KR100844457B1 - 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기에 관한 것으로, 직교신호를 발생시키기 위한 부가회로인 결합 트랜지스터, 결합 트랜스퍼머, 복합위상 RC 필터 등을 사용하지 않고, 트랜지스터의 베이스와 컬렉터 사이의 직교결합 원리를 이용하여 각 발진 트랜지스터의 베이스와 컬렉터를 결합시켜 4위상 직교신호를 얻을 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 불필요한 비선형의 발생, 위상잡음의 열화, LC 공진기의 양호도(Q-factor) 저하, 전력소모 증가 등의 문제점을 근본적으로 제거할 수 있으므로, 따라서, 위상잡음 특성이 우수하고, 전력소모가 작으며, 소형화된 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기를 구현하는 것이 가능하게 된다.
전압 제어 발진기, 콜피츠, 직교신호 발생, 위상잡음

Description

직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기{COLPITTS QUADRATURE VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR}
도 1a는 종래의 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기의 회로도이며, 도 1b는 도 1a의 콜피츠 전압 제어 발진기에서 발생된 직교신호를 나타낸 도면이다.
도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기의 회로도이며, 도 2b는 도 2a의 콜피츠 전압 제어 발진기에서 발생된 직교신호를 나타낸 도면이다.
도 3a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기의 회로도이며, 도 3b은 도 3a의 콜피츠 전압 제어 발진기에서 발생된 직교신호를 나타낸 도면이다.
도 4a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기의 회로도이고, 도 4b는 도 4a의 콜피츠 전압 제어 발진기에서 발생된 직교신호를 나타낸 도면이며, 도 4c는 도 4a의 콜피츠 전압 제어 발진기에서 발생된 직교신호의 주파수 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호설명*
100, 200, 300, 400 : 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기
202, 302, 402 : 제 1 차동 발진부
203, 303, 403 : 제 2 차동 발진부
101, 201a, 301a, 401a : 제 1 LC 공진기
201b, 301b, 401b : 제 2 LC 공진기
301c : 부성저항셀
Q1, Q2 : 제 1, 2 발진 트랜지스터
Q3, Q4 : 제 3, 4 트랜지스터
404, 405 : 제 3, 4 차동 발진부
Q5, Q6 : 제 5, 6 발진 트랜지스터
본 발명은 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기에 관한 것으로, 더 자세하게는 별도의 결합 소자 또는 수동/능동 소자를 사용하지 않고도 정확한 4위상 직교신호를 얻을 수 있도록 하여, 위상잡음 특성이 우수하고, 전력소모가 작으며, 소형화를 도모할 수 있는 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기에 관한 것이다.
최근 들어 무선통신 송수신 시스템의 구조가 헤테로다인(superheterodyne) 방식에서 직접변환 방식으로 바뀌어가고 있는데, 그 이유는 직접변환 송수신 방식이 회로 구조가 간단하고, 전력소모가 적으며, 가격이 저렴하기 때문이다.
이와 같은 직접변환 송수신기에서는 신호변환을 위해 크기가 서로 동일하고 위상이 90도씩 지연된 직교신호가 필요하며, 이를 위해 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기를 이용하여 직교신호를 발생시켜 신호변환에 사용하고 있다.
도 1a는 종래의 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기(100)의 회로도이다.
도 1a의 전압 제어 발진기(100)는 커패스턴스-피드백(capacitance feedback) 커먼-콜렉터(common collector) 콜피츠 전압 제어 발진기로, 180도의 위상차이를 갖는 신호를 발생시키는 평형(balanced) 구조의 전압 제어 발진기이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 종래의 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기(100)는, 전원전압(Vcc)에 연결되어 공진 주파수를 생성하는 제 1 LC 공진기(101)와, 상기 공진 주파수를 발진시켜 발진 신호를 출력하는 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)를 포함하는 제 1, 2 차동 발진부(102, 103)와, 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2) 사이에 연결된 피드백 커패시터(Cf) 및 디제너레이션(degeneration) 커패시터(Ce)와, 전류원(Is)으로 구성된다.
상기 제 1 차동 발진부(102)와 제 2 차동 발진부(103)에 있어서, 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 베이스와 에미터 사이에 피드백 커패시터(Cf)가 각각 연결되고, 제 1 발진 트랜지스터(Q1)의 에미터와 제 2 발진 트랜지스터(Q2)의 에미터 사이에 디제너레이션 커패시터(Ce)가 연결된다. 그리고, 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 에미터와 접지 사이에 전류원(Is)이 각각 연결되며, 제 1 발진 트랜지스 터(Q1)와 제 2 발진 트랜지스터(Q2)의 컬렉터는 전원전압(Vcc)에 연결된다.
상기 제 1 LC 공진기(101)의 제 1 출력 노드(I+)는 제 1 발진 트랜지스터(Q1)의 베이스에 연결되고, 제 2 출력 노드(I-)는 제 2 발진 트랜지스터(Q2)의 베이스에 연결되어 차동형 발진기 구조를 형성하며, 상기 제 1 출력 노드(I+)와 제 2 출력 노드(I-)로부터 180도의 위상차이를 갖는 차동신호가 발생된다.
이러한 구성을 갖는 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기(100)의 동작을 간략하게 설명하면, 우선, 피드백 커패시터(Cf)와 디제너레이션 커패시터(Ce)의 값을 조절하여 부성 저항(negative resistance)을 발생시킨다. 이 때, 발생되는 부성저항은 피드백 커패시터(Cf)와 디제너레이션 커패시터(Ce)의 값을 조절함으로써 원하는 주파수 대역에서 발생시킬 수 있다.
이렇듯, 피드백 커패시터(Cf)와 디제너레이션 커패시터(Ce)의 값을 조절하여 원하는 주파수 대역에서 부성 저항을 발생시킴으로써 제 1 LC 공진기(101)를 원하는 주파수에서 공진시킬 수 있다.
이와 같이, 제 1 LC 공진기(101)에 의해 발생된 공진 주파수는 제 1, 2 차동 발진부(102, 103)의 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 베이스로 각각 입력되어 발진된다.
도 1b는 도 1a의 콜피츠 전압 제어 발진기(100)에서 발생된 직교신호를 나타낸 도면으로, 도 1b에 도시된 바와 같이 제 1 LC 공진기(101)의 제 1 출력 노 드(I+)와 제 2 출력 노드(I-)로부터 180도의 위상차이를 갖는 차동신호가 발생되는 것을 알 수 있다.
하지만, 직접변환 송수신기에서는 크기가 서로 동일하고 위상이 90도씩 지연된 4위상 직교신호가 필요한데, 종래의 콜피츠 전압 제어 발진기(100)에 의하면 도 1b에 도시된 바와 같이 180도의 위상차이를 갖는 2위상 직교신호만이 얻어지므로, 4위상 직교신호를 얻기 위한 방법으로 다음과 같은 3가지의 방법이 개시되어 있다.
그 중 하나의 방법으로, 결합 트랜지스터나 결합 트랜스퍼머를 이용하여 두개의 전압 제어 발진기를 결합시켜 4위상 직교신호를 얻는 방법이 있는데, 이 방법은 결합트랜지스터 또는 결합 트랜스퍼머로 인해 불필요한 비선형의 발생, 면적의 증가, 위상잡음의 열화, LC 공진기의 양호도(Q-factor) 저하, 전력소모의 증가가 발생된다는 단점이 있다.
다른 방법으로, 차동형 전압 제어 발진기의 뒷단에 주파수 분배기를 연결하는 방법이 있는데, 이 경우 원하는 주파수의 2배에 해당되는 차동형 전압 제어 발진기가 필요하므로 위상잡음이 열화되고 전력소모가 증가하게 된다는 단점이 있다.
또 다른 방법으로, 차동형 전압 제어 발진기의 뒷단에 복합위상 RC 필터를 연결하는 방법이 있는데, 이 경우 정확한 직교위상을 얻기가 어려워 별도의 위상 캘리브레이션(calibration) 회로가 필요하며, 이로 인해 발진기 회로가 복잡해지고 전력소모도 증가하게 된다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적 은 별도의 결합 소자 또는 수동/능동 소자를 사용하지 않고도 정확한 4위상 직교신호를 얻을 수 있도록 하여, 위상잡음 특성이 우수하고, 전력소모가 작으며, 소형화를 도모할 수 있는 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기는, 전원전압에 연결되어 공진 주파수를 생성하는 제 1, 2 LC 공진기; 상기 생성된 공진 주파수를 발진시켜 발진 신호를 출력하는 제 1, 2 발진 트랜지스터를 포함하는 제 1, 2 차동 발진부; 및 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터 사이에 연결된 피드백 커패시터 및 디제너레이션 커패시터를 포함하며, 상기 제 1 LC 공진기의 제 1, 2 출력 노드가 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터의 베이스에 각각 연결되고, 상기 제 2 LC 공진기의 제 3, 4 출력 노드가 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터의 컬렉터에 각각 연결되어, 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터의 베이스 및 컬렉터로부터 90도의 위상차이를 갖는 4위상 직교신호가 각각 발생되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명을 설명하기에 앞서, 본 발명의 실시예에 따른 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기는 2개 또는 4개의 트랜지스터로 구성되며, 각 트랜지스터로는 컬렉터, 베이스, 에미터로 이루어진 바이폴라 트랜지스터(BJT) 또는 드레인, 게이트, 소오스로 이루어진 전계효과 트랜지스터(FET)가 사용될 수 있다. 여기에서, 바이폴 라 트랜지스터는 베이스와 에미터간에 인가되는 전류의 크기 및 극성에 따라서 컬렉터에서 에미터로 흐르는 전류의 양과 방향이 결정되고, 전계효과 트랜지스터는 게이트와 소오스간에 인가되는 전압의 크기 및 극성에 따라서 드레인에서 소오스로 흐르는 전류의 크기 및 방향이 결정되는 특성을 갖는다.
이하의 실시예에서는 바이폴라 트랜지스터를 이용하여 전압 제어 발진기를 구성하였지만 이에 한정되는 것은 아니며, 전계효과 트랜지스터나 그 외 다른 트랜지스터로도 구현이 가능함은 물론이다.
( 실시예 1)
도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기(200)의 회로도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기(200)는, 상기 도 1a의 차동형 커먼 컬렉터 콜피츠 전압 제어 발진기(100)의 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 컬렉터에 제 2 LC 공진기(201b)가 연결된 구조로, 전원전압(Vcc)에 연결되어 공진 주파수를 생성하는 제 1, 2 LC 공진기(201a, 201b)와, 상기 생성된 공진 주파수를 발진시켜 발진 신호를 출력하는 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)를 포함하는 제 1, 2 차동 발진부(202, 203)와, 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2) 사이에 연결된 피드백 커패시터(Cf) 및 디제너레이션 커패시 터(Ce)와, 전류원(Is)으로 구성된다.
본 발명의 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기(200)는, 상기 제 1, 2 차동 발진부(202, 203)의 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 컬렉터와 베이스 단자로부터 4위상 직교신호가 발생되는 것에 가장 큰 특징이 있으며, 이것은 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 베이스와 컬렉터 사이에 90도 위상차이가 발생하는 고유한 특성을 이용한 것으로, 이와 같은 특성에 따라 별도의 결합 트랜지스터나 트랜스퍼머 없이 직교신호를 얻을 수 있다.
즉, 종래의 전압 제어 발진기에서는 직교신호를 얻기 위해 결합 소자 또는 수동/능동 소자가 필수적으로 사용되기 때문에, 이로 인해 불필요한 비선형의 발생, 위상잡음의 열화, LC 공진기의 양호도(Q-factor) 저하, 전력소모의 증가가 발생되는 등의 문제점이 발생하였지만, 본 발명에서는 이와 같은 결합 소자 또는 수동 및 능동 소자로 인한 문제점들을 근본적으로 제거하기 위해, 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 베이스와 컬렉터 사이의 직교결합 원리를 이용하여 각 발진 트랜지스터의 베이스와 컬렉터를 결합시켜 4위상 직교신호를 얻을 수 있도록 구성한 것이다.
상기 제 1, 2 차동 발진부(202, 203)에 있어서, 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 베이스와 에미터 사이에 피드백 커패시터(Cf)가 각각 연결되며, 제 1 발진 트랜지스터(Q1)의 에미터와 제 2 발진 트랜지스터(Q2)의 에미터 사이에 디제너 레이션 커패시터(Ce)가 연결된다.
상기 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 에미터와 접지 사이에 전류원(Is)이 각각 연결되고, 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 컬렉터는 제 2 LC 공진기(201b)의 제 3 출력 노드(Q+)와 제 4 출력 노드(Q-)에 각각 연결되며, 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 베이스는 제 1 LC 공진기(201a)의 제 1 출력 노드(I+)와 제 2 출력 노드(I-)에 각각 연결된다.
상기 제 1, 2 LC 공진기(210a, 210b)는 전원전압(Vcc)을 통해 서로 연결되어 있으며, 두 개의 동일한 인덕터(L1)의 한쪽 끝이 서로 연결되고, 바랙터 커패시터(Cv)의 양끝이 상기 두 인덕터(L1)의 다른 한쪽 끝에 연결되어 LC 공진 회로를 형성한다.
상기 제 1 LC 공진기(201a)의 제 1 출력 노드(I+)는 제 1 발진 트랜지스터(Q1)의 베이스에 연결되며, 제 2 출력 노드(I-)는 제 2 발진 트랜지스터(Q2)의 베이스에 연결된다. 또한, 상기 제 2 LC 공진기(201b)의 제 3 출력 노드(Q+)는 제 1 발진 트랜지스터(Q1)의 컬렉터에 연결되고, 제 4 출력 노드(Q-)는 제 2 발진 트랜지스터(Q2)의 컬렉터에 연결되어 직교형 발진기(quadrature oscillator) 구조를 형성한다.
이러한 구성을 갖는 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기(200)의 동작을 간략하게 설명하면, 우선, 피드백 커패시터(Cf)와 디제너레이션 커패시터(Ce)의 값을 조절하여 원하는 주파수 대역에서 부성 저항을 발생시켜 제 1 LC 공진기(201a)를 원하는 주파수에서 공진시킨다.
여기에서, 상기 Cf/Ce의 비율이 제 1, 2 LC 공진기(201a, 201b)의 탱크 전압을 결정하며, 상기 Cf/Ce 비율이 크면 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)에 의한 부하가 감소되어 더 큰 탱크 전압이 유발됨에 따라 위상잡음을 더욱 감소시킬 수 있다.
이와 같이, 제 1 LC 공진기(201a)에 의해 발생된 공진 주파수는 제 1, 2 차동 발진부(202, 203)의 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 베이스로 각각 입력되어 발진된다.
이에 따라, 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 각 베이스단에서 발생된 180도 위상차이를 갖는 차동 발진신호는 그 컬렉터단에서 90도의 위상차이를 갖고 나타나게 되며, 이에 따라 제 1 LC 공진기(201a)와 제 2 LC 공진기(201b)의 제 1 내지 제 4 출력 노드(I+, I-, Q+, Q-)로부터 90도의 위상차이를 갖는 4위상 직교신호를 얻게 된다.
도 2b는 도 2a의 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기(200)에서 발생된 직교신호를 나타낸 도면으로, 도 2b에 도시된 바와 같이 제 1 LC 공진기(201a)의 제 1, 2 출력 노드(I+, I-), 제 2 LC 공진기(201b)의 제 3, 4 출력 노드(Q+, Q-)로부터 4위상 직교신호가 발생하는 것을 알 수 있다.
하지만, 제 1 LC 공진기(201a)의 제 1, 2 출력 노드(I+, I-)에서의 직교신호 진폭이 제 2 LC 공진기(201b)의 제 3, 4 출력 노드(Q+, Q-)에서의 직교신호 진폭보다 작은 것을 알 수 있는데, 이것은 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 컬렉터 전압 스윙폭이 베이스 전압 스윙폭보다 원천적으로 크기 때문이며, 이를 보완하는 방법에 대하여는 아래의 실시예 2에서 보다 상세히 설명한다.
( 실시예 2)
도 3a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기(300)의 회로도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기(300)는, 상기 도 2a의 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기(200)의 제 1 LC 공진기(201a)에 부성저항셀(301c)이 결합된 구조로, 전원전압(Vcc)에 연결되어 공진 주파수를 생성하는 제 1, 2 LC 공진기(301a, 301b)와, 상기 제 1 LC 공진기(301a)에 연결된 부성저항셀(301c)과, 상기 생성된 공진 주파수를 발진시켜 발진 신호를 출력하는 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)를 포함하는 제 1, 2 차동 발진부(302, 303)와, 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2) 사이에 연결된 피드백 커패시터(Cf) 및 디제너레이션 커패시터(Ce)와, 전류원(Is)으로 구성된다.
즉, 도 2a의 전압 제어 발진기(200)는 제 1 LC 공진기(201a)의 제 1, 2 출력 노드(I+, I-)의 직교신호가 제 2 LC 공진기(201b)의 제 3, 4 출력 노드(Q+, Q-)의 직교신호보다 작아서, 4위상 직교신호의 진폭이 불균등하고 정확한 90도의 위상차이를 갖지 않으므로, 이를 보완하기 위해 도 3a와 같이 부성저항셀(301c)을 제 1 LC 공진기(301a)의 제 1 출력 노드(I+)와 제 2 출력 노드(I-)에 교차연결한 것이다.
우선, 상기 부성저항셀(301c)의 연결관계에 대하여 간략하게 설명하면, 제 3 트랜지스터(Q3)의 컬렉터는 제 4 트랜지스터(Q4)의 베이스에 연결되고, 제 3 트랜지스터(Q3)의 베이스는 제 4 트랜지스터(Q4)의 컬렉터에 연결되고, 제 3, 4 트랜지스터(Q3, Q4)의 에미터 사이에 커패시터(Cd)가 연결되고, 제 3, 4 트랜지스터(Q3, Q4)의 에미터와 접지 사이에 전류원(Is)이 각각 연결된다.
그리고, 상기 제 1 LC 공진기(301a)의 제 1 출력 노드(I+)는 제 1 차동 발진부(302)의 제 1 발진 트랜지스터(Q1)의 베이스와 부성저항셀(301c)의 제 3 트랜지스터(Q3)의 컬렉터에 각각 연결되고, 제 2 출력 노드(I-)는 제 2 차동 발진부(303)의 제 2 발진 트랜지스터(Q2)의 베이스와 부성저항셀(301c)의 제 4 트랜지스터(Q4)의 컬렉터에 각각 연결된다.
이러한 구성을 갖는 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기(300)의 동작을 간략하게 설명하면, 우선, 피드백 커패시터(Cf)와 디제너레이션 커패시터(Ce)의 값을 조절하여 원하는 주파수 대역에서 부성 저항을 발생시켜 제 1 LC 공진기(301a) 를 원하는 주파수에서 공진시킨다.
상기 제 1 LC 공진기(301a)에 의해 발생된 공진 주파수는 제 1, 2 차동 발진부(302, 303)의 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 베이스로 각각 입력되어 발진된다.
이 때, 상기 부성저항셀(301c)의 제 3, 4 트랜지스터(Q3, Q4)의 높은 컬렉터 전압 스윙폭에 의해 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 베이스로부터 출력되는 직교신호의 진폭이 증가되어, 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 베이스로부터 출력되는 직교신호의 진폭과 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 컬렉터로부터 출력되는 직교신호의 진폭이 동일해진다. 즉, 상기 부성저항셀(301c)의 제 3, 4 트랜지스터(Q3, Q4)에 의해 제 1 LC 공진기(301a)의 제 1, 2 출력 노드(I+, I-)의 직교신호 진폭이 증가되어, 제 2 LC 공진기(301b)의 제 3, 4 출력 노드(Q+, Q-)의 직교신호 진폭과 동일해진다.
따라서, 상기 부성저항셀(301c)에 의해 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 베이스와 컬렉터단에 각각 연결된 제 1 내지 제 4 출력 노드(I+, I-, Q+, Q-)에서 90도 위상차이의 동일한 진폭을 갖는 4위상 직교신호가 각각 출력된다.
도 3b은 도 3a의 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기(300)에서 발생된 직교신호를 나타낸 도면으로, 도 3b에 도시된 바와 같이 제 1 LC 공진기(301a)의 제 1, 2 출력 노드(I+, I-)와 제 2 LC 공진기(301b)의 제 3, 4 출력 노드(Q+, Q-) 로부터 진폭이 동일하고 정확한 90도 위상차이를 나타내는 4위상 직교신호가 발생되는 것을 알 수 있다.
( 실시예 3)
도 4a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기(400)의 회로도이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기(400)는, 전원전압(Vcc)에 연결되어 공진 주파수를 생성하는 제 1, 2 LC 공진기(401a, 401b)와, 상기 제 1 LC 공진기(401a)로부터 생성된 공진 주파수를 발진시켜 발진 신호를 출력하는 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)를 포함하는 제 1, 2 차동 발진부(402, 403)와, 상기 제 2 LC 공진기(401b)로부터 생성된 공진 주파수를 발진시켜 발진 신호를 출력하는 제 5, 6 발진 트랜지스터(Q5, Q6)를 포함하는 제 3, 4 차동 발진부(404, 405)와, 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2) 및 제 5, 6 발진 트랜지스터(Q5, Q6) 사이에 각각 연결된 피드백 커패시터(Cf) 및 디제너레이션 커패시터(Ce)와, 전류원(Is)으로 구성된다.
본 발명의 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기(400)는, 상기 도 2a의 전압 제어 발진기(200)에서 제 2 LC 공진기(201b)의 제 3, 4 출력 노드(Q+, Q-)에 제 5, 6 발진 트랜지스터(Q5, Q6)를 포함하는 제 3, 4 차동 발진부(404, 405)가 각각 연결된 구조로, 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 컬렉터와 베이스 단자로부터 4위상 직교신호가 발생된다.
즉, 도 2a의 전압 제어 발진기(200)는 제 1 LC 공진기(201a)의 제 1, 2 출력 노드(I+, I-)의 직교신호가 제 2 LC 공진기(201b)의 제 3, 4 출력 노드(Q+, Q-)의 직교신호보다 작아서, 4위상 직교신호의 진폭이 불균등하고 정확한 90도의 위상차이를 갖지 않으므로, 이를 보완하기 위해 도 4a와 같이 상기 제 5, 6 발진 트랜지스터(Q5, Q6)의 컬렉터를 제 1 LC 공진기(401a)의 제 1, 2 출력 노드(I+, I-)에 차동 크로스-커플시키고, 상기 제 5, 6 발진 트랜지스터(Q5, Q6)의 베이스를 제 2 LC 공진기(401b)의 제 3, 4 출력 노드(Q+, Q-)에 각각 연결한 것이다.
우선, 상기 제 3, 4 차동 발진부(404, 405)의 연결관계에 대하여 간략하게 설명하면, 제 5, 6 발진 트랜지스터(Q5, Q6)의 베이스와 에미터 사이에 피드백 커패시터(Cf)가 각각 연결되고, 제 5 발진 트랜지스터(Q5)의 에미터와 제 6 발진 트랜지스터(Q6)의 에미터 사이에 디제너레이션 커패시터(Ce)가 연결되며, 제 5, 6 발진 트랜지스터(Q5, Q6)의 에미터와 접지 사이에 전류원(Is)이 각각 연결된다. 또한, 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 컬렉터는 제 2 LC 공진기(401b)의 제 3, 4 출력 노드(Q+, Q-)에 각각 연결되고, 상기 제 1 발진 트랜지스터(Q1)의 베이스는 제 6 발진 트랜지스터(Q6)의 컬렉터에 연결되며, 제 2 발진 트랜지스터(Q2)의 베이스는 제 5 발진 트랜지스터(Q5)의 컬렉터에 연결된다.
즉, 제 1 LC 공진기(401a)의 제 1 출력 노드(I+)는 제 1 발진 트랜지스터(Q1)의 베이스와 제 6 발진 트랜지스터(Q6)의 컬렉터에 함께 연결되고, 제 2 출력 노드(I-)는 제 2 발진 트랜지스터(Q2)의 베이스와 제 5 발진 트랜지스터(Q5)의 컬렉터에 함께 연결된다. 또한, 제 2 LC 공진기(401b)의 제 3 출력 노드(Q+)는 제 1 발진 트랜지스터(Q1)의 컬렉터와 제 5 발진 트랜지스터(Q5)의 베이스에 함께 연결되고, 제 4 출력 노드(Q-)는 제 2 발진 트랜지스터(Q2)의 컬렉터와 제 6 발진 트랜지스터(Q6)의 베이스에 함께 연결된다.
이러한 구성을 갖는 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기(400)의 동작을 간략하게 설명하면, 우선 피드백 커패시터(Cf)와 디제너레이션 커패시터(Ce)의 값을 조절하여 원하는 주파수 대역에서 부성 저항을 발생시켜 제 1 LC 공진기(401a)와 제 2 LC 공진기(401b)를 원하는 주파수에서 공진시킨다.
상기 제 1 LC 공진기(401a)에 의해 발생된 공진 주파수는 제 1, 2 차동 발진부(402, 403)의 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 베이스로 각각 입력되어 발진되며, 상기 제 2 LC 공진기(401b)에 의해 발생된 공진 주파수는 제 3, 4 차동 발진부(404, 405)의 제 5, 6 트랜지스터(Q5, Q6)의 베이스로 각각 입력되어 발진된다.
이 때, 상기 제 5, 6 발진 트랜지스터(Q5, Q6)의 높은 컬렉터 전압 스윙폭에 의해 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 베이스로부터 출력되는 직교신호의 진폭이 증가되어, 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 베이스로부터 출력되는 직교신호의 진폭과 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 컬렉터로부터 출력되는 직교신호의 진폭이 동일해진다. 즉, 상기 제 5, 6 발진 트랜지스터(Q5, Q6)에 의해 제 1 LC 공진기(401a)의 제 1, 2 출력 노드(I+, I-)의 직교신호 진폭이 증가되어, 제 2 LC 공진기(401b)의 제 3, 4 출력 노드(Q+, Q-)의 직교신호 진폭과 동일해진다.
따라서, 상기 제 5, 6 발진 트랜지스터(Q5, Q6)에 의해 제 1, 2 발진 트랜지스터(Q1, Q2)의 베이스와 컬렉터단에 각각 연결된 제 1 내지 제 4 출력 노드(I+, I-, Q+, Q-)에서 90도 위상차이의 동일한 진폭을 갖는 4위상 직교신호가 각각 출력된다.
도 4b는 도 4a의 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기(400)에서 발생된 직교신호를 나타낸 도면으로, 도 4b에 도시된 바와 같이 제 1 LC 공진기(401a)의 제 1, 2 출력 노드(I+, I-)와 제 2 LC 공진기(401b)의 제 3, 4 출력 노드(Q+, Q-)로부터 진폭이 동일하고 정확하게 90도의 위상차이를 나타내는 4위상 직교신호가 발생되는 것을 알 수 있다.
또한, 도 4c는 도 4a의 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기(400)에서 발생된 직교신호의 주파수 스펙트럼을 나타낸 도면으로, 출력전력이 4.5dBm, 그리고 하모닉 억압이 -25 dBc 이하의 우수한 주파수 특성을 갖는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기에 의하면, 별도의 결합 소자 또는 수동/능동 소자를 사용하지 않고도 정확한 4위상 직교신호를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 직교신호를 발생시키기 위한 부가회로인 결합 트랜지스터, 결합 트랜스퍼머, 복합위상 RC 필터 등을 사용하지 않고도 정확한 4위상 직교신호를 얻을 수 있으므로, 이에 따라 불필요한 비선형의 발생, 위상잡음의 열화, LC 공진기의 양호도(Q-factor) 저하, 전력소모 증가 등의 문제점을 근본적으로 제거할 수 있으며, 따라서, 위상잡음 특성이 우수하고, 전력소모가 작으며, 소형화된 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기를 구현할 수 있게 된다.

Claims (12)

  1. 전원전압에 연결되어 공진 주파수를 생성하는 제 1, 2 LC 공진기;
    상기 생성된 공진 주파수를 발진시켜 발진 신호를 출력하는 제 1, 2 발진 트랜지스터를 포함하는 제 1, 2 차동 발진부; 및
    상기 제 1, 2 발진 트랜지스터 사이에 연결된 피드백 커패시터 및 디제너레이션 커패시터를 포함하며,
    상기 제 1 LC 공진기의 제 1, 2 출력 노드가 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터의 베이스에 각각 연결되고, 상기 제 2 LC 공진기의 제 3, 4 출력 노드가 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터의 컬렉터에 각각 연결되어, 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터의 베이스 및 컬렉터로부터 90도의 위상차이를 갖는 4위상 직교신호가 각각 발생되는 것을 특징으로 하는 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1, 2 발진 트랜지스터의 베이스와 에미터 사이에 상기 피드백 커패시터가 각각 연결되고, 상기 제 1 발진 트랜지스터의 에미터와 상기 제 2 발진 트랜지스터의 에미터 사이에 상기 디제너레이션 커패시터가 연결되며, 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터의 에미터와 접지 사이에 전류원이 각각 연결된 것을 특징으로 하는 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 공진 주파수는 상기 피드백 커패시터와 상기 디제너레이션 커패시터의 값에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1, 2 발진 트랜지스터의 베이스로부터 출력되는 직교신호의 진폭을 증폭시키기 위한 부성저항셀을 더 포함하며,
    상기 부성저항셀은,
    상기 제 1 LC 공진기의 제 1, 2 출력 노드에 차동 크로스-커플되는 제 3, 4 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제 1 LC 공진기의 제 1 출력 노드가 상기 제 1 발진 트랜지스터의 베이스와 상기 제 3 트랜지스터의 컬렉터에 각각 연결되고, 상기 제 1 LC 공진기의 제 2 출력 노드가 상기 제 2 발진 트랜지스터의 베이스와 상기 제 4 트랜지스터의 컬렉터에 각각 연결된 것을 특징으로 하는 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제 3, 4 트랜지스터의 에미터 사이에 커패시터가 연결되며, 상기 제 3, 4 트랜지스터의 에미터와 접지 사이에 전류원이 각각 연결된 것을 특징으로 하는 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 제 3, 4 트랜지스터의 컬렉터의 전압 스윙폭에 의해 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터의 베이스로부터 출력되는 직교신호의 진폭이 증가되어, 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터의 베이스로부터 출력되는 직교신호의 진폭과 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터의 컬렉터로부터 출력되는 직교신호의 진폭이 동일하게 되는 것을 특징으로 하는 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1, 2 발진 트랜지스터의 베이스로부터 출력되는 직교신호의 진폭을 증폭시키기 위한 제 3, 4 차동 발진부를 더 포함하며,
    상기 제 3, 4 차동 발진부는,
    상기 제 2 LC 공진기로부터 생성된 공진 주파수를 발진시켜 발진 신호를 출력하는 제 5, 6 발진 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제 5, 6 발진 트랜지스터의 베이스는 상기 제 2 LC 공진기의 제 3, 4 출력 노드에 각각 연결되고, 상기 제 5 발진 트랜지스터의 컬렉터는 상기 제 2 발진 트랜지스터의 베이스에 연결되며, 상기 제 6 발진 트랜지스터의 컬렉터는 상기 제 1 발진 트랜지스터의 베이스에 연결된 것을 특징으로 하는 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1, 2 발진 트랜지스터의 컬렉터는 상기 제 2 LC 공진기의 제 3, 4 출력 노드에 각각 연결된 것을 특징으로 하는 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 제 5, 6 발진 트랜지스터의 베이스와 에미터 사이에 피드백 커패시터가 각각 연결되고, 상기 제 5 발진 트랜지스터의 에미터와 상기 제 6 발진 트랜지스터의 에미터 사이에 디제너레이션 커패시터가 연결되며, 상기 제 5, 6 발진 트랜지스터의 에미터와 접지 사이에 전류원이 각각 연결된 것을 특징으로 하는 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 제 5, 6 트랜지스터의 컬렉터의 전압 스윙폭에 의해 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터의 베이스로부터 출력되는 직교신호의 진폭이 증가되어, 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터의 베이스로부터 출력되는 직교신호의 진폭과 상기 제 1, 2 발진 트랜지스터의 컬렉터로부터 출력되는 직교신호의 진폭이 동일하게 되는 것을 특징으로 하는 직교신호 발생 콜피츠 전압 제어 발진기.
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