KR100425991B1 - 주파수 변환형 발진기 및 그를 이용한 전자 장치 - Google Patents

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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명은 발진 주파수의 변환폭이 큰 경우에도 부품의 개수를 증가시킬 필요 없이 발진 조건을 만족시키는 주파수 변환형 발진기를 제공한다. 공진 시스템의 임피던스는 둘 이상의 발진 주파수에서 발진 조건을 만족시킨다. 변환 부재를 증폭 시스템에 형성하고, 증폭 시스템의 임피던스를 바꿔 발진 주파수를 변환시킨다. 공진 시스템이 변환 부재를 필요로 하지 않기 때문에, 공진 시스템에서의 변환 부재에 의한 손실이 없으며, 따라서 출력 레벨이 저하되지 않고, 캐리어/노이즈 비율도 열화되지 않는다. 또한, 공진 시스템에 변환 부재를 형성하지 않았기 때문에, 부품의 개수를 삭감할 수 있으므로, 소형화 및 저비용화가 가능해진다.

Description

주파수 변환형 발진기 및 그를 이용한 전자 장치{Frequency-switching oscillator and electronic device using the same}
본 발명은, 주파수 변환형 발진기 및 그를 이용한 전자 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 공진 시스템 또는 증폭 시스템의 피드백 용량을 변환함으로써 발진 주파수를 변환하는 주파수 변환형 발진기, 및 그를 이용한 전자 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 발진기는 공진 시스템과 증폭 시스템을 가지며, 발진기가 발진하기 위해서는 공진 시스템와 증폭 시스템 사이의 관계가 발진 조건을 만족하여야 한다. 발진 조건은, 증폭 시스템의 임피던스가 공진 시스템의 임피던스의 손실을 보상하는 부성 저항을 갖는 것이다. 또한, 공진 시스템의 임피던스의 허부 및 증폭 시스템의 임피던스의 허부는, 부호를 역으로 가지며 절대값이 동일해야 한다. 게다가, 이하의 설명에서 이용하는 콜핏츠(Colpitts)형의 발진기에서, 공진 시스템의 임피던스가 유도성을 가지는 것이 발진 조건이 된다.
도 8은 공진 시스템 및 증폭 시스템의 임피던스의 주파수 특성을 나타내는 스미스차트이다. 원의 윗쪽 절반은 임피던스가 유도성임을 나타내고, 원의 아래쪽 절반은 임피던스가 용량성임을 나타내고 있다. 원의 내부는 임피던스가 저항임을 나타내고, 원의 외부는 임피던스가 부성 저항임을 나타내고 있다. 그리고, 원의 오른쪽 단부에 위치한 임피던스가 매우 큰 점을 공진점이라 부른다. 임피던스의 위상(θ)은 원의 오른쪽 단부에서 왼쪽으로 돌아 0도에서 360도까지를 나타내고 있다. 도 8에서, 실선은 임피던스의 주파수 특성을 나타낸다. 실선상의 임의의 주파수에서의 임피던스로부터 오른쪽으로 돌아 이동하면, 보다 높은 주파수에서의 임피던스가 된다. 예를 들면, 주파수(fa)보다 주파수(fb)의 주파수가 높다. 또한, 주파수(fa)와 주파수(fb)에서 임피던스는 저항이고, 주파수(fc)에서 임피던스는 부성 저항이다. 더욱이, 주파수(fa)와 주파수(fb)에서 임피던스의 위상차는 약 340도이다. 위상차와 공진점의 예로서, 스미스차트에서, 실선상의 주파수에서의 임피던스와, 그 임피던스로부터 오른쪽을 돌아 2회 이동한 주파수에서의 임피던스간의 위상차는 720도이고, 그 때, 공진점을 2회 통과하게 된다.
주파수 변환형 발진기란, 둘 이상의 발진 주파수 신호를 출력하는 발진기로서, 서로 다른 각 발진 주파수에서의 발진 조건을 만족해야 한다. 종래의 주파수 변환형 발진기는, 공진 시스템에 변환 수단으로서 스위치 소자를 포함하며, 스위치 소자의 상태를 변환시킴으로써, 서로 다른 각 주파수에서의 발진 조건을 만족시키고, 둘 이상의 발진 주파수를 출력하고 있다.
도 9는 종래의 주파수 변환형 발진기(11)를 도시한다. 도 9에 도시한 주파수 변환형 발진기(11)의 기본적인 컨셉은 일본국 특허공개공보 9-307354호에 개시되어 있다.
도 9에서 주파수 변환형 발진기(11)는, 발진 주파수가 f11, f12인 콜핏츠 발진기이며, 접속되어 있는 공진 시스템(12)과 증폭 시스템(13)을 포함한다.
먼저, 공진 시스템(12)은 코일(L12), 코일(L13), 코일(L14), 다이오드(D11), 커패시터(C13) 및 변환 전압 입력 단자(a15)를 가진다. 이들 요소는 공진 시스템의 임피던스를 결정하는데 중요하다. 코일(L12)의 한 단은 공진 출력 단자(a12)를 통해 증폭 시스템(13)에 접속되고, 다른 단은 다이오드(D11)의 애노드와 코일(L14)의 한 단에 접속된다. 코일(L14)의 다른 단은 변환 전압 입력 단자(a15)에 접속되고, 더욱이 커패시터(C13)를 통해 접지된다. 다이오드(D11)의 캐소드는 코일(L13)을 통해 접지된다.
그리고, 변환 전압을 변환 전압 입력 단자(a15)에 인가할 때, 다이오드(D11)는 도통상태가 되어, 코일(L12)과 코일(L13)에 의해 종단이 접지된 공진기로서 동작하고; 변환 전압이 인가되지 않을 때, 다이오드(D11)는 비도통 상태가 되어, 코일(L12)에 의해 종단이 개방된 발진기로서 동작한다. 여기서, 코일(L14)은 쵸크코일이며, C13은 접지 커패시터이다.
주파수 변환형 발진기(11)는, 전압 제어 발진기이며, 코일(L11), 커패시터(C11), 커패시터(C12), 가변 용량 다이오드(VD11) 및 제어 전압 입력 단자(a11)를 가지며, 이들은 모두 전압 제어 부분에 상당한다. 가변 용량 다이오드(VD11)의 용량값은, 쵸크코일인 코일(L11)을 통해 제어 전압 입력 단자(a11)로부터 입력된 제어 전압에 의해 조정된다. 이 가변 용량 다이오드(VD11)는 커패시터(C12)를 사이에 두고 코일(L12)의 한 단에 접속된다.
이와 같은 주파수 변환형 발진기(11)의 공진 시스템(12)의 임피던스는, 주파수 변환형 발진기(11)를 공진 시스템(12)과 증폭 시스템(13)으로 나누었을 때, 공진 시스템(12)의 공진 출력 단자(a12)로부터 본 임피던스이다.
도 10a 및 도 10b는, 스미스차트를 이용하여, 공진 시스템(12)의 임피던스의 주파수 특성을 나타낸다. 도 10a는 다이오드(D11)가 도통 상태일 때의 임피던스를 나타내고, 도 10b는 다이오드(D11)가 비도통 상태일 때의 임피던스를 나타낸다. 또한, 발진 주파수(f11, f12)에서의 임피던스는 참조 번호 f11, f12로 나타낸다.
도 10a 및 도 10b로 나타내는 바와 같이, 변환 전압 입력 단자(a15)에 변환 전압을 인가한 결과, 다이오드(D11)를 도통 또는 비도통 상태로 하면, 공진 시스템(12)의 임피던스는 크게 변화한다. 도 10a는 변환 전압을 변환 전압 입력 단자(a15)에 인가한 경우를 나타내고, 공진 시스템(12)의 임피던스는 f11, f12에서 유도성이다. 그리고, 도 10b는 변환 전압을 인가하지 않은 경우를 나타내며, 따라서 공진 시스템(12)의 임피던스는 f11에서 용량성이고, f12에서는 유도성이다.
또한, 도 9에서, 증폭 시스템(13)에서 트랜지스터(TR11)는 증폭 소자이다. 트랜지스터(TR11)의 콜렉터는, 전원 입력 단자(a14), 커패시터(C19)의 한 단 및 커패시터(C17)의 한 단에 접속되어 있으며, 또한 커패시터(C14)를 통해 공진 시스템(12)에 접속되어 있다. 트랜지스터(TR11)의 베이스는, 커패시터(C17)의 다른 단에 접속되고, 커패시터(C15)를 통해 접지된다. 더욱이 저항(R11)과 저항(R12)에 의해 전압 분할된 전원 전압이 트랜지스터(TR11)의 베이스에 입력되어 있다. 트랜지스터(TR11)의 에미터는, 커패시터(C19)의 다른 단에 접속되며, 커패시터(C16) 및 저항(R13)을 통하여 접지되며, 커패시터(C18)를 통하여 발진 출력 단자(a16)에 접속되어 있다. 따라서, 증폭 시스템(13)은 변환 수단을 가지고 있지 않고, 증폭 시스템(13)의 임피던스의 주파수 특성은 변환되지 않는다.
증폭 시스템(13)의 임피던스는, 주파수 변환형 발진기(11)를 공진 시스템(12)과 증폭 시스템(13)으로 분리할 때, 발진 입력 단자(a13)에서 본 임피던스이다. 도 11은 증폭 시스템(13)의 임피던스를 나타내며, 발진 주파수(f11, f12)에서의 임피던스를 참조 번호 f11, f12로 나타낸다. 도 11에서, 발진 주파수(f11, f12)에서, 증폭 시스템(13)의 임피던스는 부성 저항이 되어 있다.
여기서, 공진 시스템(12)과 증폭 시스템(13)의 임피던스로부터 다음의 사실을 알 수 있다. 먼저, 도 10a에 도시한 발진 주파수(f11, f12)에서, 임피던스는 유도성이며, 발진 조건을 만족시킨다. 또한, 도 11에 도시한 발진 주파수(f11, f12)에서의 임피던스는, 도 10a에 도시한 발진 주파수(f11, f12)에서의 임피던스를 보충하기 위해 충분한 부성 저항을 가짐으로써, 발진 조건을 만족한다. 증폭 시스템에서, 도 11의 발진 주파수(f11)에서의 임피던스는 발진 조건을 만족하기 위한 충분한 부성 저항을 가진다. 그러나, 도 11의 발진 주파수(f12)에서의 임피던스는 충분한 부성 저항을 가지지 않으므로, 발진 조건을 만족하지 못한다. 이런 이유로, 다이오드(D11)가 도통 상태일 때, 즉, 변환 전압이 인가될 때, 발진 주파수(f11)에서만 발진 조건을 만족시킨다.
도 10b에 도시한 발진 주파수(f11)에서의 임피던스는 용량성이며, 발진 조건을 만족시키지 않는다. 반대로, 발진 주파수(f12)에서의 임피던스는 유도성이며 발진 조건을 만족시킨다. 다음으로, 도 11에 도시한 발진 주파수(f12)에서의 임피던스는, 도 10b에 도시한 발진 주파수(f12)에서의 임피던스를 보충하기 위해 충분한 부성 저항을 가지며, 발진 조건을 만족시킨다. 이런 이유로, 다이오드(D11)가 비도통 상태일 때, 발진 주파수(f12)에서만 발진 조건을 만족시킨다.
따라서, 변환 전압이 변환 전압 입력 단자(a15)에 인가되는 경우, 주파수 변환형 발진기(11)의 발진 신호(s11)는 발진 주파수(f11)가 된다. 변환 전압이 변환 전압 입력 단자(a15)에 인가되지 않는 경우, 발진 신호(s11)는 발진 주파수(f12)로 변환된다.
종래의 주파수 변환형 발진기(11)에 따르면, 다이오드(D11)의 내부 저항에 따른 손실이 공진 시스템(12)의 손실을 증가시키고, 이는 출력 레벨이 저하, 오류율의 악화 등과 같은 문제점을 초래하게 된다.
또한, 종래의 주파수 변환형 발진기(11)에 따르면, 발진 주파수(f11)와 발진 주파수(f12)의 변환폭을 넓히고 싶은 경우, 공진 시스템(12)에 형성한 변환 수단(D11)에 의해 발진 조건을 만족하도록 설계하는 것은 가능하다. 그러나, 증폭 시스템(13)에는 다이오드가 형성되어 있지 않기 때문에, 증폭 시스템(13)의 임피던스가 충분히 큰 부성 저항을 가지는 주파수의 범위가 좁아, 증폭 시스템(13)이 발진 조건을 만족시키지 못하게 한다. 그 결과, 공진 시스템(12)에만 변환 수단(D12)을 형성한 종래의 주파수 변환형 발진기(11)는, 발진 주파수(f11, f12) 사이의 변환폭이 커지도록 설계하는 것이 곤란하다는 문제가 있었다. 특히, 주파수 변환폭이 500㎒를 초과하는 경우에는, 발진 조건을 만족하는 것이 매우 곤란해진다는 문제가 있었다. 또한, 공진 시스템(12)에 변환 수단(D11)을 형성함과 동시에, 증폭 시스템(13)에 변환 수단이 형성되는 경우, 발진 주파수(f11, f12) 사이의 변환폭을 증가시킬 수 있다. 그러나, 그렇게 하면, 부품 개수가 증가되고, 소형화 또는 저비용화를 달성할 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은, 변환 수단에 의한 공진 시스템의 손실을 없애고, 출력 레벨이 저하되거나, 캐리어/노이즈 비율의 악화를 가져오지 않는 주파수 변환형 발진기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
더욱이, 본 발명의 목적은, 부품 개수를 증가시키지 않고, 발진 주파수의 변환폭을 크게하는 것이 용이하며, 아울러 소형화, 저비용화를 도모할 수 있는 주파수 변환형 발진기를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 주파수 변환폭이 500㎒ 이상이 된 경우에도, 발진 조건을 용이하게 만족시킬 수 있는 주파수 변환형발진기를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 주파수 변환형 발진기의 제 1 구현예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 주파수 변환형 발진기의 공진 시스템의 구체적인 예를 나타내는 도이다.
도 3은 도 1의 주파수 변환형 발진기의 증폭 시스템의 구체적인 예를 나타내는 도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 주파수 변환형 발진기의 공진 시스템의 임피던스를 나타내는 스미스차트(Smith chart)로써, 도 4a는 점 a2에서의 임피던스, 도 4b는 점 a2'에서의 임피던스를 나타낸다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 주파수 변환형 발진기의 증폭 시스템의 임피던스를 나타내는 스미스차트로써, 도 5a는 다이오드(D1)가 도통 상태일 때의 임피던스, 도 5b는 다이오드(D1)가 비도통 상태일 때의 임피던스를 나타낸다.
도 6은 도 1의 주파수 변환형 발진기의 구체적인 예를 나타내는 회로도이다.
도 7은 본 발명의 전자 장치의 한 구현예를 나타내는 블록도이다.
도 8은 주파수 변환형 발진기의 공진 시스템 및 증폭 시스템의 임피던스를나타내는 스미스차트이다.
도 9는 종래의 주파수 변환형 발진기를 나타내는 회로도이다.
도 10a 및 도 10b는 도 9의 주파수 변환형 발진기의 공진 시스템의 임피던스를 나타내는 스미스차트로써, 도 10a는 다이오드(D11)가 도통 상태일 때의 임피던스, 도 10b는 다이오드(D11)가 비도통 상태일 때의 임피던스를 나타낸다.
도 11은 도 9의 주파수 변환형 발진기의 증폭 시스템의 임피던스를 나타내는 스미스차트이다.
*도면의 주요 부분을 나타내는 부호의 설명*
1 : 주파수 변환형 발진기 20 : 통신 장치
2 : 공진 시스템 3 : 증폭 시스템
4 : 공진회로 5 : 이상회로(phase shift circuit)
C1 : 커패시터 D1 : 다이오드
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 주파수 변화형 발진기는, 공진 시스템과 증폭 시스템을 가지며, 2개 이상의 발진 주파수를 변환하여 출력하는 주파수 변환형 발진기로서, 상기 증폭 시스템은 변환 수단을 가진다. 상기 변환 부재는, 어느 하나의 발진 주파수에 대해 상기 증폭 시스템의 임피던스가 발진 조건을 만족시키고, 다른 발진 주파수에 대해 상기 증폭 시스템의 임피던스가 발진 조건을 만족하지 않도록, 상기 증폭 시스템의 임피던스를 변환함으로써, 2개 이상의 발진 주파수를 변환시킨다.
변환 부재는 증폭 시스템의 피드백 용량의 값을 변화시키고, 증폭 시스템의 임피던스의 부성 저항의 주파수 특성을 변화시키는 것을 특징으로 한다.
주파수 변환형 발진기는 상기 증폭 시스템의 임피던스만을 변환시킴으로써, 2개 이상의 발진 주파수를 변환하여 출력하는 것을 특징으로 한다.
공진 시스템의 임피던스는 두 개 이상의 발진 주파수를 발진시키는 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.
공진 시스템은, 어느 하나의 발진 주파수에서의 공진 시스템의 임피던스의 위상과, 다른 발진 주파수에서의 공진 시스템의 임피던스의 위상 사이에 공진점을 가지는 것을 특징으로 한다.
공진 시스템은, 어느 하나의 발진 주파수에 대한 상기 공진 시스템의 임피던스의 위상과, 다른 발진 주파수에 대한 공진 시스템의 임피던스의 위상의 차를 결정하는 이상회로를 가지는 것을 특징으로 한다.
공진 시스템은 공진회로를 가지며, 이상회로는 코일과 2개의 커패시터를 가진다. 상기 코일의 한 단은 공진 회로에 접속되고, 상기 커패시터의 한쪽을 통해 접지된다. 상기 코일의 다른 단은 상기 증폭 시스템에 접속되고, 상기 커패시터의 다른쪽을 통해 접지된다.
공진 시스템은, 공진 출력 단자를 가지며, 상기 증폭 시스템은, 발진 입력 단자, 변환 전압 입력 단자 및 발진 출력 단자를 가진다. 상기 발진 입력 단자는 상기 공진 출력 단자에 접속하고, 상기 변환 전압 입력 단자에 변환 전압이 입력되고, 상기 발진 출력 단자로부터는, 2개 이상의 발진 주파수를 가지는 발진 신호가 출력된다. 상기 변환 부재는, 변환 전압 입력 단자에 접속되고, 상기 변환 전압에 의해 상기 증폭 시스템의 임피던스를 변환시키는 것을 특징으로 한다.
상기 증폭 시스템은 증폭 소자와 용량 부재를 가지며, 상기 증폭 소자는, 제 1 단자, 제 2 단자 및 제 3 단자를 가진다. 제 1 단자는 고주파에서 접지되고, 제 2 단자는 공진 시스템에 접속하고, 제 3 단자와 제 2 단자의 사이에는 용량 부재와 변환 부재가 직렬로 접속되는 것을 특징으로 한다.
상기 용량 부재는 커패시터이고, 상기 변환 부재는 다이오드이고, 커패시터의 한 단은 제 2 단자에 접속되고, 커패시터의 다른 단은 다이오드의 한 단에 접속되고, 다이오드의 다른 단은 제 3 단자에 접속되고, 변환 전압 입력 단자는 다이오드의 한 단에 접속되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 전자 장치는, 상술한 주파수 변환형 발진기를 이용하는 것을 특징으로 한다.
상술한 구성에 따르면, 본 발명의 주파수 변환형 발진기는 증폭 시스템에만 변환 부재를 포함하기 때문에, 공진 시스템에서 변환 부재에 의한 손실이 없다. 따라서, 출력 레벨은 저하되지 않고, 캐리어/노이즈 비율이 좋다.
또한, 본 발명의 주파수 변환형 발진기는, 각각의 발진 주파수에서의 공진 시스템의 임피던스의 위상에 큰 차가 있기 때문에, 발진 신호의 캐리어/노이즈 비율이 좋다.
또한, 본 발명의 주파수 변환형 발진기에 따르면, 각각의 발진 주파수에서의 공진 시스템의 임피던스 사이의 위상에 큰 차이가 있다. 결과적으로, 증폭 시스템에 변환 부재가 형성되기 때문에, 발진 주파수의 변환폭이 넓은 경우에도, 발진 조건을 용이하게 만족할 수 있다.
또한, 본 발명의 주파수 변환형 발진기는, 발진 주파수의 변환폭이 넓은 경우에도, 공진 시스템에 다이오드를 형성하고 있지 않기 때문에, 부품 개수의 삭감을 도모할 수 있고, 소형화 및 저비용화가 가능해진다.
또한, 본 발명의 주파수 변환형 발진기는, 두 개 이상의 발진 주파수에서, 공진 시스템의 임피던스가 발진 조건을 만족하기 때문에, 공진 시스템에 변환 부재를 형성할 필요가 없다. 그 결과, 부품 개수를 삭감할 수 있고, 소형화 및 저비용화가 가능해진다.
또한, 공진 시스템에 이상회로를 형성함으로써, 공진 시스템의 임피던스들의 위상 차이를 크게 증가시킬 수 있다. 그 결과, 용이하게 발진 조건을 만족시킬 수있고, 캐리어/노이즈 비율을 개선할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 전자 장치는, 출력 레벨이 저하되지 않고, 캐리어/노이즈 비율이 좋고, 소형화 및 저비용화가 도모되는 주파수 변환형 발진기를 이용하기 때문에, 결과적으로 전자 장치는 제품의 소형화, 저비용화를 도모할 수 있고, 입출력 특성도 좋은 이점을 가진다.
도 1은 본 발명의 제 1 구현예에 따른 주파수 변환형 발진기를 도시한다. 도 1에서, 주파수 변환형 발진기(1)는 공진 시스템(2)과 증폭 시스템(3)을 갖는다. 공진 시스템(2)은 공진 출력 단자(a2)를 가지며, 증폭 시스템(3)은, 발진 입력 단자(a3), 변환 전압 입력 단자(a5) 및 발진 출력 단자(a6)를 가진다. 그리고, 공진 출력 단자(a2)와 발진 입력 단자(a3)는 접속된다.
상술한 주파수 변환형 발진기(1)는, 발진 주파수 f1 또는 f2에서, 발진 출력 단자(a6)에서 발진 신호(s1)를 출력하기 위해, 공진 시스템(2)과 증폭 시스템(3)이 복수의 주파수에서 발진 조건을 만족하는 구조를 가지는 것이 요구된다.
도 2를 참조하여, 주파수 변환형 발진기(1)의 공진 시스템(2)의 내부 구성의 구체적인 예를 설명하고, 도 4a 및 도 4b를 참조하여, 공진 출력 단자(a2)로부터 본 공진 시스템(2)의 임피던스를 설명한다. 도 2에서, 도 1과 동일 혹은 동등한 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 그 설명은 생략하였다. 또한, 도 4a 및 도 4b에 도시한 참조 번호(f1, f2)는 각각 발진 주파수(f1, f2)에서의 임피던스를 나타낸다. 본 발명은 발진 주파수(f1, f2)에서의 발진에 대해 상술하였지만, 본 발명은 둘 이상의 발진 주파수에서 발진하도록 형성할 수 있는 것이 중시된다. 즉, 본 발명은 복수의 발진 주파수에서 발진할 수 있다.
도 2에서, 공진 시스템(2)은 공진회로(4)와 이상회로(5)를 가지며, 이상회로(5)는 커패시터(C2), 코일(L1) 및 커패시터(C3)를 갖는다. 코일(L1)의 한 단은 공진회로(4)에 접속되고, 다른 단은 공진 출력 단자(a2)에 접속된다. 각 커패시터(C2)와 커패시터(C3)의 한 단은 접지된다. 커패시터(C2)와 커패시터(C3)의 다른 단은 코일(L1)의 각각의 양단에 접속된다. 또한, 공진 시스템(2)의 임피던스는 도 4a에 나타낸다. 도 4a에서, 발진 주파수(f1, f2)에서의 임피던스는 유도성이며, 예를 들면 콜핏츠 발진기의 인덕턴스 소자로서 이용할 수 있다. 게다가, 발진 주파수(f1, f2)에서의 임피던스는 큰 위상의 차를 가지고 있다. 또한, 각 임피던스의 사이에는 공진점이 하나 존재한다.
여기서, 도 4b는 공진 시스템(2)으로부터 이상회로(5)를 제거하였을 때, 단자(a2)로부터 본 임피던스를 나타낸다. 도 4b에서, 발진 주파수(f2)에서의 임피던스는 용량성 임피던스이며, 콜핏츠 발진기의 발진 조건을 만족하지 않는다. 따라서, 도 4 에서, 공진 시스템(2)에 이상회로(5)를 형성함으로써, 임피던스간의 위상의 차가 커지고, 동시에 발진 조건을 만족한다. 도 4b에 도시한 공진 시스템(2)으로부터 이상회로(5)를 제거했을 때, 단자(a2)에서 본 임피던스가 발진 조건을 만족하고 있는 경우, 이상회로(5)를 형성할 필요가 없다.
다음으로, 주파수 변환형 발진기(1)의 증폭 시스템(3)의 내부 구성의 구체적인 예를 도 3을 참조하여 설명하고, 발진 입력 단자(a3)에서 본 증폭 시스템(3)의 임피던스를 도 5a 및 도 5b를 이용하여 설명한다. 도 3에서, 도 1과 동일 혹은 동등한 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다. 또한, 도 5a 및 도 5b에 도시한 참조 부호 f1, f2는 발진 주파수(f1, f2)에서의 임피던스이다.
도 3에서, 증폭 시스템(3)은 커패시터(C1)를 포함하는 용량 부재를 가지며, 변환 부재는 다이오드(D1)를 포함한다. 그리고, 다이오드(D1)의 캐소드, 커패시터(C1)의 한 단 및 변환 전압 입력 단자(a5)의 한 단은 각각 접속되어 있다. 변환 전압 입력 단자(a5)에 변환 전압이 인가되지 않을 때, 다이오드(D1)는 도통 상태가 되고, 변환 전압 입력 단자(a5)에 변환 전압이 인가될 때 다이오드(D1)는 비도통 상태가 된다. 또한, 도 5a 및 도 5b는 증폭 시스템(3)의 임피던스를 나타낸다. 도 5a는 변환 전압 입력 단자(a5)에 변환 전압이 인가되지 않을 때, 즉 다이오드(D1)가 도통 상태일 때의 임피던스이고, 도 5b는 변환 전압 입력 단자(a5)에 변환 전압을 인가했을 때, 즉 다이오드(D1)가 비도통 상태일 때의 임피던스이다.
변환 전압 입력 단자(a5)에 변환 전압을 인가하지 않는 경우, 도 5a의 발진 주파수(f1)에서는, 도 4a에 도시한 공진 시스템(2)의 임피던스를 보충하기 위해 충분한 부성 저항을 가지며, 도 5a의 발진 주파수(f2)에서는, 도 4a에 도시한 공진 시스템(2)의 임피던스를 보충하기 위해 충분한 부성 저항을 가지지 않는다. 따라서, 주파수 변환형 발진기(1)는, 발진 주파수(f1)에서는 발진 조건을 만족하지만, 발진 주파수(f2)에서는 발진 조건을 만족하지 않는다.
한편, 변환 전압 입력 단자(a5)에 변환 전압을 인가하는 경우, 도 5b의 발진 주파수(f1)에서는, 도 4a에 도시한 공진 시스템(2)의 임피던스를 보충하기 위해 충분한 부성 저항을 가지지 않지만, 도 5b의 발진 주파수(f2)에서는, 도 4a에 도시한공진 시스템(2)의 임피던스를 보충하기 위해 충분한 부성 저항을 가진다. 따라서, 주파수 변환형 발진기(1)는, 발진 주파수(f1)에서는 발진 조건을 만족하지 않지만, 발진 주파수(f2)에서는 발진 조건을 만족한다.
따라서, 상기 공진 시스템(2)과 증폭 시스템(3)이 접속된 상술한 구성을 갖는 주파수 변환형 발진기(1)에서, 발진 신호(s1)가 발진 출력 단자(a6)로부터 출력된다. 변환 전압 입력 단자(a5)에 변환 전압을 인가하지 않는 경우, 즉 다이오드(D1)가 도통 상태인 경우, 발진 신호(s1)는 f1의 발진 주파수를 가지며, 변환 전압을 인가하는 경우, 즉 다이오드(D1)가 비도통 상태인 경우, f2의 발진 주파수를 가진다.
도 6은 도 1에 도시한 본 발명의 주파수 변환형 발진기의 구체적인 회로도를 나타낸다. 도 6에서, 주파수 변환형 발진기(1)는 공진 시스템(2)과 증폭 시스템(3)을 가진다. 공진 시스템(2)은 공진회로(4)와 이상회로(5)를 갖는다. 주파수 변환형 발진기(1)는 전압 제어 발진기이며, 결과적으로 공진회로(4)는 저항(R1), 가변 용량 다이오드(VD1), 커패시터(C4, C5) 및 코일(L2)을 갖는다. 저항(R1)의 한 단은 제어 전압 입력 단자(a1)에 접속되고, 다른 단은 가변 용량 다이오드(VD1)의 캐소드에 접속되어 있다. 가변 용량 다이오드(VD1)의 애노드는 접지되어 있다. 가변 용량 다이오드(VD1)의 캐소드는, 커패시터(C4)를 통해 코일(L2)의 한 단에 접속되고, 코일(L2)의 다른 단은 접지되어 있다. 또한, 코일(L2)의 한 단은 커패시터(C5)를 통해 이상회로(5)에 접속되어 있다. 이상회로(5)는 코일(L1)과 커패시터(C2, C3)를 갖는다. 코일(L1)의 한 단은 공진회로(4)에 접속되고, 또한 커패시터(C2)를 통해 접지된다. 코일(L1)의 다른 단은, 증폭 시스템(3)에 접속되며, 또한 커패시터(C3)를 통해 접지된다. 상술한 바와 같이, 도 4a는 공진 시스템(2)의 임피던스를 나타내고, 도 4b는 공진 시스템(2)으로부터 이상회로(5)를 제거했을 때의 점(a2)에서의 임피던스를 나타낸다.
증폭 시스템(3)은, 트랜지스터(TR1)를 포함하는 증폭 소자와, 다이오드(D1)를 포함하는 변환 부재와, 커패시터(C6, C7, C8), 코일(L3) 및 저항(R2, R3, R4, R5, R6)을 포함하는 용량성 부재를 가진다. 전원 전압 입력 단자(a4)는, 코일(L3)을 통해 트랜지스터(TR1)의 콜렉터에 접속되고, 저항(R5)을 통해 트랜지스터(TR1)의 베이스에 접속되어 있다. 트랜지스터(TR1)의 콜렉터는, 접지 커패시터(C6)를 통해 고주파 대역에서 접지되어 있다. 트랜지스터(TR1)의 베이스는, 발진 입력 단자(a3)를 통해 공진 시스템(2)과 접속되며, 저항(R4)을 통해 접지된다. 트랜지스터(TR1)의 에미터는, 다이오드(D1)의 애노드에 접속되고, 저항(R6) 및 커패시터(C7)를 통해 접지되며, 커패시터(C8)를 통해 발진 출력 단자(a6)에 접속되어 있다. 다이오드(D1)의 캐소드는, 커패시터(C1)를 통해 트랜지스터(TR1)의 베이스에 접속되고, 저항(R3)을 통해 접지되며, 저항(R2)을 사이에 두고 변환 전압 입력 단자(a5)에 접속된다. 이와 같이, 구체적인 회로에서는, 다이오드(D1)를 포함하는 변환 부재가 변환 전압 입력 단자(a5)에 접속될 때, 보호용 저항(R2)을 그들 사이에 형성하는 것이 바람직하다. 그리고, 코일(L3)은 쵸크 코일이고, 커패시터(C6)는 접지 커패시터이고, 커패시터(C7)는 트랜지스터(TR1)의 에미터와 콜렉터 사이의 용량이 되며, 저항(R3, R4, R5, R6)은 바이어스 저항이다. 그리고, 발진 신호(s1)는 커패시터(C8)를 통해 발진 출력 단자(a6)로 출력된다.
이와 같은 구성을 가지는 주파수 변환형 발진기(1)에서, 합성 용량은, 트랜지스터(TR1)의 베이스와 에미터 사이의 용량인 커패시터(C1)와, 다이오드(D1)로 합성된다. 상기 합성 용량은 증폭 시스템(3)의 임피던스가 부성 저항을 가지는 주파수를 결정하는데 크게 기여한다. 그리고, 변환 전압 입력 단자(a5)에 변환 전압을 인가하는 경우, 다이오드(D1)는 비도통 상태가 되고, 트랜지스터(TR1)의 베이스와 에미터 사이의 용량은 커패시터(C1)의 용량과 다이오드(D1)의 용량을 직렬로 접속시켜 얻어진 값을 가진다. 변환 전압 입력 단자(a5)에 변환 전압을 인가하지 않는 경우, 다이오드(D1)는 도통 상태가 되고, 트랜지스터(TR1)의 베이스와 에미터 사이의 용량은 커패시터(C1)의 용량값이 된다. 상술한 바와 같이, 증폭 시스템(3)의 임피던스는 다이오드(D1)가 도통 상태일 때 도 5a가 되고, 다이오드(D1)가 비도통 상태일 때 도 5b가 된다. 그리고, 증폭 시스템(3)의 임피던스는, 다이오드(D1)가 도통 상태일 때, 발진 주파수(f1)에서는, 공진 시스템(2)의 임피던스를 보충하기 위해 충분한 부성 저항을 가지고, 발진 주파수(f2)에서는 저항이 된다. 더욱이, 다이오드(D1)가 비도통 상태일 때, 임피던스는, 발진 주파수(f1)에서 저항이 되고, 발진 주파수(f2)에서는 공진 시스템(2)의 임피던스를 보충하기 위해 충분한 부성 저항을 가진다.
예를 들면, 주파수 변환형 발진기(1)가 f1=892.0㎒, f2=1757.4㎒의 발진 주파수를 출력시켰을 때, 주파수(f1)에서의 출력 레벨은 3.04dBm, 캐리어/노이즈 비율은 -121dBc/Hz이다. 주파수(f2)에서, 출력 레벨은 4.3dBm, 캐리어/노이즈 비율은-117dBc/Hz이다.
따라서, 상술한 주파수 변환형 발진기(1)에 따르면, 공진 시스템(2)에는 변환 부재로서 다이오드(D1)를 형성하지 않고, 다이오드(D1)는 증폭 시스템(3)에만 형성된다. 그리고, 증폭 시스템(3)에 형성한 다이오드(D1)의 상태를 변화시킴으로써, 증폭 시스템(3)의 임피던스가 부성 저항을 가지는 주파수가 변화하고, 그로 인해 발진 신호(s1)의 발진 주파수를 f1과 f2의 사이로 변환시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 주파수 변환형 발진기는, 물론, 콜핏츠 이외의 발진기도 괜찮다. 본 발명의 주파수 변환형 발진기의 출력은, 세 개 이상의 발진 주파수 사이에서 변환될 수 있다. 또한, 상술한 구현예에서 도시한 공진 회로(4) 및 이상 회로(5), 또는 그 외의 구성을 가질 수 있다. 앞의 설명에서, 증폭 소자로서 NPN 트랜지스터가 사용되었지만, PNP 트랜지스터, FET 트랜지스터 등을 이용하여도 된다. 변환 부재로서 다이오드, 트랜지스터 등을 대신하여, 기계적인 스위치와 커패시터를 병렬로 접속한 것 등을 이용하여도 된다. 공진 회로(4)에는 변환 부재를 형성하여도 된다.
도 7은 본 발명에 따른 전자 장치의 한 구현예를 형성하는 통신 장치의 블록도이다. 도 7에서, 통신 장치(20)는, 신호 처리 회로(21), 대역 통과 필터(22, 26, 30, 34), 증폭기(23, 27, 31, 35), 믹서(25,33), 듀플렉서(28) 및 안테나(29) 및 본 발명의 주파수 변환형 발진기(1a, 1b)로 구성되어 있다. 여기서, 신호 처리 회로(21)의 출력은 대역 통과 필터(22)와 증폭기(23)를 직렬로 통과하여 믹서(25)에 접속되어 있다. 또한, 주파수 변환형 발진기(1a)의 출력도 믹서(25)에 접속되어 있다. 그리고, 믹서(25)의 출력은, 대역 통과 필터(26)와 증폭기(27)를 직렬로 통과하여 듀플렉서(28)에 접속되어 있다. 듀플렉서(28)는 안테나(29)에 접속되어 있다. 그리고, 듀플렉서(28)는, 대역 통과 필터(30)와 증폭기(31)를 직렬로 통과하여 믹서(33)에 접속되어 있다. 주파수 변환형 발진기(1b)의 출력도 또한 믹서(33)에 접속되어 있다. 믹서(33)의 출력은 대역 통과 필터(34)와 증폭기(35)를 직렬로 통과하여 신호 처리 회로(21)에 접속되어 있다.
이와 같이 구성된 통신 장치(20)에서, 먼저, 송신하는 동안, 신호 처리 회로(21)에서 출력 신호를 만들고, 대역 통과 필터(22)에서 이 출력 신호로부터의 불필요한 신호를 제거하고, 증폭기(23)에서 증폭하고, 믹서(25)에서 주파수 변환형 발진기(1a)로부터의 신호와 믹스하고 RF 신호로 변환하여 주파수 변환을 수행하고, 대역 통과 필터(26)에서 RF신호로부터의 불필요한 신호를 제거하고, 증폭기(27)에서 증폭하고, 그 신호가 듀플렉서(28)를 경유하여, 안테나(29)로부터 방사된다. 또한, 수신하는 동안, 안테나(29)에서 수신된 RF신호는, 듀플렉서(28)를 통과하여 대역 통과 필터(30)에 입력되며, 거기서 나온 불필요한 신호를 제거하고, 증폭기(31)에서 증폭하고, 믹서(33)에서 주파수 변환형 발진기(1b)로부터의 신호와 믹스하고 IF 신호로 변환하여 주파수 변환을 수행하고, 대역 통과 필터(34)에서 IF 신호로부터의 불필요한 신호를 제거하고, 증폭기(35)에서 증폭하고, 그 신호를 신호 처리 회로(21)에 입력한다. 이와 같이 하여, 신호가 송신되고 또한 수신된다.
따라서, 상술한 통신 장치(20)는, 공진 시스템에 다이오드를 형성할 필요가 없는, 본 발명에 따른 주파수 변환형 발진기(1a, 1b)를 이용하고 있기 때문에, 결과적으로 부품의 개수를 삭감할 수 있고, 소형화 및 저비용화가 달성된다.
또한, 상기 구성을 가지는 통신 장치(20)는, 본 발명의 주파수 변환형 발진기(1a, 1b)를 이용하기 때문에, 출력 레벨이 저하되지 않고, 캐리어/노이즈 비율이 우수하다. 결과적으로 고성능의 생산물을 제공할 수 있다.
통신 장치(20)를 이용하여, 본 발명의 주파수 변환형 발진기를 이용한 전자 소자를 상술하였지만, 본 발명의 전자 장치는 물론 이 구성의 통신 장치에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 주파수 변환형 발진기가, 공진 시스템이 아닌 증폭 시스템에 변환 부재를 구비하기 때문에, 공진 시스템에는 변환 부재로 인한 손실이 없으며, 출력 레벨이 저하되지 않고, 캐리어/노이즈 비율이 좋다.
또한, 본 발명의 주파수 변환형 발진기에서, 각 발진 주파수에서의 임피던스 사이의 위상 차이가 크기 때문에, 발진 신호의 캐리어/노이즈 비율이 좋다.
또한, 본 발명의 주파수 변환형 발진기에 따르면, 각 발진 주파수에서의 임피던스 사이의 위상 차이가 크고, 증폭 시스템에 변환 부재를 구비하므로, 따라서 발진 주파수간의 변환폭이 넓은 경우에도, 용이하게 발진 조건을 만족할 수 있다.
또한, 본 발명의 주파수 변환형 발진기에서, 발진 주파수간의 변환폭이 넓은 경우에도, 공진 시스템에 변환 부재가 형성되어 있지 않아, 부품의 개수를 삭감할 수 있으므로, 소형화 및 저비용화가 가능해진다.
또한, 본 발명의 주파수 변환형 발진기에서는, 두 개 이상의 발진 주파수에서, 공진 시스템의 임피던스가 발진 조건을 만족하기 때문에, 공진 시스템에 변환 부재를 형성할 필요가 없다. 결과적으로, 부품 개수를 삭감할 수 있고, 소형화 및 저비용화가 가능해진다.
그리고, 본 발명의 주파수 변환형 발진기에서, 공진 시스템에서 이상회로를 형성함으로써, 공진 시스템의 임피던스간의 위상의 차를 크게 증가시킬 수 있고, 그로써 용이하게 발진 조건을 만족시킬 수 있고, 캐리어/노이즈 비율을 개선할 수 있다.
본 발명의 주파수 변환형 발진기를 이용한 전자 장치는, 상술한 효과와 유사한 효과를 달성한다.

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  22. 복수의 발진 주파수를 변환하는 주파수 변환형 발진기로서, 상기 주파수 변환형 발진기는:
    공진 시스템;
    상기 공진 시스템에 접속된 증폭 시스템; 및
    상기 증폭 시스템에 포함되고 상기 증폭 시스템의 임피던스를 설정하도록 제어가능한 변환 수단을 포함하고,
    상기 주파수 변환형 발진기는 상기 증폭 시스템이 제 1 임피던스로 설정되면 상기 복수의 발진 주파수중 제 1 발진 주파수에서 발진하고, 상기 증폭 시스템이 제 2 임피던스로 설정되면 상기 복수의 발진 주파수중 제 2 발진 주파수에서 발진하며;
    상기 변환 수단은 상기 증폭 시스템의 피드백 용량 값을 변화시켜 상기 증폭 시스템의 상기 임피던스의 부성 저항의 주파수 특성을 변화시키고;
    상기 공진 시스템은 상기 제 1 발진 주파수와 상기 제 2 발진 주파수 사이에서 공진점을 갖는 것을 특징으로 하는 주파수 변환형 발진기.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 공진 시스템은 상기 제 1 발진 주파수에서 상기 공진 시스템의 임피던스의 위상과 상기 제 2 발진 주파수에서 상기 공진 시스템의 임피던스의 위상의 차이를 결정하는 이상회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 변환형 발진기.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 이상회로는 제 1 커패시터, 제 2 커패시터 및 코일을 포함하고,
    상기 코일의 일단은 상기 공진 회로에 접속되고, 상기 제 1 커패시터를 통하여 접지되며, 타단은 상기 증폭 시스템에 접속되고 상기 제 2 커패시터를 통하여 접지되는 것을 특징으로 하는 주파수 변환형 발진기.
  25. 제 22항에 있어서,
    상기 공진 시스템은 공진 출력 단자를 포함하고,
    상기 증폭 시스템은 상기 공진 출력 단자에 접속되는 발진 입력 단자, 상기 변환 수단에 접속되는 변환 전압 입력 단자 및 상기 복수의 발진 주파수를 출력하는 발진 출력단자를 포함하고;
    상기 증폭 시스템의 임피던스는 상기 변환 전압 입력 단자에 변환 전압을 인가함으로서 변환되는 것을 특징으로 하는 주파수 변환형 발진기.
  26. 제 22항에 있어서,
    상기 증폭 시스템은 고주파수 대역에 접지되어 사용되는 제 1 단자, 상기 공진 시스템에 접속되는 제 2 단자 및 제3단자를 갖는 증폭 소자; 및 용량 수단을 포함하고;
    상기 용량 수단 및 상기 변환 수단은 상기 제 3 단자와 상기 제 2 단자 사이에 직렬로 접속된 것을 특징으로 하는 주파수 변환형 발진기.
  27. 제 26항에 있어서,
    상기 용량 수단은 커패시터이고, 상기 커패시터의 제 1 단은 상기 제 2 단자에 접속되어 있으며,
    상기 변환 수단은 다이오드이고, 상기 다이오드의 제 1 단은 상기 커패시터의 제 2 단에 접속되고, 상기 다이오드의 제 2 단은 상기제 3 단자에 접속되며, 상기 변환 접압 입력 단자는 상기 다이오드의 상기 제 1 단에 접속되는 것을 특징으로 하는 주파수 변환형 발진기.
  28. 주파수 변환형 발진기를 포함하는 전자 장치로서, 상기 주파수 변환형 발진기는:
    공진 시스템;
    상기 공진 시스템과 교통하는 증폭 시스템; 및
    상기 증폭 시스템 내부에 있고, 상기 증폭 시스템의 임피던스를 설정하도록 제어가능한 변환 수단을 포함하고,
    상기 주파수 변환형 발진기는 상기 증폭 시스템이 제 1 임피던스로 설정되면 상기 복수의 발진 주파수중 제 1 발진 주파수에서 발진하고, 상기 증폭 시스템이 제 2 임피던스로 설정되면 상기 복수의 발진 주파수중 제 2 발진 주파수에서 발진하며;
    상기 변환 수단은 상기 증폭 시스템의 피드백 용량값을 변화시켜 상기 증폭 시스템의 상기 임피던스의 부저항의 주파수 특성을 변화시키고;
    상기 공진 시스템은 상기 제 1 발진 주파수와 상기 제 2 발진 주파수 사이에서 공진점을 갖는 것을 특징으로 하는 주파수 변환형 발진기를 포함하는 전자 장치.
  29. 제 28항에 있어서,
    상기 공진 시스템은 상기 제 1 발진 주파수에서 상기 공진 시스템의 임피던스의 위상과 상기 제 2 발진 주파수에서 상기 공진 시스템의 임피던스의 위상의 차이를 결정하는 이상회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 변환형 발진기를 포함하는 전자 장치.
  30. 제 29항에 있어서,
    상기 이상회로는 제 1 커패시터, 제 2 커패시터 및 코일을 포함하고,
    상기 코일의 일단은 상기 공진 회로에 접속되고, 상기 제 1 커패시터를 통하여 접지되며, 타단은 상기 증폭 시스템에 접속되고 상기 제 2 커패시터를 통하여 접지되는 것을 특징으로 하는 주파수 변환형 발진기를 포함하는 전자 장치.
  31. 제 28항에 있어서,
    상기 공진 시스템은 공진 출력 단자를 포함하고,
    상기 증폭 시스템은 상기 공진 출력 단자에 접속되는 발진 입력 단자, 상기 변환 수단에 접속되는 변환 전압 입력 단자 및 상기 복수의 발진 주파수를 출력하는 발진 출력단자를 포함하고;
    상기 증폭 시스템의 임피던스는 상기 변환 전압 입력 단자에 변환 전압을 인가함으로서 변환되는 것을 특징으로 하는 주파수 변환형 발진기를 포함하는 전자 장치.
  32. 제 28항에 있어서,
    상기 증폭 시스템은 고주파수 대역에 접지되어 사용되는 제 1 단자, 상기 공진 시스템에 접속되는 제 2 단자 및 제3단자를 갖는 증폭 소자; 및 용량 수단을 포함하고;
    상기 용량 수단 및 상기 변환 수단은 상기 제 3 단자와 상기 제 2 단자 사이에 직렬로 접속된 것을 특징으로 하는 주파수 변환형 발진기를 포함하는 전자 장치.
  33. 제 32항에 있어서,
    상기 용량 수단은 커패시터이고, 상기 커패시터의 제 1 단은 상기 제 2 단자에 접속되어 있으며,
    상기 변환 수단은 다이오드이고, 상기 다이오드의 제 1 단은 상기 커패시터의 제 2 단에 접속되고, 상기 다이오드의 제 2 단은 상기제 3 단자에 접속되며, 상기 변환 접압 입력 단자는 상기 다이오드의 상기 제 1 단에 접속되는 것을 특징으로 하는 주파수 변환형 발진기를 포함하는 전자 장치.
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