KR100335140B1 - 위상 동기 루프 장치 및 위상 동기 주파수 발생 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 다중-대역 위상 동기 루프장치는 통신 시스템에 사용하기 위한 것이며, 주파수 기준 발진기, 기준 주파수 분 배기, 위상 및 주파수 검출기, 필터 및 보상회로, 마이크로컨트롤러, 다중-대역 전압 제어 발진기와 그리고 궤환 분배기로 구성된다. 고속 궤환신호는 위상 동기 동작을 위하여 전압 제어 발진기에 제공되며, 저속 궤환신호는 전압 제어 발진기에 주파수 대역 조정을 위한 주파수 조정 신호를 생성하기 위하여 마이크로컨트롤러에 의하여 이용된다. 또한, 마이크로컨트롤러는 동작 주파수 대역을 변화시키는 전압 제어 발진기를 제어한다. 이러한 위상 동기 루프 장치는 셀룰러 주파수 대역과 피씨에스(PCS) 주파수 대역에서 동작되는 통신장치에 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 통신장치를 위한 위상 동기 루프(phases lock loop, PLL)장치에 관한 것으로, 특히 주파수 대역 선택과 주파수 대역 조정 성능을 갖는 위상 동기 루프 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 국부 발진기는 정보 신호를 무선 주파수(radio frequency, RF)와 중간 주파수(intermediate signal, IF) 신호로 변환시키는 통신 수신기에 사용된다. 국부 발진 신호를 제공하는 종래 기술은, 일반적으로 단일 주파수나 협 대역 주파수 상에서 국부 발진 신호를 생성하기 위해 제공된 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator : 이하 VCO)를 포함하는 위상 동기 루프(PLL) 형태를 사용한다. 이와 같은 협-대역 주파수는 VCO 내에서 버렉터 다이오드(varactor diode)의 주파수의 동조(tuning)범위를 기초로 한다. 디지털 기술과 같은 통신 기술의 발달은 넓게 분절된 광대역 주파수 대역에서 동작하는 통신 시스템을 발달시켰다. 예를 들면, 아날로그 셀룰러 시스템(analog cellularsystem) (또는 AMPS : Advanced mobile phone service)은 800MHz의 주파수 대역 범위에서 동작되며 반면, 개인 통신 서비스(PCS) 시스템은 1900MHz의 주파수 대역에서 실행된다. 그러므로, AMPS와 PCS 장치를 수용하는 통신 시스템은 분절된 광대역 주파수 대역 내에 다수의 국부 발진 신호를 필요로 한다. 종래의 장치는 일반적으로 다른 주파수 대역에서 하향 처리되는(falling) 국부 발진 신호를 생성하기 위해 분리된 다수의 VCO를 사용한다 (예를 들면. 미국 특허 번호 5,732,330과 5,686,864). 종래 장치 중 하나(미국 특허번호 5,686,864)는 스위치 기능을 갖는 병렬 커패시터(capacitor)를 이용하는 가변 VCO를 사용한다.
종래의 VCO에서, 동조 가능한 주파수 범위는 VCO에서 버렉터의 동조 가능한 정전용량(capacitance)의 범위에 의해 결정된다. 그러나, VCO회로의 공진 주파수는 VCO에서 다른 회로 부품의 임피던스(impedance)에 의한 영향을 받는다. 즉, VCO가 원하는 주파수에 동조되어질 수 있는지 확인하기 위하여, VCO의 회로 부품은 고-정밀도(즉, 낮은 공차를) 갖도록 구성되어지거나 버렉터 조절 전압이 동조 전압 범위의 조정에 가능한 한 가까울 때 얻어지도록 손으로 조정되어져야 한다. 이것은 레이저 트리밍(laser trimming)이나 회로가 구성된 후 회로부품의 포스트-조절과 같은 엄격한 생산 조건이 요구된다. 이러한 과정은 종종 시간과 비용이 많이 든다. 게다가, 이러한 조건은 다른 회로 부품에서 공차(tolerance)를 극복하기 위하여 큰 정전용량의 동조 범위를 갖는 버렉터를 요구한다. VCO가 주파수의 일부분에서 다수개의 다른 주파수에 고정되기 때문에, 버렉터는 그들의 동조 전압 범위의 조정에서 파생되는 조절 전압에서 동작될 것이다. 이것은 또한 넓은 동조 범위를 갖는버렉터를 요구한다. 이러한 문제는 고 정밀과 포스트-조절형으로 조립되어지는 추가적인 회로 부품을 포함하므로 다중-대역 VCO 내에서 매우 심각한 문제이다.
그러므로, 본 발명은 관련 기술내 제한점과 단점에서 발생하는 하나 또는 그 이상의 문제들을 실질적으로 제거하기 위해 제안된 것이다.
본 발명의 목적은 다중-대역 동작에 적합하기 위해 상대적으로 적은 회로 부품으로 된 단순한 구조를 갖는 새로운 다중-대역 전압 제어 발진기를 이용한 위상 동기 루프 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 스위치 할 수 있는 대역의 수를 늘릴 수 있는 단순한 구조를 이용한 위상 동기 루프 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 생산 조건과 포스트-조절에서 엄격한 요구 조건을 줄이며 정밀한 동조를 얻을 수 있는 위상 동기 주파수 신호 발생 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 특징에 따르면, 다중-대역 루프(PLL) 장치는 주파수 기준 신호를 제공하기 위한 주파수 기준 발진기와, 기준 주파수를 나누기 위한 기준 주파수 분배기(divider)와, 주파수 및 위상정보를 기초로 하여 제2 입력 주파수 신호에 포함된 출력 에러(error) 신호를 생성하기 위한 위상 및 주파수 검출기와, 에러 신호를 기초로 하여 고속 궤환신호와 저속 궤환신호를 발생하는 필터 및 보상회로와, 저속 궤환신호와 대역 선택 입력신호를 기초로 하여 주파수 조정 신호와 대역 선택 신호를 발생하는 마이크로프로세서와, 고속궤환신호, 주파수 조정 신호 그리고 대역 선택 신호를 기초로 하여 출력 주파수 신호를 발생하는 다중-대역 전압제어 발진기와, 위상 및 주파수 검출기를 위한 제2 입력 신호를 제공하기 위한 다중-대역 전압 제어 발진기에 의해 생성된 신호의 주파수를 분배하기 위한 궤환 분배기로 구성된다. 여기서, 전압 제어 발진기 출력 신호의 주파수는 대역 선택 신호에 의존하는 다수개의 주파수 대역중 하나이다. 각 주파수 대역에서 VCO 출력 주파수는 고속 궤환신호에 의해 조절되며, 주파수 대역 조정은 마이크로컨트롤러에 의해 제공된 주파수 조정 신호에 의해 실행된다.
다중-대역 전압 제어 발진기는 적어도 하나의 제1 버렉터와 제1버렉터와 직렬로 연결된 제1 인덕터(inductor)를 갖는 주공진부와, 제2 인덕터와 대역 선택 신호에 의해 스위치에 의해 회로 안에서 선택적으로 연결되어지는 제2 버렉터를 갖는 적어도 하나의 직렬 대역 선택부로 구성된다. 특히, 제2 인덕터는 전압 제어 발진기 출력 신호의 주파수 대역을 변화시키기 위하여 대역 선택 신호에 의한 제1 인덕터와 회로 내에서 선택적으로 병렬로 연결된다. 특별한 주파수 대역이 선택될 때, 적당한 제2 버렉터가 제1 버렉터와 회로 내에 선택적으로 병렬로 연결되고, 주파수 대역 조정을 이루기 위해 주파수 조정 신호에 의하여 전압이 조절된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중-대역 위상 동기 루프(PLL)를 도시한 블럭 구성도.
도 2는 다중-대역 PLL의 주파수 대역을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PLL의 마이크로컨트롤러와 다중-대역 전압 제어 발진기의 회로도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 주파수 대역 조정 동작을 설명하기 위한 흐름도.
도 5는 부분적인 다중-대역 전압 제어 발진기의 다른 실시 예를 도시한 회로도.
도 6a와 6b는 본 발명의 실시 예에 따른 필터 및 보상회로를 도시한 회로도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 다중-대역 위상 동기 루프 장치를 도시한 블럭 구성도.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 다중-대역 전압 제어 발진기의 대략적인 회로도.
도 9는 본 발명의 실시 예가 적용되는 통신장치를 보인 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100: 주파수 기준 발진기 110: 기준 분배기
120: 위상 및 주파수 검출기 130: 필터 및 보상회로
140: 다중 대역 전압 제어 발진기 150: 궤환 분배기
160: 마이크로컨트롤러 118: 로직
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주파수 대역 선택 위상 동기 루프(PLL)의 블럭 구성도이다. 도 1을 참조하면, 주파수 기준 발진기(100)는 기준주파수 신호(170)를 생성한다. 주파수 기준 발진기(100)는 일반적으로 높은 주파수 정확도를 갖는 저 위상 잡음 부품으로서 표준 동조가 가능한 입력과 온도 보상에 의해 더욱 강화된다. 기준 주파수 신호(170)는 M값으로 입력 신호의 주파수를 분주하여 출력하는 기준 분배기(110)에 입력된다. 여기서, M값은 프로그램 되어질 수 있다. 또한, 기준 분배기(110)는 위상 잡음을 감소시키며 기준 스퍼(spur) 거절에 영향을 주고 궤환 제어 시스템에서 동적 응답을 한다.
기준 신호(180)는 제1 입력 신호로서 후술될 궤환 분배기(150)를 통해 다중-대역 전압 제어 발진기(140)로부터 제 2입력 신호(113)를 수신하는 위상 및 주파수 검출기(120)에 입력된다. 위상 및 주파수 검출기(120)는 두개의 입력 신호(180,113)를 처리하고 두 개의 입력 신호 사이에서 주파수와 위상의 차이점을 나타내는 출력 에러 신호(190)를 발생한다. 출력 에러 신호(190)는 고속 궤환신호(111)와 저속 궤환신호(115)를 발생하며, 입력되는 출력 에러 신호(190)를 필터링하고 보상하는 필터 및 보상회로(130)에 입력된다.
고속 궤환신호(111)는 다중-대역 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator : 이하 VCO)(140)에 연결된다. 다중-대역 VCO(140)는 필터 및 보상회로(130)에서 제공되는 고속 궤환 신호(111)와 마이크로컨트롤러(160)에서 수신되는 대역 선택 신호(116)와 주파수 조절신호(117)에 의해 결정되는 주파수를 갖는 출력 신호(112)를 발생한다. VCO(140)에서 제공되는 출력 신호(112)는 입력 신호의 주파수를 N 값으로 분주하는 궤환 분배기(150)에 입력되고, 궤환 분배기(150)는 N값으로 분주된 신호(113)를 위상 및 주파수 검출기(120)에 제공한다. 여기서, N의값은 프로그램 되어질 수 있다.
위상 및 주파수 검출기(120), 필터 및 보상회로(130), 다중-대역 VCO(140)와 궤환 분배기(150)는 기준 분배기(110)에서 분주되어 출력된 신호(180)와 궤환 분배기(150)에서 분주되어 출력된 신호(113)사이의 일정 위상 관계와 동일한 주파수를 제공하는 위상 동기 루프를 형성한다. 따라서, 필터 및 보상회로(130)에 의해 생성된 고속 궤환신호(111)는 위상 동기 루프를 위한 궤환신호이다. 기준 분배기(110)와 궤환 분배기(150)의 사용은 선택적이다. 분배기가 사용될 때, VCO(140)의 출력 신호(112)의 주파수는 N/M의 비율에 따라 주파수 기준 발진기(100)에서 발생하는 주파수로 서로 맞춰진다.
필터 및 보상회로(130)에 의해 생성된 저속 궤환신호(115)는 위상 동기 루프를 위하여 고속 궤환신호(111)보다 낮은 변화를 하는 것이 바람직하다. 또한, 저속 궤환신호(115)는 외부 소스(미도시)로부터 제공되는 대역 선택 입력신호(118)를 수신하는 마이크로컨트롤러(160)에 제공된다. 저속 궤환신호(115)와 대역 선택 입력신호(118)를 기초로 하여, 마이크로컨트롤러(160)는 주파수 대역 선택과 다중-대역 VCO(140)의 주파수 대역 조정을 위한 주파수 조정 신호(117)를 위해 대역 선택 신호(116)를 생성한다.
도 2에 도시된 것처럼, 다중 대역 VCO(140)의 출력 신호(112)(평행축)의 주파수는 대역 1, 2, 3과 같은 복수의 주파수 대역이 된다. 이러한 주파수 대역은 분배된 대역(비-중복형)일 수 있다. 예를 들면, 하나의 주파수 대역은 아날로그 셀룰러 전화에 사용되는 대역일 수 있고 또 다른 대역은 PCS에 사용되는 대역일 수있다. 다시 말하면, 대역은 부분적으로 중복되어 어느 개별 대역 중 하나의 범위보다 큰 주파수를 커버하는 단일 대역이상의 위상 동기 동작을 제공한다. 마이크로컨트롤러(160)에서의 대역 선택 신호(116)는 다중 대역 VCO(140)의 출력 신호(112)가 떨어지는 주파수 대역을 결정한다. 각각의 주파수 대역 내에서, 출력신호(112)의 주파수는 점선 (21a, 21b, 22c)으로 표시된 것처럼, 고속 궤환신호(111)(횡축)의 크기처럼 변화한다. 예를 들면, 대역 2내에, 고속 궤환신호(111)가 V21에서 V22로 상승할 때 출력 주파수는 F21에서 F22로 변한다. 위상 동기 루프는 필터 및 보상회로(130), 다중-대역 VCO(140), 하나의 주파수 대역내의 주파수로 다중 대역 VCO의 출력 신호(112)가 주파수로 고정되기 위해 생성되는 위상 및 주파수 검출기(120)에 의해 형성된다. 따라서, 다중 대역 VCO(140)를 사용함으로서 출력신호(112)는 확장된 범위의 주파수로서 고정될 수 있다. 통신 수신기내 수신된 신호를 하향 변환하는 국부 발진기와 같은 통신 장치에서 사용하기 위한 각각의 주파수 대역에서 정밀한 주파수는 생성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서 마이크로콘트롤러(160)와 삼중-대역 VCO(140)를 도시한다. 입력 터미널(111), 출력 터미널(112)과 입력 터미널(115),(118a)(118b)는 도 1에 보인 라인과 각각 동일하게 일치한다.
두 개의 저항(R1, R2), 두 개의 전압-가변 커패시터 또는 버렉터(VC1, VC2), 두 개의 커패시터(C1, C2)는 병렬 방식으로 도시된 노드(301,302)에 입력 터미널(111)로 저항(R1)과 저항(R2)사이에 연결되어있으며, 인덕터(L1)는 노드(301)와 노드(302) 사이에 연결되어있다. 저항(R1)과 저항(R2)은 바람직하게커패시터(C1)와 커패시터(C2)처럼 동일한 값을 갖는다. 저항(R1)과 저항(R2)은 입력 터미널(111)에 연결되어 떨어진 것에서부터 회로 품질 요소(Q)의 하락을 막고, 입력 동조 전압(111)에 절연성을 제공하기 위해서 큰 값을 갖는다. 버렉터(VC1)와 버렉터(VC2)는 값이 같고 대칭적으로 위치한다. DC 전압인 고속 궤환신호(111)는 버렉터(VC1)와 버렉터(VC2)에 동등하게 인가된다. 이 버렉터 위상은 고주파 왜곡(harmonic distortion)과 위상 잡음을 줄인다. 버렉터(VC1, VC2) 그리고 커패시터(C1, C2)로 구성된 정전용량의 주요부는 다중-대역 VCO 회로(140)를 위한 주공진부를 형성하는 인덕터(L1)와 병렬로 연결된다. 이러한 주공진부는 발진기의 최저 주파수 대역을 결정하는 주된 요인이다. 동조 전압 값(111)이 증가할 때, 버렉터(VC1, VC2)의 정전용량은 감소하여 공진 주파수를 초래하거나 출력 신호(112)의 가변 주파수를 증가시킨다. 차동 활성 이득 회로(31)는 노드(301)와 노드(302)사이에 연결된다. 이러한 차동 활성 이득회로(31)의 터미널, 다른 쌍의 트랜지스터 및 차동 활성 장치(미도시)는 양성 궤환 및 동조된 공진 주파수에서 발진기를 유지하기 위한 적당한 루프 이득을 제공하기 위해 사용된다. 여기서, 집적 회로나 분절(discrete) 장치가 차동 활성 이득 회로(31)에 사용될 수 있다.
커패시터(C11), 스위치(S1), 인덕터(L11)와 그리고 커패시터(C12)는 노드(301, 302)에 직렬로 연결되어 있다. 버렉터(VC11)와 두 개의 커패시터(C13, C14)는 서로 직렬로 연결되어 있고, 스위치(S1)와는 서로 병렬로 연결되어있다. 커패시터(C11, C12), 스위치(S1), 인덕터(L11), 버렉터(VC11) 그리고 커패시터(C13, C14)는 다중-대역 VCO(140)의 제1 병렬 대역-선택부(32)를 형성한다. 스위치(S1)는 마이크로컨트롤러(160)에 의해 제공되는 대역 선택 신호(303, 304)에 의해 조절된다. 실시 예에 있어서, 스위치(S1)는 대역 선택 신호(303, 304)에 의해 역(reverse) 바이어스될때 개방(비-전도)되고 동일 신호에 의해 순(forward) 바이어스 되어 폐쇄(전도)되는 다이오드로 구성된다. MOS 트랜지스터나 다른 장치는 당업자에게는 명백한 조절 회로와 일치하는 종래 기술인 스위치의 대체형으로 사용될 수 있다.
바람직하게, 버렉터(VC11)의 임피던스는 직렬로 연결된 커패시터(C11, C12)와 인덕터(L11)의 임피던스보다 훨씬 크며, 커패시터(C11, C12)의 결합 임피던스는 인덕터(L11)의 임피던스 보다 훨씬 작다. 따라서, 스위치(S1)가 개방되고 버렉터(VC11)가 회로에 연결되면, 버렉터(VC11)가 인덕터(L1)와 병렬로 위치하며, 반면에 스위치(S1)가 폐쇄되고, 버렉터(VC11)가 단락되면, 인덕터(L11)가 인덕터(L1)와 병렬로 위치한다. 버렉터(VC11)는 마이크로콘트롤러(160)에 의해 제공되는 주파수 조정 신호(305)에 의해 동조된다. 적절한 저항과 인덕터(고 임피던스 코일)는 탱크 회로에서 하중을 제한하기 위해 스위치(S1)를 활성 시키는 전류를 제한하는 신호 라인(303, 304, 305)에 의해 제공된다.
제2 병렬 대역-선택부(33)는 커패시터(C21, C22, C23, C24)와 스위치(S2), 인덕터(L21) 그리고 노드(301, 302)사이에 제공된 버렉터(VC21)로 구성된다. 제2 병렬 대역-선택부(33)는 제1 병렬 대역 선택부(32)와 동일한 구조를 가지나 동일한 부품들의 값은 다르다. 대역 선택 신호(306, 307)와 마이크로컨트롤러(160)의 주파수 조정 신호(308)는 동일하게 제공된다.
최저 주파수 대역을 위한 다중-대역 VCO의 구성은 스위치(S1, S2)가 개방(비-전도)되었을 때, 인덕터(L1)와 병렬로 버렉터(VC11, VC12)를 연결한다. 높은 주파수 대역을 위한 다중-대역 VCO(140)의 재 구성시 스위치(S1)는 폐쇄되고 스위치(S2)는 마이크로컨트롤러(160)로부터 대역 선택 신호(303, 304, 305, 307)에 의해 개방된다. 이것은 버렉터(VC11)를 바이패스하며, 인덕터(L11)를 효과적으로 위치시키며, 인덕터(L1)에 병렬로 위치시킨다. 결과적으로, 회로의 효과적인 인덕턴스는, 인덕터(L11,L1)의 병렬 조합 때문에 감소되고, VCO회로의 동작 주파수는 인덕터 비 L1/L11의 제곱근과 거의 동일한 요소에 의해 증가한다.
주파수는 스위치(S1)가 폐쇄시 회로에서 VC11의 제거에 의하여 제곱근 법을 따르지 않을 수도 있다.
다른 주파수 대역을 위한 다중-대역 VCO(140)의 재구성을 하기 위해, 스위치(S1)는 개방될 수 있고 스위치(S2)는 마이크로컨트롤러(160)에서의 대역 선택 신호(303, 304, 306, 307)에 의해 폐쇄될 수 있다. 이것은 인덕터(L11)보다 인덕터(L21, L1)의 병렬배치를 초래한다. 인덕터(L21)는 인덕터(L11)와는 다른 임피던스 값을 가지므로, 다중 대역 VCO(140)은 다른 주파수 대역에서 동작된다. 이와 같이, 마이크로컨트롤러(160)는 다중 대역 VCO(140)의 주파수 대역을 조절한다.
대역 선택 신호(303, 304, 306, 307)는 도 3에 도시된 것처럼 연결된 인버터(G1, G2, G5, G6)와 AND 게이트(G3, G4)를 포함하는 디지털 논리 회로로 구성된 마이크로콘트롤러(160)의 대역 선택부와 디코딩(decoding)에 의해 생성된다. 디지털 논리 회로는 논리 대역 선택 입력을 디코드하며 터미널(118a, 118b)에서 수신된다. 예를 들면, 최저 주파수 대역은 입력 라인(118a)에서 제공된 논리 '하이'와 스위치(S1, S2)를 개방시키는 입력 라인(118b)에서 제공된 논리 '로우'로 선택되어진다. 유사하게, 제2 주파수 대역은 양 입력 라인(118a와 118b)에서 제공된 논리 '로우'로 설정되고, 제 3 주파수 대역은 입력 라인(118a)에서 제공된 논리 '로우'와, 입력 라인(118b)에서 제공된 논리 '하이'로서 설정된다. 다른 디코딩 로직과 대역 선택 입력은 대역 선택 신호(303, 304, 306과 그리고 307)가 제공되기만 한다면 요구되는 스위치(S1, S2)를 개방하고 폐쇄하기 위하여 사용된다.
전술된 설명에서부터, 마이크로컨트롤러(160)와 관련하여 다중-대역 전압 조절형 발진기(140)에 관련한 마이크로컨트롤러(160)와 필터 및 보상회로(130)에는 기능과 회로의 중복 없이 위상을 고정시키는 다수의 주파수 대역을 연장하는 지능(intelligence)이 제공된다.
동조 버렉터를 확신하는 주파수 대역 조정 또는 조절 동작은 그들의 동조 전압 범위의 조정에 근접해서 동작되며 지금부터 아래와 같이 설명될 것이다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 다중 대역 VCO는 주 동조 버렉터는 고정된 주파수나 VCO의 회로 부품내의 공차와는 상관없이 그들의 동조 전압 범위의 중심에 근접하는 곳에서 항상 동작하도록 하기 위하여 저속 궤환신호에 의하여 주 버렉터(VC1, VC2)보다 더 VCO 회로의 부분을 동조하는 능력을 제공한다. 주파수 대역 조정은 엄격한 생산과정의 요구사항을 완화시키며 회로 부품의 포스트-조절에 대한 필요를 제거한다.
도 3의 다중 대역 VCO 회로(140)에서, 주파수 대역 조정은 특별한 주파수 대역 선택에서 회로(단락되지 않음)에 연결된 하나 또는 두개의 버렉터(VC11, VC21)의 용량을 변화시켜 이루어진다. 이것은 각각의 조절라인(305)과 조절라인(308)에서 버렉터(VC11, VC21)에 인가된 전압의 조절로서 이루어진다. 도 3에 도시된 삼중 VCO(140)에서, 버렉터(VC11)가 단락되어지고, 버랙터(VC21)가 회로에 연결되면,(즉, 제2 주파수 대역에서 동작하게되면), 버랙터(VC21)는 주파수 대역 조정을 위하여 동조된다. 유사하게, 버렉터(VC11)는 제3 주파수 대역에서 동작될 때 주파수 대역 조정을 위해 동조된다. 제1 또는 최저 주파수 대역에서 동작되면, 양 버렉터(VC11, VC21)는 회로에 연결되며, 하나 또는 두개가 주파수 대역 조정을 위해 동조된다. 버렉터(VC11 및/또는 VC21)의 임피던스가 VCO 공진 주파수의 결정에 기여하므로, 버렉터(VC11 및/또는 VC21)는 첫째로 주 동조 버렉터(VC11, VC21)에 대한 동조 전압이 기 설정 범위 내에 있도록 조정될 수 있으며, 둘째로 VCO의 공진 주파수는 필요한 주파수로 조정될 수 있다. 버렉터(VC11, VC21)의 정전용량의 값은 바람직하게 버렉터(VC1, VC2)와 커패시터(C1, C2)로 형성된 효과적인 정전용량보다 작으므로, 버렉터(VC1, VC2)의 동조범위 내에서 작은 효과를 가지도록 한다.
마이크로콘트롤러(160)에 의해 제공되는 조절신호(305,308)는 저속 궤환신호(115)를 기초로 한다. 마이크로콘트롤러(160)는 아날로그/디지털 변환기(34)와, 프로세서(35)와, 디지털/아날로그 변환기(36)와, 그리고 멀티플렉서(37)로 구성된다. 마이크로콘트롤러(160)는 저속 궤환신호(115)의 레벨이 상한 또는 하한 전압값 사이의 범위에 떨어지도록 하기 위하여 저속궤환신호(115)를 프로그램된 상한 및 하한 전압값과 비교하고, 버렉터(VC11 및/또는 VC21)에 대한 동조전압을 조정한다. 저속 궤환신호(115)는 고속 궤환신호(111)와 같이 거의 동일한 전압 레벨을 갖도록 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 프로세서(35)는 어느 주파수 대역이 선택되었는지를 나타내는 정보를 가진 디코딩 및 대역 선택 회로(게이트 G3과 G4의 출력)에서부터 신호(310, 311)를 수신한다. MUX(37)은 주파수 조정 신호를 VCO(140)내에 있는 적절한 버렉터로 분배한다.
주파수 대역 선택과 마이크로컨트롤러(160)의 주파수 대역 조정 동작은 도 4의 도시된 흐름도를 참조하여 설명한다. 단계(401)에서 처리가 시작된 후, 대역 선택 입력(118a, 118b)은 선택되어질 주파수 대역을 결정하기 위해 모니터링 된다. 만일 대역 선택 입력이 주파수 대역 선택에서 변화가 있었다는 것을 나타내면(단계 402), 마이크로콘트롤러는 멀티플렉서(37)를 통하여 적절한 조정 전압(305 및/또는 308)을 가능하게 하고(단계 403), 게이트(G1-G6)를 통해 적절한 스위치(S1,S2)를 폐쇄 및/또는 개방한다(단계 404). 예를 들어, 대역 선택입력이 제2 주파수 대역이 선택되었음을 나타내면, 마이크로컨트롤러는 VCO(140)의 버렉터(VC11)가 단락되게 하며 회로 내에 버렉터(VC21)가 연결되게 하며 또한 동조 전압(308)이 버렉터(VC21)를 통과하는 것이 가능하게 한다. 그러면, 다음 과정은 대역 선택 출력을 지속적으로 모니터하기 위해 단계(401)에 복귀한다.
단계(402)에서, 만일 대역 선택 입력이 변화하지 않는다면, 마이크로컨트롤러는 저속 궤환신호(115)를 기 설정된 하한 전압값 (Vmin)과 비교한다(단계405).만일, 저속 궤환 신호(115)가 Vmin 값보다 크지 않다면, 허용 버렉터를 통과하는 조절 전압이 감소한다(단계 406). 그런 후 과정은 단계(401)로 복귀한다. 만일, 저속 신호(115)가 Vmin값보다 크다면, 마이크로컨트롤러는 저속 궤환신호(115)를 기 설정된 상한값(Vmax)과 비교한다(단계407). 만일, 저속 궤환신호(115)가 Vmax 값보다 작다면, 허용된 버렉터를 통과하는 조절 전압이 증가한다(단계 408). 그런 후 과정은 단계(401)로 복귀한다. 만일, 저속 궤환신호(115)가 Vmax 값보다 작다면, 과정은 단계(401)로 복귀한다. 이러한 단계들은 반복된다.
저속 궤환신호를 제한값(Vmin)과 제한값(Vmax)과 비교(단계 405, 407)함으로, 버렉터 조절 전압을 증가나 감소하는 적당한 작동을 취하며(단계 406, 408), (저속 궤환 루프로 칭해질 수 있는)궤환 루프는 기 설정된 범위 내에서 Vmin 와 Vmax 사이로 저속 궤환신호를 유지하기 위해 형성된다. 결과적으로, 자동 주파수 대역 조정은 다중-대역 VCO(140)를 제공하기 위함이다. Vmax와 Vmin의 제한값은 프로그램 되는 것이 바람직하며, 제한값은 주파수 대역에 따라 다를 수 있다.
도 4를 계속 참조하면, 지연(단계 410)은 조절 과정이 스위치 개폐/폐쇄 동작(단계 404)에서 복귀할 때와, 단계 (401)에 대해 버렉터 조절 전압 증가/감소 동작(단계 406, 408)을 할 때 마이크로컨트롤러(160)내에서 이루어지는 것이 바람직하다. 지연은 고속 궤환신호(111)에 의한 VCO(140)의 고속 궤환 동작으로 간섭하거나 영향받지 않도록 하기 위하여 저 감소율에서 인가되어지는 저속 궤환신호(115)의 과정을 초래하며, 위상 동기 루프를 통하여 기준 주파수에 VCO의 주파수를 고정하기 위해 동작한다. 지연은 프로그램 되는 것이 바람직하며, 전체적으로 생략될 수 있다.
주파수 대역 조정은 다중-대역 VCO에서 설명되지만, 이것은 당업자에게는 대역 선택 동작과는 독립적으로 동작된다는 것이 명백한 것이며, 이곳에 설명된 주파수 대역 조정 기술은 단일-대역 VCO에서도 사용할 수 있다.
(삼중 대역 VCO를 만드는) 두 개의 병렬 대역 선택 회로(32, 33)를 포함한 다중-대역 VCO(140)의 실시 예가 도 3에 도시되었지만, 원하는 주파수 대역의 수만큼 더 많거나 적은 병렬 회로가 사용될 수 있다. 예를 들면, 만일 하나의 병렬 회로가 사용되면, 다중 대역 VCO는 이중 대역 VCO이다. 게다가, 두 개나 그이상의 병렬 대역 선택 회로가 사용되면, 몇 개나 조합형의 병렬 버렉터(즉, 제1 병렬 회로에서 버렉터(VC11)에 상응하는 병렬 회로내의 버렉터)는 회로와 연결될 수 있다(즉, 단락되지 않음). 바람직하게, 적어도 하나의 병렬 버렉터가 주파수 대역 조정을 제공하기 위해 회로에 연결된다. 바람직하게, 두 개이하의 병렬 버렉터가 주공진부의 버렉터(VC1, VC2)로 간섭을 감소하는 회로에 연결된다. 마이크로컨트롤러(160)는 어느 것이 주파수 대역 조정에 사용될 하나 또는 조합형의 병렬 버렉터가 될지를 결정한다. VCO(140)에 제공된 다수의 병렬 대역 선택 회로가 적어도 2개가 다르면, 적당한 변화가 당업자에게는 당연하게 보이게 될 마이크로컨트롤러(160)에서 필요로 한다.
도 3에 도시된 실시 예에서, 다중-대역 VCO(140)의 주공진부는 버렉터(VC1, VC2)와 커패시터(C1, C2) 그리고 인덕터(L1)로 형성되며, 균형 잡힌 차동 위상 기하학(topology)을 가지고 있다. 양자택일적으로, 도 5와 같이 단일 앤드형(singleended) 위상 기하학이 사용될 수 있다. 도 5에서 노드(111, 301 302)는 도 3에 도시된 지정된 노드에 상응한다. 두 개의 저항 대신에, 두 개의 커패시터, 두 개의 버렉터, 단일 저항(R50), 단일 버렉터(VC50) 그리고 단일 커패시터(C50)가 주공진부를 형성하기 위하여 사용된다. 여기서, 주공진부는 VCO(140) 최저 주파수 대역의 주파수를 결정하는 주된 요인이다.
도 6a와 6b는 본 발명의 실시 예에 따른 필터 및 보상회로(130)의 두 개의 양자택일적인 구조를 도시한다. 두 도면에서, 입력 터미널(190)과 출력 터미널(115, 111)은 도 1에서 지정된 신호 라인과 동일하게 상응한다. 터미널(190)은 위상 및 주파수 검출기(120)에서 에러 신호를 수신하고, 터미널(111)은 위상 고정 동작을 위하여 다중-대역(140)에 고속 궤환신호를 제공하고, 터미널(115)은 주파수 대역 조정을 위하여 마이크로컨트롤러(160)에 저속 궤환신호를 제공한다.
도 6a에 도시된 필터 및 보상회로(130)는 도 6b에 도시된 회로가 버퍼와 격리기로서의 연산 증폭기 대신에 단일 이득의 두 개의 트랜지스터(62)를 사용하는 동안에 고속 궤환신호(111)와 저속 궤환신호(115)사이의 간섭을 피하기 위한 버퍼와 격리기(isolator)로서 단일(unity) 이득 동작 증폭기(61)를 사용한다. 도 6a와 도 6b에서 양 증폭기-버퍼 장치는 PLL 루프 대역폭 안의 주파수에서 큰 입력 임피던스를 가지고 고속과 저속 궤환신호 사이에서 간섭과 부하가 걸리는 것을 예방한다. 도 6a와 6b의 두 구조는 다른 상태로 동일하다. 이러한 구조에서, 커패시터(C61, C62) 그리고 저항(R61)은 종래 PLL 회로에서 일반적으로 사용된 필터를 형성한다. 저항(R62),커패시터(C63)는 부가적인 필터를 형성한다. 바람직하게, R62의 저항값은 저항(R61), 커패시터(C62)의 직렬 조합과 병렬인 커패시터(C61)에 의해 형성된 임피던스보다 훨씬 크게 선택된다. 게다가, 커패시터(C63)는 더 좋은 필터링 효과를 위하여 커패시터(C62)와 근접한 커패시터 값을 가지는 것이 바람직하다. 저항(R63, R64)과 커패시터(C64, C65)는 고 주파수 의사 신호 거절과 다중-대역 VCO의 출력을 변조하는 고 주파수 잡음을 필터링 하는데 사용되는 고 주파수 필터를 형성한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예인 주파수 대역 조정 성능이 생략된 대체 대역 선택적인 PLL 장치를 도시한다. 도 7의 시스템의 구조는 필터 및 보상회로(130)에서 마이크로컨트롤러(160)까지 제거된 저속 궤환신호(115)를 제외하면 도 1과 동일하다. 따라서, 필터 및 보상회로(130)는 간략하게 될 수 있다. 예를 들면, 증폭기/버퍼 구조와 도 6a와 6b에 도시된 저항(R62)과 커패시터(C63)에 의해 형성된 저속 통과 필터는 제거될 수 있다. 또한, 도 1에서 마이크로컨트롤러(160)는 도 7에서 주파수 대역 선택 기능을 수행하는 로직(160a)으로 대체될 수 있다.
도 8은 도 7의 위상 동기 루프에 사용하기 위한 다중-대역 VCO(140)과 로직(160a)을 도시한다. 이 실시 예는 단일 병렬 대역 선택 회로를 가진 이중 대역 VCO(140), 대역 선택 동작을 위한 두 개의 인버터(G81, G82)를 가진 로직(160a)을 포함한 간략한 구조를 가진다. 예를 들면, 두 개의 주파수 대역은 각각 아날로그 셀룰러 대역(800MHz)과 PCS 대역(1900MHz)일 수 있다. 이 구조는 주파수가 없는 대역 조정 가능성을 공차 조절 대신에 제공하고 (VC81,VC82)의 주 버렉터 동조는 다중-대역 주파수 조절로 제공된다. 이 간략한 구조는 다수의 부품, 전력 소비, 크기, 이것이 적용되는 통신장치의 값을 감소시킨다.
도 9는 본 발명을 적용할 수 있는 실시 예에 따른 통신 장치(900)를 보인다.
이상에서와 같은 본 발명에 따르면, 당업자는 본 발명의 범위와 의도를 벗어나지 않은 임피던스 레벨, 버렉터, 임피던스, 구성 스위칭 전략 그리고 회로 형태들과 같은 본 발명의 다중-대역 PLL에서 다양한 모방과 변형들이 만들어질 수 있다라는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 그러므로, 본 발명은 첨가된 청구 범위 및 그것들과 동등한 장치로부터 나온 본 발명의 모방과 변용은 포함될 수 있다고 의도된다.
Claims (16)
- 주파수 기준신호와 제2 입력 주파수 신호에 포함된 주파수 정보와 위상 정보를 기초로 하여 제1 주파수를 갖는 주파수 기준신호와 출력 에러 신호를 발생시키기 위한 제2 입력 주파수 신호에 연결된 위상 및 주파수 검출기와,상기 출력 에러 신호를 기초로 하여 궤환(feedback) 신호를 발생시키기 위한 상기 위상 및 주파수 검출기의 출력 에러 신호에 연결되는 필터 및 보상회로와,대역 선택 신호를 발생시키기 위한 대역 선택 입력신호에 연결된 제어기와,상기 궤환신호에 의해 제어되는 적어도 하나 이상의 버렉터(varactor)와, 상기 버렉터에 병렬로 연결된 제1 인덕터와, 상기 대역 선택 신호에 의해 상기 버렉터와 상기 제1 인덕터에 선택적으로 연결되는 적어도 하나 이상의 제2 인덕터로 구성되며, 상기 궤환신호와 제2 입력 주파수 신호로써 상기 위상 및 주파수 검출기에 제공되어지는 제2 주파수를 갖는 출력 주파수 신호를 발생시키기 위한 상기 대역 선택 신호에 연결된 전압 제어 발진기를 포함하여,상기 위상 및 주파수 검출기, 상기 필터 및 보상회로와 상기 전압 제어 발진기가 상기 제1 주파수에 대한 상기 제2 주파수를 고정시키기 위한 위상 동기 루프를 형성하는 것을 특징으로 하는 위상 동기 루프(Phase Lock Loop : PLL) 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 전압 제어 발진기는 상기 주파수 대역 선택신호에 의해 제어되며 상기 각각의 제2 인덕터에 직렬로 연결되며, 상기 제2 인덕터와 함께상기 제1 인덕터에 병렬로 연결되는 스위치를 추가적으로 구비한 것을 특징으로 하는 위상 동기 루프 장치.
- 제 2항에 있어서, 임의의 제2 인덕터가 상응하는 스위치가 닫혀진 때 상기 전압 제어 발진기가 높은 주파수 대역에서 동작하도록 하며, 상기 상응하는 스위치가 열려진 때 상기 전압 제어 발진기의 출력 주파수상에서 무시해도 좋을 효과를 갖는 상기 제1 인덕터에 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 위상 동기 루프 장치.
- 주파수 기준신호와 제2 입력 주파수 신호에 포함된 주파수 정보와 위상 정보를 기초로 하여 제1 주파수를 갖는 주파수 기준신호와 출력 에러 신호를 발생시키기 위한 제2 입력 주파수 신호에 연결된 위상 및 주파수 검출기와,상기 출력 에러 신호를 기초로 하여 제1 및 제2 궤환(feedback) 신호를 발생시키기 위한 상기 위상 및 주파수 검출기의 출력 에러 신호에 연결되는 필터 및 보상회로와,주파수 조정 신호를 발생시키기 위한 제2 궤환신호에 연결된 제어기와,상기 제1 궤환신호와 제2 입력 주파수 신호로써 상기 위상 및 주파수 검출기에 제공되어지며 상기 제1 궤환신호와 상기 주파수 조정 신호에 의해 제어되는 제2 주파수를 갖는 출력 주파수 신호를 발생시키기 위한 상기 주파수 조정 신호에 연결된 전압 제어 발진기를 포함하여,상기 위상 및 주파수 검출기, 상기 필터 및 보상회로와 상기 전압 제어 발진기가 상기 제1 주파수에 대한 상기 제2 주파수를 고정시키기 위한 위상 동기 루프를 형성하는 것을 특징으로 하는 위상 동기 루프(Phase Lock Loop : PLL) 장치.
- 제 4항에 있어서, 상기 전압 제어 발진기는 상기 제1 궤환신호에 의해 제어되어지는 제1 버렉터와 상기 주파수 조정 신호에 의해 제어되어 지는 제2 버렉터를 포함하여 구성되며,상기 제2 주파수는 상기 제1 및 제2 버렉터의 정전용량에 의존하는 것을 특징으로 하는 위상 동기 루프 장치.
- 제 4항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제2 궤환신호가 설정된 전압 범위에 속하도록 하기 위하여 상기 제2 궤환신호를 기반으로 하여 상기 주파수 조정 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 위상 동기 루프 장치.
- 제 6항에 있어서, 상기 주파수 조정 신호는 직류 전압이며, 상기 제어기는 상기 제2 궤환신호가 설정된 상위 제한값보다 클 경우에 상기 직류를 조정하며, 상기 제2 궤환신호가 미리 설정된 하위 제한 값 보다 낮은 경우에 제2 방향에서 상기 직류 전압을 조정하며, 다른 경우에는 상기 직류 전압이 조정되지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 위상 동기 루프 장치.
- 제 4항에 있어서, 상기 필터 및 보상회로는 상기 제1 궤환신호를 발생하는제1 저 역 필터(low pass filter)와, 상기 제2 궤환신호를 발생시키는 제2 저 역 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 동기 루프 장치.
- 제 8항에 있어서, 상기 필터 및 보상회로는 상기 제 1 및 제2 궤환신호사이에서 상호 영향을 방지하기 위한 버퍼가 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 동기 루프 장치.
- 적어도 하나의 버렉터와 상기 버렉터와 병렬로 연결된 제1 인덕터로 구성된 전압 제어 발진기를 이용하여 제2 주파수를 갖는 전압 제어 주파수 신호를 제공하는 단계와,상기 전압 제어 주파수 신호와 상기 검출된 정보를 기초로 하여 출력 에러 신호를 발생시키는 제1 주파수를 갖는 주파수 기준 신호에 포함된 주파수 및 위상 정보를 검출하는 단계와,상기 에러 신호를 궤환신호로 제공하기 위해 처리하는 단계와,상기 제2 주파수를 변화시키기 위하여 상기 궤환신호를 이용하여 상기 전압 제어 발진기에서 상기 버렉터를 제어하는 단계와,상기 주파수를 조정하기 위한 대역 선택 신호를 기초로 하여 적어도 하나의 제2 인덕터를 상기 버렉터와 상기 전압 제어 발진기에서 제1 인덕터에 선택적으로 연결 또는 해제하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 대역을 선택할 수 있는 위상 동기 주파수 신호 발생 방법.
- 제 10항에 있어서, 임의의 제2 인덕터가 상기 버렉터와 상기 제1 인덕터에 연결된 때, 상기 버렉터와 상기 제1 인덕터가 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 대역을 선택할 수 있는 위상 동기 주파수 신호 발생 방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 제2 주파수는 상기 버렉터와 상기 제1 인덕터에 연결된 제2 인덕터의 조합에 의존하여 복수개의 주파수 대역 중에서 하나가 되는 것을 특징으로 하는 대역을 선택할 수 있는 위상 동기 주파수 신호 발생 방법.
- 제 12항에 있어서, 소정 주파수 대역 내에서 상기 제2 주파수의 값은 궤환신호에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 대역을 선택할 수 있는 위상 동기 주파수 신호 발생 방법.
- 적어도 하나의 버렉터와 상기 버렉터와 병렬로 연결된 제1 인덕터로 구성된 전압 제어 발진기를 이용하여 제2 주파수를 갖는 전압 제어 주파수 신호를 제공하는 단계와,상기 전압 제어 주파수 신호와 상기 검출된 정보를 기초로 하여 출력 에러 신호를 발생시키는 제1 주파수를 갖는 주파수 기준 신호에 포함된 주파수 및 위상 정보를 검출하는 단계와,상기 에러 신호를 제1 및 제2 궤환신호로 제공하기 위해 처리하는 단계와,상기 제2 주파수를 변화시키기 위하여 상기 제1 궤환신호를 이용하여 상기 전압 제어 발진기에서 상기 제1 버렉터를 제어하는 단계와,대역 선택 신호를 제공하는 단계와,상기 주파수를 조정하기 위한 대역 선택 신호를 기초로 하여 적어도 하나의 제2 인덕터를 상기 제1 버렉터와 상기 전압 제어 발진기에서 제1 인덕터에 선택적으로 연결 또는 해제하는 단계와,상기 제2 궤환신호를 기초로 하여 주파수 조정 신호를 발생하는 단계와,상기 대역 선택 신호를 기초로 하여 적어도 하나의 제2 버렉터가 상기 제1 버렉터와 상기 전압 제어 발진기에서 상기 제1 인덕터에 선택적으로 접속 또는 해제되는 단계와,상기 제1 버렉터와 상기 주파수 선택 신호를 이용하는 상기 제1 인덕터에 연결된 상기 제2 버렉터의 정전 용량을 제어하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 대역을 선택할 수 있는 위상 동기 주파수 신호 발생 방법.
- 제 14항에 있어서, 상기 제2 주파수는 상기 대역 선택 신호에 의해 제어되는 제2 인덕터의 연결에 의존하여 복수개의 주파수 대역 중에 하나가 되며, 소정 주파수 대역 내에서의 상기 제2 주파수 값은 상기 제1 궤환신호 및 상기 주파수 조정 신호에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 대역을 선택할 수 있는 위상 동기 주파수 신호 발생 방법.
- 제 14항에 있어서, 상기 주파수 조정 신호는 상기 제2 궤환신호가 설정된 전압 영역 내에 있게 하기 위하여 상기 제2 궤환신호를 기초로 하여 발생되는 것을 특징으로 하는 대역을 선택할 수 있는 위상 동기 주파수 신호 발생 방법.
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