I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   8 ,   No .   1 Feb r u ar y   201 8 ,   p p .   1 2 4 ~ 1 3 2   I SS N:  2088 - 8708 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v 8 i 1 . p p 1 2 4 - 1 3 2           124       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s co r e . co m/ jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JE C E   Sing le - Stag Q ua dra ture  LM Vs       Na m - J in O h   De p a rte m e n o f   El e c tr o n ic  En g i n e e rin g ,   Ko re a   Na ti o n a Un iv e rsit y   o f   T ra n sp o rtatio n ,   Ch u n g j u ,   Ko r e a       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma r   1 0 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   J u n   1 7 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   J u l 1 ,   2 0 1 7     T h is  p a p e p ro p o se t h re e   k in d o f   sin g le  sta g e   RF   f ro n t - e n d ,   c a ll e d   q u a d ra t u re   L M V (QL M V s),  b y   m e rg in g   L N A ,   sin g le - b a lan c e d   m i x e r,   a n d   q u a d ra t u re   v o lt a g e - c o n tro ll e d   o sc il lato (V CO)  e x p lo i ti n g   a   se ries   L (S L C)   n e tw o rk .   T h e   lo w   in ter m e d iate   f r e q u e n c y   (IF o b a se b a n d   sig n a n e a dc   c a n   b e   d irec tl y   se n se d   a th e   d ra in   n o d e o f   th e   V CO  sw it c h in g   tran sisto rs  b y   a d d in g   a   sim p le  re sisto r - c a p a c it o (RC)  lo w - p a ss   f il ter  ( L P F ).   Us in g   a   6 5   n m   CM OS  tec h n o l o g y ,   th e   p ro p o se d   QL M V a re   d e sig n e d .   Os c il latin g   a a ro u n d   2 . 4   G Hz   b a n d ,   th e   p r o p o se d   QL M V a c h iev e   th e   p h a se   n o ise   b e lo   1 0 7   d B/Hz   a 1   M Hz   o f fse f re q u e n c y .   T h e   si m u late d   v o lt a g e   c o n v e rsio n   g a in   is  larg e th a n   3 0   d B.   T h e   d o u b le - sid e   b a n d   (DSB)  n o ise   f ig u re   (NF)  o th e   p r o p o se d   QL M V is   b e lo w   1 0   d B.   T h e   QL M V c o n s u m e   les th a n     0 . 5 1   m W   dc   p o w e f ro m   a   1 - V   su p p ly .   K ey w o r d :   C MO S   L MV   ce ll   P h ase  n o is e   Qu ad r atu r e   S er ies L C   ta n k   V o ltag e - co n tr o lled   o s cillato r   Co p y rig h ©   2 0 1 8   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Na m - J in   O h   Dep ar te m en t o f   E lectr o n ic  E n g in ee r i n g ,   Ko r ea   Natio n al  Un i v er s it y   o f   T r an s p o r tatio n ,   5 0   Dae h ak - r o ,   C h u n g j u ,   C h u n g b u k   3 8 0 - 7 0 2 ,   Ko r ea .   E m ail:  o n a m j i n @ u t.a c. k r       1.   I NT RO D UCT I O N     L o w   p o w er ,   lo w - v o ltag e,   an d   h i g h l y   i n teg r ated   c ir cu it s   ar e   al w a y s   t h e   m a in   to p ics  f o r   i n teg r ated   cir cu it  d esi g n ,   esp ec iall y   v er y   i m p o r tan t   f o r   m o b ile  w ir ele s s   co m m u n icatio n   s y s te m s   d u t o   th li m i tatio n   o f   b atter y   li f e.   Si n g le  s ta g cir cu its   co m b i n i n g   m i x er   an d   o s cil lato r   h av b ee n   d esi g n ed   f o r   th p u r p o s o f   a   h ig h er   d eg r ee   o f   i n teg r at io n   an d   r ed u cin g   p o w er   co n s u m p tio n .   Fo r   h i g h l y   i n te g r ated   l o w - p o w er   r ec ei v er   f r o n t - en d ,   cu r r en r eu s tec h n iq u is   t y p ica ll y   c h o s en   ac r o s s   d if f er en f u n ctio n al  b lo ck s .   A   p o p u lar   m et h o is   ca s co d in g   t h m ix er   o n   to p   o f   th i n p u s ta g o f   t h lo w - n o i s a m p lifie r   ( L N A ) ,   w h ile  less   f r eq u e n i s   s tack i n g   m ix er   an d   v o ltag e - co n tr o lled   o s cillato r   ( VC O)   [ 1 - 5 ] .       R X I R X Q L N A Q V C O M i x e r I Q 9 0 º 2 7 0 º 1 8 0 º 0 º V C O 2 V C O 1 T h i s   w o r k     ( a)                                                                                     ( b )     Fig u r 1 .   ( a)   R ec eiv er   R f r o n t - e n d   an d   ( b )   q u ad r atu r s ig n a l g en er a tio n   w it h   t w o   d if f er en t ial  VC O s   A   co n v e n tio n al  V C w i th   a   c u r r en s o u r ce   ca n   b co n s id er e d   as a   m ix er   w h e n   R s ig n al   is   ap p lied   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       S in g le - S ta g Qu a d r a tu r LM V s   ( N a m - Jin   Oh )   125   to   th in p u p o r o f   th cu r r e n s o u r ce .   Fo r   th co n v e n tio n al   VC O,   th d o w n - co n v er ted   I s ig n al  at  th V C O   o u tp u is   n e g li g ib le  d u e   to   t h lo w   i m p ed a n ce   at   th e   lo w   f r eq u en c y .   I f   s er ie s   r eso n ato r   is   e m p lo y ed ,   t h e   i m p ed an ce   is   h i g h   at  t h lo w   f r eq u en c y   a n d   th I F s ig n al  ca n   b r ec o v er ed   w it h o u t a n y   s i g n al  lo s s   [ 6 ] .       As  s h o w n   i n   Fi g u r 1 ( a) ,   th e   d ir ec co n v er s io n   ar c h itect u r g e n er all y   r eq u ir es  ac c u r ate  q u ad r atu r L s i g n als  w h ic h   ca n   b g e n e r ated   b y   s e v er al  m et h o d s   s u c h   as  co m b i n i n g   V C a n d   p o ly - p h ase  f i lter ,   VC O   at  d o u b le  f r eq u en c y   f o llo w ed   b y   f lip - f lo p s ,   an d   th e   q u ad r atu r V C ( Q VC O) .   T h Q VC is   th e   p o p u lar   to p o lo g y   to   ac h iev e   lo w   p h as n o is e   ( P N)   u s i n g   L C - tu n ed   r eso n ato r .   A s   s h o w n   i n   F ig u r 1 ( b ) ,   th d ir ec co n n ec tio n   f o llo w ed   b y   cr o s s   co n n ec tio n   o f   t w o   d i f f er en t ial  VC O s   f o r ce s   to   o s cillate  i n   q u ad r atu r e.   T h er ar s ev er al  QVC to p o lo g ies   r ep o r ted .   T h m o s co m m o n   QVCO  is   ca lled   p ar allel  QV C ( P - QVC O)   w h ich   co u p les  t w o   VC Os  i n   q u ad r at u r w it h   p ar allel  co u p lin g   tr a n s is to r s .   An o th er   m et h o d   is   ca ll ed   S - QV C w h ic h   co u p les  t w o   VC O s   i n   ca s c o de - lik w a y   [ 7 ] .   W h ile  th e   P - QVCO  h as  lo w   p h a s an d   a m p litu d er r o r s ,   it  h as  r ath er   p o o r   p h ase  n o is p er f o r m an ce .   O n   th co n tr ar y ,   th S - QV C e x h ib its   g o o d   p h ase   n o is p er f o r m a n ce   w it h   g o o d   q u ad r atu r ac cu r ac y .   T h th ir d   m et h o d   is   to   co u p le  t w o   V C Os  t h r o u g h   t h e   b o d y   ter m i n al s   ( o r   b ack - g ate)   o f   th VC co r tr an s i s to r s   [ 8 ] .   T h b ac k - g ate  co u p led   QVCO  ( B G - QVC O)   h as  lo w   p h ase  n o is e   co m p ar ed   to   P - QVCO  a n d   S - QV C O.   Ho w e v er ,   th B G - QV C h a s   lar g er   p h ase  a n d   am p lit u d er r o r s   co m p ar ed   to   P - QVCO a n d   S - QVCO.     I n   t h is   p ap er ,   s e v er al  q u ad r a tu r L MV s   ar p r o p o s ed   co m b in i n g   L N A ,   m i x er ,   a n d   Q VC O.   B y   ex p lo itin g   s er ies  LC   ( S L C )   n et w o r k   i n s tead   o f   p ar alle LC   ( P L C )   n e t w o r k ,   t h lo w   f r eq u e n c y   I o r   b aseb an d   q u ad r atu r s i g n a c an   b d ir ec tl y   e x tr ac ted   f r o m   th d r ain   o u tp u t s   o f   t h QV C Os.  T h is   p ap er   i o r g an ized   as  f o llo w s .   I n   Sect i o n   I I ,   th tr ad itio n al  LC   tan k   o s cillato r   is   d escr ib ed   as  m i x er ,   an d   d etailed   an al y s is   f o r   th p r o p o s ed   q u a d r atu r L MV   ( Q L MV )   is   g i v e n .   I n   Sectio n   I I I ,   an   ex p er i m e n tal  p er f o r m a n ce   i s   g iv e n   b ased   o n   s i m u latio n   u s i n g   6 5   n m   C M OS te c h n o lo g y .   Fin all y ,   co n cl u s io n   is   g iv e n .       2.   CIRCU I T   D E S I G O F   Q L M Vs     co n v en t io n al  LC   ta n k   o s cill ato r ,   as  s h o w n   in   Fi g u r 2 ,   p er f o r m s   th e   m ix in g   p r o ce s s   s i n ce   an   R F   s ig n al  in   t h VC b ias  cu r r e n t   is   d o w n - co n v er ted   b y   t h s w i tch i n g   tr an s is to r s .   A l s o ,   b y   th e   s a m m ec h a n is m ,   th dc   cu r r en o f   M cs   is   u p - co n v er ted   to   th L f r eq u en c y .   T h b an d p ass   ch ar ac ter is tic  o f   th P L C   r eso n a to r   r esp o n d s   to   th f u n d a m en tal  f r eq u en c y   i n   t h cu r r e n w a v ef o r m   a n d   r ej ec ts   h ig h er   o r d er   h ar m o n ic s   w it h   a   d if f er e n tial V C o u tp u t v o lta g e .       M s w 1 L v d + v d M c s M s w 2 V D D t I s w 1 t I s w 2 P L C   f i l t e r f L O d c f L O d c i d , c s   ( f ) v d   ( f ) v r f R C P L C     ( a)                                                                                    ( b )       Fig u r 2 .   ( a)   C o n v en tio n al  P L C   VC a s   m i x er   an d   ( b )   its   f r eq u en c y   r esp o n s e       . 4 L CS LO R I V                   ( 1 )     W ith   th co m p le te  s w itc h i n g   i s   ass u m ed   f o r   th M sw1   a n d   M s w2 ,   th cu r r en t a t th V C o u t p u t p o r t is  g iv e n   b y     ... ) c o s ( 2 c o s 4 ) ( t v g t I t i RF LO RF m LO CS O           ( 2 )     w h er I CS   a n d   g m   ar t h dc   c u r r en t a n d   tr a n s co n d u cta n ce   o f   th c u r r en s o u r ce   M CS ,   r esp ec tiv el y   [ 9 ] .   T h f ir s ter m   i n   ( 2 )   is   th L co m p o n en o f   th V C O.   T h lo f r eq u en c y   I s ig n al  ( t h 2 nd   ter m )   is   s e v er el y   atten u ated   s in ce   t h in d u cto r   o f   th P L C   ta n k   is   s h o r at  ar o u n d   dc .   A l s o ,   th h i g h   f r eq u e n c y   co m p o n en ( t h e   3 rd   ter m )   i s   atte n u ated   b y   th e   P L C   tan k .   Atte m p t in g   to   s e n s th e   d o w n - co n v er ted   co m p o n en at   t h V C O   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  8 ,   No .   1 Feb r u ar y   201 8   :   1 2 4     1 3 2   126   o u tp u u n av o id ab l y   d e g r ad es  t h V C p h a s n o is [ 2 ] .   On e   p o s s ib le  s o lu tio n   i s   to   e x p lo it  th S L C   n et w o r k   f o r   th VC O   to   ex tr ac t   b o th   L O   an d   I s i g n a ls   [ 6 ] .   Fi g u r 3 ( a)   s h o w s   SLC  V C w h er t h co u p li n g   ca p ac ito r   C cpl   an d   th in d u cto r   2 L   f o r m   S L C   n et w o r k .   A t   th L f r eq u e n c y ,   Fi g u r 3 ( a)   is   NM OS  an d   P MO cr o s s   co u p led   co m p le m en tar y   VC O.   W h en   a n   R s ig n al  is   ap p lied   to   th in p u o f   th e   tr an s co n d u ctan ce   s tag e,   th e   to p o lo g y   w it h   th e   r esi s ta n ce   a n d   P MO S c r o s s - co u p led   lo ad   i s   ex ac tl y   t h s a m a s   th s i n g le - b ala n ce d   m ix er   s i n c th e   co u p li n g   ca p ac ito r   C cp l   i s   o p en   at   I f r eq u e n c y .   I n   Fi g u r 3 ( a) ,   th c u r r en t   s o u r ce   ca n   b m o d if ied   as  a n   L N A .   T h RC   lo w - p as s   f i lter   atten u ates  t h L co m p o n en o f   th VC at  th e   d r ain   n o d es  w h i le  s o m e w h at  d eg r ad in g   th p h a s n o i s e   p er f o r m an ce .       S L C   f i l t e r f L O d c v d ( f ) S L C   f i l t e r f L O d c v I F ( f ) L P F M s w , n M c s V R F I F   L P F I F + R C 2 L C c p l v d + v d v g + v g V b i o 1 i o 2 R L V D D M s w , p v d + v d S L C R L V D D M s w , p M s w , n M c s a c t i v e   l o a d V R F     ( a)                                                                                                                               ( b )     Fig u r 3 .   ( a)   Sin g le - b alan ce d   ( SB )   SL C   V C as a   m i x er   w it h   its   f r eq u e n c y   r esp o n s [ 6 ]   an d   ( b )   s in g le -   b alan ce d   m i x er   w ith   P MO S a c tiv lo ad       T h tr an s is to r   M cs   ca n   b m o d if ied   as  an   L N A   at  R b y   ad d in g   i n d u cto r s   at  t h g ate  an d   t h s o u r ce ,   w h ile  p r o v id in g   t h dc   b ias  cu r r en to   th VC O.   S i m ilar l y ,   M sw, n   p er f o r m s   th m i x i n g   o p er atio n   w h il e   co n tr ib u ti n g   t h n e g ati v r esis tan ce   to   th VC O.   F u r th er m o r e,   M sw, p   a d d s   m o r n eg ati v r esis tan ce   to   th e   VC co r e.   A s   s h o w n   in   Fi g u r 3 ( a) ,   R co m p o n e n i s   d o wn - co n v er ted   ar o u n d   dc ,   an d   th dc   co m p o n en is   up - co n v er ted   to   t h L f r eq u e n c y .   L o o k i n g   at  t h g ate  n o d es,  th I co m p o n e n at   th e   g at n o d es  is   s e v er el y   atten u ated   s i n ce   t h in d u cto r   is   s h o r at   th e   I f r eq u e n c y .   Ho w e v er ,   lo o k i n g   at  t h d r ain   n o d es,  th e   I F   co m p o n e n t   ap p ea r s   w it h o u a t ten u a tio n   s i n ce   t h C cpl   i s   o p en   at  ar o u n d   dc .   W it h   j u s t   ad d in g   t h s i m p le  RC   lo w - p ass   f il ter   ( L P F),   th e   L co m p o n e n ca n   b r ej ec ted   w i th   s ig n i f ica n t   atte n u atio n   a n d   leav i n g   th d o w n - co n v er ted   s ig n al  at  th I o u t p u t.  T h SB - L MV   ce ll  r eq u ir es  o n l y   s m all  s ize  ca p ac ita n c co m p ar ed   to   th L MV   ce ll  i n   [ 2 ]   w h ic h   r eq u i r es  q u ite  lar g s ize  ca p ac itan ce   f o r   th s a m L P co r n er   f r eq u en c y   s in ce   t h e   i m p ed an ce   lo o k i n g   at  t h s o u r ce   n o d es  at  th I o u tp u t s   is   q u ite  lo w .   Fi g u r 3 ( b )   s h o w s   th eq u iv ale n s i n g le   b alan ce d   m i x er   f o r   th I f r eq u en c y .   T h lo ad   r esis tan ce   is   g iv en   b y     1 || 1 L mp L L mp out R g R R g R               ( 3 )     w h er g mp   i s   t h tr a n s co n d u ct an ce   o f   t h cr o s s   co u p led   P MO tr an s is to r .   I n   ( 3 ) ,   it  ca n   b s ee n   t h at  t h lo ad   r esis ta n ce   ca n   b m a x i m ized   w h e n   R L   eq u als 1 / g mp   Fig u r 4   s h o w s   t h s i m u la ted   v o lta g g ai n   w i th   an d   w it h o u t h P MO S   lo ad .   A s   s h o w n   in   Fi g u r e   4 ( a) ,   th m a x i m u m   v o ltag g ain   is   li m ited   b y   t h r esis to r   l o ad   w i th   d i f f er e n b ias  cu r r e n s in ce   t h r esis to r   co n s u m e s   th v o lta g h ea d r o o m .   On   t h co n tr ar y ,   th v o ltag g ain   w i th   th cr o s s   co u p led   P MO lo ad   ca n   b s ig n i f ica n tl y   e n h an ce d   b y   ca n ce lin g   th lo ad   r esis ta n ce   w it h   n e g ati v r esis tan ce   o f   t h P MO tr an s is to r   as   s h o w n   in   F ig u r 4 ( b )   an d   Fig u r 4 ( c) .     A l s o ,   th n o is f ig u r ( NF)   o f   th m i x er   ca n   b i m p r o v e d   w ith   t h in cr ea s ed   g a in   as   s h o w n   i n     Fig u r 5 .   T h s i m u la tio n   r es u lt  s h o w s   t h at  ab o u t   6   d B   NF  i m p r o v e m en t   is   ac h ie v ed   w it h   t h P MO ac ti v e   lo ad   at  h ig h er   o f f s et  f r eq u e n cies.   T h s in g le  b alan ce d   SLC  VC in   Fi g u r 3   ca n   b e   d esig n ed   to   g en er ate   q u ad r atu r s ig n al s   w h i le  p er f o r m in g   t h f r eq u e n c y   m ix i n g .   Fig u r 6   s h o w s   s ev er al  to p o lo g ies  f o r   q u ad r atu r s ig n al  g en er atio n   u s i n g   t w o   V C Os   [ 7 ] ,   [ 8 ] .     Fig u r 6 ( a)   s h o w s   t h P - QV C i n   w h ic h   t w o   V C Os   ar co u p led   th r o u g h   th p ar allel   tr an s i s to r   M cpl .   T h p ar allel  tr an s is to r   co n tr ib u te s   lar g p h ase  n o is to   th o u tp u t.  Fig u r 6 ( b )   s h o w s   t h S - Q VC i n   w h ic h   t w o   VC Os  ar co u p led   t h r o u g h   t h s er ies  co u p li n g   tr a n s i s to r   in   ca s c o de - lik f a s h io n .   T h S - QVCO  d is p la y s   a n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       S in g le - S ta g Qu a d r a tu r LM V s   ( N a m - Jin   Oh )   127   ex ce lle n p h ase  n o i s p er f o r m an ce .   T h o th er   m eth o d   is   ca lled   B G - QVCO  in   w h ich   th t w o   VC O s   ar co u p led   th r o u g h   t h b o d y   ter m i n al  ( o r   b ac k - g ate)   o f   t h s w itc h i n g   tr an s is to r .   T h B G - QVCO  al s o   s h o w s   a n   ex ce lle n p h ase  n o is b eh a v io r .   I n   ter m s   o f   p h a s an d   a m p lit u d er r o r s   o f   QVCO,  th s i m u latio n   r esu lt  s h o w s   th at  t h B G - QV C h as lar g p h ase  an d   a m p l itu d er r o r s   co m p ar ed   to   P - QVC an d   S - QV C O.             ( a)     ( b )         ( c)     Fig u r 4 .   Si m u lated   v o lta g g ain   ( a)   lo ad   r esis to r   o n l y ,   ( b )   l o ad   r esis to r   ad d e d   w ith   P MO S   ac tiv lo ad ,   an d   ( c)   th s ig n al  s w in g   co m p ar is o n   w it h   an d   w it h o u t P MO S lo a d           Fig u r 5 .   Si m u lated   d o u b le  s i d eb an d   ( DSB )   n o is f ig u r o f   th s i n g le  b alan ce d   m i x er   w it h   an d   w it h o u t th P MO S lo ad       R L   [ Ohm] 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Volt ag e Gain [ dB] 14 15 16 17 18 19 20 21 Vb i as =0 . 32   V Vb i as =0 . 32 5 V Vb i as =0 . 33   V   R L   [ Ohm] 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 Volt ag e Gain [ dB] 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Vb i as =0 . 32   V Vb i as =0 . 32 5 V Vb i as =0 . 33   V   Time  [ s ec] 0 2e-6 4e-6 6e-6 8e-6 1e-5 1e-5 1e-5 2e-5 2e-5 2e-5 Am plit ude  [ V] -0 .01 5 -0 .01 0 -0 .00 5 0.0 00 0.0 05 0.0 10 0.0 15 R F in put Wit h PMOS l oad Wit h on ly  R L R F in put= -7 0dB m IF input   Of f s et  Fre q.  [ MHz ] 0.01 0.1 1 10 NF DSB  [ dB] 6 8 10 12 14 16 18 20 With o nl y   R L With P MOS   l oad 6 dB Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  8 ,   No .   1 Feb r u ar y   201 8   :   1 2 4     1 3 2   128         ( a)     ( b )         ( c)     Fig u r e   6 .   Sev er al  QVC to p o lo g ies.  ( a)   P - QVCO,  ( b )   S - QV C O ,   an d   ( c)   B G - QVC O       Sev er al  Q L M Vs  ar p r o p o s ed   in   Fig u r 7   b ased   o n   th e   QV C to p o lo g ies   in   Fi g u r 6 .   E a ch   Q L MV   h as t h s a m m er it s   an d   d e m e r its   o f   ea c h   QV C O   i n   Fi g u r 6 .   T h L N A   p ar t in   Fi g u r 7   is   d esig n ed   b y   ad d in g   s m a ll  s ize   ex tr ca p ac ito r   b et w ee n   t h g ate  a n d   s o u r ce   o f   t h c u r r en s o u r ce   tr an s is to r ,   w h ic h   en ab le s   to   ap p ly   p o w er - co n s tr ai n ed   s i m u ltan eo u s   n o i s i n p u t   m atc h in g   ( P C SNI M)   tec h n iq u f o r   lo w - p o w er   d esi g n   [ 1 0 ] ,   [ 1 1 ] .     Fig u r 8   s h o w s   t h s m all - s i g n al  eq u i v ale n cir c u it  o f   t h L N A   in   Fi g u r 7 ( d ) .   T h n o is m ea n - s q u ar ed   g ate  in d u ce d   n o is c u r r en t is g i v e n   b y     f g kT i g ng 4 2                   ( 4 )     W h er e     0 2 2 5 d gs g g C g                   ( 5 )     I n   ( 4 ) ,   k   is   th B o ltzm a n n   co n s tan t,  T   i s   t h ab s o lu te  te m p er atu r e δ   is   co n s ta n w it h   v a lu o f   4 /3   in   lo n g - c h an n el  d ev ice s ,   C gs   is   t h g ate - s o u r ce   p ar asit ic  ca p ac itan ce   o f   t h R i n p u tr an s i s t o r ,   g d 0   is   th d r ain - s o u r ce   co n d u cta n ce   at  ze r o   d r ain - s o u r ce   v o lta g e,   an d   Δ f   is   th b an d w id th ,   r esp ec ti v el y .   Si n ce   th g a te   in d u ce d   n o is c u r r en h as  a   co r r elatio n   w i th   th d r ai n   c h an n el   n o i s cu r r e n t,  its   co r r elatio n   co ef f icie n i s   g iv e n   b y     j i i i i c nd ng nd ng 395 . 0 2 2 *                 ( 6 )     T h n o is f ac to r   ( F )   an d   n o is e   p ar am eter s   ( n o is r esis tan ce   R n ,   o p tim u m   n o is i m p ed an ce   Z opt ,   an d   m i n i m u m   n o is f ac to r   F min )   ar g iv e n   b y     M s w M c s 2 L V b V D D I + I   Q + Q   Q + Q   I + I   M c p l   M s w M c s 2 L V b V D D I + I   Q + Q   Q + Q   I + I   M c p l   I + I   Q + Q   Q + Q   I + I   M s w M c s 2 L V b V D D Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       S in g le - S ta g Qu a d r a tu r LM V s   ( N a m - Jin   Oh )   129   ) ( ) ( ) 1 ( 5 5 1 ) ( 5 1 ) ( 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 0 2 s g s gs m s gs s g gs d s m L L R C g c c R C c L L C g R g F  ( 7 )     m n g R 1                   ( 8 )     s gs t gs gs t opt L j c C C c C c C C j c Z 2 2 2 2 5 ) 1 ( 5 5 ) 1 ( 5         ( 9 )     ) 1 ( 5 2 1 2 m in c F T                ( 1 0 )     w h er γ   i s   u n it y   at  ze r o   V DS   an d   2 /3   i n   s atu r atio n   m o d tr an s is to r   o p er atio n   w i th   lo n g   ch a n n el  d e v ices ,   α =g m /g d0   is   u n it y   f o r   lo n g   ch an n el  d ev ice s   an d   d ec r ea s es  as  th ch a n n el  le n g th   d ec r ea s e s ,     C t = C gs +C ex ,   an d   ω T   is   th c u to f f   f r eq u en c y   an d   is   eq u al  to   g m / C gs ,   r esp ec tiv e l y .   T h in p u t i m p ed a n ce   Z in   o f   t h L N A   i s   g i v e n   b y     s t t s m in L j C j C L g Z 1                 ( 1 1 )           ( a)     ( b )         ( c)     ( d )     Fig u r e   7 .   P r o p o s ed   QL MV s .   ( a)   P - QVCO  L MV ,   ( b )   S - QV C L MV ,   ( c)   B G - QV C L MV ,   an d   ( d )   L P F a n d   L N A       Fo r   th cir cu it  s h o w n   i n   Fi g u r 8 ,   th co n d itio n   f o r   s i m u lt an eo u s   n o is an d   i n p u m atch in g   ca n   b e   s atis f ied   w h e n       M s w , n M c s V R 2 L C c p l V b R L V D D M s w , p I + I   Q + Q   I   I + Q + Q   M c p l d i + d i   d q   d q + M s w , n M c s V b 2 L C c p l V b R L V D D M s w , p I + I   Q + Q   I   I + Q + Q   M c p l d i + d i   d q   d q +   M c s V b R L V D D M s w , p Q + Q   I   I + M s w , n 2 L C c p l V b I + I   Q + Q   d i + d i   d q   d q + M c s V R F C e x I F I   I F I + R I F Q   I F Q + d i + d i   d q   d q + L P F L N A Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  8 ,   No .   1 Feb r u ar y   201 8   :   1 2 4     1 3 2   130   . * in s opt Z Z Z                   ( 1 2 )     C o m p ar in g   ( 9 )   an d   ( 1 1 ) ,   th c o n d itio n   th a t sati s f y   ( 1 2 )   is   g i v en   b y     s gs t gs R c C C c C c 2 2 2 2 5 ) 1 ( 5 ) 1 ( 5           ( 1 3 )     g s gs t gs gs t L L c C C c C c C C 2 2 2 5 ) 1 ( 5 5         ( 1 4 )     s t s m R C L g                   ( 1 5 )       g s t L L C 1                 ( 1 6 )     Fro m   ( 1 3 )   an d   ( 1 5 ) ,   th s o u r ce   d eg en er atio n   i n d u cto r   ca n   b ap p r o x im a ted   b y     t T s C c L  ) 1 ( 5 2                 ( 1 7 )     A s s u m in g   δ / γ   is   n ea r l y   co n s t an w h ic h   is   ab o u 2 ,   α   is   le s s   th a n   u n i t y ,   a n d   | c | =0 . 3 9 5   f o r   th s h o r ch a n n el   tr an s i s to r s   [ 9 ] .       C e x C g s v g s i n g 2 i n d 2 g m v g s v n s 2 R s L g L s i o u t 1 i n d 2 g m v g s i o u t 2 g g + Z i n Z s     Fig u r e   8 .   S m all - s ig n a l e q u i v al en t c ir cu i t o f   th L N A       3.   P E RF O RM ANCE O F   T H E   P RO P O SE Q L M Vs   A   s y m m etr ic  i n d u c to r   is   u s ed   to   h av e   h ig h er   q u al it y   ( Q)   f ac to r   ( Q= 1 2 . 5   at  2 . 4   GHz )   to   h av a   b etter   p h ase  n o is p er f o r m a n ce .   T h ac   co u p lin g   ca p ac ito r   C cpl   is   i m p le m e n ted   w it h   m etal - i n s u lato r - m eta l   ( MI M)   ca p ac ito r .   T h tu n in g   r an g is   v ar ied   w it h   th MO v ar ac to r s .   T h tr an s is to r s   M cpl   an d   M sw, in   Fig u r 6   ar s et  to   h av th s a m s iz f o r   f air   co m p ar is o n .   T h w i d th   o f   th s w itc h in g   tr an s is to r s   is   3 2   µ m   w i t h   t h e   m i n i m u m   c h an n el  le n g t h   o f   6 0   n m .   T h s ize  o f   C ex L g   a n d   L s   ar ch o s e n   f o llo w i n g   th P C SNI tec h n iq u to   m atc h   t h s i g n al   s o u r ce   i m p ed an ce   o f   5 0   o h m .   T h v al u o f   C ex   is   ab o u 8 0   f F.  Fi g u r e   9 ( a)   s h o w s   th f r eq u en c y   d o m ai n   a n al y s is   o f   th e   L a n d   I o u tp u t   o f   th S - QVC L MV .   Fi g u r 9 ( b )   s h o w s   t h s ig n a l   s w in g   at  t h R F i n p u t a n d   I F o u tp u w h e n   8 0   d B m   R F in p u t   s ig n al  i s   ap p lied .   T h v o ltag co n v er s io n   g ai n   i s   ab o u 3 2   d B .   Fig u r e   1 0 ( a)   s h o w s   th e   p h ase  n o is p er f o r m an ce   o f   th p r o p o s ed   QL MV s .   T h S - QV C L M V   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       S in g le - S ta g Qu a d r a tu r LM V s   ( N a m - Jin   Oh )   131   h as  b etter   p h ase  n o is p er f o r m an ce   co m p ar ed   to   o th er   t w o   QL MV s .   I h a s   th p h ase  n o is o f   6 8 . 2   d B c/Hz ,     9 2 . 4   d B c/Hz ,   an d   1 1 3 . 2   d B c/Hz   at  1 0   k Hz,   1 0 0   k Hz,   an d   1   MH o f f s et  f r eq u e n c y ,   r esp ec tiv el y .   T h e   f r eq u en c y   t u n in g   r an g o f   S - Q VC L MV   is   f r o m   2 . 3 3   GHz   to   2 . 4 2   GHz .           ( a)     ( b )     Fig u r e   9 .   ( a)   Fre q u en c y   d o m ai n   an al y s is   o f   t h S - QV C L M V,   ( b )   Vo ltag s w i n g   at  th R F in p u t a n d   I o u tp u t o f   t h S - QV C L MV .   T h ap p lied   R F in p u t p o w er   is   8 0 d B m       As  s h o w n   i n   Fi g u r 1 0 ( b ) ,   th d o u b le  s id eb an d   n o is f i g u r ( NF DSB )   o f   th e   S - QV C L M is   lo w e r   at  lo w   o f f s et  f r eq u e n cies  le s s   th a n   0 . 1   MH an d   h i g h er   at  h i g h   o f f s et  f r eq u e n cies  lar g er   th a n   0 . 1   MH z   co m p ar ed   to   o th er   t w o   Q L M V s .   T h NF D S B   o f   t h S - QV C is   ab o u t 9 . 6   d B   at  1   MH o f f s et  f r eq u e n c y .   T ab le  I   s u m m ar iz es  t h p er f o r m an c o f   th p r o p o s ed   QL MV s .   T o   s i m u late  th p h ase  a n d   a m p litu d er r o r s ,   0 . 1 %   tan k   in d u cto r   m i s m a tch   i s   as s u m ed .   E v e n   th o u g h   t he   P - Q VC L MV   h as  t h lo w est  p h ase  a n d   a m p lit u d e   er r o r s ,   it  h as  in f er io r   p h ase  n o is p er f o r m a n ce   s i n ce   th p a r allel  c o u p lin g   tr an s i s to r   co n t r ib u tes   lar g p h ase   n o is e.   W h i le  t h B G - Q VC O   L MV   h a s   g o o d   p h ase  n o is e   p er f o r m an ce ,   it   h a s   lar g e   p h ase  a n d   a m p l itu d e   er r o r s .   T h S - QVCO  L MV   h as  th lo w est  p h a s n o is p er f o r m a n ce   an d   p o w er   co n s u m p tio n   w it h   m o d er at e   p h ase  a n d   a m p li tu d e   er r o r s .   Fro m   t h s i m u latio n   r e s u l t s ,   th e   p r o p o s ed   QL MV s   ar e   ex p ec ted   to   b e   s u cc e s s f u ll y   i n te g r ated   f o r   th e   d ir ec co n v er s io n   r ec ei v er   s u ch   as  Glo b al  P o s itio n i n g   S y s t e m   ( GP S),   s atellite   co m m u n icatio n   r ec eiv er   [ 1 2 ] ,   m ed ical  b o d y   ar ea   n et w o r k ,   an d   ca b le  T ( C A T V)   s et - to p   b o x   w h ile   co n s u m i n g   lo w   p o w er   w it h   j u s t o n in teg r ated   b lo ck .       Of f set   Fre q.   [ M Hz] 0 .0 0 1 0 .0 1 0 .1 1 P ha se  No ise   [ dB c/H z] -1 2 0 -1 0 0 -8 0 -6 0 -4 0 -2 0 S- Q VC O  LM V P- Q VC O  LM V B G -Q VC O  LM V   Of f set   Fre q.   [ M Hz] 0 .0 0 1 0 .0 1 0 .1 1 10 NF DSB   [ dB ] 5 10 15 20 25 30 S- Q VC O  LM V P- Q VC O  LM V B G -Q VC O  LM V     ( a)     ( b )     Fig u r e   10.   ( a)   P h ase  n o is an d   ( b )   d o u b le  s id eb an d   n o is f i g u r o f   th p r o p o s ed   QVCO L MV s     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  8 ,   No .   1 Feb r u ar y   201 8   :   1 2 4     1 3 2   132   T ab le  1 .   Su m m ar y   o f   P er f o r m an ce   o f   Q L MV s     S - Q V C O   L M V   P - Q V C O   L M V   BG - Q V C O   L M V   f o sc(G H z )   2 . 3 7   2 . 4 8   2 . 5 6   P h a se   e r r o r ( º )   0 . 5 4   0 . 0 1   4 . 2 3   A mp l t i d u e   e r r o r ( d B )   0 . 1 6   0 . 0 7   0 . 1 4   P DC ( µ W)   3 1 3   5 1 0   4 1 4   V o l t a g e   g a i n ( d B )   32   53   40   P N @ 1 M H z ( d B c / H z )   1 1 3 . 2   1 0 7 . 6   1 1 0 . 2   NF D S B @ 1 M H z ( d B )   9 . 5 9   7 . 2 2   7 . 4 4   * P h a se   a n d   a m p l i t u d e   e r r o r s a r e   si mu l a t e d   a ssu mi n g   0 . 1 t a n k   i n d u c t o r   m i s mat c h .       4.   CO NCLU SI O N     B y   u til izin g   s er ie s   LC   r eso n ato r ,   th is   p ap er   p r o p o s es  f u l l y   i n teg r ated   R f r o n t - en d   Q L MV s   b y   m er g i n g   L N A ,   s i n g le - b ala n c ed   m i x er ,   an d   q u ad r atu r V C O.   T h p r o p o s ed   QL MV s   ar d esig n ed   an d   s i m u lated   u s i n g   6 5   n m   T SMC   C MO tech n o lo g y .   T h p r o p o s ed   QL MV s   ca n   b ea s il y   i n teg r ated   o n   ch ip ,   an d   ap p lied   f o r   l ow - p o w er   h i g h - p er f o r m an ce   d ir ec t c o n v er s i o n   R f r o n t - en d   r ec eiv er .       RE F E R E NC E S   [1 ]   T. - P .   W a n g ,   C. - C.   Ch a n g ,   R. - C.   L iu   e a l.   lo w - p o w e r   o sc il lato m i x e in   0 . 1 8 - µm   CM OS  te c h n o l o g y ,”   IEE T ra n sa c ti o n o n   M icr o w a v e   T h e o ry   a n d   T e c h n i q u e s 2 0 0 6 5 4 (1 );   88 - 9 5 .     [2 ]   A .   L isc id in i,   A .   M a z z a n ti ,   R.   T o n ietto ,   L .   V a n d i ,   P .   A n d re a n i,   a n d   R.   Ca ste ll o ,   S i n g le - sta g e   lo w - p o w e q u a d ra tu re   RF   re c e iv e f ro n t - e n d :   T h e   L M V   c e ll ,”   IEE J .   S o li d - S t a te Ci rc u i ts 2 0 0 6 41 ( 12 );  28 3 2 - 2 8 4 1 .     [3 ]   F.   Be h b a h a n i   et   a l.   A   27 - mW   GPS   ra d i o   in   0 . 3 5   µ m   CM OS ,   IEE E   In t.   S o li d - S tate   Circu it s   Co n f .   Dig .   T e c h .   P a p e rs   2 0 0 2 3 9 8 - 3 9 9 .     [4 ]   J.   v a n   d e r   T a n g   a n d   D.   Ka sp e r k o v it z ,   A   0 . 9 2 . 2   GHz   mo n o li th ic   q u a d ra t u re   mix e r   o sc il la to r   fo r   d i re c t - c o n v e rs io n   sa telli te   re c e ive rs ,”   IEE E   In t.   S o l id - S tate   Circu i ts   Co n f .   Dig .   T e c h .   P a p e rs,   1 9 9 7 88 - 89.   [5 ]   Na m - Jin   Oh ,   A   sin g le - st a g e   lo w - p o we d o u b le - b a la n c e d   m ix e r   m e rg e d   w it h   L N a n d   V CO ,”   In ter n a ti o n a l   J o u rn a l   of   El e c trica l   a n d   C o mp u t e r   En g i n e e rin g   ( IJ ECE ) ,   2 0 1 7 7 ( 1 );  1 5 2 - 1 5 9 .   [6 ]   Na m - Jin   Oh ,   A   S in g le - S tag e   L o w - P o w e RF   R e c e i v e F ro n t - e n d S e ries - Re so n a to b a se d   L M V   c e ll ,”   IET E   T e c h n ica Rev iew 2 0 1 5 32 (1 ) ;   61 - 6 9 .     [7 ]   P .   A n d re a n i ,   A.   Bo n f a n ti ,   a n d   C.   S a m o ri ,   A n a l y sis  a n d   d e sig n   o f   a   1 . 8 - G Hz   CM OS  LC   q u a d ra tu re   V CO ,”   IEE J .   S o li d - S t a te Ci rc u i ts ,   2 0 0 2 3 7 ( 1 2 ) 1 7 3 7 - 1 7 4 7 .   [8 ]   H. - R.   Kim ,   C. - Y.  Ch a ,   S . - M .   O h   e a l. ,   A   v e r y   lo w - p o w e q u a d ra tu re   V CO  w it h   b a c k - g a te  c o u p li n g ,”   IEE J .   S o li d - S t a te Ci rc u i ts 2 0 0 4 3 9 ( 6 );  9 5 2 - 9 5 5 .   [9 ]   T .   H.  L e e ,   T h e   De sig n   o CM OS   Ra d i o - Fre q u e n c y   Circ u it s ,”   Ca m b rid g e ,   U.  K.:   Ca m b rid g e   Un iv .   P re ss ,   1 9 9 9 .   [1 0 ]   T. - K.  Ng u y e n ,   C. - H.  Ki m ,   G . - K.   Ih m   e a l. ,   CM OS  lo w - n o ise   a m p li f ier  d e sig n   o p ti m iz a ti o n   tec h n i q u e s ,”   IEE E   T ra n s M icr o w.   T h e o ry   T e c h . 2 0 0 4 5 2 ( 5 );  p p .   1 4 3 3 - 1 4 4 2 .   [1 1 ]   Na m - Jin   Oh ,   Co rre c ti o n to   C M OS  lo w - n o ise   a m p li f ier  d e sig n   o p t im iza ti o n   tec h n iq u e s ,”   IEE T ra ns M icr o w .   T h e o ry   T e c h . 2 0 0 7 5 5 ( 6 );  1 2 5 5 .   [1 2 ]   T. - V .   Ho i,   N.  T .   L a n h ,   N.  X .   T ru o n g   e a l. ,   De sig n   o a   f ro n t - e n d   f o sa telli te  re c e iv e r ,”   In ter n a ti o n a l   J o u r n a l   of   El e c trica l   a n d   C o mp u ter   En g in e e rin g   ( IJ ECE ) ,   2 0 1 6 6 (5 );   2 2 8 2 - 2 2 9 0 .       B I O G RAP H Y   O F   AUTHO R       Na m - J in   O h   re c e iv e d   th e   B. S .   d e g re e   in   p h y sic f ro m   Ha n y a n g   Un iv e rsit y ,   S e o u l,   K o re a ,   in   1 9 9 2 ,   th e   M . S .   d e g re e   in   e lec tri c a e n g in e e rin g   f ro m   No rth   Ca ro li n a   S tate   Un iv e rsit y ,   Ra leig h ,   NC,  USA ,   in   1 9 9 9 ,   a n d   th e   P h . D .   d e g re e   f r o m   th e   Ko re a   A d v a n c e d   In stit u te  o S c ien c e   a n d   T e c h n o lo g y I Co n v e rg e n c e   Ca m p u (K AIST I CC (f o r m e rl y   th e   In f o rm a ti o n   a n d   Co m m u n ica ti o n Un iv e rsity ),   Da e jeo n ,   Ko re a ,   in   2 0 0 6 .   F ro m   1 9 9 2   to   1 9 9 7 ,   h e   w a w it h   LG   Co rp o ra te  In stit u te  o f   T e c h n o lo g y ,   S e o u l,   Ko re a .   F r o m   1 9 9 9   to   2 0 0 1 ,   h e   w a w it h   S a m su n g   El e c tro n ics ,   S u w o n ,   Ko re a .   F r o m   2 0 0 6   t o   2 0 0 7 ,   h e   w a w it h   A u to - ID  Lab . ,   F u d a n   Un iv e rsity ,   Ch in a ,   a a   p o st - d o c to r.   He   j o in e d   th e   d e p a rtm e n o f   El e c tro n ic  En g in e e rin g ,   Ko re a   Na ti o n a Un iv e rs it y   o f   T ra n sp o rtatio n   (f o rm e rl y   Ch u n g j u   Na ti o n a U n iv e rsity ),   Ko re a ,   in   2 0 0 7 ,   w h e re   h e   is  c u rre n tl y   a n   a s so c iate   p ro f e ss o r.   Hi re se a rc h   in tere sts  a re   f o c u se d   o n   a n a lo g   a n d   m ix e d - sig n a in teg ra ted   c ircu it s,  d ig it a in teg ra te d   c ircu it s,  sy st e m   le v e b e h a v io ra sim u latio n   o f   w ir e les c o m m u n ica ti o n s,  a n d   d e v ice   m o d e li n g   o CM OS  a c ti v e   a n d   p a ss iv e   c ircu it s.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.