Session B2 : 3:30 ~ 5:00 Room 203 7

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창묵 천
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1 2009 SoC 2009 SoC S o C C o n f e e n c e

2 Session B2 : 3:30 ~ 5:00 Room 203 7

3 저항성 Feedback 구조의 저전력 초고주파 능동인덕터 이희진 2, 김수태, 최흥재 정용채 전북대학교 전기전자컴퓨터공학부, 2 동부하이텍( 주) 전화: (063) , glxkdlxm@chonbuk.ac.k, Low Powe Consumption Micowave Active Inducto Employing Resistive Feedback Stuctue Huijin Lee, Sutae Kim 2, Heungjae Choi, Yongchae Jeong Division of Electic and Infomation Engineeing, Chonbuk National Univesity, 2 Dongbu Hitech Inc. 요 약 본 논문에서는 종래의 접지 능동 인덕터 구조에 궤환 저항을 연결한 새로운 능동 인덕터를 제안하였다. 이 구조는 저항 성 분이 증가함에 따라 Q 값이 더 높아지는 원리를 기반으로 두었고, 파라미터 성분 o에 추가적인 직렬 저항이 연결되도록 설 계되었다. 제시된 궤환 저항 능동 인덕터는 매그나칩 0.8um 공정을 이용하여 제작 될 예정이며 동작대역에서 00이상의 높 은 Q값을 얻었고 값의 조절에 따라 4~6nH 의 인덕턴스를 얻을 수 있다. 또한 전력은 최소 3mW 로 매우 적은 양을 소모한다. Abstact In this pape, a new active inducto using a conventional gounded active inducto with feedback esisto is poposed. This stuctue is depended on the fundamental tuth that the Q-facto is highe than befoe when esisto component is incease and designed by connecting additive seies esisto with paamete component o. Poposed feedback esisto active inducto will be maded with the mamgnachip 0.8um pocesso and can get the Q-facto moe than 00 in the opeating fequency anges and the inductance that is tunned fom 4nH to 6nH. Also, the powe is consumed vey little volume at least 3mW. Keywods : Gounded active inducto, feedback esisto, Q-facto, inductance. Ⅰ. 서 론 오늘날 이동 통신 시장이 급속하게 성장함에 따라 적 은 비용과 고 집적 기술이 상품 가격과 크기를 감소시 키기 위해서 요구되어 지고 있다. 이에 발맞추어 초고주파집적회로(Monolithic Micowave Integated Cicuit : MMIC) 의 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그 중에서 실리콘 기술에 기반을 둔 CMOS 공정이 최 적으로 여겨지고 있다. CMOS 공정의 기반이 되는 실 리콘 기판은 작은 저항 성분을 가지며, 이로 인해 초고 주파 주파수 대역에서 많은 손실을 발생시킨다. 그동안 구현이 용이하고 전력 소모가 없어서 주로 사용되어 온 나선 인덕터는 실리콘 기판과 금속 선로 사이의 손실에 의해 최대 Q값이 0보다 작은 성능을 갖게 되며 [][2], 큰 값이 요구되는 인덕터의 경우 큰 기생성분으로 인해 원하는 인덕턴스를 얻을 수 없으며 큰 점유 면적을 가 진다는 단점들이 있다. 이러한 단점보완을 위해 자이레이터 (gyato)-c 구 조의 능동 인덕터가 활발히 연구되고 있으며 [3], 최근 발 표된 접지 능동 인덕터 (Gounded Active Inducto: GAI) 는 낮은 삽입 손실, 나선 인덕터 대비 작은 점유 면적, 높은 Q값을 갖는다는 장점으로 다양한 RF회로에 적용되어 사용되고 있다 [4][5]. 그러나 GAI는 높은 Q값 을 갖는 주파수 대역폭이 매우 한정적이며 회로 내 잡 음과 큰 전력소모를 가진다는 문제점으로 많은 능동 인 덕터 변형 구조가 제시되고 있다 [6][7]. 하지만, 상용 초

k, Low Powe Consumption Micowave Active Inducto Employing Resistive Feedback Stuctue Huijin Lee, Sutae Kim 2, Heungjae Choi, Yongchae Jeong Division of Electic and Infomation Engineeing, Chonbuk

4 고주파 회로에 적용하기 위해서는 나선형 인덕터 대비 부가적인 전력 소비량을 좀 더 최소화해야 한다. 본 논문에서는 능동 인덕터에 부가적인 궤환 저항을 추가하여 높은 Q값을 가지면서 작은 전력을 소모하는 능동 인덕터를 제안한다. 제안된 궤환 저항 능동 인덕 터는 매그나칩 0.8um 공정을 대상으로 설계하였는데, Agilent 사의 Advanced Design System(ADS) 를 이용 하여 설계하였고 Cadence사의 RF-Specte 를 이용하 여 Layout 하였다. v 2 I M c M2 VDD Z I in 2 v Ⅱ. 접지 능동 인덕터 i2 c i 접지 능동 인덕터는 기본적으로 자이레이터 -C 구조 에 부가적인 회로를 추가한 것이다. 은 접지 능동 인덕터의 기본 구조로서 두 개의 트랜지스터 (M, M2) 로 구성되고, 트랜지스터들의 기생 커패시턴 스들을 통해 리액턴스 성분을 발생시킨다. 그러나 이 구조로는 높은 인덕턴스를 구현하기 어렵고, 초고주파 대역에서 높은 Q값을 갖도록 설계하는 것도 역시 어렵 다. 이러한 제한 요소들을 해결하고 새로운 구조를 제 시하기 위해서는 접지 능동 인덕터에 관한 분석이 선행 되어야 한다. 는 접지 능동 인덕터의 소신호 등가회로 이며, 각 단자에 흐르는 전류 방정식들을 통해 Y-파라 미터의 값들 유도할 수 있다. 접지 능동 인덕터의 입력 임피던스는 식 () 과 같이 정리되며, 유도된 임피던스 로부터 식 (2) 와 같이 Q 지수를 정의할 수 있다. v Zin i i2 0 g Y22 Y Y Y Y c c sc c c g sc c g sc c 22 s c o2 gs 2 2 gs o s c 한 주기 동안의 Q 한 주기 동안의 m c c o 축적 에너지 손실에너지 Im( Z Re( Z in in ) ) () (2) 그러나 식 () 과 (2) 는 너무 복잡하여 각 트랜지스 터의 성분이 Q 지수에 미치는 영향을 직관적으로 파악 하기 어렵다. 그래서 각 파라미터의 변화에 따른 Q 지 수의 변화를 Matlab 을 분석하였고, Q 지수에 주도적으 로 영향을 미치는 트랜지스터의 성분들에 따른 Q 지수 의 변화를 2 에 나타냈다. v 2 c o g v m o 2 c gs v. 접지 능동 인덕터의 회로도, 접지 능 동 인덕터의 2 단자 소신호 등가회로. (c) (d) 2. M의 o에 따른 Q 지수, M의 g m 에 따른 Q 지수, (c) M2의 C 에 따른 Q 지수 그리고 (d) M2의 g 에 따른 Q 지수. 2 와 (d) 는 M과 M2의 g m값이 증가함에 따라 Q 지수가 증가하는 특성을 보이는데, 이는 전체 회로의 전력 소모를 증가시킨다는 관점에서 적절하지 않다. 2 (c) 는 M2의 기생 커패시턴스 C gd가 감소할 수록 Q 지수가 증가함을 보이는데, 전류 소모를 작게

접지 능동 인덕터 i2 c i 접지 능동 인덕터는 기본적으로 자이레이터 -C 구조 에 부가적인 회로를 추가한 것이다. 은 접지 능동 인덕터의 기본 구조로서 두 개의 트랜지스터 (M, M2) 로 구성되고, 트랜지스터들의 기생 커패시턴 스들을 통해 리액턴스 성분을 발생시킨다.

5 할 때 기생 커패시턴스 C gd가 수 십 ff( ) 으로 매 우 작기 때문에 C gd의 감소로는 Q 지수의 증가는 미약 할 것으로 예상된다. 높은 따라서 2 와 같이 M의 o 성분을 증가시켜 Q 지수를 높일 수 있음을 예상할 수 있다. Ⅲ. 제안된 능동 인덕터 2를 통해 얻어진 결과를 토대로 M의 o 성분 을 증가시켜 주기 위해 3 와 같이 궤환 저항 (R f ) 을 추가하였다. 이 궤환 저항은 트랜지스터 M의 출력 저항값을 높이는 역할을 하여 능동 인덕터의 Q 지수를 높일 수 있을 것이다. 3 는 궤환 저항 을 사용한 능동 인덕터의 소신호 등가회로이며, II 장과 같이 각 단자의 들로부터 입력 임피던스를 식 다. v Zin i i20 g Y22 Y Y Y Y 전류 방정식을 유도하고, 전류 방정식 (3) 과 같이 추출할 수 있 c c c sc c c g sc c g sc c 22 s o2 gs 2 2 gs o R f m s c c o Rf c (3) 의 회로도와 3. 제안된 궤환 저항을 이용한 능동 인덕터 소신호 등가회로. 아울러 궤환 저항(R f ) 를 트랜지스터 M2의 게이트 단 자에 부착하므로써 추가적인 전력 소모를 일으키지 않 는 장점을 가진다. 식 (3) 에서 인덕턴스의 변화를 일으 키는 요소들이 많이 있지만, 궤환 저항(R f ) 값과 트랜 지스터의 크기에 주로 의존한다. 4. 는 제안된 능동 인덕터에 매그나칩 0.8um 공정 모델 파라미터를 적용하여 회로 시뮬레이터인 Agilent 사의 ADS로 시뮬레이션한 결과를 보여주고 있다. 중심 주파수는 Wieless LAN 주파수 대역에 속 하는 3.6 GHz 이며, 궤환 저항 변화에 따른 Q 지수의 변화를 확인하기 위해 저항 값을 00 ~ 300 Ω으로 변화시켰으며 저항의 증가에 따라 Q 지수의 증가를 확 인할 수 있다. 본 논문에서는 높은 Q 지수를 가지면서 인덕턴스가 4.8 nh와 6.6 nh가 되는 저전력 능동 인덕터를 설계 하였다. 먼저 회로 시뮬레이터인 ADS를 통해 원하는 4. 궤환 저항 변화에 따른 임피던스와 궤환 저항에 변화에 따른 Q 지수. 인덕턴스를 얻도록 설계하였으며, 5는 Cadence 를 이용해 Layout 한 도면이다. 구성 회로를 연결하기 위 한 배선 전송선로를 EM 시뮬레이터인 Ansoft 사의 HFSS 를 이용하여 모델링하고, 그 결과를 다시 ADS 에 반영하여 인덕턴스 오차를 보정하는 Post Simulation 을 시행하였다

3 는 궤환 저항 을 사용한 능동 인덕터의 소신호 등가회로이며, II 장과 같이 각 단자의 들로부터 입력 임피던스를 식 다.

6 6은 Q 지수 및 인덕턴스의 최종 시뮬레이션된 결과들을 보이고 있다. 4.8 nh 및 6.6 nh인 인덕턴스 일 때 Q 지수는 약 360 정도의 값을 가짐을 확인할 수 있었다. 표. 각 인덕턴스에 따른 R f, Q 지수, 소모 전력현황 4.8 [nh] 6.6 [nh] R f [ Ω] Q 지수 전력소모 [mw] Ⅳ. 결 론 nh 능동 인덕터와 6.6 nh 능 동 인덕터 Layout. 본 논문에서는 접지 능동 인덕터의 궤환 경로에 궤환 저 항을 부착함으로 초고주파 대역에서 높은 Q 지수를 가 지면서 다양한 인덕턴스를 제공할 수 있는 저전력 능동 인덕터를 제안하였다. 제안된 능동 인덕터는 트랜지스터 의 면적과 궤환 저항 값을 조정함으로 원하는 동작주파 수 대역에서 원하는 인덕턴스를 얻을 수 있다. 제안된 능동 인덕터를 LC-VCO, RF 대역 통과 여파기등의 RFIC 설계에 적용할 경우 전체 회로 및 시스템 성능을 제고하는데 기여할 것으로 예상된다. Acknowledgement 본 논문은 지식경제부 출연금으로 ETRI, 시스템반도체진 흥센터에서 수행한 IT SoC 핵심설계인력양성사업의 연구 결과이며, IDEC CAD Tool 의 지원을 받았습니다. 참 고 문 헌 6. 설계된 능동 인덕터의 Q 지수 및 인덕 턴스 (4.8nH), 설계된 능동 인덕터의 Q 지수 및 인덕턴스 (6.6nH). 표 적은 칩 은 설계 결과를 요약한 것이며, 설계된 칩의 면 300um 500um 이다. 현재 설계된 회로는 매그나 0.8 um 공정으로 제작 중이며, 향후 pobe station 으로 측정할 예정이다. []N. M. Nguyen and R. G. Meye, "Si IC-compatible inductos and LC passive filte," IEEE J. Solid State Cicuits, vol. 25, no. 4, pp , Ap [2]D. Lovelace, N. Camilliei, G. Kannell, Silicon MMIC inducto modeling fo high volume, low cost application, Micowave J., vol. 37, no. 8, pp. 60-7, Aug [3]R. Mukhopadhyay, "Reconfiguable RFICs fo Fequency-agile VCOs in Si-based Technology fo Multi-standad Application," IEEE Intenational Micowave Symp. Dig. vol. 3, pp , Jun [4]Y. Wu, X. Ding, and M. Ismail, RF bandpass filte design based on CMOS active inductos, IEEE Tansactions on Cicuits and Systems, vol. 50, no. 2, pp , Dec [5]Thanachayanont, A., CMOS tansisto-only active inducto fo IF/RF applications, IEEE Intenational Confeence on Industial Technology, vol. 2, pp , -4 Dec [6]Jin-So Ko, Kwyo Lee, Low powe, tunable active inducto and its applications to monolithic VCO and BPF, IEEE Intenational Micowave Symp. Dig. vol. 2, pp , Jun [7]R. Akbai-Dilmaghani, A. Payne and C. Toumazou, A High Q RF CMOS Diffeential Active Inducto, IEEE Intenational Confeence on Electonics, Cicuits and Systems, vol. 3, pp , 7-0 Sept

제안된 능동 인덕터는 트랜지스터 의 면적과 궤환 저항 값을 조정함으로 원하는 동작주파 수 대역에서 원하는 인덕턴스를 얻을 수 있다. 제안된 능동 인덕터를 LC-VCO, RF 대역 통과 여파기등의 RFIC 설계에 적용할 경우 전체 회로 및 시스템 성능을 제고하는데 기여할 것으로 예상된다.

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