I n te r n ati o n al   Jo u r n al   o El e c tr i c a l   an d   C o m p u te r   En gi n e e r i n g   (I JEC E )   V o l .   7 ,   N o .   1 F e b r ua r y   201 7 ,   pp .   1 5 2 ~ 1 59   IS S N :   2088 - 8708 D O I :   10. 1 1591 / i j e c e . v 7 i 1 . pp152 - 15 9             152       Jou r n al   h o m e pa ge ht t p: / / i ae s j o ur nal . c om / on l i n e / i nde x . php/ IJ E C E   S i n g l e - S t a g e   L o w - P o w e r   D o u b l e - B a l a n c e d   M i x e r   M e r g e d   w i t h   L N A   a n d   V C O       N am - Ji n   O h   D e pa r t e m e nt   o f   E l e c t r o ni c   E ng i n e e r i ng ,   K o r e a   N a t i o na l   U ni v e r s i t y   o f   T r a ns po r t a t i o n,   C hu ng j u,   K o r e a       A r ti c l e   I n fo     A B S TR A C T   Ar t i c l e   h i s t or y :   R e c e i v e d   O c t   2 0 ,   201 6   R e v i s e J a n   2 8 ,   201 7   A c c e pt e J a n   3 0 ,   201 7       T hi s   p a pe r   pr o po s e s   t hr e e   t y pe s   o f   s i ng l e   s t a g e   l o w - po w e r   R F   f r o nt - e nd,   c a l l e d   do ubl e - ba l a nc e L M V s ,   by   m e r g i ng   L N A ,   m i xe r ,   a nd   v o l t a g e - c o nt r o l l e o s c i l l a t o r   ( V C O )   e xp l o i t i ng   a   s e r i e s   L C   ( S L C )   n e t w o r k .   T he   l o w   i nt e r m e di a t e   f r e qu e nc y   ( I F )   o r   ba s e ba n s i g na l   c a be   di r e c t l y   s e ns e a t   t h e   dr a i no de s   o f   t he   V C O   s w i t c h i ng   t r a ns i s t o r s   by   a ddi ng   a   s i m p l e   r e s i s t o r - c a pa c i t o r   ( RC )   l o w - pa s s   f i l t e r   ( L P F ) .   B y   a do pt i ng   a   do ubl e - ba l a n c e m i xe r   t o po l ogy ,   t he   s t r o ng   l e a k a g e   o f   t he   l o c a l   o s c i l l a t o r   ( L O )   a t   t he   I F   o ut pu t   i s   e f f e c t i v e l y   s uppr e s s e d.   U s i ng   a   65  nm   C M O S   t e c hno l o gy ,   t he   pr o po s e do ubl e - ba l a nc e d   L M V s   ( D B - L M V s )   a r e   de s i g ne d .   O s c i l l a t i ng   a t   a r o und  2 . 4   G H z   I S M   ba n d,   t he   pha s e   no i s e   o f   t he   p r o po s e t hr e e   D B - L M V s   i s     111  dB c / H z   a t   M H z   o f f s e t   f r e qu e nc y .   T he   s i m ul a t e v o l t a g e   c o nv e r s i o g a i i s   l a r g e r   t ha 36  dB   a nd  t he   do ubl e - s i d e   ba n ( D S B )   no i s e   f i g ur e   ( N F )   i s   l e s s   t ha 7. dB .   T he   D B - L M V s   c o ns um e   o nl y   0. m W   dc   pow e r   f r o m     1 - V   s upp l y   vo l t a g e .   Ke y w or d:   D o u b l e - b a l a n c e m i xe r   L M V   c e l l   P ha s e   n o i s e   S e r i e s   L t a n k   V o l t a ge - c o n t r o l l e o s c i l l a t o r   C opy r i gh t   ©   201 7   I n s t i t ut e   o f   A dv anc e E ng i ne e r i ng   and   S c i e nc e   A l l   r i gh t s   r e s e r v e d .   Cor r e s pon di n g   Au t h or :   N a m - J i O h   D e pa rt e m e nt   o f   E l e c t r o ni c   E ngi n e e ri n g ,   K o r e a   N a t i o na l   U n i v e r s i t y   of   T ra n s po rt a t i o n ,   50  D a e ha k - r o ,   C h u n gj u,   C hu n gb uk  380 - 702 ,   K o r e a .   E m a i l :   o n a m j i n @ ut . a c . k r       1.   I N TR O D U C TI O N   L o w   p ow e r ,   l o w - vo l t a ge ,   a n hi g h l y   i n t e g ra t e c i r c u i t s   a r e   a l w a y s   t h e   m a i n   t o pi c s   fo r   i n t e g ra t e c i r c ui t   de s i g n ,   e s pe c i a l l y   ve r y   i m po r t a n t   f o r   m o b i l e   w i r e l e s s   c o m m un i c a t i o n   s y s t e m s   due   t o   t h e   l i m i t a t i o n   o b a t t e r y   l i f e .   S i n g l e   s t a ge   c i r c ui t s   c o m b i ni n m i xe r   a n o s c i l l a t o r   h a v e   b e e n   de s i g n e f o r   t h e   pu r po s e   of   a   hi g h e r   de gr e e   o f   i n t e gra t i o n   a n r e duc i n po w e r   c o n s um pt i o n.   F o r   h i g h l y   i n t e g ra t e l o w - pow e r   r e c e i v e r   f r o n t - e n d ,   a   c urr e nt   r e us e   t e c hn i que   i s   t y pi c a l l y   c h o s e n   a c r o s s   di ff e r e n t   f un c t i o n a l   b l o c ks .   A   p o pul a r   m e t h o i s   s t a c ki n t h e   m i xe r   o n   t o of  t h e   i n put   s t a ge   of   t h e   l ow - n o i s e   a m pl i f i e r   (L N A ),   w h i l e   l e s s   f r e que n t   o n e   i s   s t a c ki n m i xe r   a n v o l t a ge - c o n t r o l l e o s c i l l a t o r   (V CO [1 - 4 ].   I n   [1],   a   do ub l e   b a l a n c e m i xe r   i s   s t a c ke o n   t o o f   t h e   v o l t a ge - c o n t r o l l e o s c i l l a t o r   (V CO )   by   us i n g   t h e   c urr e nt   r e us e   t o po l o g y .   T h e   ra di o   f r e que n c y   ( R F )   i n put   s i g na l   i s   a pp l i e t o   t h e   i nput   o f   t h e   m i xe r,   a n t h e   o s c i l l a t o s i g na l   i s   a ppl i e t o   t h e   s o ur c e   n o de s   of   t h e   m i xe r .   M o r e o v e r ,   t hi s   t o po l o g y   a ppl i e s   a   s e pa ra t e   dc   b i a s   t o   t h e   V CO .     In   [2] ,   t h e   R F   f r o n t - e n m e r ge s   L N A ,   m i xe r,   a nd  V CO   (L M V i n   a   s i ngl e   s t a ge   (F i gu r e   1).   T hi s   t o po l o g y   s t a c ks   V CO   o n   t o of   t h e   m i xe r.   T h e   c u rr e n t   s o ur c e   of   t h e   m i xe r   i s   m o di f i e a s   t h e   L N A   w i t h   i n duc t o de ge n e r a t i o n.   T hi s   t o po l o g y   pe r fo r m s   R F   a m p l i f i c a t i o n ,   m i xi ng,   a nd  l o c a l   o s c i l l a t o r   (L O ge n e r a t i o w h i l e   s h a ri n t h e   s a m e   b i a s   c u rr e n t   a n d   t h e   s a m e   de v i c e s   a m o n a l l   t h e   b l o c ks   of   t h e   R F   f r o nt - e nd,   r e s ul t i ng  i n   a   v e r y   l ow - pow e r   a n d   s m a l l - a r e a   c hi s o l ut i o n .   S i n c e   t h e   i n t e r m e di a t e   f r e que n c y   (IF o ut put s   a r e   c o n n e c t e t o   t h e   s o ur c e   n o de s   of   t h e   V CO ,   t h e   v o l t a ge   ga i n   i s   l i m i t e due   t o   t h e   l ow   i m pe da n c e   a t   t h e   s o ur c e   n o de s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ E CE     IS S N :   2088 - 8708       A   S i ngl e   St a ge   L ow   P o w e r   D oubl e   B al a nc e Mi x e r   Me r g e d   w i t L NA   an V CO   ( Nam   J i n   O h)   153       F i gu r e   1 .   L i s c i di ni ’s   L M V   C e l l   i [2]       A   c o n v e n t i o na l   V CO   w i t h   a   c u rr e n t   s o u r c e   c a n   b e   c o n s i de r e a s   a   m i xe r   w h e n   a   R F   s i g na l   i s   a ppl i e t o   t h e   i n put   po rt   o t h e   c urr e n t   s o ur c e .   F o r   t h e   c o n ve n t i o n a l   V CO ,   t h e   dow n - c o n v e r t e IF   s i gna l   a t   t h e   V CO   o ut put   i s   n e gl i g i b l e   due   t o   t h e   l ow   i m pe da n c e   a t   t h e   l o w   fr e que n c y .   If   a   s e r i e s   r e s o n a t o r   i s   e m p l oy e d,   t h e   i m pe da n c e   i s   hi g h   a t   t h e   l o w   f r e que n c y   a n t h e   IF   s i g na l   c a n   b e   r e c o ve r e w i t h o ut   a n y   s i gn a l   l o s s .   A   s i ngl e - b a l a n c e L M V   i s   pr o po s e i n   [5] .   H ow e ve r ,   t h e   s i ngl e - b a l a n c e t o po l o g y   h a s   a   di s a dv a nt a ge   of   s t r o n g   L O   l e a ka ge   a t   t h e   IF   o ut put   w h i c h   c a n   s a t u r a t e   t h e   f o l l ow i n s t a ge s .   If   a   do ub l e - b a l a n c e t o po l o g y   i s   a do pt e fo r   t h e   m i xe r,   t h e   s t r o ng  L O   l e a ka ge   c a n   b e   r e j e c t e s u c c e s s f ul l y .   F o r   t h e   R F   f r o n t - e nd  f r o m   a nt e nna   t o   L N A ,   t h e   i n p ut   a n o ut pu t   s i g n a l   i s   t y pi c a l l y   s i n gl e - e n de a n r e q ui r e s   a   s i n g l e - to - di f fe r e nt i a l   c o n v e r s i o n   b a l u n   f o r   t h e   fo l l ow i n do ub l e - b a l a n c e m i xe r .   T h i s   e xt ra   b a l u n   c a n   de gr a de   t h e   o ve r a l l   s y s t e m   n o i s e   f i gur e   o f   t h e   r e c e i v e r .   T h e r e f o r e ,   a   s i ngl e - e nde i nput   i s   de s i r a b l e   f o r   t h e   do ub l e - b a l a n c e m i xe [6 - 7] .   In   t h i s   p a pe r,   s i ngl e - s t a ge   do ub l e - b a l a n c e L M V s   (D B - L M V s w i t h   di f f e r e n t i a l   a n s i n gl e - e n de i n put   a r e   p r o po s e c o m b i n i n g   L N A ,   m i xe r ,   a n d   V CO   t o   s uppr e s s   t h e   L O   l e a ka ge   a t   t h e   IF   o ut put .   By   e xpl o i t i n a   s e r i e s   LC   (S L C)  n e t w o r i n s t e a o f   a   pa ra l l e l   LC   (P L C)  n e t w o r k,   t h e   l o w   f r e que n c y   IF   o r   b a s e b a n s i g n a l   c a b e   di r e c t l y   e xt r a c t e f r o m   t h e   d ra i o ut put s   o f   t h e   V CO .   T hi s   p a pe r   i s   o r g a n i z e a s   fo l l ow s .   In   S e c t i o II,   t h e   t ra d i t i o n a l   LC   t a n k   o s c i l l a t o r   i s   de s c r i b e a s   a   m i xe r,   a nd  a   de t a i l e a na l y s i s   fo r   t h e   pr o po s e D B - L M V s   a r e   g i v e n .   I n   S e c t i o III ,   a n   e xpe r i m e n t a l   pe r f o r m a n c e   i s   g i v e n   b a s e o n   s i m u l a t i o us i n 6 nm   CM O S   t e c hn o l o g y .   F i n a l l y ,   a   c o n c l us i o n   i s   g i v e n.       2.   C I R C U I D ES I G N   O F   D B - L M V   A   c o n v e n t i o n a l   LC   t a n o s c i l l a t o r,   a s   s h o w n   i n   F i gu r e   2,   pe r f o r m s   t h e   m i xi n p r o c e s s   s i n c e   a n   R F   s i g n a l   i t h e   V CO   b i a s   c u rr e n t   i s   do w n - c o n v e r t e by   t h e   s w i t c hi n t r a n s i s t o r s .   A l s o ,   by   t h e   s a m e   m e c ha n i s m ,   t h e   dc   c u rr e n t   o f   M cs   i s   up - c o n v e r t e t o   t h e   L O   f r e que n c y .   W i t h   t h e   c o m pl e t e   s w i t c hi n i s   a s s um e f o r   t h e   M sw1   a n d   M sw2 ,   t h e   a m p l i t ude   o f   t h e   V CO   o ut pu t   i s   g i v e n   b y     L CS LO R I V 4                                                                                                                                                               (1)     a n t h e   c u rr e n t   a t   t h e   V CO   o ut put   po rt   i s   g i v e n   by       . . . ) c o s ( 2 c o s 4 , t v g t I i RF LO RF m LO CS SB O                                                                         (2)     w h e r e   I CS   a n g m   a r e   t h e   dc   c u rr e n t   a n t ra n s c o n duc t a n c e   o f   t h e   c urr e n t   s o ur c e   M CS ,   r e s pe c t i v e l y .   T h e   f i r s t   t e rm   i n   ( 2 i s   t h e   L O   c o m po n e n t   o f   t h e   V CO .   T h e   l o w   f r e que n c y   IF   s i gn a l   (t h e   s e c o n t e r m )   i s   s e v e r e l y   a t t e n u a t e s i n c e   t h e   i nduc t o r   o f   t h e   P L t a nk  i s   s h o r t   a t   a r o u n dc .   A l s o ,   t h e   h i g h e r   o rde r   f r e que n c y   c o m po n e n t s   a r e   a t t e n ua t e by   t h e   P L t a n k .   I n   F i gu r e   2 ,   a t t e m pt i n g   t o   s e n s e   t h e   do w n - c o n v e r t e c o m po n e n t   a t   t h e   V CO   o ut pu t   u na v o i da b l y   d e gr a de s   t h e   p h a s e   n o i s e   [ 2].   O n e   po s s i b l e   s o l ut i o n   i s   t o   e xpl o i t   t h e   S L n e t w o r f o r   t h e   V CO   t o   e xt r a c t   b o t h   L O   a nd  IF   s i g na l s .   F i g ur e   3 (b )   s h o w s   a   S L V CO   w h e r e   t h e   c o upl i n g   c a pa c i t o r   C c p l   a nd  t h e   i n duc t o r   2 L   f o r m   a   S L n e t w o r k.   W h e n   a n   R F   s i gna l   i s   a p pl i e t o   t h e   i nput   o f   t h e   t r a n s c o n duc t a n c e   s t a ge ,   t h e   t o po l o g y   i n   F i gu r e   3 (b )   i s   e xa c t l y   t h e   s a m e   a s   t h e   s i n g l e - b a l a n c e m i xe r   s i n c e   t h e   c o upl i n c a p a c i t o r   C cp l   i s   o pe n   a t   IF   f r e que n c y .   A l s o ,   a   m o di f i e ve r s i o n   c a n   b e   i m pl e m e nt e i n   F i gu r e   3   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2088 - 8708   IJ E CE    V o l .   7 ,   N o .   1 F e b r ua r y   201 7   :     1 5 2     1 59   154   r e pl a c i n t h e   l o a r e s i s t o r   R L   w i t h   t h e   c o m pl e m e nt a r y   P M O S   t ra n s i s t o r s .   I [ 8 ],   a   n e w   L M V   i s   pr o po s e d   us i n a   S L t a n r e s o n a t o r   i n s t e a o f   us i n a   P L t a nk  r e s ona t o r   f o r   l o w - ph a s e   n o i s e   de s i gn   by   c o m b i n i ng  a   s i ngl e - b a l a n c e m i xe r   a n a   c o m pl e m e n t a r y   V CO .   F i gu r e   4   s h o w s   t h e   s i n g l e - b a l a n c e L M V   (S B - L M V c e l l   by   m o di fy i n t h e   c urr e nt   s o ur c e   a s   a n   i n duc t i v e   de g e n e ra t e L N A   a n a ddi ng  s i m p l e   f i r s t - o r de r   RC   l o w - pa s s   f i l t e r   (L P F ).   T h e   RC   l o w - pa s s   f i l t e r   i s   de s i g n e t o   a t t e n ua t e   t h e   L O   c o m po n e n t   a t   t h e   d ra i n o de s   of   t h e   V CO   w h i l e   s o m e w h a t   de g r a d i n t h e   p h a s e   n o i s e   pe r f o r m a n c e .   T h e   t r a n s i s t o r   M cs   a c t s   a s   a n   L N A   a t   R F ,   w h i l e   pr o v i di n t h e   dc   b i a s   c urr e nt   t o   t h e   V CO .   T h e   t ra n s i s t o r   M s w , n   pe r fo r m s   t h e   m i x i n o pe r a t i o n   w h i l e   c o n t ri b ut i n t h e   n e g a t i v e   r e s i s t a n c e   t o   t h e   V CO .   A s   s h o w n   i n   F i gu r e   4 ,   R F   c o m po n e n t   i s   do w n - c o n v e r t e a r o un d   dc ,   a nd  t h e   dc   c o m po n e n t   i s   up - c o n v e r t e t o   t h e   L O   f r e que n c y .           (a )   (b     F i gu r e   2 .   ( a )   Co n v e n t i o na l   P L V CO   a s   a   m i xe r   a nd  (b i t s   f r e que n c y   r e s po n s e           (a )                                                                           (b )     F i gu r e   3 .   ( a )   S i n g l e - b a l a n c e m i xe r   a n d   (b S L V CO           (a )   (b )     F i gu r e   4 .   S i ngl e - b a l a n c e S L C   L M V   c e l l   [8]   a n (b f r e que nc y   r e s po n s e s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ E CE     IS S N :   2088 - 8708       A   S i ngl e   St a ge   L ow   P o w e r   D oubl e   B al a nc e Mi x e r   Me r g e d   w i t L NA   an V CO   ( Nam   J i n   O h)   155   L oo ki n a t   t h e   ga t e   n o de s ,   t h e   IF   c o m po n e nt   i s   s e v e r e l y   a t t e n ua t e s i n c e   t h e   i nduc t o r   i s   s h o rt   a t   a r o un dc .   H ow e v e r ,   l o o ki n g   a t   t h e   d ra i n   n o de s ,   t h e   IF   c o m po n e nt   a p pe a r s   w i t h o ut   a t t e nua t i o n   s i n c e   t h e   C c p l   i s   o pe n   a t   a r o un dc .   W i t h   j us t   a ddi ng  t h e   s i m pl e   RC   l o w - pa s s   f i l t e r   (L P F t o   t h e   d r a i n   n o de s ,   t h e   L O   c o m po n e n t   c a n   b e   s uppr e s s e w i t h   s i g n i f i c a nt   a t t e n ua t i o n   a n l e a v i n t h e   do w n - c o n v e r t e s i g na l   a t   t h e   IF   o ut put .   T h e   S B - L M V   c e l l   r e qui r e s   o nl y   s m a l l   s i z e   c a p a c i t a n c e   fo r   t h e   L P F   c o m pa r e t o   t h a t   o f   t h e   L i s c i d i n i ’s   L M V   c e l l   i n   F i gu r e   w h i c h   r e qui r e s   qui t e   l a rge   s i z e   c a pa c i t a n c e   fo r   t h e   s a m e   L P F   c o r n e r   f r e que n c y   s i n c e   t h e   i m pe da n c e   l o o ki n a t   t h e   s o ur c e   n o de s   a t   t h e   IF   o ut put s   i s   qu i t e   l o w .   F i gu r e   s h o w s   t h e   i m pe d a n c e s   l o o ki n a t   t h e   g a t e   a n d ra i n   n o de s   o f   t h e   s w i t c h i n t r a n s i s t o r s .   S i n c e   t h e   c o upl i n c a p a c i t o r   C c p l   i s   j us t   s h o rt   a t   t h e   L O   f r e que n c y ,   t h e   f i na l   V CO   o s c i l l a t i o n   f r e que n c y   i s   m a i n l y   de t e r m i n e by   t h e   P L r e s o n a t o r.   F i gu r e   s h o w s   t he   o ut put   s pe c t r u m   a t   t h e   ga t e   a n d ra i n   n o de s   o t h e   s w i t c h i n g   t ra n s i s t o r s .   A s   s h o w n   i n   F i gu r e   6,   t h e   IF   c o m po n e nt   i s   s e v e r e l y   a t t e n ua t e a t   t h e   ga t e   n o de s ,   b ut   a ppe a r s   a t   t h e   d ra i n o de s   w i t h o ut   a t t e n ua t i o n.   T h i s   IF   c o m po n e nt   a t   t h e   d ra i n o de s   c a b e   f ur t h e f i l t e r e o ut   w i t h   t h e   RC   L P F   t o   s upp r e s s   t h e   s t r o n L O   c o m po n e nt .   H ow e ve r ,   t h e   L O   c o m po n e n t   i s   s t i l l   s t r o ng  a f t e r   t h e   f i l t e r i n g   a n d   c a n   s a t u ra t e   t h e   fo l l ow i n s t a ge s   c o m i n g   a f t e t h e   L M V   c e l l .   If   a   do ub l e - b a l a n c e m i xe r   t o po l o g y   i s   a do pt e d,   t h e   L O   c o m po n e n t   c a b e   s e ve r e l y   r e j e c t e d.         Frequency  [GH z ] 0 1 2 3 4 5 I m pe da nc [Oh m ] 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Vd + -V d- Vg + -V g- LO  fr e qu e nc y S LC r e s on a nc e fr e qu e nc y   F re q u en cy   [G Hz] 0 1 2 3 4 5 O u tp u t [d Bm ] -8 0 -6 0 -4 0 -2 0 0 20 Vd + -V d- Vg + -V g- IF  c om po ne nt LO  c om po ne nt   F i gu r e   5 .   I m pe da n c e s   o f   t h e   S B - L M V   Ce l l   l o o k i n g   a t   t h e   g a t e   a n d   D r a i N o de s   F i gu r e   6 .   O u t put   S pe c t r um   o f   t h e   S B - L M V   Ce l l   l o o ki n a t   t h e   ga t e   a nd  D ra i N o de s   [8]       F i gu r e   s h o w s   t h e   do ub l e - b a l a n c e m i xe r   t o po l o gi e s .   F o r   t h e   do ub l e - b a l a n c e m i xe r,   t h e   IF   o ut pu t   f r o m   t h e   dra i n   o f   M sw1   a n M sw3   i s   di r e c t l y   c o m b i n e d.   T he   o ut put   c urr e n t   a t   t h e   IF   o ut put   o f   t h e   do ub l e - b a l a n c e m i xe i s   gi v e by       . . . ] ) c o s ( ) [ c o s ( 2 , t t v g i RF LO RF LO RF m DB O                                                                         (3)     F r o m   ( 3),   i t   c a b e   s e e n   t ha t   t h e   L O   c o m po n e nt   i s   r e j e c t e w i t t h e   do ub l e - b a l a n c e t o po l o g y .     F i gu r e   s h o w s   t h e   pr o po s e t hr e e   ki nds   o f   d o ub l e - b a l a n c e L M V s   w i t h   di f f e r e n t i a l   a n d   s i n g l e - e n de i n pu t   by   c o m b i n i n t w o   S B - L M V   c e l l s .   F o r   t h e   do ub l e - b a l a n c e L M V   c e l l ,   t h e   IF   o ut put   f r o m   t h e   dra i o f   M s w , n 1   a nd  M s w , n 3   i s   i n d i r e c t l y   c o m b i n e t hr o ug h   t h e   r e s i s t o r   o f   t h e   R L P F   t o   ke e t h e   o s c i l l a t i o n   of   t h e   L M V   c e l l   (t h e   o ut put s   L O +   a n L O   w o ul b e   s h o r t e w i t h o ut   t h e   r e s i s t o r   R ).   T h e   i n duc t o r   i s   s ha r e b e t w e e n   t w o   S B - L M V   c e l l s .   Co m pa r e t o   t h e   S B - L M V   ( w hi c h   ha s   hi g h e r   L O   l e a ka ge   a t   t h e   IF   o ut put   a n d   r e qui r e s   l a r ge   s i z e   c a pa c i t o r   f o r   s uf f i c i e n t   L O   r e j e c t i o n ) ,   t h e   c a pa c i t o v a l ue   f o r   t h e   RC   L P F   i t h e   D B - L M V   ca b e   m i ni m i z e j us t   t o   r e j e c t   t h e   h i g h e o r de h a rm o ni c   f r e que n c i e s   a t   t h e   IF   o ut put .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2088 - 8708   IJ E CE    V o l .   7 ,   N o .   1 F e b r ua r y   201 7   :     1 5 2     1 59   156       (a )                                                                                                                               (b )     F i gu r e   7 .   ( a )   D i f f e r e n t i a l   I n pu t   D o ub l e - B a l a n c e m i xe a nd  ( b S i n g l e - En de d   I n pu t   CM O S     M i c r o m i xe r   [6 - 7]             (a )       (b )         (c )     F i gu r e   8 .   P r o po s e D B - L M V s   (a d i f fe r e nt i a l   I n pu t   D B - L M V   (D I - DB - L M V ),   (b s i n g l e - e n de d   I n pu t     DB - L M V   (S E - DB - L M V 1),   a n (c s i n g l e - e n de d   I n pu t   D B - L M V   (S E - DB - L M V 2)  [9]       3.   S I M U LA TI O N   R ES U LTS   O F   D B - L M V   A   s y m m e t ri c   i n d uc t o r   i s   us e t o   h a v e   a   hi g h e r   qu a l i t y   (Q f a c t o r   t o   h a v e   a   b e t t e r   p h a s e   n o i s e   pe r f o r m a n c e .   F o r   t h e   pr o po s e D B - L M V   c e l l ,   t h e   dc   b i a s   c urr e n t   i s   s e t   t o   h a v e   a b o ut   0. 22   m A   f r o m   V   s uppl y   v o l t a ge   fo r   t h e   L O   o ut put   s w i n o f   0. V   pe a k - to - pe a k T h e   ac   c o upl i ng  c a p a c i t o C cp l   i s   i m pl e m e n t e d   w i t h   m e t a l - i n s u l a t o r - m e t a l   (M IM )   c a pa c i t o r.   T h e   t u ni n ra n g e   c a n   b e   v a ri e w i t h   t h e   M O S   v a ra c t o r s .   F o r   f a i c o m pa ri s o n ,   a l l   t h e   de v i c e s   of   t h e   D B - L M V s   a r e   de s i g n e t o   h a v e   t h e   s a m e   s i z e .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ E CE     IS S N :   2088 - 8708       A   S i ngl e   St a ge   L ow   P o w e r   D oubl e   B al a nc e Mi x e r   Me r g e d   w i t L NA   an V CO   ( Nam   J i n   O h)   157   T a b l e   1 .   D e v i c e   P a ra m e t e r s   o f   D B - L M V s   D e v i c e   V a l u e   M s w , n   3 2   µm / 9 0   n m   M s w , p   1 6   µm / 9 0   n m   M cs M c s 1 ,   M c s 2   3 2   µm / 9 0   n m   C c p l   1   p F   R L   5   k Ω   R   4 . 6   k Ω   2 L   1 0 ~ 1 1 . 4   n H   C v a r   9 0   f F       F re q .   [G Hz] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 P o w er   [d Bm ] -3 5 0 -3 0 0 -2 5 0 -2 0 0 -1 5 0 -1 0 0 -5 0 0 I F =1  M Hz L O   fre q .   F re q .   [G Hz] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 P o w er   [d Bm ] -3 5 0 -3 0 0 -2 5 0 -2 0 0 -1 5 0 -1 0 0 -5 0 0 I F =1  M Hz L O   fre q .   (a )     (b )     F re q .   [G Hz] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 P o w er   [d Bm ] -3 5 0 -3 0 0 -2 5 0 -2 0 0 -1 5 0 -1 0 0 -5 0 0 I F =1  M Hz L O   fre q .     (c )     F i gu r e   9 .   H a r m o n i c   b a l a n c e   s i m ul a t i o n   r e s ul t s   o f   t h e   D B - L M V s .   ( a D I - B - L M V ,   (b S E - DB - L M V 1,   a n (c S E - DB - L M V 2.   T h e   a ppl i e R F   i n p ut   po w e r   i s   80d B m       T a b l e   gi v e s   t h e   de v i c e   pa ra m e t e r s   f o r   D B - L M V s .   F i gu r e   s h o w s   t h e   h a rm o ni c   b a l a n c e   s i m ul a t i o n   r e s ul t s   a t   IF   o ut put s   fo r   t hr e e   D B - L M V s   w i t h   n e gl e c t i n g   t h e   c a pa c i t o r   C   of   t h e   RC   L P F .   A s   s h ow n   i n     F i gu r e   9 ( a ) ,   L O   l e a ka ge   a t   t h e   IF   o ut put   i s   s e v e r e l y   s uppr e s s e d   fo r   t h e   di f f e r e n t i a l   i n p ut   D B - L M V F o r   t h e   s i ngl e - e n de D B - L M V s ,   t h e   L O   l e a ka ge   i s   m uc h   hi g h e r   d ue   t o   t h e   un s y m m e t r y   of   t h e   t ra n s c o n duc t a n c e   s t a ge .   T h e   R F   i nput   s t a ge   i F i gu r e   8 (b c a n   b e   c a s c o de a s   s h o w n   i n   F i gu r e   8 (c t o   ha v e   b e t t e r   s y m m e t r y   w h i c r e s ul t s   i m o r e   L O   l e a k a ge   s upp r e s s i o (F i gu r e   9 (c )) .   F i gu r e   10   s h o w s   t h e   s i g n a l   s w i ng  a t   t h e   R F   i n pu t   a n IF   o ut put s   o f   t hr e e   D B - L M V s .   A   c l e a n   s i g na l   i s   e xt r a c t e a t   t h e   IF   o ut put   w i t h   s upp r e s s e L O   l e a k a ge .   T h e   v o l t a ge   c o n v e r s i o n   g a i i s   a b o ut   36 39   dB .   F i gu r e   1 1   s h o w s   t h e   p h a s e   n o i s e   pe r f o r m a n c e   o f   t h e   pr o po s e D B - L M V s T h e   t hr e e   D B - L M V s   h a v e   s i m i l a pha s e   n o i s e   pe r f o r m a n c e   w i t h   t h e   p h a s e   n o i s e   of   a b o ut   1 11   dB c / H z   a t   M H z   o ff s e t   f r e que n c y .   T h e   c l o s e - i pha s e   n o i s e   pe r f o r m a n c e   of   t h e   S E - DB - L M V 1   i s   s o m e w h a t   i n f e r i o r   c o m pa r e t o   o t h e r   D B - L M V s .   F i gur e   1 2   s h o w s   t h e   do ub l e -   s i de b a n d   (D S B n o i s e - f i gur e   (N F )   pe r f o rm a n c e .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2088 - 8708   IJ E CE    V o l .   7 ,   N o .   1 F e b r ua r y   201 7   :     1 5 2     1 59   158     Ti m [usec] 0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4 1 .6 1 .8 2 .0 Am pl itude  [V ] -0 .0 0 3 -0 .0 0 2 -0 .0 0 1 0 .0 0 0 0 .0 0 1 0 .0 0 2 0 .0 0 3 RF I nput DI-DB-LMV S E -DB- LM V 1 S E -DB- LM V 2     F i gu r e   10 .   V o l t a ge   s w i ng  a t   t h e   R F   I n p ut   a n d   IF   O ut pu t   o f   t he   P r o po s e D B - L M V s .   T h e   R F   I n pu t   P o w e r   i s   80  dB m       Offset  Fr eq .   [MH z] 0 .0 0 1 0 .0 1 0 .1 1 P ha se  No i se  [dBc / Hz] -120 -100 -80 -60 -40 -20 D I- D B - L MV SE- D B - L MV1 SE- D B - L MV2   Offset  Fr eq .   [MH z] 0 .0 1 0 .1 1 10 NF DSB   [dB] 4 6 8 10 12 14 16 D I- D B - L MV SE- D B - L MV1 SE- D B - L MV2   F i gu r e   11 .   P ha s e   n o i s e   o f   t h e   P r o po s e D B - L M V   c e l l   F i gu r e   12 .   D o ub l e - s i de   b a n d   n o i s e   f i gu r e   o f   t h e   pr o po s e D B - L M V s       T h e   D S B   N F   of   t h e   D I - DB - L M V   i s   a bo ut   5. dB   a t   t h e   ov e r   M H z   IF   f r e que n c y .   T h e   D S B   N F   of  o t h e r   D B - L M V s   i s   a bo ut   7. dB .   T h e   R F   i n put   o e a c h   D B - L M V   i s   m a t c h e t o   50  o h m   s i g n a l   s o ur c e   i m pe da n c e   w i t h   i n pu t   r e f l e c t i o n   c o e ff i c i e n t   l e s s   t h a n   10  d B .   T a b l e   s um m a ri z e s   t h e   pe r f o r m a n c e   of   D B - L M V s .   F r o m   t h e   s i m u l a t i o n   r e s ul t s ,   t h e   p r o po s e D B - L M V   c e l l   i s   e xpe c t e t be   s uc c e s s f ul l y   i n t e g ra t e f o r   t h e   di r e c t   c o n v e r s i o n   r e c e i ve r   s uc h   a s   G l o b a l   P o s i t i o n i n S y s t e m   (G P S ),   s a t e l l i t e   c o m m u n i c a t i o n   r e c e i v e r ,   m e di c a l   a p pl i c a t i o n s ,   a nd  c a b l e   T V   s e t - t o b o x,   e t c   w h i l e   c o n s um i n l o w   p ow e r   w i t h   j us t   o n e   i n t e g r a t e b l oc k.       T a b l e   2 .   P e r f o r m a n c e   S um m a r y   of   D B - L M V s   ( S i m ul a t i o n )     DI - DB - L M V   SE - DB - L M V 1   SE - DB - L M V 2   f o s c   (G H z )   2 . 4 8   2 . 4 5   2 . 4 6   P DC   (m W )   0 . 2 2   0 . 2 2   0 . 2 4   V G A I N   (d B)   37   36   39   L O   L e a k a g e   (d Bm )   2 8 9   7 4   8 5   P h a s e   N o i s e   ( d B c / H z @ 1   M H z )   1 1 0 . 8   1 1 1 . 2   1 1 1 . 6   NF D S B   (d B@ 1   M H z )   5 . 4   7 . 7   7 . 3   P ro c e s s   6 5   n m   CM O S   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ E CE     IS S N :   2088 - 8708       A   S i ngl e   St a ge   L ow   P o w e r   D oubl e   B al a nc e Mi x e r   Me r g e d   w i t L NA   an V CO   ( Nam   J i n   O h)   159   4.   C O N C LU S I O N   By   ut i l i z i n a   s e r i e s   LC   r e s o n a t o r ,   t hi s   p a pe p r o po s e s   t hr e e   ki n ds   o f   f ul l y   i n t e g ra t e R F   f r o nt - e nd  DB - L M V s   by   m e r gi n L N A   [10 ] ,   [ 11] do ub l e - b a l a n c e m i xe r ,   a n V CO .   T h e   p r o po s e D B - L M V s   a r e   de s i gn e a n s i m u l a t e us i n 65  nm   T S M C   CM O S   t e c hn o l o g y .   O pe r a t i ng  a t   a r o un d   2. G H z   IS M   b a n d ,   t h e   pr o po s e D B - L M V s   c a n   b e   e a s i l y   i n t e g r a t e o a   c hi p ,   a n d   a pp l i e f o r   l o w - p ow e r   hi g h - pe r f o r m a n c e   di r e c t   c o n v e r s i o n   R F   f r o n t - e n d   r e c e i v e r .       A C K N O WL ED G E M EN TS   T h i s   w a s   s uppo r t e d   by   K o r e a   N a t i o n a l   U n i v e r s i t y   of   T r a n s po rt a t i o i 20 15.       R EF ER EN C ES   [ 1]   T.   P .   W a ng ,   e t   al . ,   l o w - p o w e r   o s c i l l a t o r   m i x e r   i 0 . 18 - µ m   C M O S   t e c hno l o gy ,”   I E E E   T r a n s a c t i on s   on   M i c r ow av e   T he or y   and   T e c hn i que s v o l / i s s ue :   54( 1 ) ,   p p.   88 - 95 200 6   [ 2]   A .   L i s c i di n i ,   e t   al . ,   S i ng l e - s t a g e   l o w - po w e r   qua d r a t u r e   R F   r e c e i v e r   f r o nt - e nd:   T he   L M V   c e l l ,”   I E E E   J .   S ol i d - S t at e   C i r c ui t s v o l / i s s ue :   41 ( 12 ) ,   pp .   28 3 2 - 28 41 2 006 .     [ 3]   F.   B e hb a ha ni ,   et   al . ,   A   27 - mW   G P S   r a di o   in   0. 3 5   µ m   C M O S ,”   I E E E   I n t .   So l i d - S t a t e   C i r c u i t s   C on f .   D i g .   T e c h.   P ape r s ,   p p.   39 8 - 399 2 002 .     [ 4]   J.   v a n   de r   T a ng   a nd   D.   K a s pe r ko v i t z ,   A   0. 9 2. 2   GHz   m o no l i t hi c   qua d r a t ur e   m i xe r   o s c i l l a t o r   f o r   di r e c t - c o nv e r s i o n   s a t e l l i t e   r e c e i v e r s ,”   I E E E   I nt .   Sol i d - S t at e   C i r c u i t s   C onf .   D i g .   T e c h.   P ape r s ,   p p.   88 - 89 199 7 .   [ 5]   N J .   Oh ,   A   S i ng l e - S t a g e   L o w - P o w e r   R F   R e c e i v e r   F r o nt - e nd:   S e r i e s - R e s o na t o r   b a s e L M V   c e l l ,”   I E T E   T e c hn i c a l   R e v i e w v o l / i s s u e :   32 ( 1 ) ,   pp .   61 - 69 2015   [ 6]   F .   P i a z z a   a nd   Q .   H ua ng ,   A   hi g l i n e a r i t y ,   s i ng l e - e n de d   i n pu t   do ubl e - b a l a nc e m i xe r   i 0 . 25 µm   C M O S ,”   P r oc .   24 th   E ur ope an  So l i d - S t a t e   C i r c u i t s   C onf . ,   pp.   60 - 62 19 98   [ 7]   J.   Y .   C ho i ,   e t   a l . ,   A dj u s t a bl e - pe r f o r m a nc e ,   s i ng l e - e nd e i npu t   do ubl e - ba l a nc e m i xe r ,”   J o ur n al   o f   Se m i c ondu c t or   T e c hnol o gy   and   S c i e nc e ,   v o l / i s s u e :   1( 4) ,   pp .   248 - 252 200 1 .   [ 8]   N J .   Oh ,   A   P ha s e - N o i s e   R e d uc t i o T e c hni que   f o r   R F   C M O S   V o l t a g e - C o nt r o l l e O s c i l l a t o r   w i t a   S e r i e s   L C   R e s o na t o r ,”   M i c r oe l e c t r on i c s   J our nal ,   v o l / i s s ue :   45 ( 4) ,   pp .   435 - 440 2014 .   [ 9]   N J .   Oh ,   A   S i ng l e - S t a g e ,   S i ng l e - E nde I nput   D o ubl e - B a l a nc e L M V   i 65  nm   C M O S ,”   I T C - C SC C ,   pp .   673 - 67 4 2015 .   [ 10]   K P o ng o t ,   e t   a l . ,   N e w   T o po l o gy   L N A   A r c hi t e c t u r e   us i ng   I nduc t i v e   D r a i n   F e e db a c k   T e c hn i que   f o r   W i r e l e s s   A ppl i c a t i o n ,”   T E L K O M N I K A   I ndone s i an   J our n al   of   E l e c t r i c a l   E n g i ne e r i ng ,   v o l / i s s ue :   12( 1 2) ,   pp . 825 7 - 8267 ,   2014 .   [ 11]   K P o ngo t ,   e t   al . ,   D e s i g n   a nd   A na l y s i s   H i g h   G a i n   P H E M T   L N A   f o r   W i r e l e s s   A ppl i c a t i o n   at   58   GHz ,”   I nt e r n at i on al   J o ur n al   of   E l e c t r i c al   a nd   C om pu t e r   E n gi ne e r i n g   ( I J E C E ) ,   v o l / i s s u e :   5( 3) ,   pp .   611 - 620 201 5 .       B I O G R A P H Y   O F   A U T H O R         N am - Ji n   O h   r e c e i v e t he   B . S .   de g r e e   i phy s i c s   f r o m   H a n y a ng   U ni v e r s i t y ,   S e o ul ,   K o r e a ,   i n   1992 ,   t he   M . S .   d e g r e e   i e l e c t r i c a l   e ng i n e e r i ng   f r o m   N o r t C a r o l i na   S t a t e   U ni v e r s i t y ,   R a l e i g h,   N C ,   U S A ,   i 1999 ,   a n t h e   P h. D .   de g r e e   f r o m   t he   K o r e a   A dv a nc e I ns t i t u t e   o f   S c i e nc e   a nd  T e c hno l o gy I T   C o nv e r g e nc e   C a m pus   ( K A I S T I C C )   ( f o r m e r l y   t he   I n f o r m a t i o a nd   C o m m uni c a t i o ns   U n i v e r s i t y ) ,   D a e j e o n,   K o r e a ,   i 2006 .   F r o m   1992  t o   1997 ,   h e   w a s   w i t L G   C o r po r a t e   I ns t i t ut e   o f   T e c hno l ogy ,   S e o ul ,   K o r e a .   F r o m   1999   t o   2001 ,   h e   w a s   w i t S a m s u ng   E l e c t r o n i c s ,   S uw o n,   K o r e a .   F r o m   2006  t o   2007,   h e   w a s   w i t A ut o - I D   L a b. ,   F ud a U ni v e r s i t y ,   C hi na ,   a s   a   po s t - do c t o r .   H e   j o i ne t he   d e pa r t m e n t   o f   E l e c t r o ni c   E ng i ne e r i ng ,   K o r e a   N a t i o na l   U ni v e r s i t y   o f   T r a ns po r t a t i o ( f o r m e r l y   C hung j N a t i o na l   U n i v e r s i t y ) ,   K o r e a ,   i 20 07,   w he r e   h e   i s   c ur r e n t l y   a a s s o c i a t e   pr o f e s s o r .   H i s   r e s e a r c i nt e r e s t s   a r e   f o c us e o a na l o g   a nd  m i xe d - si g na l   i nt e g r a t e c i r c ui t s ,   d i g i t a l   i n t e g r a t e d   c i r c ui t s ,   s y s t e m   l e v e l   be ha v i o r a l   s i m ul a t i o o f   w i r e l e s s   c om m uni c a t i o ns ,   a nd   d e v i c e   m o de l i ng   o f   C M O S   a c t i v e   a nd   p a s s i v e   c i r c ui t s .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.