KR100864800B1

KR100864800B1 - 전압제어 발진기 및 그를 갖는 위상 고정 발진기

Info

Publication number: KR100864800B1
Application number: KR1020070038299A
Authority: KR
Inventors: 전유석
Original assignee: (주)태광이엔시
Priority date: 2007-04-19
Filing date: 2007-04-19
Publication date: 2008-10-23

Abstract

본 발명은 전압제어 발진기 및 그를 갖는 위상 고정 발진기에 관한 것이다. 위상 고정 발진기는, 외부의 기준 신호를 입력받아 발진신호를 출력하는 위상 고정 발진기로서, 외부의 위상 고정 데이터신호에 대응하는 주파수로 상기 외부의 기준신호와 피드백 되는 신호를 비교하여 위상 고정된 신호를 출력하는 위상 고정부; 상기 위상 고정부의 출력신호를 로우패스 필터링 하는 로우패스 필터; 상기 로우패스 필터의 출력신호에 따라 발진을 하는 전압제어 발진기를 포함하며, 상기 전압제어 발진기는, 상기 로우패스의 출력신호의 전압에 따라 내부 바렉터 다이오드의 용량값이 가변되는 용량 가변부; 상기 용량 가변부의 가변 용량값에 대응하여 공진주파수가 변화되는 티자 형태로 형성된 마이크로 스트립 라인을 갖는 공진부; 상기 공진부에서 공진되어 출력되는 신호를 발진하여 출력하는 발진부를 포함한다. 이러한 본 발명의 전압제어 발진기는 주파수 가변 범위가 발진 주파수의 10% 이상 정도이며, 저가형이고 낮은 위상잡음 특성을 갖는다.

위상잡음, 대역폭, 전압제어, 발진기

Description

전압제어 발진기 및 그를 갖는 위상 고정 발진기{Voltage controlled oscilator and Phase locked loop oscilator having that}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 위상 고정 발진기의 구성도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전압제어 발진기의 구성도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전압 제어 발진기의 출력 전력을 측정한 결과를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전압 제어 발진기의 위상잡음을 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전압 제어 발진기의 대역폭을 나타낸 도면이다.

본 발명은 정방제어 발진기에 관한 것으로 특히, 넓은 대역폭과 저 위상 잡음을 갖는 전압제어 발진기 및 그를 갖는 위상 고정 발진기에 관한 것이다.

일반적으로, 정보 및 데이터를 무선으로 송수신하기 위해 채널을 가지는 무 선통신분야에서 주파수를 채널 별로 변환하고자 할 때, 국부 발진용으로 전압 제어 발진기를 사용한다. 그리고, 전압제어 발진기의 주파수를 가변하여 채널 변환에 이용한다. 이때, 전압제어 발진기의 주파수 가변 범위 즉, 대역폭이 광대역이어야 하며, 저가형이고 위상 잡음 특성이 우수해야 할 필요가 있다.

전압 제어 발진기는 적용되는 마이크로파 무선 통신의 대역폭 및 변조 방식에 따라 크게 2가지로 나눌 수 있다.

첫째는, 광대역을 가지면서 위상 잡음 특성이 다소 나쁜 전압 제어 발진기를 사용하는 방법이고, 둘째는, 협대역 즉, 단일 주파수를 가지면서 위상 잡음 특성이 우수한 전압 제어 발진기를 사용하는 방법이 있다. 따라서, 적용되는 시스템 사양에 따라 트레이드 오프(Trade-off)가 필요하다.

그런데, 전압 제어 발진기의 발진 주파수가 약 5GHz 이상은 국내에 많은 설계가 이루어지지 않은 상태이며, 위상 잡음 그리고 대역폭을 모두 만족하기가 어렵다.

일반적으로 전압 제어 발진기를 구성하는 방법은 LC 공진기, 유전체 공진기, YIG 공진기 등이 있다.

LC 공진기는 구현이 용이하고 저가형이지만, 대역폭이 L,C의 용량값의 한계로 넓지 않다. 유전체 공진기는 높은 Q값을 갖는 DR을 이용하여 공진부를 형성함으로서 위상잡음 특성은 우수하나, 집적화가 용이하지 않고 주파수 가변 범위를 거의 할 수 없다.

YIG 발진기는 옥타브이상의 넓은 주파수 가변 범위를 갖지만, 가격이 매우 비싸고 제조 공정상의 어려움이 많다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 5GHz 이상의 대역에서 광대역 및 저잡음 특성을 갖는 전압제어 발진기 및 그를 갖는 위상 고정 발진기를 제공하는 것이다.

이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 하나의 특징에 따른 전압 제어 발진기는,

외부의 튜닝 전압을 인가받아 소정 대역의 주파수를 가진 발진 신호를 출력하는 전압제어 발진기로서,

상기 튜닝 전압에 따라 내부 바렉터 다이오드의 용량값이 가변되는 용량 가변부;

상기 용량 가변부의 가변 용량값에 대응하여 공진주파수가 변화되는 티자 형태로 형성된 마이크로 스트립 라인을 갖는 공진부;

상기 공진부에서 공진되어 출력되는 신호를 발진하여 출력하는 발진부를 포함한다.

이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 하나의 특징에 따른 위상 고정 발진기는,

외부의 기준 신호를 입력받아 발진신호를 출력하는 위상 고정 발진기로서,

외부의 위상 고정 데이터신호에 대응하는 주파수로 상기 외부의 기준신호와 피드백되는 신호를 비교하여 위상 고정된 신호를 출력하는 위상 고정부;

상기 위상 고정부의 출력신호를 로우패스 필터링 하는 로우패스 필터;

상기 로우패스 필터의 출력신호에 따라 발진을 하는 전압제어 발진기를 포함하며,

상기 전압제어 발진기는,

상기 로우패스의 출력신호의 전압에 따라 내부 바렉터 다이오드의 용량값이 가변되는 용량 가변부;

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 위상 고정 발3진기의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 위상 고정 발진기는,

이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 하나의 특징에 따른 위상 고정 발진기는, PLL부(110), 로우패스 필터(120), 전압제어 발진기(200), 버퍼(130)를 포함한다.

위상 고정부(PLL부, 110)는 외부의 위상 고정 데이터신호(PLL 데이터 신호)에 대응하는 주파수로 상기 외부의 기준신호와 피드백되는 신호를 비교하여 위상 고정된 신호를 출력한다. 로우패스 필터(120)는 상기 위상 고정부(110)의 출력신호를 로우패스 필터링 한다. 전압제어 발진기(200)는 상기 로우패스 필터(120)의 출력신호에 따라 발진을 한다. 버퍼(130)는 상기 전압제어발진기(200)의 출력을 버퍼링하여 출력한다. 　전압 제어 발진기(200)는 출력 부하 변화에 민감하게 반응하여 발진 주파수가 변화되기 때문에 부하(Load)에 영향을 덜 받게 하기 위하여 완충 역할을 해 줄 수 있도록 감쇠역할을 하는 버퍼(130)를 적용하였다.

이러한 구성을 가진 본 발명의 실시예에 따른 위상 고정 발진기의 동작에 대해 설명하면 다음과 같다.

광대역을 가진 전압제어발진기(200)의 출력이 내부의 저항 분배기(도면미도시)를 통해 위상 고정부(110)부의 고주파 입력단으로 입력되면, 입력된 신호는 외부의 PLL 데이터 신호에 따라 내부 N 분주기(도면 미도시)에 의해 소정의 분주비 만큼 분주된다.

한편, 기준 신호원(140)의 10MHz 대역의 기준신호도 PLL 데이터 신호에 따라 내부 R 분주기(도면 미도시)에 의해 소정의 분주비 만큼 분주되며, 결국 내부 위상 비교기(도면 미도시) 입력에서는 서로 주파수가 같은 상태에서 위상 비교가 이루어 진다.

이러한 내부 구성요소의 동작에 의해 위상 고정부(110)는 전압제어 발진기(200)의 출력신호와 기준 신호의 차이를 비교하고, 차인 신호의 오차 주파수가 거의 직류 성분으로 출력되며, 이 직류 성분이 로우패스 필터(120)를 거쳐 전압제어 발진기(200)의 튜닝 전압을 제어하게 된다.

그러면, 튜닝 전압에 따라 전압제어 발진기(200)는 제어가 되며, 광대역 및 저잡음 특성을 가진 발진신호를 출력한다.

상기 과정에서의 광대역 및 저잡음 특성을 갖는 전압제어 발진기(200)에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전압제어 발진기의 상세 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전압제어 발진기는, 용량 가변부(210), 공진부(220), 발진부(230)를 포함한다.

용량 가변부(210)는 튜닝 전압에 따라 내부 바렉터 다이오드의 용량값이 가변되는데, 튜닝 전압 단자(VT)로 인가되는 튜닝 전압에 따라 바렉터 다이오드(Varactor Diode)의 용량값, 즉 커패시턴스 값이 가변 되어 전압제어 발진기의 출력주파수를 가변 시키게 된다. 이때, 바렉터 다이오드(213)의 연결을 접지와 병렬이 아닌 직렬로 연결하여 내부 커패시턴스 값이 최대로 변할 수 있도록 하였다. 개방부(211)는 전압제어 발진의 발진 주파수 신호가 튜닝 전압 단자(VT) 쪽으로 나가지 못하도록 발진 주파수에서 개방(Open)을 구현하였다. 정합부(212)는 바렉터 다이오드(213)의 커패시턴시 양이 최대로 바이폴라 트랜지스터 소자(T1)의 베이스의 마이크로 스트립공진부(M4)에 전달될 수 있도록 마이크로 스트립(M2)의 스터브(Stub)길이를 조절해야 한다. 또한, 마이크로 스트립(M2)의 스터브의 길이에 따라 튜닝 전압 단자(VT)로 인가되는 전압을 변경하더라도 발진기의 발진 주파수가 다른 곳에서 발진을 하거나, 주파수가 변화하지 않을 수 있기 때문에 적당한 스터브 길이를 설계하도록 한다.

공진부(220)는 용량 가변부(210)의 가변 용량값에 대응하여 공진주파수가 변화되는 티자 형태로 형성된 티자형 마이크로 스트립 라인(M3)을 갖으며, 공진부(220)의 구성에 따라 위상 잡음 특성 및 주파수 가변 범위가 결정되며, 공진부의 Q(선택도)값에도 비례한다. 여기서, 마이크로 스트립 라인(M3)이 인덕터의 역할을 하며, 커패시터(C3)와 함께 공진을 하게 된다. 저항(R1)은 전압, 전류 등의 안정을 위해 추가하였다.

BJT(바이폴라 접합 트랜지스터, T1) 소자의 베이스(Base)단자에 공진을 하도록 마이크로 스트립(M4) 패턴으로 구성하였으며 원하고자 하는 발진 주파수에서 입력반사계수가 1보다 커야 하며, 안정도 계수 K가 1보다 작아야 하는 조건을 만족하여야만 발진 조건이 성립한다. 이때, 발진 조건을 만족시키기 위하여 RC단(231)의 커패시턴스(C4) 값을 변화하여 BJT 소자(T1)가 불안정 영역에서 놓이게 되어 발진을 하도록 한다. 이때, 커패시턴스(C4) 값이 설계 값과 상이하거나 허용오차가 크게 되면, 원하지 않는 다른 주파수에서 발진을 하게 되므로 튜닝(Tuning)시 주의를 기울어야 하며, 본 발명의 실시예에서는 커패시턴스 크기를 0402 Type에 높은 Q를 갖는 것을 사용하였다.

발진부(230)는 상기 공진부(220)에서 공진되어 출력되는 신호를 발진하여 출력하며, 발진 조건을 만족시키기 위하여 RC단(231)의 커패시턴스(C4) 값을 변화하여 BJT 소자(T1)가 불안정 영역에서 놓이도록 하여 발진을 유도한다.

전압 제어 발진기(200)는 설계된 발진 주파수를 정확하게 발진시켜야 하지만, 외부에서 발생되는 다른 신호들로 인하여 위상 잡음에 영향을 받으며, BJT(T1)를 구동시키는 직류 전원의 전원 노이즈에 의해서도 위상 잡음에 민감하다. 이에 전압 제어 발진기(200)를 외부로부터 완벽하게 차폐시킬 필요가 있기 때문에 전압 제어 발진기 PCB 위에 금속 CAN을 씌워서 납땜을 하도록 한다.

이러한 구성을 가진 본 발명의 실시예에 따른 전압제어 발진기의 동작에 대해 부연 설명하면 다음과 같다.

공진부(220)의 마이크로 스트립 라인(M3)을 원하고자 하는 전체 대역폭에서 공진될 수 있도록 설계 한 후, 발진부(230)의 BJT 발진 소자(T1)를 이용하여 설계하고자 하는 주파수 대역에서 불안정(안정계수 K값이 1보다 작다)영역에서 동작할 수 있도록 BJT 소자(T1)의 베이스 단자에 불안정 요소를 줄 수 있는 커패시터(C3)를 추가한다. 그리고 나서, 용량 가변부(210)에서 튜닝전압 입력단(VT)에 바랙터 다이오드(213)를 공진부(220)와 직렬로 연결하여 인가되는 튜닝 전압에 따라 바렉터 다이오드(213) 내부의 커패시턴스 값이 변화되어 마이크로 스트립 공진부(M3)의 공진 주파수를 바꿀 수 있게 정합부(212)를 이용하여 구현한다. 이때, 정합부(212)에서 마이크로 스트립 라인(M2)이 너무 길거나 너무 짧으면 튜닝 전압이 인가되더라도 주파수가 변하지 않고 다른 발진 주파수에 고정되게 되며, 공진부(220)의 마이크로 스트립 공진부(M3)의 T자형 형태를 제대로 구현하지 못할 경우에는 커버(COVER)를 씌웠을 때 발진 주파수가 다른 곳에서 발생하게 되기 때문에 설계/측정시 주의를 기울여야 한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에서는 티자형 마이크로 스트립 라인을 사용하여 저비용으로 구현이 가능하며, 광대역 및 저잡음을 갖도록 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 마이크로 스트립 공진부를 이용한 광대역 전압 제어 발진기는 5.35GHz ~ 5.98GHz 까지 약 640MHz 넓은 대역폭을 가변 할 수 있었으며, 출력 전력은 약 10dBm 출력을 얻었지만, 완충 역할은 해 주는 버퍼의 감쇠기 값이 5dB 이므로 최종 출력은 약 +5dBm 을 얻었다. 또한, 대역폭 내에서의 우수한 저 위상잡음 특성 얻었다. 출력 전력도 VT 인가 전압에 따라 약 0.6dB 정도의 편차만을 갖는 특성을 얻었다.

이때의 측정값은 다음과 같다.

VT(튜닝 단자) 전압 : 0 ~ 10V

출력 전력 : +10dBm

출력 주파수 : 5.35 ~ 5.98GHz ( 640MHz )

위상 잡음 : -105 dBc/Hz @ 100KHz , -120dBc/Hz @ 1MHz

그리고, 실제 측정한 파형을 도3 내지 도 5에 도시하였다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전압 제어 발진기의 출력 전력을 측정한 결과를 나타낸 도면으로서, 실제 출력 전력이 5.17dBm이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전압 제어 발진기의 위상잡음을 나타낸 도면으로서, 위상잡음이 -105.8dBc/Hz이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전압 제어 발진기의 대역폭을 나타낸 도면으로서, 대역폭이 640MHz이다.

측정결과에서 보여지듯이, 본 발명의 실시예에 따른 전압제어 발진기는 저잡음 및 광대역폭을 갖으며, 제조비용도 절약된다. 또한, 전압 제어 발진기를 이용한 위상고정 발진기도 같은 효과를 갖는다.

본 발명의 실시예에 따른 위상고정 발진기는 하나의 제품형태로 제작될 수도 있고, 전압제어 발진기만 별도로 제작도 가능하며, 필요에 따라 다양하게 변형하여 제작이 가능하다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

이상에서와 같이, 이 발명의 실시예에서, 우수한 위상 잡음 특성을 kw고, 넓은 대역폭을 갖는 전압제어발진기 및 그를 갖는 위상고정 발진기를 제공할 수 있다.

Claims

외부의 튜닝 전압을 인가받아 소정 대역의 주파수를 가진 발진 신호를 출력하는 전압제어 발진기로서,

상기 튜닝 전압에 따라 내부 바렉터 다이오드의 용량값이 가변되는 용량 가변부;

상기 용량 가변부의 가변 용량값에 대응하여 공진주파수가 변화되는 티자 형태로 형성된 마이크로 스트립 라인을 갖는 공진부;

상기 공진부에서 공진되어 출력되는 신호를 발진하여 출력하는 발진부를 포함하는 전압제어 발진기.
제1항에 있어서,

상기 공진부는,

티자형의 패턴으로 형성된 제1 마이크로 스트립(M3)과

상기 제1 마이크로 스트립과 함께 공진을 하는 제1 커패시터(C3)를 포함하는 전압제어 발진기.
제2항에 있어서,

상기 발진부는,

상기 공진부의 공진신호를 발진하는 트랜지스터;

상기 트랜지스터의 베이스 단자를 불안정하도록하며, 일측이 접지단에 연결되고, 타측이 상기 트랜지스터 및 일정 전원에 연결되는 제2 커패시터를 포함하는 전압제어 발진기.
제3항에 있어서,

상기 용량 가변부는,

상기 튜닝 전압을 정합하며, 제2 마이크로 스트립과 제2 커패시터로 구성된 정합부;

상기 정합부의 출력전압에 따라 내부의 커패시턴스가 변화되어 상기 공진부와 연결되는 바렉터 다이오드를 포함하는 전압제어 발진기.
제4항에 있어서,

상기 용량 가변부는,

상기 공진부의 공진신호가 상기 튜닝 전압방향으로 전달되지 않도록 상기 튜닝전압단자와 상기 정합부사이에 위치하고, 제3 마이크로 스트립과 제3 커패시터로 구성된 개방부를 포함하는 전압제어 발진기.
외부의 기준 신호를 입력받아 발진신호를 출력하는 위상 고정 발진기로서,

외부의 위상 고정 데이터신호에 대응하는 주파수로 상기 외부의 기준신호와 피드백되는 신호를 비교하여 위상 고정된 신호를 출력하는 위상 고정부;

상기 위상 고정부의 출력신호를 로우패스 필터링 하는 로우패스 필터;

상기 로우패스 필터의 출력신호에 따라 발진을 하는 전압제어 발진기를 포함하며,

상기 전압제어 발진기는,

상기 로우패스의 출력신호의 전압에 따라 내부 바렉터 다이오드의 용량값이 가변되는 용량 가변부;

상기 용량 가변부의 가변 용량값에 대응하여 공진주파수가 변화되는 티자 형태로 형성된 마이크로 스트립 라인을 갖는 공진부;

상기 공진부에서 공진되어 출력되는 신호를 발진하여 출력하는 발진부를 포함하는 위상고정 발진기.
제6항에 있어서,

상기 공진부는,

티자형의 패턴으로 형성된 제1 마이크로 스트립(M3)과

상기 제1 마이크로 스트립과 함께 공진을 하는 제1 커패시터(C3)를 포함하고,

상기 발진부는,

상기 공진부의 공진신호를 발진하는 트랜지스터;

상기 트랜지스터의 베이스 단자를 불안정하도록하며, 일측이 접지단에 연결되고, 타측이 상기 트랜지스터 및 일정 전원에 연결되는 제2 커패시터를 포함하는 위상고정 발진기.