KR100791169B1 - 전계효과 트랜지스터를 사용한 저 전원전압 차동 클랩 전압제어 발진기 - Google Patents

전계효과 트랜지스터를 사용한 저 전원전압 차동 클랩 전압제어 발진기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 차동 전압 제어 발진기는 제 1MOSFET, 상기 제 1MOSFET의 소스에 연결되어 전류원으로 동작하기 위한 제 3인덕터와, 상기 제 3인덕터와 AC적으로 병렬연결되는 가변 커패시터가 포함되는 제 1클랩 발진회로; 소정의 바이어스 전압을 갖는 공진회로;및 상기 공진기를 중심으로 상기 제 1클랩 발진회로와 대칭 연결되는 제 2클랩 발진회로;가 포함되는 것을 특징으로 한다.
제안되는 바와 같은 차동 클랩 전압 제어 발진기에 의해서, 저 전원전압하의 동작에서도 위상잡음 특성이 우수한 발진신호의 발생이 가능하게 되는 장점이 있다.
전압 제어 발진기

Description

전계효과 트랜지스터를 사용한 저 전원전압 차동 클랩 전압제어 발진기{Differential clapp voltage controlled oscillator of low power supply voltage comprising field effect transistor}
도 1은 종래의 차동 전압 제어 발진기의 회로도로서, 특히, 차동증폭기와 LC공진기를 이용한 전압 제어 발진기를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차동 클랩 전압 제어 발진기의 요부를 설명하기 위한 회로 구성도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차동 클랩 전압 제어 발진기에서의 발진전압의 시뮬레이션 파형과 위상잡음을 보여주기 위한 그래프.
도 5 및 도 6은 클랩 발진회로에서 전류원으로 인덕터를 사용하는 것 대신에 소정의 MOSFET을 사용한 경우의 발진전압의 시뮬레이션 파형과 위상잡음을 보여주기 위한 그래프.
본 발명은 전압 제어 발진기(VCO)에 대한 것으로서, 저전원전압 하에서 MOSFET을 사용하면서도 발진회로로서 사용되기에 충분한 위상잡음을 갖는 전압 제어 발진기에 관한 것이다.
전압 제어 발진기는 무선통신 시스템의 RF(Radio Frequency) 또는 마이크로웨이브 전단부에서 필수적 장치이다. 전압 제어 발진기는 모든 무선통신기에서 국부(local)발진기로 사용되는 부품으로, 커패시터 피드백(feedback)을 이용한 콜피츠(collpits)형 발진기, 인덕터 피드백을 사용하는 하틀리(Hartley)형 발진기 및 콜피츠형 발진기의 주파수 안정도를 보완한 클랩(clapp)형 발진기가 있다.
이러한 전압 제어 발진기의 구조로 널리 사용되는 회로구조로는 교차 결합형 발진기(Cross-coupled Oscillator)가 있다. 교차 결합형 발진기는 제작하기가 용이하고 발진의 시동이 잘되므로 집적회로로 제작하는 경우 널리 사용된다. 그러나, 이러한 구조의 발진신호는 열잡음이나 플리커(flicker) 잡음등에 교란되기 쉽고, 발진신호의 크기가 전원전압에 의하여 제한되는 단점이 있다.
도 1은 종래의 차동 전압 제어 발진기의 회로도로서, 특히, 차동증폭기와 LC공진기를 이용한 전압 제어 발진기를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 전압 제어 발진기는 차동증폭기와 공진기가 구비되고, 차동증폭기는 부성저항을 구현하는 두 개의 MOSFET(10,12) 및 상기 MOSFET(10,12)를 제어하는 전류원을 구현하는 다른 하나의 MOSFET(36)를 구비하고 있다. 공진기는 각 MOSFET(10,12)의 드레인에 연결된 가변 커패시터(26,28)와 인덕터(14,20)로 구성된다. 전류원(36)의 동작여부는 입력노드(38)에 가해지는 전압에 의해 제어된다. 또한, 가변 커패시터(26,28)의 커패시턴스는 제어 노드(34)의 제어 전압에 의해 조절된다.
공진기쪽에서 차동증폭기쪽을 보았을 때 임피던스가 부성저항으로 형성되어 공진기의 공진을 계속 유지시켜주고, MOSFET(10,12)의 드레인에 연결된 노드(30,32)에서는 발진신호를 얻을 수 있다. 노드(30,32)에서의 발진신호는 트랜지스터로 구성된 버퍼(40,42)를 거쳐 출력 노드(18,24)에서 출력된다.
전압 제어 발진기는 전압으로 버렉터다이오드의 커패시턴스를 가변하여 발진주파수를 조절하는 것으로, 교차 결합형 발진기(cross-coupled oscillator)와 차동 베이스 접지형 콜피츠 발진기(differential base-grounded colpitts oscillator)가 있다. 상기 교차 결합형 발진기는 제작하기가 용이하고 발진의 시동이 잘되므로 집적회로로 제작하는 경우 널리 사용된다. 그러나, 이 구조는 잡음과 같은 외부 교란신호에 매우 민감하여 발진신호의 위상잡음특성이 차동 베이스 접지형 콜피츠 발진기에 비하여 좋지 못하다.
한편, 차동 베이스 접지형 콜피츠 발진기는 외부 교란신호에 대한 민감도가 낮아 위상잡음 특성이 교차 결합형 발진기보다 우수하나 발진신호의 크기가 전원전압에 의하여 제한되는 단점이 있다.
따라서, 현재의 RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit)는 전력소모를 줄이기 위하여 전원전압을 낮추는 경향이 있으므로, 차동 베이스 접지형 콜피츠 발진기의 발진신호는 낮아지게 되고 그 결과로 차동 베이스 접지형 콜피츠 발진기의 위상잡음 특성은 좋지 않게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기되는 문제점을 해결하기 위하여 제안되는 것으로서, 저 전원전압 동작하에서 MOSFET을 사용하면서도 우수한 특성을 갖는 위상잡음으로 발진시 킬 수 있는 차동 클랩 전압 제어 발진기를 제안하는 것을 목적으로 한다.
상기되는 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 차동 전압 제어 발진기는 제 1MOSFET, 상기 제 1MOSFET의 소스에 연결되어 전류원으로 동작하기 위한 제 3인덕터와, 상기 제 3인덕터와 병렬연결되는 가변 커패시터가 포함되는 제 1클랩 발진회로; 소정의 바이어스 전압을 공급하기 위한 역할을 동시에 수행하는 공진회로; 및 상기 공진기를 중심으로 상기 제 1클랩 발진회로와 대칭 연결되는 제 2클랩 발진회로;가 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 차동 전압 제어 발진기는 능동 소자로서 MOSFET을 갖는 2개의 클랩 발진회로가 공진 주파수를 생성하기 위한 공진회로를 중심으로 대칭되어 연결되고, 상기 클랩 발진회로는 고정된 커패시턴스를 갖는 커패시터와, 전압에 따라 그 커패시턴스가 가변되는 가변 커패시터와, 전류원으로서 소정 크기의 인덕턴스를 갖는 인덕터가 각각 구비되는 것을 특징으로 한다.
제안되는 바와 같은 차동 클랩 전압 제어 발진기에 의해서, 위상잡음 특성이 우수하면서도 저 전원 전압에 의해서도 동작가능하게 되는 장점이 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상이 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상의 범위 내에 든다고 할 것이다.
이하의 설명에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 물론 포함된다. 또한, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호로 표기되거나 생략될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차동 클랩 전압 제어 발진기의 요부를 설명하기 위한 회로 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 차동 클랩 전압 제어 발진기는 공진회로(100)를 중심으로 클랩 발진회로(210,220)가 대칭적으로 구성된다.
그리고, 상기 클랩 발진회로(210,220)는 소정의 바이어스 전압(Vg)이 인가되는 공진회로(100)를 개재하여 대칭되도록 구성된다. 그리고, 상기 클랩 발진회로(210,220)에는 발진회로로서 MOSFET(M1,M2)이 포함되고, RF(또는 AC)신호에 대하여 전류원으로 작용하는 인덕터(L3,L4)가 구비된다.
그리고, 상기 클랩 발진회로(210,220)를 각각 구성하는 소자들은 제 1클랩 발진회로(210)와 제 2클랩 발진회로(220) 간의 대칭성이 유지되도록 하기 위하여 동일한 특성 및 동일한 값을 가지는 가질 수 있다.
상세히, 제 1클랩 발진회로(210)는 능동 소자로서 제 1MOSFET(M1)이 구비되고, 상기 제 1MOSFET(M1)의 게이트와 소스 사이에는 제 1커패시터(C1)가 접속되고, 상기 제 1MOSFET(M1)의 소스에는 RS(또는 AC) 신호에 대해서 전류원으로서 역할을 수행하는 제 3인덕터(L3)가 연결된다. 그리고, 상기 제 3인덕터(L3)의 타측은 그라운드된다.
그리고, 상기 제 3인덕터(L3)는 제 1가변 커패시터(Cv1, 전압 가변 커패시 터)와 AC적으로 병렬로 연결되고, 상기 제 1가변 커패시터(Cv1)의 일측은 전압제어 노드 Vc에 연결되어 AC적으로 접지된다. 그리고, 발진기의 발진전압은 Vc에 가해지는 전압에 따라 조절된다.
특히, 클랩 발진회로의 궤환 커패시턴스중 하나를 전압에 의해 그의 커패시턴스가 변하게 되는 가변 커패시터를 구성함으로써, 제 1클랩 발진회로(210)와 제 2클랩 발진회로(220) 사이에 가변 커패시터를 두는 경우보다 등가 손실저항이 감소되므로 위상잡음의 특성이 개선될 수 있다.
즉, 상기 제 1클랩 발진회로(210)는 고정된 커패시턴스를 갖는 커패시터(C1)와, Vc노드의 전압에 따라 그 커패시턴스가 가변되는 가변 커패시터(Cv1)와, 전류원으로서 소정 크기의 인덕턴스를 갖는 인덕터(L3)가 각각 구비되는 것이다.
상기 제 1MOSFET(M1)의 드레인으로는 전압 Vdd가 인가되고, 상기 제 2클랩 발진회로(220)에 구비된 제 2MOSFET(M2)의 드레인으로도 상기 Vdd가 인가된다.
한편, 상기 제 2클랩 발진회로(220)에 구성된 제 2MOSFET(M2)의 게이트와 상기 제 1클랩 발진회로(210)에 구성된 제 1MOSFET(M1)의 게이트는 공진회로(100)와 연결된다.
그리고, 상기 제 2MOSFET(M2)의 소스는 클랩 발진회로의 전류원이 되는 제 4인덕터(L4)와 연결되고, 상기 제 4인덕터(L4)의 타측은 그라운드된다. 상기 제 2MOSFET(M2)의 게이트와 소스 사이에는 제 2커패시터(C2)가 연결되고, 상기 제 4인덕터(L4)와는 AC적으로 병렬이면서 일측이 Vc노드에 접속되는 제 2가변 커패시터(Cv2)로 구성된다.
또한, 상기 제 1클랩 발진회로(210)와 제 2클랩 발진회로(220) 사이에는 제 1MOSFET(M1)과 제 2MOSFET(M2)의 게이트에 바이어스 전압(Vg)과 공진기능을 동시에 제공하기 위한 공진회로(100)가 구비되고, 상기 공진회로(100)에는 상기 제 1MOSFET(M1)의 게이트와 연결되는 제 1인덕터(L1)와 상기 제 2MOSFET(M2)의 게이트와 연결되는 제 2인덕터(L2)가 포함된다.
이렇게 함으로써, 상기 제 1 클랩 발진회로(210) 및 제 2 클랩 발진회로(220)의 게이트에서 발진전압의 파형이 상호 역위상 관계로 발생되도록 한다. 상기 제 1 인덕터(L1) 및 제 2 인덕터(L2)는 동일한 효과를 나타낼 수 있는 마이크로스트립 선호를 대신하여 사용할 수 있다.
공진 주파수는 상기 제 1인덕터(L1)의 인덕턴스치와, 상기 제 1 커패시터(C1) 및 상기 제 1 가변 커패시터(Cv1)의 커패시턴치에 따라 결정된다. 상기 공진회로(100)에 의해 공진된 발진 파형은 제 1 MOSFET(M1) 및 제 2 MOSFET(M2)의 게이트에서 상호 역위상 관계를 갖게 된다.
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앞서 설명한 클랩 발진회로(210,220)에는 저 전압인 Vdd에서도 공진에 의한 발진이 수행되도록 하기 위하여 전류원으로 제 3 및 4인덕터(L3,L4)가 사용되며, 만약 인덕터 대신에 저항이나 MOSFET과 같은 능동소자를 사용하는 경우를 고려해 볼 수 있다.
그러나, 저항을 사용할 경우에는, 공진회로(100)의 바이어스 전압(Vg) 전부가 상기 제 1 및 2MOSFET(M1,M2)의 게이트와 소스에 인가될 수 없는 회로 구조상의 문제와 함께 저 전원 전압 Vdd에서 MOSFET의 약한 전류 구동력으로 인하여 발진이 일어나도록 하기 위한 충분한 Io를 공급할 수 없다.
그리고, 전류원으로 MOSFET과 같은 능동소자를 사용할 경우에는, 저 전원 전압 Vdd하에서도 발진시동은 가능할 것이나 MOSFET이 트라이오드(triode)영역에서 동작함으로 인하여 발진신호가 양호한 위상잡음 특성을 갖기에 충분한 양의 Io를 공급할 수 없다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차동 클랩 전압 제어 발진기에서의 발진전압의 시뮬레이션 파형과 위상잡음을 보여주기 위한 그래프이고, 도 5 및 도 6은 클랩 발진회로에서 전류원으로 인덕터를 사용하는 것 대신에 소정의 MOSFET을 사용한 경우의 발진전압의 시뮬레이션 파형과 위상잡음을 보여주기 위한 그래프이다.
먼저, 도 3은 상기 제 1MOSFET(M1)의 게이트와 상기 제 2MOSFET(M2)의 게이트에서 발생되는 5.56GHz 발진전압의 시뮬레이션 파형이며, 도시된 그래프에 나타나 있듯이 상기 제 1MOSFET(M1)의 게이트 및 상기 제 2MOSFET(M2)의 게이트에서의 발진파형은 상호 역위상 관계로 발생됨을 알 수 있다.
그리고, 도 4에 도시된 위상 잡음특성을 살펴보면, 1MHz 오프셋(offset) 주파수에서의 위상 잡음은 -121.5dBc/Hz가 나타남을 알 수 있다.
한편, 앞서 설명한 본 발명의 실시예에서는 클랩 발진회로에서의 전류원으로 제 3인덕터(L3) 및 제 4인덕터(L4)를 사용하는 것을 특징으로 하고 있으나, 상기 제 3인덕터(L3) 및 제 4인덕터(L4) 대신에 소정의 MOSFET소자를 전류원으로 사용한 경우의 발진전압 특성은 도 5 및 도 6에 나타나 있다.
전류원으로 MOSFET소자를 사용한 경우에도 도 5에 도시된 바와 같이 제 1MOSFET(M1)의 게이트 및 제 2MOSFET(M2)의 게이트에서의 발진파형은 역위상 관계로 발생된다.
그러나, 도 6에 도시된 위상잡음 특성을 살펴보면, 전류원으로 MOSFET소자를 사용한 경우의 위상잡음은 -108.6dBc/Hz로 나타나며, 이는 본발명의 실시예에서의 전류원으로 인덕터를 사용한 경우보다 위상 잡음이 약 13dB 더 높게 나타난다. 이와 같이 발진회로에서의 전류원으로 MOSFET을 사용하는 경우에는 인덕터 전류원의 경우만큼 충분한 Io를 제공할 수 없기 때문이다.
아래의 표 1은 전압 제어 발진기 성능 비료를 위한 FOM(Figure Of Merit)을 나타낸다.
전류원 FOM(@ 1MHz offset from f osc=5.66GHz)
인덕터 -189.8dBc/Hz
MOSFET -181.4dBc/Hz
표 1에 나타나 있듯이, 1MHz 오프셋 주파수에서 인덕터 전류원을 사용하는 전압 제어 발진기의 FOM이 전류원으로 MOSFET을 사용하는 경우보다 8.4dB더 낮음을 알 수 있으며, 본 발명의 실시예에 따라 발진회로의 전류원으로서 인덕터를 사용하는 경우가 저 전원 전압 동작을 위하여 보다 효과적인 구조임을 알 수 있다.
제안되는 바와 같은 차동 클랩 전압 제어 발진기에 의해서, 저 전원전압하의 동작에서도 위상잡음 특성이 우수한 발진신호의 발생이 가능하게 되는 장점이 있다.

Claims (5)

  1. 소정의 바이어스 전압이 인가되는 공진회로;및
    상기 공진회로를 중심으로 대칭되어 접속되는 제 1 및 2 클랩 발진회로;가 포함되고,
    상기 제 1 및 제 2 클랩 발진 회로 각각은 발진회로로서 동작하는 MOSFET과, RF신호 또는 AC신호에 대하여 전류원으로 작용하는 인덕터와, 상기 인덕터와 AC적으로 병렬연결되는 가변 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터를 사용한 저 전원전압 차동 클랩 전압제어 발진기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 커패시터의 일측들은 전압 Vc노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터를 사용한 저 전원전압 차동 클랩 전압제어 발진기.
  4. 제 1MOSFET, 상기 제 1MOSFET의 소스에 연결되어 전류원으로 동작하기 위한 제 3인덕터와, 상기 제 3인덕터와 AC적으로 병렬연결되는 가변 커패시터가 포함되는 제 1클랩 발진회로;
    소정의 바이어스 전압을 공급하기 위한 역할을 동시에 수행하는 공진회로;및
    상기 공진기를 중심으로 상기 제 1클랩 발진회로와 대칭 연결되고, 상기 제 1 클랩 발진회로와 동일한 회로소자로 구성되는 제 2클랩 발진회로;가 포함되는 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터를 사용한 저 전원전압 차동 클랩 전압제어 발진기.
  5. 삭제
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