[논문 리뷰] Designing of RF Single Balanced Mixer with a 65nm CMOS Technology Dedicated to Low Power Consumption Wireless Applications

Raja Mahmou, Khalid Faitah|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 15.

Radio Frequency Integrated Circuit Design참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 1.9GHz 무선 응용 분야를 위한 65nm CMOS 공정 기술로 설계된 저전력 RF 단일 밸런스 믹서(SBM)를 제시한다. 선형성과 성능을 유지하면서 전력 소모를 최소화하기 위해 최적화된 바이어스 및 회로 구조를 적용하여 시뮬레이션에서 15.2 dB의 변환 이득과 1.2 mW의 전력 소산을 달성하였다.

ABSTRACT

The present work consists of designing a Single Balanced Mixer(SBM) with the 65 nm CMOS technology, this for a 1.9 GHz RF channel, dedicated to wireless applications. This paper shows; the polarization chosen for this structure, models of evaluating parameters of the mixer, then simulation of the circuit in 65nm CMOS technology and comparison with previously treated. Keywords: SBM Mixer, Radio Frequency, 65 nm CMOS Technology, Non-Linearity, Power Consumption.

연구 동기 및 목표

• 1.9GHz에서 동작하는 무선 통신 시스템을 위한 저전력 RF 믹서 개발
• 고급 CMOS 스케일링 공정 기술을 활용한 RF 믹서 회로의 전력 소비 감소
• 작은 면적을 차지하면서도 양호한 선형성과 변환 이득을 확보한 설계
• 이전 연구 결과와의 성능 비교를 통한 시뮬레이션을 통한 설계 검증

제안 방법

• 선형성 향상을 위해 액티브 로드와 전류 스킴을 적용한 단일 밸런스 토폴로지 기반 SBM 설계
• 직류 전력 소비를 최소화하면서 신호 헤드룸을 유지하기 위해 바이어스 조건을 철저히 선택
• 표준 디지털 설계 프로세스에 기반해 65nm CMOS 공정 파ameters를 사용한 회로 시뮬레이션 수행
• SPICE 수준의 시뮬레이션에서 변환 이득, IIP3, 전력 소산과 같은 주요 성능 지표 추출
• 비선형성 분석을 위해 이차조합 왜곡(IMD3) 및 IIP3 지표를 활용해 동적 범위 평가
• 기존에 보고된 믹서들과의 비교를 통해 전력 효율성과 선형성 측면에서 설계 성능 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 65nm CMOS RF 믹서에서 1.9GHz 응용 분야에서 전력 소비를 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ2 단일 밸런스 믹서에서 선형성과 변환 이득을 최적화하기 위해 어떤 바이어스 및 토폴로지 선택이 필요한가?
• RQ3 기존 설계들과 비교했을 때 제안된 SBM의 전력 효율성과 선형성 측면에서의 성능은 어떠한가?
• RQ4 서미크론 CMOS 믹서 설계에서 면적, 전력, 성능 간의 상충 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 SBM는 1.9GHz에서 15.2 dB의 변환 이득을 확보하여 강력한 신호 전달 효율성을 보였다.
• 믹서는 전력 소모가 단지 1.2 mW에 불과하여 저전력 무선 시스템에서 높은 에너지 효율성을 입증하였다.
• 측정된 IIP3 값이 -10 dBm으로 양호한 선형성을 확보하여 간섭이 적은 환경에 적합함을 입증하였다.
• 시뮬레이션 결과, 65nm CMOS 공정이 성능을 유지하면서도 뚜렷한 전력 스케일링을 가능하게 함을 확인하였다.
• 유사 조건에서 이전에 보고된 믹서들과 비교해 본 결과, 전력 소비와 변환 이득 측면에서 본 설계가 뛰어난 성능을 보였다.