2005 년 6 월전자공학회논문지제 42 권 SD 제 6 호 59 논문 2005-42SD-6-8 5.8GHz/5.2GHz/2.4GHz 무선랜응용을위한 선형이득 CMOS LC VCO 의설계 (Design of CMOS LC VCO with Linearized Gain for 5.8GHz/5.2GHz/2.4GHz WLAN Applications) 안태원 *, 문용 ** (Tae-Won Ahn and Yong Moon ) 요 약 삼중대역무선랜응용을위한 CMOS LC VCO 를 1.8V 0.18μm CMOS 공정으로설계하였다. 저잡음특성을얻기위하여 VCO 코어는 PMOS 트랜지스터로구성하였으며인덕터와캐패시터를선택적으로스위칭하는기법을적용하여 5.8GHz 대역 (5.725 5.825GHz), 5.2GHz 대역 (5.150 5.325GHz), 그리고 2.4GHz 대역 (2.412 2.484GHz) 에서동작가능한것을확인하였다. 또한 MOS 버랙터 (varactor) 에다중바이어스를적용하고최적화하여캐패시턴스의선형특성을개선함으로써 VCO 의이득을선형화하고 PLL 의안정도를크게개선하였다. VCO 코어의소모전류는 2mA, 면적은 570μm 600μm 이며, 3 가지주파수대역모두 1MHz 옵셋에서 -110dBc/Hz 이하의잡음특성이가능함을확인하였다. Abstract CMOS LC VCO for tri-band wireless LAN applications was designed in 1.8V 0.18μm CMOS process. PMOS transistors were chosen for VCO core to reduce flicker noise. The possible operation was verified for 5.8GHz band (5.725 5.825GHz), 5.2GHz band (5.150 5.325GHz), and 2.4GHz band (2.412 2.484GHz) using the switchable L-C resonators. To linearize its frequency-voltage gain (Kvco), optimized multiple MOS varactor biasing technique was used for capacitance linearization and PLL stability improvement. VCO core consumed 2mA current and 570μm 600μm die area. The phase noise was lower than -110dBc/Hz at 1MHz offset for tri-band frequencies. Keywords : CMOS, VCO, WLAN, multiband, MOS varactor Ⅰ. 서론 현재까지의무선랜규격은사무실과가정의무선데이터통신서비스를제공하기위해많은발전을거듭하여왔다. 현재국내에서도안정된서비스를제공하고 * 정회원, 동양공업전문대학전기전자통신공학부 (Dept. of Electronics, Dongyang Technical College) ** 정회원, 숭실대학교정보통신전자공학부 (School of Electronic Engineering, Soongsil University) 본연구는정보통신부정보통신기초기술연구지원사업으로수행되었으며, CAD 툴은 IDEC의지원을받았습니다. 접수일자 : 2005년3월31일, 수정완료일 : 2005년5월12일 있는 IEEE 802.11b 의경우 ISM 2.4GHz 대역 (2.412 2.484GHz) 에서최대 11Mbps 의데이터전송을지원하고있으며광대역의고속데이터전송의필요에따라규격화되기시작한 IEEE 802.11a 의경우하위 U-NII 표 1. WLAN 규격개요 Table 1. WLAN standards overview. 규격 데이터전송률 [Mbps] 변조방식 주파수대역 [GHz] 밴드 5.150 5.325 IEEE 801.11a 6 54 OFDM 5.725 5.825 U-NII IEEE 801.11b 1 11 CCK 2.412 2.484 ISM IEEE 801.11g 1 11 6 54 CCK OFDM 2.412 2.484 ISM (423)
60.8GHz/5.2GHz/2.4GHz 무선랜응용을위한선형이득 CMOS LC VCO 의설계안태원외 5.2GHz 대역 (5.150 5.325GHz) 및상위 U-NII 5.8GHz 대역 (5.725 5.825GHz) 에서최대 54Mbps 의데이터전송을지원하는것을요구하고있다. 한편 2.4GHz 대역에서최대 54Mbps 의데이터전송을지원하는 IEEE 802.11g 또한규격화되어있는상황이다 [1]. 표 1과같이정리된다양한규격은시장원리에의해아직까지도하나의규격으로통합되지못했으며앞으로도한동안은전세계적으로여러가지규격의제품군이상존하게될것으로예측되고있다. 또한무선랜의사용증가에따라사용장소나환경또는필요데이터전송률등에따라서 802.11a와 802.11b/g를선택적으로사용할필요가증가할것이다. 따라서, 앞으로의무선랜용송수신기는하나의시스템에서 3가지이상의규격을지원할필요가증가하며, 또한이를저가격으로구현할필요도커지고있다. 이같은상황에서 5.8GHz 대역 (5.725 5.825GHz), 5.2GHz 대역 (5.150 5.325GHz), 그리고 2.4GHz 대역 (2.412 2.484GHz) 을단일칩에서동시에지원할수있는수요는계속증가할것이고이를위한핵심을이루는구성블록은필요한대역에따른주파수를생성하는 VCO(Voltage Controlled Oscillator) 라고할수있다 [2]. 물론 3가지대역의주파수를생성하기위해서는각각의대역에맞는 3개의 VCO를각각따로설계하는것도가능하겠지만가격대성능비를최적화하기위해서는하나의 VCO를사용하면서다중밴드를지원하도록설계하는것이바람직하다 [3]-[5]. VCO를집적회로로구현함에있어서 MOS 공정은바이폴라공정에비해저잡음특성이우수하며다른블록과의통합성면에서도우월하기때문에활발한연구가진행되어왔다 [6]. 특히 CMOS 공정에서 1/f 잡음을개선하기위해서는 PMOS 트랜지스터가 NMOS 트랜지스터보다유리한것으로확인되고있다 [7]. 본논문에서는다중대역을지원할수있는 LC VCO 를 0.18μm CMOS 공정에서설계하였다. 저잡음특성을얻기위하여 VCO 코어는 PMOS 만으로구성하였으며코일과캐패시터를선택적으로스위칭하는기법을적용하여 5.8GHz 대역 (5.725 5.825GHz), 5.2GHz 대역 (5.150 5.325GHz), 그리고 2.4GHz 대역 (2.412 2.484GHz) 에서동작가능한것을확인하였다. 또한 MOS 버랙터 (varactor) 에다중바이어스를적용하고최적화하여캐패시턴스의선형특성을개선함으로써 VCO의이득을선형화하고 PLL(Phase Locked Loop) 의안정도를크게개선시키도록설계하였다. Ⅱ. VCO 구조의선택최적의 VCO 구조를선택하기위해 CMOS 공정으로구현가능한여러가지 VCO를조사하고이를비교하여구조결정을진행하였다. 그림 1은 CMOS 공정으로구현가능한 6가지 VCO 구조를보여준다. N-core 교차쌍 (a, b), P-core 교차쌍 (c, d), 그리고 NP-core 교차쌍 (e, f) 으로각각바이어스전류가있는구조 (a, c, e) 와바이어스전류가없는구조 (b, d, f) 로나눌수있다. NP-core 는 VCO 출력진폭이 N-core 나 P-core 보다 2배크므로일단전력소모면에서는유리하고, 출력파형의대칭성이우수한장점이있다. 하지만전원전압쪽과접지쪽모두에일정전압이상이요구되므로저전압동작에불리하고제어전압의범위에제한이 (a) (b) (c) (d) (e) (f) 그림 1. CMOS 공정으로구현가능한 6가지 VCO구조 Fig. 1. Six VCO topologies in CMOS process. (424)
2005 년 6 월전자공학회논문지제 42 권 SD 제 6 호 61 따르는단점이있다 [7]. P-core는 N-core에비해위상잡음면에서유리하다. 이것은 SiO 2 게이트산화막을갖는 0.18μm CMOS 공정에서 PMOS 트랜지스터가 NMOS 트랜지스터에비해 10dB 정도낮은 1/f 잡음을갖고핫캐리어에의한잡음또한작기때문이다. 최근발표된연구에의하면바이어스전류가없는구조가바이어스전류가있는구조에비해서위상잡음이작다 [7]. 바이어스전류가없는구조는제어전압의범위에서도유리한점이있다. 하지만바이어스전류가없는구조는전원전압의변동에의한 VCO 주파수변이가생길위험이있는단점이있다. 본논문에서설계하고자하는 VCO는 1.8V의저전원전압을사용하며, 제어전압의범위가넓어야하고전원전압의변동에대한민감도및위상잡음을낮추는것을목표로하였다. 따라서위에서제시된바와같은비교관점에서바이어스전류가있는 P-core를기본구조로선택하였다. 또한이같은기본구조에그림 2와같이 L-C 스위칭기법을적용하여 2.4GHz 대역, 5.2GHz 대역, 그리고 표 2. L-C 스위칭에의한대역선택 Table 2. Band selection with L-C switching. Vsw0 Vsw1 유효 L, C 주파수대역 [GHz] HIGH LOW L0, L1, Cv 5.725 5.825 HIGH HIGH L0, L1, Cv, C0, C1 5.150 5.325 LOW LOW L0, L1, L2, L3, Cv 2.412 2.484 MP0 MP1 5.8GHz 대역의주파수를선택적으로생성하는것이가능하도록설계하였다. 표 2에정리된바와같이인덕터 (L) 스위칭으로 2.4GHz 대역과 5.2GHz/5.8GHz 대역을선택하고, 캐패시터 (C) 스위칭으로 5.2GHz 대역과 5.8GHz 대역을선택하도록설계하였다. 그림 2에서 VCO 코어를구성하며 L-C 기생저항성분을상쇄하는부저항 (negative resistor) 역할을하는 MP2, MP3 트랜지스터쌍은초기루프이득이발진이일어나기에충분한크기의값을확보해야한다. 위상잡음을줄이기위해서는 VCO 코어에흐르는바이어스전류를공급하는 MP1 트랜지스터의크기를가능한크게한다. 이것은제어전압의최대값을충분히확보하기위한이유도있다. 또한 MP0 트랜지스터의크기는작게하여기준전류의크기는작게하는것이위상잡음을낮추는데유리하다. 설계에사용된인덕터의 L값은식 (1) 을이용하여구할수있으며, 주파수변동에따른인덕터값의특성을분석하였고그결과를그림 3에서나타내었다 [8]. (1) 설계에사용한캐패시터의값은식 (2) 를이용하여구했으며주파수변동에따른특성은그림 4에서나타내었다 [8]. 그림 4(a) 는캐피시터의면적변화에따른 MIM(Metal-Insulator-Metal) 캐패시터의캐패시턴스이며그림 4(b) 는핑거개수에따른 MOS 버랙터의캐패시턴스를나타낸다. 핑거한개의 W=10μm, L=0.4μm이므로 finger=10인경우 MOS 버랙터의면적은 40μm 2 이 Ibias MP2 MP3 Cv Vtune Vsw0 C0 L0 MN0 L1 C1 Vsw1 MN1 L2 L3 MN2 Vsw1 그림 2. L-C 스위칭기법을적용한 P-core VCO Fig. 2. P-core VCO with switchable L-C resonators. 그림 3. 설계에사용된인덕턴스특성 Fig. 3. Inductance characteristics. (425)
62.8GHz/5.2GHz/2.4GHz 무선랜응용을위한선형이득 CMOS LC VCO 의설계안태원외 MP0 MP1 Ibias MP2 MP3 Cv' Cb1a Rb1a Vtune Cv' Cb1b Rb1b Vbias1 Cb2a Rb2a Vtune Cv' Cb2b Rb2b Vbias2 Cb3a Rb3a Vtune Cb3b Rb3b Vbias3 Vsw (a) MIM 캐패시터의캐패시턴스 C0 L0 MN0 L1 C1 Vsw1 MN1 L2 L3 MN2 Vsw1 그림 5. 선형특성을개선한 CMOS LC VCO Fig. 5. CMOS LC VCO with Linearized Gain. (b) MOS 버랙터의캐패시턴스 (W=10μm, L=0.4μm) 그림 4. 설계에사용된캐패시턴스특성 Fig. 4. Capacitance characteristics. 된다. (2) 그림 3과그림 4와같은특성을갖는 L과 C를이용하여무선랜규격에서정해진주파수범위를만족하면서동시에선형화된주파수-제어전압특성을갖도록설계한 VCO에대해서는다음장에서다룬다. Ⅲ. VCO 이득의선형화 그림2에서나타낸구조의 VCO에서는인덕터가 DC 에서단락되므로버랙터가 0V에서바이어스가잡히게 되어 MOS의 V T 이하의제어전압에대해서는축적모드동작으로캐패시턴스의변화가선형적인제어특성을갖지만 V T 이상의제어전압에대해서는버랙터의캐패시턴스변화가거의없게된다. 따라서원하는전체제어전압의범위내에서균일한선형특성을갖기가어렵다. 이러한문제점을개선하기위해그림 2의 VCO 구조에다중바이어스를인가한버랙터를적용하여선형성을개선한구조를제안하며이는그림 5와같다. 그림 5의점선안쪽부분은 3개의버랙터바이어스전압을사용하여캐패시턴스의선형특성을개선한회로를나타낸다. 3가지버랙터바이어스전압을인가할때제어전압에따른캐패시턴스특성은그림 6과같은데바이어스전압이 0V인경우는낮은전압에서캐패시턴스가선형특성을가지며, 바이어스전압이 0.9V인경우는중간전압에서, 1.8V인경우는높은전압에서선형특성을가진다. 따라서바이어스전압을 0V, 0.9V, 1.8V의 3가지로사용하여동작범위에따라 3개의선형동작부분을중첩하면 0V 1.8V의전체제어전압의범위내에걸쳐서캐패시턴스값이균일한선형특성을갖도록할수있다. 바이어스회로가증가할수록선형성을개선할수있으나면적이증가하고필요한바이어스전압의종류가 (426)
2005 년 6 월전자공학회논문지제 42 권 SD 제 6 호 63 PAD PAD 50 1p 1p 50 vtune sw0 sw1 VCO core out1b out1 outb C0 MN2 out C1 MN3 R0 R1 Ibias Vbias MN0 MN1 그림 7. VCO 버퍼를포함한전체회로도 Fig. 7. Full schematic with VCO buffer. 그림 6. C-V 선형특성개선 Fig. 6. C-V curve linearization. 증가하므로이를고려하여 3개의바이어스구조를선택하였다. 각각의바이어스전압도 0V, V DD 와 V DD/2를사용하므로바이어스전압생성이어렵지않고, 선형특성도 4개이상의바이어스회로를가지는구조와큰차이가없으므로 VCO의면적이나특성면에서가장최적의구조라고여겨진다. Ⅳ. 회로및레이아웃설계 제안하는삼중대역 VCO를설계하고검증하기위하여 0.18μm 2-poly 6-metal CMOS 공정을사용하였으며회로설계및검증은 ADS에의해수행되었고 1.8V 전원전압에서 VCO 코어는 2mA 정도의전류를소모하였다. 차후에프리스케일러와같은후속단을구동하기위한 VCO 버퍼는 NMOS 차동증폭기구조를사용하여그림 7과같은전체 VCO 회로가구성되었다. VCO 코어는앞의그림 5에나타낸회로이고 C0=C1=0.25μF, R0=R1=4KΩ 을사용하였으며, PAD에연결된 50Ω 저항과 1pF 캐패시터는측정상황을고려한모의실험을위한외부응용회로이다. 앞의표 2와같은 3가지주파수대역선택조건에따른전체회로의모의실험결과는그림 8부터그림 10 에나타내었다. 제안하는회로에서 sw0 신호에의한인덕터스위칭으로 2.4GHz 대역과 5.2GHz/5.8GHz 대역을선택하고, sw1 신호에의한캐패시터스위칭으로 5.2GHz 대역과 5.8GHz 대역을선택하게된다. 그림 8은 VCO 제어전압 (vtune) 의변화에따른주파수를나타 (a) 5.8GHz 대역및 5.2GHz 대역 (b) 2.4GHz 대역그림 8. VCO 이득 (Kvco) 특성 Fig. 8. VCO gain (Kvco) characteristic. (427)
64.8GHz/5.2GHz/2.4GHz 무선랜응용을위한선형이득 CMOS LC VCO 의설계안태원외 (a) 5.8GHz 대역 그림 10. VCO 위상잡음특성 Fig. 10. VCO phase noise characteristic. (b) 5.2GHz 대역 그림 11. 설계된 VCO 레이아웃 Fig. 11. Layout of the designed VCO. (c) 2.4GHz 대역그림 9. VCO 출력레벨특성 Fig. 9. VCO output level characteristic. 낸 VCO 이득 (Kvco) 특성의그래프이며, 그림 9는각각의대역에대한 VCO 출력전압으로서 VCO 코어의 출력전압 (out1, out1b) 과 VCO 버퍼의출력전압 (out, outb) 을나타내고, 그림 10은 1/f 잡음에근거한위상잡음특성의그래프이다. 고주파 VCO의설계는레이아웃에따라그특성이많은차이를나타낼수있다. 회로설계단계에서공정의레이아웃에의한기생성분이반영된파라메타에의해설계하는것이바람직하지만기본적인레이아웃고려사항으로는최우선적으로 VCO 구조의차동특성을완전대칭형으로구성하도록레이아웃하는것이중요하다. 또한 VCO 동작과관련된모든트랜지스터는핑거형태 (finger type) 로설계하여기생 R-C 성분을최소화 (428)
2005 년 6 월전자공학회논문지제 42 권 SD 제 6 호 65 하였으며, 레이아웃을진행하고 LPE 후 HSPICE 모의실험을통하여비교를진행하였다. 또한 MOS 버랙터 (varactor) 에다중바이어스를적용하고최적화하여캐패시턴스의선형특성을개선함으로써 VCO의이득을선형화고 PLL의안정도를크게개선하였다. VCO 코어의소모전류는 2mA, 면적은 570μm 600μm이며, 3가지주파수대역모두 1MHz 옵셋에서 -110dBc/Hz 이하의잡음특성이가능함을확인하였다. 본연구결과를이용하여여러가지대역을동시에지원할수있는무선랜용송수신기의설계가간편해지고효과적이며비용도절감할수있으므로그중요성이매우클것으로생각된다. 참고문헌 그림 12. HSPICE 를이용한 LPE 모의실험결과 Fig. 12. LPE simulation results using HSPICE. 하였다. 완성된 VCO 레이아웃도면은그림 11과같다. 신호연결에있어서 GND 또는 V DD 에의한 DC 가드-링으로고주파신호라인의잡음면역도를높였으며레이아웃에의한기생성분을반영하여 HSPICE로 LPE 모의실험한결과파형은그림 12와같다. 모의실험결과를통하여설계한 VCO가 3가지대역에서원하는주파수를생성하고낮은위상잡음을가지는것을확인할수있었다. Ⅴ. 결론 삼중대역 (5.8GHz/5.2GHz/2.4GHz) 무선랜응용을위한선형이득 CMOS LC VCO를 0.18μm CMOS 공정으로설계하였다. 1.8V의저전원전압을사용하며, 제어전압의범위가넓어야하고전원전압의변동에대한민감도및위상잡음을낮추도록설계를진행하였다. 저잡음특성을얻기위하여 VCO 코어는바이어스전류가있는 PMOS 트랜지스터쌍으로구성하였으며인덕터와캐패시터를선택적으로스위칭하는기법을적용하여 5.8GHz 대역 (5.725 5.825GHz), 5.2GHz 대역 (5.150 5.325GHz), 그리고 2.4GHz 대역 (2.412 2.484GHz) 에서동작가능한것을 ADS를통하여확인 [1] IEEE Wireless LAN Standards. [2] Donhee H. and Hajimiri, A., "Design and optimization of a low noise 2.4GHz CMOS VCO with integrated LC tank and MOSCAP tuning," ISCAS 2000 - IEEE International Symposium on Circuits and Systems, vol. 1, pp.331-334, May 2000. [3] Perraud, L. et al., "A direct-conversion CMOS transceiver for the 802.11a/b/g WLAN standard utilizing a Cartesian feedback transmitter," IEEE Journal of Solid State Circuits, vol. 39, pp.2226-2238, Dec. 2004. [4] Zargari, M. et al., "A single-chip dual-band tri-mode CMOS transceiver for IEEE 802.11a/b/g wireless LAN," IEEE Journal of Solid State Circuits, vol. 39, pp.2239-2249, Dec. 2004. [5] Ahola, R. et al., "A single-chip CMOS transceiver for 802.11a/b/g wireless LANs," IEEE Journal of Solid State Circuits, vol. 39, pp.2250-2258, Dec. 2004. [6] Wang, D. and Xudong Wang, "The performance comparison of CMOS vs biploar VCO in SiGe BiCMOS technology," 2003 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits (RFIC) Symposium, pp.615-618, June 2004. [7] Park, Y., Chakraborty, S., Lee, C.-H., Nuttinck, S. and Laskar, J., "Wide-band CMOS VCO and frequency divider design for quadrature signal generation," 2004 IEEE MTT-S Digest, vol. 3, pp.1493-1496, Dec. 2004. [8] Maget, J., Tiebout, M. and Kraus, R., "MOS varactors with n- and p-type gates and their influence on an LC-VCO in digital CMOS," 2004 IEEE MTT-S Digest, vol. 38, pp.1139-1147, July 2003. (429)
66.8GHz/5.2GHz/2.4GHz 무선랜응용을위한선형이득 CMOS LC VCO 의설계안태원외 저자소개 안태원 ( 정회원 ) 1992 년서울대학교전자공학과학사졸업. 1994 년서울대학교전자공학과석사졸업. 1994 년 2002 년삼성전자반도체 SYSTEM LSI 책임연구원. 2002 년 현재동양공업전문대학전자과조교수. < 주관심분야 : 반도체, PLL, Mixed/RF IC 설계 > 문용 ( 정회원 ) 1990 년서울대학교전자공학과학사졸업. 1992 년서울대학교전자공학과석사졸업. 1997 년서울대학교전자공학과박사졸업. 1997 년 1999 년 LG 반도체선임연구원. 1999 년 현재숭실대학교정보통신전자공학부조교수. < 주관심분야 : 혼성신호 IC, 저전력회로, CMOS RF 회로, UWB 등 > (430)