KR100207552B1 - 주파수-전류 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로 - Google Patents

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Abstract

위상과 주파수를 단시간에 동기시킬 수 있는 주파수-전류 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로를 개시한다.
위상을 비교/검출하는 주파수-위상 검출기와 입력되는 주파수를 전류로 변환하여 전하 펌프에 공급하는 주파수-전류 변환기와 제어 전압을 조정할 수 있는 전하 펌프와 전압 제어 발진기에 안정된 전압을 공급하는 루프 필터와 상기 루프 필터로부터 안정된 전압을 제공받아 제어 전압에 상응하여 발진 주파수가 변화하는 전압 제어 발진기로 구성된다.
본 발명에 따른 주파수-전류 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로는 주파수-전류 변환기(302)를 사용하여 전하 펌프를 강제 동작시킴으로써 회로가 초기 상태에 있을 때 동기 시간(주파수 도입 시간:Pull in time)을 줄일수가 있고 주파수-전류 변환기와 주파수-전압 변환기를 병용함으로써 전소자의 개별 특성을 향상시켜 고속의 동작 효과를 제공한다.

Description

주파수-전류 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로{PLL circuit using frequency ourrent converter}
본 발명은 위상 동기 루프에 관한 것으로, 상세하게는 위상과 주파수를 단시간에 동기시킬 수 있는 주파수-전류 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로에 관한 것이다.
일반적으로, 위상 동기 루프회로(Phase Locked Loop: PLL)는 입력신호와 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator:VCO)의 발진 출력의 위상차를 검출하여 전압 제어 발진기의 주파수 및 위상을 결정하는 회로로 기준 주파수와 동작 주파수를 동기시키기 위해서 많이 사용하고 있다.
위상 동기 루프회로에 있어서 동기 유지 범위(Hold in range 또는 로크 레인지라고도 한다)와 주파수 도입 범위(Pull in range 또는 캡춰 레인지라고도 한다)는 중요한 요소가 된다.
동기 유지 범위는 동기 상태에서 입력 신호의 주파수를 전압제어 발진기의 발진 주파수로부터 멀어졌을때 동기가 어긋나는 주파수 범위를 말하며, 주파수 도입 범위는 비동기 상태에서 입력 신호의 주파수를 전압 제어 발진기의 발진 주파수에 접근시켜 갔을 때 동기하는 주파수 범위를 말하고, 주파수 도입 시간(Pull in time)은 이 기간동안 걸리는 시간을 나타낸다.
도 1은 종래의 주파수-전압 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로의 블록도이다.
도 1에 있어서, 참조 부호 100은 주파수-위상 검출기이고, 102는 주파수-전압 변환기이고, 104는 전하 펌프이고, 106은 루프 필터이며, 108은 전압 제어 발진기이다.
기본 구조는 주파수-위상 검출기(100)와 주파수-전압 변환기(102)와 전하 펌프(104)와 루프 필터(106)와 전압 제어 발진기(108)로 구성되어 있다.
동작원리를 보면 주파수-위상 검출기(100)에서는 입력신호와 전압 제어 발진기(108)의 출력을 비교해서 차이가 나면 전하 펌프(104)를 동작시켜 전압 제어 발진기(108)의 발진 주파수를 바꾸어 준다. 시간이 지남에 따라 상기 전압 제어 발진기(108)의 주파수는 입력된 기준 주파수와 같아지는데 이 과정에서 전압제어 발진기(108)에 안정된 전압을 공급하기 위해서 고주파 성분을 제거하는 작용을 하는 저역 통과 필터인 루프 필터(106)를 사용한다.
도 2는 종래의 주파수-전압 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로의 블록도이다.
도 2에 있어서, 참조 부호 200은 주파수-위상 검출기이고, 202는 전하 펌프이고, 204는 전압 제어 발진기이고, 206은 주파수-전압 변환기이며, 208은 루프 필터이다.
동작원리는 도 1와 동일하나 주파수-전압 변환기(206)를 통하여 직접 전압 제어 발진기(204)를 제어하여 전압 제어 발진기(204)의 특성을 강조한 점이 다르다.
도 3은 일반적인 전하 펌프의 구조를 간략화한 회로도이다.
주파수-위상 검출기(100)로부터 두가지 레벨(UP/DOWN)의 전압을 입력하여 커패시터를 충방전함으로써 펌프 전압을 루프 필터(106)로 출력함을 나타내고 있다.
위상 동기 루프회로는 시스템이 초기화되었을 때 전압 제어 발진기(108)의 초기 발진 주파수가 입력 신호의 주파수와 같아지기 위해서는 시간이 걸리는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해서 주파수-전압 변환기(102)를 이용한 위상 동기 루프 회로를 사용하였다. 이 회로를 사용함으로써 입력의 주파수를 전압 제어 발진기의 이득에 맞는 전압으로 바꾸게 되어 전압 제어 발진기의 초기 주파수에서 입력신호의 주파수까지 동기되는 시간(주파수 도입 시간)을 많이 줄일 수 있었다.
하지만, 주파수-전압 변환기를 이용한 위상 동기 루프 회로를 고속 동작을 요구하는 시스템에 사용하였을때 동작 한계 속도는 전하펌프의 내부 저항과 부하로 작용하는 충전기의 시정수에 의해 결정되므로 동작 한계 속도를 높이기 위해서는 전하펌프의 시정수를 작게 해야되는 문제점이 여전히 남아있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 입력된 기준신호의 주파수와 전압 제어 발진기의 주파수의 차가 아주 큰 경우에 위상과 주파수를 동기시키는 시간을 줄일 수가 있는 주파수-전류 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 주파수-전압 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로의 블록도이다.
도 2는 종래의 주파수-전압 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로의 블록도이다.
도 3은 일반적인 전하 펌프의 구조를 간략화한 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 주파수-전류 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로의 블록도이다.
도 5는 주파수-전류 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로의 제1응용 블록도이다.
도 6은 주파수-전류 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로의 제2응용 블록도이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 주파수-전류 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로에 있어서, 입력된 기준신호의 주파수와 전압 제어 발진기의 출력주파수의 위상을 비교/검출하는 주파수-위상 검출기; 입력되는 주파수를 전류로 변환하는 주파수-전류 변환기; 주파수-위상 검출기와 주파수-전류 변환기로부터 출력된 전류에의해 전압 제어 발진기의 제어 전압을 조정할 수 있는 전하 펌프; 전하 펌프로부터 출력되는 전압을 받아 전압 제어 발진기에 안정된 전압을 공급하는 루프 필터; 루프 필터로부터 안정된 전압을 제공받아 제어 전압에 상응하여 발진 주파수가 변화하는 전압 제어 발진기를 포함한다.
또한, 루프 필터에 있어서 안정된 전압은 맥류 성분이 제거된 직류임을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 주파수-전류 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로의 블록도이다.
도 4에 있어서, 참조부호300은 주파수-위상 검출기이고, 302는 주파수-전류 변환기이고, 304는 전하 펌프이고, 306은 루프 필터이며, 308은 전압 제어 발진기이다.
위상을 비교/검출하는 주파수-위상 검출기(300)와 입력되는 주파수를 전류로 변환하여 전하 펌프(304)에 공급하는 주파수-전류 변환기(302)와 제어 전압을 조정할 수 있는 전하 펌프(304)와 전압 제어 발진기(308)에 안정된 전압을 공급하는 루프 필터(306)와 상기 루프 필터(306)로부터 안정된 전압을 제공받아 제어 전압에 상응하여 발진 주파수가 변화하는 전압 제어 발진기(308)로 구성된다.
동작을 설명하면 다음과 같다.
일반적인 동작은 기본적인 위상 동기 루프 회로와 동일하나, 입력된 기준신호의 주파수와 전압 제어 발진기(308)의 주파수 사이에 주파수 차이가 아주 큰 경우에는 위상과 주파수를 동기시키기 위해서 시간이 걸리게 된다. 이 시간을 줄이기 위해서 본 발명에서는 주파수-전압 변환기(102)를 사용해서 루프 필터(306)나 전압 제어 발진기(308)를 강제로 동작시키는 방법과 동일하게 주파수-전류 변환기(302)를 사용해서 전하 펌프(304)의 시정수를 바꾸는 것이다.
본 발명의 주파수-전류 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로에서는 상기 전하 펌프(304)의 특성을 다음과 같이 최대한 활용하였다.
입력신호가 전압 제어 발진기의 초기값과 차이가 많이 나는 경우에는 전하 펌프(304)에 큰 전류를 흘려서 시정수를 줄이고, 이때 전하 펌프(304)는 전압 제어 발진기(308)를 제어하는 전압을 큰 폭으로 바꿀 수 있고, 따라서 전체 시스템이 동기 될 때까지의 시간을 줄일 수가 있다. 이는 위상이 한 번 동기된 다음에는 별로 큰 이득이 없지만 회로가 초기 상태에 있는 경우에는 회로가 동기될 때까지 걸리는 시간을 줄일 수가 있다.
도 5는 주파수-전류 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로의 제1응용 블록도이다.
도 5에 있어서, 참조부호400은 주파수-위상 검출기이고, 402는 주파수-전압 변환기이고, 404는 주파수-전류 변환기이고, 406은 전하 펌프이고, 408은 루프 필터이며, 410은 전압 제어 발진기이다.
주파수-전류 변환기(404)와 주파수-전압 변환기(402)를 병용한 위상 동기 루프 회로이다. 주파수-위상 검출기(400)와 주파수-전압 변환기(402)와 주파수-전류 변환기(404)와 전하 펌프(406)와 루프 필터(408)와 전압 제어 발진기(410)로 구성된다.
주파수-전류 변환기(404)의 출력신호는 전하 펌프(406)로 입력되고, 주파수-전압 변환기(402)로부터의 출력은 루프 필터(408)로 입력된다.
동작원리를 보면 도 4와 비슷하나 개별적으로 분리해보면 다음과 같다.
주파수-전압 변환기(402)만을 단독으로 사용하였을때 주파수-전압 변환기로부터 직접 출력을 입력받는 루프 필터(408)소자나 전압 제어 발진기(410)소자의 동작특성은 개선되나 입력신호가 전압제어 발진기(410)의 초기값과 차이가 많이 나는 경우에는 전하 펌프(406)에 큰 전류를 흘려서 시정수를 줄일 수가 없어서 상기 전하 펌프(406)는 전압 제어 발진기(410)를 제어하는 전압을 큰 폭으로 바꿀수가 없어서 전체 시스템이 동기 될 때까지 시간이 걸리는 문제가 있다.
주파수-전류 변환기(404)나 주파수-전압 변환기(402)를 사용하는 목적은 위상과 주파수를 빨리 동기시키기 위해서이다. 이렇게 하기 위해서는 주파수-위상 검출기(400), 주파수-전류 변환기(404), 전하 펌프(406), 루프 필터(408), 전압 제어 발진기(410) 등의 다섯개의 소자 특성이 모두 좋아야 한다.
또한, 주파수-전류 변환기(404)만을 단독으로 사용하였을때 주파수-전류 변환기(404)로부터 출력된 신호를 받는 전하 펌프(406)는 입력신호가 전압제어 발진기(410)의 초기값과 차이가 많이 나는 경우에는 전하 펌프(406)에 큰 전류를 흘려서 시정수를 줄일 수가 있어서 상기 전하 펌프(406)는 전압 제어 발진기(410)를 제어하는 전압을 큰 폭으로 바꿀수가 있어서 전체 시스템이 동기 될 때까지 시간은 줄게되는 장점은 있지만 루프필터(408)소자나 전압 제어 발진기(410)소자의 동작특성은 개선되지 않으므로 시스템 동기 시간을 많이 줄이기 힘들다. 상기와같은 장단점을 보완하기 위해서 도 5에 주파수-전류 변환기(404)와 주파수-전압 변환기(402)를 병용한 블록도를 나타냈다.
이 회로에서는 동작속도는 물론 특히 주파수-전압 변환기(402)와 전하 펌프(406)의 출력을 입력받는 루프 필터(408)의 특성을 개선할 수가 있다.
도 6은 주파수-전류 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로의 제2응용 블록도이다.
도 6에 있어서, 참조부호500은 주파수-위상 검출기이고, 502는 주파수-전류 변환기이고, 504는 전하펌프이고, 506은 루프 필터이고, 508은 전압 제어 발진기이며, 510은 주파수-전압 변환기이다.
도 6은 주파수-전류 변환기(502)와 주파수-전압 변환기(510)를 병용한 위상 동기 루프 회로의 다른 실시예이다.
주파수-위상 검출기(500)와 주파수-전압 변환기(510)와 주파수-전류 변환기(502)와 전하 펌프(504)와 루프 필터(506)와 전압 제어 발진기(508)로 구성된다.
주파수-전류 변환기(502)의 출력신호는 전하 펌프(504)로 입력되고, 주파수-전압 변환기(510)로부터의 출력은 전압 제어 발진기(508)로 입력된다.
동작원리를 보면 도 5와 비슷하나 개별적으로 분리해보면 다음과 같다.
주파수-전압 변환기(510)만을 단독으로 사용하였을때 주파수-전압 변환기(510)로부터 직접 출력을 입력받는 루프 필터(506)소자나 전압 제어 발진기(508)소자의 동작특성은 개선되나 입력신호가 전압제어 발진기(508)의 초기값과 차이가 많이 나는 경우에는 전하 펌프(504)에 큰 전류를 흘려서 시정수를 줄일 수가 없어서 상기 전하 펌프(504)는 전압 제어 발진기(508)를 제어하는 전압을 큰 폭으로 바꿀수가 없어서 전체 시스템이 동기 될 때까지 시간이 걸리는 문제가 있다.
주파수-전류 변환기(502)나 주파수-전압 변환기(510)를 사용하는 목적은 위상과 주파수를 빨리 동기시키기 위해서이다. 이렇게 하기 위해서는 주파수-위상 검출기(500), 주파수-전류 변환기(502), 전하 펌프(504), 루프 필터(506), 전압 제어 발진기(508) 등의 다섯개의 소자 특성이 모두 좋아야 한다.
또한,주파수-전류 변환기(502)만을 단독으로 사용하였을때 주파수-전류 변환기(502)로부터 출력된 신호를 받는 전하 펌프(504)는 입력신호가 전압제어 발진기(508)의 초기값과 차이가 많이 나는 경우에는 전하 펌프(504)에 큰 전류를 흘려서 시정수를 줄일 수가 있어서 상기 전하 펌프(504)는 전압 제어 발진기(508)를 제어하는 전압을 큰 폭으로 바꿀수가 있어서 전체 시스템이 동기 될 때까지 시간은 줄게되는 장점은 있지만 루프필터(506)소자나 전압 제어 발진기(508)소자의 동작특성은 나빠진다.
상기와같은 장단점을 보완하기 위해서 도 6에 주파수-전류 변환기(502)와 주파수-전압 변환기(510)를 병용한 블록도를 나타냈다.
이 회로에서는 동작속도는 물론 특히 주파수-전압 변환기(510)와 루프 필터(506)의 출력을 입력받는 전압 제어 발진기(508)의 특성을 개선함으로써 전압대 주파수의 이득을 크게 향상시킬 수가 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 주파수-전류 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로는 주파수-전류 변환기(302)를 사용하여 전하 펌프를 강제 동작시킴으로써 회로가 초기 상태에 있을 때 동기 시간(주파수 도입 시간:Pull in time)을 줄일수가 있고 주파수-전류 변환기와 주파수-전압 변환기를 병용함으로써 시스템의 모든소자의 개별 특성을 향상시켜 고속의 동작 효과를 제공한다.

Claims (4)

  1. 위상 동기 루프 회로에 있어서,
    입력된 기준신호의 주파수와 전압 제어 발진기의 출력주파수의 위상을 비교/검출하는 주파수-위상 검출기;
    입력되는 주파수를 전류로 변환하는 주파수-전류 변환기;
    상기 주파수-위상 검출기와 주파수-전류 변환기로부터 출력된 전류에 의해 전압 제어 발진기의 제어 전압을 조정하는 전하 펌프;
    상기 전하 펌프로부터 출력되는 전압을 받아 전압 제어 발진기에 안정된 전압을 공급하는 루프 필터;
    상기 루프 필터로부터 안정된 전압을 제공받아 제어 전압에 상응하여 발진 주파수가 변화하는 전압 제어 발진기를 포함하는 주파수-전류 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로.
  2. 제1항에 있어서, 루프 필터에 있어서 안정된 전압은 맥류 성분이 제거된 직류임을 특징으로 하는 주파수-전류 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로.
  3. 위상 동기 루프 회로에 있어서,
    입력된 기준신호의 주파수와 전압 제어 발진기의 출력주파수의 위상을 비교/검출하는 주파수-위상 검출기;
    입력되는 주파수를 전류로 변환하는 주파수-전류 변환기;
    입력되는 주파수를 전압으로 변환하는 주파수-전압 변환기;
    상기 주파수-위상 검출기와 주파수-전류 변환기로부터 출력된 전류에 의해 전압 제어 발진기의 제어 전압을 조정하는 전하 펌프;
    상기 전하 펌프와 주파수-전압 변환기로부터 출력되는 전압을 받아 전압 제어 발진기에 안정된 전압을 공급하는 루프 필터;
    상기 루프 필터로부터 안정된 전압을 제공받아 제어 전압에 상응하여 발진 주파수가 변화하는 전압 제어 발진기를 포함하는 주파수-전류 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로.
  4. 위상 동기 루프 회로에 있어서,
    입력된 기준신호의 주파수와 전압 제어 발진기의 출력주파수의 위상을 비교/검출하는 주파수-위상 검출기;
    입력되는 주파수를 전류로 변환하는 주파수-전류 변환기;
    입력되는 주파수를 전압으로 변환하는 주파수-전압 변환기;
    상기 주파수-위상 검출기와 주파수-전류 변환기로부터 출력된 전류에 의해 전압 제어 발진기의 제어 전압을 조정하는 전하 펌프;
    상기 전하 펌프로부터 출력되는 전압을 받아 전압 제어 발진기에 안정된 전압을 공급하는 루프 필터;
    상기 루프 필터와 주파수-전압 변환기로부터 안정된 전압을 제공받아 제어 전압에 상응하여 발진 주파수가 변화하는 전압 제어 발진기를 포함하는 주파수-전류 변환기를 사용한 위상 동기 루프 회로.
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