KR100759933B1 - 차등 출력 발진기의 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 발진기 회로는 3-단자 소자(3-terminal device)로 이루어진 발진기 회로로, 발전기의 회로의 부성 컨덕턴스(negative conductance)가 보이는 단자에 터널링 다이오드(tunneling diode)가 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 3-단자 소자로 이루어진 발진기 회로로, 발진기 회로는 부성 컨덕턴스가 발생하는 두 개의 단자를 갖는 차등 출력 발진기 회로이고, 부성 컨덕턴스가 발생하는 두 개의 단자는 각각 제 1 , 제 2 터널링 다이오드의 일 단과 연결되며, 제 1, 제 2 터널링 다이오드의 각 타 단은 바이어스 전압을 인가할 수 있게 연결된 것을 특징으로 한다.
3-소자 단자(3-terminal device), HBT(heterojunction bipolar transistor), 터널링 다이오드(tunneling diode), RTD(resonant tunneling diode),인덕터(inductor), 전압 가변 커패시터(배렉터 : varactor), 발진기(oscillator), 부성 저항(negative resistance), 부성 컨덕턴스(negative conductance)

Description

차등 출력 발진기의 회로{Differential oscillator circuit topology}
도 1은 터널링 다이오드의 DC 전류-전압 특성을 나타내는 도면이다.
도 2는 크로스-커플된(cross-coupled) 차등 출력 발진 장치의 회로도이다.
도 3은 본 발명에 의한 차등 출력 발진기의 회로 구성의 바람직한 일 실시 예를 나타내는 회로도이다.
도 4는 RTD, HBT, 배렉터가 집적된 에피-레이어(epi-layer)를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 의한 차등 출력 발진기의 회로 구성의 바람직한 다른 실시 예를 나타내는 회로도이다.
도 6은 본 발명에 의해 제작된 차등 출력 발진기의 출력 스펙트럼을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 차등 출력 발진기의 위상 잡음 특성을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 의한 차등 출력 발진 주파수와 출력 전력을 배렉터의 조정 전압에 따라 표시한 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 의해 제작된 차등 출력 발진기의 회로 구성의 바람직한 또 다른 실시 예를 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
120, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 420, 421, 422, 423, 424, 425, 426, 427 : HBT(heterojunction bipolar transistor)
111, 112, 511, 512 : RTD(resonant tunneling diode)
131, 132, 431, 432 : 인덕터(inductor)
141, 142, 441, 442 : 배렉터(varactor)
151, 451 : 저항(resistance)
161, 162, 163, 461, 462, 463 : 캐패시턴스(capacitance)
본 발명은 각종 유무선/광통신 시스템에서 신호 제공원으로 사용되는 밀리미터/마이크로 웨이브(Microwave/mm wave)대역의 마이크로웨이브 모놀리식 집적 회로(MMIC; Monolithic Microwave IC)에 관한 것으로, 특히 터널링 다이오드와 3-단자 소자를 이용한 전압 제어 차등 출력 발진 회로에 관한 것이다.
고주파에서 능동 소자, 수동 소자, 및 DC 전원을 이용하여 특정한 주파수 신호를 생성해내는 방법으로 발진기를 이용한다. 발진기의 종류는 크게 트랜지스터 발진기와 다이오드 발진기로 분류될 수 있다. 트랜지스터 발진기의 경우 BJT/FET로 피드백 네트워크(feedback network)를 만들어 부성 저항을 생성하고, 출력 주파수를 결정하는 공지기를 결합하여 구성하여, 출력 매칭을 통해 완성하게 된다.
종래에는 Microwave/mm wave 대역의 발진기를 구성하는 데 있어, GaAs 또는 InP 기반의 초고속 소자인 HBT나 HEMT를 이용하여 발진 회로를 구현해 왔으나 많은 전력을 필요로 하는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 부성 저항 특성을 이용한 터널링 다이오드 예컨대, RTD를 이용하여 발진기를 구성하는 회로가 제안되었다. RTD는 나노 영역의 양자 효과를 이용한 소자로 높은 주파수 특성과 저 전압에서 부성 저항 특성을 갖는 소자이다.
도 1은 터널링 다이오드의 DC 전류-전압 특성을 나타내는 도면이다. 터널링 다이오드는 터널 효과에 따른 부성 저항 특성을 갖는다.
도 1을 참조하면, 터널링 다이오드는 인가하는 전압이 최초 0 V부터 증가함에 따라 전류도 함께 증가하다가 가해주는 전압이 피크 전압(Vp)에 이르렀을 때 전류가 피크 전류(Ip) 값에 이르게 된다. 전압이 더 증가하면 전류의 크기는 밸리 전압(Vv)에 이를 때까지 감소한다. 이와 같이 전압이 증가함에 따라 전류가 감소하는 영역을 부성 저항 영역이라고 하며, 이러한 특성을 부성 저항 특성이라고 한다. 이러한 부성 저항 특성을 이용하여 발진기 회로를 구성할 수 있다. 즉, 이러한 발진기 회로 구조는 부성 저항 특성을 내는 소자에 특정 주파수를 선택하여 발진할 수 있도록 공진기를 연결하여 구성한다. 가변 캐패시터(varactor)의 전압을 조정하여 의도하는 주파수를 선택할 수 있다.
부성 저항 특성 효과를 얻기 위해 인가하는 바이어스(bias) 전압이 낮을수록 전력의 소모량이 적다. 특히, 리조넌트 터널링 다이오드(RTD)는 터널링 다이오드 중에서도 부성 저항 특성을 나타 내기 위해 인가하는 전력의 소모량이 적기 때문에, RTD를 이용하면 저 전력으로 동작하는 발진기 회로를 구성할 수 있다.
그러나, 기존의 RTD 부성 저항 특성만을 이용한 발진기는 하나의 출력 단자에서 단일 위상을 갖는 출력 파형만 내보내기 때문에 발진기의 출력 전력이 낮은 문제점이 있었다.
상기 종래 기술의 문제점을 개선하기 위해 본 발명의 목적은, 3-단자 소자(3-terminal device)를 이용한 차등 발진 구조(diffirential oscillater topology)를 기반으로, 출력 전력을 향상시키고, 낮은 위상 잡음 특성을 보이면서 소모 전력이 적은 발진기 회로 구조를 제공하는 데 있다.
상기한 본 발명의 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명에 의한 발진기 회로는 3-단자 소자(3-terminal device)로 이루어진 발진기 회로로, 상기 발진기의 회로의 부성 컨덕턴스(negative conductance)가 발생하는 단자에 터널링 다이오드(tunneling diode)가 연결된 것을 특징으로 한다.
3-단자 소자로 이루어진 발진기 회로에 있어서, 상기 발진기 회로는 부성 컨덕턴스가 발생하는 두 개의 단자를 갖는 차등 출력 발진기 회로이고, 상기 부성 컨덕턴스가 발생하는 두 개의 단자는 각각 제 1 , 제 2 터널링 다이오드의 일 단과 연결되며, 상기 제 1, 제 2 터널링 다이오드의 각 타 단은 바이어스 전압을 인가할 수 있게 연결된 것을 특징으로 한다.
상기 차등 출력 발진기 회로는, 컬렉터(collector)/드레인(drain)과 베이스(base)/게이트(gate)가 교차하도록 연결한 크로스 커플된 발진기(cross coupled oscillator) 회로 구조인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 차등 출력 발진기 회로는, 콜피츠 발진기(colpitts oscilator)회로 두 개를 상호 연결한 밸런스 발진기(balanced cscillator) 회로 구조인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 터널링 다이오드는 복수 개 연결된 특징으로 할 수 있다.
상기 터널링 다이오드는 InP 기반의 RTD 인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 3-소자 단자는 InP 기반의 HBT 인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 발진기 회로 구조는 RTD, HBT, 및 발진기를 구성하는 소자가 RTD/HBT 적재 층 위에 직접 되어 MMIC( microwave monolithic integrated circuit)형태로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 각 도면에 도시된 동일한 참조 부호는 동일한 기능을 수행하는 구성 요소를 의미한다.
도 2는 크로스- 커플된 차등 출력 발진 장치의 회로로, 특히 HBT를 구성요소로 하여 연결된 회로를 나타낸 것이다.
일측 HBT(121)의 컬렉터가 버퍼 역할을 하는 HBT(123)의 베이스에 연결되며, 상기 HBT(123)의 에미터가 타측 HBT(120)의 베이스와 연결된다. 또한, 상기 HBT(120)의 컬렉터가 버퍼 역할을 하는 HBT(122)의 베이스에 연결되며, 상기 HBT(122)의 에미터가 일측 HBT(121)의 베이스와 연결된다.
한편, FET 계열의 3-단자 소자인 경우에는 컬렉터 대신 드레인으로, 베이스 대신 게이트가 상호 연결되어 회로가 구성된다.
복수 개의 HBT가 상기와 같은 방식으로 크로스 커플로 연결이 되어 있는 구조에서, 노드 211 및 213에서 네거티브 컨덕턴스를 보이는 것은 이미 공지된 기술적 사항이다.
HBT 124, 125, 126, 및 127은 커런트 미러(current mirror)의 역할로 출력 신호를 발생시키는 발진기 코어(core)에 전류를 제공한다. 발진기의 공진 주파수는 인덕터(131, 132)와 배렉터(141, 142)로 인해 결정되고, 배렉터(141, 142)의 조정 전압 노드(316)에서 전압 변화를 조절함으로써 공진 주파수를 변화시킬 수 있다.
상기와 같은 회로 구조에서 노드 313과 314에서 위상 차가 180도 나는 파형을 얻게 된다.
도 3은 본 발명에 의한 차등 출력 발진기의 회로 구성의 바람직한 일 실시예를 나타내는 회로도로 도 2의 회로 구성을 기반으로 본 발명이 적용된 예이다.
본 발명의 회로 구성은 BJT와 FET를 비롯한 모든 3-단자 소자 기반 기술에 적용될 수 있다. 도 3은 BJT 중 높은 동작 속도를 가진 HBT를 기준으로 회로를 구성한 것이다.0
본 실시예는 부성 컨덕턴스(negative conductans)가 발생하는 두 개의 단자를 갖는 차등 출력 발진기 회로 구조(도 2 참조)에 있어, 부성 컨덕턴스가 발생하는 노드(211, 212)에 터널링 다이오드를 연결하는 구성이다.
도 3을 참조하면, 부성 컨덕턴스가 발생하는 두 개의 단자(211, 212)는 제 1 RTD(111), 제 2 RTD(112)의 각 일 단과 연결되며, 제 1 RTD(111)의 타 단(311)과 제 2 RTD(112)의 타 단(312)은 바이어스 전압을 인가할 수 있게 연결되어 있다.
바이어스 전압을 인가하는 경우, 전압의 크기는 RTD(111, 112)가 부성 저항 영역에 놓이도록 피크 전압(Vp)과 밸리 전압(Vv) 사이가 되도록 한다. RTD의 경우부성 저항을 내기 위하여 인가하는 전압의 범위는 0.5V 이하이다.
이와 같은 구성에서 노드(211)와 노드(212) 사이에서 보이는 컨덕턴스는 수학식 1과 같다.
Figure 112006056172168-pat00001
Figure 112006056172168-pat00002
은 HBT의 컨덕턴스이고,
Figure 112006056172168-pat00003
는 RTD의 부성 컨덕턴스 값을 의미한다. 회로에서 발생하는 부성 컨덕턴스(
Figure 112006056172168-pat00004
)에 의해 발진이 시작되며, 인덕터(131, 132)와 배렉터(141, 142)로 이루어진 공진기(resonator)에 의해 발진 주파수가 정해진다. 즉, 회로에서 발생한 노이즈는 RTD와 HBT의 크로스 커플된 구조로 인하여 생긴 부성 컨덕턴스에 의해 증폭되며, 신호가 어느 이상 증폭되면, RTD 와 HBT가 부성 컨덕턴스를 벗어나기 때문에 일정한 크기를 유지하는 안정된 상태(정상 상태)가 된다. 버퍼는 이러한 신호가 손실 없이 출력되어 나오도록 한다.
한편, 본 발명에 있어, 터널링 다이오드는 InP 기반의 RTD로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어, 3-소자 단자는 InP 기반의 HBT 인 것으로 할 수 있다.
표 1은 본 발명에 사용된 InP 기반의 RTD 구조를 나타낸다.
밴드 갭 에너지(band gap energy)가 큰 AlAs가 배리어(barrier)를 형성하고 있고, InGaAs가 웰(well)을 형성하며 InAss 층은 서브 웰(subwell)을 형성하여 피크 전압(Vp)를 낮추는 역할을 하기 때문에 RTD가 저 전압에서 작동하게 한다.
표 1 RTD layer의 구조
Device Material Thick doping
RTD InGaAs 500Å 2×
Figure 112006056172168-pat00005
InGaAs 200Å 1×
Figure 112006056172168-pat00006
InGaAs 15Å undoped
AlAs 19Å undoped
InGaAs 10Å undoped
InAs 21Å undoped
InGaAs 10Å undoped
AlAs 19Å undoped
InGaAs 15Å undoped
InGaAs 200Å 1×1
Figure 112006056172168-pat00007
InP 50Å 1×
Figure 112006056172168-pat00008
InGaAs 1500Å 1×
Figure 112006056172168-pat00009
InP 100Å 2×
Figure 112006056172168-pat00010
도 4는 본 발명에 적용된 에피(epi) 구조를 나타내는 도면으로, RTD, HBT, 및 발진기를 구성하는 소자가 RTD/HBT 적재층 위에 직접 되어 MMIC(microwave monolithic integrated circuit) 형태로 이루어진 것을 나타낸다.
도 4를 참조하면 HBT 구조(52)의 층위에 RTD 구조(51)가 적층 되고, 배렉터(53)는 HBT의 베이스-컬렉터 접합(base-collector junction)을 이용하였다. 또한, 삭각 공정(etching process)과 금속 증발(metal evaporation)을 통해 소자가 제작되었다. 한편 인덕터(inductor)는 금속 연결 도선으로 제작된다.
상기와 같이 본 발명에 의한 회로 구조는, RTD, HBT, 및 발진기를 구성하는 소자가 RTD/HBT 적재 층 위에 직접 되어 MMIC(microwave monolithic integrated circuit)형태로 이루어질 수 있다.
MMIC는 현재 레이더뿐만 아니라 위성통신 및 이동통신의 RF 부품으로 그 사용 영역이 넓어지고 있는 마이크로파 시스템의 핵심기술로, MMIC에서는 능동소자의 기판으로 사용되는 반도체를 수동소자의 제작에도 그대로 이용하여 별도의 연결수단 없이 한 기판 위에 마이크로파 회로 동작에 필요한 모든 RF소자를 구현한다
크기와 무게가 HMIC(hybrid microwave integrated circuits)에 비하여 수십 배에서 수백 배 이상 작아지며, 와이어 본딩 등의 외부적인 연결수단을 최소화 할 수 있다는 점이다. 특히, 본드 와이어 및 패키지의 기생효과로 인하여 본 발명이 적용되는 밀리미터 영역의 파장을 이용한 발진기 회로 구조를 평면구조로 구현하는 것이 가능하다.
도 5는 본 발명에 의한 차등 출력 발진기의 회로 구성의 바람직한 다른 실시예를 나타내는 회로 구성도로, 크로스-커플된 차등 출력 발진기의 회로 구성에서 RTD(111, 112)를 각각 N개 추가한 것을 나타내고 있다.
이와 같이 연결된 구조에서의 동작은 도 3에서 설명한 것과 같이 동일한 발진 효과를 나타내지만, RTD(111, 112)를 추가적으로 동작시키는데 따른 DC 전력의 소모가 더 필요하다. 그러나, 도 5와 같이 회로를 구성하면 출력단(313, 314)에서의 출력이 증가 되는 장점이 있다. 즉, 연결되는 RTD의 개수를 조절함으로써, 의도하는 크기의 출력 파형을 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명에 의해 제작된 차등 출력 발진기의 출력 스펙트럼을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
이때 사용되는 RTD는 에미터의 크기가 2×2μ㎡이며, HBT는 0.5×4.6μ㎡의 에미터를 가졌다. 기존의 2×2μ㎡ 크기의 RTD를 이용한 발진기와 비교하면 높은 출력 파워를 가졌으며, 전체 DC 전력 소모는 60mW으로 기존의 HBT기반의 크로스-커플된 발진기(도 2 참조)와 비슷한 전력 소모를 한다. 따라서, 기존의 3-소자 단자 기반의 차등 출력 발진 회로를 이용하여, 전력 소모의 증가 없이 향상된 부성 컨 덕턴스에 의해 발진 효과가 뛰어난 발진기를 구성할 수 있다.
도 7은 본 발명에 의한 차등 출력 발진기의 위상 잡음 특성을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
마이크로 웨이브 신호 발진기는 정보량이 많아짐에 따라 높은 발진 주파수를 필료로 한다. 이 경우 출력 주파수의 근방에서 불필요한 에너지 즉 위상 잡음의 발생을 피할 수 없다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 의한 발진기 회로 구조는 1.00MHz 오프셋(offset)에서 -100.17 dBC/Hz의 양호한 위상 잡음을 얻었음을 알 수 있다. 차등 출력 발진기는 common-mode 잡음의 영향을 받지 않고, 또한 상기 차등 출력 발진기에 위상 잡음 특성이 좋은 RTD를 사용하였기 때문에 우수한 위상 잡음 특성을 가질 수 있다.
도 8은 본 발명에 의한 차등 출력 발진 주파수와 출력 전력을 배렉터의 전압에 따라 표시한 것을 나타내는 도면으로, 도 8을 참조하면, 배렉터의 조정 전압에 따른 발진 주파수는 전압 제어 발진기의 주파수로 사용되기에 충분한 5-5.8 GHz의 조절 범위를 가짐을 볼 수 있다.
도 9는 본 발명에 의해 제작된 차등 출력 발진기의 회로 구성의 바람직한 또 다른 실시 예를 나타내는 도면으로, 차등 출력 발진기의 회로 구성이 콜피츠 발진기 회로 두 개가 연결된 밸런스 회로 구조에 구현된 것을 나타내는 회로도이다.
본 발명은 기존의 3-단자 소자 기반의 발진기 회로 구조가 갖는 부성 컨덕턴스에 터널링 다이오드에서 발생하는 부성 컨덕턴스를 추가시키는 구조이다. 따라 서, 도 3과 같은 차등 발진 회로 구조의 하나인 밸런스 구조에서도 터널링 다이오드를 추가할 수 있다. 도 9를 참조하면, HBT를 기반으로 하여 부성 컨덕턴스(negative conductance)가 발생하는 두 개의 단자(511, 512)를 갖는 밸런스 차등 출력 발진기 회로 구조에 있어, 부성 컨덕턴스가 발생하는 두 개의 단자(511,512)는 각각 제 1 , 제 2 RTD(411, 412)의 일 단과 연결된다. 제 1, 제 2 RTD(411, 412)의 각 타 단(611, 612)에는 바이어스 전압이 인가된다.
또한, 본 실시 예에서도 터널링 다이오드는 N 개 연결될 수 있으며 3-소자 단자로 InP 기반의 HBT를 사용한 형태로 구성될 수 있으며, RTD와 HBT, 및 발진기 구성 소자를 RTD/HBT 적재 층 위에 집적한 MMIC 형태로 구성될 수 있다.
이상 도면과 명세서에서 최적의 실시 예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것이 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명에 의한 차등 출력 발진기의 회로 구조에 의하면, 기존의 3-단자 소자 기반의 발진기 회로 구조, 및 터미널 다이오드 기반 발진기 회로 구조를 향샹시켜 높은 출력 전력 특성을 갖는 효과가 있다. 또한, 기존의 차등 출력 발진기 회 로에 노이즈 특성이 좋은 터널링 다이오드를 사용하였기 때문에 뛰어난 위상 잡음 특성을 가지며, 기존의 차등 발진기 회로와 비교하여 DC 전력 소모에 큰 차이가 없이 회로를 구성할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 3-단자 소자(3-terminal device)로 이루어진 발진기 회로에 있어서,
    상기 발진기의 회로의 부성 컨덕턴스(negative conductance)가 발생하는 단자에 터널링 다이오드(tunneling diode)가 연결된 것을 특징으로 하는 발진기 회로.
  2. 3-단자 소자로 이루어진 발진기 회로에 있어서,
    상기 발진기 회로는 부성 컨덕턴스가 발생하는 두 개의 단자를 갖는 차등 출력 발진기 회로이고, 상기 부성 컨덕턴스가 발생하는 두 개의 단자는 각각 제 1 , 제 2 터널링 다이오드의 일 단과 연결되며,
    상기 제 1, 제 2 터널링 다이오드의 각 타 단은 바이어스 전압을 인가할 수 있게 연결된 것을 특징으로 하는 발진기 회로.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 차등 출력 발진기 회로는, 컬렉터(collector)/드레인(drain)과 베이스(base)/게이트(gate)가 교차하도록 연결한 크로스 커플된 발진기(cross coupled oscillator) 회로 구조인 것을 특징으로 하는 발진기 회로.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 차등 출력 발진기 회로는, 콜피츠 발진기(colpitts oscilator)회로 두 개를 상호 연결한 밸런스 발진기(balanced cscillator) 회로 구조인 것을 특징으로 하는 발진기 회로.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터널링 다이오드는 복수 개 연결된 특징으로 하는 발진기 회로.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터널링 다이오드는 InP 기반의 RTD 인 것을 특징으로 하는 발진기 회로.
  7. 제 1 항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3-소자 단자는 InP 기반의 HBT 인 것을 특징으로 하는 발진기 회로.
  8. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발진기 회로 구조는 RTD, HBT, 및 발진기를 구성하는 소자가 RTD/HBT 적재 층 위에 직접 되어 MMIC( microwave monolithic integrated circuit)형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 발진기 회로.
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