KR100737630B1 - 2분주기를 사용하지 않는 오프셋 국부발진기 - Google Patents

2분주기를 사용하지 않는 오프셋 국부발진기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2분주기를 사용하지 않는 국부발진기에 관한 것으로, 국부발진 주파수의 1/3 주파수를 갖는 I/Q 신호, 및 국부발진 주파수의 2/3 주파수를 갖는 차동 2차고조파 신호를 발생시키는 4위상 전압제어 발진기와, 4위상 전압제어 발진기로부터 입력된 차동 2차고조파 신호를 I/Q 신호로 변환시키는 다위상 필터 및, 국부발진 주파수의 1/3 주파수를 갖는 I/Q 신호를 4위상 전압제어 발진기로부터 입력으로 받고, 국부발진 주파수의 2/3 주파수를 갖는 I/Q 신호를 다위상 필터로부터 입력으로 받아, 국부발진 주파수를 갖는 I/Q 신호를 출력하는 단측파대 주파수 변환기를 구비한다.
4위상 전압제어 발진기, 2분주기, 다위상 필터, 단측파대 주파수 변환기

Description

2분주기를 사용하지 않는 오프셋 국부발진기{AN OFFSET LOCAL OSCILLATOR WITHOUT USING A FREQUENCY DIVIDER}
도 1a 내지 도 1c는 종래의 2분주기를 구비하는 전압제어 발진기의 구조를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2분주기를 사용하지 않는 국부발진기를 도시한 구성도이다.
도 3은 차동 전압제어 발진기를 도시한 회로도이다.
도 4는 도 2에 도시된 4위상 전압제어 발진기를 구현하는 회로도이다.
도 5는 도 2에 도시된 단측파대 주파수 변환기를 설명하기 위해 도시한 구성도이다.
도 6a 내지 6c는 모의실험을 통한 2분주기를 사용하지 않는 국부발진기의 특성을 도시한 파형도이다.
본 발명은 2분주기를 사용하지 않는 국부발진기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 4위상 전압제어발진기와 다위상 필터 및 단측파대 주파수 변환기를 사용하여 국부발진 주파수를 갖는 I/Q 신호를 발생시키는 국부발진기에 관한 것이다.
현대의 통신방식에서 동상(Inphase; I) 및 직교 위상 (Quadrature; Q) 신호성분을 갖는 진폭, 및 위상/주파수 변조된 대부분의 변조방식은 I/Q 주파수 변환을 필요로 하며, 이는 무선주파수(Radio Frequency; RF)신호나 혹은 국부 발진 주파수(Local Oscillator; LO) 신호의 90도의 위상 변환을 필요로 한다.
이때 동상 신호와 직교 위상 신호의 진폭은 정확하게 동일하지 않으며, 위상차이도 정확하게 90도가 되지 않는다. 이를 I/Q부정합 (I/Q mismatch)이라 하며 수신된 신호의 품질에 영향을 미친다.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 전압제어 발진기와 2분주기를 이용하여 I/Q 신호주파수를 발생하는 국부 발진기의 여러 가지 구조를 도시한 구성도이다.
도 1a의 (a)를 참조하면, 도 1a의 방식은 국부발진 주파수(ω)의 2배 주파수(2ω)를 갖는 신호를 차동 전압제어 발진기(Differential Voltage Control Oscillator)(101)에서 발생시켜, 이 신호를 2분주기(Frequency Divider)(102)를 통해 주파수를 1/2로 나누어 4위상의 국부발진 주파수를 출력하는 방식이다.
도 1a의 (b)는 차동 전압제어 발진기(101), 2분주기(102), 및 완충 증폭기(103, 104)의 출력신호의 주파수를 도시한 도면이다. 차동 전압제어 발진기(101)에서 국부 발진 주파수(ω)의 두 배의 주파수(2ω)가 출력되고, 2분주기(102)는 이 주파수(2ω)를 입력으로 받아 국부발진 주파수(ω)를 출력한다. 완충증폭기(103, 104)에서는 위상의 변화 없이 2분주기(102)와 같은 주파수(ω)의 신호가 출력된다.
이러한 방식을 이용하면, 차동 전압제어 발진기(101)가 국부발진 주파수(ω) 의 2배의 주파수(2ω)를 발진해야 하고 2분주기(102)를 포함하고 있기 때문에 전력소모가 커지는 단점이 있다. 또한, 2배나 높은 주파수로 차동 전압제어 발진기(101)가 동작하고 2분주기(102) 또한 고속의 동작을 하여야 한다는 문제점이 있다.
도 1b의 (a)를 참조하면, 도 1b의 방식은 국부발진 주파수(ω)의 2/3배 주파수(2ω/3)를 갖는 신호를 차동 전압제어 발진기에서 발생시켜 이 신호의 주파수를 2분주기를 통해 1/2로 나눈다.
이후, 2ω/3 주파수와 ω/3 주파수를 갖는 두 신호를 주파수 변환기(Mixer)에 입력하여 국부발진 주파수(ω)를 갖는 신호를 출력하는 방식이다.
도 1b의 (b)는 차동 전압제어 발진기(111), 2분주기(112), 및 완충 증폭기(115, 116)의 출력신호의 주파수를 도시한 도면이다. 차동 전압제어 발진기(111)에서 국부 발진 주파수(ω)의 2/3배의 주파수(2ω/3)가 출력되고, 이 주파수를 2분주기(112)를 통과하여 1/2로 나눔으로써 국부 발진 주파수(ω)의 1/3배의 주파수(ω/3)가 출력된다.
이 두 주파수가 주파수 변환기(113, 114)를 통과하여 ω/3의 주파수를 갖는 신호와 ω의 주파수를 갖는 신호가 출력된다. 완충증폭기(103, 104)에서는 위상의 변화없이 주파수 변환기(113, 114)와 같은 주파수(ω/3, ω)의 신호가 출력된다.
이러한 방식을 이용하면, 출력단의 직교신호는 cos(ωt)+cos(ωt/3)와 sin(ωt)+sin(ωt/3)이 되어, ωt/3에 해당하는 주파수가 남게 된다. 이러한 주파수를 이미지 주파수(Image Frequency)라고 하며, 이러한 이미지 주파수는 깨끗하고 정확한 신호를 출력하기 위해 제거되어야 하기 때문에 도 1b의 방식을 이용하면, 주파 수 변환된 출력에 이미지를 제거하기 위한 여과기(Filter)가 부수적으로 추가되어야 한다는 문제점이 있다.
도 1c(a)는 도 1b에서 차동 전압제어 발진기를 4위상 전압제어 발진기(Quadrature Voltage Control Oscillator)로 대체하여 사용하고 주파수 변환기 대신에 단측파대 주파수 변환기(Single Side Bandwidth Mixer)를 사용한 것으로, 단측파대 주파수를 사용함으로써 이미지 신호가 상쇄되어 정확한 I/Q 신호를 출력할 수 있다.
도 1c의 (b)는 4위상 전압제어 발진기(121), 2분주기(123), 및 출력단의 완충 증폭기(126, 127)의 출력신호의 주파수를 도시한 도면이다. 4위상 전압제어 발진기(121)에서 국부 발진 주파수(ω)의 2/3배의 주파수(2ω/3)가 출력되고, 이 주파수를 2분주기(123)를 통과하여 1/2로 나눔으로써 국부 발진 주파수(ω)의 1/3배의 주파수(ω/3)가 출력된다.
이 두 주파수가 단측파대 주파수 변환기(124, 125)를 통과하여 ω/3의 주파수를 갖는 신호와 ω의 주파수를 갖는 신호가 출력된다. 출력단의 완충증폭기(126, 127)에서는 위상의 변화 없이 단측파대 주파수 변환기(124, 125)와 같은 주파수(ω/3, ω)의 신호가 출력된다. 이때, 단측파대 주파수 변환기(124, 125)를 사용함으로 인하여 이미지에 해당하는 ω/3의 주파수를 갖는 신호의 크기는 감소하게 된다.
하지만, 도 1c 역시 도 1b와 마찬가지로 2분주기를 포함하고 있기 때문에, 주파수가 높아질수록 2분주기가 잘못 동작될 수 있는 문제점이 있다.
또한, 직교신호를 발생시키는 전압제어 발진기의 주파수가 수 GHz의 높은 주 파수에서 발생하므로 I/Q 신호의 정확도가 떨어지게 된다는 문제점도 있다.
따라서 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 고주파수에서 신뢰할 수 있는 I/Q 신호를 출력하기 위해 2분주기를 사용하지 않는 국부발진기를 제공하는 데 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명에 따른 2분주기를 사용하지 않는 국부발진기는, 국부발진 주파수의 1/3 주파수를 갖는 I/Q 신호, 및 국부발진 주파수의 2/3 주파수를 갖는 차동 2차고조파 신호를 발생시키는 4위상 전압제어 발진기와, 4위상 전압제어 발진기로부터 입력된 차동 2차고조파 신호를 I/Q 신호로 변환시키는 다위상 필터 및, 국부발진 주파수의 1/3 주파수를 갖는 I/Q 신호를 4위상 전압제어 발진기로부터 입력으로 받고, 국부발진 주파수의 2/3 주파수를 갖는 I/Q 신호를 다위상 필터로부터 입력으로 받아, 국부발진 주파수를 갖는 I/Q 신호를 출력하는 단측파대 주파수 변환기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이때, 4위상 전압제어 발진기는, 전원 및 제 1 전류 소오스 간에 접속되어 동위상 신호를 출력하는 제 1 차동 전압 제어 발진기와, 제2차동 전압제어 발진기로부터 출력되는 직교위상 신호를 입력받는 제1단자, 제2전류 소오스와 접속되는 제2단자 및, 상기 제1차동 전압 제어 발진기와 접속되는 제3단자를 갖는 제1및 제2커플링 트랜지스터와, 전원 및 제 3 전류 소오스 간에 접속되어 직교위상 신호를 출력하는 제 2 차동 전압 제어 발진기 및, 제1차동 전압제어 발진기로부터 출력되 는 동위상 신호를 입력받는 제1단자, 제4전류 소오스와 접속되는 제2단자 및, 제2차동 전압 제어 발진기와 접속되는 제3단자를 갖는 제3및 제4커플링 트랜지스터를 구비하는 것이 바람직하다.
여기서, 제 1 차동 전압 제어 발진기는, 제1단자는 제 2 스위칭 트랜지스터의 제3단자에 접속되고, 제2단자는 제 2 스위칭 트랜지스터의 제2단자에 접속되며, 제3단자는 제 2 스위칭 트랜지스터의 제1단자에 접속되는 제 1 스위칭 트랜지스터와, 제1단자는 제 1 스위칭 트랜지스터의 제3단자에 접속되고, 제2단자는 제 1 스위칭 트랜지스터의 제2단자에 접속되며, 제3단자는 제 1 스위칭 트랜지스터의 제1단자에 접속되는 제 2 스위칭 트랜지스터 및, 제 1 및 제 2 스위칭 트랜지스터의 제 3 단자와 전원 간에 접속되는 제1 LC 공진회로를 구비하고, 제 1 및 제 2 스위칭 트랜지스터의 제2단자는 제1전류 소오스에 접속되고, 제 1 및 제 2 스위칭 트랜지스터의 제3단자는 각각 제1및 제2커플링 트랜지스터의 제3단자에 접속되며 동위상 신호를 출력하는 것이 바람직하다.
여기서, 제 2 차동 전압 제어 발진기는, 제1단자는 제 4 스위칭 트랜지스터의 제3단자에 접속되고, 제2단자는 제 4 스위칭 트랜지스터의 제2단자에 접속되며, 제3단자는 제 4 스위칭 트랜지스터의 제1단자에 접속되는 제 3 스위칭 트랜지스터와, 제1단자는 제 3 스위칭 트랜지스터의 제3단자에 접속되고, 제2단자는 제 3 스위칭 트랜지스터의 제2단자에 접속되며, 제3단자는 제 3 스위칭 트랜지스터의 제1단자에 접속되는 제 4 스위칭 트랜지스터 및 , 제 3 및 제 4 스위칭 트랜지스터의 제 3 단자와 전원 간에 접속되는 제2 LC 공진회로를 구비하고, 제 3 및 제 4 스위 칭 트랜지스터의 제2단자는 제3전류 소오스에 접속되고, 제 3 및 제 4 스위칭 트랜지스터의 제3단자는 각각 제3및 제4커플링 트랜지스터의 제3단자에 접속되며 직교위상 신호를 출력하는 것이 바람직하다.
여기서, 제1 LC 공진회로는, 일단은 전원에 접속되고, 타단은 상기 제 1 및 제 2 스위칭 트랜지스터의 제 3 단자에 각각 접속되는 제 1 및 제 2 인덕터 및, 일단은 상기 제 1 및 제 2 스위칭 트랜지스터의 제 3 단자에 접속되고, 타단은 서로 접속되는 제 1 및 제 2 바랙터 다이오드를 구비하고, 제 1 및 제 2 바랙터 다이오드의 타단의 접속점에는 동위상 신호의 주파수를 제어하기 위한 제어전압이 인가되는 것이 바람직하다. 또한, 제2 LC 공진회로는, 일단은 전원에 접속되고, 타단은 제 3 및 제 4 스위칭 트랜지스터의 제 3 단자에 각각 접속되는 제 3 및 제 4 인덕터 및, 일단은 제 3 및 제 4 스위칭 트랜지스터의 제 3 단자에 접속되고, 타단은 서로 접속되는 제 3 및 제 4 바랙터 다이오드를 구비하고, 제 3 및 제 4 바랙터 다이오드의 타단의 접속점에는 직교위상 신호의 주파수를 제어하기 위한 제어전압이 인가되는 것이 바람직하다.
위에서 언급한 트랜지스터는 n형 트랜지스터이고, 제 1 단자는 게이트, 제 2 단자는 소오스, 제 3 단자는 드레인일 수 있다. 그리고, n형 트랜지스터는 바이폴라 정션 트랜지스터(BJT), 정션 전계효과 트랜지스터(JFET), 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET), 및 금속 반도체 전계효과 트랜지스터(MESFET) 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 2분주기를 사용하지 않는 국부발진기는, 4위상 전압제어 발 진기와 다위상 필터 사이에 접속되어서, 4위상 전압제어 발진기로부터 출력된 차동 2차고조파 신호를 증폭하는 완충증폭기를 더 구비하고, 완충 증폭기는 출력단의 임피던스 변화로 인한 4위상 전압제어 발진기의 발진 주파수 변화를 막는다.
또한, 본 발명에 따른 2분주기를 사용하지 않는 국부발진기는, 단측파대 주파수 변환기의 출력단에 접속되어서, 단측파대 주파수 변환기로부터 출력된 신호를 증폭하는 완충증폭기를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 2분주기를 사용하지 않는 국부발진기에서, 단측파대 주파수 변환기는 이미지 주파수를 차단하고 국부발진 주파수를 갖는 신호를 통과시킨다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2분주기를 사용하지 않는 국부발진기를 도시한 구성도이다.
도 2를 참조하면, 2분주기를 사용하지 않는 국부발진기는 4위상 전압제어 발진기(200), 제 1 완충 증폭기(201), 제 2 완충 증폭기(205), 제 3 완충 증폭기(206), 다위상 필터(202), 제 1 단측파대 주파수 변환기(203), 및 제 2 단측파대 주파수 변환기(204)로 구성된다.
4위상 전압제어 발진기(200)는 국부발진 주파수(ω)의 1/3에 해당하는 ω/3 주파수를 갖는 I/Q 신호와, 2ω/3의 주파수를 갖는 차동 2차 고조파 신호를 발생시킨다.
여기서, 다위상 필터(Poly-Phase Filter)(202)는 4위상 전압제어 발진기(200)의 출력중 하나인 2ω/3의 주파수를 갖는 차동 2차 고조파 신호를 제 1 완충증폭기(201)를 거쳐 입력으로 받아 2ω/3의 주파수를 갖는 I/Q 신호로 변환한다.
여기서, 단측파대 주파수 변환기(203, 204)는 4위상 전압제어 발진기(200)의 출력중 하나인 ω/3의 주파수를 갖는 I/Q 신호와, 다위상 필터(202)의 출력인 2ω/3의 주파수를 갖는 I/Q 신호를 입력으로 받아, 이미지주파수(ω/3)는 억압하여 이미지를 제거하고, 국부발진 주파수(ω)를 갖는 신호는 통과시켜 국부발진 주파수(ω)만을 갖는 신호를 출력한다.
도 3은 차동 전압제어 발진기를 도시한 회로도이다.
도 3을 참조하면, 차동 전압제어 발진기는 공진주파수를 결정하는 인덕터(Ltank)와 바랙터 다이오드(Cvar), 부성저항(negative Resistance)을 만들어 주는 MOS 트랜지스터(Msw), 및 전류를 일정하게 흐르도록 바이어스를 잡아주는 전류 소오스(Isrc)로 구성된다.
두 개의 MOS 트랜지스터가 공통으로 연결된 A노드에서의 주파수는 Out 노드에서의 2배의 주파수 성분을 갖고, 2배의 고조파 성분의 진폭은 Out 노드에서의 진폭보다는 작다. 여기서, MOS 트랜지스터와 바이어스 전류를 적절하게 조절하면 수백 mV 정도의 진폭을 얻을 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 4위상 전압제어 발진기를 구현하는 회로도이다.
도 4를 참조하면, 4위상 전압 제어 발진기(200)는 도 4의 (a) 및 (b)가 서로 커플링되어 구성된다.
도 4의 (a)에 도시된 회로는 제 1 차동 전압 제어 발진기(410), 제1 및 제2전류 소오스(Isrc41 및 Isrc42), 제1 및 제2커플링 트랜지스터(Mclp41 및 Mclp42)로 구성되고, 크기가 실질적으로 같고 위상차가 실질적으로 180도인 +/- 동위상(in-phase) 신호를 출력한다. 유사하게, 도 4의 (b)에 도시된 회로는 제 2 차동 전압 제어 발진기(420), 제3 및 제4전류 소오스(Isrc43 및 Isrc44), 제3 및 제4커플링 트랜지스터(Mclp43 및 Mclp44)로 구성되고, 크기가 실질적으로 같고 위상차가 실질적으로 180도인 +/- 직교위상(quadrature-phase) 신호를 출력한다.
여기서 동위상과 직교위상 신호간에는 90도의 위상 차이가 나고, 예를 들어 동위상 신호가 0도와 180도의 위상을 갖게 되면, 직교위상 신호는 90도와 270도의 위상을 갖는 신호가 된다.
도 4의 (a)에 도시된 회로의 접속관계를 더욱 상세히 설명하면, 제 1 차동전압 제어 발진기(410)는 전압전원(VDD) 및 제1전류 소오스(Isrc41)간에 접속되고, 인가되는 제어전압(Vtune41)에 따라 일정 주파수의 신호를 출력한다. 제1 및 제2커플링 트랜지스터(Mclp41 및 Mclp42)의 드레인은 제 1 차동전압 제어 발진기(410)에 접속되고, 소오스는 서로 접속되어 제2전류 소오스(Isrc42)에 접속된다.
또한, 제1커플링 트랜지스터(Mclp41)의 게이트에는 제 2 차동 전압 제어 발 진기(420)의 출력신호 Q+가 입력되고, 제2커플링 트랜지스터(Mclp42)의 게이트에는 제 2 차동 전압 제어 발진기(420)의 출력 Q-가 입력된다.
유사하게, 도 4의 (b)에 도시된 회로의 접속관계를 더욱 상세히 설명하면, 제2 차동전압 제어 발진기(420)는 전압전원(VDD) 및 제3전류 소오스(Isrc43)간에 접속되고, 인가되는 제어전압(Vtune42)에 따라 일정 주파수의 신호를 출력한다. 제3 및 제4커플링 트랜지스터(Mclp43 및 Mclp44)의 드레인은 제 2 차동전압 제어 발진기(420)에 접속되고, 소오스는 서로 접속되어 제4전류 소오스(Isrc44)에 접속된다.
또한, 제3커플링 트랜지스터(Mclp43)의 게이트에는 제 1 차동 전압 제어 발진기(410)의 출력신호 I-가 입력되고, 제4커플링 트랜지스터(Mclp44)의 게이트에는 제 1 차동 전압 제어 발진기(410)의 출력 I+가 입력된다.
이하에서는 도 4의 (a) 및 (b)에 도시된 차동 전압 제어 발진기(410, 420)를 구현하는 회로의 구성을 설명한다. 다만, 제 1 차동 전압 제어 발진기(410)와 제 2 차동 전압 제어 발진기(420)의 구성이 동일하므로, 이하에서는 제 1 차동 전압 제어 발진기(410)를 중심으로 설명하기로 한다.
제 1 차동 전압 제어 발진기(410)는 제1 및 제2 스위칭 트랜지스터(Msw41 및 Msw42), 제 1 및 제 2 인덕터(Ltank41 및 Ltank42), 및 제 1 및 제 2 바랙터 다이오드(Cvar41 및 Cvar42)를 포함한다.
제 1 차동 전압 제어 발진기(410) 내의 제1 및 제2 스위칭 트랜지스터(Msw41 및 Msw42)는 서로 크로스 접속되어 차동전압제어 발진기(410)의 부성 저항을 생성 한다. 구체적으로는, 제 1 스위칭 트랜지스터(Msw41)의 게이트는 제 2 스위칭 트랜지스터(Msw42)의 드레인에 접속되고, 제 1 스위칭 트랜지스터(Msw41)의 드레인은 제 2 스위칭 트랜지스터(Msw42)의 게이트에 연결되며, 제 1 스위칭 트랜지스터(Msw41)의 소오스는 제 2 스위칭 트랜지스터(Msw42)의 소오스에 접속된다. 또한, 접속된 제 1 및 제 2 스위칭 트랜지스터(Msw41 및 Msw42)의 소오스는 제 1 전류 소오스(Isrc41)에 접속되고, 제 1 및 제 2 스위칭 트랜지스터(Msw41 및 Msw42)의 드레인은 제 1 차동 전압 제어 발진기(410)외부의 커플링 트랜지스터(Mcpl41 및 Mcpl42)의 드레인과 연결되어 제 2 전류 소오스(Isrc42)에 접속된다.
제 1 차동 전압제어 발진기(410) 내의 제1 및 제2 인덕터(Ltank41 및 Ltank42)와 제1 및 제2 바랙터 다이오드(Cvar41 및 Cvar42)는 LC 공진부를 형성하고, 서로 공진함으로써 발진 신호가 출력되도록 한다. 이 경우, 발진 신호의 주파수는 LC 공진부의 임피던스 값에 따라 가변되는데, 제1 및 제2 바랙터 다이오드(Cvar41 및 Cvar42)의 커패시턴스 값이 제어전압(Vtune41)에 의하여 가변됨으로써, 출력 신호의 주파수가 변하게 된다.
제 1 차동 전압 제어 발진기(410)가 특정 주파수(ω)에서 발진하게 되면, 그 출력 신호(I+, I-)가 제3 및 제4 커플링 트렌지스터(Mclp43 및 Mclp44)를 통하여 제 2 차동 전압제어 발진기(420)에 인가된다. 이 경우 제 1 차동 전압제어 발진기(410)의 차동 출력 신호는 제3 및 제4 커플링 트랜지스터(Mclp43 및 Mclp44)를 통하여 제 2 차동 전압 제어 발진기(420)의 공통소스 노드 B에 겹쳐지게 되어 2배의 주파수(2ω)를 갖는 차동 2차고조파 신호가 발생 된다.
마찬가지로 제 2 차동 전압제어 발진기(420)의 출력신호(Q+, Q-)가 제1 및 제2 커플링 트랜지스터(Mclp41 및 Mclp42)를 통하여 제 1 전압제어 발진기(410)로 전달되고, 제 1 차동 전압 제어 발진기(410)의 공통 소스 노드 A에는 2배의 주파수(2ω)를 갖는 차동 2차고조파 신호가 발생 된다.
4위상 전압제어 발진기(200)에 사용되는 8개의 능동소자(Mcpl41 내지 Mcpl44, Msw41 내지 Msw44)는 게이트, 소오스, 및 드레인을 구비하고, 각 능동 소자는 게이트 및 소오스 간에 인가되는 전압의 크기 및 극성에 따라서 드레인으로부터 소오스로 또는 그 역으로 흐르는 전류의 크기 및 방향이 결정되는 특성을 갖는다.
이러한 능동 소자로는 바이폴라 정션 트랜지스터(BJT), 정션 전계효과 트랜지스터(JFET), 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET), 및 금속 반도체 전계효과 트랜지스터(MESFET) 등이 있다.
어떤 능동 소자는 게이트, 소오스, 및 드레인 이외에 바디단자를 더 구비하는 특성을 갖는다. 이러한 능동소자는 게이트 및 바디 단자간에 인가되는 전압의 크기 및 극성에 따라서, 소오스로부터 드레인으로 또는 그 역으로 흐르는 전류의 양 및 방향이 결정되는 특성을 갖는다. 이러한 능동 소자로는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET) 등이 있다.
이상의 설명에서는 MOSFET을 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 정신은 MOSFET 뿐만 아니라 상기와 같은 특성을 가지는 모든 능동 소자에 적용할 수 있다. 따라서, 비록 본 명세서에는 MOSFET을 중심으로 설명하지만, 본 발명의 개념과 범 위가 MOSFET으로 한정되는 것은 아니다.
또한, 이상의 설명에서는 n 타입의 MOSFET을 이용한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로써, 본 발명의 정신이 MOSFET의 특정 타입에 한정되는 것은 아니며, p 타입의 MOSFET 소자를 이용하여 실질적으로 동일한 동작을 하도록 구현할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 5는 도 2에 도시된 단측파대 주파수 변환기를 설명하기 위해 도시한 구성도이다.
도 5를 참조하면, 단측파대 주파수 변환기(203, 204)는 4개의 주파수 변환기(510 내지 540)를 사용하여 이미지주파수를 갖는 신호는 제거하고 출력하고자 하는 주파수를 갖는 신호만 출력한다.
4위상 전압제어 발진기(200)의 출력신호 중 국부발진 주파수의 1/3을 갖는 I/Q 신호와 다위상 필터(202)로부터 출력된 국부발진 주파수의 2/3 주파수를 갖는 I/Q 신호를 입력으로 받아 주파수를 변환하고, 변환된 주파수 중 국부발진 주파수를 갖는 I/Q 신호를 출력한다.
주파수 변환기에 두개의 신호주파수 RF(Radio Frequency)신호와 LO(Local Oscillation) 신호를 인가하게 되면, ωLO±ωRF이 주된 출력 성분으로 나오게 된다.
즉, LO 신호의 주파수를 중심으로 양쪽으로 두 주파수의 차이만큼 떨어진 곳에 두개의 주파수 성분이 위치하게 된다. 이중 하나는 원하는 주파수 성분이며, 다 른 하나는 원하지 않는 이미지 성분이 된다.
이러한 이미지는 원하는 신호에 왜곡을 가져오며, 제거 또는 충분히 억압되어야 한다. 이러한 이미지를 억압하기 위해 출력에서 원하는 신호는 그대로 나오게 하고, 원하지 않는 이미지 성분은 억압하는 장치가 단측파대 주파수 변환기(203, 204)이다.
도 6a 내지 6c는 모의실험을 통한 2분주기를 사용하지 않는 국부발진기의 특성을 도시한 파형도이다.
도 6a는 전압제어 발진기, 다위상 필터, 및 최종 출력의 신호파형을 나타낸 그래프이고, 도 6b는 전압제어 발진기의 위상잡음 특성을 나타낸 그래프이며, 도 6c는 이미지 밴드 대역에서의 주파수 억압을 나타내는 그래프이다.
모의실험은 5 GHz 무선랜의 주파수인 5.15~5.35 GHz의 최종 주파수를 발생하도록 설계 하였고, 4 위상 전압제어 발진기(100)에서의 기본주파수 1.7~1.8 GHz의 주파수를 발생시키도록 설계하였으며, 0.18 um CMOS 공정을 이용하였다.
도 6a를 참조하면, 실험결과, 3.4~3.6 GHz의 주파수를 갖는 차동 2차고조파 신호가 출력으로 나오게 되고, 차동 2차고조파 신호는 완충증폭기(200) 및 다위상 필터(300)를 통하여 I/Q 신호로 변환된다. 2차고조파의 I/Q 신호와 기본주파수를 갖는 I/Q 신호를 단측파대 주파수변환기(400, 450)에 인가하면 5.1~5.4 GHz의 주파수가 최종 출력으로 나오게 된다.
도 6b는 1 MHz offset주파수에서 -110 dBc/Hz의 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다. 즉, 5.25 GHz의 주파수에서 1 MHz 떨어진 지점의 에너지가 5.25 GHz의 에너지보다 -110dB 낮게 되는 것으로 관측 되었다.
도 6c는 4위상 전압제어발진기(100)의 바랙터 다이오드의 제어전압을 가변하여 주파수가 변화함에 따라, 이미지 대역에서의 주파수가 억압되고 있는 정도를 보여주고 있다. 실험결과, -40 dB 이상의 이미지 주파수를 억압 해주고 있는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 2분주기를 사용하지 않는 국부발진기는 2분주기를 포함함으로써 발생하는 전력소모를 줄일 수 있다는 효과가 있다.
또한, 종래의 구성보다 낮은 주파수를 갖는 신호를 4위상 전압 제어 발진기에서 출력하는 구성을 가지므로, I/Q의 부정합의 영향이 적어지는 효과가 있고, 이미지를 상쇄하기 위한 필터를 사용하지 않아도 되는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 국부발진 주파수의 1/3 주파수를 갖는 I/Q 신호, 및 국부발진 주파수의 2/3 주파수를 갖는 차동 2차고조파 신호를 발생시키는 4위상 전압제어 발진기;
    상기 4위상 전압제어 발진기로부터 입력된 차동 2차고조파 신호를 I/Q 신호로 변환시키는 다위상 필터; 및
    국부발진 주파수의 1/3 주파수를 갖는 I/Q 신호를 상기 4위상 전압제어 발진기로부터 입력으로 받고, 국부발진 주파수의 2/3 주파수를 갖는 I/Q 신호를 상기 다위상 필터로부터 입력으로 받아, 국부발진 주파수를 갖는 I/Q 신호를 출력하는 단측파대 주파수 변환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 4위상 전압제어 발진기는,
    전원 및 제 1 전류 소오스 간에 접속되어 동위상 신호를 출력하는 제 1 차동 전압 제어 발진기;
    제2차동 전압제어 발진기로부터 출력되는 직교위상 신호를 입력받는 제1단자, 제2전류 소오스와 접속되는 제2단자 및, 상기 제1차동 전압 제어 발진기와 접속되는 제3단자를 갖는 제1및 제2커플링 트랜지스터;
    전원 및 제 3 전류 소오스 간에 접속되어 직교위상 신호를 출력하는 제 2 차동 전압 제어 발진기;및
    제1차동 전압제어 발진기로부터 출력되는 동위상 신호를 입력받는 제1단자, 제4전류 소오스와 접속되는 제2단자 및, 상기 제2차동 전압 제어 발진기와 접속되는 제3단자를 갖는 제3및 제4커플링 트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
  3. 제 2항에 있어서, 제 1 차동 전압 제어 발진기는,
    제1단자는 제 2 스위칭 트랜지스터의 제3단자에 접속되고, 제2단자는 제 2 스위칭 트랜지스터의 제2단자에 접속되며, 제3단자는 제 2 스위칭 트랜지스터의 제1단자에 접속되는 제 1 스위칭 트랜지스터;
    제1단자는 제 1 스위칭 트랜지스터의 제3단자에 접속되고, 제2단자는 제 1 스위칭 트랜지스터의 제2단자에 접속되며, 제3단자는 제 1 스위칭 트랜지스터의 제1단자에 접속되는 제 2 스위칭 트랜지스터; 및
    상기 제 1 및 제 2 스위칭 트랜지스터의 제 3 단자와 전원 간에 접속되는 제1 LC 공진회로를 구비하고,
    상기 제 1 및 제 2 스위칭 트랜지스터의 제2단자는 제1전류 소오스에 접속되고, 상기 제 1 및 제 2 스위칭 트랜지스터의 제3단자는 각각 제1및 제2커플링 트랜지스터의 제3단자에 접속되며 동위상 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
  4. 제 2항에 있어서, 제 2 차동 전압 제어 발진기는,
    제1단자는 제 4 스위칭 트랜지스터의 제3단자에 접속되고, 제2단자는 제 4 스위칭 트랜지스터의 제2단자에 접속되며, 제3단자는 제 4 스위칭 트랜지스터의 제1단자에 접속되는 제 3 스위칭 트랜지스터;
    제1단자는 제 3 스위칭 트랜지스터의 제3단자에 접속되고, 제2단자는 제 3 스위칭 트랜지스터의 제2단자에 접속되며, 제3단자는 제 3 스위칭 트랜지스터의 제1단자에 접속되는 제 4 스위칭 트랜지스터; 및
    상기 제 3 및 제 4 스위칭 트랜지스터의 제 3 단자와 전원 간에 접속되는 제2 LC 공진회로를 구비하고,
    상기 제 3 및 제 4 스위칭 트랜지스터의 제2단자는 제3전류 소오스에 접속되고, 상기 제 3 및 제 4 스위칭 트랜지스터의 제3단자는 각각 제3및 제4커플링 트랜지스터의 제3단자에 접속되며 직교위상 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 제1 LC 공진회로는,
    일단은 전원에 접속되고, 타단은 상기 제 1 및 제 2 스위칭 트랜지스터의 제 3 단자에 각각 접속되는 제 1 및 제 2 인덕터; 및
    일단은 상기 제 1 및 제 2 스위칭 트랜지스터의 제 3 단자에 접속되고, 타단은 서로 접속되는 제 1 및 제 2 바랙터 다이오드를 구비하고,
    상기 제 1 및 제 2 바랙터 다이오드의 타단의 접속점에는 동위상 신호의 주파수를 제어하기 위한 제어전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 제2 LC 공진회로는,
    일단은 전원에 접속되고, 타단은 상기 제 3 및 제 4 스위칭 트랜지스터의 제 3 단자에 각각 접속되는 제 3 및 제 4 인덕터; 및
    일단은 상기 제 3 및 제 4 스위칭 트랜지스터의 제 3 단자에 접속되고, 타단은 서로 접속되는 제 3 및 제 4 바랙터 다이오드를 구비하고,
    상기 제 3 및 제 4 바랙터 다이오드의 타단의 접속점에는 직교위상 신호의 주파수를 제어하기 위한 제어전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
  7. 제 2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 트랜지스터는 n형 트랜지스터이고, 상기 제 1 단자는 게이트, 상기 제 2 단자는 소오스, 상기 제 3 단자는 드레인인 것을 특징으로 하는 국부발진기.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 n형 트랜지스터는 바이폴라 정션 트랜지스터(BJT), 정션 전계효과 트랜지스터(JFET), 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET), 및 금속 반도체 전계효과 트랜지스터(MESFET) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 국부발진기.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 4위상 전압제어 발진기와 상기 다위상 필터 사이에 접속되어서, 상기 4위상 전압제어 발진기로부터 출력된 상기 차동 2차고조파 신호를 증폭하는 완충증 폭기를 더 구비하고,
    상기 완충 증폭기는 출력단의 임피던스 변화로 인한 상기 4위상 전압제어 발진기의 발진 주파수 변화를 막는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 단측파대 주파수 변환기의 출력단에 접속되어서, 상기 단측파대 주파수 변환기로부터 출력된 신호를 증폭하는 완충증폭기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 단측파대 주파수 변환기는 이미지 주파수를 차단하고 국부발진 주파수를 갖는 신호를 통과시키는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
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