고체 초고주파 신호 발생기 , 오실레이터 (GHz THz Signal Generation , oscillator)

가정	진공관 초고주파 신호 발생기 , 오실레이터 (GHz THz Signal Generation , oscillator) 초고주파 시스템 소자 전기 전자 계측, 측정 First Harmonics, Second Harmonics, Delta
요약
응용	진공관 초고주파 신호 발생기 , 오실레이터 (GHz THz Signal Generation , oscillator) Oscillator : 발진기 성능 향상법 (N-push , Frequency multiplier , power combining , beamforming

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전자 소자를 이용한 Transfer electron device 오실레이터는 Negative differential resistance(NDR) 즉 음의 저항의 성질이 나타나는 소자가 핵심입니다.

음의 저항이라는 것은 전압이 증가할 수록 전류가 감소한다는 뜻으로 전압을 증가시켰을때의 출력 전류를 적절한 주파수에 반응하는 공명기에 넣고 다시 입력 전압으로 받는다면, 낮은 입력 전압이 들어와서 다시 높은 전류가 출력되고 이것이 반복하여 진동하는 오실레이터가 제작되게 됩니다.

 

이 전자소자를 이용하는 것은 크게 다이오드와 트렌지스터를 이용하는 방법이 있는데,

다이오드 기반으로 Gunn Diode, IMPATT Diode, TUNNETT Diode, Resonant Tunneling Diode(RTD)가 있고

Transistor 회로 기반으로 LC Cross coupled oscillator, Colpitts oscillator, Ring Oscillator, Voltage Controlled oscillator 등이 있습니다.

먼저 전체적인 오실레이터 구성을 살펴본뒤 Diode부터 시작해서 하나하나 살펴보겠습니다.

 

오실레이터는 다음과 같이 이후 다룰 오실레이터 소자(음저항을 띄는)와 공명기(Resonator)를 연결해 놓은 형태로 다음과 같이 One port view로 볼 수 있습니다. 두 시스템의 등가 저항이 R1, R2라 할때

$$R_1=-R_2$$를 만족해야합니다. 이를 만족하게 된다면, 소신호 였던 아주 작은 Negative resistance가 공명기로 들어가 특정 주파수를 증폭시키게 되고 Network는 이를 받아 음저항으로 공명기에 다시 돌려주게 됩니다. 그렇다면 공명기능 특정 주파수를 더 증폭하게 되고 이와 같은 방식이 반복 됩니다. 즉 Two port view로 확인 한다면

여기서 입력 X에 대한 출력 Y의 증폭비가 무한대가 되어야 하는데 이를 만족시키는 조건을 Barkhausen's Criteria라 하는데 이 시스템의 증폭률이 1이고(사실 loss를 감안해 1보다 크면 됩니다.) phase shift가 한 주기(2n pi)여야 합니다.

 

이제부터 이 System을 살펴볼 건데 Diode부터 보겠습니다.

Gunn Diode

Gunn Diode는 3-5족 반도체 물질기반 소자로 전자가 Main valley라는 상태에서 Satelite valley라는 상태로 넘에갈때 생기는 NDR을 이용하는 Oscillator입니다.

 

이는 500GHz에서 20dBm을 가지는 성능이 있습니다.

 

IMPATT Diode

IMPATT Diode는 PN junction의 Breakdown을 이용하여 NDR을 만들어 내는데요.

여기서 사용하는 것은 Avalanche breakdown입니다. IMPATT라 불리는 이유는 Avalanche에서 impatt ionization이 발생하기 때문입니다.

 

다음으로 TUNNET Diode가 있습니다. 이는 Breakdown 중 제너 Breakdown을 이용합니다. 즉 IMPATT와 같은 원리인데, IMPATT와 비교해서 Delay time이 짧아 고주파가 가능하고 noise도 적습니다.(Exploit tunneling이라고도 불림) 가해주는 DC로 주파수를 제어할 수 있습니다.

즉 IMPATT는 400GHz이고 TUNNET은 700GHz정도 입니다. 반면 IMPATT는 파워가 좋고 TUNNET은 power가 낮은 차이점이 있습니다.

 

RTD

마지막으로 Resonant Tunneling Diode(RTD)라는 것이 있는데, 이는 E-field를 가하며 에너지 베리어의 misalignment가 반복되며 전류가 감소하는 상황을 이용합니다.

이때 RTD는 Slot의 형태로 안테나와 Resonator로 구성이 되는데 Frequency는 Slot의 안테나 길이에 의해 결정되고, 총 Delay시간은 양자우물에 갖혀있는 시간과 transit time에 의해 결정 됩니다.

 

다음으로 Transistor를 이용한 방법에대해 다룰건데요. 여기서는 앞서 보았던 Barkhausen's Criteria가 중요합니다. 짧게 복습을 하자면 다음그림만 보시면 됩니다.

LC Cross Coupled OScillator

그럼 바로 LC Cross coupled oscillator를 보겠습니다. 아래 그림과 같은 회로의 Core 부분의 전압 전류를 계산해 본다면

다시말에 전압이 인가되면 반대의 전류가 나오게 됩니다. 이때 Transistor에 MOSFET은 괜찮지만, BJT는 capacitor를 넣어 Gate와 Drain 사이에 DC적으로 Open되게 해야하기 때문에 추가 회로를 구성해야하는 단점이 있습니다. 

또한 Inherent한 Differential로 Noise가 적으나, LC tank 때문에 회로 사이즈가 크게 됩니다. 사실 주파수가 올라가면 LC회로를 작게 만들수 있어 작아지지만, 너무 작아지다보면 uniformity가 안좋아지는 영향도 있습니다. 또한 Transconductance가 커야하는데 사이즈가 작아지면 커지게 됩니다.

마지막으로 Differential이기 때문에 Balan을 달아주어 Single Ended로 바꿔줘야 하는데, 이것도 추가회로가 붙게 되어 커지게 됩니다.

 

Colpitts Oscillator

다음은 Colpitts Oscillator입니다. 이는 앞서보았던 LC Cross Coupled Oscillator와 달리 Single Ended의 Oscillator입니다.

이는 transistor의 passive 성질을 이용할 수도 있는 오실레이터로 직렬 capacitor의 dividing에서 가져가는 것입니다.

(참고로 인덕터를 dividing해서 가져가는 것은 Hartley oscillator라 합니다.)

그림이 너무 길어서 축약하여 설명하자면, 가장 처음 그린 회로도에서 X의 전압이 증가한다면, X에서 Capacitor를 통해 흐르는 Path로 전류가 흘러 Y의 전압이 증가하게 되고, Y가 즉 Transistor의 Source Voltage이므로 Source Voltage가 증가하며 Transistor가 Off상태가 되고 그러면 X가 다시 증가하게 됩니다.

이는 1THz까지 가할 수 있는 간단하면서도 강력한 오실레이터 입니다.

 

Ring Ocsillator

다음은 Ring Oscillator입니다. Ring Oscillator는 전통적으로 2port view로 보는것이 편한데, 여기서는 Negative Resistance를 이용하는 것이 아닌 Gate Delay를 이용해 Oscillator를 만들어 냅니다.

이것은 크기가 작은 반면에 Phase Noise가 엄청 많이 있습니다.  따라서 PLL이나 Lockin으로 사용됩니다.

 

Phase noise (FOM)

여기서 잠깐나온 Phase noise에 대해 살짝 다뤄본다면 파형에 Noise가 껴서 Phase가 Shift가 된것 처럼 보이는 것입니다. 이를 나타내는 척도가 Figure of Merit (FOM)이라는 것인데, FOM은 작을 수록 좋습니다.

이것이 가장 크게 영향을 미치는 부분은 바로 높은 주파수를 낮추는 Downconvert상황에서 여러 존재하는 signal 들과 overlap되는 문제가 있습니다. 이를 Reciprocal mixing이라 합니다.

 

VOC - Varactors

다음으로 VOCs 즉 Voltage Controlled Oscillators인데요

이 Oscillator는 특히 주파수 값을 선택할 수 있는 Channel이나 Band를 선택하게 하는 Oscillator인데요, 주파수의 Tuning을 위해 C값을 조절해 줍니다.

이 주파수를 Tuning시켜주는것을 Varactor라 합니다. 다시말해 VOCs는 Varactors를 적용한 Oscillator라 생각해도 되니 바로 Varactors에 대해 다뤄보겠습니다. Varactor는 어떤 회로에서 Capacitor가 변화하는 것으로 Oscillator가 아닌 Resonator(공명기)라 보시면 되는데, 이 공명기에서 중요한 인자는 바로 Q factor입니다.

Q factor는 특정 주파수에서 얼마나 뾰족한 peak을 가지고 있느냐를 나타내는 것인데요

다음과 같은 관계를 가집니다. 이제 Varactor를 적용한 공명기에서 Q factor를 살펴본다면 

이 Q factor는 Inductor에 Capacitance 성분때문에 주파수가 올라갈때 올라가다가 떨어지게 됩니다.

이제 본격적으로 어떻게 Varactor의 Capacitor가 변화하는지 살펴보자면, 2가지 타입이 있습니다.

바로 Junction Varactor와 MOS varactor인데요

Junction varactor의 경우 Base-collector junction과 Hyperabrupt junction(B-C junction + Devoted implant)으로 나뉘는데,

Base-collector의 경우 Tunning range가 적어 주파수가 별로 변화하지 않고, Hyperabrupt junction은 어느정도는 변화하지만, Junction의 Doping profile을 반대로 해서 Junction에서 멀어질 수록 낮아지도록 제작하는데 복잡하오니 생략하겠습니다.

 

반면 MOS varactor의 경우 크게 변화하기 때문에 이를 집중적으로 살펴보겠습니다. 

즉 MOS Transistor에서 유명한 C-V Curve를 이용하는데요, Source/Drain이 p-type이든 n-type이든 주파수에는 영향을 주지 않습니다. 

 

PLL

마지막으로 Phase Locked Loop (PLL)에 대해 다뤄보겠습니다. 앞서한 VOC를 이용하는 복합 회로장치인데요

간략하게 설명하자면 주파수가 낮지만 엄청나게 안정된(Q factor가 높은) Oscillaotr를 두고 입력 주파수를 Downconvert해서 안정된 주파수에 맞추고 이와 동기화 하게하여 안정화 시키고 다시 올립니다. 즉 주파수를 안정화 시켜서 증폭하는거라고 보면 됩니다.

다시말해 Vout의 주파수가 올라가면 똑같이 VPD가 커지고 VLPF가 점점 올라가서 바뀐주파수로 안정화가 되게 됩니다.

여기서 깊게 다루지 않은 부분이 있는데 바로 Frequency Divider입니다. 잠시 Frequency Divider를 살펴보고 포스팅을 마치겠습니다.

Frequency Divider

Frequency Divider에는 다양한 타입이 있는데 대표적으로

Static divider, Miller divider, Indection-locked divider가 있습니다.

Static divider와 같은 경우 Locking Range가 넓으나 속도가 낮고 높은 스피드를 하려면 많은 파워소모가 듭니다. 따라서 작은 속도를 다룰때 사용합니다. 이는 Filp flop 2개를 붙여논 것으로 파장을 두배로 늘려 주파수를 두배 낮춥니다.

Miller Divider는 넓은 locking range(Static 보다는 낮습니다.)에 높은 스피드가 있지만 파워 소모도 큽니다. 이는 Dynamic divider, Regenerative divider라고도 불립니다. Mixer에 LPF를 달아논 것으로 낮은 주파수의 하모닉을 Low pass filter에 통과하여 가장 낮은 주파수 파만 방출하는 것입니다. 특히 CMOS miller divdier는 ILFP와 동일한데 단지 oscillator에 input을 준거랑 같습니다.

Injection locked divdier는 높은 스피드이고 파워소모가 적지만, locking range가 좁습니다. 사실 이는 Oscillator라 보아도 무방한데 원래 oscillator에 input을 주고 input이 원래꺼에서 약깐 벗어나는 경우 Free Running으로 out과 input이 같아지도록 됩니다. 즉$$\omega _0 \rightarrow \omega_0 +1$$ 처럼 input과 같아지게 하여 oscillator가 외부신호에 의해 맞춰집니다.

따라서 oscillator는 sharp하지 않아야 합니다.