KR100900351B1 - 트랜스포머 기반의 차동 튜닝 엘씨 탱크 및 이를 이용한차동 튜닝 전압제어 발진기 - Google Patents

트랜스포머 기반의 차동 튜닝 엘씨 탱크 및 이를 이용한차동 튜닝 전압제어 발진기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 트랜스포머 기반의 차동 튜닝 엘씨 탱크 및 이를 이용한 차동 튜닝 전압제어 발진기에 관한 것으로, LC 탱크는 일차 코일단과 제1 및 제2 이차 코일단을 가진 트랜스포머와, 서로 방향이 다르게 직렬 연결된 제1 가변 커패시터 쌍과, 상기 제1 가변 커패시터 쌍과 동일한 연결 형태를 가지는 제2 가변 커패시터 쌍을 포함하되, 상기 제1 가변 커패시터 쌍을 상기 제1 이차 코일단에 연결하여 양의 방향으로 커패시턴스를 조절하고, 상기 제2 가변 커패시터 쌍을 상기 제2 이차 코일단에 연결하여 음의 방향으로 커패시턴스를 조절하며, 이때 상기 일차 코일단은 양단에 제1 공진노드와 제2 공진노드가 연결된다. 이에 의해 본 발명은 전압제어 발진기에서 발생할 수 있는 공통잡음 및 저주파 잡음의 공진 주파수로 천이되는 문제점을 제거하고, 위상잡음 특성을 개선한다.
VCO, 차동 튜닝, 공진기, LC 탱크, 바렉터, 트랜스포머

Description

트랜스포머 기반의 차동 튜닝 엘씨 탱크 및 이를 이용한 차동 튜닝 전압제어 발진기{Transformer-based LC tank with differential-turned structure and differential-tuned voltage controlled oscillator using the LC tank}
본 발명은 차동 튜닝 전압제어 발진기(VCO, Voltage controlled oscillator)에 관한 것이다. 특히 본 발명은 트랜스포머(transformer)를 사용한 차동 튜닝 LC 탱크(tank) 및 이를 이용한 차동 튜닝 전압제어 발진기에 관한 것이다.
일반적으로, 전압으로 주파수를 가변하는 전압제어 발진기는 아날로그 음향합성 장치 및 이동 통신 단말기 등에 주로 이용되고 있다. 이러한 전압제어 발진기는 전형적으로 인덕터(L)와 하나 이상의 커패시터들(C)로 구성된 LC 공진기 즉, LC 탱크 공진부를 가지는데, LC 탱크 공진부는 칩(chip) 환경에서 다양한 원인에 의해 발생하는 공통모드잡음에 의해 그 성능이 많은 영향을 받는다.
일반적으로 온 칩(on chip)에서 발생하는 공통모드잡음은 전원, 바이어스 회로, 능동회로의 저주파잡음, 기판 등에서 발생한다. 공통모드잡음은 전압제어 발진기에서 공통노드의 전위에 영향을 주어 고정 출력 주파수를 흔들리게 하므로 결과적으로 전압제어 발진기의 위상잡음 성능을 열화시킨다.
현재 전압제어 발진기에서 발생되는 공통모드잡음을 억제하기 위한 방법으로 차동 바렉터(varcactor) 튜닝 방법이 제시되고 있다.
차동 바렉터 튜닝 방법은 직렬 연결된 2개쌍의 가변 커패시터 즉, 제1 및 제2 바렉터 다이오드(이하 "바렉터"라 함) 쌍을 병렬로 연결하여 차동 튜닝 구조를 형성하고, 각 쌍의 커패시턴스를 전압을 통해 가변시킬 때에 가변되는 커패시턴스의 방향을 서로 상보적(즉, 한 쌍은 음의 방향, 다른 쌍은 양의 방향)으로 조절하여 공통모드잡음을 억제한다. 일반적으로 공통모드잡음은 바렉터의 튜닝 전압 대 커패시턴스의 증가비율의 크기에 비례해서 위상잡음을 저하시키는데, 차동 바렉터 의 조절 전압이 서로 상보적으로 이루어진다면 공통모드잡음이 전압제어 발진기의 위상잡음 특성을 열화 되는 것을 막을 수 있다.
그런데 전압제어 발진기에서 차동 튜닝을 구현하기 위해서는 차동 튜닝 바렉터가 능동 소자 부문에 DC(Direct Current) 관점에서 분리(decoupled) 되어야 한다. 그러므로 종래에는 블락킹 캡(Blocking cap)을 사용하여 차동 튜닝 바렉터를 DC(Direct Current)적으로 능동 소자 부문에서 분리하는 방법을 사용하고 있다.
한편, 차동 바렉터 튜닝 방법을 달성하기 위한 다른 방법으로, 서로 다른 극성에서 반응하는 NMOS 바렉터와 PMOS 바렉터를 사용하여 차동 튜닝을 구현하는 방법이 있다.
그러나 이와 같은 방법에 의해 설계되는 전압제어 발진기는 차동튜닝을 위해서 블락킹(blocking) 커패시터를 사용해야 하며 이는 전압제어 발진기의 코어의 면적을 증가시킬 뿐만 아니라 공진부에서의 커패시턴스를 증가시켜 LC 탱크(tank) 전 체의 큐 팩터(Q-factor)를 저하시킨다. 또한 차동 튜닝이 효과적으로 이루어지기 위해서는 차동 튜닝 양단이 대칭적이어야 하지만 바렉터의 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode)의 두 터미널의 비대칭이 존재하므로 공통모드잡음을 억제하는 능력이 저하되는 문제점이 발생한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전압제어 발진기의 중요한 성능 지표 중 하나인 위상잡음과 가변 주파수 범위 성능을 개선하는 차동 튜닝 구조의 엘씨 탱크 및 이를 이용한 차동 튜닝 전압제어 발진기를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 전압제어 발진기에서 복수의 인덕터와 복수의 바렉터로 구성되어 공진 주파수를 발생하는 LC 탱크 및 이를 포함하는 차동 튜닝 전압제어 발진기를 제공한다. 여기서, LC 탱크는 일차 코일단과 제1 및 제2 이차 코일단을 가진 트랜스포머와, 서로 방향이 다르게 직렬 연결된 제1 가변 커패시터 쌍 및, 상기 제1 가변 커패시터 쌍과 동일한 연결 형태를 가지는 제2 가변 커패시터 쌍을 포함하되, 상기 제1 가변 커패시터 쌍은 상기 제1 이차 코일단에 연결되어 폐루프를 형성하고, 상기 제2 가변 커패시터 쌍은 상기 제2 이차 코일단에 연결되어 폐루프를 형성하며, 상기 일차 코일단은 양단에 제1 공진노드와 제2 공진노드가 연결된다.
그리고 차동 튜닝 전압제어 발진기는 기본적으로 2개의 튜닝 전압 노드를 가지는데, 상기 제1 가변 커패시터 쌍의 커패시턴스를 양의 방향으로 조절하는 제1 튜닝 전압 노드는 상기 제1 가변 커패시터 쌍의 공통노드에 연결되고, 상기 제2 가변 커패시터 쌍의 커패시턴스를 음의 방향으로 조절하는 제2 튜닝 전압 노드는 상기 제2 이차 코일단에서 상기 제3 및 제4 인덕터 사이에 연결된다.
상기 제1 및 제2 가변 커패시터 쌍을 이루는 각 가변 커패시터는 동일한 커패시턴스를 가지며, 상기 제1 및 제2 가변 커패시터 쌍은 가변 커패시터들의 연결이 애노드가 서로 공통으로 연결된 형태이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 전압제어 발진기에서 하나 이상의 인덕터와 하나 이상의 커패시터로 구성되어 공진 주파수를 발생하는 LC 탱크와 이를 포함하는 차동 튜닝 전압제어 발진기를 제공한다. 여기서 LC 탱크는 일차 코일단과 이차 코일단을 가진 트랜스포머, 서로 방향이 다르게 직렬 연결된 제1 가변 커패시터 쌍, 및 상기 제1 가변 커패시터 쌍과 동일한 연결 형태를 가지는 제2 가변 커패시터 쌍을 포함하되, 상기 제1 가변 커패시터 쌍은 상기 일차 코일단에 직렬로 연결되고, 상기 제2 가변 커패시터 쌍은 상기 이차 코일단에 직렬로 연결되며, 상기 일차 코일단과 상기 제1 가변 커패시터 쌍의 양 접점에 각각 제1 공진노드와 제2 공진노드가 연결된다.
여기서, 본 발명은 상기 일차 코일단에 연결되어 상기 일차 코일단과 상기 이차 코일단 간의 상호 인턱턴스 발생 유무를 결정하는 스위치를 더 포함한다.
상기 이차 코일단은 직렬 연결된 제1 및 제2 인덕터로 구성되며, 상기 제1 및제2 인덕터는 동일한 인덕턴스를 가진다.
커패시턴스를 양의 방향으로 조절하는 제1 튜닝 전압 노드는 상기 제1 가변 커패시터 쌍의 공통노드에 연결되고, 커패시턴스를 음의 방향으로 조절하는 제2 튜닝 전압 노드는 상기 제1 및 제2 인덕터 사이에 연결된다.
그리고, 상기 제1 및 제2 가변 커패시터 쌍은 가변 커패시터들의 연결이 애 노드가 서로 공통으로 연결된 형태이며, 상기 제1 및 제2 가변 커패시터 쌍을 이루는 각 가변 커패시터는 동일한 커패시턴스를 가진다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 본 발명은 LC 탱크 공진부의 구조를 개선하여 차동 튜닝 구조 즉, 차동 바렉터가 능동부에 대해 DC적으로 분리되면서 양 출력단에서의 차동 튜닝 구조가 완전한 대칭 구조를 가진다.
이에 의해 본 발명은 전압제어 발진기에서 발생할 수 있는 공통잡음 및 저주파 잡음의 공진 주파수로 천이되는 문제점을 제거하고, 위상잡음 특성을 개선한다.
또한 본 발명은 LC 탱크 공진부에 트랜스포머를 적용함으로써, 공진부의 큐 팩터(Quality factor)를 향상시켜 전압제어 발진기의 저 전력 동작에도 강점을 가지며 광대역 출력을 가질 수 있게 한다.
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. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 " 전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 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. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이제 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 차동 튜닝 전압제어 발진기를 설명한다.
설명에 앞서, 본 발명의 개념을 간략히 설명한다.
본 발명은 복수의 바렉터를 차동 튜닝 구조로 형성할 때에 적어도 하나의 바렉터를 블랭킹 캡을 사용하지 않고 능동 소자 부문과 DC적으로 분리한다. 이를 위해 본 발명은 트랜스포머를 LC 탱크 공진부에 적용하고, 바렉터를 트랜스포머의 이차단에 형성하여 DC적으로 능동 소자 부문(이하에 기재된 "제1 및 제2 능동부"와 동일함)에 분리한다.
그리고 차동 튜닝이 효과적으로 이루어지기 위해서 차동 튜닝 양단이 대칭적이어야 하는데, 이를 달성하기 위해 본 발명은 음 방향의 튜닝이 조절되는 제1 바렉터 쌍과 양 방향의 튜닝이 조절되는 제2 바렉터 쌍을 2개의 차동 출력단에서 보았을 때 서로 대칭이 되게 형성한다.
이제 도 1 내지 도 3을 참조로 하여 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차동 튜닝 구조의 엘씨 탱크 및 이를 이용한 차동 튜닝 전압제어 발진기를 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차동 튜닝 전압제어 발진기의 회로도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차동 튜닝 전압제어 발진기는 전류원부(110), 제1 능동부(121), 제2 능동부(122)와, LC 탱크 공진부(130)를 포함한다.
전류원부(110)는 제1 능동부(121)에 전원을 공급하기 위한 것으로, 전류원(I1)을 포함한다. 여기서 전류원부(110)는 전류원(I1)을 대신하여 전력 공급원 및, 이 전력 공급원과 제1 능동부(121) 사이에 연결된 트랜지스터로 구성할 수 있다. 이 경우에 트랜지스터는 전력 공급원에 소스가 연결되고 제1 능동부(121)에 드레인이 연결되며 소스로 바이어스 전압을 입력받는 형태로 구성된다.
제1 능동부(121)와 제2 능동부(122)는 LC 탱크 공진부(130)의 발진을 지속시키는 것으로, 제1 능동부(121)는 2개의 PMOS 트랜지스터로 구성되어 부성저항을 생성하며, 제2 능동부(122)는 2개의 NMOS 트랜지스터로 구성되어 부성저항을 생성한다.
구체적으로 제1 능동부(121)는 이미터가 공통으로 연결되고 게이트가 서로의 드레인에 연결된 제1 PMOS 트랜지스터(M1)와 제2 PMOS 트랜지스터(M2)로 이루어지며, 공통 이미터에 전류원부(110)가 연결된다. 제2 능동부(122)는 이미터가 공통으로 연결되어 있고 게이트가 서로의 드레인에 연결된 제1 MNOS 트랜지스터(M3)와 제2 NMOS 트랜지스터(M4)로 이루어지며, 공통 이미터가 접지단에 연결된다.
이때 제1 PMOS 트랜지스터(M1)와 제1 NMOS 트랜지스터(M3)의 드레인은 서로 연결되어, 제1 PMOS 및 NMOS 트랜지스터(M1, M3)가 제1 인버터로 작용하도록 한다. 그리고 제2 PMOS 트랜지스터(M2)와 제2 NMOS 트랜지스터(M4)의 드레인은 서로 연결되어, 제2 PMOS 및 NMOS 트랜지스터(M2, M4)가 제2 인버터로 작용하도록 한다.
여기서 공진노드(Vout(+))은 제1 PMOS 및 NMOS 트랜지스터(M1, M3)의 공통 드레인에 연결되어 있고, 공진노드(Vout(-))은 제2 PMOS 및 NMOS 트랜지스터(M2, M4)의 공통 드레인에 연결되어 있다.
따라서, 공진노드들(Vout(+), Vout(-))은 각각 제1 인버터의 입력 및 출력을 나타내고, 제2 인버터의 입력 및 출력을 나타낸다. 따라서 제1 및 제2 인버터들은 교차 결합되며, 공진노드들(Vout(+), Vout(-))은 차동 튜닝 전압제어 발진기의 차동 출력을 나타낸다.
LC 탱크 공진부(130)는 공진 주파수를 발생하는 곳으로, 제1 능동부(121)와 제2 능동부(122) 사이에 위치한다. LC 탱크 공진부(130)는 3포트를 가지는 트랜스포머와, 3 포트 중 이차단을 형성하는 2개의 포트에 차동 바렉터가 형성된 차동 튜닝 구조를 가진다.
구체적으로, LC 탱크 공진부(130)는 제1 PMOS 및 NMOS 트랜지스터(M1, M3)의 공통 드레인과 제2 PMOS 및 NMOS 트랜지스터(M2, M4)의 공통 드레인에 직렬 연결된 제1 및 제2 인덕터(L11, L12)를 연결하여 제1 포트 즉, 트랜스포머의 일차 코일단을 형성한다. 여기서 제1 및 제2 인덕터(L11, L12)는 동일한 인덕턴스를 가진다.
그리고 트랜스포머의 일차 코일단에 대응하여, 본 발명은 직렬 연결된 제3 및 제4 인덕터(L21, L22)로 제2 포트 즉, 트랜스포머의 제1 이차 코일단을 형성하고, 직렬 연결된 제5 및 제6 인덕터(L31, L32)로 제3 포트 즉, 트랜스포머의 제2 이차 코일단을 형성한다. 여기서, 제3 내지 제6 인덕터(L21, L22, L31, L32)는 대략 동일한 인덕턴스를 가진다.
이런 트랜스포머의 구조에서, 본 발명은 차동 튜닝 구조를 위해서 직렬 연결된 제1 및 제2 바렉터(Cv11, Cv12)를 제2 이차 코일단에 직렬 연결하여 폐루프를 형성하고, 직렬 연결된 제3 및 제4 바렉터(Cv21, Cv22)를 제1 이차 코일단에 직렬 연결하여 폐루프를 형성한다.
여기서 제1 및 제2 바렉터(Cv11, Cv12)는 서로 방향이 반대로 연결되고, 제3 및 제4 바렉터(Cv21, Cv22) 또한 서로 방향이 반대로 연결된다. 그러나 제1 및 제2 바렉터(Cv11, Cv12)의 연결과 제3 및 제4 바렉터(Cv21, Cv22)의 연결은 동일한 형태를 가진다. 예컨대, 제1 및 제2 바렉터(Cv11, Cv12)의 직렬 연결이 애노드가 공통으로 연결되는 형태이면, 제3 및 제4 바렉터(Cv21, Cv22)의 직렬 연결 또한 애노드가 공통으로 연결되는 형태를 가진다. 상기 제1 내지 제4 바렉터(Cv11 내지 Cv22)는 대략 동일한 커패시턴스를 가진다.
한편 차동 튜닝을 위하여 바렉터의 커패시턴스를 음 및 양의 방향으로 조절하기 위하여, 주파수가 감소하는 방향으로 커패시턴스를 조절하는 튜닝 노드(Vc(-))는 제3 및 제4 인덕터(L21, L22)의 공통노드에 형성되고, 주파수가 증가하는 방향으로 커패시턴스를 조절하는 튜닝 노드(Vc(+))는 제1 및 제2 바렉터(Cv11, Cv12)의 공통노드에 형성된다. 그리고 바이어스 노드(VB)는 제5 및 제6 인덕터(L31, L32)의 공통노드와, 제3 및 제4 바렉터(Cv21, Cv22)의 공통노드에 형성된다.
결국, 도 1에 도시된 LC 탱크 공진부(130)의 차동 바렉터(Cv11, Cv12, Cv21, Cv22)는 트랜스포머의 이차 코일단에 형성되기 때문에 제1 및 제2 능동부(121, 122)에 대해 DC적으로 분리되어 있다.
또한, 각 공진 노드(Vout(+), Vout(-))에서 차동 튜닝 구조를 보면, 차동 튜닝 구조는 공진 노드와의 연결 구조가 동일한 완벽하게 대칭적이다.
이하에서는 도 2를 참조로 하여 도 1에 도시된 LC 탱크 공진부(130)의 주파수 특성을 설명한다. 도 2는 도 1에 도시된 LC 탱크 공진부의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2에서 L1은 트랜스포머의 일차 코일(L11, L12)을 등가적으로 표시한 것이고, L2는 트랜스포머의 제1 이차 코일(L21, L22)을 등가적으로 표시한 것이며, L3은 트랜스포머의 제2 이차 코일(L31, L32)을 등가적으로 표시한 것이다. 그리고 n1, n2는 일차 코일(L1)과 제1 및 제2 이차 코일(L2, L3) 사이의 턴 비(turn ratio)를 나타낸다. N22는 이차 코일단 사이의 턴 비를 나타낸다.
도 2에 도시된 LC 탱크 공진부(130)의 구조에서 제1 이차 코일단에 형성된 바렉터 쌍의 커패시턴스를 C1이라 하고, 제2 이차 코일단에 형성된 바렉터 쌍의 커패시턴스를 C2라 하면, 커패시턴스(C1, C2)의 값은 다음의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112007075308756-pat00001
여기서, Co는 조절전압이 0일 때의 커패시턴스이고, Kv는 조절전압 Vc(+) 또는 Vc(-)에 대한 발진기의 주파수 가변이익(varactor sensitivity versus control voltage)이다.
그리고 공통모드잡음(Vncm)과 함께 공진 노드들(Vout(+), Vout(-))에서 바라보이는 커패시턴스(CT)의 값은 커패시턴스(C1, C2)의 합으로 나타난다. 그런데 LC 탱크 공진부(130)의 차동 튜닝 구조가 서로 완벽한 대칭구조라면, 즉, n1 = n2와 같다면 공진부에서 바라보는 총 가변 커패시턴스(CT)의 값은 다음의 수학식 2로 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112007075308756-pat00002
여기서 Vc는 Vc+ - Vc-이다.
따라서 수학식 2에 따르면, 공통모드잡음은 대칭적인 차동 튜닝으로 제거될 수 있다.
이하, 도 3을 참조로 하여 본 발명의 제2 실시 예에 따른 차동 튜닝 구조의 엘씨 탱크 및 이를 이용한 차동 튜닝 전압제어 발진기를 설명한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 차동 튜닝 전압제어 발진기의 회로도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 차동 튜닝 전압제어 발진기는 전류원부(110), 제1 능동부(121), 제2 능동부(122)와, LC 탱크 공진부(131)를 포함한다.
여기서, 제2 실시 예에 따른 차동 튜닝 전압제어 발진기의 구성 중 제1 실시 예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하였다.
전류원부(110)와 제1 및 제2 능동부(121, 122)는 본 발명의 제1 실시 예와 동일하다. 또한 공진 노드들(Vout(+), Vout(-)) 또한 제1 실시 예와 동일한 형태로 구성되어 있다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 LC 탱크 공진부(131)는 제1 실시 예에 따른 LC 탱크 공진부(130)와 마찬가지로 공진 주파수를 발생하는 곳으로, 제1 능동부(121)와 제2 능동부(122) 사이에 위치하며, 2개의 포트를 가진 트랜스포머와, 2개의 포트 중 이차단을 형성하는 포트 상에 형성된 차동 바렉터를 가지는 차동 튜닝 구조를 가진다.
그러나 본 발명의 제2 실시 예에 따른 LC 탱크 공진부(131)가 제1 실시 예의 LC 탱크 공진부(130)와 상이한 구조로 이루어져 있다.
구체적으로, LC 탱크 공진부(131)는 제1 PMOS 및 NMOS 트랜지스터(M1, M3)의 공통 드레인과 제2 PMOS 및 NMOS 트랜지스터(M2, M4)의 공통 드레인에 직렬 연결된 제1 및 제2 인덕터(L11, L12)를 연결하여 트랜스포머의 일차 코일단을 형성한다. 여기서 제1 및 제2 인덕터(L11, L12)는 동일한 인덕턴스를 가진다.
그리고 트랜스포머의 일차 코일단에 대응하여, 본 발명은 직렬 연결된 제3 및 제4 인덕터(L21, L22)로 트랜스포머의 이차 코일단을 형성한다. 여기서, 제3 및 제4 인덕터(L21, L22)는 동일한 인덕턴스를 가진다.
이런 트랜스포머의 구조에서, 본 발명은 차동 튜닝 구조를 위해서 직렬 연결된 제1 및 제2 바렉터(Cv11, Cv12)를 제1 PMOS 및 NMOS 트랜지스터(M1, M3)의 공통 드레인과 제2 PMOS 및 NMOS 트랜지스터(M2, M4)의 공통 드레인에 연결한다. 그리고 직렬 연결된 제3 및 제4 바렉터(Cv21, Cv22)를 이차 코일단에 직렬 연결하여 폐루프를 형성한다.
여기서 제1 및 제2 바렉터(Cv11, Cv12)는 서로 방향이 반대로 연결되고, 제3 및 제4 바렉터(Cv21, Cv22) 또한 서로 방향이 반대로 연결된다. 그러나 제1 및 제2 바렉터(Cv11, Cv12)의 연결과 제3 및 제4 바렉터(Cv21, Cv22)의 연결은 동일한 형태를 가진다. 예컨대, 제1 및 제2 바렉터(Cv11, Cv12)의 직렬 연결이 애노드가 공통으로 연결되는 형태이면, 제3 및 제4 바렉터(Cv21, Cv22)의 직렬 연결 또한 애노드가 공통으로 연결되는 형태를 가진다.
한편 차동 튜닝을 위하여 바렉터의 커패시턴스를 음 및 양의 방향으로 조절하기 위하여, 주파수가 감소하는 방향으로 커패시턴스를 조절하는 튜닝 노드(Vc(-))는 제3 및 제4 인덕터(L21, L22)의 공통노드에 형성되고, 주파수가 증가하는 방향으로 커패시턴스를 조절하는 튜닝 노드(Vc(+))는 제1 및 제2 바렉터(Cv21, Cv22)의 공통노드에 형성된다.
결국, 도 3에 도시된 LC 탱크 공진부(130)의 차동 바렉터(Cv21, Cv22)는 트랜스포머의 이차 코일단에 형성되기 때문에 제1 및 제2 능동부(121, 122)에 대해 DC적으로 분리되어 있다.
또한, 각 공진 노드(Vout(+), Vout(-))에서 차동 튜닝 구조를 보면, 차동 튜닝 구조는 공진 노드와의 연결 구조가 동일한 완벽하게 대칭적이다.
이하에서는 도 4를 참조로 하여 도 3에 도시된 LC 탱크 공진부(131)의 주파수 특성을 설명한다. 도 4는 도 3에 도시된 LC 탱크 공진부의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 4에서 L1은 트랜스포머의 일차 코일(L11, L12)을 등가적으로 표시한 것이고, L2는 트랜스포머의 이차 코일(L21, L22)을 등가적으로 표시한 것이다. 그리고 n은 일차 코일(L1)과 제1 및 제2 이차 코일(L2) 사이의 턴 비(turn ratio)를 나타낸다.
도 4에서 차동 바렉터 P 포트(p1, p2)와 S 포트(s1, s2)에서의 차동 튜닝이 서로 대칭적으로 이루어지기 위해서 턴 비(n)가 1이거나, 1이 아닐 경우에는 동일한 주파수 특성을 가지도록 제1 바렉터 쌍(Cv11, Cv12)과 제2 바렉터 쌍(Cv21, Cv22)과의 값이 조절되어야 한다.
이하에서는 도 5를 참조로 하여 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전압제어 발진기의 LC 탱크 공진부의 트랜스포머 레이 아웃을 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 3포트를 가진 트랜스포머는 제1 및 제2 이차 코일단(L2, L3)이 서로 독립적이고, 일차 코일단의 노드(P1, P2)를 기준으로 볼 때 서로 대칭적인 구조를 가진다.
따라서 이차 코일단(L2, L3)에 형성되는 차동 바렉터들은 제1 및 제2 능동부(211, 212)에 대해 DC적으로 분리되어 있음을 알 수 있다. 그리고 본 발명은 완전한 대칭 구조를 가짐에 따라 공통잡음을 개선하고 있음을 알 수 있다.
이제 도 6을 참조로 하여 본 발명에 따른 차동 튜닝 전압제어 발진기가 광대역 주파수 특성을 가지면서 위상잡음의 특성을 개선하고 있음을 설명한다. 도 6은 도 1에 도시된 차동 튜닝 전압제어 발진기의 주파수 튜닝 시뮬레이션 결과를 보인 도면이다.
여기서 Vc+는 주파수가 양의 방향으로 조절되는 조절 전압, Vc-는 주파수가 음의 방향으로 조절되는 조절 전압, VCM은 Vc+와 Vc-가 연결되어 공통으로 조절되는 전압, Vd는 차동으로 조절되는 전압이다. (VC +=VB-Vd, VC -=VB+Vd, Vc+=Vc-=VCM, Vd=(VC --VC +)/2),도 6에 도시된 바와 같이, 튜닝 전압(Vc(+), Vc(-))에 대한 주파수 튜닝곡선은 서로 대칭적이다. 하지만 공통전압 VCM(Vc+=Vc-=VCM)에 대한 주파수 튜닝곡선은 거의 변화가 없다. 그리고 차동 튜닝 전압(Vd)에 대한 주파수 튜닝 곡선은 차동 튜닝전압 각각의 주파수 조절 범위를 합한 형태로 나타나며 가장 광대역으로 변화된다.
따라서 도 6에 도시된 그래프를 통해서 보면, 일반적으로 전압제어 발진기의 주파수 출력이득이 높은 광대역 발진기는 열화된 위상잡음 특성을 가지는데, 본 발 명의 차동 튜닝 전압제어 발진기는 광대역의 주파수 튜닝 출력을 가지면서도 공통잡음 및 저주파 잡음에 대한 위상잡음 민감도가 거의 없으므로 발진기의 위상잡음 특성이 개선됨을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
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.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차동 튜닝 전압제어 발진기의 회로도이다.
도 2는 도 1에 도시된 LC 탱크 공진부의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 차동 튜닝 전압제어 발진기의 회로도이다.
도 4는 도 3에 도시된 LC 탱크 공진부의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 도 1에 도시된 LC 탱크 공진부의 트랜스포머 레이아웃도이다.
도 6은 도 1에 도시된 차동 튜닝 전압제어 발진기의 주파수 튜닝 시뮬레이션 결과를 보인 도면이다.

Claims (17)

  1. 전압제어 발진기에서 하나 이상의 인덕터와 하나 이상의 커패시터로 구성되어 공진 주파수를 발생하는 LC 탱크에 있어서,
    일차 코일단과 제1 및 제2 이차 코일단을 가진 트랜스포머;
    서로 방향이 다르게 직렬 연결되어 있으며 양의 방향으로 커패시턴스가 조절되는 제1 가변 커패시터 쌍; 및
    상기 제1 가변 커패시터 쌍과 동일한 연결 형태를 가지며 음의 방향으로 커패시턴스가 조절되는 제2 가변 커패시터 쌍을 포함하되,
    상기 제1 가변 커패시터 쌍은 상기 제1 이차 코일단에 연결되어 폐루프를 형성하고, 상기 제2 가변 커패시터 쌍은 상기 제2 이차 코일단에 연결되어 폐루프를 형성하며, 상기 일차 코일단은 양단에 제1 공진노드와 제2 공진노드가 연결된 트랜스포머 기반의 차동 튜닝 LC 탱크.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 이차 코일단은 직렬 연결된 제1 및 제2 인덕터로 구성되고, 상기 제2 이차 코일단은 직렬 연결된 제3 및 제4 인덕터로 구성되며, 상기 제1 내지 제4 인덕터는 동일한 인덕턴스를 가지는 트랜스포머 기반의 차동 튜닝 LC 탱크.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 가변 커패시터 쌍의 커패시턴스를 양의 방향으로 조절하는 제1 튜닝 전압 노드는 상기 제1 가변 커패시터 쌍의 공통노드에 연결되고, 상기 제2 가변 커패시터 쌍의 커패시턴스를 음의 방향으로 조절하는 제2 튜닝 전압 노드는 상기 제2 이차 코일단에서 상기 제3 및 제4 인덕터 사이에 연결되는 트랜스포머 기반의 차동 튜닝 LC 탱크.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가변 커패시터 쌍을 이루는 각 가변 커패시터는 동일한 커패시턴스를 가지는 트랜스포머 기반의 차동 튜닝 LC 탱크.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가변 커패시터 쌍은 가변 커패시터들의 연결이 애노드가 서로 공통으로 연결된 형태인 트랜스포머 기반의 차동 튜닝 LC 탱크.
  6. 전원 공급부;
    공진 주파수를 발생하는 LC 탱크 공진부와;
    상기 전원 공급부와 상기 LC 탱크 공진부에 연결되어, 상기 LC 탱크 공진부에 의해 결정된 공진 주파수를 가진 출력이 생성되도록하는 능동부를 포함하며,
    상기 LC 탱크 공진부는,
    일차 코일단과 제1 및 제2 이차 코일단을 가진 트랜스포머,
    서로 방향이 다르게 직렬 연결되고, 상기 제1 이차 코일단에 연결되며 양의 방향으로 커패시턴스가 조절되는 제1 가변 커패시터 쌍, 및
    상기 제1 가변 커패시터 쌍과 동일한 연결 형태를 가지고, 상기 제2 이차 코일단에 연결되며 음의 방향으로 커패시턴스가 조절되는 제2 가변 커패시터 쌍을 포함하는 차동 튜닝 전압제어 발진기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 가변 커패시터 쌍의 커패시턴스를 양의 방향으로 조절하는 제1 튜닝 전압 노드는 상기 제1 가변 커패시터 쌍의 공통노드에 연결되고, 상기 제2 가변 커패시터 쌍의 커패시턴스를 음의 방향으로 조절하는 제2 튜닝 전압 노드는 상기 제2 이차 코일단에서 인덕턴스를 1/2로 양분하는 지점에 연결되는 차동 튜닝 전압제어 발진기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가변 커패시터 쌍을 이루는 각 가변 커패시터는 동일한 커패시턴스를 가지는 차동 튜닝 전압제어 발진기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가변 커패시터 쌍은 가변 커패시터들의 연결이 애노드가 서로 공통으로 연결된 형태인 차동 튜닝 전압제어 발진기.
  10. 전압제어 발진기에서 하나 이상의 인덕터와 하나 이상의 커패시터로 구성되어 공진 주파수를 발생하는 LC 탱크에 있어서,
    일차 코일단과 이차 코일단을 가진 트랜스포머;
    서로 방향이 다르게 직렬 연결되어 있으며 양의 방향으로 커패시턴스가 조절되는 제1 가변 커패시터 쌍; 및
    상기 제1 가변 커패시터 쌍과 동일한 연결 형태를 가지며 음의 방향으로 커패시턴스가 조절되는 제2 가변 커패시터 쌍을 포함하되,
    상기 제1 가변 커패시터 쌍은 상기 일차 코일단에 직렬로 연결되고, 상기 제2 가변 커패시터 쌍은 상기 이차 코일단에 직렬로 연결되며, 상기 일차 코일단과 상기 제1 가변 커패시터 쌍의 양 접점에 각각 제1 공진노드와 제2 공진노드가 연결된 트랜스포머 기반의 차동 튜닝 LC 탱크.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 이차 코일단은 직렬 연결된 제1 및 제2 인덕터로 구성되며, 상기 제1 및제2 인덕터는 동일한 인덕턴스를 가지는 트랜스포머 기반의 차동 튜닝 LC 탱크.
  12. 제11항에 있어서,
    커패시턴스를 양의 방향으로 조절하는 제1 튜닝 전압 노드는 상기 제1 가변 커패시터 쌍의 공통노드에 연결되고, 커패시턴스를 음의 방향으로 조절하는 제2 튜 닝 전압 노드는 상기 제1 및 제2 인덕터 사이에 연결되는 트랜스포머 기반의 차동 튜닝 LC 탱크.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가변 커패시터 쌍은 가변 커패시터들의 연결이 애노드가 서로 공통으로 연결된 형태이며, 상기 제1 및 제2 가변 커패시터 쌍을 이루는 각 가변 커패시터는 동일한 커패시턴스를 가지는 트랜스포머 기반의 차동 튜닝 LC 탱크.
  14. 전원 공급부;
    공진 주파수를 발생하는 LC 탱크 공진부와;
    상기 전원 공급부와 상기 LC 탱크 공진부에 연결되어, 상기 LC 탱크 공진부에 의해 결정된 공진 주파수를 가진 출력이 생성되도록하는 능동부를 포함하며,
    상기 LC 탱크 공진부는,
    일차 코일단과 제1 및 제2 이차 코일단을 가진 트랜스포머,
    서로 방향이 다르게 직렬 연결되고, 상기 일차 코일단에 연결되며 양의 방향으로 커패시턴스가 조절되는 제1 가변 커패시터 쌍, 및
    상기 제1 가변 커패시터 쌍과 동일한 연결 형태를 가지고, 상기 이차 코일단에 연결되며 음의 방향으로 커패시턴스가 조절되는 제2 가변 커패시터 쌍을 포함하는 차동 튜닝 전압제어 발진기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 이차 코일단은 직렬 연결된 제1 및 제2 인덕터로 구성되며, 상기 제1 및제2 인덕터는 동일한 인덕턴스를 가지는 차동 튜닝 전압제어 발진기.
  16. 제15항에 있어서,
    커패시턴스를 양의 방향으로 조절하는 제1 튜닝 전압 노드는 상기 제1 가변 커패시터 쌍의 공통노드에 연결되고, 커패시턴스를 음의 방향으로 조절하는 제2 튜닝 전압 노드는 상기 제1 및 제2 인덕터 사이에 연결되는 차동 튜닝 전압제어 발진기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가변 커패시터 쌍은 가변 커패시터들의 연결이 애노드가 서로 공통으로 연결된 형태이며, 상기 제1 및 제2 가변 커패시터 쌍을 이루는 각 가변 커패시터는 동일한 커패시턴스를 가지는 차동 튜닝 전압제어 발진기.
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