KR100416606B1

KR100416606B1 - 넓은 선형 전달 특성을 가지는 전압 제어 발진기

Info

Publication number: KR100416606B1
Application number: KR10-2001-0061895A
Authority: KR
Inventors: 이한일
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2001-10-08
Filing date: 2001-10-08
Publication date: 2004-02-05
Also published as: KR20030029404A

Abstract

넓은 선형 전달 특성을 가지는 전압 제어 발진기가 개시된다. 본 발명의 전압 제어 발진기는 입력되는 코아 제어 전압에 응답하여 가변되는 주파수를 가지는 출력 신호를 출력하는 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator, VCO) 코아 및 코아 제어 전압 보다 넓은 범위의 전압을 가지는 제어 전압을 수신하여 VCO 코아가 선형적으로 동작하는 범위의 전압을 가지는 코아 제어 전압을 발생하는 와이드 제어 전압 범위 회로를 구비한다. 본 발명의 VCO에 의하면, VCO 코아가 선형적으로 동작으로 전압의 범위 보다 더 넓은 전압 범위 특히, 0V에서 VDD 까지 전 범위에 걸쳐 선형 전달 특성을 가진다.

Description

넓은 선형 전달 특성을 가지는 전압 제어 발진기{Voltage controlled oscillator having wide linear transfer characteristics}

본 발명은 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator, 이하 VCO라 함)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 넓은 제어 전압 범위에서 선형적으로 동작하는 VCO에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 전압 제어 발진기(VCO)를 보여주는 블록도이다. 이를 참조하면, 종래의 VCO(10)는 VCO 코아(core)(12)를 구비한다. VCO 코아(12)로 제어 전압(VC)이 입력되며, 제어 전압(VC)의 크기에 따라 가변되는 주파수를 가지는 출력 신호(OUT)가 출력된다.

도 2a 및 도 2b는 각각 종래 기술에 따른 VCO의 전달 특성과 본 발명에 따른 VCO의 전달 특성을 보여주는 그래프이다. 도 2a를 참조하면, 종래 기술에 따른 VCO는 제어 전압(VC)의 전 범위에 걸쳐서 선형적인 전달 특성(transfer characteristic)을 가지는 것이 아니라, 제어 전압(VC)의 낮은 전압과 높은 전압 영역에서 비선형적인 전달 특성을 가진다. 종래 기술에 따른 VCO에서는 선형 특성을 가지는 제어 전압(VC)의 범위가 보통 0.4V에서 (VDD-0.4V)로 제한된다. VDD는 전원 전압이다.

본 발명의 목적은 본 발명에 따른 VCO의 전달 특성이 도 2b에 도시된 바와 같이 입력되는 전압의 전 범위, 즉 0V에서 VDD까지 선형적인 특성이 되도록 하는 것이다.

VCO가 비선형 영역에서 동작하면 동작 결과를 예측하기 어려우며 또한 수학적으로 모델링하기 힘들다. 그리고, VCO는 위상 동기 루프(Phase-locked loop, 이하 PLL이라 함)에 많이 사용되는데, 비선형 특성을 가진 VCO가 사용되는 경우 로킹(locking) 시간이 길어질 수 있다.

그러므로 모든 전압의 범위, 즉 0V에서 VDD 까지 전 범위에 걸쳐 선형 전달 특성을 가지는 VCO가 필요하다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 0V에서 VDD 까지 전 범위에 걸쳐 선형 전달 특성을 가지는 전압 제어 발진기를 제공하는 것이다.

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.

도 1은 종래 기술에 따른 전압 제어 발진기를 보여주는 블록도이다.

도 2a는 종래 기술에 따른 전압 제어 발진기의 특성을 보여주는 그래프이다.

도 2b는 본 발명에 따른 전압 제어 발진기의 특성을 보여주는 그래프이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 제어 발진기를 보여주는 블록도이다.

도 4는 도 3에 도시된 전압 제어 발진기를 좀 더 상세하게 보여주는 도면이다.도 5는 본 발명의 일 실시예에 다른 VCO 설계 방법을 보여주는 흐름도이다.

도 6a는 종래 기술에 따른 전압 제어 발진기의 특성에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.

도 6b는 본 발명에 따른 전압 제어 발진기의 특성에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 전압 제어 발진기는 입력되는 코아 제어 전압에 응답하여 가변되는 주파수를 가지는 출력 신호를 출력하는 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator, VCO) 코아; 및 상기 코아 제어 전압 보다 넓은 범위의 전압을 가지는 제어 전압을 수신하여 상기 VCO 코아가 선형적으로 동작하는 범위의 전압을 가지는 상기 코아 제어 전압을 발생하는 와이드 제어 전압 범위 회로를 구비하는 것을 특징으로 한다.

바람직하기로는, 상기 와이드 제어 전압 범위 회로는 일측은 상기 제어 전압에 접속되고 다른 일측은 제1 노드에 접속되는 제 1 저항; 및 일측은 소정의 바이어스 전압에 접속되며, 다른 일측은 상기 제 1 노드에 접속되는 제2 저항을 포함하며, 상기 제1 노드의 전압이 상기 코아 제어 전압이다.

또한 바람직하기로는, 상기 제어 전압의 최소값은 0V이고, 상기 제어 전압의 최대값은 전원 전압이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 제어 발진기를 보여주는 블록도이다. 이를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 VCO(20)는 VCO 코아(22) 및 와이드 제어 전압 범위 회로(Wide Control Voltage Range Circuit, 이하 WCVRC라 함, 24)를 구비한다.

VCO 코아(22)는 입력되는 신호인 코아 제어 전압(VC2)에 따라 주파수가 변하는 출력 신호(OUT)를 출력하는 수단으로서, 도 1에 도시된 기존의 VCO(10)에 해당된다.

WCVRC(24)는 OV에서 VDD의 범위의 전압을 가지는 제어 전압(VC)을 수신하여, VCO 코아(22)가 선형적으로 동작하는 범위의 전압을 가지는 코아 제어 전압(VC2)을 발생한다. 다시 말하면, WCVRC(24)는 전 범위를 갖는 제어 전압(VC)을 VCO 코아(22)가 선형적으로 동작할 수 있는 전압으로 적절하게 매핑(mapping)하는 수단이라고 할 수 있다.

WCVRC(24)의 상세한 구성은 도 4에 도시된다.

도 4를 참고하면, WCVRC(24)는 저항들(R1, R2)과 바이어스 전압(VB)으로 구성된다. 제1 저항(R1)은 제어 전압(VC)에 접속되고, 제2 저항(R2)은 바이어스 전압(VB)에 접속된다. 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)의 접속점인 제1 노드(N1)의 전압이 코아 제어 전압(VC2)이다. 코아 제어 전압(VC2)이 VCO 코아(22)로 입력되고, 코아 제어 전압(VC2)에 비례하여 주파수가 가변되는 출력 신호(OUT)가 출력된다.

본 발명의 VCO(20)를 사용하면, 선형 전달 특성을 가지는 제어 전압(VC)의 범위가 전 전압 범위로 확대되는 이유를 수학식으로 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 VCO의 출력 신호의 주파수(F_VCO)는 VCO의 이득(KV)과 제어 전압(VC)의 곱으로 나타내어진다.

여기서, F_VCO는 출력 신호의 주파수(F_VCO)를 나타내는 변수로서, 이하 수학식들에서도 동일하게 사용된다.

도 4에 도시된 본 발명의 VCO(20)에서 VCO 코아(22)로 입력되는 코아 제어 전압(VC2)은 다음 수학식으로 표현된다.

여기서, VC는 VCO(20)의 제어 전압이며, VC2는 VCO 코아(24)로 입력되는 코아 제어 전압이다.

VCO의 이득(KV)이 양(positive)인 경우, 제어 전압(VC)이 최소값일 때 출력신호(OUT)의 주파수(F_VCO)도 최소값이 되고, 제어 전압(VC)이 최대값일 때 출력 신호(OUT)의 주파수(F_VCO)도 최대값이 되어야 한다. 그리고, 이 구간에서는 VCO의 이득(KV)이 일정하게 되는 선형 전달 특성이 되어야 한다. 따라서, VCO의 이득(KV)은 다음 수학식을 만족하여야 한다.

여기서, C는 일정한 값을 의미한다.

도 4에 도시된 VCO(20)에서 제어 전압이 최소값(VC(MIN)))일 때 코아 제어 전압도 최소값(VC2(MIN))이 되고 제어 전압이 최대값(VC(MAX))일 때 코아 제어 전압도 최대값(VC2(MAX))이 되므로, 수학식 2를 이용하면 코아 제어 전압의 최소값(VC2(MIN))과 최대값(VC2(MAX))은 다음 수학식들과 같이 표현된다.

여기서, VC2(MIN) 및 VC2(MAX)를 정하기 위해서는 먼저 VCO 코아(22)가 선형 전달 특성을 가지는 전압의 범위, 즉 선형 전압 범위(VC2'(MIN) ~ VC2'(MAX))안에 코아 제어 전압의 최소값(VC2(MIN))과 최대값(VC2(MAX))이 여유분(margin)을 가지면서 들어가도록 제1 및 제2 저항(R1, R2), 바이어스 전압(VB)을 선택하여 설계하여야 한다. 즉, 다음 수학식들의 조건을 만족하여야 한다.

수학식 4와 수학식 5의 차를 이용하여 VCO의 이득(KV)을 수학식들로 나타내면 다음과 같다.

본 발명의 VCO(20)로 입력되는 제어 전압(VC)의 전 범위가 VCO 코아(22)의 선형 동작 영역에 속하는 코아 제어 전압(VC2)으로 변환되기 위해서는, 상기의 수학식들을 만족하여야 한다.

상기의 수학식들을 만족하는 본 발명의 일 실시예에 따른 VCO(20)의 설계 방법을 도 5를 같이 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 VCO 코아(22)를 설계한다(310). 이 단계(310)에서는 최종 설계된 VCO(20)가 만족해야 할 VCO의 이득(KV), 출력 신호의 주파수(F_VCO) 범위 등의 주어진 조건이 고려되어야 한다. 이 단계(310)에서 먼저, 주어진 출력 신호의 주파수(F_VCO) 범위를 포함하도록 VCO 코아(22)가 선형 전달 특성을 가지는 주파수의 범위, 즉 선형 주파수 범위(F_VCO'(MIN)~F_VCO'(MAX))를 정한다(312).

선형 주파수 범위(F_VCO'(MIN)~F_VCO'(MAX))가 결정되면, 선형 전압 범위(VC2'(MIN)~VC2'(MAX))도 따라서 결정된다(314). 그리고, 수학식 10에 의하여 VCO 코아(22)의 이득(KV')이 정해진다(314). VCO 코아(22)를 직접 설계하지 않고 주어진 조건들을 만족하는 범용 VCO 코아 칩이 있으면 이를 이용할 수도 있다.

다음으로, 수학식 6 및 수학식 7을 만족하도록 코아 제어 전압의 최소값(VC2(MIN))과 최대값(VC2(MAX))을 적절히 선택한다. 즉, VCO 코아(22)의 선형 전압 범위(VC2'(MIN)~ VC2'(MAX)) 내에 속하도록 코아 제어 전압의 최소값(VC2(MIN))과 최대값(VC2(MAX))을 결정한다(320).

그 다음으로, 수학식 8을 이용하여 제1 및 제 2 저항(R1, R2)을 결정한다(330). 이 단계(330)에서는 단계 (314)에서 구한 VCO 코아의 이득(KV')을 수학식 8에 대입하여 주어진 VCO 이득(KV)을 만족하는 R2/(R1+R2) 비를 구하고, 이 비를 만족하도록 하는 제1 및 제2 저항(R1, R2)의 값을 적절하게 선택한다.

그리고 마지막으로, 바이어스 전압(VB)을 결정한다(340). 이 단계(340)에서는 수학식 4와 수학식 5가 이용된다. 제어 전압의 최소값(VC(MIN)), 코아 제어 전압의 최소값(VC2(MIN)), 제1 및 제2 저항값(R1,R2)을 수학식 4에 대입하면 바이어스 전압(VB)을 구할 수 있다. 그리고, 제어 전압의 최대값(VC(MAX)), 코아 제어 전압의 최대값(VC2(MAX)), 제1 및 제2 저항값(R1,R2)을 수학식 5에 대입하면 다른 바이어스 전압(VB)을 구할 수 있다. 구해진 바이어스 전압 사이의 적절한 값으로 바이어스 전압(VB)을 최종적으로 결정하면 된다.

본 발명에 따른 VCO 설계 과정을 좀 더 상세히 설명하기 위하여 소정의 VCO 조건이 주어졌을 때 제1 저항(R1), 제2 저항(R2) 및 바이어스 저항(VB)을 실제 설계한 예를 기술한다.

먼저, 본 발명에 따른 VCO(20)가 만족해야 하는 조건은 다음과 같다.

VCO 이득(KV)은 30MHz/V, 출력신호의 주파수(F_VCO) 범위는 78MHz ~ 91MHz, 제어 전압의 최소값(VC(MIN))은 그라운드(ground, 즉 0V)이고 최대값(VC(MAX))은 VDD(여기서는 2.6V임)이다.

위의 조건들을 고려한 VCO 코아(22)의 설계 결과는 다음과 같다.

VCO 코아(22)의 선형 주파수 범위(F_VCO'(MIN)~F_VCO'(MAX))는 주어진 출력신호의 주파수(F_VCO) 범위(78MHz ~ 91MHz)를 충분히 포함하도록 40MHz ~ 134MHz로 결정하였다. VCO 코아(22)의 선형 주파수 범위(F_VCO'(MIN)~F_VCO'(MAX))가 40MHz ~ 134MHz로 결정됨에 따라, VCO 코아(22)의 선형 전압 범위(VC2'(MIN) ~ VC2'(MAX))는 0.8V ~ 1.2V로 결정되었다. 따라서, VCO 코아의 이득(KV')은 (134MHz - 40MHz)/(1.2V - 0.8V)로서 235MHz/V로 정해졌다.

제1 및 제2 저항(R1,R2)값은 다음과 같이 결정되었다.

수학식 8에 위의 VCO 코아(22)의 설계 결과와 주어진 조건을 넣으면,R2/(R1+R2)의 비가 구해진다. 이를 이용하여 제1 및 제2 저항(R1,R2)을 적절히 결정하는데, 여기서는 먼저 R2를 흔하게 구할 수 있는 5kΩ저항으로 결정하였다. 따라서, R1은 34.167kΩ이다.

바이어스 전압(VB)은 다음과 같이 결정되었다.

제어 전압의 최소값(VC(MIN))으로서 0V, 코아 제어 전압의 최소값(VC2(MIN))으로서 0.8V, 그리고 상기의 제1 및 제2 저항값(34.167kΩ, 5kΩ)을 수학식 4에 대입하여 0.917V의 바이어스 전압(VB)을 구하였다. 그리고, 제어 전압의 최대값(VC(MAX))으로서 VDD(2.6V), 코아 제어 전압의 최대값(VC2(MAX))으로서 1.2V, 그리고 상기의 제1 및 제2 저항값(34.167kΩ, 5kΩ)을 수학식 5에 대입하면 0.995V의 바이어스 전압(VB)을 구하였다. 구해진 바이어스 전압 사이의 적절한 값, 여기서는 0.93V로 바이어스 전압(VB)을 최종적으로 결정하였다.

도 6a는 종래 기술에 따른 전압 제어 발진기의 전달 특성에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다. 그리고, 도 6b는 본 발명에 따른 전압 제어 발진기의 전달 특성에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프로서, 상술한 본 발명에 따른 VCO의 실제 설계예의 결과를 적용하여 시뮬레이션한 결과이다.

도 6a를 참조하면, 종래 기술에 의한 VCO의 전달 특성은 낮은 제어 전압 영역(대략 0V~0.8V 사이)과 높은 제어 전압 영역(대략 1.2V ~ 2.6V 사이)에서 비선형 전달 특성을 가진다. 반면, 도 6b를 참조하면, 본 발명에 따른 VCO의 전달 특성은 제어 전압(VC)의 전 범위(0V~ 2.6V)에 걸쳐 VCO 출력 신호의 주파수(F_VCO)가 선형적으로 증가하는 선형 전달 특성을 가진다. 그리고, 본 발명에 따른 VCO의 이득은 제어 전압(VC)의 전 범위(0V~ 2.6V)에 걸쳐 30MHz/V가 됨을 도 6b를 통해 확인할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 VCO는 VCO 코아가 비선형 전달 특성을 가지더라도 항상 선형 전달 영역에서 동작하도록 한다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

본 발명의 VCO는 VCO의 제어 전압으로 입력되는 모든 전압의 범위, 즉 0V에서 VDD 까지 전 범위에 걸쳐 선형 전달 특성을 가진다.

따라서, 본 발명에 의하면, VCO의 동작 특성을 예측하기가 쉬우며, 또한 수학적으로 모델링하기 쉬운 효과가 있다. 그리고, 본 발명의 VCO를 PLL에 적용하면, 동작 초기에 VCO의 비선형 영역에서 동작함으로 인한 로킹(locking) 시간의 손실을 줄여 로킹(locking) 시간을 짧게 하는 효과가 있다.

Claims

입력되는 코아 제어 전압에 응답하여 가변되는 주파수를 가지는 출력 신호를 출력하는 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator, VCO) 코아; 및

상기 코아 제어 전압 보다 넓은 범위의 전압을 가지는 제어 전압을 수신하여 상기 VCO 코아가 선형적으로 동작하는 범위의 전압을 가지는 상기 코아 제어 전압을 발생하는 와이드 제어 전압 범위 회로를 구비하고,

상기 와이드 제어 전압 범위 회로는 일측은 상기 제어 전압에 접속되고 다른 일측은 제1 노드에 접속되는 제 1 저항; 및 일측은 소정의 바이어스 전압에 접속되며, 다른 일측은 상기 제 1 노드에 접속되는 제2 저항을 포함하고, 상기 제1 노드의 전압이 상기 코아 제어 전압이며,

상기 코아 제어 전압의 최소값은 상기 VCO 코아가 선형적으로 동작하는 전압 범위의 최소값보다 크거나 같고, 상기 코아 제어 전압의 최대값은 상기 VCO 코아가 선형적으로 동작하는 전압 범위의 최대값보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
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제 1항에 있어서, 상기 제 1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)은

다음 수학식을 만족하도록 정해지는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.

(여기서, KV는 상기 VCO의 이득이고, KV'는 상기 VCO 코아의 이득이다.)
제 4항에 있어서, 상기 바이어스 전압은

다음 수학식들을 각각 만족하는 상기 바이어스 값들 사이의 어느 하나의 값으로 정해지는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.

(여기서, VB는 상기 바이어스 전압, R1은 상기 제1 저항값, R2는 상기 제2 저항값, VC(MIN)은 상기 제어 전압의 최소값, VC(MAX)는 상기 제어 전압의 최대값, VC2(MIN)은 상기 코아 제어 전압의 최소값 그리고 VC2(MAX)는 코아 제어 전압의 최대값이다.)
제 1항에 있어서,

상기 제어 전압의 최소값은 0V이고, 상기 제어 전압의 최대값은 전원 전압인 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
제 6항에 있어서, 상기 전원 전압은

2.6V인 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.