The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science (한국전자파학회논문지)

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Electromagnetic Susceptibility Analysis of Phase Noise in VCOs

위상 잡음 이론을 적용한 전압 제어 발진기의 전자파 내성 분석

  • Hwang, Jisoo (College of Information and Communication Engineering, Sungkyunkwan University) ;
  • Kim, SoYoung (College of Information and Communication Engineering, Sungkyunkwan University)
  • 황지수 (성균관대학교 정보통신대학) ;
  • 김소영 (성균관대학교 정보통신대학)
  • Received : 2015.01.09
  • Accepted : 2015.04.30
  • Published : 2015.05.31
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Abstract

As the integration of circuit components increases steadily, various EMS(Electromagnetic Susceptibility) problems have emerged from integrated circuits and electrical systems. The electromagnetic susceptibility of VCOs(Voltage Controlled Oscillator) is especially critical in RF systems. Therefore, in this paper, through the phase noise theory that models electrical oscillators as linear time variant systems, the EMS characteristics of representative VCO -ring VCO and LC VCO- with 1.2 GHz of reference oscillating frequency are analyzed under the existence of the electromagnetic noise coupled in power supply. An simulation algorithm is developed to extract impulse response function based on the phase noise theory. When there is no supply noise, the magnitude of the jitter of two oscillators were similar to around 2.1 ps, but in presence of supply noise, the jitter was significantly lower in LC VCOs than ring VCOs.

회로 구성 요소의 집적도가 꾸준히 증가하는 경박단소화 추세에 따라, 회로와 각종 전자 시스템들의 전자파 내성(EMS: Electromagnetic Susceptibility) 문제가 대두되고 있다. 그 중에서도 VCO(Voltage Controlled Oscillator)는 RF 시스템에서 중요한 역할을 하는 만큼, 해당 회로의 전자파 내성에 대한 연구를 필요로 하는 실정이다. 따라서 본 논문에서는 전기적 발진기에서 발생하는 위상 잡음을 선형시불변(LTV: Linear Time Variant) 시스템으로 해석하는 위상 잡음 이론을 적용하여, 1.2 GHz 의 기준 발진 주파수를 갖는 링 VCO와 LC VCO에 대해 전원 전압에 가해진 잡음에 따른 전자파 내성을 분석하였다. 시간 영역 시뮬레이션 결과로, 위상잡음 특성을 나타내는 지표가 되는 임펄스 강도를 추출하는 알고리즘을 구현하였다. 전원 잡음이 존재하지 않는 경우에는 두 VCO에서 발생하는 지터의 크기가 2.1 ps로써 비슷하였으나, 다양한 전원 잡음이 인가됨에 큰 차이를 보이며, LC VCO의 EMS 특성이 링 VCO에 비해 우수한 것을 임펄스 감도 함수와 eye-diagram을 통해 확인하였다.

Keywords

References

  1. Harrison Chang, Vincent Chen, USI at SEMICON West 2013. available: http://www.semi.org/
  2. A. Hajimiri, T. H. Lee, The Design of Low Noise Oscillators, Springer, 1999.
  3. F. Herzel, B. Razavi, "A study of oscillator jitter due to supply and substrate noise", IEEE Trans. on Circuits and Systems-II: Analog and Digital Signal Processing, vol. 46, no. 1, pp. 56-62, Jan. 1999. https://doi.org/10.1109/82.749085
  4. R. Navid, T. H. Lee, and R. W. Dutton, "Minimum achievable phase noise of RC oscillators", IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 40, no. 3, pp. 610-637, Mar. 2005.
  5. D. B. Leeson, "A simple model of feedback oscillator noises spectrum", Proc. IEEE, vol. 54, pp. 329-330, Feb. 1966. https://doi.org/10.1109/PROC.1966.4682
  6. A. Hajimiri, T. H. Lee, "A general theory of phase noise in electrical oscillators", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 33, no. 2, pp. 179-194, Feb. 1998. https://doi.org/10.1109/4.658619
  7. J. Kim, "Noise coupling analysis for mixed signal systems", Ph. D. dissertation, Stanford University, 2012.
  8. J. A. McNeil, "Jitter in ring oscillators", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 32, no. 6, pp. 870-879, Jun. 1997. https://doi.org/10.1109/4.585289
  9. 김영완, 박동철, "위성통신 시스템용 위상 고정 루프주파수 합성기의 위상 잡음 예측 모델", 한국전자파학회논문지, 14(8), pp. 777-786, 2003년 8월.
  10. 조형래, 최정수, "PLL 주파수 합성기에서 발생하는 위상잡음의 영향", 한국전자파학회논문지, 12(6), pp. 865-870, 2001년 10월.
  11. J. Hwang, S. Kim, "Electromagnetic susceptibility analysis of phase noise in VCOs", The 18th IEEE International Symposium on Consumer Electonics(ISCE 2014), pp. 293-294, Jun. 2014.
  12. ISO 11452-4 Standard - Road Vehicles-Component Test Methods for Electrical Disturbances From Narrowband Radiated Electromagnetic Energy-Part 4: Bulk Current Injection(BCI), Apr. 2005.
  13. IEC 62132-3, Integrated circuits-Measurement of Electromagnetic Immunity - 150 kHz to 1 GHz, Part 3: Bulk Current Injection(BCI) Method.
  14. A. Alaedline, et al., "A direct power injection model for immunity prediction in integrated circuits", IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility, vol. 50, no. 1, pp. 52-62, Feb. 2008. https://doi.org/10.1109/TEMC.2007.911920
  15. IEC 62132-4, "Integrated circuits-measurement of electromagnetic immunity", 150 kHz to 1 GHz-Part 4: Direct RF Power Injection Method.