KR101682526B1 - Ｓｌｃ 공진기 기반 저전력 ｌｍｖ 셀 및 이를 이용한 1단 저전력 ｒｆ 수신기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 LMV 셀(cell)에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 저잡음 증폭기(Low-noise amplifier ; LNA)와 믹서(Mixer) 및 전압제어 발진기(Voltage-Controlled Oscillator ; VCO)가 통합되고(merged), 종래의 병렬 LC(parallel LC ; PLC) 공진기 대신에 직렬 LC 공진기(series LC ; SLC) 공진기를 이용하여(exploiting), 전압이득 및 위상잡음이 개선될 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀 및 상기한 바와 같이 구성되는 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀을 이용하여 전압이득 및 위상잡음이 개선된 SLC 공진기 기반 LMV 셀을 이용한 1단 저전력 RF 수신기가 제공된다.

Description

ＳＬＣ 공진기 기반 저전력 ＬＭＶ 셀 및 이를 이용한 1단 저전력 ＲＦ 수신기{Series resonator based LMV cell and single-stage low-power RF receiver using thereof}
본 발명은 LMV 셀(cell)에 관한 것으로, 더 상세하게는, 저잡음 증폭기(Low-noise amplifier, 이하 간단히 'LNA'라고도 함)와 믹서(Mixer) 및 전압제어 발진기(Voltage-Controlled Oscillator, 이하 간단히 'VCO'라고도 함)가 통합되고(merged), 종래의 병렬 LC 공진기(parallel LC resonator, 이하 간단히 'PLC' 공진기라고도 함) 대신에 직렬 LC 공진기(series LC resonator, 이하 간단히 'SLC' 공진기라고도 함)를 이용하여(exploiting), 전압이득 및 위상잡음이 개선될 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 1단(single-stage) 저전력(low-power) RF 수신기(receiver)에 관한 것으로, 더 상세하게는, 상기한 바와 같이 구성되는 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀을 이용하여, 전압이득 및 위상잡음이 개선된 SLC 공진기 기반 LMV 셀을 이용한 1단 저전력 RF 수신기에 관한 것이다.
종래, 회로 설계(circuit design)에 있어서, 저전력, 저전압(low voltage) 및 고집적(high integrated) 회로는 항상 주된 관심분야가 되어 왔고, 특히, 무선 이동통신 시스템(mobile wireless communication system)에 있어서는 배터리 수명의 한계로 인해 더욱 중요하다.
이에, 더 높은 집적도와 소비전력 감소를 위한 목적으로, 믹서(mixer)와 발진기(oscillator)를 결합한 1단(single-stage) 회로가 설계되었으며, 즉, 종래, 일반적으로, 높은 집적도를 가지는 저전력 수신기 프론트 엔드(front-end)나 전류 재사용(current reuse) 기술 등이 서로 다른 기능 블록(functional blocks) 사이에 적용되었다.
더 상세하게는, 종래, 저잡음 증폭기(low-noise amplifier, 이하, 간단히 'LNA'라고도 함)의 입력단(input stage)의 최상단(top)에 믹서를 캐스코딩(cascoding)하는 방법이 널리 사용되고 있으며, 반면, 믹서 및 VCO를 집적하는 방법은 사용빈도가 낮다.
여기서, 믹서와 발진기를 결합하는 회로는 보다 높은 집적도와 저전력 소비의 목적을 위해 설계될 수 있으며(참고문헌 1 내지 참고문헌 4 참조), 참고문헌 1에 따르면, 전류 재사용 토폴로지(current reuse topology)를 이용하여 이중 평형믹서(double balanced Mixer)가 VCO의 최상단에 집적되는 기술내용이 제시되어 있다.
즉, 참고문헌 1에 있어서, 무선주파수(radio frequency ; RF) 입력신호가 믹서의 입력으로 인가되고, 발진기 신호는 믹서의 소스 노드에 인가되며, 이러한 토폴로지는 VCO에 독립된 dc 바이어스를 인가한다.
또한, 참고문헌 2를 참조하면, LNA, 믹서 및 VCO를 단일의 스테이지(single-stage)에 통합한(LMV) RF 프론트 엔드에 대한 기술내용이 제시되어 있으며, 이는, 믹서의 최상단에 VCO를 집적하고, 믹서의 전류원은 인덕터 디제네레이션(inductor degeneration)을 가지는 LNA로 수정됨으로써, RF 증폭, 믹싱 및 RF 프론트 엔드의 모든 블록이 동일한 전류와 동일한 소자(devices)를 공유하는 경우 국부 발진기(local oscillator ; LO) 생성(generation)을 수행하는 것에 의해, 매우 낮은 저전력 및 소규모 칩(small area chip) 솔루션을 제공한다.
여기서, 중간주파수(intermediate frequency ; IF) 출력이 VCO의 소스 노드에 연결되므로, 소스 노드에서의 낮은 임피던스로 인해 전압 이득은 제한된다.
아울러, 종래의 전류원을 가지는 VCO는, RF 신호가 전류원의 입력 포트에 인가될 때 믹서로 간주될 수 있으며, 종래의 VCO에 있어서, VCO 출력에서 다운 컨버트된(down-converted) IF 신호는 저주파수에서의 낮은 임피던스로 인해 무시될 수 있다(negligible).
이때, SLC 공진기가 적용되면, 저주파수에서 임피던스가 높아지고 IF 신호가 아무런 신호 손실 없이 복구될 수 있으나, 종래의 LMV 구조는 PLC 공진기를 이용하는 구성만을 제시하고 있을 뿐, SLC 공진기를 이용하는 LMV 구조에 대하여는 제시된 바 없었다.
더 상세하게는, SLC 공진기는, 종래의 PLC 공진기와 달리, VCO 스위칭 트랜지스터의 게이트에 교차결합되는(cross coupled) 직렬 LC 연결노드(connection node)에서의 전압 스윙(voltage swing)을 증가시키는 역할을 하며, 간단한 저항-커패시터(RC) 필터를 부가하는 것으로 낮은 중간주파수(intermediate frequency ; IF) 또는 베이스밴드 신호(baseband signal)가 VCO 트랜지스터의 드레인 노드에서 직접 감지될 수 있으므로, 이와 같이 SLC 공진기를 이용함으로써, IF 또는 베이스밴드 신호가 VCO의 드레인 출력으로부터 직접 추출될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이, LNA, 믹서 및 VCO를 통합하고, 종래의 PLC 공진기 대신에 SLC를 이용함으로써, 전압이득 및 위상잡음이 개선될 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 LMV 구조 및 이러한 SLC 공진기 기반 LMV를 이용하여 전압이득 및 위상잡음이 개선될 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 1단 저전력 RF 수신기의 프론트 엔드 토폴로지를 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
[참고문헌]
1. T.-P. Wang, C.-C. Chang, R.-C. Liu et al., "A low-power oscillator mixer in 0.18-μm CMOS technology", IEEE Tran. Microw. Theory Techn, vol. 54, no. 1, pp. 88-95, Jan. 2006.
2. A. Liscidini, A. Mazzanti, R. Tonietto, L. Vandi, P. Andreani, and R. Castello, "Single-stage low-power quadrature RF receiver front-end: The LMV cell", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 41, no. 12, pp. 2832-2841, Dec. 2006.
3. F. Behbahani et al., "A27-mW GPS radio in 0.35 ㎛ CMOS", in IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. Dig. Tech. Papers, Feb. 2002, pp. 398?399.
4. J. van der Tang and D. Kasperkovitz, "A 0.9?2.2 GHz monolithic quadrature mixer oscillator for direct-conversion satellite receivers", in IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. Dig. Tech. Papers, Feb. 1997, pp. 88-89.
5. N.-J. Oh, "A Phase-Noise Reduction Technique for RF CMOS Voltage-Controlled Oscillator With a Series LC Resonator", Microelectronics Journal, vol. 45, no. 4, pp. 435-440, Apr. 2014.
6. B. Soltanian and P. Kinget, "AM-FM conversion by the active devices in MOS LC-VCOs and its effect on the optimal amplitude", IEEE Radio Frequency Integrated Circuits (RFIC) Symp. Dig., Jun. 2006.
7. J. J. Rael and A. A. Abidi, "Physical processes of phase noise in differential LC oscillators" in Proc. Custom Integrated Circuit Conf.
[선행기술문헌]
1. 등록특허공보 제10-1205717호(2012.11.22.)
2. 등록특허공보 제10-1190313호(2012.10.05.)
3. 공개특허공보 제10-2009-0016093호(2009.02.13.)
4. 등록특허공보 제10-0763733호(2007.09.27.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 저잡음 증폭기(LNA)와 믹서(Mixer) 및 전압제어 발진기(VCO)를 통합하고 직렬 LC 공진기(SLC)를 이용하는 것에 의해 전압이득 및 위상잡음이 개선될 수 있도록 구성되는 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 구성되는 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀을 이용하여, 전압이득 및 위상잡음이 개선될 수 있도록 구성되는 SLC 공진기 기반 LMV 셀을 이용한 1단 저전력 RF 수신기를 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 저잡음 증폭기(Low-noise amplifier ; LNA)와 믹서(Mixer) 및 전압제어 발진기(Voltage-Controlled Oscillator ; VCO)가 통합되고(merged), 기존의 병렬 LC 공진기(parallel LC resonator ; PLC) 대신에 직렬 LC 공진기(series LC resonator ; SLC)를 이용하여(exploiting) 전압이득 및 위상잡음이 개선될 수 있도록 구성되는 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀에 있어서, 차동 스위치쌍(differential switching pair)과 저역통과 필터(Low Pass Filter ; LPF) 및 SLC 공진회로를 포함하여 전압제어 발진기(VCO)와 믹서가 결합되어 이루어지는 VCO 및 믹서부; 및 상기 VCO 및 믹서부와 직렬로 연결되는 저잡음 증폭기(LNA)를 포함하여 이루어지는 LNA부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀이 제공된다.
여기서, 상기 VCO 및 믹서부는, 제 1 트랜지스터와 제 2 트랜지스터를 포함하는 교차결합된(cross-coupled) 한 쌍의 트랜지스터와, 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터에 각각 연결되는 제 1 저항과 제 2 저항을 포함하는 한 쌍의 부하저항 및 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터에 전원을 공급하기 위한 제 1 전원을 포함하여 이루어지는 제 1 트랜지스터부; 제 1 커패시터와, 상기 제 1 커패시터의 양단에 각각 직렬로 연결되는 제 3 저항과 제 4 저항을 포함하여 이루어지고, 상기 제 1 트랜지스터부와 병렬로 연결되는 LPF부; 제 2 커패시터와 제 3 커패시터를 포함하는 한 쌍의 커패시터와, 상기 제 2 커패시터와 상기 제 3 커패시터 사이에 직렬로 연결된 제 1 인덕터 및 상기 제 1 인덕터에 인가되는 제 2 전원을 포함하여 이루어지고, 상기 LPF부와 병렬로 연결되는 SLC 공진회로부; 및 제 3 트랜지스터 및 제 4 트랜지스터를 포함하는 한 쌍의 트랜지스터와, 상기 제 3 트랜지스터 및 상기 제 4 트랜지스터의 게이트에 직렬로 연결되는 제 4 커패시터 및 제 5 커패시터를 포함하는 한 쌍의 가변 커패시터 및 한 쌍의 상기 가변 커패시터 사이에 인가되는 제 3 전원을 포함하여 이루어지고, 상기 SLC 공진회로부와 직렬로 연결되는 제 2 트랜지스터부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 트랜지스터부는, 각각의 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터의 게이트 단자와 드레인 단자가 서로 연결되고, 각각의 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터의 소스 단자와 드레인 단자 사이에 상기 제 1 저항 및 상기 제 2 저항이 각각 연결되며, 각각의 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터의 소스 단자에 상기 제 1 전원이 인가되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 LPF부는, 상기 제 1 커패시터의 양단에 상기 제 3 저항과 상기 제 4 저항이 각각 직렬로 연결되고, 상기 제 3 저항과 상기 제 4 저항의 타단은 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터의 드레인 단자와 연결되며, 상기 제 1 커패시터의 양단에서 중간주파수(intermediate frequency ; IF)가 출력되도록(IF+, IF-) 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 SLC 공진회로부는, 상기 제 1 인덕터의 양단에 상기 제 2 커패시터와 상기 제 3 커패시터가 각각 직렬로 연결되고, 상기 제 2 커패시터와 상기 제 3 커패시터의 타단은 상기 제 3 저항과 상기 제 4 저항의 타단과 각각 연결되며, 상기 제 2 전원은 상기 제 1 인덕터에 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 전원(Vbias)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 트랜지스터부는, 상기 제 3 트랜지스터와 상기 제 4 트랜지스터의 소스 단자가 서로 연결되고, 상기 제 3 트랜지스터와 상기 제 4 트랜지스터의 드레인 단자는 상기 제 2 커패시터와 상기 제 3 커패시터의 타단과 각각 연결되며, 상기 제 3 트랜지스터의 게이트 단자는 상기 제 1 인덕터와 상기 제 3 커패시터가 연결된 노드에 연결되고, 상기 제 4 트랜지스터의 게이트 단자는 상기 제 1 인덕터와 상기 제 2 커패시터가 연결된 노드에 연결되며, 상기 제 3 트랜지스터와 상기 제 4 트랜지스터의 게이트 단자 사이에는 가변 커패시터로 이루어지는 상기 제 4 커패시터와 상기 제 5 커패시터가 직렬로 연결되며, 상기 제 3 전원은 상기 제 4 커패시터와 상기 제 5 커패시터 사이에 튜닝전압(Vtune)을 인가하는 튜닝전원으로 이루어지고, 상기 제 3 트랜지스터와 상기 제 4 트랜지스터의 게이트 단자에서 게이트전압(Vg-, Vg+)이 각각 출력되며, 상기 제 3 트랜지스터와 상기 제 4 트랜지스터의 드레인 단자와 상기 제 2 커패시터와 상기 제 3 커패시터의 타단 사이에서 상기 제 3 트랜지스터와 상기 제 4 트랜지스터의 드레인 전압(Vd +, Vd -)이 각각 출력되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 LNA부는, 상기 제 2 트랜지스터부와 연결되는 제 5 트랜지스터; 상기 제 5 트랜지스터에 각각 연결되는 제 2 인덕터와 제 3 인덕터; 및 상기 제 5 트랜지스터와 상기 제 3 인덕터가 연결된 노드에 연결되는 제 5 저항을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 LNA부는, 상기 제 5 트랜지스터의 드레인 단자가 상기 제 3 트랜지스터와 상기 제 4 트랜지스터의 소스 단자와 연결되고, 상기 제 2 인덕터의 일단은 상기 제 5 트랜지스터의 소스 단자에 연결되고 타단은 접지되며, 상기 제 3 인덕터는 상기 제 5 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되고, 상기 제 5 저항은 상기 제 5 트랜지스터의 게이트 단자와 상기 제 3 인덕터가 연결된 노드에 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀은, 상기 제 1 트랜지스터 및 상기 제 2 트랜지스터는 각각 PMOS 트랜지스터로 구성되고, 상기 제 3 트랜지스터와 상기 제 4 트랜지스터 및 상기 제 5 트랜지스터는 각각 NMOS 트랜지스터로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 1단 저전력 RF 수신기(single-stage low-power RF receiver)에 있어서, 상기에 기재된 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀을 포함하여 구성됨으로써, 저잡음 증폭기(LNA)와 믹서(Mixer) 및 전압제어 발진기(VCO)가 통합되고 기존의 PLC 공진기 대신에 SLC 공진기를 이용하는 것에 의해 전압이득 및 위상잡음이 개선될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 1단 저전력 RF 수신기가 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 저잡음 증폭기(LNA)와 믹서(Mixer) 및 전압제어 발진기(VCO)를 통합하고 직렬 LC 공진기(SLC)를 이용하는 것에 의해 전압이득 및 위상잡음이 개선될 수 있도록 구성되는 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 구성되는 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀을 이용하여, 전압이득 및 위상잡음이 개선될 수 있도록 구성되는 SLC 공진기 기반 LMV 셀을 이용한 1단 저전력 RF 수신기를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 상보(complementary) PLC 공진기 VCO의 회로도를 나타내는 도면이다.
도 2는 전류원이 부가된 SLC 공진기 VCO의 회로도를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 나타낸 SLC 공진기 VCO의 소신호 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 4는 꼬리전류에 따른 출력전압 스윙을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 꼬리전류에 따른 위상잡음 성능을 나타내는 도면이다.
도 6은 스위칭 트랜지스터의 게이트-소스(Vgs) 및 드레인-소스(Vds)의 전압 스윙을 나타내는 도면이다.
도 7은 꼬리전류에 따른 발진주파수의 변화를 나타내는 도면이다.
도 8은 종래의 LC 탱크 발진기의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 종래의 Liscidini의 LMV 셀의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 11은 도 10에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀의 주파수 응답 특성을 나타낸 도면이다.
도 12는 스위칭 트랜지스터의 게이트와 드레인에서 본 임피던스 및 출력 스펙트럼을 각각 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 VCO와 종래의 Liscidini의 LMV 셀의 위상잡음 특성을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 VCO와 종래의 Liscidini의 LMV 셀에 대한 꼬리전류의 변화에 따른 LO 진폭 변화를 나타내는 도면이다.
도 15는 10kHz 오프셋 주파수에서 0.35mA의 동일한 꼬리전류에 대한 종래의 Liscidini의 LMV 셀과 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀의 위상잡음 기여도를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 16은 1MHz 오프셋 주파수에서 0.35mA의 동일한 꼬리전류에 대한 종래의 Liscidini의 LMV 셀과 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀의 위상잡음 기여도를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀과 종래의 Liscidini의 LMV 셀의 위상잡음 성능을 각각 비교하여 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀과 종래의 Liscidini의 LMV 셀의 RF 및 IF 신호 스윙을 각각 비교하여 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀과 종래의 Liscidini의 LMV 셀의 꼬리전류에 따른 발진주파수의 변화를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀과 종래의 Liscidini의 LMV 셀의 IF 신호의 주파수 스펙트럼을 각각 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀 및 이를 이용한 1단 저전력 RF 수신기의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
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.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 저잡음 증폭기(LNA)와 믹서(Mixer) 및 전압제어 발진기(VCO)를 통합하고 직렬 LC 공진기(SLC)를 이용하는 것에 의해 전압이득 및 위상잡음이 개선될 수 있도록 구성되는 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀을 이용하여 전압이득 및 위상잡음이 개선될 수 있도록 구성되는 SLC 공진기 기반 LMV 셀을 이용한 1단 저전력 RF 수신기에 관한 것이다.
계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀 및 이를 이용한 1단 저전력 RF 수신기의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여, 종래의 PLC 공진기와 SLC 공진기를 각각 이용한 VCO의 특성을 비교한 내용에 대하여 설명한다.
즉, 도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1은 종래의 상보(complementary) PLC 공진기 VCO의 회로도를 나타내는 도면이고, 도 2는 전류원이 부가된 SLC 공진기 VCO의 회로도를 각각 나타내는 도면이다.
여기서, 도 2에 나타낸 회로는, PLC 탱크 공진기(tank resonator) 대신에 SLC 탱크 공진기를 이용한 VCO의 구성을 나타내고 있다(참고문헌 5 참조).
또한, 커패시터 Ccpl과 인덕터 2L은 직렬로 연결되어 있으며, 연결노드(connection node)에서의 전압전달함수(voltage transfer function)는 이하의 [수학식 1]과 같이 주어진다.
[수학식 1]
Figure 112014088111312-pat00001

여기서, ω0는 각발진주파수(angular oscillation frequency)이다.
아울러, L의 직렬손실저항(series loss resistance) Rs를 고려하면, 상기한 [수학식 1]은 이하의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112014088111312-pat00002

여기서, Rp는 L의 등가병렬저항(equivalent parallel resistance)이다.
더욱이, 드레인에서 게이트까지의 전압이득은 이하의 [수학식 3]과 같이 주어진다.
[수학식 3]
Figure 112014088111312-pat00003

여기서, 발진주파수일 경우, 상기한 [수학식 3]은 이하의 [수학식 4]와 같이 간략화될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112014088111312-pat00004

상기한 [수학식 4]로부터, SLC 공진기의 연결노드에서 전압 증폭이 이루어짐을 알 수 있다.
즉, 도 3을 참조하면, 도 3은 도 2에 나타낸 SLC 공진기 VCO의 소신호 등가회로(small signal equivalent half circuit)를 나타내는 도면이다.
도 3에 나타낸 등가회로에 있어서, 총 음의 어드미턴스(negative admittance)는 이하의 [수학식 5]와 같이 주어진다.
[수학식 5]
Figure 112014088111312-pat00005

여기서, GL은 부하저항(load resistor) RL의 어드미턴스이다.
상기한 [수학식 5]로부터, NMOS 교차결합쌍의 어드미턴스는 직렬 공진기에 의해 증가되며, 또한, 발진 개시(oscillation start)를 위해 부하저항 RL이 PMOS 트랜지스터와 병렬로 드레인 출력노드에 부가된다(참고문헌 5 참조).
다음으로, 도 4를 참조하면, 도 4는 꼬리전류(tail current)에 따른 출력전압 스윙(출력 진폭)을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다.
도 4에 있어서, VCO는 2가지 영역에서 동작하며, 즉, 전류제한영역(current-limited region)에서는 발진 진폭(oscillation amplitude)이 꼬리전류에 비례하는 반면, 전압제한영역(voltage-limited region)에서는 일정하게(constant) 나타남을 알 수 있다.
즉, VCO가 전류제한영역에서 동작하는 경우, 스위칭 트랜지스터는 트라이오드 영역(triode region)으로 진입하고, 출력전압 스윙에 따른 스위칭 트랜지스터의 유효 커패시턴스 변화(effective capacitance variation)로 인해 근접 동위상 잡음(close-in phase noise)(1/f3 영역)이 저하된다(degraded)(참고문헌 6 참조).
또한, 1/f2 영역의 위상잡음은 증가된 스위칭 트랜지스터 잡음과 감소된 발진 진폭으로 인해 저하되며, 따라서 스위칭 트랜지스터가 트라이오드 모드로 진입하는 것을 방지함으로써, 위상잡음이 개선될 수 있다.
아울러, 꼬리전류원 트랜지스터(tail current source transistor)로부터의 1/f 잡음은 스위칭 트랜지스터에 비하여 근접 동위상 잡음 성능을 지배한다(dominate).
그러나 전압제한영역에 있어서는, 스위칭 트랜지스터의 1/f 잡음이 제 2 고조파 변조(second harmonic modulation) 메커니즘에 의해 야기되는 주잡음원(main noise source)이며(참고문헌 7 참조), 제 2 고조파 변조 효과는 스위칭 트랜지스터의 공통노드(common node)에 높은 임피던스를 제공하는 것에 의해 억제될 수 있다.
PLC VCO와 SLC VCO에 대한 차동발진진폭(differential oscillation amplitude)은 꼬리전류에 의해 각각 이하의 [수학식 6] 및 [수학식 7]과 같이 주어진다.
[수학식 6]
Figure 112014088111312-pat00006

[수학식 7]
Figure 112014088111312-pat00007

여기서, Req , PLC 및 Req , SLC는 각각 PLC 및 SLC 공진기의 등가 병렬 저항이다.
또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, Req , SLC의 기울기(slope)는 Req , PLC의 약 3배이다.
계속해서, 도 5를 참조하면, 도 5는 꼬리전류에 따른 위상잡음 성능을 나타내는 도면이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 상보형(complementary type) PLC VCO는 낮은 꼬리전류에서 최소 위상잡음(phase noise minimum)(PNmin1)을 가지고 높은 꼬리전류에서 최적 위상잡음(phase noise optimum)(PNopt1)을 가지는 반면, SLC VCO는 낮은 꼬리전류에서 PNopt2를 가지고 높은 꼬리전류에서 PNmin2을 가진다.
즉, 출력전압 스윙에 있어서, SLC VCO는 PNopt2 꼬리전류에서 0.5V보다 큰 값을 가지나, PLC VCO는 믹서의 스위칭 트랜지스터를 구동하기에는 불충분한 0.27V를 가지며, 따라서 PLC VCO는 SLC VCO에 비해 더 큰 전력을 소비하는 PNopt1 꼬리전류에서 동작될 수 있다.
다음으로, 도 6을 참조하면, 도 6은 스위칭 트랜지스터의 게이트-소스(Vgs) 및 드레인-소스(Vds)의 전압 스윙을 나타내는 도면이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 꼬리전류가 PNmin1 일 때, PLC VCO의 스위칭 트랜지스터는 포화모드(saturation mode)로 동작하고 위상잡음이 최소화되며, 꼬리전류가 PNopt2 일 때, PLC VCO의 스위칭 트랜지스터는 트라이오드 모드로 진입하고(Vds가 0V 근처로 매우 낮은) 위상잡음이 심하게 저하된다.
반면, 꼬리전류가 PNopt2 일 때, SLC VCO의 스위칭 트랜지스터는 항상 포화모드로 동작하고(Vds가 0.2V 이상) PLC VCO에 비하여 위상잡음은 낮아진다.
또한, 도 7을 참조하면, 도 7은 꼬리전류에 따른 발진주파수의 변화를 나타내는 도면이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, PLC VCO는 SLC VCO에 비하여 더 큰 변화가 발생하는 것을 알 수 있으며, 즉, PLC VCO에 있어서는, 스위칭 트랜지스터의 기생 커패시턴스(Cds 및 Cgd)의 비선형성(nonlinearity)이 발진주파수에 직접 영향을 미치나, 반면, SLC VCO에 있어서는, 작은 커패시턴스의 직렬 커플링 커패시터(Ccpl)가 SLC 탱크 공진기에 기생 커패시턴스가 직접적으로 결합되는 것을 감소시켜 준다.
따라서 상기한 바와 같은 내용으로부터, 위상잡음 성능, 전력소비 및 꼬리전류에 따른 주파수 변화를 고려하여, SLC VCO는 종래의 PLC VCO에 비해 더 나은 장점(figure of merit ; FOM)이 있는 것으로 판단될 수 있다.
더 상세하게는, 도 8을 참조하면, 도 8은 종래의 LC 탱크 발진기의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 종래의 LC 탱크 발진기는, VCO 바이어스 전류의 RF 신호가 스위칭 트랜지스터에 의해 다운 컨버트된 후 믹싱 처리를 수행하며, 또한, 동일한 메커니즘을 통해, Mcs의 dc 전류가 LO 주파수로 업컨버트 된다.
아울러, 이러한 구조가 다운 컨버터로서 사용되는 경우, IF 신호가 PLC 탱크의 인덕터에 의해 쇼트되면(shorted), 저주파 성분(low-frequency component)의 심각한 감쇄(attenuate)가 발생하게 된다.
더욱이, VCO 출력에서 다운 컨버트된 성분을 감지하기 위한 시도는 VCO 위상잡음을 심각하게 저하시킨다.
여기서, 도 9를 참조하면, 도 9는 종래의 Liscidini의 LMV 셀의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
즉, 도 9에 나타낸 바와 같은 Liscidini의 LMV 셀을 이용하면, 스위칭 트랜지스터의 소스 노드에서 IF 성분이 추출될 수 있다(참고문헌 2 참조).
그러나 이러한 구조는, 스위칭 트랜지스터의 소스 노드의 낮은 임피던스(2/gm)에 의해 IF 출력에서의 임피던스가 제한되므로, 낮은 IF 이득을 가지거나 또는 저주파수 범위(low frequency range)에서 추가적인 증폭을 요구하게 되어, LMV 셀의 전체적인 잡음성능을 악화시키고, 저주파 증폭단(low frequency amplification block)의 추가적인 전력소비를 요구하는 단점이 있다.
이에, 본 발명자들은, 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 새로운 구성의 LMV 셀을 제안하였다.
즉, 도 10 및 도 11을 참조하면, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고 도 11은 도 10에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀의 주파수 응답 특성을 나타낸 도면이다.
여기서, 도 10에 나타낸 LMV 셀의 구성은, 도 2에 나타낸 회로에서 전류원을 인덕터 디제네레이트된(inductor degenerated) LNA로 수정하고, 단순 1차 RC 저역통과 필터(simple first-order RC low-pass filter)를 추가하여 구성된 것이다.
이러한 RC 저역 통과 필터는 위상잡음 성능을 다소 저하시키는 대신에 드레인 노드에서 VCO 출력 성분을 약 30dB로 감쇄하도록 설계된 것이며, 이와 같이 하여, 단일 셀(single cell)에 모든 RF 프론트 블록(front blocks)을 통합하고 SLC 탱크 공진기를 이용한 LNA-믹서-VCO 셀을 실현할 수 있도록 구성되는 것이다.
더 상세하게는, 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀은, 도 10에 나타낸 바와 같이, 크게 나누어, 차동 스위치쌍(differential switching pair)과 저역통과 필터(LPF) 및 SLC 공진회로를 포함하여 전압제어 발진기(VCO)와 믹서가 결합된 VCO 및 믹서부와, 저잡음 증폭기(LNA)를 포함하여 이루어지는 LNA부를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기한 VCO 및 믹서부는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 게이트 단자와 드레인 단자가 서로 연결되어 교차결합된(cross-coupled) 한 쌍의 트랜지스터(Msw ,p)와 각 트랜지스터(Msw ,p)의 소스 단자와 드레인 단자 사이에 연결되는 한 쌍의 부하저항(RL) 및 각각의 트랜지스터(Msw ,p)의 소스 단자에 연결되는 전원(VDD)을 포함하여 이루어지는 제 1 트랜지스터부와, 커패시터(C) 및 그 양단에 각각 직렬로 연결되는 한 쌍의 저항(R)을 포함하여 이루어지고 각 저항(R)의 타단은 상기한 한 쌍의 트랜지스터(Msw ,p)의 드레인 단자와 연결되는 LPF부와, 인덕터(2L)와 그 양단에 각각 직렬로 연결되는 한 쌍의 커패시터(Ccpl) 및 인덕터(2L)에 인가되는 바이어스 전원(Vbias)을 포함하여 이루어지고 상기한 한 쌍의 커패시터(Ccpl)의 타단은 상기한 한 쌍의 저항(R)과 각각 연결되는 SLC 공진회로부 및 소스 단자끼리 서로 연결되고 드레인 단자는 상기한 SLC 공진회로부의 한 쌍의 커패시터(Ccpl)의 타단과 각각 연결되며 게이트 단자는 상기한 SLC 공진회로부의 인덕터(2L) 양단에 한 쌍의 커패시터(Ccpl)가 연결된 노드에 각각 교차하여 연결되는 한 쌍의 트랜지스터(Msw ,n)와 상기 한 한 쌍의 트랜지스터(Msw ,n)의 게이트 사이에 직렬로 연결된 한 쌍의 가변 커패시터(Cvar) 및 한 쌍의 가변 커패시터(Cvar) 사이에 인가되는 튜닝전원(Vtune)을 포함하여 이루어지는 제 2 트랜지스터부를 포함하여 구성된다.
또한, 상기한 LNA부는, 드레인 단자가 제 2 트랜지스터부의 한 쌍의 트랜지스터(Msw,n)의 소스 단자와 각각 연결되는 하나의 트랜지스터(Mcs)와 상기 트랜지스터(Mcs)의 소스 단자에 연결되고 타단은 접지되는 인덕터와 상기 트랜지스터(Mcs)의 게이트에 각각 연결되는 또 다른 인덕터와 저항을 포함하여 구성된다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀은, 상기한 LPF부의 커패시터(C)의 양단에서 중간주파수(intermediate frequency ; IF)(IF+, IF-)가 출력되고, 상기한 SLC 공진회로부의 한 쌍의 커패시터(Ccpl)의 타단과 상기한 제 2 트랜지스터부의 한 쌍의 트랜지스터(Msw ,p)의 드레인 단자 사이에서 각 트랜지스터(Msw ,p)의 드레인 전압(Vd+, Vd-)이 각각 출력되며, 상기한 트랜지스터(Msw ,n)의 게이트 단자에서는 게이트전압(Vg-, Vg+)이 각각 출력된다.
더욱이, 도 10에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀은, 상기한 제 1 트랜지스터부의 한 쌍의 트랜지스터(Msw ,p)는 각각 PMOS 트랜지스터로 구성되고, 상기한 트랜지스터(Msw,n)및 상기한 트랜지스터(Mcs)는 각각 NMOS 트랜지스터로 구성되는 경우를 예로 하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 구성으로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀은 PMOS와 NMOS를 서로 바꾸어 구성될 수도 있는 등, 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
따라서 상기한 바와 같은 구성에 따르면, 3개의 트랜지스터가 dc로 스택(stack) 되므로, 공급전압은 하나의 스레숄드(threshold)와 3개의 오버드라이브 전압의 합과 같게 되며(참고문헌 2 참조), 또한, 상기한 LMV 셀은 단순하게 스택되는 것이 아니라 RF 및 IF 주파수에서 동일한 소자(devices)를 공유한다.
즉, 트랜지스터 Mcs는 VCO에 dc 바이어스 전류가 공급되는 동안 RF에서 LNA처럼 동작하고, 마찬가지로, Msw는 VCO에 음의 저항이 인가되는 동안 믹싱 동작을 수행한다.
따라서 저전력소비를 위한 전류 재사용, 다중기능(multiple functionality), 소자수 감소 및 저공급 동작(low-supply operation)을 위한 여러 가지 상반된 작업들이 성공적으로 통합될 수 있다.
아울러, 도 11에 나타낸 바와 같이, RF 성분은 dc 근처로 다운 컨버트되고 dc 성분은 LO 주파수로 업 컨버트되며, 즉, 게이트 노드에서 보면, 게이트 노드에서의 IF 성분은 IF 주파수에서 인덕터가 쇼트됨으로 인해 크게 감쇄되나, 드레인 노드에서 보면, dc 근처에서 Ccpl이 개방(open)이므로 IF 성분이 감쇄 없이 나타나며, 단순 RC 저역 통과 필터를 부가하는 것만으로, LO 성분은 현저하게 감쇄되어 IF 출력에서 다운 컨버트된 신호를 남기고 제거될 수 있다.
이때, RC 저역 통과 필터의 3dB 코너 주파수(corner frequency)는 약 60 MHz로 설정될 수 있다.
계속해서, 도 12를 참조하면, 도 12는 스위칭 트랜지스터의 게이트와 드레인에서 본 임피던스 및 출력 스펙트럼을 각각 나타내는 도면으로, 도 12a는 임피던스이고 도 12b는 출력 스펙트럼을 각각 나타내고 있다.
즉, 도 12b에 나타낸 바와 같이, IF 성분은 게이트 노드에서 크게 감쇄되나, 드레인 노드에서는 감쇄 없이 나타나는 것을 알 수 있다.
여기서, 상기한 LMV 셀의 전압 변환이득(voltage conversion gain)은 평형믹서(balanced Mixer)와 동일하게 이하의 [수학식 8]과 같이 주어진다.
[수학식 8]
Figure 112014088111312-pat00008

여기서, gm , cs는 LNA의 V-I 컨버터의 트랜스컨덕턴스(transconductance)이고 RL은 IF 부하저항이다.
또한, 상기한 LMV 셀의 전체 잡음지수(noise figure ; NF)는, 전류원의 역할을 하는 LNA에 의해 결정되며, LNA NF를 최적화하고 기생으로 인한 RF 손실을 감소하기 위해, 트랜지스터 Mcs는 최소의 채널 길이(minimum channel length) 및 작은 폭(small width)을 가지도록 구성되어야 한다.
반면, Mcs로 인한 플리커 잡음(flicker noise)은 VCO 위상잡음 성능을 저하시키고 큰 채널 길이와 폭이 요구된다(참고문헌 2 참조).
계속해서, 도 13 및 도 14를 참조하면, 도 13은 10 kHz에서 1 MHz까지의 오프셋주파수를 가지는 서로 다른 꼬리전류에 따른 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀과 종래의 Liscidini의 LMV 셀의 위상잡음 특성을 비교하여 나타낸 도면이고, 도 14는 두 LMV 셀에 대한 꼬리전류의 변화에 따른 LO 진폭 변화를 나타내는 도면이다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 작은 꼬리전류에 대한 위상잡음 최적점(phase noise optimum(PNopt) point)과 큰 꼬리전류에 대한 위상잡음 최적점(PNmin)이 각각 존재하며, 저전력 회로 설계를 위하여, LMV셀은 낮은 dc 전류를 가지도록 설계되어야 한다.
도 13에 나타낸 내용으로부터, 0.24 mA에서 1.0 mA까지의 꼬리전류에 대하여, Liscidini의 LMV 셀은 열악한(inferior) 위상잡음 성능을 가지며, 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀은 1 mA에서 1.6 mA까지의 꼬리전류에 대하여는 Liscidini의 LMV 셀보다 낮은 성능을 나타내나, 이러한 큰 꼬리전류에서는 IF 포트에서의 LO 누출(leakage)이 증가된다.
또한, Liscidini의 LMV 셀은 낮은 위상잡음을 가지도록 하기 위해 PNopt1 꼬리전류에서 동작하도록 설계되나, 이러한 경우, 낮은 꼬리전류로 인해 LNA 이득이 감소되므로 전체적인 LMV 잡음성능이 저하된다.
아울러, 도 14를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀은 꼬리전류에 따라 더 큰 선형 범위(linear range) 및 출력 진폭(output amplitude)을 가지는 것을 알 수 있다.
다음으로, 도 15 및 도 16을 참조하면, 도 15 및 도 16은 각각 10kHz 및 1MHz 오프셋 주파수에서 0.35mA의 동일한 꼬리전류에 대한 종래의 Liscidini의 LMV 셀과 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀의 위상잡음 기여도(phase noise contribution)를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
여기서, 도 15는 10kHz 오프셋 주파수인 경우의 위상잡음 기여도이고, 도 16은 1MHz 오프셋 주파수인 경우의 두 LMV 셀의 위상잡음 기여도를 각각 비교하여 나타내고 있다.
즉, 도 15에 나타낸 바와 같이, 10kHz 오프셋 주파수에서 두 LMV 셀의 주된 잡음원은 전류원(current source)으로부터의 플리커 잡음(flicker noise)과 채널 잡음(channel noise)임을 알 수 있으며, 전류원의 바이어스 저항(bias resistor)으로부터의 열잡음(thermal noise)은 Liscidini의 LMV 셀 쪽이 현저하게 나타나고, 스위칭 트랜지스터와 인덕터로부터의 다른 잡음은 두 LMV 셀에 있어서 거의 동일하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 16에 나타낸 바와 같이, 1MHz 오프셋 주파에서는, 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀의 주된 잡음원은 기생 직렬 저항(parasitic series resistance) 및 인덕터의 기판저항(substrate resistance)이며, 그 다음은 1차 RC 저역통과 필터(first-order RC low-pass filter)의 저항에 의한 것이고, 세 번째는 NMOS 스위칭 트랜지스터의 채널 잡음과 플리커 잡음임을 알 수 있다.
아울러, 전류원을 가지는 종래의 VCO에 있어서 주된 잡음원은 전류원의 채널 잡음과 플리커 잡음임이 이미 알려져 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀은 직렬 LC 공진기에 의해 전류원으로 인한 플리커 잡음과 채널 열 잡음(channel thermal noise)이 현저하게 억제된다.
계속해서, 발진기 스위칭 트랜지스터에 의한 플리커 잡음 기여도는 Liscidini의 LMV 셀과 유사하며, Liscidini의 LMV 셀에 있어서, 주된 잡음원은 전류원의 플리커 잡음과 바이어스 저항의 기생 저항이고, 그 다음은 전류원의 채널 열 저항이며, 세 번째는 발진기 스위칭 트랜지스터의 채널 잡음과 탱크 인덕터의 기생 직렬저항이다.
또한, 믹서 스위칭 트랜지스터로부터의 잡음 기여도는 위상잡음 성능에 최소한의 영향을 가지며, 꼬리전류가 0.5mA일 때, Liscidini의 LMV 셀은 동일한 위상잡음 성능을 위해 IF 포트에서 큰 LO 누출을 야기하는 큰 꼬리전류를 요구한다.
아울러, VCO 위상잡음 성능은 전체적인 통신시스템에 영향을 미치므로, 이득, NF, 전력소비 등과 같은 다른 파라미터에 비해 우선적으로(preferentially) 충족되어야 하며, 따라서 여러 가지 파라미터들 사이에서 엄격한(stringent) 트레이드 오프(trade-off)가 요구된다.
계속해서, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀의 성능을 실험을 통해 검증한 결과에 대하여 설명한다.
즉, 본 발명자들은, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀의 성능을 검증하기 위해, TSMC 65nm CMOS 기술을 이용하여 회로설계를 행하고 시뮬레이션을 수행하였으며, 이때, 보다 나은 위상잡음 성능을 위하여 더 높은 Q 팩터(factor)를 가지도록 하기 위해 대칭 인덕터(symmetric inductor)가 사용되었다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀에 있어서, dc 바이어스 전류는 1V 공급전압에서 0.35mA 근처로 설정되었으며, ac 커플링 커패시터(Ccpl)는 MIM(metal-insulator-metal) 커패시터로 구현되었고, 튜닝 범위(tuning range)는 MOS 버랙터 커패시터(varactor capacitor)로 변화되도록 구성되었다.
더 상세하게는, 도 17을 참조하면, 도 17은 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀과 종래의 Liscidini의 LMV 셀의 위상잡음 성능을 각각 비교하여 나타내는 도면이다.
도 17에 있어서, 두 LMV 셀 모두 상기한 도 13에 나타낸 바와 같은 최적 위상잡음(phase noise optimum)을 위해 바이어스되었으며, 본 발명의 실시예에 다른 LMV셀의 위상잡음 성능이 4dB 가량 더 높게 나타났으나, 반면, 0.35mW의 동일한 전력소비에 대하여, Liscidini의 LMV 셀의 위상잡음 성능은 13dB 이상 악화(deteriorated) 되었음을 알 수 있다.
아울러, 도 18을 참조하면, 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀과 종래의 Liscidini의 LMV 셀의 RF 및 IF 신호 스윙을 각각 비교하여 나타내는 도면이다.
여기서, 도 18은 RF 입력전력(input power)이 -60dBm 일 때 두 LMV 셀에 대한 IF 포트에서의 신호 스윙을 비교하여 나타낸 것이며, 즉, 도 18에 나타낸 바와 같이, 동일한 전력소비로 바이어스되었을 때 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀의 신호 진폭이 종래의 Liscidini의 LMV 셀에 비하여 매우 높은 것을 확인할 수 있다.
계속해서, 도 19를 참조하면, 도 19는 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀과 종래의 Liscidini의 LMV 셀의 꼬리전류에 따른 발진주파수의 변화를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
도 19에 나타낸 바와 같이, 종래의 Liscidini의 LMV셀은 PLC 탱크를 포함하므로 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀에 비하여 꼬리전류에 따른 주파수 변화가 크게 나타남을 알 수 있다.
아울러, 도 20을 참조하면, 도 20은 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀과 종래의 Liscidini의 LMV 셀의 IF 신호의 주파수 스펙트럼을 각각 나타내는 도면으로, 도 20a는 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀의 IF 신호의 주파수 스펙트럼이고, 도 20b는 종래의 Liscidini의 LMV 셀의 IF 신호의 주파수 스펙트럼을 각각 dBm 단위로 나타내고 있다.
더 상세하게는, 도 20에 있어서, IF 포트에서의 LO 누출은 -60dBm 아래로 설계되었고, 즉, 도 20에 나타낸 바와 같이, 동일한 전력소비에 대하여, 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀의 전압이득은 30dB이고, 종래의 Liscidini의 LMV셀의 전압이득은 20dB로 각각 나타났음을 확인할 수 있으며, 동일한 위상잡음 성능에 대하여, 종래의 Liscidini의 LMV셀의 전압이득은 20dB에서 10dB로 현저하게 감소한 것을 알 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀은, 10kHz, 100kHz 및 1MHz의 오프셋 주파수에서 각각 -71.2dBc/Hz, -92.8dBc/Hz, -113dBc/Hz의 위상잡음을 가지는 반면, 0.35mW의 동일한 전력소비에 대하여, 종래의 Liscidini의 LMV셀은, 10kHz, 100kHz 및 1MHz의 오프셋 주파수에서 각각 -47.8dBc/Hz, -75.7dBc/Hz 및 -100.3dBc/Hz의 위상잡음을 가진다.
더욱이, 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀은 3.33GHZ에서 3.42GHz의 튜닝 범위를 가지는데 비하여 종래의 Liscidini의 LMV셀의 튜닝 범위는 3GHz에서 3.16GHz이다.
따라서 상기한 바와 같은 시뮬레이션 결과로부터, 본 발명의 실시예에 따른 LMV 셀은 GPS(Global Positioning System), 위성통신 수신기 셋톱박스(set-top box) 등과 같이, 하나의 집적된 블록(integrated block)만으로 매우 낮은 전력을 소비하는 직접 변환 수신기에 용이하게 적용될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 직렬 LC공진기를 이용하여, RF 프론트엔드, LNA, 믹서 및 VCO를 통합하여 완전하게 집적된(fully integrated) LMV 셀을 구현할 수 있으며, 65nm TSMC CMOS 기술을 이용하여 설계 및 시뮬레이션 될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 LMV 셀은, 3.37GHz 근처에서 동작되도록 하여 PLC 공진기를 이용하는 종래의 Liscidini의 LMV 셀과 성능을 비교한 시뮬레이션 결과, 10kHz, 100kHz 및 1MHz의 오프셋 주파수에서 Liscidini의 LMV 셀의 위상잡음이 -47.8dBc/Hz, -75.7dBc/Hz 및 -100.3dBc/Hz 이었던 것에 비하여 본 발명에 따른 LMV 셀의 위상잡음은 -71.2dBc/Hz, -92.8dBc/Hz 및 -113dBc/Hz로 각각 나타났으며, 더욱이, 두 LMV 셀 모두 1V dc 전력 공급시 0.35mW를 소비하는 반면, Liscidini의 LMV 셀과 본 발명에 따른 LMV 셀의 전압이득은 각각 20dB와 30dB인 것으로 나타나, 본 발명에 따른 LMV 셀은 Liscidini의 LMV 셀에 비하여 동일한 dc 전력소비로 더 큰 전압이득과 더 양호한 위상잡음 성능을 가지는 것임을 알 수 있으며, 더욱이, 본 발명에 따른 LMV 셀은 단일 칩으로 용이하게 집적화될 수 있고, 저전력 직접변환 RF 프론트엔드 수신기에 적용될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀 및 이를 이용한 1단 저전력 RF 수신기를 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀 및 이를 이용한 1단 저전력 RF 수신기를 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 저잡음 증폭기(LNA)와 믹서(Mixer) 및 전압제어 발진기(VCO)를 통합하고 직렬 LC 공진기(SLC)를 이용하는 것에 의해 전압이득 및 위상잡음이 개선될 수 있도록 구성되는 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀을 제공할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 구성되는 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀을 이용하여, 전압이득 및 위상잡음이 개선될 수 있도록 구성되는 SLC 공진기 기반 LMV 셀을 이용한 1단 저전력 RF 수신기를 제공할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀 및 이를 이용한 1단 저전력 RF 수신기의 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.

Claims (10)

  1. 저잡음 증폭기(Low-noise amplifier ; LNA)와 믹서(Mixer) 및 전압제어 발진기(Voltage-Controlled Oscillator ; VCO)가 통합되고(merged), 기존의 병렬 LC 공진기(parallel LC resonator ; PLC) 대신에 직렬 LC 공진기(series LC resonator ; SLC)를 이용하여(exploiting) 전압이득 및 위상잡음이 개선될 수 있도록 구성되는 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀에 있어서,
    차동 스위치쌍(differential switching pair)과 저역통과 필터(Low Pass Filter ; LPF) 및 SLC 공진회로를 포함하여 전압제어 발진기(VCO)와 믹서가 결합되어 이루어지는 VCO 및 믹서부; 및
    상기 VCO 및 믹서부와 직렬로 연결되는 저잡음 증폭기(LNA)를 포함하여 이루어지는 LNA부를 포함하여 구성되며,
    상기 VCO 및 믹서부는,
    제 1 트랜지스터와 제 2 트랜지스터를 포함하는 교차결합된(cross-coupled) 한 쌍의 트랜지스터와, 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터에 각각 연결되는 제 1 저항과 제 2 저항을 포함하는 한 쌍의 부하저항 및 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터에 전원을 공급하기 위한 제 1 전원을 포함하여 이루어지는 제 1 트랜지스터부;
    제 1 커패시터와, 상기 제 1 커패시터의 양단에 각각 직렬로 연결되는 제 3 저항과 제 4 저항을 포함하여 이루어지고, 상기 제 1 트랜지스터부와 병렬로 연결되는 LPF부;
    제 2 커패시터와 제 3 커패시터를 포함하는 한 쌍의 커패시터와, 상기 제 2 커패시터와 상기 제 3 커패시터 사이에 직렬로 연결된 제 1 인덕터 및 상기 제 1 인덕터에 인가되는 제 2 전원을 포함하여 이루어지고, 상기 LPF부와 병렬로 연결되는 SLC 공진회로부; 및
    제 3 트랜지스터 및 제 4 트랜지스터를 포함하는 한 쌍의 트랜지스터와, 상기 제 3 트랜지스터 및 상기 제 4 트랜지스터의 게이트에 직렬로 연결되는 제 4 커패시터 및 제 5 커패시터를 포함하는 한 쌍의 가변 커패시터 및 한 쌍의 상기 가변 커패시터 사이에 인가되는 제 3 전원을 포함하여 이루어지고, 상기 SLC 공진회로부와 직렬로 연결되는 제 2 트랜지스터부를 포함하여 구성되고,
    상기 LNA부는,
    드레인 단자가 상기 제 3 트랜지스터와 상기 제 4 트랜지스터의 소스 단자와 연결되는 제 5 트랜지스터;
    일단이 상기 제 5 트랜지스터의 소스 단자에 연결되고 타단은 접지되는 제 2 인덕터;
    상기 제 5 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되는 제 3 인덕터; 및
    상기 제 5 트랜지스터의 게이트 단자와 상기 제 3 인덕터가 연결된 노드에 연결되는 제 5 저항을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 LMV 셀은,
    전압 변환이득(voltage conversion gain)이 이하의 수학식에 의해 나타내지는 것을 특징으로 하는 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀.

    Figure 112016076741714-pat00029


    (여기서, gm,cs는 상기 LNA부의 전압-전류(V-I) 컨버터의 트랜스컨덕턴스(transconductance)이고, RL은 IF(intermediate frequency) 부하저항임)
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 트랜지스터부는,
    각각의 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터의 게이트 단자와 드레인 단자가 서로 연결되고,
    각각의 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터의 소스 단자와 드레인 단자 사이에 상기 제 1 저항 및 상기 제 2 저항이 각각 연결되며,
    각각의 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터의 소스 단자에 상기 제 1 전원이 인가되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 LPF부는,
    상기 제 1 커패시터의 양단에 상기 제 3 저항과 상기 제 4 저항이 각각 직렬로 연결되고,
    상기 제 3 저항과 상기 제 4 저항의 타단은 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터의 드레인 단자와 연결되며,
    상기 제 1 커패시터의 양단에서 중간주파수(intermediate frequency ; IF)가 출력되도록(IF+, IF-) 구성되는 것을 특징으로 하는 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 SLC 공진회로부는,
    상기 제 1 인덕터의 양단에 상기 제 2 커패시터와 상기 제 3 커패시터가 각각 직렬로 연결되고,
    상기 제 2 커패시터와 상기 제 3 커패시터의 타단은 상기 제 3 저항과 상기 제 4 저항의 타단과 각각 연결되며,
    상기 제 2 전원은 상기 제 1 인덕터에 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 전원(Vbias)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 2 트랜지스터부는,
    상기 제 3 트랜지스터와 상기 제 4 트랜지스터의 소스 단자가 서로 연결되고,
    상기 제 3 트랜지스터와 상기 제 4 트랜지스터의 드레인 단자는 상기 제 2 커패시터와 상기 제 3 커패시터의 타단과 각각 연결되며,
    상기 제 3 트랜지스터의 게이트 단자는 상기 제 1 인덕터와 상기 제 3 커패시터가 연결된 노드에 연결되고,
    상기 제 4 트랜지스터의 게이트 단자는 상기 제 1 인덕터와 상기 제 2 커패시터가 연결된 노드에 연결되며,
    상기 제 3 트랜지스터와 상기 제 4 트랜지스터의 게이트 단자 사이에는 가변 커패시터로 이루어지는 상기 제 4 커패시터와 상기 제 5 커패시터가 직렬로 연결되며,
    상기 제 3 전원은 상기 제 4 커패시터와 상기 제 5 커패시터 사이에 튜닝전압(Vtune)을 인가하는 튜닝전원으로 이루어지고,
    상기 제 3 트랜지스터와 상기 제 4 트랜지스터의 게이트 단자에서 게이트전압(Vg-, Vg+)이 각각 출력되며,
    상기 제 3 트랜지스터와 상기 제 4 트랜지스터의 드레인 단자와 상기 제 2 커패시터와 상기 제 3 커패시터의 타단 사이에서 상기 제 3 트랜지스터와 상기 제 4 트랜지스터의 드레인 전압(Vd +, Vd -)이 각각 출력되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀은,
    상기 제 1 트랜지스터 및 상기 제 2 트랜지스터는 각각 PMOS 트랜지스터로 구성되고,
    상기 제 3 트랜지스터와 상기 제 4 트랜지스터 및 상기 제 5 트랜지스터는 각각 NMOS 트랜지스터로 구성되는 것을 특징으로 하는 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀.
  10. 1단 저전력 RF 수신기(single-stage low-power RF receiver)에 있어서,
    청구항 1항 내지 6항 및 청구항 9항 중 어느 한 항에 기재된 SLC 공진기 기반 저전력 LMV 셀을 포함하여 구성됨으로써,
    저잡음 증폭기(LNA)와 믹서(Mixer) 및 전압제어 발진기(VCO)가 통합되고 기존의 PLC 공진기 대신에 SLC 공진기를 이용하는 것에 의해 전압이득 및 위상잡음이 개선될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 1단 저전력 RF 수신기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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A phase-noise reduction technique for RF CMOS voltage-controlled oscillator with a series LC resonator(2014.02.22. 공개)
Single-Stage Low-Power Quadrature RF Receiver Front-End: The LMV Cell( 2006.12.31. 공개)

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