication No. 10-2009-0016093 (Feb. 23, 2009)

4. 등록특허공보 제10-0763733호(2007.09.27.) 4. Patent Registration No. 10-0763733 (September 27, 2007)

5. 등록특허공보 제10-0473265호(2005.02.16.)
5. Patent Registration No. 10-0473265 (Feb. 16, 2005)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 말단전류원을 제거하는 방법은 발진 스윙이 클 때 탱크의 부하 임피던스가 감소하여 위상잡음 성능이 저하되고, 고조파 튜닝법을 적용하면 다수의 인덕터를 필요로 하여 칩 면적을 많이 소모하게 되는 단점이 있었던 종래의 VCO들의 문제점을 해결 가능한 동시에, GSM 900 BTS RX 및 DCS 1800 BTS RX 등과 같은 GSM 표준에서 요구되는 엄격한 위상잡음 성능을 만족할 수 있도록 구성되는 새로운 구조의 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기를 제공하고자 하는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method of removing an end current source in which a load impedance of a tank is reduced when an oscillation swing is large, The harmonic tuning method can solve the problems of conventional VCOs which require a large number of inductors and consume a lot of chip area, and at the same time, it is possible to solve the problems of the conventional VCOs that are required for the GSM standards such as GSM 900 BTS RX and DCS 1800 BTS RX Phase noise CMOS voltage controlled oscillator for application to a mobile communication of a new structure which is configured to satisfy the phase noise performance.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 종래의 전압제어 발진기(voltage-controlled oscillator ; VCO)에 비해 위상잡음 성능이 개선되는 동시에, GSM 900 및 DCS 1800 BTS 수신기(base-station receiver)를 포함하는 GSM 표준의 위상잡음 성능 기준을 만족할 수 있도록 구성되는 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기에 있어서, 한 쌍의 제 1 커패시터(C11, C12)와 제 1 인덕터(L1)를 포함하여 이루어지는 제 1 LC부; 한 쌍의 제 2 커패시터(C21, C22)와 제 2 인덕터(L2) 및 한 쌍의 가변 커패시터(Cvar1, Cvar2)를 포함하여 이루어지고 상기 제 1 LC에 병렬로 연결되는 제 2 LC부; 한 쌍의 트랜지스터(Mp1, Mp2)를 포함하여 이루어지고 상기 제 2 LC부와 직렬로 연결되는 트랜지스터부; 및 잡음 필터링 인덕터(Lfilter)를 포함하여 이루어지고 상기 트랜지스터부에 직렬로 연결되는 필터링부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기가 제공된다.
In order to achieve the above-mentioned object, according to the present invention, a phase-noise performance is improved compared to a conventional voltage-controlled oscillator (VCO), and a GSM 900 and a DCS 1800 BTS receiver ) a first capacitor (C 11, C 12) in the ultra-low phase noise CMOS voltage controlled oscillator for application to a mobile communication configured to be able to meet the phase noise based on the GSM standard, the pair including the of the first inductor (L 1 ); A second inductor L 2 connected in parallel to the first LC and including a pair of second capacitors C 21 and C 22 and a second inductor L 2 and a pair of variable capacitors C var1 and C var2 , An LC portion; A transistor portion including a pair of transistors M p1 and M p2 and connected in series with the second LC portion; And a filtering unit including a noise filtering inductor (L filter ) and connected in series to the transistor unit. The ultra low noise CMOS voltage controlled oscillator for mobile communication is provided.

여기서, 상기 제 1 LC부는, 상기 한 쌍의 제 1 커패시터(C11, C12)가 서로 직렬로 연결되고, 직렬로 연결된 상기 한 쌍의 제 1 커패시터(C11, C12)와 상기 제 1 인덕터(L1)가 병렬로 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
Here, the first LC unit comprises: a first capacitor of the pair (C 11, C 12) is connected in series with each other, the first capacitor of the pair connected in series (C 11, C 12) and the first And the inductor L 1 are connected in parallel.

또한, 상기 제 2 LC부는, 상기 한 쌍의 제 2 커패시터(C21, C22) 사이에 상기 제 2 인덕터(L2)가 각각 직렬로 연결되고, 상기 한 쌍의 가변 커패시터(Cvar1, Cvar2)는 서로 직렬로 연결되고 각각의 상기 가변 커패시터(Cvar1, Cvar2)의 타단은 상기 제 2 인덕터(L2)의 양단에 병렬로 연결되며, 직렬로 연결된 상기 한 쌍의 제 2 커패시터(C21, C22)의 타단에는 드레인전압(Vd+, Vd-)이 각각 출력되고, 상기 제 2 인덕터(L2)에는 바이어스 전원(Vbias)이 인가되며, 직렬로 연결된 상기 한 쌍의 가변 커패시터(Cvar1, Cvar2) 사이에는 튜닝전원(Vtune)이 인가되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
The second LC unit may further include a second inductor L 2 connected in series between the pair of second capacitors C 21 and C 22 and a pair of variable capacitors C var1 and C var2) are connected in series and the other end of each of said variable capacitor (C var1, C var2) to each other are connected in parallel to both ends of the second inductor (L 2), the second capacitor of the pair connected in series ( C 21, C 22) the other end drain V voltage (d + a, V d-) is output, respectively, the second inductor (L 2) there is applied a bias power source (Vbias), the variable of the pair connected in series, And a tuning power source (V tune ) is applied between the capacitors C var1 and C var2 .

아울러, 상기 트랜지스터부는, 직렬로 연결된 상기 한 쌍의 제 2 커패시터(C21, C22)의 타단에서 상기 드레인전압(Vd+, Vd-)이 연결된 노드에 상기 한 쌍의 트랜지스터(Mp1, Mp2)의 각각의 드레인 단자가 각각 연결되고, 상기 한 쌍의 가변 커패시터(Cvar1, Cvar2)와 상기 제 2 인덕터(L2)가 서로 병렬로 연결된 노드에 상기 한 쌍의 트랜지스터(Mp1, Mp2)의 게이트 단자가 각각 교차결합되며, 상기 한 쌍의 트랜지스터(Mp1, Mp2)의 소스 단자는 서로 직렬로 연결되고, 상기 한 쌍의 트랜지스터(Mp1, Mp2)의 게이트 단자에는 게이트전압(Vg-, Vg+)이 각각 출력되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
The transistor unit may include a pair of transistors M p1 and M p2 at nodes connected to the drain voltages V d + and V d- at the other ends of the pair of second capacitors C 21 and C 22 connected in series, M and p2) is connected to each respective drain terminal of a transistor of the variable capacitor of the pair (C var1, C var2) and the second inductor (L 2) is one wherein the nodes are connected in parallel with each other pair (M p1 And M p2 are cross-coupled, and the source terminals of the pair of transistors M p1 and M p2 are connected in series to each other, and the gate terminals of the pair of transistors M p1 and M p2 are connected to each other. And the gate voltages Vg- and Vg + are respectively outputted to the gate electrode of the transistor.

더욱이, 상기 필터링부는, 상기 잡음 필터링 인덕터(Lfilter)가 상기 한 쌍의 트랜지스터(Mp1, Mp2)의 소스 단자 사이에 연결되고, 상기 잡음 필터링 인덕터(Lfilter)의 타단에는 공급전압(VDD)이 인가되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
Further, the filtering unit, wherein the noise filtering inductor (L filter) is connected between the source terminal of the transistor (M p1, M p2) of the pair, the supply voltage (V other end of the noise filter inductor (L filter) DD ) is applied.

또한, 상기 전압제어 발진기는, 종래의 VCO에서 주된 잡음원인 전류원을 제거하고 상기 제 2 LC부에 직렬 공진기(series tuned LC resonator)를 포함하도록 형성하는 것에 의해, 상기 트랜지스터부의 한 쌍의 트랜지스터가 제로 크로싱점(zero crossing point)에서 도통되는 것과 트라이오드 영역(triode region)으로 진입하는 것이 방지되는 동시에, 출력전압 스윙(output voltage swing)이 증폭되며, 상기 필터링부의 상기 잡음 필터링 인덕터(noise filtering inductor)에 의해, 발진주파수(oscillation frequency)의 제 2 고조파(second harmonic) 잡음성분이 필터링(filter out) 됨으로써 위상잡음을 감소하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
In addition, the voltage-controlled oscillator may be configured such that a pair of transistors of the transistor unit is zero-excited by forming a series resonant LC resonator in the second LC unit by removing a current source of a main noise from a conventional VCO, The output voltage swing is amplified while the conduction at the zero crossing point and the entry into the triode region are prevented and the noise filtering inductor of the filtering section is amplified, The second harmonic noise component of the oscillation frequency is filtered out by the second harmonic frequency component to reduce the phase noise.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기가 제공됨으로써, 말단전류원을 제거하는 방법은 발진 스윙이 클 때 탱크의 부하 임피던스가 감소하여 위상잡음 성능이 저하되고, 고조파 튜닝법을 적용하면 다수의 인덕터를 필요로 하여 칩 면적을 많이 소모하게 되는 단점이 있었던 종래의 VCO들의 문제점을 해결할 수 있는 동시에, GSM 900 BTS RX 및 DCS 1800 BTS RX 등과 같은 GSM 표준에서 요구되는 엄격한 위상잡음 성능을 만족하도록 할 수 있다.
As described above, according to the present invention, there is provided an ultra low noise CMOS voltage controlled oscillator for application to mobile communication, whereby a method of removing an end current source reduces the load impedance of the tank when the oscillation swing is large, And the harmonic tuning method can solve the problems of the conventional VCOs which require a large number of inductors and consume a large chip area. In addition, it is possible to solve the problems of the conventional VCOs and also to satisfy the GSM standards such as GSM 900 BTS RX and DCS 1800 BTS RX So that it is possible to satisfy the strict phase noise performance required in the first embodiment.

도 1은 종래의 전압제어 발진기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 나타낸 각각의 VCO에 대하여 잡음성능을 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 등가 병렬저항을 포함하여 도 2에 나타낸 VCO의 공진기를 나타낸 도면이다.
도 5는 드레인 노드 및 게이트 노드에서 바라본 임피던스를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 2에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 VCO의 절반의 회로에 대한 소신호 등가회로(small signal equvalent half circuit) 모델을 나타내는 도면이다.
도 7은 전류원이 없는 ac 교차결합 차동 VCO의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7에 나타낸 ac 교차결합 차동 VCO의 게이트 및 드레인 노드 전압과 스위칭쌍의 드레인 전류를 각각 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 VCO의 드레인 및 게이트 노드에서전압 파형을 나타내는 도면이다.
도 10은 제 2 고조파 필터링 인덕터 Lfilter가 있는 경우와 없는 경우에 대하여 각각 드레인-소스 전압 및 드레인 전류를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 VCO에 대하여 인덕터 Lfilter가 있는 경우와 없는 경우의 위상잡음 성능을 시뮬레이션한 결과를 각각 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 VCO를 실제 회로 설계를 통해 구현하였을 때의 회로 파라미터 구성예를 나타내는 도면이다.
도 13은 900MHz 및 1800MHz 주파수 대역에서 동작하는 다양한 GSM 표준에서 요구되는 VCO의 위상잡음을 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 14는 0에서 0.7V까지의 버랙터 튜닝 전압(varactor tuning voltage)을 가지는 본 발명에 따른 노멀 BTS VCO의 위상잡음을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다.
도 15는 0.65V에서 0.75V까지 공급전압을 스윕시(sweeping) 공급전압의 푸싱 특성(supply pushing characteristic)을 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 VCO에 대하여 900MHz와 1800MHz로 정규화된 위상잡음 성능을 각각 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 VCO의 성능과 GSM 적용을 위한 최첨단기술(state-of-the-art)로 설계된 발진기의 성능비교를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
1 is a diagram schematically showing the overall configuration of a conventional voltage-controlled oscillator.
2 is a diagram schematically showing the overall structure of an ultra-low phase noise CMOS voltage controlled oscillator for application to mobile communication according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing a result of comparing noise performance with respect to each VCO shown in Figs. 1 and 2. Fig.
Fig. 4 is a view showing a resonator of the VCO shown in Fig. 2 including an equivalent parallel resistor.
5 is a view showing the impedances viewed from the drain node and the gate node.
FIG. 6 is a diagram illustrating a small signal equal half circuit model for a half circuit of a VCO according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 2; FIG.
7 schematically shows the overall configuration of an ac cross-coupled differential VCO without a current source.
8 is a diagram showing the gate and drain node voltages of the ac cross-coupled differential VCO shown in FIG. 7 and the drain currents of the switching pair, respectively.
9 is a diagram showing voltage waveforms at drain and gate nodes of a VCO according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph showing the results of simulating the drain-source voltage and the drain current with and without the second harmonic filtering inductor L filter , respectively.
11 is a graph showing simulation results of the phase noise performance of the VCO according to the embodiment of the present invention with and without the inductor L filter , respectively.
12 is a diagram showing an example of a circuit parameter configuration when the VCO according to the embodiment of the present invention is implemented through an actual circuit design.
Figure 13 is a tabular representation of VCO phase noise required in various GSM standards operating in the 900 MHz and 1800 MHz frequency bands.
FIG. 14 is a diagram showing a result of simulating the phase noise of a normal BTS VCO according to the present invention having a varactor tuning voltage of 0 to 0.7 V. FIG.
Figure 15 is a diagram showing the supply pushing characteristic of the supply voltage sweeping the supply voltage from 0.65V to 0.75V.
16 is a diagram illustrating phase noise performance normalized to 900 MHz and 1800 MHz for a VCO according to an embodiment of the present invention, respectively.
17 is a table summarizing performance of a VCO according to an embodiment of the present invention and performance comparison of an oscillator designed in state-of-the-art for GSM application.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, referring to the accompanying drawings, a specific embodiment of an ultra low noise CMOS voltage controlled oscillator for mobile communication according to the present invention will be described.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
Hereinafter, it is to be noted that the following description is only an embodiment for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to the contents of the embodiments described below.

또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
In the following description of the embodiments of the present invention, parts that are the same as or similar to those of the prior art, or which can be easily understood and practiced by a person skilled in the art, It is important to bear in mind that we omit.

즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 말단전류원을 제거하는 방법은 발진 스윙이 클 때 탱크의 부하 임피던스가 감소하여 위상잡음 성능이 저하되고, 고조파 튜닝법을 적용하면 다수의 인덕터를 필요로 하여 칩 면적을 많이 소모하게 되는 단점이 있었던 종래의 VCO들의 문제점을 해결 가능한 동시에, GSM 900 BTS RX 및 DCS 1800 BTS RX 등과 같은 GSM 표준에서 요구되는 엄격한 위상잡음 성능을 만족할 수 있도록 구성되는 새로운 구조의 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기에 관한 것이다.
That is, according to the present invention, as described later, the method of removing the terminal current source decreases the load impedance of the tank when the oscillation swing is large, thereby deteriorating the phase noise performance. When the harmonic tuning method is applied, a large number of inductors are required The present invention can solve the problems of the conventional VCOs which have a disadvantage of consuming a large chip area and at the same time can realize a new structure of mobile communication system which is configured to satisfy the strict phase noise performance required in the GSM standard such as GSM 900 BTS RX and DCS 1800 BTS RX Phase noise CMOS voltage controlled oscillator for communication applications.

계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.
A detailed configuration of an ultra low noise CMOS voltage controlled oscillator for application to mobile communication according to the present invention will be described with reference to the drawings.

먼저, VCO의 위상잡음 모델에 대하여 설명하면, VCO의 위상잡음 모델은, 이하의 [수학식 1]과 같이, 리슨 방정식(Leeson's equation)으로부터 수정된 반경험적 모델(semi-empirical model)로 나타낼 수 있다.
First, the phase noise model of the VCO will be described. The phase noise model of the VCO can be expressed as a modified semi-empirical model from Leeson's equation as shown in the following equation (1) have.

[수학식 1] [Equation 1]

Figure 112013115383852-pat00001

Figure 112013115383852-pat00001

여기서, 상기한 [수학식 1]에 있어서, F는 잡음인수(noise factor), k는 볼츠만 상수(Boltzmann's constant), T는 절대온도(absolute temperature), Ps는 탱크에서 소비되는 평균전력, f0는 발진주파수(oscillation frequency), QL은 탱크의 유효 Q 팩터(effective quality factor), △f는 캐리어(carrier)로부터의 오프셋,

Figure 112013115383852-pat00002
은 플리커잡음 코너주파수(flicker noise corner frequency)이다.
Where F is the noise factor, k is the Boltzmann's constant, T is the absolute temperature, P s is the average power consumed in the tank, f 0 is the oscillation frequency, Q L is the effective quality factor of the tank, Δf is the offset from the carrier,
Figure 112013115383852-pat00002
Is the flicker noise corner frequency.

또한, 상기한 [수학식 1]에서, 잡음인수 F는 회로 토폴로지(circuit topology)에 의존하는 상수(constant)이며, 소자 사이즈(device size), 전류 및 기타 회로 파라미터(circuit parameter)의 관점에서 인식되어야(identified) 할 필요가 있다.
In Equation (1), the noise factor F is a constant that depends on a circuit topology and is recognized in terms of device size, current, and other circuit parameters. It needs to be identified.

즉, 상기한 잡음인수 F는 이하의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
That is, the above noise factor F can be expressed by the following equation (2).

[수학식 2] &Quot; (2) "

Figure 112013115383852-pat00003

Figure 112013115383852-pat00003

여기서, 상기한 [수학식 2]에 있어서, I는 바이어스 전류(bias current), γ는 트랜지스터의 채널잡음 계수(channel noise coefficient)(롱채널(long-channel) 트랜지스터에 대하여 2/3와 같고, 숏채널 트랜지스터에 대하여는 그보다 큼), R은 부하저항(load resistance), gmbias는 말단 전류원의 트랜스컨덕턴스(transconductance)이다(참고문헌 6 참조).
In Equation (2), I is the bias current,? Is the channel noise coefficient of the transistor (equal to 2/3 with respect to the long-channel transistor, R is the load resistance, and g mbias is the transconductance of the terminal current source (see ref. 6).

아울러, [수학식 2]에 있어서, 첫 번째 항(first term)은 탱크 저항(tank resistance)로부터의 잡음 기여분(noise contribution)을 나타내고, 두 번째 항은 차동쌍(differential pair) 트랜지스터로부터의 잡음 기여분을 나타내며, 세 번째 항은 말단 전류원으로부터의 위상잡음을 각각 나타낸다.
Further, in Equation (2), the first term represents the noise contribution from the tank resistance and the second term represents the noise contribution from the differential pair transistor And the third term represents the phase noise from the terminal current source, respectively.

여기서, 첫 번째 항은 인덕터의 Q 팩터를 개선함으로써 제거될 수 있고, 두 번째 항도 탱크 전압을 증가시킴으로써 제거될 수 있으며, 일반적인 발진기에 있어서, 말단전류원 잡음은 다른 잡음원에 비해 우세하며(dominant), 종래의 VCO의 차동쌍은 양쪽 트랜지스터가 도통되는(conduct) 동안 제로 크로싱(zero crossing)에서만 탱크에 잡음을 인가한다(참고문헌 2 참조).
Here, the first term can be eliminated by improving the Q factor of the inductor, the second term can also be eliminated by increasing the tank voltage, and in a typical oscillator, the terminal current source noise dominates over the other noise sources, The differential pair of conventional VCO applies noise to the tank only at zero crossing while both transistors conduct (see Reference 2).

따라서 이러한 세 번째 항도 VCO에서 전류원을 제외함으로써(excluding) 제거될 수 있다.
Thus, this third term can also be eliminated by excluding the current source from the VCO.

그러나 이 경우, 스위칭쌍(switching pair) 트랜지스터가 발진주기(full oscillation cycle)를 거치는 동안 트라이오드 영역(triode region)으로 진입하고 평균 탱크 Q 팩터(average tank quality factor)를 낮추게 되어 전체적인 위상잡음 성능이 저하된다.
However, in this case, the switching pair transistor enters the triode region while lowering the average tank quality factor while undergoing a full oscillation cycle, so that the overall phase noise performance .

여기서, 이러한 문제는, 예를 들면, dc 바이어스 레벨 천이(dc bias-level shifting)(참고문헌 7 참조)나 드레인 출력에 저항을 삽입하는(참고문헌 8 참조) 것과 같은 회로기법의 적용에 의해 스위칭 트랜지스터가 트라이오드 영역으로 진입하는 것을 방지함으로써 회피될 수 있으나, 이러한 방법으로도 위상잡음 성능의 개선에는 한계가 있으며, 더욱이, 전력소비가 증가하는 문제도 있다.
Here, this problem can be solved by applying a circuit technique such as, for example, dc bias-level shifting (see ref. 7) or inserting a resistor at the drain output Can be avoided by preventing the transistor from entering the triode region. However, this method also has limitations in improving the phase noise performance, and further, there is also a problem that the power consumption is increased.

더 상세하게는, 도 1을 참조하면, 도 1은 종래의 전압제어 발진기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
More specifically, referring to FIG. 1, FIG. 1 is a diagram schematically showing the overall configuration of a conventional voltage-controlled oscillator.

도 1에 나타낸 바와 같이, 일반적으로, VCO의 탱크는 병렬 LC 탱크(parallel LC tank)이며, 도 1에 나타낸 VCO 구성은 PLC 탱크를 가지는 전압 바이어스(voltage-biased) VCO의 구성을 나타내고 있고(참고문헌 2 참조), 이러한 PLC VCO는 구현이 쉽다는 장점이 있으나, 상기한 바와 같은 문제점을 가진다.
As shown in Figure 1, the VCO tank is generally a parallel LC tank, and the VCO configuration shown in Figure 1 shows the configuration of a voltage-biased VCO with a PLC tank Document 2). Such a PLC VCO has an advantage that it is easy to implement, but has the above-described problems.

이에, 본 발명자들은, 후술하는 바와 같이, 직렬 LC 탱크(series LC tank ; SLC)를 구비함으로써 위상잡음 성능이 개선된 새로운 구조의 초저위상잡음 VCO를 제시하였다.
Accordingly, the present inventors have proposed a novel ultra-low phase noise VCO having improved phase noise performance by having a series LC tank (SLC) as described later.

즉, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
That is, referring to FIG. 2, FIG. 2 is a diagram schematically showing the overall configuration of an ultra-low phase noise CMOS voltage controlled oscillator for application to mobile communication according to an embodiment of the present invention.

도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기는, SLC를 구비하고, 제로 전압 헤드룸(zero voltage headroom)을 소비하는 인덕터 초크(inductor choke)를 포함하여 구성되며, SLC 탱크는 인덕터 초크 또는 저항을 통한 dc 전류 경로(current flow path)를 필요로 한다.
As shown in FIG. 2, an ultra low noise CMOS voltage controlled oscillator for mobile communication according to an embodiment of the present invention includes an inductor choke (SLC) having an SLC and consuming a zero voltage headroom choke), and the SLC tank requires a dc current flow path through the inductor choke or resistor.

또한, 도 2에 나타낸 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 VCO는, 상기한 [수학식 1] 및 [수학식 2]에서의 잡음원을 고려하여, 다음과 같이 세 가지 메커니즘에 의해 저위상잡음이 가능하게 된다.
The VCO according to the embodiment of the present invention configured as shown in FIG. 2 can be configured to have a low phase in consideration of the noise sources in the above-mentioned [Equation 1] and [Equation 2] by the following three mechanisms Noise becomes possible.

먼저, 첫째로는, VCO의 주된 잡음원인 전류원을 제거하는 것이고, 두 번째는 스위칭쌍의 트랜지스터가 제로 크로싱에서 도통되는 것과 트라이오드 영역으로 진입하는 것을 모두 방지하기 위한 직렬 튜닝 LC 공진기(series tuned LC resonator)를 포함하도록 하는 것으로, 이와 같이 함으로써, 직렬 공진기와 LC 연결노드에서 출력전압 스윙(output voltage swing)이 증폭되는 효과도 얻을 수 있다.
The first is to remove the current source that is the main noise of the VCO and the second is to use a series tuned LC resonator to prevent both transistors in the switching pair from conducting in the zero crossing and entering the triode region. resonator. By doing so, it is possible to obtain an effect that the output voltage swing is amplified at the series resonator and the LC connection node.

세 번째는, 발진주파수(oscillation frequency)의 제 2 고조파(second harmonic)에서 높은 임피던스를 가지도록 하기 위해 잡음 필터링 인덕터(noise filtering inductor)를 적용하는 것이다.
The third is to apply a noise filtering inductor to have a high impedance at the second harmonic of the oscillation frequency.

계속해서, 도 3을 참조하면, 도 3은 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 구성된 각각의 VCO에 대하여 잡음성능을 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
3, FIG. 3 is a diagram showing a result of comparing noise performance with respect to each VCO constructed as shown in FIG. 1 and FIG. 2. As shown in FIG.

즉, 본 발명자들은, 도 1에 나타낸 종래의 PLC VCO 및 도 2에 나타낸 바와 같이 본 실시예에 따라 SLC 탱크를 가지는 VCO를 동일한 소자 크기(device size) 및 소비전력(power consumption)을 가지도록 각각 구성하고, 그 잡음성능을 비교하여 그 결과를 도 3에 나타내었다.
That is, the present inventors have found that the conventional PLC VCO shown in FIG. 1 and the VCO having the SLC tank according to the present embodiment, as shown in FIG. 2, have the same device size and power consumption The noise performance is compared and the results are shown in FIG.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 SLC 탱크를 구비한 VCO는, 제 2 고조파 필터링 인덕터가 없는 경우에도 종래의 PLC VCO에 비해 20dB 더 우수한 위상잡음 성능을 나타내고 있음을 알 수 있다.
As shown in FIG. 3, according to the embodiment of the present invention, the VCO having the SLC tank exhibits 20 dB better phase noise performance than the conventional PLC VCO even in the absence of the second harmonic filtering inductor .

이러한 종래의 PLC VCO의 낮은 잡음성능은, 낮아진(lowered loaded) Q 팩터에 주로 기인한 것이며, 즉, 스위칭 트랜지스터가 계속하여(continuously) 트라이오드 영역으로 진입하여 PLC 탱크의 Q 팩터를 저하시킨다.
The low noise performance of such a conventional PLC VCO is mainly due to the lowered loaded Q factor, i.e. the switching transistor continuously enters the triode region and degrades the Q factor of the PLC tank.

반면, 본 발명의 실시예에 따른 VCO의 Q 팩터는, 커패시터 C2를 통해 버퍼링되고(buffered), 스위칭 트랜지스터가 동시에 온 되지 않으며, 더욱이, 드레인 노드 임피던스가 직렬공진 발진주파수에서 낮아짐으로 인해 저하되지 않는다.
On the other hand, the Q factor of the VCO according to the embodiment of the present invention is buffered through the capacitor C 2 , the switching transistor is not turned on at the same time, and the drain node impedance is lowered at the series resonance oscillation frequency Do not.

또한, 싱글 밸런스 믹서 해석(single-balanced mixer analysis)과 마찬가지로(참고문헌 2 참조), 플리커 잡음(flicker noise)과 같은 저주파 잡음(low frequency noise)이 발진주파수까지 업컨버트(up-converted) 되고, 짝수 고조파(even harmonics) 근처의 잡음성분(noise components)은 발진주파수의 홀수 고조파(odd harmonics)와 혼합(mixing)된 출력으로 업 및 다운 컨버트된다.
Also, as with single-balanced mixer analysis (see Reference 2), low frequency noise such as flicker noise is up-converted to the oscillation frequency, The noise components near the even harmonics are up- and down-converted to the mixed output with the odd harmonics of the oscillation frequency.

아울러, PLC VCO에 있어서는 대전류(large current flow)가 흐르면 출력의 홀수 고조파 성분이 증가되고, 그로 인해 사인파(sinusoidal waveform)보다 심하게 왜곡된 파형이 야기되나, 본 실시예에 따라 SLC 탱크를 구비한 VCO는, PLC VCO에 비해 고조파 성분이 크게 억제되며, 그것에 의해, 보다 뚜렷한 사인파를 야기한다.
Further, in the PLC VCO, when a large current flows, an odd harmonic component of the output is increased, which causes a more distorted waveform than a sinusoidal waveform. However, according to the present embodiment, a VCO , The harmonic components are greatly suppressed as compared with the PLC VCO, thereby causing a more pronounced sine wave.

더욱이, 상기한 [수학식 2]에 있어서, 위상잡음 성능은 제 2 고조파 잡음 필터링 인덕터를 구비하는 것에 의해 개선될 수 있으며, 이때, 상기한 인덕터는, 스위칭 트랜지스터가 탱크에 부하를 거는(loading) 것을 방지한다.
Furthermore, in the above-mentioned expression (2), the phase noise performance can be improved by providing a second harmonic noise filtering inductor, ≪ / RTI >

더 상세하게는, 도 3에 나타낸 바와 같이, PLC VCO의 위상잡음은 잡음필터 Lfilter가 있을 때 약 20 ~ 32dB 개선되며, 출력 홀수 고조파 주파수가 충분히 억제되고, 그것에 의해, 보다 사인파에 유사한 파형이 얻어진다.
More specifically, as shown in FIG. 3, the phase noise of the PLC VCO is improved by about 20 to 32 dB when the noise filter L filter is present, and the output odd harmonic frequency is sufficiently suppressed, whereby a waveform more like a sinusoidal wave .

또한, 본 실시예에 따른 VCO는, 위상잡음이 5 ~ 16dB 개선되고, 잡음필터 Lfilter가 있을 때 발진주파수와 평균 소비전력이 크게 변화하지 않으나, 종래의 PLC VCO는, 스위칭 트랜지스터의 기생(parasitic) 게이트-소스 커패시턴스(Cgs)로 인해, 동일한 소비전력으로 발진주파수가 900MHz 이상 변화한다.
In the VCO according to the present embodiment, the phase noise is improved by 5 to 16 dB and the oscillation frequency and the average power consumption do not greatly vary when the noise filter L filter is present. However, in the conventional PLC VCO, the parasitic ) Due to the gate-source capacitance (C gs ), the oscillation frequency changes by 900 MHz or more with the same power consumption.

아울러, PLC VCO에 대하여 동일한 평균 dc 소비전력을 구현하기 위해 공급전압을 0.9V에서 2V까지 증가시키면, 65nm CMOS 공정에서 허용되는 공급전압 1V를 훨씬 초과하게 된다.
In addition, increasing the supply voltage from 0.9V to 2V to achieve the same average dc power dissipation for the PLC VCO far exceeds the 1V supply voltage allowed in 65nm CMOS processes.

따라서 상기한 바와 같은 내용으로부터, 고성능 저위상잡음 VCO를 구현하기 위해서는, 종래의 PLC 탱크 VCO에 비해 SLC 탱크 VCO가 위상잡음 및 공급전압의 측면에서 이점이 있다.
Therefore, in order to realize a high-performance low-phase noise VCO from the above description, the SLC tank VCO is advantageous in terms of phase noise and supply voltage as compared with the conventional PLC tank VCO.

계속해서, 도 4를 참조하면, 도 4는 인덕터에 대한 등가 병렬저항을 포함하여 도 2에 나타낸 VCO의 공진기를 나타낸 도면이다.
4, there is shown a resonator of the VCO shown in FIG. 2 including an equivalent parallel resistor for the inductor.

여기서, 도 4에 있어서, 인덕터에 대한 등가 병렬저항 R1 및 R2는 이하의 [수학식 3] 및 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.
Here, in FIG. 4, the equivalent parallel resistances R1 and R2 for the inductor can be expressed by the following equations (3) and (4).

[수학식 3] &Quot; (3) "

Figure 112013115383852-pat00004

Figure 112013115383852-pat00004

[수학식 4] &Quot; (4) "

Figure 112013115383852-pat00005

Figure 112013115383852-pat00005

여기서, 상기한 [수학식 3] 및 [수학식 4]에 있어서, Rs1 및 Rs2는 각각 인덕터의 직렬 저항(series resistance)이다.
In Equations (3) and (4), Rs1 and Rs2 are series resistances of the inductors, respectively.

또한, 도 4에 있어서, C1과 2L1에 의해 병렬 공진기가 이루어지고, 이때, 인덕터 2L1은 dc 바이어싱을 위한 것이며, 이는 온 칩(on-chip)으로 집적되거나, 또는, 칩 인덕터(chip inductor)를 이용하여 외부적으로 구현될 수 있다.
In FIG. 4, a parallel resonator is formed by C 1 and 2L 1 , wherein the inductor 2L 1 is for dc biasing, which may be integrated on-chip or integrated into a chip inductor chip inductor).

아울러, 인덕터 Lfilter는 위상잡음을 더욱 감소하기 위해 제 2 고조파 잡음성분을 필터링(filter out) 한다.
In addition, the inductor L filter filters out the second harmonic noise component to further reduce the phase noise.

더욱이, C2, Cvar 및 2L2에 의해서는 직렬 공진기가 이루어지고, 이러한 직렬 공진기는 VCO의 발진주파수를 결정하는 역할과 함께, 드레인 노드에서 게이트 까지 전압증폭을 수행하는 역할도 가진다.
Furthermore, a series resonator is formed by C 2 , C var, and 2L 2 , and this series resonator also plays a role of determining the oscillation frequency of the VCO and performing the voltage amplification from the drain node to the gate.

또한, 버랙터(varactor) 커패시턴스를 제외하면, 드레인에서 게이트까지의 전압전달함수는 이하의 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.
In addition, except for the varactor capacitance, the voltage transfer function from the drain to the gate can be expressed by the following equation (5).

[수학식 5] &Quot; (5) "

Figure 112013115383852-pat00006

Figure 112013115383852-pat00006

여기서, 상기한 [수학식 5]에 있어서, R2는 인덕터 L2의 등가 병렬저항이다.
In Equation (5), R 2 is the equivalent parallel resistance of the inductor L 2 .

아울러, 전압 이득은 이하의 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.
In addition, the voltage gain can be expressed by the following equation (6).

[수학식 6] &Quot; (6) "

Figure 112013115383852-pat00007

Figure 112013115383852-pat00007

일반적으로, Rs2 >> ω0 2L2Cvar 이므로, 상기한 [수학식 6]은 발진주파수에서 다음과 같이 간략화될 수 있다.
In general, since R s2 >> ω 0 2 L 2 C var , Equation (6) can be simplified as follows at the oscillation frequency.

[수학식 7] &Quot; (7) "

Figure 112013115383852-pat00008

Figure 112013115383852-pat00008

계속해서, 도 5를 참조하면, 도 5는 드레인 노드 A와 B 및 게이트 노드 C와 D에서 바라본 임피던스를 나타내는 도면이다.
5, FIG. 5 is a view showing impedances viewed from drain nodes A and B and gate nodes C and D. In FIG.

도 5에 나타낸 바와 같이, 병렬 공진기는 직렬 공진주파수의 절반 근처에서 공진하고, L2의 값이 커질수록 직렬 저항은 증가하며, 그것에 의해, 게이트 노드에서의 전압 스윙(voltage swing) 및 위상잡음 저하가 감소된다.
As shown in FIG. 5, the parallel resonator resonates near half of the series resonance frequency, and the series resistance increases as the value of L 2 increases, whereby the voltage swing at the gate node and the phase noise reduction .

또한, 도 6을 참조하면, 도 6은 도 2에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 VCO의 절반회로에 대한 소신호 등가회로(small signal equvalent half circuit) 모델을 나타내는 도면이다.
Referring to FIG. 6, FIG. 6 is a diagram illustrating a small signal equivalent half circuit model for a half circuit of a VCO according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 2. Referring to FIG.

즉, 본 발명자들은, 발진시작 조건(startup condition)과 발진주파수를 유도하기 위해 도 6에 나타낸 바와 같은 등가회로 모델을 구성하였으며, 소신호 분석(small-signal analysis)으로부터, vi와 vo 사이의 전달함수는 이하의 [수학식 8] 및 [수학식 9]와 같이 주어진다.
That is, the present inventors, from the oscillation start condition (startup condition) and were configured to an equivalent circuit model as shown in Figure 6 to derive the oscillation frequency, small-signal analysis (small-signal analysis), v between i and v o Is given by the following equations (8) and (9).

[수학식 8] &Quot; (8) "

Figure 112013115383852-pat00009

Figure 112013115383852-pat00009

[수학식 9] &Quot; (9) "

Figure 112013115383852-pat00010

Figure 112013115383852-pat00010

여기서, 상기한 [수학식 8] 및 [수학식 9]에 있어서, Here, in the above-mentioned expressions (8) and (9)

Figure 112013115383852-pat00011
Figure 112013115383852-pat00011

이다.
to be.

여기서, VCO가 발진하기 위해서는 전압이득이 -1이 되어야 하므로, 따라서 상기한 [수학식 9]는 이하의 [수학식 10]과 같이 나타낼 수 있다.
Since the voltage gain must be -1 in order for the VCO to oscillate, the above Equation (9) can be expressed as Equation (10) below.

[수학식 10] &Quot; (10) "

Figure 112013115383852-pat00012

Figure 112013115383852-pat00012

또한, 적절히 항들을 정리하면, 상기한 [수학식 10]은 다음과 같이 이하의 [수학식 11] 및 [수학식 12]의 실수부로 나타낼 수 있다.
Further, if the terms are appropriately summarized, the above-mentioned expression (10) can be expressed as a real part of the following expressions (11) and (12) as follows.

[수학식 11] &Quot; (11) "

Figure 112013115383852-pat00013

Figure 112013115383852-pat00013

[수학식 12] &Quot; (12) "

Figure 112013115383852-pat00014

Figure 112013115383852-pat00014

아울러, 발진주파수는, 상기한 [수학식 11]로부터 이하의 [수학식 13]과 같이 유도될 수 있다.
Further, the oscillation frequency can be derived from the above-mentioned equation (11) as shown in the following equation (13).

[수학식 13] &Quot; (13) "

Figure 112013115383852-pat00015

Figure 112013115383852-pat00015

더욱이, 발진을 유지하기 위해 요구되는 트랜스컨덕턴스 gm은 이하의 [수학식 14]와 같이 주어진다.
Further, the transconductance g m required to maintain the oscillation is given by the following equation (14).

[수학식 14] &Quot; (14) "

Figure 112013115383852-pat00016

Figure 112013115383852-pat00016

여기서, 일반적으로, 차동(differential) VCO는 스위칭 트랜지스터가 모두 온 될 때의 제로 크로싱에서 삽입 잡음에 가장 민감한 것으로 알려져 있으며, 종래의 차동 VCO에 있어서, 스위칭 트랜지스터가 직접 또는 ac 교차결합(ac cross coupled)되므로, 드레인 및 게이트 전압은 제로 크로싱에서 동일하게 된다.
In general, differential VCOs are known to be most susceptible to insertion noise in zero crossing when all switching transistors are turned on. In a conventional differential VCO, the switching transistors are either directly or ac cross coupled ), So that the drain and gate voltages become equal in the zero crossing.

즉, 도 7 및 도 8을 참조하면, 도 7은 전류원이 없는 ac 교차결합 차동 VCO의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 8은 도 7에 나타낸 ac 교차결합 차동 VCO의 게이트 및 드레인 노드 전압과 스위칭쌍의 드레인 전류를 각각 나타내는 도면이다.
7 and 8, FIG. 7 is a diagram schematically showing the overall configuration of an ac cross-coupled differential VCO without a current source, and FIG. 8 is a schematic view showing the gate and drain node voltages And the drain current of the switching pair, respectively.

여기서, 도 8에 있어서, 도 8a는 게이트 및 드레인 노드 전압을 나타내고, 도 8b는 스위칭쌍의 드레인 전류를 각각 나타내고 있다.
Here, in Fig. 8, Fig. 8A shows the gate and drain node voltages, and Fig. 8B shows the drain currents of the switching pair, respectively.

도 8에 나타낸 바와 같이, 신호 스윙(signal swing)이 증가하면, 스위칭 트랜지스터는 트라이오드 영역으로 진입하고, 드레인 및 게이트 노드에서의 제로 크로싱점은 발진주기의 특정 시간에 정렬되는(aligned) 것을 확인할 수 있다.
As shown in FIG. 8, when the signal swing increases, the switching transistor enters the triode region and the zero crossing point at the drain and gate nodes is aligned at a certain time in the oscillation period .

또한, 종래, VCO의 위상잡음 성능을 개선하기 위해 여러 가지 연구들이 수행되어 왔으며, 예를 들면, 스위칭 트랜지스터가 발진 주기의 대부분을 포화 영역에서 동작하도록 하기 위해, 바이어스 레벨 시프트 기법(bias level shifting technique)이 개발된 바 있다(참고문헌 7 참조).
Also, in order to improve the phase noise performance of a VCO, various studies have been conducted. For example, in order to allow a switching transistor to operate in a saturation region for most of the oscillation period, a bias level shifting technique ) Has been developed (see Reference 7).

아울러, 다른 예로서, 제로 크로싱점에서의 시간 간격(time interval)을 단축시키는 방법이 제시된 바 있으며(참고문헌 4 참조), 더 상세하게는, 직렬 공진기가 제 2 고조파에 맞추어 튜닝되고 병렬 공진기는 제 3 고조파에 맞추어 튜닝되어, 이와 같이 고조파에 맞추어 튜닝된 탱크에 의해 출력 파형이 직사각형을 이루게 되고, 그것에 의해, 제로 크로싱점에서 스위칭쌍 출력전압의 경사를 효과적으로 최대화할 수 있도록 한다.
As another example, a method for shortening the time interval at the zero crossing point has been proposed (see Reference 4), more specifically, the series resonator is tuned to the second harmonic and the parallel resonator Tuned to the third harmonic so that the output waveform is made rectangular by the tank tuned to this harmonic so that the slope of the switching pair output voltage at the zero crossing point can be effectively maximized.

반면, 본 실시예에 따른 VCO는, 드레인 및 게이트 노드의 제로 크로싱점을 분리하는 것에 의해 하나의 발진주기 동안 스위칭 트랜지스터가 동시에 도통될 수 없게 되도록 하는 새로운 기술을 적용하였다.
On the other hand, the VCO according to the present embodiment adopts a new technique for separating the zero crossing points of the drain and gate nodes so that the switching transistors can not be conducted simultaneously during one oscillation period.

즉, 도 9를 참조하면, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 VCO의 드레인 및 게이트 노드에서전압 파형을 나타내는 도면이다.
Referring to FIG. 9, FIG. 9 illustrates voltage waveforms at drain and gate nodes of a VCO according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG.

도 9에 나타낸 바와 같이, 게이트 전압이 동일할 때 드레인 전압 중 하나는 하이(로우)이고 다른 하나는 로우(하이) 임을 확인할 수 있으며, 도 2에 나타낸 제2 고조파 필터링 인덕터 Lfilter에 의해, 드레인과 게이트 노드의 제로 크로싱점 사이에 더 큰 차이가 얻어지고, 또한, 게이트 전압 스윙이 증가한다.
As shown in FIG. 9, when the gate voltage is the same, one of the drain voltages is high (low) and the other is low (high). By the second harmonic filtering inductor L filter shown in FIG. 2, And a zero crossing point of the gate node, and also the gate voltage swing increases.

또한, 도 10을 참조하면, 도 10은 제 2 고조파 필터링 인덕터 Lfilter가 있는 경우와 없는 경우에 대하여 각각 드레인-소스 전압 및 드레인 전류를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다.
10, the drain-source voltage and the drain current are simulated when the second harmonic filtering inductor L filter is present and when the second harmonic filtering inductor L filter is not present.

여기서, 도 10에 있어서, 도 10a는 드레인 전류 파형을 나타내고, 도 10b는 드레인-소스 전압 파형을 각각 나타내고 있다.
Here, in Fig. 10, Fig. 10A shows a drain current waveform and Fig. 10B shows a drain-source voltage waveform, respectively.

도 10a에 나타낸 바와 같이, 인덕터 Lfilter가 없는 경우의 드레인-소스 전압은 포화영역에 머물러 있으며(즉, 0V 레벨에 도달하지 않는다), 인덕터 Lfilter가 있는 경우는 파형이 더욱 가파른 경사를 가지는 직사각형 형태를 나타낸다.
10A, the drain-source voltage in the absence of the inductor L filter stays in the saturation region (i.e., does not reach the 0V level), and if the inductor L filter is present, the waveform is a rectangle .

아울러, 각각의 차동 드레인 및 게이트 전압은 이하의 [수학식 15] 및 [수학식 16]과 같이 근사화될 수 있다.
In addition, each of the differential drain and gate voltages can be approximated as shown in the following equations (15) and (16).

[수학식 15] &Quot; (15) "

Figure 112013115383852-pat00017

Figure 112013115383852-pat00017

[수학식 16] &Quot; (16) "

Figure 112013115383852-pat00018

Figure 112013115383852-pat00018

상기한 [수학식 16]으로부터, 매우 큰 출력 스윙이 게이트 노드에서 얻어짐을 알 수 있다.
From Equation (16), it can be seen that a very large output swing is obtained at the gate node.

따라서 상기한 내용으로부터, 본 발명에 따른 VCO는, 출력 스윙을 증가시키고 스위칭 트랜지스터가 직렬 공진기를 통하여 트라이오드 영역으로 진입하는 것을 방지함으로써, 위상잡음 성능을 현저하게 개선할 수 있는 것임을 알 수 있다.
Therefore, it can be seen from the above that the VCO according to the present invention can significantly improve the phase noise performance by increasing the output swing and preventing the switching transistor from entering the triode region through the series resonator.

계속해서, 도 11을 참조하면, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 VCO에 대하여 인덕터 Lfilter가 있는 경우와 없는 경우의 위상잡음 성능을 시뮬레이션한 결과를 각각 나타내는 도면이다.
11, FIG. 11 is a graph showing simulation results of the phase noise performance of the VCO according to the embodiment of the present invention with and without the inductor L filter , respectively.

즉, 본 발명자들은, 튜닝 전압(tuning voltage)으로 600kHz, 800kH 및 3MHz 오프셋에서 본 실시예에 따른 VCO의 위상잡음 성능을 시뮬레이션을 행하고, 그 결과를 도 11에 나타내었다.
That is, the present inventors simulated the phase noise performance of the VCO according to the present embodiment at 600 kHz, 800 kHz and 3 MHz offset with a tuning voltage, and the results are shown in Fig.

더 상세하게는, 도 11에 나타낸 바와 같이, 제 2 고조차 필터링 인덕터 Lfilter가 있는 경우, 600kHz 및 800kHz 오프셋에서 위상잡음이 7.5dB 이상 개선되었고, 3MHz 오프셋에서는 5dB 이상 개선되었다.
More specifically, as shown in FIG. 11, in the case of the second high-order filtering inductor L filter , phase noise was improved by more than 7.5 dB at 600 kHz and 800 kHz offset and improved by more than 5 dB at 3 MHz offset.

또한, 제 2 고조차 필터링 인덕터 Lfilter가 없는 경우의 시뮬레이션 결과로부터, 플리커 잡음의 기여분(contribution)이 가장 두드러지고, 다른 잡음원의 기여분은 잡음의 양보다 다소 적음을 알 수 있다.
Also, from the simulation results in the absence of the second high-order filtering inductor L filter , it can be seen that the contribution of the flicker noise is the most conspicuous and the contribution of the other noise sources is somewhat less than the noise amount.

다음으로, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 VCO를 실제 VCO의 설계에 적용하고 시뮬레이션을 통하여 위상잡음 성능을 검증한 결과에 대하여 설명한다.
Next, the result of verifying the phase noise performance by applying the VCO according to the embodiment of the present invention to the design of the actual VCO as described above and simulating it will be described.

즉, 본 발명자들은, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 VCO의 위상잡음 성능을 검증하기 위해, TSMC 1P9M 65nm CMOS 기술을 이용하여 VCO를 설계하고 시뮬레이션을 통하여 그 성능을 검증하였다.
That is, in order to verify the phase noise performance of the VCO according to the embodiment of the present invention as described above, the VCO was designed using TSMC 1P9M 65 nm CMOS technology and its performance was verified through simulation.

또한, 보다 나은 위상잡음 성능을 위하여, 더 높은 Q 팩터를 가지도록 하기 위해 8각형 대칭 인덕터(octagonal shape symmetric inductor)가 사용되었으며, 이때, 상기한 인덕터는 두꺼운 구리(두께 3.4㎛)로 구현되었다.
Also, for better phase noise performance, an octagonal shape symmetric inductor was used to have a higher Q factor, wherein the above inductor was implemented with thick copper (thickness 3.4 μm).

아울러, 온-칩 인덕터(on-chip inductor)는 다이 면적(die size)을 많이 차지하므로, PBC(printed circuit board) 기판에 칩 인덕터(chip inductor)를 이용하여 병렬 튜닝 인덕터(Parallel tuning inductor) 2L1를 구현하여, 온-칩 인덕터에 비해 큰 Q 팩터(50 이상)를 가지도록 구성될 수 있다.
In addition, since the on-chip inductor takes a lot of die size, a chip inductor is used for a printed circuit board (PBC) substrate and a parallel tuning inductor 2L 1 and can be configured to have a larger Q factor (greater than or equal to 50) compared to the on-chip inductor.

또는, 접합 와이어(bonding wire)를 이용하여(경험에 의해(rule of thumb) 1nH/mm) 구현될 수도 있으며, 여기서, 접합 와이어 인덕터가 신뢰성 문제(reliability problem)를 가진다 하더라도, 시뮬레이션 결과는 이러한 접합 와이어 인덕터의 인덕턴스값(50% 이상 차이)의 변화 및 중심탭점(center tap point)이 600kHz에서 3MHz 오프셋 사이에서의 본 실시예에 따른 VCO의 성능에 치명적인 영향을 미치지 않음을 나타낸다.
Alternatively, it may be implemented using a bonding wire (rule of thumb 1 nH / mm), where even if the bonding wire inductor has a reliability problem, A change in the inductance value (difference of 50% or more) of the wire inductor and that the center tap point does not seriously affect the performance of the VCO according to this embodiment between 600 kHz and 3 MHz offset.

더욱이, 제 2 고조파 필터링 인덕터 Lfilter의 작은 인덕턴스값은, 설계도구(design kit)에서 제공되는 일반적인 형태(standard type)의 싱글엔드 나선형 인덕터(single-ended spiral inductor)를 사용하는 것보다는, 칩 면적을 줄이기 위해 지그재그형(zigzag type)으로 구현될 수 있다.
Moreover, the small inductance value of the second harmonic filtering inductor L filter is much less than the use of a single-ended spiral inductor of the standard type provided in the design kit, Can be implemented as a zigzag type in order to reduce the size of the substrate.

또한, 스위칭 트랜지스터는 NMOS 보다 잡음 특성이 우수한 PMOS FET로 구현되고, 이때, PMOS 트랜지스터의 사이즈는 208㎛/90nm이며, 커패시터 C1 및 C2는 MIM(metal-inductor-metal) 커패시터로 구현된다.
In addition, the switching transistor is implemented as a PMOS FET having better noise characteristics than the NMOS, wherein the size of the PMOS transistor is 208 μm / 90 nm, and the capacitors C 1 and C 2 are implemented as metal-inductor-metal (MIM) capacitors.

아울러, 튜닝 범위(tuning range)는, 136fF 내지 670fF의 가변 커패시턴스를 가지는 MOS 버랙터 커패시터(varactor capacitor)에 의해 변경될 수 있고, 소자 파라미터(device parameter)는 도 12의 표에 나타낸 바와 같다.
In addition, the tuning range can be changed by MOS varactor capacitors having variable capacitances of 136 fF to 670 fF, and the device parameters are as shown in the table of Fig.

즉, 도 12를 참조하면, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 VCO를 실제 회로 설계를 통해 구현하였을 때의 회로 파라미터 구성예를 나타내는 도면이다.
That is, referring to FIG. 12, FIG. 12 is a diagram showing an example of a circuit parameter configuration when the VCO according to the embodiment of the present invention is implemented through an actual circuit design.

또한, 도 13을 참조하면, 도 13은 900MHz 및 1800MHz 주파수 대역에서 동작하는 다양한 GSM 표준에서 요구되는 VCO의 위상잡음을 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
Referring to FIG. 13, FIG. 13 is a table showing the phase noise of a VCO required in various GSM standards operating in the 900 MHz and 1800 MHz frequency bands.

도 13에 나타낸 바와 같이, GSM 900 노멀 BTS 및 DCS 1800 노멀 BTS는 -147dB/Hz 및 -138dB/Hz를 각각 요구하고 있으며, 이러한 성능은 현재 가용한 CMO 기술로는 만족시키기 가장 어려운 것으로 간주되고 있는 반면, MS에 대한 위상잡음 요구는 BTS에 비해 상대적으로 낮다.
As shown in Fig. 13, the GSM 900 normal BTS and the DCS 1800 normal BTS each require -147 dB / Hz and -138 dB / Hz, and this performance is considered to be the most difficult to satisfy with currently available CMO technology On the other hand, the phase noise requirement for the MS is relatively low compared to the BTS.

도 14를 참조하면, 도 14는 0에서 0.7V까지의 버랙터 튜닝 전압(varactor tuning voltage)을 가지는 본 발명에 따른 노멀 BTS VCO의 위상잡음을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다.
Referring to FIG. 14, FIG. 14 shows a simulation result of a phase noise of a normal BTS VCO according to the present invention having a varactor tuning voltage of 0 to 0.7V.

도 14에 나타낸 바와 같이, Lfilter가 있는 경우, 100kHz 오프셋까지는 클로즈 인(close-in) 위상잡음 성능이 10dB 이상 개선되었고, 1MHz 오프셋에서는 7dB, 10MHz 오프셋에서는 4dB 개선되었음을 알 수 있다.
As shown in FIG. 14, in the case of the L filter , close-in phase noise performance is improved by 10 dB or more up to 100 kHz offset, 7 dB improvement at 1 MHz offset and 4 dB improvement at 10 MHz offset.

또한, 0.7V 공급전압으로부터 27mW가 소비되며, 본 발명에 따른 노멀 BTS VCO는 600kHz, 800kHz 및 1MHz 오프셋에서 각각 -134.6dBc/Hz, -137dBc/Hz 및 148.6dBc/Hz의 위상잡음을 달성함을 알 수 있다.
Also, 27 mW is consumed from the 0.7 V supply voltage, and the normal BTS VCO according to the present invention achieves phase noise of -134.6 dBc / Hz, -137 dBc / Hz and 148.6 dBc / Hz at 600 kHz, 800 kHz and 1 MHz offset, respectively Able to know.

다음으로, 도 15를 참조하면, 도 15는 0.65V에서 0.75V까지 공급전압을 스윕시(sweeping) 공급전압 푸싱 특성(supply pushing characteristic)을 나타내는 도면이다.
Next, referring to FIG. 15, FIG. 15 is a diagram showing a supply pushing characteristic for sweeping a supply voltage from 0.65 V to 0.75 V. FIG.

여기서, 도 15에 있어서, 발진주파수 푸싱은 33.2MHz/V 이며, 공급전압의 변화에 대하여 위상잡음은 거의 일정하다.
15, the oscillation frequency pushing is 33.2 MHz / V, and the phase noise is almost constant with respect to the change of the supply voltage.

아울러, 본 발명자들은, 본 발명의 실시예에 따른 VCO가 GSM 표준에서 요구하는 위상잡음 성능을 만족하는지를 검증하기 위해, 위상잡음을 900MHz 및 1800MHz로 정규화(normalize) 하였다.
In addition, the inventors have normalized the phase noise to 900 MHz and 1800 MHz to verify that the VCO according to the embodiment of the present invention satisfies the phase noise performance required by the GSM standard.

즉, 도 16을 참조하면, 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 VCO에 대하여 900MHz와 1800MHz로 정규화된 위상잡음 성능을 각각 나타내는 도면이다.
That is, referring to FIG. 16, FIG. 16 is a diagram illustrating phase noise performance normalized to 900 MHz and 1800 MHz for a VCO according to an embodiment of the present invention, respectively.

여기서, 도 16에 있어서, 도 16a는 900MHz의 경우이고, 도 16b는 1800MHz의 경우를 각각 나타내고 있다.
Here, in FIG. 16, FIG. 16A shows a case of 900 MHz, and FIG. 16B shows a case of 1800 MHz.

더 상세하게는, 도 16에 나타낸 바와 같이, 3MHz 오프셋에서 본 실시예에 따른 VCO의 정규화된 위상잡음이 -161dBc/Hz로서, 본 발명의 실시예에 따른 VCO는 약간의 마진(margins)을 가지고 상기한 위상잡음 성능을 만족하는 것을 확인할 수 있다.
More specifically, as shown in FIG. 16, at a 3 MHz offset, the normalized phase noise of the VCO according to this embodiment is -161 dBc / Hz, the VCO according to the embodiment of the present invention has some margins It can be confirmed that the above-mentioned phase noise performance is satisfied.

또한, 도 17을 참조하면, 도 17은 본 발명의 실시예에 따른 VCO의 성능과 GSM 적용을 위한 최첨단기술(state-of-the-art)로 설계된 발진기와의 성능비교를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
17, FIG. 17 is a table summarizing the performance comparison between a VCO according to an embodiment of the present invention and an oscillator designed with a state-of-the-art technology for GSM application to be.

아울러, 도 17에 있어서, FOM(forugre of merit)은 이하의 [수학식 17]과 같이 정의된다.
In addition, in Fig. 17, the FOM (forugre of merit) is defined as follows.

[수학식 17] &Quot; (17) "

Figure 112013115383852-pat00019

Figure 112013115383852-pat00019

여기서, 상기한 [수학식 17]에 있어서, L(△f)는 오프셋주파수 △f에서의 위상잡음, Pdc는 mW 단위로 나타낸 dc 전력소비, f0는 발진주파수이다.
In this case, the one equation 17], L (△ f) is a frequency offset △ f phase noise in, P dc dc power consumption is represented by the unit of mW, f 0 is the oscillation frequency.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 VCO는 GSM 위상잡음 요구를 만족하는 동시에, 최고의 FOM을 달성함을 알 수 있다.
As described above, it can be seen that the VCO according to the present invention satisfies the GSM phase noise requirement and achieves the best FOM.

즉, 본 발명에 따르면, CMOS 기술을 이용하여 초저위상잡음 LC VCO를 설계하기 위한 새로운 기술이 제시되며, 본 발명에 따른 VCO는 말단전류원의 제거, 이중튜닝 공진기의 적용 및 제 2 고조파 잡음의 필터링을 통해 위상잡음 성능이 현저하게 개선된다.
That is, according to the present invention, a new technique for designing an ultra low-phase noise LC VCO using CMOS technology is proposed. In the VCO according to the present invention, the elimination of the terminal current source, the application of the double tuning resonator and the filtering of the second harmonic noise The phase noise performance is remarkably improved.

더 상세하게는, 이중 튜닝 공진기에 의해 스위칭 트랜지스터가 포화영역에서 동작되도록 억제되고, 또한, 직렬 공진기는 출력 스윙이 크게 증가하는 것에 의해 LC 연결노드에서 전압을 증폭하며, 더욱이, 제 2 고조파 필터링 인덕터에 의해 스위칭쌍의 드레인-소스 전압파형이 더욱 직사각형으로 된다.
More specifically, the switching transistor is suppressed to operate in the saturation region by the dual tuning resonator, and the series resonator also amplifies the voltage at the LC junction node by greatly increasing the output swing, and further, the second harmonic filtering inductor The drain-source voltage waveform of the switching pair becomes more rectangular.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 VCO는, GSM에 적용하는 것을 목적으로 하여 65nm CMOS 기술을 이용하여 구현되고 3.8GHz의 발진주파수에서 동작하여 탁월한 위상잡음 성능을 나타내는 동시에, 3MHz 오프셋에서 산출된 FOM이 -206dBc/Hz로서, GSM 표준의 가장 엄격한 위상잡음 요구를 만족시킬 수 있다.
In addition, the VCO according to the embodiment of the present invention is implemented using 65-nm CMOS technology for GSM application and operates at an oscillation frequency of 3.8 GHz to exhibit excellent phase noise performance, and at the same time, -206dBc / Hz, which can satisfy the most stringent phase noise requirements of the GSM standard.

따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기를 구현할 수 있다.
Therefore, an ultra-low noise CMOS voltage controlled oscillator for mobile communication according to the present invention can be implemented as described above.

또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기를 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 말단전류원을 제거하는 방법은 발진 스윙이 클 때 탱크의 부하 임피던스가 감소하여 위상잡음 성능이 저하되고, 고조파 튜닝법을 적용하면 다수의 인덕터를 필요로 하여 칩 면적을 많이 소모하게 되는 단점이 있었던 종래의 VCO들의 문제점을 해결할 수 있는 동시에, GSM 900 BTS RX 및 DCS 1800 BTS RX 등과 같은 GSM 표준에서 요구되는 엄격한 위상잡음 성능을 만족하도록 할 수 있다.
In addition, according to the present invention, by implementing the ultra-low phase noise CMOS voltage controlled oscillator for mobile communication according to the present invention as described above, according to the present invention, a method of removing the terminal current source, It is possible to solve the problem of the conventional VCO which has a disadvantage that the impedance is decreased and the phase noise performance is deteriorated and the harmonic tuning method requires a lot of inductors and consumes a large chip area, DCS 1800 BTS RX, and so on.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes, modifications, combinations, and substitutions may be made without departing from the scope of the present invention as set forth in the following claims. I will.

Claims (6)

종래의 전압제어 발진기(voltage-controlled oscillator ; VCO)에 비해 위상잡음 성능이 개선되는 동시에, GSM 900 및 DCS 1800 BTS 수신기(base-station receiver)를 포함하는 GSM 표준의 위상잡음 성능 기준을 만족할 수 있도록 구성되는 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기에 있어서,
한 쌍의 제 1 커패시터(C11, C12)와 제 1 인덕터(L1)를 포함하여 이루어지는 제 1 LC부;
한 쌍의 제 2 커패시터(C21, C22)와 제 2 인덕터(L2) 및 한 쌍의 가변 커패시터(Cvar1, Cvar2)를 포함하여 이루어지고 상기 제 1 LC부에 병렬로 연결되는 제 2 LC부;
한 쌍의 트랜지스터(Mp1, Mp2)를 포함하여 이루어지고 상기 제 2 LC부와 직렬로 연결되는 트랜지스터부; 및
잡음 필터링 인덕터(Lfilter)를 포함하여 이루어지고 상기 트랜지스터부에 직렬로 연결되는 필터링부;를 포함하며,
상기 제 2 LC부는,
상기 한 쌍의 제 2 커패시터(C21, C22) 사이에 상기 제 2 인덕터(L2)가 각각 직렬로 연결되고,
상기 한 쌍의 가변 커패시터(Cvar1, Cvar2)는 서로 직렬로 연결되고 각각의 상기 가변 커패시터(Cvar1, Cvar2)의 타단은 상기 제 2 인덕터(L2)의 양단에 병렬로 연결되며,
직렬로 연결된 상기 한 쌍의 제 2 커패시터(C21, C22)의 타단에는 드레인전압(Vd+, Vd-)이 각각 출력되고,
상기 제 2 인덕터(L2)에는 바이어스 전원(Vbias)이 인가되며,
직렬로 연결된 상기 한 쌍의 가변 커패시터(Cvar1, Cvar2) 사이에는 튜닝전원(Vtune)이 인가되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기.
Phase noise performance of the GSM standard, including the GSM 900 and DCS 1800 BTS receiver (base-station receiver), while improving phase noise performance compared to conventional voltage-controlled oscillators (VCOs) An ultra-low phase noise CMOS voltage controlled oscillator for application to mobile communication comprising:
A first LC unit including a pair of first capacitors (C 11 , C 12 ) and a first inductor (L 1 );
A second inductor L 2 and a pair of variable capacitors C var1 and C var2 which are connected in parallel to the first LC unit, each of the first and second capacitors C 21 and C 22 , 2 LC portion;
A transistor portion including a pair of transistors M p1 and M p2 and connected in series with the second LC portion; And
And a filtering unit including a noise filtering inductor (L filter ) and connected in series to the transistor unit,
The second LC unit includes:
The second inductor L 2 is connected in series between the pair of second capacitors C 21 and C 22 ,
The pair of variable capacitors C var1 and C var2 are connected in series and the other ends of the variable capacitors C var1 and C var2 are connected in parallel at both ends of the second inductor L 2 ,
The drain voltages V d + and V d- are respectively output to the other ends of the pair of second capacitors C 21 and C 22 connected in series,
A bias power supply (Vbias) is applied to the second inductor (L 2 )
And a tuning power supply (V tune ) is applied between the pair of variable capacitors (C var1 , C var2 ) connected in series.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 LC부는,
상기 한 쌍의 제 1 커패시터(C11, C12)가 서로 직렬로 연결되고,
직렬로 연결된 상기 한 쌍의 제 1 커패시터(C11, C12)와 상기 제 1 인덕터(L1)가 병렬로 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기.
The method according to claim 1,
The first LC unit includes:
The pair of first capacitors C 11 and C 12 are connected in series with each other,
And the first inductor (L 1 ) and the first capacitor (C 11 , C 12 ) connected in series are connected in parallel. The ultra low phase noise CMOS voltage controlled oscillator .
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 트랜지스터부는,
직렬로 연결된 상기 한 쌍의 제 2 커패시터(C21, C22)의 타단에서 상기 드레인전압(Vd+, Vd-)이 연결된 노드에 상기 한 쌍의 트랜지스터(Mp1, Mp2)의 각각의 드레인 단자가 각각 연결되고,
상기 한 쌍의 가변 커패시터(Cvar1, Cvar2)와 상기 제 2 인덕터(L2)가 서로 병렬로 연결된 노드에 상기 한 쌍의 트랜지스터(Mp1, Mp2)의 게이트 단자가 각각 교차결합되며,
상기 한 쌍의 트랜지스터(Mp1, Mp2)의 소스 단자는 서로 직렬로 연결되고,
상기 한 쌍의 트랜지스터(Mp1, Mp2)의 게이트 단자에는 게이트전압(Vg-, Vg+)이 각각 출력되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기.
The method according to claim 1,
The transistor unit includes:
(M p1 , M p2 ) is connected to a node connected to the drain voltage (V d + , V d- ) at the other end of the pair of second capacitors (C 21 , C 22 ) Drain terminals are respectively connected,
A gate terminal of the pair of transistors M p1 and M p2 is cross-coupled to a node where the pair of variable capacitors C var1 and C var2 and the second inductor L 2 are connected in parallel,
The source terminals of the pair of transistors M p1 and M p2 are connected in series with each other,
And the gate voltages V g- and V g + are output to the gate terminals of the pair of transistors M p1 and M p2 , respectively.
제 1항에 있어서,
상기 필터링부는,
상기 잡음 필터링 인덕터(Lfilter)가 상기 한 쌍의 트랜지스터(Mp1, Mp2)의 소스 단자 사이에 연결되고,
상기 잡음 필터링 인덕터(Lfilter)의 타단에는 공급전압(VDD)이 인가되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기.
The method according to claim 1,
Wherein the filtering unit comprises:
The noise filtering inductor (L filter ) is connected between the source terminals of the pair of transistors (M p1 , M p2 )
And the supply voltage (V DD ) is applied to the other end of the noise filtering inductor (L filter ).
제 1항에 있어서,
상기 전압제어 발진기는,
종래의 VCO에서 주된 잡음원인 전류원을 제거하고 상기 제 2 LC부에 직렬 공진기(series tuned LC resonator)를 포함하도록 형성하는 것에 의해, 상기 트랜지스터부의 한 쌍의 트랜지스터가 제로 크로싱점(zero crossing point)에서 도통되는 것과 트라이오드 영역(triode region)으로 진입하는 것이 방지되는 동시에, 출력전압 스윙(output voltage swing)이 증폭되며,
상기 필터링부의 상기 잡음 필터링 인덕터(noise filtering inductor)에 의해, 발진주파수(oscillation frequency)의 제 2 고조파(second harmonic) 잡음성분이 필터링(filter out) 됨으로써 위상잡음을 감소하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이동통신에 적용을 위한 초저위상잡음 CMOS 전압제어 발진기.
The method according to claim 1,
Wherein the voltage-
By removing the main noise source current from the conventional VCO and forming a series resonant LC resonator in the second LC section, a pair of transistors of the transistor section are arranged at a zero crossing point The output voltage swing is amplified while the conduction and the entrance into the triode region are prevented,
And to reduce phase noise by filtering out a second harmonic noise component of an oscillation frequency by the noise filtering inductor of the filtering unit. Ultra Low Phase Noise CMOS Voltage Controlled Oscillator for Communication Applications.
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