KR100895029B1 - Frequency synthesizer - Google Patents
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- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
Abstract
전압 제어 발진기(VCO)에 연결된 기준 발진기 유닛을 통해 주파수 합성기의 주파수를 안정화시키기 위한 방법 및 주파수 합성기가 제공되는데, 상기 합성기에는 상기 전압 제어 발진기의 동작을 안정화시키기 위한 위상 고정 루프(PLL)가 제공되고, 상기 기준 발진기 유닛은 마이크로전자기계시스템(MEMS) 기준 발진기 유닛이며, 상기 마이크로전자기계시스템 기준 발진기 유닛의 온도가 측정되며, 출력 주파수가 주파수/온도 함수를 사용하여 상기 측정된 온도에 따라 보정된다.A method and frequency synthesizer are provided for stabilizing the frequency of the frequency synthesizer via a reference oscillator unit coupled to a voltage controlled oscillator (VCO), the synthesizer being provided with a phase locked loop (PLL) for stabilizing the operation of the voltage controlled oscillator. The reference oscillator unit is a microelectromechanical system (MEMS) reference oscillator unit, the temperature of the microelectromechanical system reference oscillator unit is measured, and the output frequency is corrected according to the measured temperature using a frequency / temperature function. do.
Description
본 발명은 주파수 합성기의 주파수를 안정화시키기 위한 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 위상 고정 루프(PLL: Phase Locked Loop)를 사용하여 전압 제어 발진기(VCO: Voltage Controlled Oscillator)에 연결된 기준 발진기를 통해 주파수 합성기의 주파수를 안정화하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 주파수 합성기에 관한 것이다.The present invention relates to a method for stabilizing the frequency of a frequency synthesizer. In particular, the present invention relates to a method for stabilizing the frequency of a frequency synthesizer via a reference oscillator connected to a voltage controlled oscillator (VCO) using a phase locked loop (PLL). The invention also relates to a frequency synthesizer.
전형적인 현대의 무선 송수신기에서 통신 주파수는 기준 발진기로부터 획득된다. 예를 들어, 무선 핸드셋에서 상기 기준 발진기에 기반한 주파수는 기지국과의 통신을 개시하는데 사용된다. 접속이 설정된 후, 주파수 정확도는 다양한 동기화 방법들에 의해 더 개선될 수 있지만, 초기 통신 주파수는 상기 초기 통신의 설정을 가능하게 할 정도로 충분히 정확해야 한다.In typical modern radio transceivers the communication frequency is obtained from a reference oscillator. For example, in a wireless handset, the frequency based on the reference oscillator is used to initiate communication with a base station. After the connection is established, the frequency accuracy can be further improved by various synchronization methods, but the initial communication frequency must be accurate enough to enable the establishment of the initial communication.
전형적인 송수신기 구조에서, 기준 발진기의 출력은 VCO의 출력에 위상 고정되고 상기 VCO의 출력은 요망되는 국부 발진기(LO: Local Oscillator) 주파수를 제공한다.In a typical transceiver architecture, the output of the reference oscillator is phase locked to the output of the VCO and the output of the VCO provides the desired Local Oscillator (LO) frequency.
이러한 PLL 기반 주파수 생성의 예가 도 1a에 도시되어 있다. 위상 비교기(12)의 출력(13)은 VCO(14)의 동작을 안정화시키는데 사용된다; 상기 VCO(14)의 출력 주파수(15)는 분주기 체인(16)의 분주 인자(N)와 곱해진 상기 기준 발진기 주파수(11)가 될 것이다.An example of such PLL based frequency generation is shown in FIG. 1A. The
상기 기본 PLL 기반 주파수 생성은 주파수 분주기로서 정수 카운터 체인을 이용하지만, 분수 버전은 연속적인 출력 주파수 범위를 근사화하기 위하여, 전형적으로 시그마-델타 변환기의 제어하에서, 2개의 상이한 분주 모듈로(dividing modulo) 간에 교번하는 분수 분주기(fractal divider)를 사용한다.The basic PLL based frequency generation uses an integer counter chain as a frequency divider, but the fractional version divides two different dividing modulos, typically under the control of a sigma-delta converter, to approximate a continuous output frequency range. Use a fractional divider that alternates between
도 1a에 도시된 상기 PLL 기반 주파수 생성은 상기 분주 인자(N)가 동적으로 변경되도록 되어 있는 경우 도 1b에 도시된 주파수 합성기로 발전될 수 있다.The PLL-based frequency generation shown in FIG. 1A may be developed into the frequency synthesizer shown in FIG. 1B when the division factor N is to be changed dynamically.
상기 VCO에 대한 장기간 주파수 정확도를 제공하기 위한 요건에 부가하여, 낮은 기준 발진기 위상 잡음이 필요한데 왜냐하면 LO 생성된 반송파가 낮은 위상 잡음을 포함할수록, 통신 채널은 에러없는 정보 전송을 제공하기에 더 적합할 것이기 때문이다.In addition to the requirement to provide long term frequency accuracy for the VCO, a low reference oscillator phase noise is required because the more the LO generated carrier contains low phase noise, the more likely the communication channel will be to provide error free information transfer. Because it is.
기준 발진기들은 주파수 합성기들에서 정밀하고 안정적인 주파수 기준들로서 사용되고, 동조가능한 LO-주파수로서 사용될 수 있는 가변적이지만 안정적인 주파수의 생성을 가능하게 하기 위한 정밀하고 안정적인 기준 주파수를 제공하는데 사용된다.Reference oscillators are used as precision and stable frequency references in frequency synthesizers and are used to provide a precise and stable reference frequency to enable the generation of variable but stable frequencies that can be used as tunable LO-frequency.
주파수 합성기의 출력 주파수 신호에 대한 중요한 요건은 안정성, 낮은 위상 잡음 및 예를 들어 낮은 열 계수를 지닌 높은 열 안정성이고, 부가적으로 상기 출력 주파수에 대한 정밀한 값이 신속하게 선택될 수 있는 요건이다.An important requirement for the output frequency signal of the frequency synthesizer is stability, low phase noise and high thermal stability, for example with a low thermal coefficient, and additionally a requirement that a precise value for the output frequency can be selected quickly.
무선 통신 장치들에서 상기 기준 발진기는 관용적으로 수정에 기반하였다. 수정 공진기들의 안정적이고 정밀한 기계적 진동은 우수한 장기간(드리프트 및 에이징) 및 단기간(위상 잡음) 안정성을 지닌 발진기의 생성에 적합하다. 더욱이, 적합한 수정 준비 방법들(예를 들어 AT-cut)에 의해 공진 주파수의 온도 의존성은 (전형적인 동작 온도 범위에 대해 수 ppm 미만인) 낮은 값까지 감소될 수 있다. 수정 기준 발진기 모듈들의 주된 단점들은 그들의 다소 큰 크기 및 전형적으로 고집적 해법에 기반하는 송수신기 모듈과의 모놀리식 집적에 대한 어려움이다. 현대의 미세기계가공은 수 kHz에서 GHz 범위에 이르는 공진 주파수들을 지닌 소형 기계 공진기들(마이크로전자기계 시스템들=MEMS)을 제조하는 것을 가능하게 한다. 실리콘의 표면 또는 벌크 미세기계가공에 기반하는 이러한 마이크로공진기들의 예들은 2002년, 보스톤/런던, 아테크 하우스, 에이치. 제이. 드 로스 산토스의 "무선 통신용 RF MEMS 회로 설계"에 제시되어 있다. 마이크로공진기들의 이점들은 작은 크기, 낮은 전력 소비 그리고 공진기, 발진기 전자 부품들 및 장치 패키지간의 증가된 집적 레벨에 대한 가능성을 포함한다. 모놀리식 집적 및 시스템 온 칩(system-on-chip) 접근 양자는 기준 발진기의 집적 레벨을 증가시키기 위한 실행가능한 해법들이다. 미세기계가공된 공진기들 및 집적 회로들의 모놀리식 집적은 더 복잡한 마이크로전자-기계 회로들을 조장하고, 완전한 온-칩 주파수 합성기들을 제공할 수 있다.In wireless communication devices the reference oscillator is conventionally based on modifications. The stable and precise mechanical vibration of quartz resonators is suitable for the generation of oscillators with good long term (drift and aging) and short term (phase noise) stability. Moreover, the temperature dependence of the resonant frequency can be reduced to low values (less than a few ppm over the typical operating temperature range) by suitable modification preparation methods (eg AT-cut). The main drawbacks of the modified reference oscillator modules are their difficulty in monolithic integration with transceiver modules based on their rather large size and typically high integration solutions. Modern micromachining makes it possible to manufacture small mechanical resonators (microelectromechanical systems = MEMS) with resonant frequencies ranging from several kHz to GHz. Examples of such microresonators based on the surface or bulk micromachining of silicon are described in 2002 in Boston / London, Artec House, H. second. It is presented in De Los Santos, "Designing RF MEMS Circuits for Wireless Communications." Advantages of microresonators include the small size, low power consumption and the potential for increased levels of integration between resonators, oscillator electronics and device packages. Both monolithic integration and system-on-chip approaches are viable solutions for increasing the integration level of a reference oscillator. Monolithic integration of micromachined resonators and integrated circuits can encourage more complex microelectro-mechanical circuits and provide complete on-chip frequency synthesizers.
하지만, 주파수 합성기들에서 실리콘-기반 마이크로공진기들을 사용하는데 있어서의 기본적인 복잡성은 그들의 큰 온도 계수, 전형적으로 -10 내지 -30 ppm/K의 df/dT로부터 기인한다. 이러한 온도 의존성은 원인 불명으로 남겨지는 경우 기 준 애플리케이션에 대해 너무 크다. 그러므로 상기 온도 의존성의 보상은 마이크로공진기들을 주파수 합성기들에 대한 주파수 기준들로서 적합하게 만드는데 필요하다.However, the basic complexity in using silicon-based microresonators in frequency synthesizers results from their large temperature coefficient, typically df / dT of -10 to -30 ppm / K. This temperature dependency is too great for baseline applications if left unknown. The compensation of the temperature dependence is therefore necessary to make the microresonators suitable as frequency references for frequency synthesizers.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 제거하기 위한 것이고 주파수 합성기의 주파수를 안정화시키기 위한 개선된 방법 및 개선된 주파수 합성기를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to eliminate the disadvantages of the prior art and to provide an improved method and improved frequency synthesizer for stabilizing the frequency of a frequency synthesizer.
본 발명은 0이 아닌 온도 계수를 지닌 MEMS 기준 발진기 유닛이 주파수 안정화를 위해 사용되고, 기준 주파수의 온도-의존성이 합성기 레벨에서 설명되는 LO 주파수 합성기 구조를 제공한다.The present invention provides an LO frequency synthesizer structure in which a MEMS reference oscillator unit with a nonzero temperature coefficient is used for frequency stabilization and the temperature-dependent nature of the reference frequency is described at the synthesizer level.
본 발명은 상기 온도 의존성 및 결과로서 생성되는 온도 의존성 주파수 편이를 전자적으로 보상하기 위하여 공진기 온도가 측정되는 원리에 기반한다. 도 1c에 도시된 바와 같이 상기 MEMS 공진기의 온도(T)를 측정함으로써 그리고 알려져 있는 주파수 대 온도 함수(fr(T))를 사용함으로써, 공진 주파수는 도 1b에 따라 종래 기술의 주파수 합성기의 안정성을 개선하는데 사용될 수 있는 정밀하게 정의된 양이 된다.The present invention is based on the principle that the resonator temperature is measured to electronically compensate for the temperature dependence and the resulting temperature dependent frequency shift. By measuring the temperature T of the MEMS resonator as shown in FIG. 1C and by using a known frequency versus temperature function f r (T), the resonant frequency is the stability of the prior art frequency synthesizer according to FIG. 1B. It is a precisely defined amount that can be used to improve the performance.
바람직한 실시예에서 상기 온도 측정은 상이한 온도 계수들을 지닌 MEMS 공진기에서 두개의 모드들을 여기하는 것에 기반한다. 상기 두개의 모드들의 주파수 편이를 조사함으로써, 온도의 변화가 측정될 수 있고 전기적으로 보상될 수 있다. 상기 방법은 다음 이점들을 가지고 있다: 1) 온도 센서와 공진기의 온도 차와 연관된 온도 과도현상 히스테리시스를 제거하는 아무런 온도 센서도 필요하지 않다, 2) 주파수 측정이 정확하고 디지털적으로 실현하기에 직접적이다, 그리고 3) 상기 공진기가 또한 센서이므로 아무런 부가적인 센서들도 필요하지 않다. 이것은 제조를 단순화하고 비용을 감소시킨다.In a preferred embodiment the temperature measurement is based on exciting two modes in a MEMS resonator with different temperature coefficients. By examining the frequency shift of the two modes, the change in temperature can be measured and electrically compensated. The method has the following advantages: 1) no temperature sensor is required to eliminate the temperature transient hysteresis associated with the temperature difference between the temperature sensor and the resonator; 2) the frequency measurement is direct and accurate for digital realization. And 3) no additional sensors are needed since the resonator is also a sensor. This simplifies manufacturing and reduces cost.
본 발명의 특징들은 첨부된 청구항들에서 더 상세히 제공된다.Features of the invention are provided in more detail in the appended claims.
본 발명에서 제공되는 방법들의 주된 이점은 MEMS-발진기의 다소 큰 (하지만 예측가능한) 온도 의존성이 주파수 합성시 직접 고려되기 때문에, 상기 발진기 자체가 보상되지 않은 채 동작할 때 상기 기준 발진기에 대한 장기간 안정성 및 낮은 위상 잡음이 더 최적화될 수 있다는 것이다. 상기 설명된 방법들을 사용하여, 상기 MEMS-기준 발진기는 무선 송수신기 모듈의 일부로서 (단일체적으로) 집적될 수 있다.The main advantage of the methods provided in the present invention is that the rather large (but predictable) temperature dependence of the MEMS-oscillator is directly taken into account in frequency synthesis, so that the long term stability for the reference oscillator when the oscillator itself operates without compensation And low phase noise can be further optimized. Using the methods described above, the MEMS-referenced oscillator can be integrated (in unity) as part of a wireless transceiver module.
상기한 본 발명의 목적들, 특징들 및 이점들 그리고 부가적인 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면들과 함께 취해질 때, 하기의 본 발명의 바람직한 실시예들의 설명으로부터 더 명백하게 이해될 것이다.The objects, features and advantages of the present invention described above and additional objects, features and advantages will become more clearly understood from the following description of the preferred embodiments of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings.
도 1a는 VCO가 LO 주파수를 생성하는 전형적인 PLL 기반 주파수 합성기의 블록도이다.1A is a block diagram of a typical PLL based frequency synthesizer where the VCO generates the LO frequency.
도 1b는 주파수 합성기의 단순화된 블록도이다.1B is a simplified block diagram of a frequency synthesizer.
도 1c는 본 발명에 의한 주파수 합성기의 단순화된 블록도이다.1c is a simplified block diagram of a frequency synthesizer according to the present invention.
도 2a는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 주파수 합성기의 블록도이다.2A is a block diagram of a frequency synthesizer according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2b는 본 발명의 실시예에 의한 단순화된 주파수 합성기의 블록도이다.2B is a block diagram of a simplified frequency synthesizer according to an embodiment of the present invention.
도 2c는 본 발명의 다른 실시예에 의한 주파수 합성기의 블록도이다.2C is a block diagram of a frequency synthesizer according to another embodiment of the present invention.
도 3a 및 도 3b는 상이한 온도 계수들을 지닌 정방형 플레이트 공진기에 대해 관찰된 두 진동 모드들을 도시한 것이다.3A and 3B show two oscillation modes observed for a square plate resonator with different temperature coefficients.
도 4는 두 정방형 플레이트 진동 모드들에 대한 측정된 주파수 계수들을 개시한 것이다.4 discloses measured frequency coefficients for two square plate vibration modes.
도 5a 및 도 5b는 두 정방형 플레이트 진동 모드들을 동시에 검출하기 위한 두가지 방법들을 도시한 것이다.5A and 5B show two methods for simultaneously detecting two square plate vibration modes.
도 6은 두 모드 측정으로부터 추출된 온도 정보로 구현된 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 것이다.Figure 6 illustrates a preferred embodiment of the present invention implemented with temperature information extracted from two mode measurements.
본 발명은 위상 고정 루프(PLL) 또는 주파수 비교 제어를 사용하는 전압 제어 발진기(VCO)에 연결된 기준 발진기를 사용함으로써 주파수 합성기의 주파수를 안정화시키기 위한 방법에 관한 것으로, 기준 MEMS 발진기는 상기 VCO의 안정화를 위해 사용되고, 상기 MEMS 공진기의 온도(T)를 측정함으로써 그리고 그것의 알려져 있는 주파수 대 온도 함수(fr(T))를 사용함으로써, 출력 주파수는 주파수 합성기들에서 기준으로서 사용될 수 있는 정밀하게 정의된 양이 된다.The present invention relates to a method for stabilizing a frequency of a frequency synthesizer by using a reference oscillator coupled to a voltage controlled oscillator (VCO) using phase locked loops (PLL) or frequency comparison control, wherein a reference MEMS oscillator stabilizes the VCO. By measuring the temperature T of the MEMS resonator and using its known frequency versus temperature function f r (T), the output frequency can be defined precisely which can be used as reference in frequency synthesizers. It becomes the amount that became.
하기에서 MEMS-발진기-기반 주파수 합성기들을 위해 3가지 안정화 방법들이 제공된다.In the following three stabilization methods are provided for MEMS-oscillator-based frequency synthesizers.
제1 방법에 의하면, 도 2a에 도시된 블록도를 참조하면, VCO(24)는 LO-주파수(예를 들어 1GHz에서)(fLO)를 생성한다. MEMS-기준 발진기(21)는 전형적으로 상당히 낮은 주파수에서 (예를 들어 10MHz에서) 동작된다. 상기 VCO 출력 주파수는 분주기의 출력 주파수(28)를 상기 MEMS-기준 발진기 주파수와 동일하게 하기 위하여 분주기(25)에서 분주된다. 그들의 상대적인 위상은 위상 검출기(22)에 의해 검출되고 저역 통과 필터링(LPF)(23) 후에 그 결과는 상기 VCO(24)를 안정화시키는데 사용된다. 이 루프는 이전에 설명된 바와 같이, 기본적인 PLL을 형성한다.According to a first method, referring to the block diagram shown in FIG. 2A, VCO 24 generates an LO-frequency (eg at 1 GHz) f LO . MEMS-referenced
상기 MEMS 기준 발진기(21)의 주파수는 온도에 따라 안정적이지 않지만, 그것의 온도-의존 주파수 오프셋은 분주기(25)를 변경함으로써 보상될 수 있다.The frequency of the
연속적으로 동조가능한 이전에 알려져 있는 분수-N 분주기 기술은 상기 분주기 체인(25)의 카운팅을 조정하는데 편리하게 사용될 수 있다. 그것은 상기 주파수 분주기 스테이지의 카운트 모듈 N을 연속적으로 조정하는 예를 들어 시그마-델타 변조기 기술을 사용하여 실현될 수 있다. 상기 분주기(25)를 조정하기 위하여(26) 상기 시그마-델타 변조기(27)를 사용하여, 상기 VCO 주파수는 N+x[n] 곱하기 상기 기준 주파수가 되고 거의 연속적으로 조정가능해지도록 형성될 수 있다. N은 상기 주파수 분주기의 모듈 정수 설정을 나타내고 x[n]은 상기 시그마-델타 변조기(27)를 제어하는데 사용되는 위상 검출기 출력 신호(28)이다.The previously known fractional-N divider technique, which can be tuned continuously, can conveniently be used to adjust the counting of the
상기 MEMS 기준 발진기(21)의 측정된(29) 온도(T)와 상기 MEMS 기준 발진 기(21)의 T-의존성(f(T))에 기반하여, 상기 시그마-델타 변조기(27)를 상기 MEMS 기준 발진기(21)의 온도-유발 출력 주파수 오프셋을 보상하게 하는 x[n](32) 신호를 생성하는데 로직 회로(30)가 사용된다.Based on the measured (29) temperature (T) of the
상기 보상은 상기 분주기 체인(25)의 모듈로 N을 조정하는 상기 시그마-델타 변조기(27)에 의한 것이다. 상기 로직 회로(30)는 유리하게는 상기 기준 발진기(21)의 측정된 온도(T)를 사용하여 선택된 필요한 보정 제어 신호(x(n))를 제공하는 룩업 테이블(31)을 사용할 수 있다. 기준 주파수의 제조 허용 오차 오프셋은 마찬가지로 교정될 수 있고 예를 들어 2차원 룩업 테이블(31) 또는 적합한 결합 알고리즘을 사용하여 동일한 방식으로 부가적으로 x[n]을 조정하는데 사용될 수 있다.The compensation is due to the sigma-
상기 MEMS 기준 발진기(21)는 나중에 설명되는 기술들을 사용하여 실현된다. 상기 기준 발진기에 대한 장기간 안정성 및 낮은 위상 잡음은 벌크 탄성파(BAW) 동작에 기반하는 단일 MEMS-발진기를 사용하여 제공될 수 있다. 필요한 경우, 상기 기준 발진기에 대한 개선된 성능은 특성들이 선택적으로 결합되는 두개 이상의 MEMS 구성요소들을 사용하여 실현될 수 있다. 예를 들어, 상기 기준 발진기에 대한 장기간 안정성 및 낮은 위상 잡음은 두개의 MEMS-구성요소들의 특성들을 결합함으로써 획득될 수 있다.The
제2 방법의 블록도가 도 2b에 도시되어 있다. 그것은 VCO(44)가 그 자체로 요구되는 스펙트럼 순도(위상 잡음)를 지닌 신호를 생성할 수 있고 상기 기준 발진기(41)가 단지 상기 장기간 주파수 안정성을 제공하기 위하여 필요한 경우를 나타 낸 것이다.A block diagram of the second method is shown in FIG. 2B. That is the case where the
이 경우, 상기 VCO 피드백 루프는 더 좁은 대역으로 형성될 수 있고 상기 기준 발진기(41)로부터의 기준 주파수와 믹서(42)에서 믹싱될 출력을 생성하기 위하여 상수 정수-N 분주가 상기 분주기(43)에서 사용될 수 있다. 상기 믹서(42)는 상기 믹싱된 주파수들의 합 및 차 주파수들을 출력하지만 저역 통과 필터링(48) 이후에 상기 기준 주파수(fr)와 상기 분주된 VCO 출력 주파수(fVCO/N) 간의 단지 낮은 주파수 차 주파수(fbeat=fr-fVCO/N 또는 fVCO/N-fr)가 유지되고, 요망되는 주파수를 출력하기 위하여 상기 VCO를 조정하는 상기 VCO에 대한 제어 신호를 생성하는데 사용될 수 있다. 상기 VCO 출력 신호가 상기 기준 신호의 일정한 배수일 필요가 없다는 것을 주목하는 것은 중요하다. 상기 차 주파수(fbeat)의 적당한 선택에 의해, 상기 출력 주파수(fVCO=N·(fr-fbeat))의 미세한 조정이 가능하다. 이것은 상기 기준 발진기에서 온도 유발된 변화를 디지털적으로 보상하는데 사용될 수 있다.In this case, the VCO feedback loop can be formed in a narrower band and a constant integer-N division is added to the
상기 VCO 제어 신호(49)는 로직 회로(45)에 의해 생성되고 상기 기준 발진기 온도 의존 주파수 오프셋 및/또는 교정동안 발견된 오프셋들에 대해 부가적으로 보정하는 상기 VCO에 대한 동조 전압을 생성하기 위하여 이 제어 신호에 추가적인 보정 제어 전압들이 부가될 수 있다.The
상기 설명된 믹싱 방법은 상기 주파수들의 상대적인 주파수 센스(sense)가 변경되지 않는 경우 단지 사용될 수 있다. 다른 더 일반적인 방법은 카운터들을 게이트로 제어하기 위하여 하나의 공통 신호를 사용하여 상기 두개의 상대적인 저 주파수 신호들(fr 및 fVCO/N)을 직접 카운팅함으로써 상기 주파수 차 및 그것의 센 스(sense)를 결정하는 것이다. 이 클록은 예를 들어 상기 신호들 중 어느 하나일 수 있다.The mixing method described above can only be used if the relative frequency sense of the frequencies does not change. Another more general method uses the single common signal to directly count the two relative low frequency signals fr and fVCO / N to control the counters to the gate to control the frequency difference and its sense. To decide. This clock can be any one of the signals, for example.
상기 로직 회로(45)는 상기 분주된 VCO 출력 주파수와 상기 기준 주파수 간의 차 주파수를 상기 요망되는 주파수 차에 더 근접하게 만들기 위하여 이러한 방식으로 상기 주파수 차에 의존하는 동조 제어 전압(49)을 출력한다.The
상기 측정된 발진기 온도(T)와 어떤 교정 보정에 의존하는 전압은 유리하게는 단순히 룩업 테이블들 및 DAC를 사용함으로써, 상기 VCO(44)에 대한 동조 전압을 조정하기 위하여 부가적으로 조정될 수 있다. 동일한 방식으로 상기 제1 방법에 대해 이전에 설명된 바와 같이, 상기 룩업 테이블들은 상기 MEMS 기준 발진기의 알려져 있는 온도 의존 동작에 의존하는 보정값들 및 교정 보정값들 양자를 포함할 수 있다.The voltage dependent on the measured oscillator temperature T and any calibration correction can be additionally adjusted to adjust the tuning voltage for the
이 방법의 유리한 실시예는 상기 주파수 차를 사용하여 아날로그 방법들에 의해 상기 VCO를 제어하고 상기 분주기 카운터 체인(43)의 분주 모듈로를 변경하기 위한 상기 제어 신호(50) 및 상기 로직 회로(45)를 사용하여 온도 및 교정 보정을 위해 상기 정수 카운터 체인을 디지털적으로 조정하는 것이다.An advantageous embodiment of this method uses the
합성기 분주기가 (예를 들어 채널 선택을 위해) 정수값들을 사용하여 분주할 때마다, 상기 로직 회로는 그것이 요망되는 채널의 정보를 제공받는 경우 상기 채널 선택을 신속히 제공할 수 있고, 도 2b의 예에서 상기 로직 회로(45)는 상기 요망되는 채널에 필요한 온도 보정된 N을 직접 제공할 수 있어서 신속한 채널 선택을 제공할 수 있다.Each time a synthesizer divider dispenses using integer values (e.g. for channel selection), the logic circuitry can quickly provide the channel selection if it is provided with the information of the desired channel, In an example the
송수신기에서의 신속한 채널 선택을 위한 이 방법은 도 2b에 도시된 방법에 한정되지 않고 보정값들이 상기 카운터 체인을 변경하도록 조정될 때마다 사용될 수 있다. 따라서 이 방법은 또한 바람직한 실시예와 함께 사용될 수 있다. 선호되는 실시예에서, 도시되지 않았지만, 제조 교정 보정, 기준 발진기 온도 보정 및 상기 채널 선택 주파수 오프셋들의 모든 조합들에 대한 보정값들을 제공하기 위하여 2차원 보정 테이블 대신에 3차원 테이블이 사용된다.This method for fast channel selection at the transceiver is not limited to the method shown in FIG. 2B and can be used whenever correction values are adjusted to change the counter chain. Thus, this method can also be used with the preferred embodiment. In a preferred embodiment, although not shown, a three-dimensional table is used instead of a two-dimensional correction table to provide correction values for all combinations of manufacturing calibration correction, reference oscillator temperature correction and the channel select frequency offsets.
온도, 교정 또는 채널 보정된 N 값을 카운터 체인에 제공하는 것은 당업자에게 명백한 많은 다른 방법들로 달성될 수 있다. 예를 들어, 상기 카운터 체인의 모듈로(modulo)를 변경하는 것 또는 분수 방법들을 사용하는 것에 부가하여, 상기 카운터 자체의 카운트 값은 상기 출력 주파수를 증가시키거나 감소시키기 위하여 정규 비율로 카운트들을 더하거나 뺌으로써 변경될 수 있다. 고정된 위상 오프셋을 제공하기 위하여 위상 누산기들에서 흔히 사용되는 이 방법은 사실상 출력 주파수의 제어되는 증가 또는 감소를 제공하는, 연속적인 위상 변경을 위해 용이하게 변경될 수 있다.Providing temperature, calibrated or channel corrected N values to the counter chain can be accomplished in many other ways that will be apparent to those skilled in the art. For example, in addition to modifying the modulo of the counter chain or using fractional methods, the count value of the counter itself adds counts at a regular rate to increase or decrease the output frequency or Can be changed. This method, which is often used in phase accumulators to provide a fixed phase offset, can be easily modified for continuous phase changes, which in fact provides a controlled increase or decrease of the output frequency.
도 2c는 오프셋 합성기가 VCO(55) 출력 주파수의 온도 안정화를 위해 사용되는 본 발명의 다른 실시예에 의한 주파수 합성기의 블록도이다. 상기 VCO는 LO-주파수(예를 들어 1GHz에서)(fLO)를 생성한다. MEMS-기준 발진기(51)는 기준 주파수, 전형적으로 10 MHz를 제공한다. 상기 VCO 출력 주파수는 분주기(54)에서 분주되고 상기 분주된 VCO 출력은 믹싱 위상 검출기(52)를 사용하여 상기 기준 발진기와 믹 싱된다. 상기 믹서 출력은 f1=fVCO-fr을 획득하기 위하여 저역 통과 필터(53)로 필터링된다. 제2 믹서(57)는 발진기(58)에 의해 제공된 오프셋 주파수(foffset)를 상기 신호에 부가하는데 사용된다. 제2 저역 통과 필터(56)로 필터링된 후 결과로서 생성되는 주파수(f2=f1-foffset)가 획득된다. 위상 루프가 고정되는 경우 상기 주파수(f2)는 0이고 상기 VCO 출력은 fVCO=N·(fr+foffset)과 같다.2C is a block diagram of a frequency synthesizer according to another embodiment of the present invention in which an offset synthesizer is used for temperature stabilization of the
상기 MEMS 기준 발진기(51)의 주파수는 온도에 따라 안정적이지 않지만, 그것의 온도-의존 주파수 오프셋은 상기 foffset을 조정함으로써 보상될 수 있다. 상기 MEMS 기준의 측정된 온도(T)와 상기 MEMS 기준(51)의 T-의존성(f(T))에 기반하여, 로직 회로(60) 및 룩업 테이블(59)은 오프셋 발진기(58)를 제어하는데 사용된다. 상기 오프셋 발진기는 넓은 동조 범위를 지닌 MEMS 발진기(예를 들어 휨(flexural) 발진기) 또는 VCO일 수 있다.The frequency of the
본 발명의 다른 실시예에 의하면 실리콘 공진기는 두 모드들로 동시에 여기되는데, 각 모드는 상이한 온도 계수를 갖는다. 이들 두 유형의 모드들을 보여주는 유용한 공진기 구조의 예가 도 3에 도시되어 있다. 도 3a는 플레이트에서 확장 모드 진동(f0=13.1 MHz에서, Q=120000)을 도시한 것이고 도 3b는 라메() 모드 진동(f0=12.1 MHz에서, Q=60000)을 도시한 것이다. 상기 확장 진동 모드는 원래의 정방형 모양을 유지하는 2-D 플레이트 팽창으로서 특징지워진다. 상기 라메 모드는 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼의 깊은 반응 이온 식각에 의해 형성될 수 있다. 상기 공진기에 대한 전기 접촉은 전체 장치가 하나의 마스크와 함께 제조될 수 있도록 코너 앵커링(anchoring)(T-형 코너 앵커링)으로 행해질 수 있다. 상기 확장 모드는 부가적으로 브이. 카아자카리, 티. 마틸라, 에이. 오자, 제이. 키이하마키, 에이치. 카텔루스, 엠. 코스켄부오리, 피. 란타카리, 아이. 티토넨 및 에이치. 세빠의, (2003년 6월, 보스톤) 트랜스듀서03에서 발행된 논문, "정방형-확장 모드 단일-수정 실리콘 마이크로기계 RF-공진기"에서, 낮은 위상 잡음을 획득하는데 매우 적합한 것으로 나타났다. 도 4는 서로 상이한, 상기 두 모드들에 대한 측정된 온도 의존성을 나타낸 것이다.According to another embodiment of the invention, the silicon resonator is excited simultaneously in two modes, each mode having a different temperature coefficient. An example of a useful resonator structure showing these two types of modes is shown in FIG. 3. Figure 3a shows the expansion mode oscillation (q = 120000 at f0 = 13.1 MHz) in the plate and Figure 3b shows the lame ( ) Mode oscillation (f0 = 12.1 MHz, Q = 60000). The extended vibration mode is characterized as a 2-D plate expansion that maintains the original square shape. The lame mode may be formed by deep reactive ion etching of a silicon on insulator (SOI) wafer. Electrical contact to the resonator may be done with corner anchoring (T-shaped corner anchoring) so that the entire device can be manufactured with one mask. The extended mode is additionally V. Kaazakari, T. Matilla, a. Come on, Jay. Kiihamaki, H. Catelus, M. Koskenbuori, P. Lantakari, child. Titonen and H. In Sepha's (Boston, June 2003), a paper published in Transducer03, "Square-extended mode single-modified silicon micromechanical RF-resonators," was found to be well suited for obtaining low phase noise. 4 shows the measured temperature dependence for the two modes, which are different from each other.
상기 두 진동들의 동시 및 독립적인 검출은 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다. 도 5a 및 도 5b에서 정방형 플레이트, 상기 플레이트의 모든 면들상에 용량성 결합을 제공하는 전극들(ELE1-ELE4), 상기 전극들에 연결된 전압 소스들(Uin 및 Ubias) 및 출력 전압을 포함하는 탄성파 모드(BAW) 실리콘 공진기가 도시된다. 도 5a에 도시된 차별 전극 구성으로, 상기 두 모드들은 동일한 전극들을 사용하여 검출될 수 있다. 이것은 양 모드들에 대한 최대 신호 진폭을 제공하지만 상기 발진기 전자 부품들을 복잡하게 한다. 도 5b에 도시된 구성은 상기 라메-모드 및 확장-모드를 여기 및/또는 여기시키기 위하여 상이한 바이어스(다른 라메-전극에 대한 차별 극성)을 지닌 상이한 전극들을 사용한다. 구동 전자 부품들은 더 단순하고 상기 두개의 모드들은 양호한 격리를 가지지만, 상기 구성은 신호 전력에 최적이 아니다. 단순화를 위하여, 상기 두 모드들에 대한 전극 크기는 동일하게 도시되지만 실제 구현은 상기 기준 주파수를 생성하는데 사용되는 모드에 대해 더 큰 전극들을 사용할 수 있고 상기 온도 정보를 생성하는데 사용되는 모드에 대해 더 작은 전극 들을 사용할 수 있다.Simultaneous and independent detection of the two vibrations is shown in FIGS. 5A and 5B. 5a and 5b includes a square plate, electrodes ELE1-ELE4 providing capacitive coupling on all sides of the plate, voltage sources U in and U bias connected to the electrodes and an output voltage An acoustic wave mode (BAW) silicon resonator is shown. With the differential electrode configuration shown in FIG. 5A, the two modes can be detected using the same electrodes. This provides the maximum signal amplitude for both modes but complicates the oscillator electronics. The configuration shown in FIG. 5B uses different electrodes with different biases (differential polarities for other lam-electrodes) to excite and / or excite the lam-mode and extended-mode. The drive electronics are simpler and the two modes have good isolation, but the configuration is not optimal for signal power. For simplicity, the electrode size for the two modes is shown to be the same but the actual implementation may use larger electrodes for the mode used to generate the reference frequency and more for the mode used to generate the temperature information. Small electrodes can be used.
동일한 공진기에서 상기 두 모드들을 검출하는 것에 대한 대안은 플레이트 확장 모드에서 하나의 공진기를 구동하고, 라메 모드에서 다른 공진기를 구동하는, (예를 들어 동일한 기판상에) 근접 열 접촉 상태에 있는 두개의 공진기들을 제조하는 것이다. 이들 공진기들은 동일한 실리콘 기판상에 있기 때문에, 상기 공진기 온도는 매우 상관된다. 이 구성의 이점은 상기 모드들이 전기적으로 그리고 기계적으로 격리된다는 것과 상기 발진기 전자 부품들이 단순화된다는 것이다.An alternative to detecting the two modes in the same resonator is to drive one resonator in plate extension mode and two in close thermal contact (eg on the same substrate) to drive the other resonator in lame mode. To make resonators. Since these resonators are on the same silicon substrate, the resonator temperatures are highly correlated. The advantage of this configuration is that the modes are electrically and mechanically isolated and the oscillator electronic components are simplified.
다른 마이크로공진기 구성들이 또한 상기 온도 정보를 생성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 비틀리는 그리고 휘는 빔 진동 모드들로부터 상기 온도 정보를 획득하는 것이 가능한데, 왜냐하면 이들 두 모드들도 상이한 온도 의존성을 가지고 있기 때문이다. 대안적으로, 상이한 온도 의존성을 지닌 상이한 물질들로 형성된 두개의 공진기가 사용될 수 있다.Other microresonator configurations can also be used to generate the temperature information. For example, it is possible to obtain the temperature information from twisted and curved beam oscillation modes, because these two modes also have different temperature dependencies. Alternatively, two resonators formed of different materials with different temperature dependencies can be used.
주파수 보상을 위해 필요한 상기 온도 정보는 다음과 같이 생성될 수 있다: 상기 두 모드들은 주파수들 f1 및 f2에서 공진한다. 양 모드들은 동시에 여기되고 상기 두 공진들에 의해 생성된 펄스들이 이전에 설명된 바와 같이 검출되며 각각 카운터1과 카운터2에서 카운팅된다. 상기 카운터1이 N1 사이클을 저장한 경우, 상기 카운터2는 동일한 시간에 N2=f2/f1·N1 사이클을 저장했다. N1을 고정된 채 유지하면, 상기 온도가 획득될 수 있다.The temperature information needed for frequency compensation can be generated as follows: The two modes resonate at frequencies f1 and f2. Both modes are simultaneously excited and the pulses generated by the two resonances are detected as previously described and counted at counter1 and counter2, respectively. When the counter 1 stored N1 cycles, the counter 2 stored N2 = f2 / f1N1 cycles at the same time. Keeping N1 fixed, the temperature can be obtained.
이러한 온도 정보는 상기 제1 방법, 그것의 단순화된 형태 및 상기 제3 방법에 따라 주파수 합성기의 출력 주파수를 보정하기 위하여 본 발명에 의해 사용될 수 있다. 다른 온도 측정 방법들이 마찬가지로 주파수 보정을 구현하는데 사용될 수 있지만, 상기 두-모드 방법은 특히 MEMS 기준 발진기들과 함께 사용하는데 적합하다.This temperature information can be used by the present invention to correct the output frequency of the frequency synthesizer according to the first method, its simplified form and the third method. While other temperature measurement methods can likewise be used to implement frequency correction, the two-mode method is particularly suitable for use with MEMS reference oscillators.
상기 두-모드 방법은 도 6에 도시된 바와 같이 고 주파수 합성기를 위해 사용되는 기준 발진기를 형성하는데 직접 사용될 수 있다. 도시된 합성기는 기준 발진기 및 분수-N 위상-고정 루프를 사용한다. 기준 발진기(71)는 상이한 온도 의존성을 지닌 두개의 주파수 출력들(72 및 73)을 지닌다. 상기 주파수 출력(72)은 낮은 위상 잡음을 가지도록 설계된다. 이들 출력들(72 및 73)은 카운터1(74)과 카운터2(75)로 카운팅된다. 상기 카운터는 이전에 설명된 바와 같이 상기 발진기 온도를 계산하기 위하여 로직 회로(77)에 의해 사용된다. 메모리(76)내의 저장된 교정 정보와 함께 상기 온도 정보는 fVCO=N·f1에 의해 주어진 요망되는 LO 주파수를 야기하는 분주기(83)에서 정확한 분주 인자(N)를 계산하는데 사용된다. 상기 f1은 온도에 의존하기 때문에, 요구되는 분주 인자(N)는 정수가 아니라 분수일 수 있다.The two-mode method can be used directly to form the reference oscillator used for the high frequency synthesizer as shown in FIG. The illustrated synthesizer uses a reference oscillator and a fractional-N phase-locked loop. The
상기 요망되는 주파수는 상기 LO 주파수를 생성하기 위하여 VCO(80)를 사용하여 합성된다. 상기 VCO 출력 주파수는 상기 분주기의 출력 주파수(81)를 상기 MEMS-기준 발진기 주파수(72)와 동일하게 만들기 위하여 상기 분주기(83)에서 분주된다. 상기 분주기(83)에서의 분주 인자는 이전에 설명된 방식으로 분수 시그마-델타 변조기(82)에서 변경된다. 상기 로직(77) 회로는 분수 분주를 획득하기 위하여 상기 시그마-델타 변조기를 제어하는데 사용된다. 상기 기준 발진기 신호(72)와 상기 분주된 신호(81) 간의 상대적인 위상은 위상 검출기(78)에 의해 검출되고 LPF(79)에서 저역 통과 필터링후, 상기 위상 비교 결과는 상기 VCO(80)를 안정화시키는데 사용된다. 이 루프는 이전에 설명된 바와 같이, 기본적인 PLL을 형성한다.The desired frequency is synthesized using
상기 기준 발진기(71)는 상기 출력 신호(72)가 첫째로 낮은 위상 잡음을 가지도록 그리고 두번째로 단지 높은 온도 안정성을 가지도록 설계된다. 상기 요망되는 LO 주파수는 낮은 품질 인자를 지닌 전압 제어 발진기를 사용하여 합성되고, 따라서 반송파 신호들 및 다른 사용을 위해 필요한, 낮은 지터(jitter) LO 신호를 제공하기 위하여 양호한 안정성을 위해 상기 기준 발진기에 고정된다.The
어떤 기준 발진기 주파수 편이도 분수-N 변조기를 사용하는 상기 VCO 주파수의 분수 분주를 사용하여 보정된다.Any reference oscillator frequency shift is corrected using fractional division of the VCO frequency using a fractional-N modulator.
저장된 교정값들 및 알려져 있는 온도 의존성은 상기 분수-N 변조기를 제어하기 위하여 상기 로직 회로에 의해 사용된다.Stored calibration values and known temperature dependencies are used by the logic circuit to control the fractional-N modulator.
상기 분수-N PLL은 유리하게는 시그마-델타 변조기를 사용하여 구현될 수 있다. 이 기술은 거의 연속적인 주파수 동조를 제공하고 GSM 위상 잡음 명세를 만족시킬 수 있는 것으로 증명되었다.The fractional-N PLL may advantageously be implemented using a sigma-delta modulator. This technique has been demonstrated to provide nearly continuous frequency tuning and to meet the GSM phase noise specification.
본 발명의 다른 실시에들이 상기에 설명된 예에 한정되지 않고, 첨부된 청구항들의 범위내에서 변경될 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다.It is apparent to those skilled in the art that other embodiments of the invention are not limited to the examples described above, but may vary within the scope of the appended claims.
Claims (23)
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