A High-Speed Voltage-Controlled Ring-Oscillator using a Frequency Doubling Technique

This paper proposed a high-speed voltage-controlled ring-oscillator(VCRO) using a frequency doubling technique. The design of the proposed oscillator has been based on TSMC 0.18um 1.8V CMOS technology. The frequency doubling technique is achieved by AND-OR operations with 4 signals which have $90^{\circ}$ phase difference one another in one cycle. The proposed technique has been implemented using a 4-stage differential oscillator compose of differential latched inverters and NAND gates for AND and OR operations. The differential ring-oscillator can generate 4 output signals, which are $90^{\circ}$ out-of-phase one another, with low phase noise. The ANP-OR operations needed in the proposed technique are implemented using NAND gates, which is more area-efficient and provides faster switching speed than using NOR gates. Simulation results show that the proposed, VCRO operates in the frequency range of 3.72 GHz to 8 GHz with power consumption of 4.7mW at 4GHz and phase noise of ~-86.79dBc/Hz at 1MHz offset. Therefore, the proposed oscillator demonstrates superior performance compared with previous high-speed voltage-controlled ring-oscillators and can be used to build high-performance frequency synthesizers and phase-locked loops for radio-frequency applications.

주파수 배가 방법을 이용한 고속 전압 제어 링 발진기

본 논문에서는 주파수 배가 방법을 사용한 초고속 전압 제어 링 발진기를 제안하였다. 제안한 전압 제어 발진기는 TSMC 0.18um 1.8V CMOS 공정을 사용하여 설계하였다. 제안한 주파수 배가 방법은 한 주기 안에서 $90^{\circ}$의 위상차를 가지는 4개의 신호를 AND-OR 연산하여 기본 신호의 두 배 주파수를 가지는 신호를 얻어내는 방법이다. 제안한 발진기는 차동 4단 링 발진기와 NAND 게이트를 사용하여 구성하였다. 전압 제어 링 발진기는 완전 차동 형태로 설계하여 정확하게 $90^{\circ}$의 위상차를 가지는 4개의 신호를 얻을 수 있었으며 공통 모드 잡음에 대해 우수한 잡음 성능을 가지게 되었다. 주파수 배가회로는 AND나 OR 게이트에 비해 집적도가 뛰어난 NAND 게이트를 사용하여 AND-OR 연산을 구현하였다. 설계된 전압 제어 링 발진기는 컨트롤 전압에 따라 3.72GHz에서 8GHz의 출력 주파수를 가지며 4GHz에서 4.7mW의 소비 전력과 1MHz 오프셋 주파수에서 -86.79dBc/Hz의 위상잡음 성능을 가짐을 검증하였다. 기존의 고속 전압 제어 링 발진기와의 비교에서도 모든 면에서 가장 뛰어난 성능을 보였고 저렴한 고속 주파수 합성기와 위상 고정 루프 등에 응용될 수 있음을 보였다.