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국부발진기로 사용하기 위한 LC 탱크 발진기는 넓은 대역폭을 필요로 하는 회로에서는 부적합하나, 높은 Q 값을 갖기 때문에 10GHz 이상의 고주파를 출력하는데 용이하다[3]. 따라서 마이크로파 센서용으로 사용할 전압 조절 발진기는 협대역(Narrow Bandwidth)이면서 X-대역의 출력이 용이한 LC 탱크 발진기로 설계하는 것이 적합함을 알 수 있다.

MOSFET를 사용한 반도체 IC 칩 형태의 LC 탱크 발진기는 그림 2와 같이 N-코어 구조, P-코어 구조, NP-코어 구조의 세 종류로 구분된다. 전자(Electron)에 의해 동작하는 NMOSFET로 구성되는 N-코어 구조는 캐리어인 전자의 빠른 이동도로 인하여 작은 입력 전압에 큰 출력 전류를 얻을 수 있어 트랜지스터의 폭이 크게 설계하지 않아도 된다. 전자에 비해 상대적으로 느린 이동도를 갖는 홀(Hole)에 의해 동작하는 PMOSFET로 구성된 P-코어 구조는 NMOS에 비해 트랜지스터의 폭이 크게 설계하여야 한다. N-코어 구조는 소자의 크기가 작기 때문에 기생 정전용량이 작아서 세 가지 구조 중 가장 빠른 속도로 동작하는 장점이 있다.

Fig. 2. 
Voltage controlled oscillator (a) N-core, (b) P-core, (c) NP-core

그러나 출력신호의 대칭성 및 위상잡음 특성이 우수하지 못한 단점을 가지고 있다. 특히 NMOS는 게이트 산화막(SiO²)과 실리콘 기판 접촉면에서 완벽한 결정 구조를 가지지 못하는 댕글링 본드(Dangling Bond)에 의하여 캐리어인 전자가 이동 시 트랩(Trap)되면서, 채널에 흐르는 드레인 전류에 나타나는 플리커 잡음(Flicker Noise, 1/f Noise)은 심각한 문제이다. 이에 비해 게이트 산화막 표면으로부터 약간 떨어진 매설채널(Buried Channel)에 의해서 동작하는 PMOS로 구성된 P-코어 전압 제어 발진기는 댕글링 본드의 영향을 상대적으로 덜 받기 때문에 출력단 신호에서 나타나는 플리커 잡음이 N-코어 전압 제어 발진기에 비하여 훨씬 적다[4][5]. 또한 P-코어 LC 발진 회로는 접지를 기준으로 동작하기 때문에 전원을 기준으로 동작하는 N-코어 LC 발진 회로에 비하여 우수한 위상 잡음 특성을 갖는 특징이 있다.

NP-코어 구조는 NMOS와 PMOS가 동시에 사용되므로 플리커 잡음 면에서 N-코어와 P-코어의 중간 특성을 보인다. 또한 전원 전압 쪽과 접지 쪽 모두에 일정 전압 이상이 요구되므로 저전압 동작에 불리하고, 제어 전압 범위에 제한이 따르는 단점이 있다[4][5].

본 연구에서는 세 가지 구조의 전압 조절 발진기 전기적 특성을 서로 비교하기 위하여 세 종류의 전압 조절 발진기 회로를 0.18㎛ CMOS 기술을 사용하여 구성한 다음 시뮬레이션을 통하여 10.525GHz 발진 시 잡음특성을 비교하였다. 10.525GHz 발진 조건에서의 위상잡음 시뮬레이션 결과 N-코어로 설계된 VCO는 1MHz 오프셋에서 —99.212dBc/Hz, 25MHz 오프셋에서 –130.804dBc/Hz, P-코어로 설계된 VCO는 1MHz 오프셋에서 —106.008dBc/Hz, 25MHz 오프셋에서 —140.735dBc/Hz, NP-코어로 설계된 VCO는 1MHz 오프셋에서 —103.216dBc/Hz, 25MHz 오프셋에서 —138.987dBc/Hz,의 잡음특성을 가짐으로써 P-코어 구조로 설계된 VCO가 가장 우수한 잡음 특성을 보였으며, NP-코어, N-코어의 순으로 잡음 특성이 나빠지는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 앞에서 설명한 바와 같이 PMOS가 NMOS보다 근본적으로 소자의 잡음 특성이 더 우수하기 때문에 나타나는 현상이다. 그림 3은 VCO 종류에 따른 잡음 특성을 비교한 그래프이며, 여러 오프셋(Offset)에서의 잡음 특성을 표 1에 정리하였다.

Fig. 3. 
Noise characteristics as VCO types

RF PLL에서 우수한 속도 특성 및 잡음 특성을 얻기 위해서는 무엇보다도 먼저 VCO의 설계가 최적화되어야한다. 그림 4는 본 연구에서 사용한 VCO의 회로도로서 위상잡음 특성 및 소비 전력 특성이 우수한 P-MOS(M2, M3) 코어형 구조를 갖는 LC 탱크 회로를 채택하였다. 이를 위하여 정확한 값을 갖는 L과 함께 커패시턴스 변화가 가능한 바렉터(Varactor) Cv를 연결하였다.

Fig. 4. 
P-core voltage controlled oscillator

시뮬레이션 결과, 0V의 V_c 전압에서 약 9.2498GHz의 발진을 하였으며, 1.8V의 V_c 전압에서 약 10.8009GHz의 발진을 하였다. 따라서 약 1.5510GHz의 대역폭을 가지며, V_c 전압에 1.365V가 인가되었을 때 10.525GHz의 발진을 한다는 것을 확인하였다. 그림 5는 1.365V의 V_c 전압을 인가하였을 때 전압 조절 발진기의 출력을 확인해 본 모의실험 결과로써 정확히 10.525GHz 발진을 함을 확인할 수 있었다.

Fig. 5. 
Oscillation frequency of the V_c.

마이크로파 센서에서 주파수 혼합기는 송신신호(LO Frequency)와 물체에 반사되어 되돌아오는 수신신호(RF Frequency)를 혼합하여 물체의 동작에 대한 정보를 생성하는 수신부의 역할을 수행한다. 주파수 혼합기는 unbalanced, single balanced, double balanced 등 여러 종류가 있으나 double balanced 방식이 RF 신호 및 LO 신호를 차동으로 입력받기 때문에 LO 입력단과 RF 입력단의 격리 특성이 우수하다. 따라서 외부 필터의 사용을 줄일 수 있으며, 각종 스퓨리어스 성분 또한 많이 줄여줄 수 있다. 또한 선형성 및 변환 이득, 잡음 특성이 우수하여 다른 구조들의 단점이 많이 개선된 주파수 혼합기이다[6][7].

본 연구에서는 동작 감지 센서가 넓은 감지 범위를 얻기 위하여 변환 이득 높고, 잡음 특성이 우수한 그림 6과 같은 double balanced의 한 방식인 Gilbert 셀 주파수 혼합기를 선택하여 설계를 진행하였다.

Fig. 6. 
Gilbert cell mixer

주파수 혼합기의 동작을 확인하기 위하여 10.525GHz의 LO 신호와 임의의 RF 신호를 입력하였을 때, 그 합과 차에 해당하는 IF 신호가 생성되는지 확인하였다. 그림 7은 1.8V의 V_DD 전압, 10.525GHz의 LO 신호, 11.025GHz의 RF 신호를 입력하였을 때, 출력되는 IF 신호이다. 시뮬레이션 결과 10.525GHz의 LO 신호와 11.025GHz의 RF 신호를 입력하면 두 신호의 차에 해당하는 500MHZ의 IF 신호가 생성되었으며, 500MHz의 IF 신호 안에는 10.525GHz의 LO 신호가 포함되어 있음을 확인할 수 있었다.

Fig. 7. 
IF signal of 500MHz

본 논문에서의 자체발진 혼합기는 잡음 특성이 우수한 p-코어 구조의 전압 조절 발진기와 변환 이득과 잡음 특성, 각 입력단 간의 격리 특성이 우수한 Gilbert 셀 주파수 혼합기를 하나의 회로로 통합하여 자체발진 혼합기를 설계하였다. 이렇게 통합되어 설계 된 자체발진 혼합기는 두 가지 종류의 회로가 개별적으로 동작할 때보다 전력 소비 측면에서 유리하며, 각 회로간의 임피던스 정합에서도 이점이 존재한다. 또한 고 집적화가 가능하기 때문에 설계 기술에 따라 원하는 특성은 극대화 시키면서 제품의 소형화가 가능해진다.

자체발진 혼합기가 동작 감지 센서로 활용될 때의 동작 원리는 전압 조절 발진기에서 생성된 10.525GHz의 송신 신호는 전력 증폭기를 통해 규격내의 송신 전력으로 증폭된 뒤, 송신 안테나를 통해 송신된다. 그 후 송신된 신호가 움직이는 물체에 반사되면서 변화되는 수신 신호가 수신 안테나를 통해 수신되며, 저 잡음 증폭기를 거쳐 주파수 혼합기로 수신된다. 이렇게 수신된 RF 신호는 전압 조절 발진기가 생성하는 LO 신호와 혼합되어 그 합과 차에 해당하는 새로운 신호를 생성하고, IF 신호로 출력하는 순서로 동작한다[11]. 자체발진 혼합기의 회로 설계는 0.18㎛ CMOS 공정을 사용하여 설계한 전압 조절 발진기와 주파수 혼합기를 통합하여 진행하였다. 그림 8은 설계된 자체발진 혼합기의 회로도이다. 자체발진 혼합기의 설계에서는 2개의 전압 조절 발진기를 사용하였는데 1개는 주파수 혼합기로 LO 입력을 인가해주는 역할을 하며, 다른 1개는 칩 제작 후 외부에서 전압 조절 발진기의 발진파형을 측정하거나, 안테나를 통해 송신하기 위한 목적으로 설계되었다[6]-[8].

Fig. 8. 
Schematic of a self oscillating mixer