KR100772747B1 - 집적회로제조를위한넓은주파수범위및낮은잡음의전압제어발진기 - Google Patents

집적회로제조를위한넓은주파수범위및낮은잡음의전압제어발진기

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Abstract

2개의 서브 회로(10a, 10b)를 포함하는 전압 제어 발진기(10)가 개시된다. 각각의 서브 회로(10a, 10b)는 한 쌍의 차동 접속된 트랜지스터(Q1, Q2 및 Q3, Q4)를 가진다. 제1 서브 회로(10a)는 LC 발진 서브 회로이고, 각각의 트랜지스터(Q1, Q2)는 그 피드백 루프 내에 용량성 변환기(C11, C12, C21, C22)를 가진다. 제2 서브 회로(10b)는 피드백 루프가 서브 회로(10b)의 유효 용량을 결정하는 이득을 가지는 전류 제어 가변 용량 서브 회로이다. 서브 회로(10a, 10b)가 결합되는 경우, 차동 쌍(Q1, Q2 및 Q3, Q4)의 각 면 상의 피드 백 루프는 용량성 변환기(C11, C12 및 C21, C22)를 공유한다. 그 결과 유효 용량이 발진기(10)의 발진 주파수를 결정한다.

Description

집적 회로 제조를 위한 넓은 주파수 범위 및 낮은 잡음의 전압 제어 발진기{VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR WITH WIDE FREQUENCY RANGE AND LOW NOISE FOR INTEGRATED CIRCUIT FABRICATION}
본 발명은 일반적으로 집적 회로에 관한 것으로, 더 상세하게는 넓은 주피수 범위와 낮은 잡음을 가지며, 집적 회로로서 제조될 수 있는 전압 제어 발진기에 관한 것이다.
전압 제어 발진기(VCO)는 주파수 합성 회로의 구성 블록 중의 하나이다. 이산 주파수들(discrete frequencies)은 VCO를 사용하는 PLL(phase-locked loop) 합성기를 사용하여 달성될 수 있다. "VCO"라는 용어는 일반적인 의미에서 사용되며, 주파수가 전압 제어되는 발진기 뿐만 아니라 주파수가 전류 제어 하에 있는 발진기를 포함한다.
오늘날 다수의 VCO는 적어도 부분적으로 고체 소자로서, 그 트랜지스터 소자; 및 저항성, 용량성 또는 유도성 소자 중 일부 또는 전부가 반도체 제조 기술로 제조된다. 모든 소자들이 단일 집적 회로 내에 제조된 VCO 회로는 "모놀리식(monolothic)" 회로로서 언급된다.
오늘날의 고체 VCO 회로가 가지는 문제점은 그들이 낮은 위상 잡음과 함께 넓은 주파수 범위를 제공하지 못한다는 것이다. 셀룰러 전화기의 송수신기와 같은 응용에서, 이러한 특성은 매우 중요하다.
넓은 주파수 범위 및 낮은 잡음을 제공하기 위한 하나의 방법은 유도성 또는 버랙터 소자가 다른 집적 회로 소자 외부에 구성되는 LC 발진기 회로를 사용하는 것이었다. 그러나, 이러한 방법은 소형 모놀리식 회로망을 위한 추가적인 요구를 만족시키지 않는다.
본 발명의 한 양태는 2개의 서브 회로-LC 발진 서브 회로 및 전류 제어 가변 용량 서브 회로-의 조합인 전압 제어 발진기(VCO)이다. VCO의 전형적인 구현은 각각의 서브 회로가 2개의 차동적으로 접속된 트랜지스터 한 쌍을 가지는 차동 형태이다. 따라서, 완전한 회로는 2개의 "면(side)"을 가지며, 이들은 각각의 서브 회로를 위한 트랜지스터를 각각 가진다.
LC 발진 서브 회로는 포지티브 피드백 루프를 가지고, 가변 용량 서브 회로는 네가티브 피드백 루프를 가진다. VCO의 각각의 면에서 2개의 서브 회로의 피드백 루프는 적어도 루프의 일부에 대해 공통 경로를 공유한다. 공유 부분은 LC 발진 서브 회로에 중앙에서 탭된(center tapped) "용량성 변환기"를 제공하는 역할 및 가변 용량 서브 회로에 가변 용량을 제공하는 역할의 2중 역할을 수행하는 한 쌍의 직렬 캐패시터를 포함한다. 이러한 배열의 결과로서, VCO의 LC 탱크를 위한 유효 용량은 피드백 루프의 이득에 직렬 캐패시터의 용량을 곱한 값이다. 이러한 유효 용량이 발진 주파수를 결정한다.
본 발명의 한 장점은 낮은 잡음 및 넓은 주파수 범위를 가지는 VCO의 모놀리식 제조를 가능하게 한다는 것이다. VCO의 한 구현은 2030 내지 2420㎒의 범위에서 시뮬레이트 되었으며, 2030㎒로부터 19.2%의 총 소인 범위(sweep range)를 나타냈다.
도 1은 본 발명에 따른 전압 제어 발진기(VCO) 회로(10)를 도시한다. "VCO"라는 용어는 종래의 넓은 의미로 사용되며, 사실 아래에 설명되는 바와 같이 발진 주파수는 "VCO"라는 명칭이 암시하는 것처럼 전압에 의해 제어되는 것이 아니라 전류에 의해 제어된다.
회로(10)는 2개의 회로-LC 발진 회로(10a) 및 전류 제어 가변 용량 회로(10b)-의 메싱(meshing)으로서 분석될 수 있다. 가변 용량 서브 회로(10b)는 LC 발진 회로(10a)의 LC 탱크 회로 내에서 넓은 용량 범위를 합성한다.
도 1의 실시예에서, 회로(10)는 바이폴라 트랜지스터(Q1, Q2, Q3, Q4)를 사용한다. 대안적인 실시예에서, 회로(10)는 각각의 바이폴라 트랜지스터 대신 전계 효과 트랜지스터를 이용하여 구현될 수 있다. 양 실시예는 모두 반도체 제조 기술로 제조되어 모놀리식 집적 회로가 될 수 있다.
회로(10) 내의 LC 발진 서브 회로(10a)는 트랜지스터(Q1, Q2), 캐패시터(C11, C12, C21, C22), 인덕터(L1, L2) 및 저항(R1, R2)을 포함한다. 트랜지스터(Q1, Q2)들은 차동적으로 접속, 즉 그들의 이미터를 통해 테일 전류원(tail current source) IB-OSC에 접속된다.
LC 발진 서브 회로(10a)는 용량성 변환기가 피드백 루프에서 스텝 다운 함수를 제공하는 독립형 완전 차동 LC 발진기 회로에 기초한다. 예를 들어, 서브 회로의 "좌측" 면 상에서, 변환기는 캐패시터(C11, C12)를 가지며, 이들은 VOUT2로부터 의 스텝 다운 전압을 Q2의 베이스로의 전압에 제공하기 위한 미들 탭(middle tap)을 가진다. 전압 VOUT2 및 C11으로의 임피던스는 자기 변환기(magnetic transformer)와 동일한 방식으로 스케일링 된다.
LC 발진 서브 회로(10a)의 피드백 루프는 하나의 트랜지스터(Q1 또는 Q2)의 콜렉터에서의 출력을 용량성 변환기를 통해 다른 트랜지스터(Q2 또는 Q1)의 베이스로 피드백 시킴으로써 구현된다. 발진 진폭은 기본 주파수에서의 루프 이득이 트랜지스터(Q1 및 Q2)의 차동 쌍의 비선형성에 의해 제한될 때까지 계속 커질 것이다.
도 1의 LC 발진 서브 회로(10a)는 LC 발진 회로의 한 변형에 불과하며, 다른 변형들이 회로(10) 내에서 사용 가능하다. 다른 적절한 LC 발진기 회로들은 회로(10)의 가변 용량 서브 회로가 알려지지 않았지만 회로(10) 보다 좀 더 제한적인 주파수 범위를 가진다. 적절한 LC 발진 회로들의 공통적인 특성은 트랜지스터 콜렉터로부터 (또는 드레인으로부터) 주파수가 LC 공진 탱크 회로의 함수이고 트랜지스터 베이스에 (또는 게이트에) 포지티브 피드백을 가지는 정현파 출력 전압을 생성하는 것이다.
회로(10)의 전류 제어 가변 용량 서브 회로(10b)는 트랜지스터(Q3, Q4), 저항(R3, R4) 및 캐패시터(C11, C12, C21, C22)를 포함한다. 이것은 전기적으로 가변인 용량을 제공하는 독립형 회로에 기초한다. 이러한 회로는 진공관 시대에 "리액턴스 튜브"로서 구현되었다. 이러한 회로의 상호 컨덕턴스 gm이 하나의 트랜지스터를 이용하여 소신호(small signals)에 대해 구현되는 경우, 회로 단자의 용량의 유효 값은 변하는 바이어스 전류에 의해 넓은 범위에 걸쳐 변하게 될 수 있다.
가변 용량 서브 회로(10b)는 대향 캐패시터, 저항 및 트랜지스터의 쌍들을 이용하여 차동이 될 수 있다. 트랜지스터들은 그들의 이미터를 통해 테일 전류원 IB-VARCAP에 결합된다.
도 2는 도 1의 가변 용량 서브 회로(10b)에 등가인 독립형 회로(20)를 도시한다. 도 3은 소신호를 위한 등가 회로이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 차동 트랜지스터(Q3, Q4)의 각각의 피드백 루프에 대하여, 유효 용량 Cx는 수학적으로 다음과 같이 표현될 수 있다.
Cx = A(jω)·C
여기에서, A(jω)는 루프 이득으로서 다음과 같이 표현될 수 있다.
파라미터 C 및 R은 서브 회로의 실제 물리적 저항 및 용량이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 회로(10)는 ω≪1/RC인 즉, A(jω) ≒ 1 + gmR인 경우에 대하여 설계된다. 따라서, gm은 가변 용량 서브 회로(10b)의 루프 이득과 직접적인 관련을 가지며, 이것이 유효 용량을 설정한다. gmR 값의 전형적인 범위는 2 내지 3이다.
회로(10)에서, 가변 용량 서브 회로(10b)의 용량 C는 그 용량을 2개의 직렬 캐패시터로 분할함으로써 구현된다. 이것은 LC 발진 서브 회로(10a)의 동일한 변환기 캐패시터들이 가변 용량 서브 회로(10b)에 용량을 제공하는 데 사용되는 것을 허용한다.
따라서, 도 1을 다시 참조하면, LC 발진 서브 회로(10b) 및 가변 용량 서브 회로(10b)가 결합되어 차동 회로(10)를 형성하는 경우, 두 쌍의 직렬 캐패시터-C11 및 C12를 포함하는 제1 쌍과 C21 및 C22를 포함하는 제2 쌍-가 존재하게 된다. 각각의 쌍은 콜렉터에서 그것에 관련된 트랜지스터의 베이스로 이동한다. 용량의 분할은 회로(10)가 발진기의 용량 비의 센터 탭 뿐만 아니라 전류 제어 가변 용량을 가지게 한다.
전압원 및 전류원은 입력 전압 Vcc와 VBIAS, 및 테일 전류 IB-OSC와 IB-VARCAP를 각각 제공한다. 아래에 설명되는 바와 같이, IB-OSC는 진폭 클리핑을 제공하고, IB-VARCAP는 발진 주파수를 설정한다.
동작에 있어서, 발진기(10)는 발진 진폭을 증가시키는 포지티브 피드백 루프를 설정한다. 피드백 루프는 2개의 "서브 루프"를 포함한다. 제1 서브 루프는 LC 발진 회로(10a)에 의해 제공되며, L과 C의 (유효) 값이 발진 주파수를 제어한다. 제2 서브 루프는 가변 용량 서브 회로(10b)에 의해 제공되며, 그 회로의 gm 값에 의존하는 C 값을 제공한다. 실제에서, 2개의 서브 루프의 결합은 LC 탱크에 대하여 전류 제어 가변 캐패시터 변환기를 제공한다. 결합된 피드백 루프의 gm에 대한 의존도는 회로(10)에 넓은 주파수 소인을 야기한다.
하나의 피드백 내의 각각의 직렬 캐패시터 쌍에 대하여, 입력 캐패시터(C11, C21)는 캐패시터(C12, C22) 보다 작다. 결과는 캐패시터 변환기에 의한 전압 감소이며, 트랜지스터(Q1, Q2)의 차동 쌍의 입력에서의 전압은 출력 전압의 복제(replica)이지만 스케일 다운된다. 전형적인 스케일링 다운 계수는 3 내지 4의 범위내에 있다. 일례로서, Q1 및 Q2의 베이스를 통하여 100㎷가 존재하는 지점까지 발진이 성장한 경우, 출력에서는 400 내지 500㎷의 발진이 존재할 것이다.
회로(10)의 발진 주파수는 IB-VARCAP에 의해 제어된다. 이는 IB-VARCAP이 가변 용량 회로의 상호 컨덕턴스 gm을 설정하기 때문이다. 바이폴라 트랜지스터의 경우를 수학적으로 표현하면 다음과 같다.
또한, 상기에 설명한 바와 같이, 상호 컨덕턴스는 루프 이득을 제어하므로, 그 회로의 유효 용량도 제어한다. 이 용량이 발진 주파수 f를 결정하는 LC 탱크 용량이다. 수학적으로 표현하면 다음과 같다.
Ccircuit는 상기의 수학식에서의 피드백 루프의 유효 용량과 동일하다. 물리적 용량 C는 직렬 용량이다.
저항(R3, R4)는 전류 감지 저항으로서 동작한다. 그들의 저항은 캐패시터 리액턴스에 비해 작다. 따라서, 종래의 LC 발진 회로에서와 같이, 각각의 직렬 캐패시터 쌍의 "하부"는 접지 상태이다.
진폭을 제한하기 위한 회로(10) 내의 비선형성은 LC 발진 회로 트랜지스터 (Q1, Q2)의 차동 쌍에 대한 진폭 클리핑에 의해 제공된다. 진폭은 테일 전류 IB-OSC가 Q1 및 Q2 사이에서 스위칭될 때까지 증가한다.
도 4는 회로(10)의 시뮬레이션 결과를 도시한다. 게이트 용량은 VDD 공급과 Vbias 라인을 바이패스하는 데 사용되었다. 또한, 시뮬레이션 회로는 5.0Ω 테스트 기기를 구동하는 동시에 용량성 변환기 쌍(C11, C12 및 C21, C22)의 탭에 접속된 회로로의 믹서 부하를 근사적으로 시뮬레이팅하기 위한 출력 버퍼로서 트랜지스터의 차동 쌍을 포함한다. 주파수는 버퍼 출력에서 측정되었다.
도 4의 y축은 10㎃의 IB-VARCAP 공칭 레벨(nominal level)에 상대적인 계수로서 측정된다. IB-OSC는 상수 10㎃로 설정되고, 2㎃가 버퍼 차동 쌍에 인가되었다. 시뮬레이팅된 회로(10)의 총 주파수 범위는 2030 내지 2420㎒이고, 2030㎒로부터 19.2%의 총 소인 범위를 나타낸다. 또한, 도 4는 소인 범위에 걸친 발진 진폭의 변화를 플로팅한다. 이 진폭은 도 1에 표시된 노드 Vout1 및 Vout2 사이의 피크 차동 전압으로서 측정된다.
다른 실시예
비록 본 발명이 특정 실시예를 참고로 설명되었지만, 이러한 설명은 제한을 위한 것이 아니다. 대안적인 실시예들뿐만 아니라 개시된 실시예들의 다양한 변경도 본 기술 분야의 숙련된 기술자들에게 명백할 것이다. 따라서, 첨부된 청구항들이 본 발명의 진정한 범위 안에 드는 모든 변경들을 포함할 것임을 예측할 수 있다.
본 발명에 따르면, 낮은 잡음 및 넓은 주파수 범위를 제공하는 VCO를 집적 회로로 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 전류 제어 가변 용량 회로 및 LC 발진기 회로의 조합으로서 구현된 전압 제어 발진기(VCO)를 도시하는 도면.
도 2 및 도 3은 도 1의 전류 제어 가변 용량 회로의 등가 회로를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 VCO의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10a : LC 발진 서브 회로
10b : 가변 용량 서브 회로

Claims (7)

  1. 전압 제어 발진기 회로에 있어서,
    제1 차동 트랜지스터 쌍을 포함하는 LC 발진 서브 회로 -상기 트랜지스터는 각각 용량성 변환기를 통한 제1 포지티브 피드백 루프를 가지며, 상기 용량성 변환기는 각각 관련 트랜지스터로의 센터 탭을 가지는 2개의 직렬 캐패시터를 포함함-; 및
    제2 차동 트랜지스터 쌍을 포함하는 전류 제어 가변 용량 서브 회로 -상기 트랜지스터는 각각 상기 2개의 직렬 캐패시터를 통한 제2 피드백 루프를 가짐-
    를 포함하고, 상기 가변 용량 서브 회로의 유효 용량은 상기 제2 피드백 루프의 이득에 따라 변하는 전압 제어 발진기 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 트랜지스터는 바이폴라 트랜지스터인 전압 제어 발진기 회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 트랜지스터는 전계 효과 트랜지스터인 전압 제어 발진기 회로.
  4. 제1항에 있어서, 상기 회로는 적어도 일부가 집적 회로로서 제조되는 전압 제어 발진기 회로.
  5. 제1항에 있어서, 상기 회로는 모놀리식 반도체 회로로서 제조되는 전압 제어 발진기 회로.
  6. 제1항에 있어서, 상기 각각의 캐패시터 쌍은 전류 감지 저항기에 의해 실질적으로 접지되는 전압 제어 발진기 회로.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 차동 트랜지스터 쌍은 상기 이득이 상기 제2 차동 트랜지스터 쌍의 상호 컨덕턴스와 상기 피드백 루프의 저항을 곱한 값에 1을 더한 값과 실질적으로 동일하게 되는 상호 컨덕턴스 특성을 가지는 전압 제어 발진기 회로.
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