근거리 레이더용 CMOS 저전력 교차 결합 전압 제어 발진기 설계 및 제작

Abstract

본 논문에서는 TSMC 0.13 <TEX>${\mu}m$</TEX> CMOS 공정을 사용하여 3가지 종류의 근거리 레이더용 저전력 교차 결합 전압 제어 발진기를 설계, 제작하였다. 기본적인 교차 결합 전압 제어 발진기는 24.1 GHz를 중심으로 발진하도록 설계되었고, 이를 기본으로 저전력 동작을 위한 subthreshold 발진기가 설계되었다. 특히 큰 트랜지스터를 사용해야 하는 subthreshold 발진기에서 기생 캐패시터에 의해 발진 주파수가 낮아지는 문제점을 개선하기 위해 이중 공진 회로 구조를 발진기에 사용하는 것이 시도되었다. 제작된 CMOS 전압 제어 발진기는 종류에 따라 1 MHz offset 주파수에서 -101~-103.5 dBc/㎐의 위상 잡음, -11.85~-15.33 dBm의 출력 전력, 그리고 475~852 MHz의 주파수 조정 범위들을 보였다. 전력 소모 측면에서는 기본적인 발진기가 5.6 mW를 사용하였고, 저 전력 subthreshold 회로는 3.3 mW를 사용하였다. 이중 공진 회로 구조의 subthreshold 발진기는 기본 발진기와 유사한 주파수 조정 범위를 유지하면서 상대적으로 작은 전력을 소모하고 개선된 위상 잡음 특성을 보였으며, 1 mW DC 전력 기준의 figure-of-merit(FOM)이 약 3 dB 가량 개선되어 -185.2 dBc의 값을 가졌다. In this paper, three kinds of 24 GHz low-power CMOS cross-coupled voltage controlled oscillators are designed and fabricated for a short-range radar applications using TSMC 0.13 <TEX>${\mu}m$</TEX> CMOS process. The basic CMOS crosscoupled voltage controlled oscillator is designed for oscillating around a center frequency of 24.1 GHz and subthreshold oscillators are developed for low power operation from it. A double resonant circuit is newly applied to the subthreshold oscillator to improve the problem that parasitic capacitance of large transistors in a subthreshold oscillator can push the oscillation frequency toward lower frequencies. The fabricated chips show the phase noise of -101~-103.5 dBc/Hz at 1 MHz offset, the output power of -11.85~-15.33 dBm and the frequency tuning range of 475~852 MHz. In terms of power consumption, the basic oscillator consumes 5.6 mW, while the subthreshold oscillator does 3.3 mW. The subthreshold oscillator with the double resonant circuit shows relatively lower power consumption and improved phase noise performance while maintaining a comparable frequency tuning range. The subthreshold oscillator with double resonances has FOM of -185.2 dBc based on 1 mW DC power reference, which is an about 3 dB improved result compared with the basic oscillator.