KR100879270B1 - Millimeter-wave voltage controlled oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전압 제어 발진기에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 광대역에 걸친 주파수를 발생시킬 수 있는 밀리미터파 전압 제어 발진기에 관한 것이다.The present invention relates to a voltage controlled oscillator, and more particularly to a millimeter wave voltage controlled oscillator capable of generating a frequency over a wide band.
전압 제어 발진기는 외부에서 인가되는 전압을 변화시켜 원하는 주파수 신호를 발생시키는 것으로, 아날로그 음향 합성장치, 이동통신 단말기 등 무선통신에 주로 쓰인다. The voltage controlled oscillator generates a desired frequency signal by changing a voltage applied from the outside, and is mainly used in wireless communication such as an analog sound synthesizer or a mobile communication terminal.
도 1은 종래의 전압 제어 발진기의 회로도이고, 도 2는 종래의 버랙터의 회로도이다.1 is a circuit diagram of a conventional voltage controlled oscillator, and FIG. 2 is a circuit diagram of a conventional varactor.
도 1을 참조하면, 종래의 전압 제어 발진기는 MOSFET들이 교차 연결된(cross-coupled) 구조(503)를 기본으로 하며, 버랙터(varactor ; 501)를 LC 공진기(502)에 구비하여 가변 가능한 발진 주파수를 생성한다. LC 공진기(502)에서 발생되는 주파수(f)는 [수학식 1]과 같이 정의된다.Referring to FIG. 1, a conventional voltage controlled oscillator is based on a structure in which MOSFETs are cross-coupled 503, and a variable oscillation frequency is provided by providing a
여기서, L은 LC 공진기(502)의 인덕턴스 값을 의미하고, C는 LC 공진기(502)의 커패시턴스 값을 의미한다. Here, L means an inductance value of the
일반적으로, 전압 제어 발진기의 가변 주파수 조정 범위를 늘리기 위한 방법으로는 인덕터나 커패시터를 스위칭하면서 주파수를 가변시키는 방법을 사용하거나, 또는 LC 공진기(502)의 버랙터(501)를 사용하는 방법이 있다.In general, a method for increasing the variable frequency adjustment range of the voltage controlled oscillator may be a method of varying the frequency while switching an inductor or a capacitor, or using a
첫째로, 인덕터와 커패시터를 스위칭하는 방법은 넓은 가변 주파수 범위를 가질 수 있으나, 밀리미터파에서는 스위치 소자 자체가 기생 성분이 되기 때문에 사용하기 어렵고, 회로의 크기가 커지는 문제점이 있다. 두 번째로, 버랙터를 이용하여 가변 주파수 범위를 가변시키는 방법은, 도 2와 같은 MOSFET 버랙터를 설계하여 사용하거나, 또는 공정 측에서 제공하는 버랙터를 이용하는 방법이 있다. 도 2와 같이 MOSFET의 드레인과 소스를 연결한 버랙터(101)를 사용하는 경우에는 커패시턴스 가변 범위가 넓지 않아 입력 전압에 따른 주파수 가변에 한계가 있다. 그리고, 공정 측에서 제공하는 버랙터를 사용하는 경우 가변 전압에 따른 커패시턴스 범위는 넓지만, 전체적인 커패시턴스 값이 높아서 LC 공진부분에서 발생하는 주파수를 30 GHz의 대역의 밀리미터파까지 확장하기에는 한계가 있다.First, the method of switching the inductor and the capacitor may have a wide variable frequency range, but in the millimeter wave, it is difficult to use because the switch element itself becomes a parasitic component, and there is a problem in that the circuit size becomes large. Secondly, the method of varying the variable frequency range by using a varactor includes a method of designing and using a MOSFET varactor as shown in FIG. 2 or using a varactor provided by the process side. In the case of using the
따라서, 본 발명의 목적은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 주파수가 30 GHz인 밀리미터파 전압 제어 발진기에 적용 가능하고, 가변 전압에 따른 전체적인 커패시턴스 변화 범위를 향상시켜 전압 제어 발진기의 가변 주파수 범위를 향상시킬 수 있는 밀리미터파 전압 제어 발진기를 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention has been proposed to solve the above-mentioned problems, and can be applied to a millimeter wave voltage controlled oscillator having a frequency of 30 GHz, and improves the overall capacitance variation range according to the variable voltage to change the variable of the voltage controlled oscillator. To provide a millimeter-wave voltage controlled oscillator that can improve the frequency range.
상기의 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 밀리미터파 전압 제어 발진기는, 커패시턴스 값을 가변하여 발진 신호를 생성하는 공진기; 상기 공진기의 출력에 포함되어 있는 기생 저항 성분을 감쇄시키는 감쇄기; 그리고 상기 감쇄기로부터 일정레벨의 전류를 접지로 흘려주어 동작 전압을 조절하는 전류 공급부를 포함하며, 상기 공진기는 바디와 소스에 큰 값의 저항이 삽입된 MOS 트랜지스터들로 구성된 버랙터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 버랙터는 상기 전압 제어 발진기의 출력 주파수가 밀리미터파까지 확장될 수 있도록 충분히 낮은 최소 커패시턴스 값을 제공하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 버랙터에 삽입된 상기 저항은 CMOS 공정을 통해 삽입되는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 MOS 트랜지스터들은 N 타입의 MOS 트랜지스터인 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 공진기는 상기 버랙터와 복수 개의 인덕터들로 구성된 LC 공진기인 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the millimeter wave voltage controlled oscillator according to the present invention includes a resonator for generating an oscillation signal by varying a capacitance value; An attenuator for attenuating parasitic resistance components included in the output of the resonator; And a current supply unit for adjusting an operating voltage by flowing a predetermined level of current from the attenuator to ground, wherein the resonator includes a varactor composed of MOS transistors having a large value resistor inserted into the body and the source. It is done.
In this embodiment, the varactor is characterized by providing a minimum capacitance value low enough so that the output frequency of the voltage controlled oscillator can be extended to millimeter waves.
In this embodiment, the resistor inserted into the varactor is characterized in that it is inserted through a CMOS process.
In this embodiment, the MOS transistors are N type MOS transistors.
In this embodiment, the resonator is characterized in that the LC resonator consisting of the varactor and a plurality of inductors.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 버랙터의 전체적인 커패시턴스 변화 범위를 증가시킬 수 있게 되어, 전압 제어 발진기의 가변 주파수 범위가 효과적으로 향상된다. According to the present invention as described above, it is possible to increase the overall capacitance change range of the varactor, thereby effectively improving the variable frequency range of the voltage controlled oscillator.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 버랙터는 최소 커패시턴스 값을 현저히 낮출 수 있기 때문에, 출력 주파수를 30 GHz의 대역의 밀리미터파까지 확장할 수 있게 된다.In addition, since the varactor according to the present invention can significantly lower the minimum capacitance value, the output frequency can be extended to millimeter waves in the band of 30 GHz.
이하 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 신규한 본 발명의 밀리미터파 전압 제어 발진기는, CMOS 공정을 통해 MOSFET의 소스와 바디에 큰 저항이 삽입된 버랙터를 포함한다. 상기 MOSFET 버랙터는 종래의 버랙터보다 작은 커패시턴스 값을 갖기 때문에 밀리미터파 전압 제어 발진기에 적용 가능하고, 커패시턴스 가변 범위가 크기 때문에 전압 제어 발진기의 가변 주파수 범위를 효과적으로 향상시킬 수 있다. The novel millimeter wave voltage controlled oscillator of the present invention includes a varactor having a large resistance inserted into the source and body of the MOSFET through a CMOS process. Since the MOSFET varactor has a smaller capacitance value than the conventional varactor, the MOSFET varactor can be applied to a millimeter wave voltage controlled oscillator. Since the capacitance variable range is large, the variable frequency range of the voltage controlled oscillator can be effectively improved.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 버랙터의 회로도이고, 도 4는 도 2에 도시된 종래의 버랙터와 도 3에 도시된 본 발명의 버랙터의 가변 전압에 따른 커패시턴스 변화량을 보여주는 그래프이다.3 is a circuit diagram of a varactor according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a graph showing the amount of capacitance change according to the variable voltage of the conventional varactor shown in Figure 2 and the varactor of the present invention shown in Figure 3 .
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 버랙터는 CMOS 공정을 통해 MOSFET의 바디 부분과 소스 부분에 큰 값의 저항(301,302)이 삽입된 구조를 갖는다. 이와 같은 구조를 갖는 본 발명의 버랙터와 도 2에 도시된 종래의 버랙터의 가변 전압에 따른 커패시턴스 변화량을 살펴보면 다음과 같다.Referring to FIG. 3, a varactor according to the present invention has a structure in which large values of
도 4를 참조하면, 동일 조건 하에서의 컴퓨터 시뮬레이션 결과, 본 발명에 따른 버랙터에서 발생되는 최고 커패시턴스 값은 종래의 버랙터의 최고 커패시턴스 값과 비슷한 반면, 최저 커패시턴스 값은 현저히 낮은 값을 가짐을 알 수 있다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 버랙터의 커패시턴스 가변 범위는 종래의 버랙터 보다 약 56 % 정도 향상된 결과를 갖는다. 이와 같이 향상된 버랙터의 커패시턴스 가변 범위는 전압 제어 발진기의 출력 주파수의 가변 범위를 향상시켜 준다. 특히, 본 발명에 따른 버랙터는 종래에 비해 현저히 낮아진 최소 커패시턴스 값을 가지기 때문에, 전압 제어 발진기의 출력 주파수를 30 GHz 대역의 밀리미터파까지 확장할 수 있게 만들어 준다. Referring to FIG. 4, as a result of computer simulation under the same condition, the highest capacitance value generated in the varactor according to the present invention is similar to the highest capacitance value of the conventional varactor, whereas the lowest capacitance value has a significantly low value. have. As can be seen in Figure 4, the variable capacitance range of the varactor according to the present invention results in about 56% improvement over conventional varactors. This improved varactor's variable capacitance range improves the variable frequency output range of the voltage controlled oscillator. In particular, since the varactor according to the present invention has a significantly lower minimum capacitance value than in the related art, it makes it possible to extend the output frequency of the voltage controlled oscillator to millimeter waves in the 30 GHz band.
본 발명에 따른 버랙터는 MOSFET의 바디에 큰 저항이 삽입되어 있기 때문에, 소스와 드레인에 양전압을 가할 때 버랙터는 공핍 영역에서 동작하게 된다. 그리고 게이트-옥사이드(gate-oxide) 커패시턴스와 공핍 커패시턴스가 소스의 큰 저항으로 인해 무시 가능할 정도로 작아져, 최저 커패시턴스 값이 낮아지게 된다. 또한, 본 발명에 따른 버랙터는 MOSFET의 바디 뿐만 아니라 소스에도 큰 저항이 삽입되기 때문에, 최저 커패시턴스 값이 더 낮아지는 효과를 가지게 된다.Since the varactor according to the present invention has a large resistance inserted into the body of the MOSFET, the varactor operates in the depletion region when a positive voltage is applied to the source and the drain. Gate-oxide capacitance and depletion capacitance are negligibly small due to the large resistance of the source, resulting in a lower minimum capacitance value. In addition, the varactor according to the present invention has the effect of lowering the minimum capacitance value because a large resistance is inserted not only in the MOSFET body but also in the source.
도 5는 도 3에 도시된 버랙터가 적용된, 본 발명의 실시예에 따른 전압 제어 발진기의 회로도이다. FIG. 5 is a circuit diagram of a voltage controlled oscillator according to an embodiment of the present invention to which the varactor shown in FIG. 3 is applied.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전압 제어 발진기는 LC 공진기(602), 감쇄기(603), 그리고 전류 공급부(604)를 포함한다. 그리고, LC 공진기(602)는 복수 개의 인덕터들과 버랙터(601)를 포함한다. 도 5에 도시된 버랙터(601)는 도 3에 도시된 버랙터 구조가 적용된 버랙터이다. 그러나, 도 5에 도시된 전압 제어 발진기의 구성은 본 발명에 적용되는 일 실시예에 불과하다. 그러므로, 본 발명의 사상이 적용되는 범위 내에서 다양한 형태로 변경 및 변형 가능하다.Referring to FIG. 5, the voltage controlled oscillator according to the present invention includes an
LC 공진기(602)는 인덕터들의 인덕턴스 값을 고정시킨 상태에서 버랙터(601)를 통하여 커패시턴스 값을 가변하여 발진 신호를 생성한다. 감쇄기(603)는 교차 연결된 두 개의 MOSFET로 구성된다. 감쇄기(603)는 네거티브 트랜스 컨덕턴스(negative trans conductance ; Gm) 특성을 이용하여 LC 공진기(602)로부터 출력된 발진 신호에 포함되어 있는 기생 저항 성분을 감쇄시킨다. 그 결과, 전압 제어 발진기의 출력이 일정 레벨을 유지할 수 있게 된다. 전류 공급부(604)는 일정레벨의 전류를 접지로 흘려주어, 전압 제어 발진기에 안정된 동작 전압이 제공되도록 하는 전류 싱커(current sinker)로서의 역할을 수행한다. The
전압 제어 발진기는 버랙터(601)의 입력 전압(Vcrl)을 가변시켜 전압 제어 발진기의 발진 주파수 범위를 갖는 변조 신호(Out_n, Out_p)를 발생한다. 버랙터(601)의 가변 커패시턴스 범위는 결과적으로 전압 제어 발진기의 발진 주파수의 범위를 결정하게 된다. 전압 제어 발진기의 발진 주파수 범위를 늘리기 위해, 본 발명에서는 CMOS 공정을 통해 MOSFET의 소스와 바디에 큰 저항이 삽입되도록 버랙터(601)를 구성하고, 이를 적용하여 전압 제어 발진기를 구성한다. 이와 같은 구성을 갖는 버랙터(601)는 커패시턴스 가변 범위가 매우 큰 값을 갖기 때문에(즉, 최소 커패스턴스 값과 최대 커패시턴스 값의 차이가 매우 크기 때문에), 전압 제어 발진기의 출력 주파수의 가변 범위가 향상된다. 특히, 본 발명에 따른 버랙터는 종래에 비해 현저히 낮아진 최소 커패시턴스 값을 가지기 때문에, 전압 제어 발진기의 출력 주파수를 30 GHz 대역의 밀리미터파까지 확장할 수 있게 만들어 준다. The voltage controlled oscillator varies the input voltage Vcrl of the
도 6은 본 발명의 전압 제어 발진기의 가변 주파수에 따른 출력 전압 레벨을 보여주는 그래프이다.6 is a graph showing the output voltage level according to the variable frequency of the voltage controlled oscillator of the present invention.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 전압 제어 발진기는 버랙터 조정 전압이 0V에서 1.8V까지 변화시켰을 때 주파수가 31.05GHz에서 36.45Hz 까지 변화함을 할 수 있다. 이때 얻어지는 주파수 조정 범위는 5.4GHz로서, 출력 전력은 -15.42 dBm 내지 -8.87dBm의 결과 값을 가지게 된다. Referring to FIG. 6, the voltage controlled oscillator according to the present invention may change the frequency from 31.05 GHz to 36.45 Hz when the varactor adjustment voltage is changed from 0V to 1.8V. The frequency adjustment range obtained at this time is 5.4 GHz, and the output power has a result value of -15.42 dBm to -8.87 dBm.
도 7은 본 발명의 전압 제어 발진기의 가변 주파수에 따른 위상잡음을 보여주는 그래프이다.7 is a graph showing phase noise according to a variable frequency of the voltage controlled oscillator of the present invention.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 전압 제어 발진기는 오프셋 주파수 1MHz에 서 위상 잡음이 -96dBc/Hz 부터 -88dBc/Hz 까지 변화한다. 즉, 본 발명의 전압 제어 발진기는 출력 주파수의 가변 범위가 향상되었음에도 불구하고, 낮은 위상 잡음을 가지게 된다. Referring to FIG. 7, the voltage controlled oscillator according to the present invention changes the phase noise from -96 dBc / Hz to -88 dBc / Hz at an offset frequency of 1 MHz. That is, the voltage controlled oscillator of the present invention has low phase noise even though the variable range of the output frequency is improved.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전압 제어 발진기는 가변 범위가 매우 큰 값을 갖는(즉, 최소 커패스턴스 값과 최대 커패시턴스 값의 차이가 매우 큰 값을 갖는) 버랙터(601)를 포함한다. 본 발명의 버랙터(601)는 가변 전압에 따른 전체적인 커패시턴스 변화 범위가 종래의 MOSFET 버랙터에 비해 50 % 이상 향상된다. 이와 같이, 본 발명의 버랙터(601)가 가지는 향상된 커패시턴스 특성은, 전압 제어 발진기의 출력 주파수의 가변 범위를 향상시킨다. 특히, 본 발명에 따른 버랙터는 종래에 비해 현저히 낮아진 최소 커패시턴스 값을 가지기 때문에, 전압 제어 발진기의 출력 주파수를 30 GHz 대역의 밀리미터파까지 확장할 수 있게 한다. As described above, the voltage controlled oscillator according to the present invention includes a
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.As described above, optimal embodiments have been disclosed in the drawings and the specification. Although specific terms have been used herein, they are used only for the purpose of describing the present invention and are not used to limit the scope of the present invention as defined in the meaning or claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
도 1은 종래의 전압 제어 발진기의 회로도이다.1 is a circuit diagram of a conventional voltage controlled oscillator.
도 2는 종래의 버랙터의 회로도이다.2 is a circuit diagram of a conventional varactor.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 MOSFET 버랙터의 회로도이다.3 is a circuit diagram of a MOSFET varactor according to an embodiment of the present invention.
도 4는 도 2에 도시된 종래의 버랙터와 도 3에 도시된 본 발명의 버랙터의 가변 전압에 따른 커패시턴스 변화량을 보여주는 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing capacitance variation according to a variable voltage of the conventional varactor shown in FIG. 2 and the varactor of the present invention shown in FIG.
도 5는 도 3에 도시된 버랙터가 적용된, 본 발명의 실시예에 따른 전압 제어 발진기의 회로도이다.FIG. 5 is a circuit diagram of a voltage controlled oscillator according to an embodiment of the present invention to which the varactor shown in FIG. 3 is applied.
도 6은 본 발명의 전압 제어 발진기의 가변 주파수에 따른 출력 전압 레벨을 보여주는 그래프이다.6 is a graph showing the output voltage level according to the variable frequency of the voltage controlled oscillator of the present invention.
도 7은 본 발명의 전압 제어 발진기의 가변 주파수에 따른 위상잡음을 보여주는 그래프이다.7 is a graph showing phase noise according to a variable frequency of the voltage controlled oscillator of the present invention.
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