KR100664867B1 - Voltage controlled oscillator - Google Patents

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KR100664867B1
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Abstract

본 발명의 전압제어 발진기는 발진 펄스의 위상 잡음을 현격히 저감시키기 위해, 제어 전압 변화에 따른 주파수 변화율(KVOC)이 작으면서도, 좁은 제어 전압 범위로 넓은 범위의 주파수를 가지는 발진 펄스를 생성토록 하는 것을 목적으로 한다.In order to significantly reduce the phase noise of the oscillation pulse, the voltage controlled oscillator of the present invention is configured to generate an oscillation pulse having a wide range of frequencies with a narrow control voltage range while having a small frequency change rate (KVOC) according to the control voltage change. The purpose.

본 발명의 전압제어 발진기는 입력받은 제어 전압의 레벨에 따라 크기가 변하는 제어 전류를 발생시키기 위한 전압-전류 변환부; 외부의 지시에 따라 정해진 크기의 옵셋 전류를 상기 제어 전류에 부가하기 위한 옵셋 전류 부가부; 및 상기 제어 전류의 크기에 따라 발진 펄스의 주파수가 정해지는 전류제어 발진부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The voltage controlled oscillator of the present invention includes a voltage-to-current converter for generating a control current whose magnitude varies according to the level of the input control voltage; An offset current adding unit for adding an offset current of a predetermined magnitude to the control current according to an external instruction; And a current controlled oscillator configured to determine a frequency of the oscillation pulse according to the magnitude of the control current.

전압제어 발진기, VCO, 전류제어 발진기, KVOC, 오실레이터Voltage Controlled Oscillators, VCOs, Current Controlled Oscillators, KVOC, Oscillators

Description

전압제어 발진기{VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR} Voltage Controlled Oscillators {VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR}             

도 1은 종래기술에 따른 전압제어 발진기의 블록도,1 is a block diagram of a voltage controlled oscillator according to the prior art,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전압제어 발진기의 블록도,2 is a block diagram of a voltage controlled oscillator according to an embodiment of the present invention;

도 3은 제 2도의 전압제어 발진기를 구성하는 전압-전류 변환부, 옵셋 전류 부가부의 세부 회로도, 3 is a detailed circuit diagram of a voltage-to-current converter and an offset current adder constituting the voltage controlled oscillator of FIG.

도 4는 제 2도의 전압제어 발진기를 구성하는 전류제어 발진부의 구성도,4 is a configuration diagram of a current controlled oscillator which constitutes the voltage controlled oscillator of FIG.

도 5는 제 4도의 전류제어 발진부를 구성하는 반전소자의 세부 회로도,5 is a detailed circuit diagram of an inverting element constituting the current control oscillator of FIG.

도 6은 본 발명에 의한 전압제어 발진기의 입력 전압과 발진 주파수와의 관계를 나타낸 그래프,6 is a graph showing a relationship between an input voltage and an oscillation frequency of a voltage controlled oscillator according to the present invention;

도 7은 종래기술에 따른 전압제어 발진기와 본 실시예에 따른 전압제어 발진기의 입력전압에 따른 전력 스펙트럼 분포 그래프,7 is a power spectrum distribution graph according to an input voltage of a voltage controlled oscillator according to the prior art and a voltage controlled oscillator according to the present embodiment;

도 8은 도 7의 2 결과값의 차감값을 도시한 그래프.FIG. 8 is a graph showing a subtraction value of 2 result values of FIG. 7. FIG.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings

20 : 전압-전류 변환부 22 : 반비례 전류 생성부20: voltage-current converter 22: inverse current generator

24 : 전류감산부 40 : 옵셋 전류 부가부24: current subtraction unit 40: offset current addition unit

60 : 전류제어 발진부 62, 64, 66 : 반전 소자60: current control oscillator 62, 64, 66: inverting element

본 발명은 반도체 소자의 내부 모듈 또는 독립된 소자로 사용되는 전압제어 발진기에 관한 것이다.The present invention relates to a voltage controlled oscillator used as an internal module or an independent device of a semiconductor device.

DDR 메모리 소자의 PLL회로, 통신 장치의 PLL 및 DLL회로, 클럭/데이터 복원회로 등에 전압제어 발진기가 포함되어 사용되는 것이 일반적이다. 전압제어 발진기는 제어 전압으로 발진 펄스의 주파수를 조절할 수 있는 펄스 발진기로서, 제어 전압의 레벨에 비례하는 주파수의 펄스가 발진되는 것이 이상적이다.It is common to use a voltage controlled oscillator including a PLL circuit of a DDR memory device, a PLL and DLL circuit of a communication device, and a clock / data recovery circuit. The voltage controlled oscillator is a pulse oscillator capable of adjusting the frequency of the oscillation pulse with a control voltage. Ideally, a pulse of a frequency proportional to the level of the control voltage is oscillated.

그런데, 최근의 저전압 환경하에서는 전압제어 발진기의 제어 전압도 그 범위가 좁아질 수 밖에 없는데, 좁은 제어 전압으로 넓은 주파수 가변 범위를 가지려면, VCO의 제어 전압 변화에 따른 주파수 변화율(KVOC)을 크게 해주어야 하는데, 이는 발진 펄스의 위상 잡음을 증가시키는 요인이 되었다. However, in the recent low voltage environment, the control voltage of the voltage controlled oscillator can only be narrowed. In order to have a wide frequency variable range with a narrow control voltage, it is necessary to increase the frequency change rate (KVOC) according to the control voltage change of the VCO. This increased the phase noise of the oscillating pulse.

이를 극복하기 위한 종래기술은 도 1에 도시한 바와 같이, 단순히 동일한 제어 전압 범위를 가지고, 서로 다른 주파수 출력 영역을 가진 다수개의 전압제어 발진기를 병렬적으로 구비하고, 동작모드에 적당한 전압제어 발진기 하나만을 구동시키는 방식이 사용되었다.The prior art for overcoming this is simply provided with a plurality of voltage controlled oscillators having the same control voltage range and having a different frequency output region in parallel as shown in FIG. 1, and only one voltage controlled oscillator suitable for the operation mode. A method of driving was used.

그러나, 제작 오차가 큰 전압제어 발진기 다수개에 대한 오차를 보정하여 정 합시키기가 용이하지 않을 뿐만 아니라, 제작 비용이 증대되는 문제점이 있었다. However, it is not easy to match and correct errors for a large number of voltage controlled oscillators having a large manufacturing error, and there is a problem in that the manufacturing cost increases.

본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 좁은 제어 전압 범위로 넓은 범위의 주파수를 가지는 발진 펄스를 생성할 수 있는 전압제어 발진기를 제공함을 그 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a voltage controlled oscillator capable of generating an oscillation pulse having a wide range of frequencies with a narrow control voltage range.

또한, 본 발명은 발진 펄스의 위상 잡음을 현격히 저감할 수 있는 전압제어 발진기를 제공함을 다른 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a voltage controlled oscillator capable of significantly reducing phase noise of an oscillation pulse.

또한, 본 발명은 제작 오차 보정이 용이하고, 제작 비용을 절감할 수 있는 전압제어 발진기를 제공함을 또 다른 목적으로 한다.
In addition, another object of the present invention is to provide a voltage controlled oscillator which is easy to correct manufacturing errors and can reduce manufacturing costs.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전압제어 발진기는,The voltage controlled oscillator of the present invention for achieving the above object,

입력받은 제어 전압의 레벨에 따라 크기가 변하는 제어 전류를 발생시키기 위한 전압-전류 변환부; 외부의 지시에 따라 정해진 크기의 옵셋 전류를 상기 제어 전류에 부가하기 위한 옵셋 전류 부가부; 및 상기 제어 전류의 크기에 따라 발진 펄스의 주파수가 정해지는 전류제어 발진부를 포함하는 것을 특징으로 한다.A voltage-current converter for generating a control current whose magnitude varies according to the level of the input control voltage; An offset current adding unit for adding an offset current of a predetermined magnitude to the control current according to an external instruction; And a current controlled oscillator configured to determine a frequency of the oscillation pulse according to the magnitude of the control current.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거 나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, the terms or words used in this specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly introduce the concept of terms in order to best explain their invention. It should be interpreted as meanings and concepts in accordance with the technical spirit of the present invention based on the principle that it can be defined. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.

예컨데, 본 실시예에서는 하나의 입력 전압값에 3개의 발진 주파수를 갖도록 외부의 제어신호에 따라 3단으로 입력 전압-주파수 특성이 나타내는 경우를 설명하고 있지만, 필요에 따라서는 2단 또는 4단이상의 입력 전압-주파수 특성을 나타내도록 구현할 수도 있고, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속함은 자명하다. For example, the present embodiment describes a case in which the input voltage-frequency characteristic is expressed in three stages according to an external control signal to have three oscillation frequencies in one input voltage value. It can also be implemented to exhibit the input voltage-frequency characteristics, which also belongs to the scope of the invention is obvious.

(( 실시예Example 1) One)

도 2는 본 실시예의 전압제어 발진기의 전체 구성을 도시한 것이다. 2 shows the overall configuration of the voltage controlled oscillator of this embodiment.

본 실시예의 전압제어 발진기는, 입력받은 입력 전압(Vin)의 레벨에 따라 크기가 변하는 변환전류(Itail')를 발생시키기 위한 전압-전류 변환부(20); 외부의 지시에 따라 정해진 크기의 옵셋 전류를 상기 변환전류(Itail')에 부가하여 제어 전류(Itail)를 생성하기 위한 옵셋 전류 부가부(40); 및 상기 제어 전류(Itail)의 크기에 따라 발진 펄스의 주파수가 정해지는 전류제어 발진부(60)를 포함하며,The voltage controlled oscillator of the present embodiment includes: a voltage-to-current converter 20 for generating a conversion current Itail 'whose size varies according to the level of the input input voltage Vin; An offset current adding unit 40 for generating a control current Itail by adding an offset current having a predetermined magnitude to the conversion current Itail 'according to an external instruction; And a current controlled oscillator 60 in which the frequency of the oscillation pulse is determined according to the magnitude of the control current Itail.

상기 옵셋 전류 부가부(40)는, 상기 입력 전압의 스윙폭의 1/3의 스윙폭을 가지며, 상기 변환전류(Itail')에 대응하여 레벨이 변하는 중간변환 전압(Vmin)에, 외부 지시에 따른 직류성분의 옵셋전압을 더하여 변환 전압(Vcont)을 생성하는 전류-전압 변환부(42); 및 상기 변환 전압(Vcont)의 레벨에 따라 크기가 변하는 제어 전류(Itail)를 생성하기 위한 출력전류원(44)을 포함하는 것을 특징으로 한다.The offset current adding unit 40 has a swing width equal to 1/3 of the swing width of the input voltage and is applied to an external instruction to an intermediate conversion voltage Vmin whose level changes in response to the conversion current Itail '. A current-voltage converter 42 generating a conversion voltage Vcont by adding the offset voltages of the DC components according to the voltages; And an output current source 44 for generating a control current Itail whose magnitude varies according to the level of the conversion voltage Vcont.

본 실시예의 전압제어 발진기는, 동일한 입력 전압(Vin)에 대하여, 외부의 옵셋 선택 신호에 따라 3가지의 다른 주파수의 발진펄스를 생성한다(3옵션 발진기). 이를 위해 전류변화율 대 주파수변화율 비가 큰 전류제어 발진부(ICO)(60)를 구비하며, 동일한 입력 전압(Vin)에 대하여 외부의 옵셋 선택 신호에 따라 3가지의 다른 값을 가지는 제어 전류(Itail)를 생성하여, 제어 전류(Itail)를 전류제어 발진부(60)에 입력하여 발진펄스를 생성한다.The voltage controlled oscillator of this embodiment generates oscillation pulses of three different frequencies with respect to the same input voltage Vin in accordance with an external offset selection signal (three option oscillators). To this end, a current control oscillator (ICO) 60 having a large ratio of current change rate to frequency change rate is provided, and a control current Itail having three different values according to an external offset selection signal for the same input voltage Vin is provided. The oscillation pulse is generated by inputting a control current Itail to the current control oscillator 60.

한 레벨의 입력 전압(Vin)에 대한 3가지 옵션의 제어 전류를 발생시키기 위해, 본 실시예의 전압-전류 변환부(20)는 어느 한 레벨의 입력 전압(Vin)에 대하여 정해진 값의 변환전류(Itail')를 출력하고, 옵셋 전류 부가부(40)는 변환전류(Itail')에 외부의 제어신호에 따라 3가지의 옵셋 전류를 부가하여 제어 전류(Itail)를 생성한다.In order to generate three options of control currents for one level of input voltage Vin, the voltage-current converter 20 of the present embodiment uses a predetermined value of the conversion current (V) for any one level of input voltage Vin. Itail '), and the offset current adding unit 40 adds three offset currents to the conversion current Itail' according to an external control signal to generate a control current Itail.

전압-전류 변환부(20)는 입력 전압에 반비례하는 반비례 전류(Idiv)를 생성하기 위한 반비례 전류 생성부(22) 및 소정의 고정 전류에서 변환전류(Itail')를 감산하여 변환전류(Itail')를 생성하기 위한 전류감산부(24)로 이루어진다.The voltage-current converter 20 subtracts the conversion current Itail 'from the inverse current generator 22 for generating an inverse current Idiv which is inversely proportional to the input voltage and a predetermined fixed current, thereby converting the current Itail'. It consists of a current subtractor 24 for generating ().

반비례 전류 생성부(22)는 입력 전압(Vin)을 5개의 모스트랜지스터(M1, M2, M3, M4, M5)를 거쳐 반비례 전류(IVa)로 변환한다. 비교적 큰 용량의 M5모스트랜지 스터를 사용함에 의해, 입력 전압(Vin) 변화에 따른 M5모스트랜지스터의 소스-드레인간 전압의 변화폭이 매우 작아진다. 결국, 입력 전압(Vin)의 증가에 따라 Va전압은 선형적으로 감소하게 되며, 모스트랜지스터M4의 반비례 전류(IVa)는 입력 전압(Vin)의 제곱에 비례하여 감소하게 된다.The inverse current generator 22 converts the input voltage Vin into inverse current IVa through five MOS transistors M1, M2, M3, M4, and M5. By using a relatively large capacity M5 MOS transistor, the variation of the source-drain voltage of the M5 MOS transistor according to the change of the input voltage Vin becomes very small. As a result, the Va voltage decreases linearly as the input voltage Vin increases, and the inverse current IVa of the MOS transistor M4 decreases in proportion to the square of the input voltage Vin.

전압제어 발진기의 발진 주파수는 입력 전압(Vin)이 선형적으로 증가함에 따라 선형적으로 증가하여야 한다. 전류감산부(24)는 이런 역할을 수행하기 위한 것으로, 고정값 전류(Imax)를 만들고, 고정값 전류(Imax)에서 반비례 전류(IVa)를 빼 줌으로써, 입력 전압(Vin)의 제곱으로 증가하는 변환전류(Itail')를 얻을 수 있도록 한다. 이후, 변환전류(Itail')는 옵셋 전류 부가부(40)의 전류-전압 변환부(42)로 입력된다.The oscillation frequency of the voltage controlled oscillator should increase linearly as the input voltage Vin increases linearly. The current subtractor 24 performs this role. The current subtractor 24 increases the square of the input voltage Vin by making the fixed value current Imax and subtracting the inverse current IVa from the fixed value current Imax. The conversion current (Itail ') can be obtained. Thereafter, the conversion current Itail 'is input to the current-voltage conversion unit 42 of the offset current adding unit 40.

전류-전압 변환부(42)는 상기 변환 전류(Itail')가 흐르는 경로상에 배치된 도출점(a, b, c)으로서 구현되는데, 상기 도출점의 전압 레벨은 변환전류(Itail')에 비례하게 된다. 도출점 c에서의 전압(Vmin)은 그 스윙폭이 입력 전압(Vin) 스윙폭의 1/3이 되도록 모스트랜지스터(M1, M2, M3, M4, M5, M11)의 수치를 선택한다. 도출점 b에서의 전압은 도출점 c에서의 전압(Vmin)에 제1 옵셋전압(Voff1)을 더한 값이 되며, 도출점 a에서의 전압은 도출점 c에서의 전압(Vmin)에 제1 옵셋전압(Voff1) 및 제2 옵셋전압(Voff2)을 더한 값이 된다. 외부의 제어신호에 따라 변환 전압(Vcont)은 상기 도출점 a에서의 전압, 도출점 b에서의 전압 또는 도출점 c에서의 전압을 가지게 된다.The current-voltage converter 42 is embodied as leading points a, b, and c arranged on a path through which the converted current Itail 'flows, and the voltage level of the leading point is converted to the switching current Itail'. Will be proportional. The voltage Vmin at the derived point c selects the numerical values of the MOS transistors M1, M2, M3, M4, M5, and M11 such that the swing width is 1/3 of the input voltage Vin swing width. The voltage at the induction point b is equal to the voltage Vmin at the induction point c plus the first offset voltage Voff1, and the voltage at the induction point a is the first offset to the voltage Vmin at the induction point c. The voltage Voff1 and the second offset voltage Voff2 are added together. According to an external control signal, the conversion voltage Vcont has a voltage at the lead point a, a voltage at the lead point b, or a voltage at the lead point c.

따라서, 변환 전압(Vcont)은 변환 전류(Itail')의 크기에 따라 레벨이 변하 며, 상기 입력 전압(Vin) 보다 좁은 스윙폭을 가지며, 외부 지시에 따른 직류성분 옵셋값을 가지게 된다. 상기 제1 옵셋값(Voff1) 및 제2 옵셋값(Voff2)은 입력 전압 최대 스윙폭의 약 1/3의 값을 가지는 것이 바람직하다.Accordingly, the level of the converted voltage Vcont varies according to the size of the converted current Itail ', has a smaller swing width than the input voltage Vin, and has a DC component offset value according to an external indication. Preferably, the first offset value Voff1 and the second offset value Voff2 have a value of about 1/3 of the maximum swing width of the input voltage.

출력전류원은 변환 전압(Vcont)의 크기에 따라 비례하는 크기를 가지는 출력전류를 생성하는 일종의 가변 전류원이 되며, 가장 단순하게는 도시한 바와 같이 비교적 용량이 큰 모스 트랜지스터로 구현할 수 있으며, 변환 모듈에서 처럼 다수개의 모스트랜지스터 조합으로 구현할 수도 있다. 입력 전압은 최종 발진펄스의 주파수에 정비례 해야 하고, 일반적인 링오실레이터에서는 전류원 크기의 제곱에 발진 주파수가 정비례하므로, 제어 전류(Itail)는 입력 전압(Vin)의 제곱에 정비례하도록 구현하는 것이 바람직하다.The output current source is a kind of variable current source that generates an output current having a magnitude proportional to the magnitude of the conversion voltage Vcont. The output current source may be implemented as a MOS transistor having a relatively large capacity as shown in the figure. Likewise, it can be implemented with a combination of multiple transistors. Since the input voltage should be directly proportional to the frequency of the final oscillation pulse, and in a typical ring oscillator, the oscillation frequency is directly proportional to the square of the current source size, so it is desirable to implement the control current Itail to be directly proportional to the square of the input voltage Vin.

도 4는 전류제어 발진부(60)의 일실시예로서 3단 링오실레이터를 도시하고 있으며, 도 5는 상기 3단 링오실레이터를 구성하는 반전 유닛 일실시례의 세부회로를 도시하고 있다.4 shows a three-stage ring oscillator as one embodiment of the current controlled oscillator 60, and FIG. 5 shows a detailed circuit of one embodiment of the inversion unit constituting the three-stage ring oscillator.

링오실레이터는 직렬연결된 반전 유닛의 지연된 반전동작에 따라 발진펄스를 생성하게 되는데, 반전 유닛의 반전동작이 빠를 수록 발진펄스의 주파수는 높아지게 된다. 그런데, 반전 유닛의 반전동작은 전류원의 전류(Itail)의 크기가 클 수록 반전유닛을 구성하는 모스 트랜지스터의 채널의 전하를 빨리 방출하게 되어, 반전유닛의 반전동작이 빨라지므로, 결국 전류원의 전류(Itail)의 크기가 클 수록 발진 주파수는 증가하게 된다. 도시한 구현을 실제로 측정해보면 발진 주파수는 전류원 전류(Itail)의 제곱에 정비례하게 됨을 알 수 있다.The ring oscillator generates the oscillation pulse according to the delayed inversion operation of the inverted units connected in series. The faster the inversion operation of the inversion unit, the higher the frequency of the oscillation pulse. However, since the inversion operation of the inversion unit increases the magnitude of the current Itail of the current source, the charge of the channel of the MOS transistor constituting the inversion unit is quickly released, and the inversion operation of the inversion unit is faster, and thus, the current of the current source ( As the size of Itail) increases, the oscillation frequency increases. Actual measurements of the implementation shown show that the oscillation frequency is directly proportional to the square of the current source current (Itail).

도 6은 본 실시예의 입력 전압과 도출점 a, b, c의 경우 발진펄스 주파수와의 관계를 도시한 것이다. 상기 도면에서 어느 한 입력 전압에 대해서, 도출점 a, b, c 중 선택에 따라, 3가지의 주파수의 발진펄스가 출력될 수 있음을 알 수 있다.6 shows the relationship between the input voltage of the present embodiment and the oscillation pulse frequency in the case of the derivation points a, b, and c. In the figure, it can be seen that oscillation pulses of three frequencies can be output according to the selection of the derivation points a, b, and c for any one input voltage.

본 실시예에서는 VCO 이득(KVCO)을 줄임으로써 PLL회로에서의 위상 노이즈 특성의 향상을 도모하였는데, 이를 위한 수학적 이론을 하기에 설명하기로 한다.In this embodiment, the phase noise characteristic of the PLL circuit is improved by reducing the VCO gain (KVCO). A mathematical theory for this purpose will be described below.

지터(gitter)와 KVCO와의 관계는 다음 [수학식1]과 같다.The relationship between jitter and KVCO is shown in Equation 1 below.

Figure 112004034906864-pat00001
Figure 112004034906864-pat00001

여기서 Ko = KVCO 이며, 지터의 실효값은 Ko와 비례관계임을 알 수 있다. Here, K o = KVCO, and jitter's effective value is proportional to K o .

[수학식 1]은 시간 도메인 상에서의 관계이며, 주파수 도메인 상에서 주파수 특성인 위상 노이즈와 KVCO와의 관계는 다음 [수학식 2]와 같다.Equation 1 is a relationship in the time domain, and the relationship between phase noise and KVCO, which are frequency characteristics in the frequency domain, is expressed by Equation 2 below.

Figure 112004034906864-pat00002
Figure 112004034906864-pat00002

여기서 N0/2, N1/2은 각각 입력과 출력의 백색 잡음 n0(s), n1 (s)의 더블사이드밴드(double sideband) 전력이고,

Figure 112004034906864-pat00003
은 n0(s)의 1/f 잡음의 코너 주파수이다. 여기서 Kv가 KVCO이며, 위상 노이즈 파워는 Kv의 제곱에 비례함을 알 수 있다. And wherein N 0/2, N 1/ 2 are respectively the input and output white noise n 0 (s), n 1 (s) , double side band (double sideband) the power,
Figure 112004034906864-pat00003
Is the corner frequency of 1 / f noise of n 0 (s). It can be seen that K v is KVCO and the phase noise power is proportional to the square of K v .

[수학식 1] 및 [수학식 2]로부터 KVCO를 감소시킬 경우 위상 및 잡음 특성이 우수한 PLL출력을 얻을 수 있음을 알 수 있다.It can be seen from Equations 1 and 2 that the PLL output with excellent phase and noise characteristics can be obtained by reducing KVCO.

도 7은 동일한 입력전압 및 발진 주파수범위에서, 종래기술에 따라 구현한 전압제어 발진기와 본 실시예에 따른 전압제어 발진기의 전력 스펙트럼 분포를 도시하고, 도 8은 본 실시예에 의한 개선효과를 알아보기 위해 도 7의 종래기술에 의한 그래프에서 본 실시예에 의한 그래프를 뺀 값에 대한 그래프를 도시한다.7 shows power spectral distributions of a voltage controlled oscillator and a voltage controlled oscillator according to the present embodiment in the same input voltage and oscillation frequency range, and FIG. 8 shows the improvement effect according to the present embodiment. For the sake of illustration, a graph of the prior art graph of FIG. 7 is obtained by subtracting the graph according to the present embodiment.

동일한 입력전압 및 발진 주파수범위에서, 한가지 옵션으로만 발진하는 종래기술에 따른 전압제어 발진기의 제어 전압 변화에 따른 주파수 변화율(KVOC)은 300[MHz/V]이며, 3가지 옵션으로 발진하는 본 발명에 종래기술에 따른 전압제어 발진기의 제어 전압 변화에 따른 주파수 변화율(KVOC)은 100[MHz/V]이다.In the same input voltage and oscillation frequency range, the frequency change rate (KVOC) according to the control voltage change of the voltage controlled oscillator according to the prior art which oscillates with only one option is 300 [MHz / V], and the present invention oscillates with three options. The frequency change rate (KVOC) according to the control voltage change of the voltage controlled oscillator according to the prior art is 100 [MHz / V].

도 8의 결과에서 KVCO = 300[MHz/V]인 종래기술의 경우와 비교할 때, KVCO = 100[MHz/V]인 본 실시예의 경우가 파워 스펙트럼 상에서 약 9.5dB의 위상 마진(margin)이 감소하고 있음을 알 수 있다.In the results of FIG. 8, the phase margin of about 9.5 dB is reduced in the power spectrum in the case of the present embodiment with KVCO = 100 [MHz / V] compared to the case of the prior art in which KVCO = 300 [MHz / V]. It can be seen that.

이하, 본 실시예의 전압제어 발진기의 구체적인 동작을 설명하기로 한다.Hereinafter, the specific operation of the voltage controlled oscillator of the present embodiment will be described.

본 실시예의 전압제어 발진회로를 사용한 전압으로 주파수가 제어되는 발진클럭의 생성방법은,The generation method of the oscillation clock whose frequency is controlled by the voltage using the voltage controlled oscillation circuit of this embodiment,

입력 전압(Vin) 레벨의 크기에 따라 증가하는 변환전류(Itail')를 생성하는 단계(S10); 상기 변환전류(Itail')의 크기에 따라 증가하고, 스윙폭이 상기 입력 전압(Vin)의 스윙폭보다 작은 제1 변환 전압(Vmin)을 생성하는 단계(S22); 외부 지시에 따라 결정된 크기의 옵셋 전압을 상기 제1 변환 전압(Vmin)에 부가하여 제2 변환 전압(Vcont)을 생성하는 단계(S24); 상기 제2 변환 전압(Vcont)의 크기에 따라 증가하는 제어 전류(Itail)를 생성하는 단계(S26); 및 상기 제어 전류(Itail)의 크기에 따라 주파수가 증가하는 발진펄스를 생성하는 단계(S30)를 포함하는 것을 특징으로 한다.Generating a conversion current Itail 'that increases with the magnitude of the input voltage Vin level (S10); Generating a first converted voltage Vmin that increases according to the magnitude of the converted current Itail 'and whose swing width is smaller than the swing width of the input voltage Vin (S22); Generating a second converted voltage Vcont by adding an offset voltage having a magnitude determined according to an external instruction to the first converted voltage Vmin; Generating a control current Itail increasing according to the magnitude of the second conversion voltage Vcont (S26); And generating an oscillation pulse in which the frequency increases in accordance with the magnitude of the control current Itail.

상기 S10단계는 전압-전류 변환부(20)의 반비례 전류 생성부(22)에서 수행되며, 전압-전류 변환 소자(M1)를 사용하여 입력 전압(Vin)을 변환전류(Itail')로 변환시킨다.The step S10 is performed by the inverse current generator 22 of the voltage-current converter 20, and converts the input voltage Vin into the conversion current Itail 'using the voltage-current converter M1. .

상기 S22단계에서 생성되는 제1 변환 전압(Vmin)은 전류-전압 변환부(42)의 도출점 c의 전압으로서 구현되며, 상기 S24단계에서 옵셋전압의 부가는 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3)를 사용하여 도출점 a 내지 c중 하나를 선택함으로써 구현된다.The first conversion voltage Vmin generated in the step S22 is implemented as the voltage at the derived point c of the current-voltage converter 42, and in step S24, the addition of the offset voltage is performed by the switching elements SW1, SW2, and SW3. It is implemented by selecting one of the derivation points a to c using.

상기 S26단계는 전압-전류 변환 소자(44)를 사용하여 수행되며, 도시한 구현에서와 같이 비교적 용량이 큰 하나의 모스 트랜지스터 또는 다수개의 모스트랜지스터의 조합에서 수행토록 구현할 수 있다.The step S26 is performed using the voltage-current conversion element 44, and may be implemented in one MOS transistor or a combination of a plurality of MOS transistors having a relatively large capacity as shown in the illustrated embodiment.

상기 S30단계는 최종 발진펄스를 생성하는 과정으로, 상기 제어 전류(Itail)의 값의 크기에 따라 증가하는 주파수의 발진펄스를 생성하는 전류제어 발진부(60)에서 수행되는데, 링오실레이터 같은 반전 소자로 이루어진 발진기 대부분은 반전소자의 전류에 비례(정확히는 제곱에 비례)하는 주파수의 발진펄스를 생성하므로, 본 단계의 구현에 용이하게 적용할 수 있다.The step S30 is a process of generating a final oscillation pulse, which is performed in the current control oscillator 60 generating an oscillation pulse of a frequency that increases with the magnitude of the value of the control current Itail, by an inverting element such as a ring oscillator. Most of the oscillators made generate oscillation pulses of frequency proportional to the current of the inverting element (exactly proportional to the square), and thus can be easily applied to the implementation of this step.

(( 실시예Example 2) 2)

본 실시예의 전압제어 발진기도 상기 제1 실시예의 경우와 같이 도 2에 도시한 전체 구성을 가진다. The voltage controlled oscillator of this embodiment also has the overall configuration shown in FIG. 2 as in the case of the first embodiment.

본 실시예의 전압제어 발진기는, 입력받은 제어 전압의 레벨에 따라 크기가 변하는 제어 전류를 발생시키기 위한 전압-전류 변환부(20); 외부의 지시에 따라 정해진 크기의 옵셋 전류를 상기 제어 전류에 부가하기 위한 옵셋 전류 부가부(40); 및 상기 제어 전류의 크기에 따라 발진 펄스의 주파수가 정해지는 전류제어 발진부(60)를 포함하며,The voltage controlled oscillator of the present embodiment includes: a voltage-current converter 20 for generating a control current whose magnitude varies according to the level of an input control voltage; An offset current adding unit 40 for adding an offset current of a predetermined magnitude to the control current according to an external instruction; And a current control oscillator 60 in which the frequency of the oscillation pulse is determined according to the magnitude of the control current.

상기 옵셋 전류 부가부(40)는, 옵셋 전류를 발생시키기 위한 옵셋 전류 발생부; 및 상기 변환 전류와 옵셋 전류를 합하여 제어 전류를 발생시키기 위한 전류가산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The offset current adding unit 40 includes: an offset current generating unit for generating an offset current; And a current adding unit for generating a control current by adding the converted current and the offset current.

상기 전압-전류 변환부(20)는 도 3에 도시한 전압-전류 변환부(22)와 같은 구조로 구현할 수 있으며, 전류제어 발진부(60)는 도 4 및 도 5에 도시한 링오실레이터로 구현할 수 있다.The voltage-current converter 20 may be implemented in the same structure as the voltage-current converter 22 shown in FIG. 3, and the current-controlled oscillator 60 may be implemented with the ring oscillator shown in FIGS. 4 and 5. Can be.

전원전압(VDD) 등과 같은 안정적으로 공급되는 정전압을 저항소자 및 전류미러를 이용하여 고정된 값의 전류를 공급하는 정전류원의 구현 및 전류미러를 사용하여 2개의 전류를 하나로 합치는 구현은 당업자에게 자명하므로 설명을 생략한다.The implementation of a constant current source that supplies a fixed value of a constant voltage, such as a power supply voltage (VDD), to a fixed value using a resistance element and a current mirror, and an implementation of combining two currents into one by using a current mirror It is self-explanatory and the description is omitted.

이하, 본 실시예의 전압제어 발진기의 구체적인 동작을 설명하기로 한다.Hereinafter, the specific operation of the voltage controlled oscillator of the present embodiment will be described.

본 실시예의 전압제어 발진회로를 사용한 전압으로 주파수가 제어되는 발진 클럭의 생성방법은,A method of generating an oscillation clock whose frequency is controlled by a voltage using the voltage controlled oscillation circuit of this embodiment,

입력 전압 레벨의 크기에 따라 증가하는 변환 전류를 생성하는 단계(S10); 외부 지시에 따라 결정된 크기의 옵셋 전류를 생성하여 상기 변환 전류에 부가하여 제어 전류를 생성하는 단계(S20); 및 상기 제어 전류의 크기에 따라 주파수가 증가하는 발진 펄스를 생성하는 단계(S30)를 포함하는 것을 특징으로 한다.Generating a conversion current increasing according to the magnitude of the input voltage level (S10); Generating an offset current having a magnitude determined according to an external indication and generating a control current in addition to the converted current (S20); And generating an oscillation pulse whose frequency increases in accordance with the magnitude of the control current (S30).

상기 S10단계는 전압-전류 변환부(20) 내 변환 모듈에서 수행되며, 전압-전류 변환 소자를 사용하여 입력 전압을 변환 전류로 변환시킨다.The step S10 is performed in the conversion module in the voltage-current conversion unit 20, and converts the input voltage into the conversion current using the voltage-current conversion element.

상기 S20단계는 옵셋 전류 부가부(40) 내 전류가산부에서 수행되며, 일종의 정전류원이 생성하는 전류인 옵셋 전류 및 상기 변환 전류를 전류 미러등을 사용하여 합해진 제어 전류를 생성한다.The step S20 is performed by the current adding unit in the offset current adding unit 40, and generates a control current obtained by adding an offset current, which is a current generated by a constant current source, and the converted current using a current mirror.

상기 S30단계는 최종 발진펄스를 생성하는 과정으로, 상기 제어 전류의 값의 크기에 따라 증가하는 주파수의 발진펄스를 생성하는 전류제어 발진부(60)에서 수행되는데, 링오실레이터 같은 반전 소자로 이루어진 발진기 대부분은 반전소자의 전류에 비례(정확히는 제곱에 비례)하는 주파수의 발진펄스를 생성하므로, 본 단계의 구현에 용이하게 적용할 수 있다.The step S30 is a process of generating a final oscillation pulse, which is performed in the current controlled oscillator 60 generating an oscillation pulse of a frequency that increases according to the magnitude of the value of the control current, most of an oscillator made of an inverting element such as a ring oscillator. Since generates an oscillation pulse of the frequency proportional to the current (exactly proportional to the square) of the inverting element, it can be easily applied to the implementation of this step.

일반적으로 전압제어 발진기를 포함하는 반도체 소자는 다양한 사용분야 또는 용도에 적용하기 위해, 넓은 발진 주파수 범위를 가질 것이 요구되지만, 특정 용도를 위해 사용되는 경우에 생성 해야하는 발진펄스의 주파수 범위는 그리 넓지 않다. 따라서, 본 발명의 전압제어 발진기도 옵셋 전류를 결정하는 옵셋 제어 신호 는 반도체 소자의 사용전에 수행되는 세팅작업에 의해 결정된 값으로 고정하여 사용하는 것이 일반적이다.In general, a semiconductor device including a voltage controlled oscillator is required to have a wide oscillation frequency range in order to be applied to various applications or applications, but the frequency range of the oscillation pulse to be generated when used for a specific application is not so wide. . Therefore, the voltage control oscillator of the present invention is also generally used to fix the offset control signal to determine the offset current to a value determined by the setting operation performed before the use of the semiconductor device.

상기와 달리, 사용시에도 넓은 범위의 주파수가 요구되는 분야에 구현된 경우에는, 본 발명의 전압제어 발진기는 발진펄스의 주파수를 판단하여 상기 옵셋 제어 신호를 생성하기 위한 옵셋 제어부로부터 사용중에 옵셋 제어 신호를 입력받아 도출점 a, b, c를 스위칭한다.Unlike the above, when implemented in a field that requires a wide range of frequencies in use, the voltage controlled oscillator of the present invention determines the frequency of the oscillation pulse to use the offset control signal during use from the offset control unit for generating the offset control signal. Switch the derived points a, b, and c as input.

본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.Although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto, and the technical spirit of the present invention and the claims to be described below by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents.

본 발명에 따른 전압제어 발진기를 실시함에 의해, 좁은 입력 전압 범위로도 넓은 범위의 주파수를 가지는 발진 펄스를 생성할 수 있게 하는 효과가 있다.By implementing the voltage controlled oscillator according to the present invention, it is possible to generate an oscillation pulse having a wide range of frequencies even in a narrow input voltage range.

또한, 본 발명에 따른 전압제어 발진기는 제작시 발생하는 오차가 큰 발진기를 하나만 사용하여 다단 옵션에 따른 발진을 가능하게 하여, 다수개의 발진기를 사용하는 경우보다 오차 보정이 용이하고, 제작비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.In addition, the voltage controlled oscillator according to the present invention enables the oscillation according to the multi-stage option by using only one oscillator having a large error generated during manufacturing, and thus is easier to compensate for errors than when using multiple oscillators, and reduces manufacturing cost. It can work.

또한, 본 발명에 따른 전압제어 발진기는 발진기의 입력 전압대비 발진주파 수의 비를 줄임에 의해, 발진 펄스의 위상 잡음을 저감할 수 있는 효과를 가져온다. 특히, 본 발명의 전압제어 발진기를 PLL회로에 사용하였을때, 위상 및 잡음 특성이 우수한 PLL 출력을 도출한다.In addition, the voltage controlled oscillator according to the present invention has the effect of reducing the phase noise of the oscillation pulse by reducing the ratio of the oscillation frequency to the input voltage of the oscillator. In particular, when the voltage controlled oscillator of the present invention is used in a PLL circuit, a PLL output having excellent phase and noise characteristics is derived.

Claims (10)

입력 전압의 레벨에 따라 크기가 변하는 변환 전류를 발생시키기 위한 전압-전류 변환부; A voltage-current converter for generating a conversion current whose magnitude varies according to the level of the input voltage; 외부의 지시에 따라 정해진 크기의 옵셋 전류를 상기 변환 전류에 부가하여 제어 전류를 발생시키기 위한 옵셋 전류 부가부; 및 An offset current adding unit for generating a control current by adding an offset current having a predetermined magnitude to the conversion current according to an external instruction; And 상기 제어 전류의 크기에 따라 발진 펄스의 주파수가 정해지는 전류제어 발진기를 포함하되, Including a current controlled oscillator in which the frequency of the oscillation pulse is determined according to the magnitude of the control current, 상기 옵셋 전류 부가부는, The offset current adding unit, 상기 변환 전류의 유출 경로 상에 직렬 배치된 복수개의 저항소자;A plurality of resistance elements arranged in series on the outflow path of the conversion current; 상기 저항소자 양단에 형성된 다수개의 도출점;A plurality of draw points formed at both ends of the resistance element; 제어 전류를 생성하기 위한 출력전류 생성부; 및An output current generator for generating a control current; And 상기 다수개의 도출점 중 하나를 상기 출력전류 생성부로 연결시키기 위한 선택 스위치A selection switch for connecting one of the plurality of draw points to the output current generator; 를 포함하는 전압제어 발진기.Voltage controlled oscillator comprising a. 제1항에 있어서, 상기 전압-전류 변환부는, The method of claim 1, wherein the voltage-current converter, 입력 전압에 반비례하는 반비례 전류를 생성하기 위한 반비례 전류 생성부; 및An inverse current generator for generating an inverse current in inverse proportion to an input voltage; And 소정의 고정 전류에서 반비례 전류를 감산하여 변환전류(Itail')를 생성하기 위한 전류감산부를 포함하는 전압제어 발진기.A voltage controlled oscillator comprising a current subtractor for generating a conversion current Itail 'by subtracting an inverse current from a predetermined fixed current. 제1항에 있어서, 상기 전류제어 발진기는,The oscillator of claim 1, wherein the current controlled oscillator 홀수개의 반전 기능 소자를 포함하며, Includes an odd number of inverting elements, 상기 제어 전류의 증가에 따라, 상기 반전 기능 소자의 반전 지연 시간이 감 소하는 것을 특징으로 하는 전압제어 발진기. And an inversion delay time of the inversion function element decreases as the control current increases. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 옵셋 전류는,The method of claim 1, wherein the offset current, 전압제어 발진기의 사용전에 외부의 설정에 의해 고정되는 전압제어 발진기.Voltage controlled oscillator which is fixed by external setting before use of voltage controlled oscillator. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 발진펄스로 동기를 맞추려는 기준 입력 신호를 입력받아, 상기 기준 입력 신호의 주파수에 비례하는 전압을 출력하는 주파수-전압 변환기; 및A frequency-voltage converter which receives a reference input signal to be synchronized with an oscillation pulse and outputs a voltage proportional to the frequency of the reference input signal; And 상기 주파수-전압 변환기의 출력 전압 레벨에 따라 상기 옵셋 전류의 크기를 결정하는 옵셋 전류 제어기An offset current controller that determines the magnitude of the offset current according to the output voltage level of the frequency-voltage converter 를 더 포함하는 전압제어 발진기.Voltage controlled oscillator further comprising. 삭제delete 삭제delete
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