Optimal Design of VCO Using Spiral Inductor

We optimally designed the VCO(voltage-controlled oscillator) with spiral inductor using the MOSIS HP 0.5${\mu}{\textrm}{m}$ CMOS process. With the developed SPICE model of spiral inductor, the quality factor of spiral inductor was maximized at the operating frequency by varying the layout parameters, e.g., metal width, number of turns, radius, space of the metal lines. For the operation frequency of 2㎓, the inductance of about 3nH, and the MOSIS HP 0.5 CMOS process with the metal thickness of 0.8${\mu}{\textrm}{m}$, oxide thickness of 3${\mu}{\textrm}{m}$, the optimal width of metal lines is about 20${\mu}{\textrm}{m}$ for the maximum Quality factor. With the optimized spiral inductor, the VCO with LC tuning tank was designed, fabricated and measured. The measurements were peformed on-wafer using the HP8593E spectrum analyzer. The oscillation frequency was about 1.610Hz, the frequency variation of 250MHz(15%) with control voltage of 0V - 2V, and the phase noise of -108.4㏈c(@600KHz) from output spectrum.

나선형 인덕터를 이용한 VCO 최적설계

나선형 인덕터를 이용한 VCO를 MOSIS의 HP 0.5㎛ CMOS 공정으로 최적 설계하고 제작하였다. 나선형 인덕터의 SPICE 모델을 이용하여, Q지수(qualify factor)를 동작 주파수에서 최대화하기 위하여 레이아웃 변수인 금속선 폭, 회전수, 내경, 간격 등을 최적화하였다. 만약 동작주파수가 2㎓, 인덕턴스가 약 3nH이고, 금속선 두께 0.8㎛, 절연 산화막 두께 3㎛를 사용하는 MOSIS HP 0.5㎛ CMOS 공정의 경우 금속선 폭은 20 정도로 하는 것이 Q지수를 최대로 함을 확인하였다. 이렇게 최적화된 나선형 인덕터를 LC 공진 탱크에 사용하여 VCO를 설계, 제작 및 측정을 하였다. 측정은 온웨이퍼(on-wafer)상에서 HP8593E 스펙트럼 에널라이저를 이용하였다. 발진신호의 주파수는 약 1.61㎓이고, 컨트롤전압이 0V -2V변화할 때 발진주파수는 약 250㎒(15%) 변화하였으며, 출력 스펙트럼으로부터 중심주파수 1.61㎓에서 offset 주파수가 600㎑ 때의 위상잡음이 -108.4㏈c/㎐ 였다.