KR100731975B1 - Oscillator Core with Capacitive Common Node for Frequency Multiplication - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고주파 발진을 효과적으로 얻기 위해 푸시-푸시(Push-Push)형 주파수 체배기를 구비한 전압 제어 발진기(VCO : Voltage Controlled Oscillator)에 관한 것으로, 특히 초고주파 대역에서 체배된 주파수의 출력을 얻기 위하여 교차 결합된 트랜지스터 쌍과 둘 사이를 연결한 가상 접지 커패시터 공통단자로 부터 두 배의 주파수 출력을 얻는 발진기 코어에 관한 것이다. 이는 별도의 주파수 체배기 필요 없이 전압 제어 발진기 자체로부터 두 배 체배된 주파수 출력을 얻음으로써, 단일 초고주파 집적회로(MMIC : Monolithic Microwave Integrated Circuit) 또는 RF 집적회로(Radio Frequency Integrated Circuit)의 구현시에 반도체 면적과 전류소모를 감소시키는 장점을 갖는다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a voltage controlled oscillator (VCO) having a push-push type frequency multiplier for effectively obtaining high frequency oscillation, and particularly to obtain an output of a frequency multiplied in an ultra high frequency band. An oscillator core that obtains twice the frequency output from a common ground capacitor common terminal coupled between a pair of coupled transistors and the two. This results in a doubled frequency output from the voltage controlled oscillator itself, without the need for a separate frequency multiplier, thereby providing a semiconductor area in the implementation of a single monolithic microwave integrated circuit (MMIC) or a radio frequency integrated circuit (RF integrated circuit). It has the advantage of reducing over current consumption.
본 발명의 주파수 체배를 위한 커패시터 공통단자를 이용한 발진기 코어는 발진 주파수를 결정하고 안정된 신호를 얻기 위한 인덕터와 커패시터로 구성되는 LC 공진기와 LC 공진기에서의 신호 손실을 보상하기 위해 정궤환 구조로 교차 결합된 트랜지스터로 이루어진 발진기 코어에 있어서, 상기 발진기 코어를 구성하는 대칭된 트랜지스터 쌍의 베이스 단자사이를 커패시터로 연결하여 가상 접지 커패시터 공통단자를 구성하고, 상기 가상 접지 커패시터 공통단자로부터 두 배의 주파수 출력을 추출하는 것을 특징으로 한다.An oscillator core using a capacitor common terminal for frequency multiplication of the present invention is cross-coupled with a positive feedback structure to compensate for signal loss in an LC resonator and an LC resonator composed of an inductor and a capacitor to determine an oscillation frequency and obtain a stable signal. In the oscillator core consisting of a plurality of transistors, the common ground capacitor common terminal is connected by connecting a capacitor between the base terminals of the pair of symmetrical transistors constituting the oscillator core, and the frequency output is doubled from the common ground capacitor common terminal It is characterized in that the extraction.
전압 제어 발진기, 주파수 체배, 커패시터 공통단자, 초고주파집적회로, RF 집적회로, 다이오드 왜곡 특성, 상승시간, 하강시간,Voltage controlled oscillator, frequency multiplication, capacitor common terminal, microwave integration circuit, RF integrated circuit, diode distortion characteristics, rise time, fall time,
Description
도 1은 종래의 고주파 발진기 코어(Oscillator Core)에 별도의 주파수 체배기(Frequency Multiplier)를 연결하여 두 배의 주파수 출력을 얻어내는 장치의 구성도.1 is a block diagram of a device for obtaining a double frequency output by connecting a separate frequency multiplier (Frequency Multiplier) to a conventional high frequency oscillator core (Oscillator Core).
도 2는 종래의 부성저항 교차 결합 차동 발진기 (Negative Resistance Cross-coupled Differential Oscillator)의 에미터 공통 단자 (Emitter Common Node)에서 두 배의 주파수 출력을 얻어내는 장치의 구성도.2 is a block diagram of a device for obtaining a double frequency output at an emitter common node of a conventional negative resistance cross-coupled differential oscillator.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 주파수 체배를 위한 커패시터 공통단자를 이용한 발진기 코어의 구성도.3 is a block diagram of an oscillator core using a capacitor common terminal for frequency multiplication according to a preferred embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 교차 결합된 회로망에서 전류신호의 흐름을 나타낸 발진기 코어의 구성도.4 is a configuration diagram of an oscillator core showing the flow of a current signal in a cross-coupled network according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 베이스-이미터 접합 트랜지스터에서 전류신호의 크기에 대한 전압신호 관계를 나타낸 전압-전류 특성도.5 is a voltage-current characteristic diagram showing a voltage signal relationship with respect to a magnitude of a current signal in a base-emitter junction transistor according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 발진기 코어 트랜지스터의 온/오프 상태에 따른 전류의 흐름을 나타낸 발진기 코어의 구성도. Figure 6 is a block diagram of the oscillator core showing the flow of current in the on / off state of the oscillator core transistor according to the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 트랜지스터 베이스 단자에서의 전류신호에 대한 전압 신호의 왜곡 특성도.7 is a distortion characteristic diagram of a voltage signal with respect to a current signal in a transistor base terminal according to the present invention;
도 8은 본 발명에 따른 컬렉터 단자에서 반대쪽 트랜지스터까지 교차 결합된 회로망의 소 신호 등가 회로도 (Small-signal Equivalent Circuit).8 is a small-signal equivalent circuit diagram of a network cross-coupled from the collector terminal to the opposite transistor in accordance with the present invention.
도 9는 본 발명에 따른 트랜지스터의 베이스 단에서 전압신호의 상승시간과 하강시간의 차이를 나타낸 전압 신호도.9 is a voltage signal diagram illustrating a difference between a rise time and a fall time of a voltage signal at a base end of a transistor according to the present invention;
도 10은 본 발명에 따른 공통단자 커패시터 C 2 의 증가에 따른 출력전력의 변화도.10 is a change in output power according to the increase of the common terminal capacitor C 2 according to the present invention.
도 11은 본 발명에 따른 전압 제어 발진기의 커패시터 공통단자에서 얻어낸 주파수가 두 배 체배된 출력을 나타낸 전압 신호의 예시도.11 is an exemplary diagram of a voltage signal showing an output of which the frequency obtained by the capacitor common terminal of the voltage controlled oscillator according to the present invention is doubled.
도 12는 본 발명의 실시예의 능동소자인 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT:Bipolar Junction Transistor)를 전계 효과 트랜지스터(FET:Field Effect Transistor)로 대치하여 구성한 회로도12 is a circuit diagram of a bipolar junction transistor (BJT), which is an active device of an embodiment of the present invention, replaced with a field effect transistor (FET).
도 13은 본 발명에서와 같이 교차 결합된 부성저항 차동 발진기의 형태가 아닌 콜피츠 발진기를 밸런스 구조로 구성한 일반적인 차동 형태의 발진기에서 캐패시터 공통단자를 이용하여 구성한 회로도FIG. 13 is a circuit diagram using a common capacitor terminal in a general differential type oscillator in which a Colpitts oscillator is formed in a balanced structure rather than a cross-coupled negative resistance differential oscillator as in the present invention.
도 14는 본 발병의 실시예의 캐패시터 공통단자를 저항 공통단자로 대치하여 구성한 회로도.Fig. 14 is a circuit diagram in which a capacitor common terminal of the embodiment of the present invention is replaced with a resistance common terminal.
******* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ************** Explanation of symbols on the main parts of the drawings *******
110 : LC 탱크 120 : 교차결합된 트랜지스터 회로망110: LC tank 120: cross-coupled transistor network
121, 122 : 커플링 커패시터 121, 122: coupling capacitor
131 : Vc- 단자 132 : Vc+ 단자131: Vc- terminal 132: Vc + terminal
133 : 제1 트랜지스터 134 : 제2 트랜지스터133: first transistor 134: second transistor
135 : 커패시터 공통단자 135: common terminal capacitor
136, 137 : 커패시터 공통단자를 구성하기 위한 커패시터136 and 137: capacitors for forming a capacitor common terminal
본 발명은 고주파 발진을 효율적으로 얻기위해 푸시-푸시(Push-Push)형 주파수 체배기를 회로내에 내장한 전압 제어 발진기(VCO : Voltage Controlled Oscillator)에 관한 것으로, 특히 교차 결합된 차동(Cross-coupled Differential) 구조로 연결된 트랜지스터의 이상적이지 못한 스위칭 특성을 이용하여 LC 공진기의 공진주파수의 두 배에 해당하는 출력 주파수를 가상 접지 커패시터 공통단자로부터 얻을 수 있도록 하는 발진기 코어에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a voltage controlled oscillator (VCO) in which a push-push type frequency multiplier is incorporated in a circuit to efficiently obtain high frequency oscillation, and particularly, a cross-coupled differential. By using the ideal switching characteristics of the transistor connected in the structure of the oscillator to obtain an output frequency corresponding to twice the resonant frequency of the LC resonator from the common ground capacitor common terminal.
현재 고주파 통신이 발전함에 따라 높은 출력 주파수와 낮은 위상잡음을 가지고 안정적으로 동작하는 발진기가 요구되고 있는데, 그에 알맞은 장치중 하나가 교차 결합된 차동 구조 발진기이다. With the development of high frequency communication, oscillators are required to operate stably with high output frequency and low phase noise. One suitable device is a cross-coupled differential structure oscillator.
일반적으로 LC 공진기를 갖는 발진기가 고주파 대역에서 발진하기 위해서는 LC 공진기를 구성하는 개별 소자인 인덕터와 커패시터가 물리적으로 매우 작아져야 하는데, 실제 반도체 공정시에 작은 소자에 대해서는 소자 값의 오차가 더욱 커지 는 것으로 알려져 있기 때문에, 발진기의 동작 주파수가 높아질수록 설계 값과 실제 제작후의 동작 주파수의 차이가 커질 가능성이 높다.In general, in order for an oscillator having an LC resonator to oscillate in a high frequency band, an inductor and a capacitor, which are individual elements constituting the LC resonator, need to be physically very small. In an actual semiconductor process, an error in device values becomes larger for small devices. It is known that the higher the operating frequency of the oscillator, the greater the difference between the design value and the actual operating frequency after manufacture.
이러한 LC 공진기를 이용한 전압 제어 발진기의 현실적인 문제점을 개선하기 위하여 발진기 자체는 낮은 주파수에서 동작시키고 이를 체배하여 출력 주파수를 얻는 방법이 많이 사용되고 있고, 주파수 체배를 위한 체배기 회로로 많이 사용되는 구조 중 하나가 푸시-푸시(Push-Push) 방식이다.In order to improve the practical problem of the voltage controlled oscillator using the LC resonator, the oscillator itself is operated at a low frequency and multiplied to obtain an output frequency, and one of the structures commonly used as a multiplier circuit for frequency multiplication is used. It is a push-push method.
도 1은 종래의 일반적인 전압 제어 발진기 코어에 푸시-푸시 주파수 체배기를 부가적으로 연결하여 2배의 주파수 출력을 얻어내는 장치의 구성도로서, 이와 같은 구성도는 다이오드의 비선형 특성에 의해 생성되는 여러 고조파성분(Harmonics)중 홀수배 고조파(Odd-order Harmonics)는 상쇄되고 짝수배 고조파(Even-oder Harmonics)만 같은 위상으로 더해져서 출력단에 나타나게 되는데 이때 원하는 주파수를 필터를 통해 얻어내게 된다. 이 방식은 별도의 주파수 체배기를 필요로 하기 때문에 초고주파집적회로(MMIC) 또는 RF집적회로(RFIC) 구성시에 반도체면적과 전류소모가 커지는 단점이 있다.1 is a block diagram of a device that additionally connects a push-push frequency multiplier to a conventional general voltage controlled oscillator core to obtain twice the frequency output. Among the harmonics, odd-order harmonics are canceled and only even-order harmonics are added in the same phase and appear at the output stage. At this time, the desired frequency is obtained through the filter. Since this method requires a separate frequency multiplier, there is a disadvantage in that the semiconductor area and the current consumption are increased when configuring an ultra high frequency integrated circuit (MMIC) or an RF integrated circuit (RFIC).
도 2는 종래의 부성저항 교차 결합 차동 발진기의 이미터 공통단자에서 두 배의 주파수 출력을 얻어내는 장치의 구성도로서, 이와 같은 구성도는 고주파 대역에서 다소 감소하는 출력 전력을 높이기 위해서 공통 이미터 단자에 인덕터의 부하를 부가 할 경우에는 초고주파 집적 회로(MMIC) 제작 시에 인덕터 부하에 의한 회로 전체 면적이 커지게 되는 문제점이 있었다.2 is a block diagram of a device that obtains twice the frequency output from the emitter common terminal of a conventional negative resistance cross-coupled differential oscillator, which is a common emitter to increase the output power slightly reduced in the high frequency band When a load of an inductor is added to a terminal, there is a problem in that the total area of the circuit due to the inductor load increases when fabricating a high frequency integrated circuit (MMIC).
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로서, 특히 종래의 차동 발진기 코어의 두 트랜지스터의 베이스 단자에 커패시터를 연결하여 두 트랜지스터의 베이스-에미터 다이오드 특성에 의해 발생하는 왜곡된 전압신호를 가상 접지 커패시터 공통단자(Capacitive Common Node)에서 합해지게 함으로써 기본주파수는 상쇄되고 두 배의 출력 주파수를 얻을 수 있도록 한다. 그리하여 주파수 체배를 위한 가상 접지 커패시터 공통단자를 이용함으로써 종래의 발진기 에서와 같이 별도의 주파수 체배기나 소자 등이 필요로 하지 않게 되어 설계가 간단하고 사용되는 반도체면적과 전력소모가 작은 발진기 코어를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems, and in particular, by connecting a capacitor to the base terminal of the two transistors of the conventional differential oscillator core, the distorted voltage signal generated by the characteristics of the base-emitter diode of the two transistors The summation at the virtual ground capacitor capacitive common node cancels the fundamental frequency and yields twice the output frequency. Thus, by using the common ground capacitor common terminal for frequency multiplication, a separate frequency multiplier or element is not required as in the conventional oscillator, so the oscillator core is simple in design and has a small semiconductor area and low power consumption. The purpose is.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 측면에 따르면, 기본 발진 주파수를 결정하는 LC 공진기와 LC 공진기의 저항성 손실을 보상하기 위해 부성저항성분을 만들어 내기 위한 정궤환 구조로 교차 결합된 트랜지스터 회로망으로 이루어진 발진기 코어에 있어서, 상기 발진기 코어를 구성하는 대칭된 트랜지스터 쌍의 베이스 단자에 커패시터를 공통으로 연결하여 가상 접지 커패시터 공통단자를 구성하고, 상기 가상 접지 커패시터 공통단자로부터 두 배의 주파수 출력을 발생시키는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a transistor network cross-coupled with a positive feedback structure for producing a negative resistance component to compensate for the resistive loss of the LC resonator and the LC resonator to determine the fundamental oscillation frequency An oscillator core comprising: a common ground capacitor connected to a base terminal of a pair of symmetrical transistors constituting the oscillator core to form a virtual ground capacitor common terminal, and generating a double frequency output from the virtual ground capacitor common terminal It is characterized by.
또한, 본 발명의 상기 가상 접지 커패시터 공통단자의 출력은, 활성 영역에서 동작하는 상기 대칭된 트랜지스터의 베이스-에미터 접합에서 다이오드 전압-전류 특성 곡선의 비선형 특성을 이용하여 두 배의 출력 주파수를 발생시키는 것을 특징으로 한다.In addition, the output of the virtual ground capacitor common terminal of the present invention generates a double output frequency using the nonlinear characteristic of the diode voltage-current characteristic curve at the base-emitter junction of the symmetrical transistor operating in the active region. It is characterized by.
또한, 본 발명의 상기 가상 접지 커패시터 공통단자의 출력은, 활성 영역에서 동작하는 상기 대칭된 트랜지스터에서 베이스 입력 전류가 변화함에 따라 발생되는 베이스 입력저항의 변화에 따른 상승시간과 하강시간의 차를 이용하여 두 배의 출력 주파수를 발생시키는 것을 특징으로 한다.In addition, the output of the common ground capacitor common terminal of the present invention uses the difference between the rise time and the fall time according to the change of the base input resistance generated as the base input current changes in the symmetrical transistor operating in the active region. It is characterized by generating a double output frequency.
또한, 본 발명의 상기 가상 접지 커패시터 공통단자의 출력은, 상기 대칭된 트랜지스터의 베이스 단자에 연결된 공통 커패시터 용량의 변화에 따른 상승시간의 감소 특성을 이용해 출력 전력을 증가시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.In addition, the output of the common ground capacitor common terminal of the present invention, it is possible to increase the output power by using the reduction characteristic of the rise time according to the change of the common capacitor capacity connected to the base terminal of the symmetrical transistor.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 발진 주파수를 결정하는 LC 공진기와 상기 LC 공진기의 손실을 보상하기 위해 한쌍의 대칭 트랜지스터가 차동 결합된 트랜지스터 회로망으로 이루어진 발진기 코어가 제공되며, 상기 대칭 트랜지스터의 베이스 단자에 커패시터를 공통으로 연결하여 가상 접지 커패시터 공통단자를 구성하고, 상기 가상 접지 커패시터 공통단자로부터 두 배의 주파수 출력 전력을 발생시킨다.According to a second aspect of the present invention, an oscillator core comprising an LC resonator for determining an oscillation frequency and a transistor network in which a pair of symmetric transistors are differentially coupled to compensate for the loss of the LC resonator is provided, and the base terminal of the symmetric transistor is provided. The capacitors are commonly connected to each other to form a common ground capacitor common terminal, and generate twice the frequency output power from the common ground capacitor common terminal.
마지막으로, 본 발명의 제3 측면에 따르면, 기본 발진 주파수를 결정하는 LC 공진기와 LC 공진기의 저항성 손실을 보상하기 위해 부성저항성분을 만들어 내기 위한 정궤환 구조로 교차 결합된 트랜지스터 회로망으로 이루어진 발진기 코어가 제공되며, 상기 대칭 트랜지스터의 베이스 단자에 레지스터를 공통으로 연결하여 가상 접지 레지스터 공통단자를 구성하고, 상기 가상 접지 레지스터 공통단자로부터 두 배의 주파수 출력 전력을 발생시킨다.Finally, according to the third aspect of the present invention, an oscillator core composed of a transistor network cross-coupled with a positive feedback structure for producing a negative resistance component to compensate for resistive losses of an LC resonator and an LC resonator for determining a fundamental oscillation frequency And a resistor is commonly connected to the base terminal of the symmetric transistor to form a virtual ground resistor common terminal, and generates twice the frequency output power from the virtual ground resistor common terminal.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 주파수 체배를 위한 커패시터 공통단자를 이용한 발진기 코어의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of an oscillator core using a capacitor common terminal for frequency multiplication according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 주파수 체배를 위한 커패시터 공 통단자를 이용한 발진기 코어의 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 교차 결합된 회로망에서 전류신호의 흐름을 나타낸 발진기 코어의 구성도, 도 5는 본 발명에 따른 베이스-에미터 접합 트랜지스터에서 전류신호의 크기에 대한 전압신호의 왜곡특성을 나타낸 전압-전류 특성도, 도 6은 본 발명에 따른 발진기 코어 트랜지스터의 온/오프 상태에 따른 전류의 흐름을 나타낸 발진기 코어의 구성도, 도 7은 본 발명에 따른 트랜지스터 베이스 단자에서의 전류신호에 대한 전압신호의 왜곡 특성도, 도 8은 본 발명에 따른 컬렉터 단자에서 반대쪽 트랜지스터까지 교차 결합된 회로망의 소신호 등가 회로도 (Small-signal Equivalent Circuit), 도 9는 본 발명에 따른 트랜지스터의 베이스 단에서 전압신호의 상승시간과 하강시간 차를 나타낸 전압 특성도, 도 10은 본 발명에 따른 공통단자 커패시터 C 2 의 증가에 따른 출력전력의 변화도, 도 11은 본 발명에 따른 커패시터 공통단자에서 얻어낸 두 배로 체배된 주파수 출력신호를 나타낸 전압 특성도이다.3 is a configuration diagram of an oscillator core using a capacitor common terminal for frequency multiplication according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a configuration of an oscillator core showing a current signal flow in a cross-coupled network according to the present invention. 5 is a voltage-current characteristic diagram illustrating distortion characteristics of a voltage signal with respect to a magnitude of a current signal in a base-emitter junction transistor according to the present invention. FIG. 6 is an on / off state of an oscillator core transistor according to the present invention. Fig. 7 is a diagram illustrating a distortion characteristic of a voltage signal with respect to a current signal in a transistor base terminal according to the present invention, and Fig. 8 is a cross section from a collector terminal to an opposite transistor according to the present invention. Small-signal Equivalent Circuit of a Combined Network, FIG. 9 shows at the base end of a transistor according to the invention. Voltage characteristic showing the rise time and fall time difference between the pressure signal, and Fig. 10 is a variation of the output power according to the common terminal capacitor increases in C 2 in accordance with the present invention, is 11 two eoteonaen in capacitor common terminal according to the invention A voltage characteristic diagram showing a frequency output signal multiplied by a factor of two.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예인 주파수 체배를 위한 커패시터 공통단자를 이용한 발진기 코어는 인덕터와 가변용량다이오드(Varactor Diode)로 구성되는 LC 공진기(110)와 트랜지스터 교차 결합을 위한 교차 회로망(120)과 LC 공진기(110)의 기생 저항성분에 의해 생기는 신호의 감쇄를 보상해주기 위한 부성저항성분을 발생시키는 제1 트랜지스터(133)와 제2 트랜지스터(134)가 교차 결합되어 구성되고, 제1 및 제2 트랜지스터(133, 134)의 베이스 입력 단자에 연결되어 있는 커패시터(136, 137)에서 180o 의 위상차를 갖는 두 차동 전압 (131,132)의 합을 추출함으로써 기본주파수 성분은 억제하고 두 배의 주파수 출력을 만들어 내게 된다. As shown in FIG. 3, an oscillator core using a capacitor common terminal for frequency multiplication, which is an embodiment of the present invention, includes an
상기 커패시터(136, 137)의 공통단자(135)에서 출력신호를 만들어 내는 주요한 원리는 크게 두 가지로 나누어진다. The main principle of generating an output signal at the
하나는 180o 의 위상차를 가지는 두 신호가 제1 및 제2 트랜지스터(133, 134)의 베이스-에미터의 다이오드 전압-전류 특성 곡선의 비선형성 때문에 신호에 왜곡(Distortion)이 발생하여 두 신호는 커패시터(136, 137)를 통해 공통단자(135)에서 더해지게 되어 두 배의 출력 주파수를 갖는다.One of the two signals having a phase difference of 180 o causes distortion in the signal due to nonlinearity of the diode voltage-current characteristic curves of the base-emitters of the first and
또한, 다른 하나는 제1 및 제2 트랜지스터(133, 134)의 출력과 서로 반대쪽 트랜지스터의 입력을 교차 연결해주는 커패시턴스에 의해 신호의 상승시간과 하강시간의 시상수 차이가 생기게 되어 2차 고조파 성분의 전력이 증가된다. 이 때, 두 신호가 커패시터(136, 137)를 통해 공통단자(135)에서 더해지게 되면 위상이 180o 차이가 나는 기본 주파수 성분은 사라지고 2차 고조파 성분만이 남게 되어 두 배의 주파수 출력 전력이 발생된다. In addition, the other is a capacitance that cross-connects the outputs of the first and
상술한 두 가지 이유가 복합적으로 작용하여 커패시터(136, 137)의 공통단자(135)에서는 전압 제어 발진기 코어(Core)의 발진 주파수에 예컨대, 두 배의 주파수 출력 전력을 얻을 수 있다. The two reasons mentioned above work in combination, so that the
이하에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주파수 체배를 위한 커패시터 공통단자를 이용한 발진기 코어의 출력 주파수가 두 배가 되는 특성에 대하여 상세 하게 설명한다.Hereinafter, a characteristic in which an output frequency of an oscillator core using a capacitor common terminal for frequency multiplication according to a preferred embodiment of the present invention is doubled will be described in detail.
본 발명의 실시예에 따른 두 배 주파수로 체배된 출력신호는 회로 내에 존재할 수 밖에 없는 비선형성에 의한 신호의 왜곡을 이용하여 얻을 수 있게 된다. 단, 여기서 180o 의 위상차를 갖는 음의 출력과 양의 출력의 두 전류신호는 이상적인 온/오프를 반복하는 왜곡이 없는 신호라 가정한다.The output signal multiplied by the double frequency according to the embodiment of the present invention can be obtained by using the distortion of the signal due to nonlinearity that must exist in the circuit. However, it is assumed here that the two current signals of the negative output and the positive output having the phase difference of 180 o are the signals without distortion that repeat the ideal on / off.
도 4는 교차 결합된 회로망에서 신호의 흐름을 나타낸 것으로, 상기 주파수 체배를 위한 커패시터 공통단자를 이용한 발진기 코어는 회로가 대칭이므로 Vc- 단자(131)가 음의 신호이면 Vc+ 단자(132)는 양의 신호가 된다. 4 shows the flow of signals in a cross-coupled network. Since the circuit of the oscillator core using the capacitor common terminal for frequency multiplication has a symmetrical circuit, if the Vc-
상기 Vc- 단자(131)의 양의 신호는 커플링(Coupling) 커패시터(121)를 지나 반대쪽 제2 트랜지스터(134)의 베이스와 커패시터 공통단자(Vout, 135)로 이동하게 되는데, 상기 커패시터 공통단자(135)는 기본 주파수 성분(fundamental)에 대해 가상접지(virtual ground) 이므로, 커패시터 공통단자(135)에서 기본 주파수 성분은 사라지고, 2차 고조파(2nd harmonics)성분만 남게 되어 출력된다. The positive signal of the Vc-terminal 131 passes through the
반대의 경우 상기 Vc+ 단자(132)의 신호가 양의 신호이면 Vc- 단자(131)의 신호는 음의 신호가 되어 반대 경로에 따라 이동하게 되어 상기 설명한 바와 같은 2차 고조파(2nd Harmonics) 출력을 얻게 된다.On the contrary, if the signal of the Vc + terminal 132 is a positive signal, the signal of the Vc-
상기 커패시터 공통단자(135)에서의 2차 고조파의 크기는 베이스 단자에서 전압신호가 얼마만큼 왜곡이 되었는가에 따라 달라지게 된다. The magnitude of the second harmonic at the capacitor
도 5는 전압신호의 왜곡을 개념적으로 나타낸 것으로, 전류신호가 상승과 하 강을 반복할 때 베이스-에미터 접합에서 다이오드의 지수함수적 전압-전류 특성곡선에 의해 전압신호의 상위부분이 하위부분에 비해 왜곡 되는 것을 알 수 있다. 5 conceptually illustrates the distortion of a voltage signal. When the current signal is repeatedly rising and falling, the upper part of the voltage signal is lowered by the exponential voltage-current characteristic curve of the diode at the base-emitter junction. It can be seen that compared to the distortion.
이와 같은 결과는 전류신호가 상승과 하강함에 따라 베이스 입력 저항의 크기가 변하여 상승시와 하강시에 신호의 기울기가 변하기 때문이다. This result is because the magnitude of the base input resistance changes as the current signal rises and falls, and thus the slope of the signal changes during the rise and fall.
이러한 베이스 입력 저항 값의 변화를 구체적으로 설명하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 발진기 코어의 두 트랜지스터(133, 134)는 180o 의 위상 차이를 갖고 온/오프를 반복하게 되며 발진기 코어의 전체 전류는 고정 전류원(Current Source)에 의해 2It로 제한되는데, 제1 트랜지스터(133)에 베이스 전류신호가 양의 신호로 인가되면 제1 트랜지스터(133)는 도통되어 의 전류를 흘리게 되는 반면, 반대쪽 제2 트랜지스터(134)에 베이스 전류신호가 음의 신호로 인가되어 제2 트랜지스터(134)는 차단되어 의 전류가 된다. 이 때, 제1 및 제2 트랜지스터(133, 134)의 베이스 입력저항 는 서로 다른 값을 갖게 되어 상승시간과 하강시간에서의 전압신호의 기울기 차이가 발생되는 것이다. 제1 및 제2 트랜지스터(133, 134)의 베이스 입력 저항을 각각 , 라고 하면, 차단되는 제1 트랜지스터의 은 다음과 같이 구해진다. 이므로, These bass input resistance Specifically, as shown in FIG. 6, the two
가 되고, 의 조건에 의해 는 매우 큰 값의 저항성분이 된다. 여기서, 는 트랜지스터의 이미터 공통 증폭기에서의 전류 증폭률이다. 반면, 반대쪽의 제2 트랜지스터(134)는 도통되어 는 이므로, Become, By the terms of Becomes a very large resistance component. here, Is the current amplification factor in the emitter common amplifier of the transistor. On the other hand, the
가 되어 상대적으로 보다 저항성분이 작게 되는 것을 알 수 있고, 수학식1과 수학식2의 관계로부터 Become relatively It can be seen that the resistance component becomes smaller, and from the relationship between
의 결과를 알 수 있다. The result can be seen.
상기 수학식3과 같은 베이스 입력저항의 변화에 따른 전압신호의 왜곡을 도 7에 도시된 바와 같이 자세하게 나타내고 있다. 전류신호(점선)와 전압신호(실선)는 베이스-에미터 접합 커패시터 특성 때문에 전압신호가 전류신호보다 90o 늦은 위상 차이를 가지고 발생되고, 접합 커패시터 성분과 베이스 입력 저항성분 때문에 신호의 상승시간과 하강시간의 차이가 나타나게 된다. 베이스 입력 저항 rp 는 베이스 전류신호가 상승(영역-1)함에 따라 줄어들게 되어 도 7에 도시된 것처럼 전류, 전압신호가 상승하는 최대치(Peak)지점에서는 전류신호보다 전압신호의 상승하는 기울기가 더욱 심해지고 이와 반대로 전류신호가 양의 최대치에서 음의 최대치로 하강하는 동안(영역-2)에는 베이스 입력 저항 rp 는 점점 큰 값을 가지게 되어 전압신호의 하강하는 기울기가 완만해져 전압신호가 왜곡되는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 두 개의 제1 및 제2 트랜지스터(133, 134)의 베이스에서 왜곡된 입력 전압신호가 커패시터 공통단자(135)에서 서로 180°의 위상 차이를 보이며 더해지게 되어 두 배의 주파수 출력을 얻을 수 있고, 발진기 코어에 공급되는 전류를 증가시키게 되면 각 트랜지스터(133, 134)의 베이스 단자에서 왜곡되는 전압신호의 크기도 증가되므로 출력 전력의 크기를 증가시킬 수 있게 된다. The distortion of the voltage signal according to the change of the base input resistance as shown in
본 발명의 실시예의 두 배의 주파수 출력을 얻기 위한 다른 하나의 특징은 교차 결합된 회로망에서 신호 상승시간의 시상수 값이 줄어들게 되어 출력이 얻어지는 것이다. 간단한 해석을 하기 위해 발진기 코어의 마주보는 두 증폭기는 완벽한 대칭이며, 트랜지스터의 베이스에 입력되는 컬렉터 신호가 이상적이라 가정할 때, 대칭인 두 증폭기 중에서 한쪽의 증폭기에 대한 신호만을 해석한다면, 나머지 다른쪽의 증폭기에 대한 신호결과는 동일하다. 한쪽의 증폭기에 대한 신호를 해석하기 위한 등가회로는 도 8에 도시된 바와 같다.Another feature for obtaining twice the frequency output of the embodiment of the present invention is that the time constant value of the signal rise time is reduced in the cross-coupled network so that the output is obtained. For simplicity, the two opposing amplifiers of the oscillator core are perfectly symmetric, assuming that the collector signal input to the base of the transistor is ideal, if only one of the two symmetrical amplifiers interprets the signal for one of the amplifiers, the other The signal result for the amplifier of is same. An equivalent circuit for interpreting a signal for one amplifier is shown in FIG.
도 8은 컬렉터 단자에서 반대쪽 트랜지스터까지 교차 결합된 회로망의 소신호 등가 회로도(Small-signal Equivalent Circuit)로서, LC-탱크(도 3의 110) 대신 임의의 이상적인 신호원으로 대치하여 컬렉터 단자에서 반대쪽 트랜지스터까지 교차 결합된 회로망(도 3의 120)을 소신호 등가 회로도(Small-signal Equivalent Circuit)로 나타낼 수 있다. 등가회로에서 신호 흐름에 대한 시상수를 수식으로 나타내면,FIG. 8 is a small-signal equivalent circuit of a network cross-coupled from the collector terminal to the opposite transistor, replacing the LC-tank (110 in FIG. 3) with any ideal signal source and replacing the opposite transistor at the collector terminal. The cross-coupled network (120 of FIG. 3) may be represented as a small-signal equivalent circuit. If the time constant for the signal flow in an equivalent circuit is expressed by a formula,
가 된다. 여기서, 은 커플링 커패시터, 는 공통단자 커패시터, 는 트랜지스터의 베이스-이미터 접합 커패시턴스 성분이며, 는 트랜지스터의 베이스 입력 저항이다. 컬렉터의 전압신호는 , , 에 충전이 이루어지게 되고 충전된 에너지는 대부분 커패시터 공통단자로 방전하게 되고 일부는 트랜지스터의 베이스 입력 단자로 방전하게 된다. 수학식4에서 과 가 고정된 값을 갖는다면, 충전시의 전체 커패시턴스 값은 공통단자 커패시터 의 용량 값에 의해 변하게 되고 의 용량 값이 커질수록 전체 시상수 의 값은 작아지게 된다. 결과적으로 트랜지스터 베이스 입력 단에서의 신호는 도 9에 도시된 바와 같이, 상승시간이 하강시간보다 짧아지게 되어 2차 고조파 성분의 전력이 증가되어 커패시터 공통단자(Vout)에서 체배된 주파수 출력전력이 증가하는 특성을 얻을 수 있게 된다. 이러한 공통단자 커패시터 의 용량 값의 증가에 따른 출력전력의 변화를 도 10에 나타내었다. 도면에서와 같이 의 용량 값이 증가하면 상승시간이 짧아져 출력전력이 증가하는 특성을 보여주고 있다. Becomes here, Silver coupling capacitor, Is a common terminal capacitor, Is the base-emitter junction capacitance component of the transistor, Is the base input resistance of the transistor. The voltage signal of the collector , , In this case, most of the charged energy is discharged to the common terminal of the capacitor, and some of the energy is discharged to the base input terminal of the transistor. In Equation 4 and Has a fixed value, the total capacitance value during charging is the common terminal capacitor. Is changed by the capacity value of The larger the time value, the greater the time constant The value of becomes small. As a result, the signal at the transistor base input terminal has a rise time shorter than the fall time, as shown in FIG. 9, thereby increasing the power of the second harmonic component, thereby increasing the frequency output power multiplied by the capacitor common terminal Vout. To obtain the characteristics. These common terminal capacitor The change in output power with increasing capacitance value is shown in FIG. 10. As in the drawing As the capacity value increases, the rise time is shortened and the output power increases.
상기한 간단한 수학식으로부터 상승시간과 하강시간의 시상수의 차이가 생기게 되는 것을 알 수 있으며, 이로 인해 도 11에 도시된 바와 같이 커패시터 공통단자(도 3의 135)에서 두 배 체배된 주파수 출력을 얻을 수 있게 된다. It can be seen from the above simple equation that the time constant of the rise time and the fall time is generated, and as a result, as shown in FIG. 11, the frequency output doubled at the capacitor common terminal (135 in FIG. 3) is obtained. It becomes possible.
본 발명은 다음의 예제와 같이 다른 능동소자 및 다른 구조의 발진기에서 응용이 가능하다. 도 12는 본 발명의 실시예의 능동소자인 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT:Bipolar Junction Transistor)를 전계 효과 트랜지스터(FET:Field Effect Transistor)로 대치하여 구성한 회로도 이다. 도 13은 본 발명에서와 같이 교차 결합된 부성저항 차동 발진기의 형태가 아닌 콜피츠 발진기를 밸런스 구조로 구성한 일반적인 차동 형태의 발진기에서 캐패시터 공통단자를 이용하여 구성한 회로도이 며, 도 12에서와 같이 능동소자는 바이폴라 접합 트랜지스터 뿐 아니라 전계 효과 트랜지스터로도 구성이 가능하다. 또한 도 14와 같이 캐패시터 공통단자를 레지스터 공통단자로 대치하여 회로 구성이 가능하다. 본 발명의 실시예와 몇 가지 가능한 회로를 이용하여 LC 탱크에 두 배의 주파수를 추출 할 수 있게 된다.The present invention is applicable to other active devices and oscillators of different structures as in the following example. FIG. 12 is a circuit diagram of a bipolar junction transistor (BJT) as an active device of an embodiment of the present invention replaced with a field effect transistor (FET). FIG. 13 is a circuit diagram using a common capacitor terminal in a general differential type oscillator having a balanced structure instead of a cross-coupled negative resistance differential oscillator as in the present invention, and as shown in FIG. 12. Can be configured not only for bipolar junction transistors but also for field effect transistors. In addition, as shown in FIG. 14, the capacitor common terminal is replaced with the register common terminal, thereby enabling a circuit configuration. Using embodiments of the present invention and several possible circuits, it is possible to extract twice the frequency into the LC tank.
본 발명과 상술한 몇 가지 실시예와 같이 주파수 체배를 위한 커패시터 공통단자를 이용한 발진기 코어는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술적 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다. The oscillator core using the capacitor common terminal for frequency multiplication, as in the present invention and some embodiments described above, is not limited to the above embodiments and can be modified in various ways within the scope of the technical spirit of the present invention. .
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 주파수 체배를 위한 커패시터 공통단자를 이용한 발진기 코어에 의하면, 고주파 대역용 교차 결합된 차동구조 전압 제어 발진기의 설계시에 부가적인 회로나 소자 없이 커패시터 공통단자를 이용함으로써, 발진기 코어 주파수의 2배에 해당하는 주파수 출력을 얻을 수 있고, 단일 초고주파 집적회로(MMIC : Monolithic Microwave Integrated Circuit) 또는 RF 집적회로(Radio Frequency Integrated Circuit)의 구현시에 반도체 면적과 전류소모를 감소시키는 장점을 갖는다.According to the oscillator core using the capacitor common terminal for frequency multiplication of the present invention made as described above, by using the capacitor common terminal without additional circuitry or elements in the design of the cross-coupled differential voltage controlled oscillator for the high frequency band, Frequency output corresponding to twice the oscillator core frequency can be obtained, and semiconductor area and current consumption can be reduced when implementing a single monolithic microwave integrated circuit (MMIC) or radio frequency integrated circuit (RF). Has an advantage.
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