KR100306904B1 - 주파수합성기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 주파수 합성기에 관한 것으로, 전압제어 발진기의 단위이득 대역폭 K의 값을 결정하는 변수 가운데 전하펌프의 전류 Ip의 값을 가변 제어하여 K:fs=1:20의 관계가 유지되도록 하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적의 본 발명은 제 1 및 제 2 분주기와 주파수 검출기, 제어부, 전하펌프, 저역통과필터, 전압제어 발진기를 포함하여 이루어진다. 제 1 분주기는 분주값을 결정하는 제어비트를 입력받아 기준클럭의 제 1 주파수를 제어비트의 값에 따라 분주하여 제 2 주파수의 제 1 출력을 발생시킨다. 제 2 분주기는 출력신호의 제 3 주파수를 N분주하여 제 2 주파수의 제 1 출력을 발생시킨다. 위상 주파수 검출기는 제 1 출력과 제 2 출력의 위상차를 검출하여 제 2 출력의 위상이 제 1 출력의 위상보다 앞설 때 펌핑업 신호를 발생시키고, 제 1 출력의 위상이 제 2 출력의 위상보다 앞설 때 펌핑다운 신호를 발생시킨다. 제어부는 제 1 주파수와 제 2 주파수의 차이와 제어비트의 값을 비교하여 단위이득 대역폭(K)의 값이 제 1 분주기 또는 제 2 분주기의 출력 주파수에 대해 1:20의 비율을 갖도록 제어하여 제 1 신호를 발생시킨다. 전하펌프는 제 1 제어신호에 의해 가변 제어되는 전류원을 구비하고, 펌핑업 신호와 펌핑다운 신호에 의해 제어되어 펌핑전압을 발생시킨다. 저역통과필터는 펌핑전압을 직류전압으로 변환한다. 전압제어 발진기는 직류전압에 의해 결정되는 주파수의 출력신호를 발생시킨다.
Description
본 발명은 주파수 합성기(Frequency Synthesizer)에 관한 것으로, 특히 위상동기루프 회로(Phase Locked Loop Circuit)를 이용한 주파수 합성기에 관한 것이다.
주파수 합성기는 기준 주파수를 체배하거나 분주하여 임의의 주파수를 만들어내는 장치이다. 이 주파수 합성기는 기본적으로 입력 주파수인 기준 주파수를 분주하고, 또 출력 주파수도 분주하여 그 위상차를 보정하도록 이루어진다. 주파수의 분주는 분주기를 사용하며, 위상차의 보정은 위상동기루프 회로를 이용한다.
도 1은 종래의 주파수 합성기를 나타낸 도면이다.
제 1 분주기(102)에는 기준클럭(CLK)이 입력되고, 또 분주값을 결정하는 제어비트(11)가 입력된다. 기준클럭(CLK)의 주파수인 제 1 주파수(fin)는 제어비트(11)의 값에 따라 분주되어 제 2 주파수(fs)의 값을 갖게된다.
제 2 분주기(104)에는 출력신호(OUT)가 피드백되어 입력된다. 이 출력신호(OUT)의 주파수인 제 3 주파수(fout)는 제어비트(12)의 값에 따라 N분주되어 상술한 제 2 주파수(fs)의 값을 갖는다.
위상 주파수 검출기(106)는 상술한 제 1 및 제 2 분주기(102)(104)의 각각의 출력을 입력받아 위상차를 검출한다. 위상 주파수 검출기(106)는 검출된 위상차의 크기에 따라 펌핑업 신호(U)와 펌핑다운 신호(D)를 발생시킨다.
전하펌프(108)는 펌핑업 신호(U)와 펌핑다운 신호(D)에 의해 전하펌핑 동작이 제어되어 펌핑전압(CP_OUT)을 발생시킨다. 위상 검출기(106)는 제 2 출력의 위상이 제 1 출력의 위상보다 앞설 때 펌핑업 신호(U)를 발생(활성화)시킨다. 반대로, 제 1 출력의 위상이 제 2 출력의 위상보다 앞설 때에는 펌핑다운 신호(D)를 발생(활성화)시킨다.
저역통과필터(110)는 펌핑전압(CP_OUT)을 입력받아 이를 필터링하여 직류전압으로 변환한다.
전압제어 발진기(112)는 저역통과필터(112)에서 출력되는 직류전압을 입력받아 소정 주파수의 출력신호(OUT)를 발생시킨다. 이 출력신호(OUT)의 주파수는 입력된 직류전압의 레벨에 의해 결정된다.
도 2는 종래의 주파수 합성기의 전하펌프를 나타낸 도면이다.
도 2에서 블록 202는 전류 미러(Current Mirror)를 나타낸 것인데, 전류원 역할을 하는 저항(R)을 블록의 외부에 나타내었다. 이 전류 미러(202)의 출력전류(Ip)는 저항(R)의 크기에 의해 결정된다. 이 저항(R)은 고정된 크기를 갖기 때문에 출력전류(Ip)의 크기 역시 일정하다.
출력전류(Ip)는 바이어스 회로(204)에 공급되어 바이어스 전압(Vbias1)(Vbias2)으로 변환된다. 이 바이어스 전압(Vbias1)(Vbias2)은 직렬 연결된 두 개의 전류원(206)(208)이 공급하는 전류의 크기를 결정한다. 따라서 이 전류원(206)(208)에 의해 공급되는 전류의 크기도 전류 미러(202)의 출력전류(Ip)와 마찬가지로 고정된 값을 갖는다.
각 전류원(206)(208)의 구동은 두 개의 스위치(210)(212)의 온/오프 동작에 의해 결정된다. 두 개의 스위치(210)(214)는 각각 펌핑업 신호(U)와 펌핑다운 신호(D)에 의해 온/오프된다.
이와 같은 종래의 주파수 합성기의 안정성은 전압제어 발진기의 단위이득 대역폭(Unity Gain Bandwidth) K와 분주기(102)(104)의 출력의 주파수(fs)의 상호관계를 통해 판단할 수 있다.
전압제어 발진기(112)의 이득을 KO, 저역통과필터(110)의 저항을 R1, 제 2 분주기(104)의 분주값을 N이라 할 때, 전압제어 발진기(112)의 단위이득 대역폭 K는 다음의 식 1과 같이 표현된다.
일반적으로 도 1에 나타낸 피드백 시스템이 안정하기 위해서는 fs=20K의 관계가 성립해야 한다. 따라서 도 1의 주파수 합성기가 안정하도록 K:fs=1:20의 관계를 유지시킬 필요가 있다.
이에 본 발명은 전압제어 발진기의 단위이득 대역폭 K의 값을 결정하는 변수 가운데 전하펌프의 전류 Ip의 값을 가변 제어하여 K:fs=1:20의 관계가 유지되도록 하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적의 본 발명은 제 1 및 제 2 분주기와 주파수 검출기, 제어부, 전하펌프, 저역통과필터, 전압제어 발진기를 포함하여 이루어진다.
제 1 분주기는 분주값을 결정하는 제어비트를 입력되고, 기준클럭의 제 1 주파수를 제어비트의 값에 따라 분주하여 제 2 주파수의 제 1 출력을 발생시킨다. 제 2 분주기는 출력신호의 제 3 주파수를 N분주하여 제 2 주파수의 제 1 출력을 발생시킨다. 위상 주파수 검출기는 제 1 출력과 제 2 출력의 위상차를 검출하여 제 2 출력의 위상이 제 1 출력의 위상보다 앞설 때 펌핑업 신호를 발생시키고, 제 1 출력의 위상이 제 2 추력의 위상보다 앞설 때 펑핑다운 신호를 발생시킨다. 제어부는 제 1 주파수와 제 2 주파수의 위상차와 제어비트의 값을 비교하여 단위이득 대역폭(K)의 값이 제 1 분주기 또는 제 2 분주기의 출력 주파수에 대해 1:20의 비율을 갖도록 제어하여 제 1 제어신호를 발생시킨다. 전하펌프는 제 1 제어신호에 의해 가변 제어되는 전류원을 구비하고, 펌핑업 신호와 펌핑다운 신호에 의해 동작이 제어되어 펌핑전압을 발생시킨다. 저역통과필터는 펌핑전압을 직류전압으로 변환한다. 전압제어 발진기는 직류전압에 의해 결정되는 주파수의 출력신호를 발생시킨다.
또한, 본 발명은 다음과 같이 이루어질 수도 있다. 제 1 분주기는 분주값을 결정하는 제어비트를 입력되고, 기준클럭의 제 1 주파수를 제어비트의 값에 따라 분주하여 제 2 주파수의 제 1 출력을 발생시킨다. 제 2 분주기는 출력신호의 제 3 주파수를 N분주하여 제 2 주파수의 제 1 출력을 발생시킨다. 위상 주파수 검출기는 제 1 출력과 제 2 출력의 위상차를 검출하여 제 2 출력의 위상이 제 1 출력의 위상보다 앞설 때 펌핑다운 신호를 발생시키고, 제 1 출력의 위상이 제 2 출력의 위상보다 앞설 때 펌핑다운 신호를 발생시킨다. 제어부는 제 1 주파수와 제 2 주파수의 차이와 제어비트의 값을 비교하여/소정의 극점을 갖도록 제 1 제어신호를 발생시킨다. 전하펌프는 펌핑업 신호와 펌핑다운 신호에 의해 전하펌핑 동작이 제어되어 펌핑전압을 발생시킨다. 저역통과필터는 제 1 제어신호에 의해 제어되는 가변저항을 구비하여 펌핑전압을 직류전압으로 변환한다. 전압제어 발진기는 직류전압에 의해 결정되는 주파수의 출력신호를 발생시킨다.
도 1은 종래의 주파수 합성기를 나타낸 도면.
도 2는 종래의 주파수 합성기의 전하펌프를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 주파수 합성기를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 주파수 합성기의 전하펌프를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 주파수 합성기의 또 다른 실시예를 나타낸 도면.
도 6은 도 5에 나타낸 본 발명의 또 다른 실시예의 저역통과필터를 나타낸 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
102, 302, 502 : 제 1 분주기 104, 304, 504 : 제 2 분주기
106, 306, 506 : 위상 주파수 검출기 108, 308, 508 : 전하펌프
110, 310, 510 : 저역통과필터 112, 312, 512 : 전압제어 발진기
314, 514 : 제어부
이와 같이 이루어지는 본 발명의 바람직한 실시예를 도 3 내지 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 도 3은 본 발명에 따른 주파수 합성기를 나타낸 도면이다.
제 1 분주기(302)에는 기준클럭(CLK)이 입력되고, 또 분주값을 결정하는 제어비트(31)가 입력된다. 기준클럭(CLK)의 주파수인 제 1 주파수(fin)는 제어비트(31)의 값에 따라 분주되어 제 2 주파수(fs)의 값을 갖게된다.
제 2 분주기(304)에는 출력신호(OUT)가 피드백되어 입력된다. 이 출력신호(OUT)의 주파수인 제 3 주파수(fout)는 제어비트(32)의 값에 따라 N분주되어 상술한 제 2 주파수(fs)의 값을 갖는다.
위상 주파수 검출기(306)는 상술한 제 1 및 제 2 분주기(302)(304)의 각각의 출력을 입력받아 위상차를 검출한다. 위상 주파수 검출기(306)는 검출된 위상차의 크기에 따라 펌핑업 신호(U)와 펌핑다운 신호(D)를 발생시킨다. 즉, 위상 주파수 검출기(306)는 상기 제 2 출력의 위상이 상기 제 1 출력의 위상보다 앞설 때 상기 펌핑업 신호(U)를 발생(활성화)시킨다. 반대로, 제 1 출력의 위상이 상기 제 2 출력의 위상보다 앞설 때에는 상기 펌핑다운 신호(D)를 발생(활성화)시킨다.
제어부(314)에는 기준클럭(CLK)과 제 1 분주기의 출력, 제어비트(31)가 입력된다. 제어부(314)는 기준클럭(CLK)의 주파수(fin)와 제 1 분주기의 출력의 주파수(fs)의 차를 검출하고 분주값(제어비트 31의 값)과 비교하여 제어신호(CTRL3)를 발생시킨다. 이 제어부(314)의 제어신호(CTRL3)는 이하 설명하는 전하 펌프(308)의 전류 미러 출력 전류(Ip)를 제어하여 이하 설명하는 전압제어 발진기(312)의 단위이득 대역폭(K)의 값을 제어한다. 이 때 제어신호(CTRL3)는 단위이득 대역폭(K)의 값이 분주기의 출력 주파수(fs)와 1:20의 관계가 성립하도록 제어한다.
전하펌프(308)는 펌핑업 신호(U)와 상기 펌핑다운 신호(D)에 의해 전하펌핑 동작이 제어되어 펌핑전압(CP_OUT)을 발생시킨다. 본 발명에 따른 전류 미러가 구비되는데, 이 전류 미러의 출력전류(Ip)는 상술한 제어신호(CTRL3)에 의해 가변 제어된다.
저역통과필터(310)는 펌핑전압(CP_OUT)을 입력받아 이를 필터링하여 직류전압으로 변환한다.
전압제어 발진기(312)는 저역통과필터(312)에서 출력되는 직류전압을 입력받아 소정 주파수의 출력신호(OUT)를 발생시킨다. 이 출력신호(OUT)의 주파수는 입력된 직류전압의 레벨에 의해 결정된다.
도 4는 본 발명에 따른 주파수 합성기의 전하펌프를 나타낸 도면이다.
도 4에서 블록 402는 전류 미러를 나타낸 것인데, 스위치드 캐패시터(414)는 일종의 저항으로서 전류원으로 동작한다. 이 전류 미러(402)의 출력전류(Ip)는 스위치드 캐패시터(414)의 상태에 따라 결정된다. 이 스위치드 캐패시터(414)는 제어신호(CTRL3)에 의해 가변 제어되기 때문에 출력전류(Ip)의 크기 역시 가변적이다.
전술한 수식 1에서 언급한 바와 같이, 전압제어 발진기의 단위이득 대역폭(K)은 전류 미러의 출력전류(Ip)의 값에 비례하기 때문에 이 출력전류(Ip)를 가변시켜서 단위이득 대역폭(K)의 값이 분주기의 출력 주파수(fs)와 1:20의 관계가 성립하도록 함으로써 도 3의 주파수 합성기가 안정성을 갖도록 하는 것이다.
출력전류(Ip)는 바이어스 회로(404)에 공급되어 바이어스 전압(Vbias1)(Vbias2)으로 변환된다. 이 바이어스 전압(Vbias1)(Vbias2)은 직렬 연결된 두 개의 전류원(406)(408)이 공급하는 전류의 크기를 결정한다. 따라서 이 전류원(406)(408)에 의해 공급되는 전류의 크기도 전류 미러(402)의 출력전류(Ip)와 마찬가지로 가변적이다.
각 전류원(406)(408)의 구동은 두 개의 스위치(410)(412)가 턴 온됨으로써 이루어진다. 두 개의 스위치(410)(412)는 각각 펌핑업 신호(U)와 펌핑다운 신호(D)에 의해 온/오프 된다.
도 5는 본 발명에 따른 주파수 합성기의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5에 나타낸 주파수 합성기의 구성은 기본적으로 도 3에 나타낸 본 발명의 첫번째 실시예의 구성에 따른다. 다만 제어부(514)에서 출력되는 제어신호(CTRL5)가 저역통과필터(510)에 입력되고, 저역통과필터(510)의 저항값이 이 제어신호(CTRL5)에 의해 가변 제어되는 것이 다르다.
도 6은 도 5에 나타낸 본 발명의 또 다른 실시예의 저역통과필터를 나타낸 도면이다. 저역통과필터(510)의 입력단으로는 전하펌프(508)의 출력전압(CP_OUT)이 입력된다. 이 출력전압(CP_OUT)과 접지(VSS) 사이에는 가변저항(R1)과 캐패시터(C2)가 직렬회로를 형성한다. 이 직렬회로에 대하여 병렬로 또 다른 캐패시터(C3)가 연결된다. 직렬 회로를 형성하는 가변저항(R1)의 저항값은 상술한 제어신호(CTRL5)에 의해 제어된다. 이 가변저항(R1)과 두 개의 캐패시터(C2)(C3)로 구성되는 저역통과필터에 의해 전하펌프(508)의 출력전압(CP_OUT)이 소정 레벨의 직류전압으로 변환되어 전압제어 발진기(VCO)(512)로 출력된다.
도 5에 나타낸 것과 같은 주파수 합성기의 안정성은 전술한 K값 이외에도, 가변저항(R1)과 캐패시터(C2)(f3)의 값으로 결정되는 두 개의 주파수(f2)(f3)의 상호관계를 통해 판단할 수 있다. 이 두 개의 주파수(f2)(f3)는 각각 도 5의 피드백 시스템의 영점(zero)와 극점(pole)을 나타내며, 다음의 식 2 및 식 3과 같이 표현된다.
위의 두 식에서 두 개의 주파수(f2)(f3)는 모두 가변저항(R1)의 값에 반비례하는 것을 알 수 있다. 따라서 제어신호(CTRL5)를 이용하여 저역통과필터(510)의 저항(R1)값을 가변 제어함으로써 두 주파수(f2)(f3)의 값을 적절히 제어하면 도 5의 피드백 시스템의 안정성을 충분히 확보할 수 있다.
본 발명은 전압제어 발진기의 단위이득 대역폭 K의 값을 결정하는 변수 가운데 전하펌프의 전류 Ip의 값을 가변 제어하거나, 저역통과필터의 저항값을 가변 제어하여 주파수 합성기의 피드백 시스템의 안정성이 충분히 확보될 수 있도록 한다.
Claims (3)
- 분주값을 결정하는 제어비트가 입력되고, 기준클럭의 제 1 주파수를 상기 제어비트의 값에 따라 분주하여 제 2 주파수의 제 1 출력을 발생시키는 제 1 분주기와;출력신호의 제 3 주파수를 N분주하여 상기 제 2 주파수의 제 1 출력을 발생시키는 제 2 분주기와;상기 제 1 출력과 상기 제 2 출력의 위상차를 검출하여 상기 제 2 출력의 위상이 상기 제 1 출력의 위상보다 앞설 때 상기 펌핑업 신호를 발생시키고, 상기 제 1 출력의 위상이 상기 제 2 출력의 위상보다 앞설 때 상기 펌핑다운 신호를 발생시키는 위상 주파수 검출기와;상기 제 1 주파수와 상기 제 2 주파수의 위상차와 상기 제어비트의 값을 비교하여 단위이득 대역폭(K)의 값이 상기 제 1 분주가 또는 상기 제 2 분주기의 출력 주파수에 대해 1:20의 비율을 갖도록 제어하는 제 1 제어신호를 발생시키는 제어부와;상기 제 1 제어신호에 의해 가변 제어되는 전류원을 구비하고, 상기 펌핑업 신호와 상기 펌핑다운 신호에 의해 전하펌핑 동작이 제어되어 펌핑전압을 발생시키는 전하펌프와;상기 펌핑전압을 직류전압으로 변환하는 저역통과필터와;상기 직류전압에 의해 결정되는 주파수의 상기 출력신호를 발생시키는 전압제어 발진기를 포함하는 주파수 합성기.
- 청구항 1에 있어서, 상기 전류원이 스위치드 캐패시터인 것이 특징인 주파수 합성기.
- 분주값을 결정하는 제어비트가 입력되고, 기준클럭의 제 1 주파수를 상기 제어비트의 값에 따라 분주하여 제 2 주파수의 제 1 출력을 발생시키는 제 1 분주기와;출력신호의 제 3 주파수를 N분주하여 상기 제 2 주파수의 제 1 출력을 발생시키는 제 2 분주기와;상기 제 1 출력과 상기 제 2 출력의 위상차를 검출하여 상기 제 2 출력의 위상이 상기 제 1 출력의 위상보다 앞설 때 상기 펌핑업 신호를 발생시키고, 상기 제 1 출력의 위상이 상기 제 2 출력의 위상보다 앞설 때 상기 펌핑다운 신호를 발생시키는 위상 주파수 검출기와;상기 제 1 주파수와 상기 제 2 주파수의 차이와 상기 제어비트의 값을 비교하여 소정의 영점과 극점을 갖도록 제 1 제어신호를 발생시키는 제어부와;상기 펌핑업 신호와 상기 펌핑다운 신호에 의해 전하펌핑 동작이 제어되어 펌핑전압을 발생시키는 전하펌프와;상기 제 1 제어신호에 의해 제어되어 상기 영점과 극점을 갖도록 하는 가변저항을 구비하고, 상기 펌핑전압을 직류전압으로 변환하는 저역통과필터와;상기 직류전압에 의해 주파수가 결정되는 주파수의 상기 출력신호를 발생시키는 전압제어 발진기를 포함하는 주파수 합성기.
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1998
- 1998-10-27 KR KR1019980045162A patent/KR100306904B1/ko not_active IP Right Cessation
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