KR100402237B1 - 위상잡음이 개선된 전압조정발진기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전원전압단에 존재하는 잡음신호가 전압조정발진기에 미치는 영향을 최소화하여 PSRR을 개선하여 위상잡음이 적은 전압조정발진기를 구현한 것으로,위상고정루프의 루프필터의 출력전압을 선형적인 전류신호로 변환하는 전압-전류변환기와, 전원전압단에 존재하는 잡음신호가 전압조정발진기셀에 미치는 영향을 최소화하기 위한 기준전압제어부 및 상기 전압-전류변환기의 출력신호로부터의 제어를 받아 신호증폭하는 증폭제어부로 구성된 전압조정발진기셀부를 포함하여 이루어진다. 바람직하게 상기 전압조정발진기셀은 위상고정루프의 루프필터의 출력신호를 이용하여 기준전압을 발생시키는 기준전압발생기와, 전류매칭을 위한 전류매칭 앤모스트랜지스터 및 상기 전압-전류변환기의 출력신호로부터 제어를 받고 입력신호를 증폭하여 출력하는 증폭제어부로 구성된 전압조정발진기셀부로 실시구성되어 진다.
.

Description

위상잡음이 개선된 전압조정발진기{VOLTAGE-CONTROLLED OSCILLATOR IMPROVED IN PHASE NOISE}
본 발명은 위상고정루프의 전압조정발진기에 관한 것으로써, 전원전압단의 잡음신호가 전압조정발진기셀에 미치는 영향을 감소시켜 PSRR(power supply rejection ratio)를 개선하므로써, 위상고정루프 출력신호의 위상잡음을 최소화한 위상고정루프의 전압조정발진기에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 일반적인 위상고정루프는 아날로그 부분과 디지털 부분이 혼재되어 있어 전원전압단에 많은 잡음신호가 존재하고 있으며 이러한 잡음신호가 전압조정발진기에 영향을 주어 위상잡음이 존재하는 원인이 되며, PSRR특성이 저하된다. 따라서 전원전압단의 잡음신호에 의한 전압조정발진기로의 영향을 최소화한 전압조정발진기의 구현이 요구된다.
도1은 일반적인 위상고정루프의 전압조정발진기로 사용하는 링발진기에 관한 것이다. 도1을 참조하면, 상기 링발진기는 4개 반전기(5,6,7,14)가 체인형식으로 구성되어 궤환구조로 되어있으며 각 반전기의 지연시간에 의해 고주파를 발생하며, 각 반전기의 출력신호를 차동형으로 구현함으로써 잡음에 강하며 50%의 듀티 사이클(duty cycle)을 만들수 있는 장점이 있다.
도2는 상기 링발진기에 사용되는 일반적인 전압조정발진기셀을 나타낸 도면으로, 위상고정루프의 루프필터(도면에 표시하지 않음)로부터의 출력신호(VLO)를 입력받아 선형적인 전류형태로 변환하는 전압-전류변환기(21)와, 상기 전압-전류변환기(21)로부터의 출력신호를 피드백 입력받기 위한 제1피모스트랜지스터(22)와, 상기 전압-전류변환기(21)와 전압조정발진기셀부(23)의 전류매칭을 위한 피모스트랜지스터(23A) 및 상기 피모스트랜지스터(23A)를 전류원으로 하고 비반전입력신호 (Vin+) 및 반전입력신호(Vin-)를 입력받아 증폭하여 정출력신호(Vo+) 및 부출력신호(Vo-)를 출력하는 증폭제어부(23B)로 구성된 전압조정발진기셀부(23)를 포함하여 이루어진다.
상기 전압-전류변환기(21)는 통상적인 전압-전류 변환기로써 위상고정루프의 루프필터의 출력신호(VLO)를 선형적인 전류신호로 변환하여 전압조정발진기셀(23)의 동작주파수를 제어한다.
상기 제1피모스트랜지스터(22)는 전압전원단(VDD)과 상기 전압-전류 변환기(21)에 각각 소오스단과 드레인단이 연결되고 게이트단이 드레인단과 연결된다.
상기 전압조정발진기셀부(23)는 통상적인 증폭기 구조로 구성되며 상기 전류변화에 따른 전류매칭을 위한 제2 피모스트랜지스터(MP2)와, 비반전입력신호 (Vin+) 및 반전입력신호(Vin-)를 입력받아 증폭된 정출력신호(Vo+) 및 부출력 신호(Vo-)를 출력한다.
그러나, 상기 제1 피모스트랜지스터(22)와 전압조정발진기셀부(23)는 전류미러회로로 사용한 피모스트랜지스터(MP1,MP2)의 소오스단이 전원전압단(VDD)에 연결되어 전원전압단(VDD)에 존재하는 잡음신호가 전압조정발진기의 출력신호에 영향을 주며 위상고정루프의 위상잡음의 원인이 된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 전원전압단(VDD)에 존재하는 잡음신호가 전압조정발진기에 미치는 영향을 감소시킴으로써 PSRR을 개선하며 전압조정발진기 출력신호의 위상잡음을 최소화한 위상고정루프의 전압제어발진기를 제공하는데 그 목적이 있다.
도1은 링 발진기를 나타내는 도면,
도2는 종래기술에 의한 전압조정발진기셀을 나타내는 도면,
도3은 본 발명에 의한 소오스 폴로워형 전압제어발진기셀을 나타내는 도면,
도4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 셀프-바이어싱 전압제어발진기셀을 나타내는 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 설명
21 : 전압-전류 변환기
100, 300 : 전압조정발진기셀부
100A : 기준전압제어부
100B, 300B: 증폭제어부
200 : 기준전압발생부
300A : 전류매칭 앤모스트랜지스터
VLO: 위상고정루프의 루프필터 출력신호
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 위상고정루프의 루프필터의 출력신호를 선형적인 전류신호로 변환하는 전압-전류 변환수단과 상기 위상고정루프의 루프필터로부터의 출력신호와 상기 전압-전류변환수단의 출력신호를 이용하여 기준전압을 발생하는 기준전압발생수단과 다수의 전압제어발진기셀을 구비한 전압조정발진기에 있어서, 상기 기준전압발생수단은 전원전압단에 소오스단이 연결되고, 게이트단으로 연산증폭기의 출력신호로 받는 제1 앤모스트랜지스터; 게이트단이 접지전원단과 연결되고 소오스단이 상기 제5 앤모스트랜지스터의 드레인단과 연결된 제1 피모스트랜지스터; 전원접지단에 소오스단이 연결되고, 드레인단 및 게이트단이 상기 제1 피모스트랜지스터의 드레인단에 연결된 제2 앤모스트랜지스터; 전원접지단에 소오스단이 연결되고, 드레인단이 상기 제1 피모스트랜지스터의 드레인단에 연결되며, 게이트단으로 상기 전압-전류변환기로부터 출력신호를 받는 제3 앤모스트랜지스터; 및 상기 위상고정루프의 루프필터 출력신호가 비반전입력단으로 입력되고 상기 제2 및 제3 앤모스트랜지스터의 공통 드레인단으로부터 반전입력단이 접속된 상기 연산증폭기를 구비하는 전압조정발진기를 제공한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도3은 본 발명의 일실시예에 의한 소오스 폴로워형(source follower type) 전압조정발진기셀을 나타내는 도면이다.
도3을 참조하면, 소오스 폴로워형 전압조정발진기셀은 위상고정루프의 루프필터(도면에 표시하지 않음)로부터의 출력신호(VLO)를 선형적인 전류신호로 변환하는 전압-전류변환기(21)와, 전원전압단(VDD)에 존재하는 잡음신호가 전압조정발진기셀(100)에 미치는 영향을 억제시키기 위한 기준전압제어부(100A) 및 상기 전압-전류변환기(21)의 출력신호로부터의 제어를 받아 비반전입력신호(Vin+) 및 반전입력신호 (Vin-)를 증폭하여 정출력신호(Vo+) 및 부출력신호(Vo-) 출력하기 위한 증폭제어부(100B)로 구성된 전압조정발진기셀부(100)를 포함하여 이루어진다.
상기 전압-전류변환기(21)는 위상고정루프의 루프필터(도면에 표시하지 않음)의 출력신호(VLO)를 선형적인 전류신호로 변환한 후 그 출력신호를 이용하여 상기 증폭제어부(100-B)의 전압스윙을 조절하여 동작주파수를 제어한다.
상기 기준전압제어부(100A)는 전원전압단(VDD)과 증폭제어부(100B) 간에 드레인-소오스 경로가 연결되고 게이트입력으로 연산증폭기(AMP1)의 출력신호를 받는 앤모스트랜지스터(MN1)와, 통상적인 기준전압발생기(도면에 표시하지 않음)로부터의 출력신호 (Vref)를 비반전입력단(Vin+)으로 입력되고 상기 앤모스트랜지스터(MN1)의 소오스단에 반전입력단(Vin-)이 접속된 상기 연산증폭기(AMP1)로 구성한 것을 특징으로 한다.
상기 증폭제어부(100B)는 노드1(N1)과 노드2(N2)에 각각 소오스단과 드레인단의 경로가 연결되고 게이트단으로 비반전입력신호(Vin+)를 받고 노드2(N2)에서 부출력신호(Vo-)를 출력하는 제1 피모스트랜지스터(MP5)와, 노드1(N1)과 노드3(N3) 에 소오스단과 드레인단이 각각 연결되고 게이트단으로 반전입력신호(Vin-)를 받고 노드3(N3)에서 정출력신호(Vo+)를 출력하는 제2 피모스트랜지스터(MP6)와, 접지전원단과 노드2(N2)에 각각 소오스단과 드레인단이 각각 연결되고 게이트입력단이 노드3(N3)과 접속된 제1 앤모스트랜지스터(MN2)와, 접지전원단과 노드3(N3)에 소오스단과 드레인단이 각각 연결되고 게이트단이 노드2(N2)와 접속된 제2앤모스트랜지스터(MN3)로 이루어진 차동증폭기, 및 접지전원단과 노드2(N2)에 소오스단과 드레인 단이 각각 연결되고 게이트입력으로 상기 전압-전류변환기(21)로부터의 출력신호를 받는 제1 주파수제어 앤모스트랜지스터(MN4)와, 접지전원단과 노드3(N3)에 소오스단과 드레인단이 각각 연결되고 게이트입력으로 상기 전압-전류변환기(21)로부터의 출력신호를 받는 제2주파수제어 앤모스트랜지스터(MN5)를 구비한 것을 특징으로 한다..
상기에서, 기준전압제어부(100A)는 앤모스트랜지스터(MN1)에 기준전압이 인가하며 특히 연산증폭기(AMP1)를 사용하여 상기 앤모스트랜지스터(MN1)의 소오스단에서 바라본 등가저항을 증가시켜 단채널효과에 의한 전원전압단(VDD)으로부터 전달되는 잡음신호가 전압조정발진기셀부로 전달되는 것을 최소화한다.
도4는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 셀프-바이어싱 전압조정발진기셀을 나타내는 도면이다.
도4를 참조하면, 위상고정루프의 루프필터의 출력신호(VLO)를 선형적인 전류신호로 변환하는 전압-전류변환기(21)와, 상기 위상고정루프의 루프필터로부터의 출력신호(VLO)를 이용하여 기준전압을 발생하는 기준전압발생부(200)와, 상기 기준전압발생부(200)와 전압조정발진기셀부(300)의 전류매칭을 위한 앤모스트랜지스터(300A), 및 상기 전압-전류변환기(21) 출력신호로부터의 제어를 받아 비반전입력신호(Vin+)와 반전입력신호(Vin-)를 증폭하여 정출력신호(Vo+)와 부출력신호(Vo-)를 출력하는 증폭제어부(300B)로 구성된 전압조정발진기셀부(300)를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
상기 기준전압발생부(200)는, 전원전압단(VDD)에 드레인단이 연결되고 게이트입력으로 연산증폭기(AMP2)의 출력신호를 게이트단으로 입력받는 제1 앤모스트랜지스터(MN6)와, 게이트단이 접지전원단과 접속되고 상기 제1 앤모스트랜지스터(MN6)의 소오스단에 소오스단이 연결된 제1 피모스트랜지스터(MP7)와, 접지전원단과 상기 제1 피모스트랜지스터(MP7)의 드레인단에 각각 소오스, 드레인단이 연결되고 게이트단이 드레인단에 접속된 제2 앤모스트랜지스터(MN7)와, 상기 제2 앤모스트랜지스터(MN7)와 병렬접속되고 게이트입력으로 상기 전압-전류변환기(21)로부터의 출력신호를 받는 제3 앤모스트랜지스터(MN8)와, 상기 위상고정루프의 루프필터의 출력신호(VLO)가 비반전입력단으로 입력되고 상기 제2 및 제3 앤모스트랜지스터(MN7,MN8)의 공통 드레인단으로부터 반전입력단에 입력되며 상기 제1 앤모스트랜지스터(MN6)의 게이트단과 접속된 상기 연산증폭기(AMP2)를 포함하여 이루어진다.
상기 전류매칭 앤모스트랜지스터(300A)는 전원전압단(VDD)과 노드4(N4)에 각각 드레인단과 소오스단이 연결되고 게이트입력으로 상기 연산증폭기(AMP2)의 출력신호를 받아 상기 기준전압발생부(200)와 상기 전압조정발진기셀부(300)간의 전류를 매칭시킨다.
상기 증폭제어부(300B)는, 노드4(N4)와 노드5(N5)에 각각 소오스단과 드레인단이 연결되고 게이트입력으로 비반전입력신호(Vin+)를 받고 드레인단에서 부출력신호(Vo-)를 출력하는 제1 피모스트랜지스터(MP8)와, 상기 노드4(N4)와 노드6(N6)에 각각 소오스단과 드레인단이 연결되고 게이트입력으로 반전입력신호(Vin-)를 받아 드레인단에서 정출력신호(Vo+)를 출력하는 제2 피모스트랜지터(MP9)와, 접지전원단과 노드5(N5)에 각각 소오스단과 드레인단이 연결되고 게이트단이 드레인단과 접속된 제1 증폭제어 앤모스트랜지스터(MN10)와, 접지전원단과 노드5(N5)에 각각 소오스단과 드레인단이 연결되고 게이트입력으로 상기 전압-전류변환기(21)의 출력신호를 받는 제1 주파수제어 앤모스트랜지스터(MN6)와, 접지전원단과 상기 노드6(N6)에 소오스단과 드레인이 각각 연결되고 게이트단이 드레인단과 접속된 제2증폭제어 앤모스트랜지스터(MN5)와, 접지전원단과 상기 노드6(N6)에 각각 소오스단과 드레인단이 연결되고 게이트입력으로 상기 전압-전류변환기(21)의 출력신호를 받는 제2주파수제어 앤모스트랜지스터(MN7)로 이루어짐을 특징으로 한다.
상기에서, 기준전압발생부(200)는 위상고정루프의 루프필터의 출력신호(VLO)로부터 직접 발생함으로써, 전압원으로 전압전압단(VDD)을 사용하는 밴드-갭 레퍼런스회로(기준전압발생기로 주로 사용함)를 사용할 경우 전압원으로 전원전압단(VDD)을 사용함으로써 전원전압단의 잡음신호가 전압조정발진기셀에 영향을 미치게 되는 것을 최소화하여 PSRR특성을 개선한다. 또한, 상기 전압-전류변환기(21)의 출력신호를 상기 증폭제어부(300B)의 제1 및 제2주파수제어 앤모스트랜지스터(MN6,MN7)에 연결되어 전압조정발진기셀부(300)의 지연시간을 제어하며, 상기 제1 및 제2증폭제어 앤모스트랜지스터(MN10,MN5)가 다이오드 형태로 구성되어 전압조정발진기셀부(300)의 출력을 0.0[V]에서 0.7[V] 구간으로 제한하여 동작주파수를 증가시켰으며 상기 기준전압발생부(200)는 셀프바이어싱이 이루어지도록 하여 바이어싱을 위한 별도의 바이어스 회로를 사용하지 않는다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
통신용 IC를 이용한 셋업박스(set-up box)의 경우 베이스밴드 신호처리용칩과 고주파 및 중간주파수 신호처리회로용칩을 혼성하여 구성하였으나, 본 발명을이용하여 위상잡음이 작은 위상고정루프를 이용하여 베이스밴드 신호처리용칩과 고주파 및 중간주파수 신호처리용칩을 하나의 IC로 구현이 가능하게 됨으로 인하여 제조원가 절감 등 많은 경제적인 효과가 기대된다.

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 위상고정루프의 루프필터의 출력신호를 선형적인 전류신호로 변환하는 전압-전류 변환수단과 상기 위상고정루프의 루프필터로부터의 출력신호와 상기 전압-전류변환수단의 출력신호를 이용하여 기준전압을 발생하는 기준전압발생수단과 다수의 전압제어발진기셀을 구비한 전압조정발진기에 있어서,
    상기 기준전압발생수단은 전원전압단에 소오스단이 연결되고, 게이트단으로 연산증폭기의 출력신호로 받는 제1 앤모스트랜지스터;
    게이트단이 접지전원단과 연결되고 소오스단이 상기 제5 앤모스트랜지스터의 드레인단과 연결된 제1 피모스트랜지스터;
    전원접지단에 소오스단이 연결되고, 드레인단 및 게이트단이 상기 제1 피모스트랜지스터의 드레인단에 연결된 제2 앤모스트랜지스터;
    상기 전원접지단에 소오스단이 연결되고, 드레인단이 상기 제1 피모스트랜지스터의 드레인단에 연결되며, 게이트단으로 상기 전압-전류변환기로부터 출력신호를 받는 제3 앤모스트랜지스터; 및
    상기 위상고정루프의 루프필터 출력신호가 비반전입력단으로 입력되고 상기 제2 및 제3 앤모스트랜지스터의 공통 드레인단으로부터 반전입력단이 접속된 상기 연산증폭기
    를 구비하는 전압조정발진기.
  7. 제 6 항에서 있어서,
    상기 전압제어발진기셀은,
    상기 기준전압발생수단과 상기 전압제어발진기셀과의 전류매칭하기 위한 전류매칭 수단과 상기 전압-전류변환기의 출력신호로부터 제어받아 비반전입력신호 및 반전입력신호을 입력받아 증폭하여 정출력신호 및 부출력신호를 출력하는 증폭제어부로 구성되며,
    상기 전류매칭수단은
    전원전압단에 드레인이 연결되고, 소오스단은 증폭제어부로 연결되며, 상기 연산증폭기의 출력신호를 게이트단으로 입력 받는 제4 앤모스트랜지스터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압조정발진기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 증폭제어부는,
    상기 제4 앤모스트랜지스터의 드레인단에 소오스단이 연결되며, 드레인단으로 상기 부출력신호를 출력하며, 게이트단으로 상기 비반전입력신호를 받는 제2 피모스트랜지스터;
    상기 제4 앤모스트랜지스터의 드레인단에 소오스단이 연결되며, 드레인단으로 상기 정출력신호를 출력하며, 게이트단으로 상기 반전입력신호를 받는 제3 피모스트랜지스터;
    상기 접지전원단에 소스단이 연결되고, 상기 제2 피모스트랜지스터의 드레인단에 드레인단이 연결되며, 게이트단으로 상기 전압전류변환수단의 출력신호를 받는 제5 앤모스트랜지스터;
    상기 접지전원단에 소스단이 연결되고, 상기 제2 피모스트랜지스터의 드레인단에 드레인단이 연결되며, 게이트단이 드레인단에 연결된 제6 앤모스트랜지스터;
    상기 접지전원단에 소스단이 연결되고, 상기 제3 피모스트랜지스터의 드레인단에 드레인단이 연결되며, 게이트단이 드레인단에 연결된 제7 앤모스트랜지스터 및
    상기 접지전원단에 소스단이 연결되고, 상기 제3 피모스트랜지스터의 드레인단에 드레인단이 연결되며, 게이트단으로 상기 전압전류변환수단의 출력신호를 받는 제8 앤모스트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 전압조정발진기.
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