KR100862524B1

KR100862524B1 - 전압제어발진기

Info

Publication number: KR100862524B1
Application number: KR1020070013099A
Authority: KR
Inventors: 김남윤
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2007-02-08
Filing date: 2007-02-08
Publication date: 2008-10-09
Also published as: KR20080074288A

Abstract

본 발명에 의한 전압제어발진기는 발진주파수신호를 생성하는 공진부; 및 상기 공진부와 루프 회로를 구성하고, 상기 발진주파수신호를 1회 이상 동위상으로 증폭시키는 동위상증폭부를 포함한다.

본 발명에 의하면, 동위상을 이용한 능동 피드백 회로를 이용하여, 높은 이득 수치를 가지는 전압제어발진기를 설계할 수 있으며, LO 구동 레벨(drive level) 제어가 가능함으로써, 전압제어발진기 단일 제품으로 다양한 통신 시스템을 개발할 수 있게 된다. 또한, LO 구동전력증폭기와 같은 별도의 전자 부품을 구비할 필요가 없으므로, 생산 비용을 절감하고 시스템 구성을 간소화할 수 있으며 I/Q 신호가 부정합되는 문제점을 해결할 수 있다.

Description

전압제어발진기{Volt Controlled Oscillator}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전압제어발진기의 구성요소 및 그 연결형태를 개략적으로 도시한 블록도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전압제어발진기의 구성요소를 개략적으로 도시한 회로도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전압제어발진기에서 출력되는 발진주파수신호의 이득 마진(margin)과 발진 주파수 대역을 측정한 그래프.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전압제어발진기의 오픈 루프 게인을 측정한 극좌표 형태의 스미스 차트.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전압제어발진기의 발진주파수신호 성분을 주파수 대역에서 측정한 그래프.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

100: 전압제어발진기 105, 115: 전원부

110: 공진부 112: 제1트랜지스터

120: 동위상증폭부 122: 제2트랜지스터

123: 제1필터부 124: 제2필터부

130: 이득증폭부 132: 제3트랜지스터

140: 신호결합부 150: 스위치부

200: 제어부 300: 위상동기회로

400: TCXO

본 발명은 전압제어발진기(Volt Controlled Oscillator)에 관한 것이다.

현재, 핸드폰, 스마트폰, PDA(Personal Digital Assistant), 노트북과 같은 개인휴대단말기 제품은 현대인의 생활기기로 인식될 만큼 대중화되었는데, 이러한 개인휴대단말기가 제공하는 다양한 기능 중 가장 기본적인 기능은 통신 기능이다.

한편, 유비쿼터스(ubiquitous) 네트워크 기술이 많은 이들의 주목을 받고 있는데, 유비쿼터스 네트워크 기술이란 시간과 장소에 구애됨이 없이 다양한 네트워크에 자연스럽게 접속할 수 있도록 하는 기술을 의미한다.

이러한 유비쿼터스 네트워크 기술의 예로서 RFID 기술을 들 수 있으며, 일반적으로, RFID 시스템은 물품에 부착되어 세부정보가 내장된 태그, 태그의 정보를 RF통신을 이용하여 읽는 리더로 이루어진다.

이처럼 현대 생활의 기반을 제공하는 통신 시스템들은 RF통신모듈을 탑재하고 있는데, RF통신모듈이란 전파 신호를 제어하는 송수신 장치로서, 여러 가지 전자 부품이 하나의 기판 상에 일련적으로 구현되어 그 집적 공간이 최소화된 복합 부품을 의미한다.

가령, 여러 대역의 신호를 분리하는 다이플렉서(Diplexer), 송수신 신호를 분리하는 듀플렉서(Duplexer), 송신부, 수신부, 필터 등의 구성부들이 하나의 모듈로 구성되어 최소화된 사이즈의 칩으로 구성된 것을 예로 들 수 있다.

상기 송신부, 수신부는 베이스밴드신호를 RF신호로 복조하거나 RF신호를 베이스밴드신호로 변조하기 위하여 믹서와 같은 소자를 구비하는데, 믹서는 발진주파수신호를 송수신신호와 합성하여 변조 또는 복조처리를 하게 된다.

일반적으로, 송신부는 PLL(phase Locked Loop; 발진주파수신호를 공급함)을 구성하는 VCO에 직접 변조 신호를 인가하는 방식을 이용하고, 수신부는 믹서 Lo(Local ocsillator)단을 이용한다.

전술한 대로, RFID 시스템을 비롯한 여러 통신 시스템은 송신신호의 피드백 신호 레벨이 상대적으로 크므로 수신부 회로를 설계하는 경우 높은 IIP3, P1 dB를 고려하여 설계한다.

따라서, I/Q 믹서(Mixer)소자를 설계하는 경우, 높은 선형성을 확보하기 위하여, 수동(passive) 믹서소자를 사용하며, 따라서 높은 국부 구동 전력(LO drive power)이 필요로 된다.

이러한 이유로, 믹서단에는 대부분 LO 구동전력증폭기(drive amplifier)가 사용되며, 이렇게 LO 구동전력증폭기를 사용하게 되면 제품 단가가 상승되고, 시스템 구성이 복잡해지며, 특히 국부발진신호의 피드백 영향으로 인하여 I/Q 신호가 부정합(miss matching)되는 문제점이 발생될 수 있다.

본 발명은 LO 구동전력증폭기와 같은 별도의 전력증폭기를 구비할 필요없이, 고이득 전력 수치를 가지는 발진주파수신호를 생성할 수 있는 전압제어발진기를 제공한다.

또한, 본 발명은 LO 구동 레벨(drive level) 제어가 가능함으로써 다양한 통신 시스템에 적용할 수 있는 전압제어발진기를 제공한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전압제어발진기에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전압제어발진기의 구성요소 및 그 연결형태를 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 1에 의하면, 본 발명의 실시예에 따른 전압제어발진기는 공진부, 동위상증폭부, 이득증폭부, 신호결합부 및 스위치부를 포함하여 이루어지는데, 공진부는 위상동기회로와 연결된다.

우선, 위상동기회로에 대하여 간단히 살펴보면 다음과 같다.

상기 전압제어발진기는 베이스밴드회로부의 믹서로 발진주파수신호를 공급하고, 믹서는 발진주파수신호와 RF신호를 합성하여 I(In-phase)신호 및 Q신호(Quadrature-phase)신호를 생성한다.

이때, 온도와 같은 외부 환경의 변화, 전원 제공시 발생되는 잡음성분 등에 의하여 상기 전압제어발진기가 공급하는 발진주파수신호는 미세하게 유동되어 불안정한 상태가 될 수 있으며, 이러한 경우 믹서에서 처리되는 중간주파수신호에 왜곡이 발생 될 수 있다.

따라서, 안정적인 발진주파수신호를 공급하기 위해서는, 온도와 같은 외부 요인과 상기 전원 공급시의 위상잡음을 개선할 필요가 있다.

이와 같은 이유로, 상기 전압제어발진기는 TCXO(400) 및 위상동기회로(300)와 연결되는데, 위상동기회로(300)는 전압제어발진기(100)로부터 출력되는 발진주파수신호를 검출하여 TCXO(400)에서 출력되는 기준주파수신호와 비교하고, 주파수 차이에 대응되는 제어신호를 생성하여 전압제어발진기로 전달하는 기능을 수행한다.

따라서, 상기 발진주파수신호가 유동되는 경우, 위상동기회로(300)가 이를 검출하여 제어신호를 생성/전달하므로, 상기 전압제어발진기(100)는 제어신호에 따라 안정적인 발진주파수신호를 유지할 수 있다.

상기 TCXO(400)는 온도변화에 따른 수정발진기의 주파수 교란을 통제하는 장치로서, 온도변화에 대하여 일정한 값의 주파수를 갖는 기준주파수신호를 위상동기회로(300)로 제공한다.

주로, TCXO(400)는 수십도의 온도 변화에도 약 2.5ppm을 초과하여 주파수가 교란되지 않도록, 일정한 주파수신호를 발진한다.

상기 위상동기회로(300)는 주파수검출기(310), 분주기(340), 챠지펌 프(charge pump)(320), 루프필터(Loop Filter; 보통 "Low Pass Filter"로 구비됨)(330)를 포함하여 구성된다.

상기 주파수검출기(310)는 TCXO(400)로부터 기준주파수신호를 입력받고, 상기 전압제어발진기(100)로부터 출력되는 발진주파수신호를 검출하여 비교한다.

일반적으로 상기 전압제어발진기(100)가 제공하는 발진주파수신호는 고주파신호(가령, "㎓" 단위)이고, 상기 TCXO(400)가 제공하는 기준주파수신호는 상대적으로 저주파신호(가령, "㎒" 단위)이므로, 상기 분주기(340)는, 두 신호의 비교를 위하여, 발진주파수신호를 낮은 주파수로 대역으로 분주시킨다.

예를 들어, 상기 TCXO(400)가 100㎒의 발진주파수신호를 제공하고 상기 전압제어발진기(100)가 1.1㎓의 기준주파수신호를 제공하면, 분주기(340)는 발진주파수신호를 1/10배로 분주하여 비교가능한 신호로 변환한다.

상기 주파수검출기(310)는 기준주파수신호와 분주된 발진주파수신호를 비교하여 주파수 차이에 대응되는 제어신호를 챠지펌프(320)로 전달하고 챠지펌프(320)는 제어신호에 따라 전류값을 조정한다.

상기 예시에 의하면, 100MHz의 기준주파수신호와 110MHz의 발진주파수신호가 비교되고, 주파수검출기(310)는 발진주파수신호와 기준주파수신호의 차이, 즉 10MHz의 차이에 대응되는 전류량을 가지는 제어신호를 생성한다.

상기 챠지펌프(320)는 제어신호에 따라 특정량의 전하를 공급하거나 흡수하는 전자회로이다.

상기 제어신호에 따라 전류량이 조정된 제어신호는 LPF(330)로 전달되는데, LPF(330)는 가령 커패시터 2개와 저항 1개로 구성된 2차 필터를 이용할 수 있다.

상기 저항과 병렬로 연결된 커패시터에서는 상기 챠지펌프(320)에서 밀고 당기는 전하량을 조절하여 상기 전압제어발진기(100)의 전압을 조정하고, 상기 위상동기회로(300)에서 발생하는 스퓨리어스 특성을 감소시킨다.

이하, 도 1 및 도 2를 함께 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전압제어발진기에 대하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전압제어발진기의 구성요소를 개략적으로 도시한 회로도이다.

상기 공진부(110)는 제1트랜지스터(112)와 필터(저항과 커패시터로 이루어짐) 등을 구비하고, 위상동기회로(300)와 연결되어 제어신호를 입력받는다.

상기 공진부(110)는 제어신호에 대응되는 발진주파수신호를 생성하는데, 이때 생성된 발진주파수신호는 동위상(In-phase)신호와 역위상(Quadrature-phase)신호로 이루어진다.

상기 동위상증폭부(120)는 공진부(110)와 루프회로를 구성하며, 공진부(110)에서 생성된 발진주파수신호는, 동위상증폭부(120)에 의하여 역위상 신호가 위상반전되고, 동위상 신호만이 증폭된 후 다시 공진부(110)로 궤환된다.

상기 공진부(110)의 제1트랜지스터(112)는 궤환된 발진주파수신호와 공진부(110) 자체에서 발생된 발진주파수신호를 합성함으로써 다시 증폭된 신호로 출력시킨다.

또한, 공진부(110)에 구비된 필터는 병렬연결된 저항 및 커패시터를 포함하 여 이루어지며 전원부(105, 115)에서 공급되는 전원의 위상잡음을 개선한다.

상기 전원부(105, 115)는 외부의 DC 전원단(가령, 이동통신단말기의 배터리)과 연결되어 전압제어발진기(100)로 에너지를 공급하는데, DC전원단과 병렬연결된 바이패스 커패시터 및 인덕터를 구비하여 전원의 잡음 성분을 제거한다.

한편, 상기 동위상증폭부(120)는 제2트랜지스터(122), 제1필터부(123), 제2필터부(124)를 포함하여 이루어지며, 전술한 대로 공진부(110)와 능동(Active) 루프 회로를 구성하여 유기된 동위상 신호의 높은 이득(Gain) 수치를 구현한다.

상기 제2트랜지스터(122)는 베이스단을 통하여 발진주파수신호를 입력받고 이를 증폭하여 에미터단을 통하여 출력하는데, 컬렉터단이 아닌 에미터단을 통하여 신호를 증폭시킴으로써 동위상 신호만을 증폭시킬 수 있게 된다.

상기 제1필터부(123)는, 발진주파수신호가 동위상 증폭되는 과정에서 발생된 잡음성분의 신호를 차단하고, 상기 제2필터부(124)는, 제2트랜지스터(122)로 바이어스 전압이 인가되는 과정에서 섞여 들어오는 불요파 성분의 신호를 차단하며, 제2트랜지스터(122)로부터 역류되는 신호 성분을 차단한다.

상기 제1필터부(123)와 제2필터부(124)는, 병렬연결된 저항 및 커패시터로 이루어진 제1필터단과, 병렬연결된 인덕터 및 커패시터로 이루어진 제2필터단, 2개의 필터단이 직렬연결되어 구성될 수 있으며 2차에 걸쳐 위상잡음을 필터링할 수 있다.

상기 공진부(110)와 동위상증폭부(120)가 이루는 루프 회로를 통하여 발진주파수신호는 수차에 걸쳐 동위상 증폭될 수 있으며, 이때 제어부(200)가 스위치 부(150)를 제어함으로써 증폭 회수를 조절할 수 있다.

상기 이득증폭부(130)는 제3트랜지스터(132), 다수의 저항을 포함하여 이루어질 수 있으며, 저항들은 제3트랜지스터(132)의 에미터, 베이스, 컬렉터 단 사이의 전압을 분배하는 기능을 수행한다.

상기 제3트랜지스터(132)는 공통 컬렉터 구조를 이용한 버퍼 앰프로 동작될 수 있는데, 상기 제어부의 제어신호에 의하여 전력을 증폭시킬 뿐만 아니라 외부 노이즈를 감쇄하는 기능, 임피던스를 매칭하는 기능, 용량성 부하를 조절하는 기능, 전후단의 회로 사이의 영향을 감소시키는 기능 등을 수행할 수 있다.

상기 신호결합부(140)는, 가령 신호 분리 특성이 우수한 브랜치 라인 커플러를 이용하여 구현될 수 있으며, 이득증폭부(130)로부터 출력되는 발진주파수신호를 커플링시켜 신호검출부(145)로 전달한다.

상기 신호검출부(145)는 상기 커플링된 신호를 DC성분의 신호를 변환하여 발진주파수신호의 전력 레벨을 감지하고, 감지된 전력레벨을 제어부(200)로 전달한다.

상기 제어부(200)는, 예를 들어 전압제어발진기(100)가 사용된 시스템 상의 제어부일 수 있으며, 상기 발진주파수신호의 전력 레벨을 해석하여 시스템에 사용가능한 출력 상태인지의 여부를 판단한다.

상기 제어부(200)는 발진주파수신호의 전력 레벨을 해석함에 따라 이득증폭부(130)로 제어신호를 전달하고 이득증폭부(130)는 이득 수치를 조정하여 동위상 증폭된 발진주파수신호의 전력을 정밀하게 증폭시킬 수 있게 된다.

또한, 제어부(200)는 스위치부(150)를 제어함으로써 동위상 증폭 루프의 궤환 회수를 결정할 수 있으므로, 본 발명에 의하면, 두가지 증폭 과정, 즉 궤환 구조의 동위상 증폭 및 이득 제어 증폭을 통하여 안정된 발진주파수신호를 생성하고, 다양한 출력 레벨의 발진주파수신호를 생성할 수 있다.

따라서, 본 발명에 의한 전압제어발진기(100)는 다양한 신호 규격의 통신 시스템에 이용될 수 있다.

상기 스위치부(150)는 SPDT(Single Pole Double Throw)와 같은 스위치 소자로 구비될 수 있으며, 제어부(200)로부터 스위칭 제어신호가 전달되면 신호경로를 접지단으로 연결하거나 출력단자로 연결한다.

상기 신호경로가 접지단으로 연결되는 경우, 동위상 증폭 과정은 유지되고, 출력단자로 연결되는 경우 발진주파수신호는 출력단자를 통하여 외부의 믹서로 공급될 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전압제어발진기(100)에서 출력되는 발진주파수신호의 이득 마진(margin)과 발진 주파수 대역을 측정한 그래프이다.

도 3을 참조하면, "A"그래프는 발진주파수신호의 이득 마진(DB)를 측정한 것이고, "B"그래프는 발진주파수신호의 위상을 측정한 것인데, 동위상증폭부(120)에 의하여 약 900 MHz 대역에서 위상이 동위상으로 반전되며("D" 지점) 약 9dB의 이득 마진("C" 지점)으로 신호가 증폭되고 있음을 확인할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전압제어발진기(100)의 오픈 루프 게인을 측정한 극좌표 형태의 스미스 차트이다.

도 4를 참조하면, 발진 루프(공진부(110)와 동위상증폭부(120))의 이득을 극좌표 형태의 스미스 차트에서 분석한 결과를 볼 수 있는데, "1.0" 지점에서 오픈 루프 게인이 측정되었고 이는 발진 조건을 만족시키는 수치라 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전압제어발진기(100)의 발진주파수신호 성분을 주파수 대역에서 측정한 그래프이다.

도 5를 참조하면, "F1"신호는 본 발명에 의한 전압제어발진기(100)가 출력한 발진주파수신호의 전력 수치를 측정한 것이고, "F2", "F3"… 신호들은 2차, 3차 … 하모닉 성분의 신호를 측정한 것인데, 동위상 증폭 및 이득 증폭의 과정을 통하여 필요로 하는 발진주파수신호만이 크게 증폭되고 하모닉 성분의 신호는 영향이 없을 정도로 작게 유지되었음을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 의하면, 동위상을 이용한 능동 피드백 회로를 이용하여, 높은 이득 수치를 가지는 전압제어발진기를 설계할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 전압제어발진기에 의하면, LO 구동 레벨(drive level) 제어가 가능함으로써, 전압제어발진기 단일 제품으로 다양한 통신 시스템을 개발할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, LO 구동전력증폭기와 같은 별도의 전자 부품을 구비할 필요가 없으므로, 생산 비용을 절감하고 시스템 구성을 간소화할 수 있으며 국부발진신호의 피드백 영향으로 인하여 I/Q 신호가 부정합(miss matching)되는 문제점을 해결할 수 있다.

Claims

발진주파수신호를 생성하는 공진부; 및

상기 공진부와 루프 회로를 형성하고, 상기 발진주파수신호를 동위상으로 증폭시키는 동위상증폭부를 포함하는 전압제어발진기.
제1항에 있어서, 상기 동위상증폭부는

에미터단으로 증폭신호를 출력시키는 트랜지스터 증폭기를 포함하는 전압제어발진기.
제1항에 있어서,

상기 루프 회로의 출력신호를 이득증폭시키는 이득증폭부;

상기 이득증폭부의 출력신호를 커플링시키는 신호결합부; 및

상기 신호결합부의 출력신호를 외부 라인 또는 접지단으로 분기시키는 스위치부를 포함하는 전압제어발진기.
제3항에 있어서,

상기 커플링된 신호를 전달받아 발진주파수신호의 전력 레벨을 감지하는 신호검출부를 포함하는 전압제어발진기.
제3항에 있어서,

상기 커플링된 신호의 전력 레벨을 파악하여 제어신호를 생성하는 제어부를 포함하고,

상기 이득증폭부, 상기 스위치부 중 적어도 하나는 상기 제어부로부터 전달된 제어신호에 의하여 동작되는 전압제어발진기.
제1항에 있어서,

상기 공진부로 전원을 공급하는 전원부를 포함하는 전압제어발진기.
제1항에 있어서, 상기 공진부는

TCXO(Temperature compensated crystal oscillator)회로로부터 제공된 발진주파수신호와 상기 공진부에서 생성된 기준주파수신호의 주파수를 비교하여 주파수 차이에 따라 제어신호를 생성하는 위상동기회로와 연결되고, 상기 위상동기회로로부터 제어신호를 전달받아 상기 발진주파수신호를 생성하는 전압제어발진기.
제1항에 있어서, 상기 공진부는

상기 동위상 증폭된 발진주파수신호 및 자신이 생성한 발진주파수신호를 합성하는 전압제어발진기.