KR100285307B1 - Voltage controlled oscillator device using coaxial resonator - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A voltage controlled oscillator(VCO) comprising an LC oscillator circuit using a coaxial resonator is provided, which provides an inductive reactance by comprising the coaxial resonator which achieves a high-Q and a stable temperature characteristics. CONSTITUTION: The voltage controlled oscillator comprises an internal oscillation circuit, and generates an oscillation frequency by being voltage-controlled according to an input voltage(V+), and the oscillation frequency is output to the external and at the same time is fed back to a phase locked loop(PLL). A varactor diode(VD) and a coaxial resonator(CR) are connected in parallel between an input voltage port(V+) and a ground, and a coupling capacitor(C1) is connected serially to the input voltage port. And a gate electrode of a transistor(Q1) is connected to another end of the coupling capacitor, and at the same time capacitors(C2,C3) are connected in serial between the above end of the capacitor(C1) and the ground. And a gate electrode of a transistor(Q2) is connected between the capacitor C2 and C3.

Description

동축 공진기를 이용한 LC 발진회로를 구비하는 전압 제어 발진기{VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR DEVICE USING COAXIAL RESONATOR}Voltage controlled oscillator with LC oscillator circuit using coaxial resonator {VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR DEVICE USING COAXIAL RESONATOR}

본 발명은 전압제어발진기 장치에 관한 것으로, 특히 동축 공진기를 이용한 전압제어발진기 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a voltage controlled oscillator device, and more particularly, to a voltage controlled oscillator device using a coaxial resonator.

무선 통신 장치에서 사용되는 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator: VCO)는 국부발진기(local oscillator) 등과 같은 발진기 등에 이용할 수 있다. 상기 전압제어발진기는 자유 동작신호(free running frequency)를 발생시키는 수단으로서 인덕터 기능의 공진기(resonator)를 이용한다. 상기 전압제어 발진기에서 발생되는 신호의 주파수는 인덕터(inductor)와 캐패시터(capacitor)에 의하여 결정된다. 상기 전압 제어 발진기에서 현재 사용되고 있는 상용 인덕터의 값이 한정되어 있으며, 상기 상용 인덕터보다는 상용 캐패시터의 값이 다양하고 가변 캐패시터도 보편화되어 있기 때문에, 정확한 인덕턴스의 값을 구현할 필요가 있다. 즉, 상기 캐패시터를 고정시켜 놓고 인덕터를 조정하는 것보다 상기 인덕터를 고정시켜 놓고 캐패시터를 조정하여 운용 주파수를 조정하는 것이 훨씬 효율적이기 때문이다.A voltage controlled oscillator (VCO) used in a wireless communication device can be used for an oscillator such as a local oscillator or the like. The voltage controlled oscillator uses a resonator of an inductor function as a means for generating a free running frequency. The frequency of the signal generated by the voltage controlled oscillator is determined by an inductor and a capacitor. Since the value of the commercial inductor currently used in the voltage controlled oscillator is limited, and the value of the commercial capacitor is different from that of the commercial inductor and the variable capacitor is also common, it is necessary to implement an accurate inductance value. In other words, it is more efficient to adjust the operating frequency by adjusting the capacitor while fixing the inductor than to adjust the inductor while fixing the capacitor.

다양한 값을 가지는 캐패시터가 상용화 되어 있고 가변 캐패시터도 다양하게 보편화되어 있으므로, 설계자는 원하는 캐패시턴스 값을 쉽게 구현할 수 있다. 반면 인덕터는 설계자가 원하는 값을 쉽게 구현할 수 없기 때문에, 설계자가 원하는 값에 맞는 인덕턴스를 구현할 수 있는 여러 가지 재료를 이용하여 인덕턴스 값을 구현한다. 이러한 이유로 사용되는 일반적인 인덕터의 재료로는 에어 코일(air coil)과 상용 코일(commercial SMD coil) 및 마이크로 스트립 선로(Micro Strip Line) 등이 있다. 미국 특허 4,510,465에는 에어 코일을 사용한 전압 제어 발진기가 개시되어 있으며, 미국 특허 5,532,651에는 마이크로 스트립을 사용한 전압 제어 발진기가 개시되어 있다. 이하 종래 기술에 대하여 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Capacitors with various values are commercially available, and variable capacitors are also widely available, so designers can easily implement the desired capacitance value. On the other hand, because the inductor cannot easily achieve the desired value, the inductor value is implemented using a variety of materials that allow the designer to achieve the desired inductance. Common inductor materials used for this reason include air coils, commercial SMD coils, and micro strip lines. U.S. Patent 4,510,465 discloses a voltage controlled oscillator using an air coil, and U.S. Patent 5,532,651 discloses a voltage controlled oscillator using a micro strip. Hereinafter, the prior art will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1 은 미국 특허 4,510,465에 개시되어 있는 종래 기술에 의한 전압 제어 발진기의 구조도를 나타낸 것이다. 상기 도 1에 도시된 전압제어발진기는 입력과 출력 포트를 가지는 증폭기와, 인덕터(inductor)와 제 1 버랙터 다이오드(varactor diode), 제 2 버랙터 다이오드를 포함하는 피드백 회로(feedback circuit)와, 및 상기 제 1 및 제 2 버랙터 다이오드에 역 바이어스를 제공하는 전원을 포함하는 구성을 갖는다. 상기 도 1과 같은 구조를 갖는 전압제어발진기에서는 상기 에어 코일(Air Coil) 형태의 인덕터를 사용한다.1 shows a structural diagram of a voltage controlled oscillator according to the prior art disclosed in US Pat. No. 4,510,465. The voltage controlled oscillator shown in FIG. 1 includes an amplifier having an input and an output port, a feedback circuit including an inductor, a first varactor diode, and a second varactor diode; And a power source for providing reverse bias to the first and second varactor diodes. In the voltage controlled oscillator having the structure as shown in FIG. 1, an inductor of the air coil type is used.

또한 도 2 는 미국 특허 5,532,651에 개시되어 있는 종래 기술에 의한 전압 제어 발진기의 구조도를 나타낸 것이다. 상기 도 1에 도시된 전압제어발진기는 기판 위에 배치되어 있으며 폭을 가지는 마이크로 스트립(Microstrip)과, 상기 기판 위에 배치된 금속 부분을 가지는 인덕터 소자와, 발진기의 동작 주파수를 조정하기 위하여 금속 부분위에 생성된 다수의 홈(cut)과, 공진기와 결합된 증폭기 및 출력부를 포함하는 공진기로 구성되어 있다.FIG. 2 also shows a structural diagram of a voltage controlled oscillator according to the prior art disclosed in US Pat. No. 5,532,651. The voltage controlled oscillator shown in FIG. 1 is disposed on a substrate, and has a microstrip having a width, an inductor device having a metal portion disposed on the substrate, and a voltage generated on the metal portion to adjust an operating frequency of the oscillator. And a resonator comprising a plurality of cuts, and an amplifier and an output coupled to the resonator.

상기 전압 제어 발진기는 송신기나 수신기의 반송파(carrier) 특성을 좌우하는 중요한 요소이다. 그러므로 전압 제어 발진기의 자체 특성 저하는 결과적으로 송신기나 수신기의 전체 특성을 저하시키게 된다. 또한 현대의 통신 시스템은 가입자가 원하는 서비스를 제공하기 위하여, 어떠한 외부 환경의 변화에도 그 시스템이 지니고 있는 고유의 성능을 구현할 수 있어야 한다.The voltage controlled oscillator is an important factor in determining carrier characteristics of a transmitter or a receiver. As a result, the self-degradation of the voltage-controlled oscillator results in a degradation of the overall characteristics of the transmitter or receiver. In addition, the modern communication system must be able to implement the inherent performance of the system in any external environment changes in order to provide the service desired by the subscriber.

그러나 상기와 같이 구성된 종래 기술에 의한 전압 제어 발진기는 에어 코일이나 마이크로 스트립을 사용하고 있기 때문에, 설계상의 제약이 따르게 된다. 즉, 상기 에어 코일이나 마이크로 스트립을 사용하여 구현된 종래 기술에 의한 전압 제어 발진기는 온도 안정성이 떨어질 뿐만 아니라, 해당 발진기가 희망 신호 외의 신호를 어느 정도 분리할 수 있는가를 나타내는 선택도(Selectivity: Q)도 뒤떨어지게 된다는 문제점이 발생한다.However, since the voltage controlled oscillator according to the related art configured as described above uses an air coil or a microstrip, design constraints follow. That is, the voltage controlled oscillator according to the related art implemented using the air coil or the micro strip not only has a low temperature stability but also selects how much the oscillator can separate a signal other than a desired signal (Selectivity: Q). There is also a problem of falling behind.

상용 SMD 코일의 경우, 선택도 값은 보통 20 ~ 40 정도이며, 사용할 수 있는 주파수 대역이 한정되어 있고, 해당 값에 대한 허용 오차도 ±5 ~ ±20% 로 정확한 인덕턴스 값을 구현하는 데는 문제가 있다. 에어 코일의 경우에도 선택도 값은 그다지 높지 않고 외형의 변화에 의하여 특성이 달라진다는 문제점을 가진다. 마이크로 스트립 선로의 경우에도 정확한 인덕턴스의 값을 구현하기 위해서는 프린트 배선 보드(Printed Circuit Board: PCB) 설계시부터 고려해야 한다는 어려움을 가진다.For commercial SMD coils, selectivity values are typically around 20 to 40, with limited frequency bands available, and tolerances of ± 5 to ± 20% for these values, which are problematic for achieving accurate inductance values. have. Even in the case of the air coil, the selectivity value is not so high, and there is a problem in that the characteristic is changed by the change in appearance. Even in the case of a micro strip line, it is difficult to consider the printed circuit board (PCB) design in order to realize accurate inductance values.

따라서 본 발명의 목적은 높은 선택도(High-Q)의 실현이 가능하고 온도적으로도 보다 안정적인 재료인 동축 공진기(coaxial resonator)를 구비하여 인덕티브 리액턴스(inductive reactance)를 제공할 수 있는 전압 제어 발진기를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a voltage control capable of providing inductive reactance by including a coaxial resonator, which is a material capable of achieving high selectivity and having a more stable temperature. In providing an oscillator.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전압제어발진기는 LC 발진회로를 구비하며, 상기 LC발진회로는 입력전압단과 접지단 사이에 버렉터 다이오드와 동축공진기들이 각각 병렬 연결되고, 상기 입력전압단에 상기 버렉터다이오드의 결합캐패시터가 직렬 연결되도록 구성된다.According to an embodiment of the present invention, a voltage controlled oscillator includes an LC oscillator circuit, and the LC oscillator circuit has a varactor diode and a coaxial resonator connected in parallel between an input voltage terminal and a ground terminal, respectively. The coupling capacitor of the varactor diode is connected to the voltage terminal in series.

상기와 같이 인덕턴스(inductance) 요소와 캐패시턴스(Capacitance) 요소를 가지는 전압 제어 발진기에서 상기 인덕턴스 요소는 동축 공진기(coaxial resonator)를 이용하여 구현한다. 본 발명의 실시예에서 상기 동축 공진기의 선택도는 150 ~ 900까지 구현 가능한 것이 바람직하며, 또한 상기 동축 공진기는 수 MHz에서 수십 GHz 의 주파수 대역까지 사용 가능한 것이 바람직하하다. 그리고 상기 캐패시턴스 요소의 캐패시터 값은 버랙터다이오드를 사용하여 가변하는 것이 바람직하다.In the voltage controlled oscillator having an inductance element and a capacitance element as described above, the inductance element is implemented using a coaxial resonator. In the embodiment of the present invention, the selectivity of the coaxial resonator is preferably implemented up to 150 to 900, and the coaxial resonator may preferably be used up to a frequency band of several MHz to several tens of GHz. The capacitor value of the capacitance element is preferably variable using a varactor diode.

도 1 은 종래 기술에 의한 전압 제어 발진기의 구조도.1 is a structural diagram of a voltage controlled oscillator according to the prior art.

도 2 는 다른 종래 기술에 의한 전압 제어 발진기의 구조도.2 is a structural diagram of another conventional voltage controlled oscillator.

도 3 은 본 발명에 의한 전압 제어 발진기의 구조도.3 is a structural diagram of a voltage controlled oscillator according to the present invention;

이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3 은 본 발명에 의한 전압 제어 발진기의 구조도를 나타낸 것이다.3 shows a structural diagram of a voltage controlled oscillator according to the present invention.

상기 도 3을 참조하면, 전압제어발진기는 내부에 발진회로를 구비하며, 입력되는 전압(V+ tune)에 따라 전압제어되어 발진주파수를 발생하며, 상기 발진된 주파수는 외부로 출력되는 동시에 위상고정루프(Phase Locked Loop: PLL)에 궤환입력된다. 본 발명의 실시예에 따른 전압제어발진기의 발진회로는 입력전압단 V+과 접지단 사이에 버렉터다이오드 VD와 동축공진기(coaxial resonator) CR을 병렬 접속하며, 상기 입력전압 V+에 상기 결합캐패시터C1을 직렬접속한다. 그리고 상기 결합캐패티시터 C1의 타단에 트랜지스터Q1의 게이트 전극을 연결하는 동시에 상기 캐패시터C1의 상기 타단과 접지단 사이에 캐패시터C2 및 C3을 직렬 접속하고, 상기 캐패시터C2 및 C3 사이에 트랜지스터Q2의 게이트 전극을 연결하는 구성을 갖는다.Referring to FIG. 3, the voltage controlled oscillator has an oscillation circuit therein, and is controlled in voltage according to an input voltage (V + tune) to generate an oscillation frequency, and the oscillated frequency is output to the outside and at the same time the phase locked loop. It is fed back to (Phase Locked Loop: PLL). An oscillation circuit of a voltage controlled oscillator according to an embodiment of the present invention connects a varactor diode VD and a coaxial resonator CR in parallel between an input voltage terminal V + and a ground terminal, and connects the coupling capacitor C1 to the input voltage V +. Connect in series. A capacitor C2 and C3 are connected in series between the other end of the capacitor C1 and a ground terminal, and a gate of the transistor Q2 is connected between the capacitor C2 and C3 while connecting the gate electrode of the transistor Q1 to the other end of the coupling capacitor C1. It has a structure for connecting the electrodes.

상기와 같이 본 발명의 실시예에서는 정확한 인덕턴스의 값을 구현하고 높은 선택도를 실현하며 온도 변화에 안정성을 향상시키기 위하여 동축 공진기CR을 사용한다. 상기 버랙터 다이오드 VD는 발진기의 동작 주파수를 가변하는데 가장 보편적으로 사용된다. 상기 짧은 동축 공진기CR은 자기 공명 주파수 아래에서 동작할 때, 인덕티브한 것처럼 보이기 때문에 상기 버랙터 다이오드VD의 사용이 가능하다. 상기 도 3에서 전압제어발진기의 운용 주파수를 결정하는 소자는 버랙터 다이오드 VD와 캐패시터 C1, C2 및 C3이다. 상기 전압 제어 발진기의 주파수 조정 범위(tuning range)는 버랙터다이오드 VD의 결합 캐패시터인 C1에 의하여 결정된다. 이때 상기 캐패시터 C1의 값이 증가하면 조정 범위가 증가한다.As described above, in the embodiment of the present invention, a coaxial resonator CR is used to realize accurate inductance, realize high selectivity, and improve stability in temperature change. The varactor diode VD is most commonly used to vary the operating frequency of an oscillator. The short coaxial resonator CR appears to be inductive when operating below the magnetic resonance frequency, allowing the use of the varactor diode VD. In FIG. 3, the devices for determining the operating frequency of the voltage controlled oscillator are varactor diodes VD and capacitors C1, C2, and C3. The frequency tuning range of the voltage controlled oscillator is determined by C1, the coupling capacitor of the varactor diode VD. At this time, if the value of the capacitor C1 increases, the adjustment range increases.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 전압제어발진기에서 발진회로는 LC 발진회로를 사용하고 있으며, LC 공진주파수에 의해 발진주파수가 변화된다. 따라서 상기 전압제어발진기의 운용주파수를 결정하는 성분은 L성분과 C성분이 된다. 상기와 같은 구성을 갖는 전압제어발진기는 PLL회로의 원리에 따라 필요로 하는 주파수에서 고정(locking)되는 회로이며, 전압에 따라서 캐패시턴스 C가 변하는 버렉터 다이오드 VD를 사용하는 것이 일반적이다. 본 발명의 실시예에 따른 전압제어발진기에서 LC 발진회로를 구현할 때, C 요소는 버렉터 다이오드 VD를 사용하고 L 요소는 동축공진기 CR로 사용한다. 상기와 같이 L의 요소로 상기 동축공진기CR을 사용하면, 높은 선택도 공진기(High-Q resonator)는 구현할 수 있는 선택도 값이 150 ~ 900까지 매우 다양하며, 사용할 수 있는 주파수 대역도 수 MHz부터 수십 GHz까지이다. 또한, 온도에 따른 값의 변화도 ℃당 수 PPM으로 극히 안정적이다.As described above, in the voltage controlled oscillator according to the embodiment of the present invention, the oscillation circuit uses an LC oscillation circuit, and the oscillation frequency is changed by the LC resonance frequency. Therefore, the components for determining the operating frequency of the voltage controlled oscillator are L component and C component. The voltage controlled oscillator having the above configuration is a circuit which is locked at a required frequency according to the principle of the PLL circuit, and it is common to use a varistor diode VD whose capacitance C changes depending on the voltage. When implementing the LC oscillation circuit in the voltage controlled oscillator according to the embodiment of the present invention, the C element is used for the diverter diode VD and the L element is used as the coaxial resonator CR. When the coaxial resonator CR is used as the element of L as described above, the high selectivity resonator (High-Q resonator) has a wide range of selectable values from 150 to 900, and the usable frequency band is from several MHz. Up to tens of GHz. In addition, the change in value with temperature is also extremely stable at several PPM per ° C.

상기한 바와 같이 동작하는 본 발명은, 동축 공진기를 사용함으로써, 보다 높은 선택도를 실현할 수 있으며 온도적으로 안정적이고 밀집적인 구조를 가지는 인덕터를 구현하여, 보다 안정적인 전압 제어 발진기를 구현할 수 있는 이점이 있다.According to the present invention operating as described above, by using a coaxial resonator, a higher selectivity can be realized and an inductor having a temperature stable and dense structure can be realized, thereby achieving a more stable voltage controlled oscillator. have.

Claims (2)

LC 발진회로를 구비하는 전압제어발진기 장치에 있어서,A voltage controlled oscillator device having an LC oscillation circuit, 상기 LC발진회로가, 입력전압단과 접지단 사이에 버렉터 다이오드와 동축공진기들이 각각 병렬 연결되고, 상기 입력전압단에 상기 버렉터다이오드의 결합캐패시터 직렬 연결되도록 구성되며, 상기 동축발진기의 선택도가 150에서 900 사이인 전압제어발진기.The LC oscillator circuit is configured such that a varactor diode and a coaxial resonator are respectively connected in parallel between an input voltage terminal and a ground terminal, and a coupling capacitor of the varactor diode is connected in series with the input voltage terminal, and the selectivity of the coaxial oscillator is selected. Voltage controlled oscillator between 150 and 900. LC 발진회로를 구비하는 전압제어발진기 장치에 있어서,A voltage controlled oscillator device having an LC oscillation circuit, 상기 LC발진회로가, 입력전압단과 접지단 사이에 버렉터 다이오드와 동축공진기들이 각각 병렬 연결되고, 상기 입력전압단에 상기 버렉터다이오드의 결합캐패시터인 제1캐패시터가 직렬 연결되며, 상기 제1캐패시터의 타단과 접지단 사이에 제2 및 제3캐패시터가 직렬연결되도록 구성되며, 상기 동축발진기는 수 MHz에서 수십 GHz의 주파수 대역에서 사용 가능한 전압제어발진기.In the LC oscillator circuit, a varactor diode and a coaxial resonator are respectively connected in parallel between an input voltage terminal and a ground terminal, and a first capacitor, which is a coupling capacitor of the varactor diode, is connected in series with the input voltage terminal. The second and the third capacitor is configured to be connected in series between the other end and the ground terminal, the coaxial oscillator is a voltage controlled oscillator usable in the frequency band of several MHz to several tens of GHz.
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