KR100572128B1 - 엘씨 공진기를 이용한 전압제어발진기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파수용 CMOS 전압제어 발진기의 대표적인 구조인 LC공진기를 이용한 발진기의 위상잡음 특성을 개선시키기 위해 공진기의 구조를 개선한 것이다.

본 발명에 의한 고조파 튜닝된 LC 공진기를 이용한 전압제어발진기는 인덕터와 커패시터의 병렬연결로 구성된 LC 공진기를 이용하는 전압제어발진기에 있어서, 발진 주파수와 세 번째 고조파에서 개방(open), 두 번째 고조파에서 단락(short)의 특성을 가지고 경사가 급한 기울기를 갖도록 발진기의 출력 전압 파형을 변형시키는 고조파 튜닝된 LC 공진기를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 고조파 튜닝된 LC공진기는 발진주파수의 공진회로, 일반 LC 공진기 및 세 번째 고조파 공진회로가 직렬연결로 이루어짐을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 고조파 튜닝된 LC 공진기를 통해 출력 파형을 직사각형에 가깝게 만듦으로써 셀(cell)의 스위칭을 확실하게 잡아주는 역할을 하여 위상잡음특성이 향상되며, 또한 전압제어발진기에서 능동 수동 소자들의 두 번째 고조파 주위의 잡음을 단락(short)시키는 특성을 갖게 함으로써 위상 잡음의 주요 원인으로 널리 알려져 있는 두 번째 고조파 주위의 잡음을 제거하는 기능을 하여 이 또한 발진기 위상 잡음 특성을 향상시킨다.

Description

엘씨 공진기를 이용한 전압제어발진기{A voltage controlled oscillator using LC resonator}

도 1a는 LC 공진기를 이용한 전압제어발진기 회로도를 나타낸 것이다.

도 1b는 종래의 표준적인 LC 공진기를 나타낸 것이다.

도 1c는 고조파 튜닝된 본 발명의 LC 공진기를 나타낸 것이다.

도 2a는 일반 LC 공진기의 특성을 나타낸 것이다.
도 2b는 고조파 튜닝된 LC 공진기의 특성을 나타낸 것이다.

도 3a는 종래의 일반적인 LC 공진기를 이용하는 VCO의 출력파형을 나타낸 컴퓨터 시뮬레이션의 결과이다.

도 3b는 본 발명의 고조파 튜닝된 LC 공진기를 이용한 VCO의 출력파형을 나타낸 컴퓨터 시뮬레이션의 결과이다.

본 발명은 전압제어발진기에 관한 것으로, 특히 위상잡음 특성을 향상시키기 위한 전압제어발진기에 관한 것이다.

이동 통신용 기기에 사용되는 모든 전자부품들과 마찬가지로 전압제어발진기 역시 저소비전류 및 저전압동작과 함께 소형화, 경량화가 강하게 요구되고 있다.

전압제어발진기(Voltage Controlled Oscillator: VCO)는 주파수 합성기(Frequency Synthesizer)의 인가전압에 의해 이동 통신기기 중 휴대용 전화기의 송신주파수와 수신국부발진 주파수를 안정되게 발진시키도록 하는 가변주파수 발진회로 모듈로서 이동 통신용 기기 내부의 주파수 합성기 회로의 가장 중요한 부품 중의 하나로 쓰이고 있다.

주파수 합성기는 이동통신기기에서 사용의 편의를 위해 할당된 전화채널에 자동적으로 주파수를 전환하는 회로로 쓰이고 있는데 주로 국부발진기(Local oscillator)로서 주파수 합성기를 구성하는 것이 통례이다.

현재, 고주파수용 전압제어발진기에 주로 쓰이고 있는 것은 LC공진기를 내장한 CMOS형이다. CMOS 회로 기술은 정적 소비전류가 적을 뿐 아니라, 오늘날 대부분의 반도체 기술이 CMOS 기술로 정착되어 있어 제조공정의 신뢰성이 높을 뿐 아니라 고집적화에 유리하다는 크나큰 장점으로 인해 가장 널리 상용으로 쓰이고 있는 기술이다.

이러한 CMOS회로의 장점을 살리면서도 LC공진기를 내장하는 CMOS 형 전압제어 발진기 회로의 성능을 극대화하기 위한 여러 연구들이 진행되고 있는데, 그 가운데서도 RF(Radio Frequency)영역에서 동작하는 발진기 회로에서는 무엇보다도 위상잡음 특성이 중요하므로 이를 개선시키기 위한 연구 또한 활발히 진행되고 있다.

일반적으로 널리 알려진 위상잡음 모델은 Leeson에 의해 "A simple model of feedback oscillator noise spectrum,"라는 제목으로 Proceedings of the IEEE, vol.54, pp329-330, 1966에 발표된 것으로 아래의 수학식 1과 같다.

여기서 Vo는 발진기 출력전압을, KT는 열잡음(thermal noise)을, C는 발진기의 등가 커패시턴스를,

는 공진 주파수를, Q는 발진기의 성능을 나타내는 Q factor를,

은 잡음주파수를 각각 나타낸다.

이 모델은 공진회로와 발진기 구조에 바탕으로 하여 위상 잡음이 1/f, 1/f², 1/f³ 의 기울기를 갖게 되는 것을 명확히 설명해 주었다.

그러나 Lesson 모델에 의해서도 발진기가 가지는 최종 위상잡음 값을 수식으로 명확히 계산하지 못하는 단점이 있어 왔다. 이에 회로설계자들은 발진기의 최종위상잡음 값을 실험적으로 구하여 왔는데 실험에서 도입하는 비례 상수(F)를 적절히 결정하는 방법으로 최종위상잡음 값을 계산하여 왔다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 널리 사용되는 인덕터와 커패시터의 병렬연결로 구성된 일반적인 공진기에 고조파 튜닝을 첨가함으로써 발진기 출력전압 파형을 설계자가 원하는 대로 변형하여 발진기의 최종위상잡음을 최소화되도록 고조파 튜닝된 LC 공진기를 이용한 전압제어발진기를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 고조파 튜닝된 LC 공진기를 이용한 전압제어발진기는 인덕터와 커패시터의 병렬연결로 구성된 LC 공진기를 이용하는 전압제어발진기에 있어서, 발진 주파수와 세 번째 고조파에서는 개방(open)의 특성을, 두 번째 고조파에서 단락(short)의 특성을 가지고 발진기 출력전압 파형이 경사가 급한 기울기를 갖도록 발진기의 출력 전압 파형을 변형시키는 고조파 튜닝된 LC 공진기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고조파 튜닝된 LC 공진기는 발진주파수의 공진회로, 일반 LC 공진기 및 세 번째 고조파 공진회로가 직렬연결로 이루어짐을 특징으로 한다.

또한,

라는 발진기 위상 잡음의 상수 값 F를 예측하는 수식을 통해 발진기의 출력 전압 파형(Vo')을 변형시키는 것을 특징으로 한다.

여기서, 첫 번째 항은 LC 공진기의 잡음, 두 번째 항은 차동 쌍 증폭기의 잡음을 나타낸 것으로 Vo'은 출력전압의 기울기를 나타낸 것이고, 세 번째 항은 전류공급원에서 나오는 잡음이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1a는 일반적인 LC 공진기를 이용한 전압제어발진기의 회로를 나타낸 것이다. 이 회로는 제1 MOSFET(M0)의 드레인이 제2 MOSFET(M1)의 게이트로 궤환되고, 제2 MOSFET(M1)의 드레인이 제1 MOSFET(M0)의 게이트로 궤환되어 구성된 제1 차동앰프(10)와 제3 MOSFET(M2)의 드레인이 제4 MOSFET(M3)의 게이트로 궤환되고, 제4 MOSFET(M3)의 드레인이 제3 MOSFET(M2)의 게이트로 궤환되어 구성된 제2 차동앰프 (20)가 차동 쌍을 이루며 구비된다.

상기 차동 쌍을 이루는 차동앰프(10,20)는 출력단이 LC공진기 회로와 연결된다.

상기 차동 쌍에 적절한 전류를 공급하기 위해 MOSFET M11과 MOSFET M10은 전류미러(current mirror)회로를 이룬다. 또한 M11과 저항 R은 회로구조의 특성상 전류공급원으로 작동한다.

도 1a에 나타낸 전압제어발진기 회로의 출력은 차동 쌍으로 되어 있으며 차동 출력전압의 차이가 출력전압이 되므로 Vo = Vo⁺ - Vo^-라 표시된다.

Vcont 단자는 LC 공진기에 가해지는 제어전압을 의미한다.

도 1b는 종래의 일반적인 LC 공진기를 도시한 것으로 인덕터 L과 두 개의 배랙터 다이오우드(varactor diode)로 구성된 것이다. 배랙터 다이오우드는 가해지는 전압에 따라 리액턴스(reactance)가 바뀌는 소자로, 적절한 제어전압을 가하지면 배랙터 다이오우드 내부의 등가 커패시터스(미도시) 값이 바뀌어 LC공진기의 특성 임피던스와 공진 주파수를 변동 가능해지는 전기적인 특징이 있다.

도 1c는 0.35㎛ CMOS 제조공정기술을 이용하여 설계된 본 발명의 고조파 튜닝된 LC 공진기를 도시한 것이다. 이 회로는 제1 공진회로인 일반적인 LC 공진기(80), 제2 공진회로인 발진주파수의 공진회로(70), 및 제3 공진회로인 세 번째 고조파의 공진회로(90)가 직렬로 연결되어 구성된다.
좀더 상세히 설명하면 제1 공진회로는 두 개의 직렬 연결된 배랙터 다이오드들과 인덕터가 병렬로 연결된 LC 공진회로(80)이며, 제2 공진회로는 하나 이상의 인덕터(L1)와 하나 이상의 커패시터(C1)가 병렬 구성된 것을 포함하며, 제1 공진회로의 한쪽 단자와 직렬로 연결된 발진주파수의 공진회로(70)이며, 그리고 제3 공진회로는 하나 이상의 인덕터(L2)와 하나 이상의 커패시터(C2)가 병렬 구성된 것을 포함하며, 제1 공진회로의 다른 쪽 단자와 직렬로 연결된 세 번째 고조파의 공진회로(90)를 의미한다.
제2 공진회로인 발진주파수의 공진회로(70)와 제3 공진회로인 세 번째 고조파의 공진회로(90)는 인덕터와 커패시터가 병렬로 구성된다.

본 발명에서는 이러한 회로 구성으로 전압제어발진기의 위상잡음에 대한 상수 값 F를 간단한 모델을 통해 유도함으로써 전압제어발진기 위상잡음을 정확히 예 측할 수 있는 수학식 2를 제공하였다.

여기서, 세 개의 항은 각각 공진기, 차동 쌍 FET, 그리고 전류공급원으로부터 나오는 잡음을 나타내는 것으로, γ는 MOSFET의 채널잡음상수로 쇼트채널(short-channel)인 경우는 2~3, 롱채널(long-channel)의 경우 2/3정도의 값을 가진다. 전류 I는 M10에 흐르는 전류를 의미하고, g_mbias는 트랜지스터 M10의 트랜스컨덕턴스를 나타낸다.

본 발명과 같이 RF(radio frequency)영역에서 동작하는 소자들의 특성을 가 장 잘 나타내는 것은 널리 쓰이는 S-파라미터 해석이다. S-파라미터 가운데서 S21 파라미터는 이득을 나타내는 것으로 주파수에 따라 LC 공진기가 어떤 특성을 보이는지 해석하기에 가장 알맞은 파라미터이다.

S21 파라미터의 값이 1인 경우는 LC 공진기 회로의 이득이 1로서, 입출력 값이 동일한 경우여서 입력과 출력이 서로 단락(short)되었다고 볼 수 있고, 이와는 반대로 S21 파라미터의 값이 0인 경우는 LC 공진기 회로의 이득 또한 0으로서 입력과 출력이 서로 개방(open)된 경우로 볼 수 있음을 먼저 유의하여야 한다.

한편, 위상잡음의 가장 큰 원인은 발진주파수의 두 배가 되는 2fo 부근의 잡음 성분이 fo 부근으로 다운 컨버젼(down conversion)된 성분이 주를 이룬다고 잘 알려져 있으므로 2fo 부근의 주파수 성분을 적절히 최소화하는 것도 위상잡음 개선에 커다란 효과가 있다.

본 발명으로 인한 효과를 알아보기 위해 도 1b의 종래의 LC공진기와 도 1c의 본 발명의 공진기에 대해 S21 파라미터의 특성을 각각 컴퓨터로 시뮬레이션 한 후, 그 결과를 도 2a 및 도 2b에 각각 비교하여 나타내었다.

또한 종래의 LC 공진기를 이용한 전압제어발진기의 S21 파라미터는 발진주파수 fo 가 1GHz인 경우, 그 두 배가 되는 2fo 부근에서 그 값이 최소이다. 즉, 상술하여 설명한 바와도 같이 2fo 부근에서 S21 파라미터의 값이 작아지면 LC 공진기 회로 네트웍의 임피던스가 작아지는 것이다. 따라서 S21의 값이 커질수록 LC 공진기 회로 네트웍의 임피던스가 단락성이 되고, S21의 값이 작아질수록 LC 공진기 회로 네트웍의 임피던스가 개방성이 된다는 점도 유의하여야 한다.

도 2a는 종래의 LC 공진기 회로를 이용한 전압 제어 발진기의 S21 파라미터 값을 컴퓨터를 이용하여 시뮬레이션 한 파형으로 발진 주파수인 1 GHz의 fo 부근에서 값이 최대로 된 후, 2fo 부근에서 값이 최소로 된다.

이에 비해 본 발명의 고조파 튜닝(tuning)된 LC 공진기 회로를 이용한 전압 제어 발진기의 S21 파라미터는 도 2b와 같이 두 번째 고조파인 2fo 부근에서 최소로 되어 단락성(short)특성을 보인다. 상술하여 설명한 바와 같이 이러한 단락성 특성은 위상잡음을 최소화하는 효과를 나타낸다. 뿐만 아니라 후술하여 설명될 바와 같이 전압 제어 발진기 회로의 스위칭 특성이 현저하게 개선되는 효과도 있다.

특히, 본 발명의 회로동작에 의하면 fo와 세 번째 고조파인 사인파(sine)를 더하면 그 기울기 Vo'이 증가하므로 최종적인 위상잡음을 향상시킬 수 있다. 여기서 V_o'는 단순히 출력전압의 크기가 아니라 출력 파형의 기울기에 비례하는 전압이다.

상기 고조파 튜닝된 LC 공진기를 통해 출력 파형을 직사각형에 가깝게 만들어 급해진 기울기로 위상잡음이 향상된다. 또한, 전류공급원에 의해 추가되는 잡음도 상기 고조파 튜닝된 LC 공진기에 의해 줄어든다.

왜냐하면 상기 고조파 튜닝된 LC 공진기는 두 번째 고조파에서 단락 특성을 갖고 있고 이러한 특성은 전압제어발진기에서 능동 수동 소자들의 두 번째 고조파 주위의 잡음을 단락(short)시키는 특징을 갖게 하고 셀(cell)의 스위칭을 확실하게 잡아주는 역할까지 하여 발진기 성능을 향상시키게 된다.

도 3a의 출력파형은 도 1b에 나타낸 종래의 LC 공진기를 이용한 전압 제어 발진기 회로의 출력 파형을 나타낸 것으로 사인(sine)파에 가깝다는 것을 보여 준다.

이에 비해 본 발명의 고조파 튜닝된 도 1c의 회로에 의한 도 3b의 출력파형은 종래의 파형보다 그 기울기가 종래의 출력파형 대비 약 2.2배 정도 급해져서 능동소자의 스위칭을 빠르게 하여 위상 잡음 특성에 기여하고 있다.

또한, 전류공급원과 연결되는 M10의 드레인 노드 전압의 플럭츄에이션(fluctuation)이 더욱 작아져 전압 제어 발진기 회로의 출력 전압의 플럭츄에이션도 최소화 된 것을 볼 수 있다.

이러한 본 발명의 효과는 고조파 튜닝된 LC 공진기(70, 90)가 전류공급원 잡음 최소화를 위한 필터삽입과 같은 역할을 하는 것이다.

특히 고조파 튜닝된 LC 공진기는 넓은 주파수 대역을 갖고 있어서 단순히 수동소자로 구성된 필터보다 회로의 제조공정에 대한 변동에도 면역성이 좀 더 강하므로 확실한 성능을 제공할 수 있다.

이상으로, 본 발명은 도면에 도시된 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 발명에 의하면, 고조파 튜닝된 LC 공진기를 통해 전압 제어 발진기의 출력 전압 파형의 스위칭 기울기가 좀 더 가파르게 되어 위상잡음이 향상된다. 또한 전압제어발진기에서 위상잡음의 주요 원인이 되는 두 번째 고조파 잡음 성분을 LC 공진기의 단락(short)화 특성을 이용하여 제거함으로써 전압 제어 발진기의 위상잡음성능을 크게 향상시킨다.

Claims (5)

1. 제1 차동증폭기, 제2 차동증폭기, 상기 제1 및 제2 차동증폭기의 출력과 연결되는 LC 공진기 및 상기 제1 및 제2 차동증폭기 및 LC 공진기에 전류를 공급하는 전류미러회로를 구비하는 전압제어발진기에 있어서,

   상기 LC 공진기는

   두 개의 직렬 연결된 배랙터 다이오우드들과 인덕터가 병렬로 연결된 제1 공진 회로;

   하나 이상의 인덕터(L1)와 하나 이상의 커패시터(C1)가 병렬 구성된 것을 포함하며 상기 제1 공진회로의 전단 한 쪽 단자와 직렬로 연결된 제2 공진회로; 및

   하나 이상의 인덕터(L2)와 하나 이상의 커패시터(C2)가 병렬 구성된 것을 포함하며 상기 제1 공진회로의 후단 다른 쪽 단자와 직렬로 연결된 제3 공진회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 LC 공진기를 이용한 전압제어발진기.
2. 제1항에 있어서, 상기 LC 공진기는

   발진 주파수(fo)와 세 번째 고조파(3fo)에서 개방(open), 두 번째 고조파(2fo)에서 단락(short)의 특성을 가지고 경사가 급한 기울기를 갖도록 전압제어발진기의 출력 전압 파형을 변형시키는 고조파 튜닝된 LC 공진회로로서, 전류공급원 잡음을 최소화하기 위한 필터삽입과 같은 역할을 하는 것을 특징으로 하는 LC 공진기를 이용한 전압제어발진기.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 차동증폭기 및 제2 차동증폭기는

   두 개의 트랜지스터가 크로스 커플(cross couple)된 래치 회로임을 특징으로 하는 LC 공진기를 이용한 전압제어발진기.
5. 삭제

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