KR101003210B1 - 결합-인덕터 다중대역 ｖｃｏ - Google Patents

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Abstract

다중대역 VCO는 포트들을 가진 결합-인덕터 기반 공진기를 사용한다. 각각의 포트는 인덕터 및 적어도 하나의 커패시터를 가진다. N 포트들에 대한 N 인덕터들은 자기적으로 결합된다. 인덕터들/포트들은 VCO가 다른 주파수 대역들에서 동작하도록 선택적으로 인에이블 및 디스에이블될 수 있다. 각각의 포트에 대한 커패시터(들)는 하나 이상의 고정 커패시터들, 하나 이상의 가변 커패시터들(버랙터들), 하나 이상의 스위칭가능 커패시터들, 또는 고정, 가변 및 스위칭 가능 커패시터들의 임의의 결합을 포함할 수 있다. 인에이블된 포트들에서 스위칭가능 커패시터들(존재하는 경우)은 VCO 발진 주파수를 변화시키기 위하여 선택적으로 인에이블 및 디스에이블될 수 있다. 인에이블된 포트들에서 버랙터들(존재하는 경우)은 VCO를 적정 주파수에 로크하기 위하여 발진 주파수를 변화시킬 수 있다. 다중대역 VCO는 다양한 발진기 토폴로지들로 구현될 수 있으며, 다중 단일대역 VCO들로 교체될 수 있다.

Description

결합-인덕터 다중대역 ＶＣＯ{COUPLED-INDUCTOR MULTI-BAND VCO}
본 출원은 "인덕터-결합 다중대역 동조가능 VCO"라는 명칭으로 2004년 8월 11일에 출원된 미국 가출원번호 제60/600,511호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 회로들, 특히 전압 제어 발진기(VCO)에 관한 것이다.
음성, 패킷, 데이터 등과 같은 다양한 통신 서비스들을 제공하기 위하여 무선 통신 시스템이 폭넓게 전개된다. 이들 시스템들은 다양한 무선 표준들을 구현할 수 있으며, 원거리로 이격될 수 있는 다양한 주파수 대역들로 동작할 수 있다. 주어진 시스템은 다른 지리적 영역들(예컨대, 다른 국가들)에서 다른 주파수들로 동작할 수 있다.
무선장치(예컨대, 셀룰라 전화 또는 핸드셋)는 다중 주파수 대역들에서 동작하고 전세계 전반에 걸쳐 폭넓게 전개되는 제 2세대 및 제 3세대 무선 통신 시스템들과 통신하기 위하여 다중 표준들을 지원할 필요가 있을 수 있다. 무선장치는 RF 출력신호를 생성하여 무선링크를 통해 전송하고, 무선링크를 통해 수신되는 RF 입력신호를 처리하기 위하여 적어도 하나의 무선 주파수(RF) 프론트-엔드를 가진다. 각각의 시스템/표준은 전형적으로 양호한 성능을 보장하기 위하여 RF 출력신호에 대하여 엄격한 요건들을 강제한다. 각각의 시스템/표준에 의하여 부과된 엄격한 요구조건들은 무선장치에 의하여 지원되는 모든 주파수 대역들 및 표준들에 대하여 단일 RF 프론트-엔드를 사용하는 것을 방해하며, 이러한 단일 RF 프론트-엔드는 회로 영역, 복잡성 및 비용과 관련한 최상의 솔루션이다. 대신에, 다중대역 다중-표준 무선장치는 각각의 지원되는 표준 및/또는 주파수 대역에 대하여 일부 회로 블록들 또는 심지어 전체 RF 프론트-엔드를 이중으로 한다.
RF 프론트-엔드는 전형적으로 주파수 상향변환 및 하향변환을 위하여 사용되는 국부 발진기(LO) 신호들을 생성하기 위하여 적어도 하나의 VCO를 가진다. VCO는 전형적으로 인덕터(L) 및 하나 이상의 커패시터들(C)로 구성된 LC 공진기를 가진다. VCO의 발진 주파수 및 LO 신호의 주파수는 LC 공진기내의 가변 커패시터(버랙터(varactor))를 조절함으로써 변화될 수 있다. 버랙터를 사용하여 달성되는 주파수들의 범위(또는 동조 범위)는 전형적으로 좁으며, 집적회로(IC) 프로세스, 온도, 공급전력 등의 변화들을 감안하여 종종 사용된다.
다중대역 동작을 지원하기 위하여, LC 공진기는 전형적으로 다른 주파수 대역들로 VCO의 공칭 주파수를 시프트하기 위하여 선택적으로 스위칭 온 또는 오프될 수 있는 커패시터들의 뱅크를 포함한다. 스위치 커패시터 뱅크를 가진 VCO는 해당하는 주파수 대역들이 서로에 대하여 비교적 근접하게, 예컨대 서로에 대하여 10 내지 20% 내에 있을 때 양호한 성능을 달성할 수 있다. 그러나, 주파수 대역들이 충분히 멀리 떨어져 있을 때, 다른 주파수 대역들에 VCO를 동조시키기 위하여 큰 범위의 커패시턴스들이 필요하게 된다. 큰 범위의 커패시턴스는 LC 공진기의 피크 임피던스의 큰 변동으로 해석되며, 이러한 변동은 여러 주파수 대역들 전반에 걸쳐 VCO 진폭 및 위상 잡음의 비교적 큰 변동 및 바람직하지 않은 변동을 유발한다.
다중대역 무선장치는 다중 주파수 대역들 상에서의 동작을 지원하기 위하여 다중 VCO들을 사용할 수 있다. 그 다음에, 각각의 VCO는 특정 주파수 대역에 대하여 양호한 성능을 달성하도록 설계될 수 있다. 그러나, 다중 주파수 대역들에 대하여 다중 VCO들을 사용하면 비용, 시스템 복잡성 및 회로 영역들이 증가되며, 이들 모두는 바람직하지 않다.
따라서, 양호한 성능을 가진 다중대역 VCO에 대한 필요성이 요구된다.
결합-인덕터 기반 공진기를 사용하고 넓은 주파수 범위에 대하여 양호한 성능을 가진 다중대역 VCO가 여기에 기술된다. 결합-인덕터 기반 공진기는 많은 VCO들에서 공통적으로 발견되는 LC 공진기를 대신하며, VCO에 대한 위상 잡음 성능을 저하시키지 않고(또는, 일부의 경우에 개선시키면서) VCO 동조성을 증가시킬 수 있다. 결합-인덕터 기반 공진기는 N개의 포트들을 가지며, 여기서 일반적으로 N≥2이다. 하나의 포트는 VCO 회로에 접속되며, 제 1 포트 또는 1차 포트라 불리며, 나머지 포트들은 2차 포트들이라 칭한다. 각각의 포트는 적어도 하나의 인덕터를 가지며, N개의 포트들에 대한 N개의 인덕터들이 자기적으로 결합된다. 인덕터들/포트들은 VCO가 다른 주파수 대역들에서 동작하도록 선택적으로 인에이블 및 디스에이블될 수 있다. 각각의 2차 포트는 적어도 하나의 커패시터를 가지며, 1차 포트는 커패시터를 가질 수 있거나 또는 가질 수 없다. 각각의 포트에 대한 커패시터(들)는 (1) 고정 커패시턴스들을 가지고 항상 포트에 대한 인덕터에 접속되는 하나 이상의 고정 커패시터들, (2) 가변 커패시턴스들을 가진 하나 이상의 버랙터들, (3) 스위치들을 통해 인덕터에 접속 및 분리될 수 있는 하나 이상의 스위칭가능 커패시터들, 또는 (4) 임의의 수 및 임의의 결합의 고정, 가변 및 스위칭가능 커패시터들을 포함한다. 인에이블된 포트들에서 스위칭가능 커패시터들(존재하는 경우에)은 VCO 발진 주파수를 변화시키기 위하여 선택적으로 인에이블 및 디스에이블될 수 있다. 인에이블된 포트들에서 버랙터들(존재하는 경우에)은 적정 주파수에 VCO를 로크(lock)하기 위하여 발진 주파수를 변화시킬 수 있다. 단일 다중대역 VCO는 다중 단일대역 VCO들로 대체할 수 있으며, 이는 비용, 회로영역 및 복잡성을 감소시키는데 바람직하다.
다중대역 VCO 및 결합-인덕터 기반 공진기는 다양한 발진기 토폴로지들로 구현될 수 있으며 다양한 IC 기술들 및/또는 개별 소자들로 제조될 수 있다.
본 발명의 다양한 양상들 및 실시예들이 이하에 추가로 기술된다.
본 발명의 특징들 및 성질들은 유사한 도면부호가 유사한 엘리먼트를 나타내는 도면들을 참조하여 이하의 상세한 설명을 고찰할 때 더욱더 명백해 질 것이다.
도 1은 증폭기 및 LC 공진기를 가진 VCO를 도시한 도면.
도 2A는 두 개의 결합된 인덕터들을 가진 공진기를 도시한 도면.
도 2B 및 도 2C는 제 2포트가 디스에이블 및 인에이블되는 도 2A의 공진기의 모델들을 각각 도시한 도면.
도 3A는 두 개의 결합된 인덕터들을 가진 공진기를 도시한 도면.
도 3B 내지 도 3E는 다른 포트들이 디스에이블 및 인에이블되는 도 3A의 공진기의 모델들을 도시한 도면.
도 4는 도 3A의 공진기에 대한 피크 임피던스의 플롯들을 도시한 도면.
도 5는 각각의 포트에 대한 스위칭가능 커패시터들의 뱅크 및 3개의 결합된 인덕터들을 가진 공진기를 도시한 도면.
도 6은 도 5의 공진기에 의하여 달성되는 주파수들의 플롯들을 도시한 도면.
도 7은 N(N>3)개의 결합된 인덕터들을 가진 공진기를 도시한 도면.
도 8은 3개의 컨덕터들로 형성된 3개의 결합된 인덕터들을 가진 VCO를 도시한 도면.
도 9는 3개의 결합된 공진기들을 가진 공진기를 포함하는 상보형 교차-쌍(cross-pair) 발진기를 도시한 도면.
도 10은 3개의 결합된 인덕터들을 가진 공진기를 포함하는 콜피츠 발진기를 도시한 도면.
도 11은 무선 통신을 위하여 사용되는 무선장치를 도시한 도면.
용어 "전형적인"은 "예로서의 사용"을 의미하기 위하여 여기에서 사용된다. "전형적인 것"으로 여기에서 기술된 실시예 또는 설계가 반드시 다른 실시예들 또는 설계들에 비하여 바람직하거나 또는 유리한 것으로 해석될 필요는 없다.
VCO는 공지된 다양한 설계들로 구현될 수 있다. 일부 VCO 설계들은 무선 RF에 더 적합하며, 일부 설계들은 IC상에 제조하는데 더 적합하며, 일부 설계들은 보다 양호한 위상 잡음 성능을 제공할 수 있다. VCO는 다중 주파수 대역들에서 동작하도록 설계될 수 있으며, 특정 주파수들은 VCO가 사용되는 시스템들 및 표준들의 요건들을 따른다. 전형적인 VCO 설계가 이하에 기술된다.
도 1은 증폭기(110) 및 LC 공진기(120)로 구성된 VCO(100)의 개략도를 도시한다. 단순화를 위하여, 도 1은 병렬로 접속된 단일 인덕터(130) 및 단일 커패시터(140)에 의하여 형성되는 LC 공진기(120)를 도시한다. 증폭기(110)는 발진을 위하여 필요한 신호 이득을 제공한다. 증폭기(110) 및 LC 공진기(120)는 발진을 위하여 필요한 360°위상 시프트를 함께 제공한다. VCO(100)는 fosc의 기본 주파수를 가진 발진기 신호(Osc)를 제공한다. 발진 주파수 fosc는 인덕터(130)의 인덕턴스(L) 및 커패시터(140)의 커패시턴스(C)에 의하여 주로 결정되며, 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007019815881-pct00001
수식(1)
결합-인덕터 기반 공진기는 다중 주파수 대역들에서 동작하고 모든 주파수 대역에 대하여 양호한 성능을 제공하기 위하여 도 1의 LC 공진기(120) 대신에 사용될 수 있다. 변압기-기반 공진기 또는 스위칭가능 결합-인덕터 공진기라 불리는 결합-인덕터 기반 공진기는 N개의 포트들에 대하여 N개의 결합된 인덕터들을 가지며, 여기서 N≥2이다. N개의 포트들 중 적어도 하나는 선택적으로 스위칭 온 및 오프될 수 있다.
도 2A는 두 개의 결합된 인덕터들(또는 N=2)을 가진 결합-인덕터 기반 공진기(200)의 개략도를 도시한다. 공진기(200)는 (1) 커패시터(214)와 병렬로 접속된 인덕터(210)를 가진 제 1 포트, 및 (2) 커패시터(224) 및 스위치(226)와 직렬로 접속된 인덕터(220)를 가진 제 2포트를 포함한다. 인덕터(210) 및 인덕터(220)는 자기적으로 결합되며, 2-포트 변압기의 1차 포트 및 2차 포트로 각각 간주될 수 있다. 커패시터들(214, 224)은 하나 이상의 고정 커패시터들, 하나 이상의 버랙터들, 하나 이상의 스위칭가능 커패시터들, 또는 이들의 임의의 결합으로 각각 구현될 수 있다. 스위치(226)는 제 2포트를 각각 디스에이블 및 인에이블시키기 위하여 선택적으로 개방 또는 폐쇄될 수 있으며, 이는 공진기(200)의 전기 특성들을 변화시킨다. 노드들 V1 및 V2는 공진기(200)의 출력을 나타낸다.
도 2A에 도시된 실시예에 있어서, 인덕터들(210, 220)은 각각 L1 및 L2의 인덕턴스들을 가지며, 커패시터들(214, 224)은 각각 C1 및 C2의 커패시턴스를 가진다. 인덕터들(210, 220)의 상호 인덕턴스 M은
Figure 112009004065862-pct00002
로서 주어지며, 여기서 k는 인덕터들(210, 220) 사이의 결합 인자(또는 결합 계수)이다. 공진기(200)는 다음과 같이 표현될 수 있는 두 개의 공진 주파수 ωa 및 ωb를 가진다.
Figure 112007019815881-pct00003
수식(2)
여기서, 공진 주파수 ωa는 수식(2)에서 제곱근량 앞에 플러스 (+) 부호를 취함으로써 획득되며, 공진 주파수 ωb는 제곱근량 앞에 마이너스 (-) 부호를 취함으로써 획득된다. 수식(2)은 인덕터들(210, 220)이 이상적이고 덜 손실된다는 것을 가정한다. 공진기(200)는 ωa에서의 공진기 피크 임피던스 및 품질 인자(Q)가 ωb에서보다 높기 때문에 ωb 대신에 공진 주파수ωa에서 사용된다. 그러나, 공진기(200)는 ωa에 제한되지 않고 ωb에서 사용될 수 있다.
인덕터들(210, 220)은 전형적으로 각각 r1 및 r2의 저항들을 가진 저항기들로 모델링될 수 있는 임의의 손실들을 가진다. 노드들 V1 및 V2에서 볼 때 입력 임피던스 Zin은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007019815881-pct00004
수식(3)
일반적으로, 인덕터들(210, 220)은 동일하거나 또는 다른 인덕턴스들을 가질 수 있으며, 커패시터들(214, 224)은 동일하거나 또는 다른 커패시턴스들을 가질 수 있다. 단순화를 위하여, 이하의 설명은 L1=L2=L이도록 인덕턴스들이 동일하고 C1=C2=C이도록 커패시턴스들이 동일하며 r1=r2=r이도록 내부 저항들이 동일하다고 가정한다.
도 2B는 스위치(226)가 개방된 결합-인덕터 기반 공진기(200)의 모델을 도시한다. 이러한 구성에서는 인덕터(220)를 통해 전류가 흐르지 않고 제 2포트가 디스에이블되며, 공진기(200)는 도 1의 LC 공진기(120)와 등가이다. 저항기(212)는 인덕터(210)의 내부 저항을 모델링한다. 스위치(226)가 개방될 때 공진기(200)의 공진 주파수 ωH 및 피크 임피던스 ZH는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007019815881-pct00005
, 수식(4)
Figure 112007019815881-pct00006
수식(5)
공진 주파수 ωH는 공진기(200)를 사용하는 VCO의 발진 주파수를 결정한다. 피크 임피던스 ZH는 공진 주파수 ωH에서 노드들 V1 및 V2에서 볼 때 입력 임피던스이다. 피크 임피던스 ZH는 VCO 진폭에 영향을 미치는 VCO 진폭은 VCO의 위상 잡음에 영향을 미친다.
도 2C는 스위치(226)가 폐쇄될 때 결합-인덕터 기반 공진기(200)의 모델을 도시한다. 이러한 구성에서는 전류 포트가 인에이블되며 공진기(200)가 인덕터들(210, 220)을 포함한다. 저항기(222)는 인덕터(220)의 내부 저항을 모델링한다. 스위치(226)가 폐쇄될 때 공진기(200)의 공진 주파수 ωL 및 피크 임피던스 ZL는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007019815881-pct00007
수식(6)
Figure 112007019815881-pct00008
수식(7)
공진 주파수 ωL은 L1=L2=L, C1=C2=C 및 ωL=ωa를 세팅함으로써 수식(2)으로부터 구해질 수 있다. 피크 임피던스 ZL은 L1=L2=L, C1=C2=C 및
Figure 112009004065862-pct00009
를 세팅함으로써 수식(3)으로부터 구해질 수 있다.
단순화를 위하여, 도 2A 내지 도 2C는 (1) 기생 커패시턴스를 가지지 않은 이상적인 커패시터(224) 및 (2) 직렬 저항 및 기생 커패시턴스를 가지지 않은 이상적인 스위치(226)를 도시한다. 실제 구현에서, 스위치들 및 커패시터들은 임의의 기생 커패시턴스를 가진다. 따라서, 비록 2차 포트들이 스위치 오프될지라도 2차 포트들의 기생 커패시턴스들을 통해 일부 전류가 흐를 수 있다. 각각의 포트는 항상 존재하는 고정된 기생 커패시턴스를 가지는 것으로 고려될 수 있다. 이러한 기생 커패시턴스는 실제 구현에서 실현가능한 최대 주파수 스윙(swing)을 제한한다. 각각의 포트에 대한 커패시턴스는 포트에 대한 기생 커패시턴스를 고려하도록 설계될 수 있다. 단순화를 위하여, 이하의 설명은 이상적인 커패시터들 및 스위치들이 2차 포트들에서 사용되고 기생 커패시턴스 및 직렬 저항을 고려하지 않는다고 가정한다.
수식들(4) 및 (6)에 기술된 바와 같이, 두 개의 다른 공진 주파수들 ωH 및 ωL은 스위치(226)가 개방되고 폐쇄될 때 각각 얻어질 수 있다. 두 개의 공진 주파수 ωH 및 ωL의 비는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007019815881-pct00010
수식(8)
여기서, k는 0 내지 1의 범위 내에 있는 결합 인자이며, 0≤k≤1이다. 수식(4), (6) 및 (8)은 적정 공진 주파수들 ωH 및 ωL가 적정 인덕턴스 및 커패시턴스 값들 및 적정 결합 인자 k를 선택함으로써 획득될 수 있다는 것을 지시한다. 수식들(5) 및 (7)은 ωH 및 ωL에서 적정 피크 임피던스가 적정 인덕턴스 및 커패시턴스 값들 및 적정 결합 인자 k를 선택함으로써 획득될 수 있다는 것을 지시한다. 인덕터들, 커패시터들 및 결합 인자에 대한 적정 값들은 컴퓨터 시뮬레이션, 실험적 측정방법 등을 통해 획득될 수 있다.
공진기(200)는 두 개의 포트에 대한 두 개의 공진기 탱크들을 가지는 것으로 간주될 수도 있다. 두 개의 공진기 탱크들은 자기적으로 결합된다. 각각의 공진기 탱크는 포트에 대한 인덕턴스 및 커패시턴스에 의하여 고유하게 결정되는 공진 주파수인 자체-공진 주파수를 가진다.
도 3A는 3개의 결합된 인덕터들(또는 N=3)을 가진 결합-인덕터 기반 공진기(300)의 개략도를 도시한다. 공진기(300)는 (1) 커패시터(314)와 병렬로 접속된 인덕터(310)를 가진 제 1포트, (2) 커패시터(324) 및 스위치(326)와 직렬로 접속된 인덕터(320)를 가진 제 2포트, 및 (3) 커패시터(334) 및 스위치(336)와 직렬로 접속된 인덕터(330)를 가진 제 3포트를 포함한다. 인덕터들(310, 320, 330)은 자기적으로 결합되고, 3-포트 변압기의 1차, 2차 및 3차 포트들로서 각각 간주될 수도 있다. 인덕터들(310, 320)은 k12의 결합 인자를 가지며, 인덕터들(310, 330)은 k13의 결합 인자를 가지며, 인덕터들(320, 330)은 k23의 결합 인자를 가진다. 커패시터들(314, 324, 334)은 하나 이상의 고정 커패시터들, 하나 이상의 버랙터들, 하나 이상의 스위칭가능 커패시터들 또는 이들의 임의의 결합으로 각각 구현될 수 있다. 스위치들(326, 336)은 각각 제 2 및 제 3 포트들을 선택적으로 디스에이블 또는 인에이블하도록 개별적으로 개방 또는 폐쇄될 수 있으며, 이는 공진기(300)의 전기 특성들을 변화시킨다. 노드들 V1 및 V2은 공진기(300)의 출력을 나타낸다.
도 3A에 도시된 실시예에 있어서, 인덕터들(310, 320, 330)은 L1, L2 및 L3의 인덕턴스들을 각각 가지며, 커패시터들(314, 324, 334)은 C1, C2 및 C3의 커패시턴스들을 각각 가진다. 임의의 두 개의 포트들 i 및 j에 대한 상호 임피던스 Mij는
Figure 112009004065862-pct00011
로서 주어질 수 있으며, 여기서 i=1,2,3, j=1,2,3 및 i≠j이며, kij는 포트들 i 및 j사이의 결합 인자이다. 일반적으로, 인덕터들(310, 320, 330)은 동일하거나 또는 다른 인덕턴스들을 가질 수 있으며, 커패시터들(314, 324, 334)은 또한 동일하거나 또는 다른 커패시턴스들을 가질 수 있다.
다른 공진 주파수들은 스위치들(326, 336)의 상태를 제어함으로써 획득될 수 있다. 최대 4개의 다른 구성들이 이하에 기술된 바와 같이 2개의 스위치들(326, 336)로 획득될 수 있다.
도 3B는 스위치들(326, 336)이 개방될 때 결합-인덕터 기반 공진기(300)의 모델을 도시한다. 이러한 구성에서, 제 2 및 제 3 포트들은 둘다 디스에이블되며, 공진기(300)는 LC 공진기와 등가이다. 저항기(312)는 인덕터(310)의 내부 저항을 모델링하며 r1의 저항을 가진다. 이러한 구성에 있어서, 공진기(300)의 공진 주파수 ω1 및 피크 임피던스 Z1은 각각 수식들(4) 및 (5)에 도시된 바와 같이 표현될 수 있거나 또는 ω1 =ωH 및 Z1=ZH로 표현될 수 있다.
도 3C는 스위치(326)가 폐쇄되고 스위치(336)가 개방될 때 결합-인덕터 기반 공진기(300)의 모델을 도시한다. 이러한 구성에 있어서, 제 2 포트는 인에이블되며, 제 3 포트는 디스에이블되며, 공진기(300)는 인덕터들(310, 320)을 포함한다. 저항기(322)는 인덕터(320)의 내부 저항을 모델링하며 r2의 저항을 가진다. 만일 L1=L2=L, C1=C2=C, r1=r2=r 및 k12=k이면, 이러한 구성에 있어서 공진기(300)의 공진 주파수 ω12 및 피크 임피던스 Z12는 각각 수식들(6) 및 (7)에 기술된 바와 같이 표현될 수 있거나 또는 ω12 = ωL 및 Z12=ZL으로 표현될 수 있다.
도 3D는 스위치(326)가 개방되고 스위치(336)가 폐쇄될 때 결합-인덕터 기반 공진기(300)의 모델을 도시한다. 이러한 구성에 있어서, 제 2 포트는 디스에이블되며, 제 3 포트는 인에이블되며, 공진기(300)는 인덕터들(310, 330)을 포함한다. 저항기(332)는 인덕터(330)의 내부 저항을 모델링하며 r3의 저항을 가진다. 만일 L1=L3=L, C1=C3=C, r1=r3=r 및 k13=k이면, 이러한 구성에 있어서 공진기(300)의 공진 주파수 ω13 및 피크 임피던스 Z13는 각각 수식들(6) 및 (7)에 기술된 바와 같이 표현될 수 있거나 또는 ω13 = ωL 및 Z13=ZL으로 표현될 수 있다.
도 3E는 스위치들(326, 336) 둘다가 폐쇄될 때 결합-인덕터 기반 공진기(300)의 모델을 도시한다. 이러한 구성에 있어서, 제 2 및 제 3 포트들은 인에이블되며, 공진기(300)는 모든 3개의 인덕터들(310, 320, 330)을 포함한다. 만일 L1=L2=L3=L, C1=C2=C3=C, r1=r2=r3=r 및 k12=k13=k23=k이면, 이러한 구성에 있어서 공진기(300)의 공진 주파수 ω123 및 피크 임피던스 Z123는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007019815881-pct00012
수식(9)
Figure 112007019815881-pct00013
수식(10)
도 3A에서, 제 1포트는 인덕터(310)와 병렬로 접속된 커패시터(314)를 가지는 것으로 도시된다. 커패시터(314)는 제 1포트로부터 생략될 수 있으며, 이는 공진을 필요로 하지 않는다. 만일 커패시터(314)가 공진기(300)로부터 생략되고 제 2 및 제 3 포트들이 인에이블되면, 제 1포트에서 볼 때 임피던스는 두 개의 결합된 인덕터들(N=2)을 가진 공진기(200)에 대하여 획득된 임피던스와 유사하다.
도 4는 스위치들(326, 336)을 다르게 구성한 결합-인덕터 기반 공진기(300)의 피크 임피던스의 플롯들을 도시한다. 도 4에 기술된 전형적인 설계에 있어서, 인덕터들(310, 320, 330)은 L1=L2=L3=1 나노 헨리(nH)의 인덕턴스들을 가지며, 커패시터들(314, 324, 334)은 C1=C2=C3=1 피코 패럿(pF)의 커패시턴스들을 가지며, 결합 인자들은 k12=k13=k23=1 이며, 저항기들(312, 322, 332)은 r1=r2=r3=1 오옴(Ω)의 저항들을 가지며, 스위치들(326, 336)은 이상적이며 손실을 가지지 않는다.
플롯(410)은 스위치들(326, 336) 둘다가 개방될 때 도 3B에 도시된 구성에 대한 저항기(300)의 피크 임피던스를 도시한다. 플롯(420)은 스위치(326)가 폐쇄되고 스위치(336)가 개방될 때 도 3C에 도시된 구성에 대한 공진기(300)의 피크 임피던스를 도시한다. 플롯(430)은 스위치들(326, 336) 둘다가 폐쇄될 때 도 3E에 도시된 구성에 대한 공진기(300)의 피크 임피던스를 도시한다. 3개의 구성들에 대한 피크 임피던스는 도 4에 도시된 바와 같이 ω1, ω12 및 ω123에서 발생한다.
도 4는 넓은 범위의 공진 주파수들이 결합-인덕터 기반 공진기(300)로 획득될 수 있다는 것을 지시한다. 도 4는 피크 임피던스가 3개의 구성들에 대하여 거의 일정하거나 또는 스무스하게 변화한다는 것을 지시한다. 이러한 피크 임피던스 특성은 모든 3개의 공진 주파수들에서 양호한 위상 잡음 성능을 위하여 VCO를 용이하게 최적화시키도록 한다.
도 5는 스위칭가능한 커패시터들로 이루어진 3개의 뱅크들 및 3개의 결합된 인덕터들(또는 N=3)을 가진 결합-인덕터 기반 공진기(500)의 개략도를 도시한다. 공진기(500)는 (1) 스위치들(516) 및 하나 이상의 스위칭가능한 커패시터들(514)의 뱅크와 병렬로 접속된 인덕터(510)를 가진 제 1포트, (2) 스위치들(526) 및 하나 이상의 스위칭가능한 커패시터들(524)의 뱅크와 직렬로 접속된 인덕터(520)를 가진 제 2포트, 및 (3) 스위치들(536) 및 하나 이상의 스위칭가능한 커패시터들(534)의 뱅크와 직렬로 접속된 인덕터(530)를 가진 제 3포트를 포함한다. 인덕터들(510, 520, 530)은 자기적으로 결합되며, 3-포트 변압기의 1차, 2차 및 3차 포트들로서 각각 간주될 수 있다. 인덕터들(510, 520, 530)의 내부 저항들은 도 3E에 도시된 바와 같이 3개의 저항기들로 모델링될 수 있다. 각각의 포트에 대한 커패시터 뱅크는 하나 이상의 스위칭가능한 커패시터들을 포함한다. 각각의 스위칭가능 커패시터는 공진기(500)의 공진 주파수를 변화시키기 위하여 선택적으로 인에이블 또는 디스에이블될 수 있다. 도 5에 도시되지 않을지라도, 고정 커패시터는 항상 인덕터(510)에 접속될 수 있으며, 이에 따라 제 1포트는 비록 모든 스위칭가능 커패시터들(514)이 그들의 연관된 스위치들(516)을 통해 분리될지라도 인에이블된다.
스위치들(526, 536)은 공진기(500)에 대한 다른 동작 주파수 대역들을 선택하기 위하여 개별적으로 개방 및 폐쇄될 수 있다. 인에이블되는 각각의 포트에 대하여, 이 포트에 대한 스위칭가능 커패시터들은 공진 주파수를 변화시키기 위하여 선택적으로 인에이블 및 디스에이블될 수 있다. 비록 도 5에 도시되지 않을지라도, 각각의 포트(예컨대, 제 1포트)는 공진기(500)의 공진 주파수를 변화시키기 위하여 하나 이상의 버랙터들을 포함할 수 있다. 공진기(500)에 대하여, 스위칭가능 커패시터들(514, 524, 534)은 정밀 동조를 위하여 사용될 수 있으며, 버랙터(들)는 주파수 동기 및 추적을 위하여 사용될 수 있다.
도 5에 도시된 실시예에 있어서, 하나 이상의 스위칭가능 커패시터들은 인덕터(510)와 병렬로 접속된다. 제 1 포트에서 스위칭가능 커패시터들은 가장 높은 공진 주파수 ω1(제 1포트가 인에이블될때 획득됨) 및 다음으로 높은 공진 주파수 ω12(두 개의 포트들이 인에이블될때 획득됨)사이의 다른 공진 주파수들을 달성하기 위하여 사용될 수 있다. 스위칭가능 커패시터들은 예컨대 가장 높은 공진 주파수 ω1 및 다음으로 높은 공진 주파수 ω12간의 분리가 크거나 또는 스위칭가능 커패시터들이 포함되어야 한다는 것을 설계 고려사항들이 제시하는 경우에 제 1 포트에 대하여 사용될 수 있다.
도 6은 도 5의 공진기(500)에 의하여 달성되는 공진 주파수들의 플롯들을 도시한다. 플롯(610)은 제 2 및 제 3 포트들이 스위치들(526, 536)을 개방시킴으로써 디스에이블될 때 제 1포트에 대한 인덕터(510)에 의하여 달성되는 공진 주파수들의 범위를 나타낸다. 플롯(610)에 대한 전체 주파수 범위는 제 1 포트에서 스위칭가능 커패시터들(514)을 인에이블 및 디스에이블시킴으로써 달성된다. 플롯(620)은 제 3 포트가 스위치(536)를 개방함으로써 디스에이블될 때 제 1 및 제 2 포트들에 대한 인덕터들(510, 520)에 의하여 달성되는 공진 주파수들의 범위를 나타낸다. 플롯(620)에 대한 전체 주파수 범위는 제 1 및 제 2포트들에서 스위칭가능 커패시터들(514, 524)을 인에이블 및 디스에이블시킴으로써 달성된다. 플롯(630)은 3개의 포트들에 대한 모든 3개의 인덕터들(510, 520, 530)에 의하여 달성되는 공진 주파수들의 범위를 나타낸다. 플롯(630)에 대한 주파수 범위는 제 1, 제 2 및 제 3 포트들에서 스위칭가능 커패시터들(514, 524, 534)을 인에이블 및 디스에이블시킴으로써 달성된다. 플롯(640)은 공진기(500)에 의하여 달성되는 공진 주파수들의 전체 범위를 도시한다. 만일 플롯들(610, 620, 630)에 대한 3개의 주파수 범위가 충분히 넓으면, 이들 주파수 범위들은 도 6에 도시된 바와 같이 에지들에서 중첩될 것이다. 이러한 경우에, 스위칭가능 커패시터들을 사용하면 공진기(500)는 공진 주파수들의 연속적이면서 넓은 범위를 달성한다. 공진기(500)를 가진 VCO는 ωlow의 하위 주파수와 ωhigh의 상위 주파수 간의 다양한 주파수 대역들을 위하여 사용될 수 있다.
도 6에 도시된 실시예에 있어서, 공진기(500)의 3개의 포트들은 3개의 주파수 범위들을 획득하기 위하여 선택적으로 인에이블된다. 제 1포트에서 가장 낮은 커패시턴스는 플롯(610)에서 가장 높은 공진 주파수를 결정한다. 제 1 및 제 2포트에서 가장 작은 커패시턴스는 플롯(620)에서 가장 높은 공진 주파수를 결정한다. 비교적 큰 커패시턴스 값일 수 있는 제 1, 제 2 및 제 3 포트의 가장 낮은 커패시턴스는 플롯(630)에서 가장 높은 공진 주파수를 결정한다. 다른 실시예에 있어서, 모든 3개의 포트들은 항상 선택된다. 가장 높은 공진 주파수는 3개의 포트들의 각각에서의 가장 낮은 커패시턴스로 달성되며, 가장 낮은 공진 주파수는 3개의 포트들의 각각에서의 가장 높은 커패시턴스로 달성된다. 3개의 포트들은 동일한 수의 스위칭가능 커패시터들로 설계될 수 있으며, 3개의 커패시터들은 동조되어 인에이블될 수 있다. 예컨대, 모든 3개의 포트들에서 제 1 커패시터는 인에이블될 수 있으며, 모든 3개의 포트들에서 제 2 커패시터는 다음으로 낮은 공진 주파수 범위를 달성하기 위하여 인에이블될 수 있으며, 모든 3개의 포트들에서 제 3 커패시터는 다음으로 낮은 공진 주파수 범위를 달성하기 위하여 인에이블될 수 있다.
도 2A, 도 3A 및 도 5는 2개 및 3개의 결합된 인덕터들을 가진 3개의 다른 결합-인덕터 기반 공진기들을 도시한다. 일반적으로, 결합-인덕터 기반 공진기는 임의의 수의 결합된 인덕터들을 가질 수 있다.
도 7은 N개의 결합된 인덕터들을 가진 결합-인덕터 기반 공진기(700)의 개략도를 도시하며, 본 실시예에서 N>3이다. 공진기(700)는 (1) 커패시터(714)와 병렬로 접속된 인덕터(710)를 가진 제 1포트, 및 (2) 커패시터(724) 및 스위치(726)와 직렬로 접속된 인덕터(720)를 각각 가진 N-1개의 제 2 포트들을 포함한다. N개의 인덕터들이 자기적으로 결합되며, 인덕터들 i,j의 일부 쌍에 대한 결합 인자는 kij으로서 주어진다. 공진기(700)는 N개의 포트들에 대한 N개의 공진기 탱크들을 가지는 것으로 간주될 수 있다. N개의 공진기 탱크들은 자기적으로 결합된다. 각각의 공진기 탱크는 포트에 대한 인덕턴스 및 커패시턴스에 의하여 결정된 자체-공진 주파수를 가진다. 제 1포트에서 커패시터(714)는 생략될 수 있으며, 이 경우에 공진기(700)는 N-1개의 제 2포트들에 대하여 N-1개의 공진기 탱크들을 가지고 제 1 포트에 대하여 공진기 탱크를 가지지 않는다.
N개의 결합 인덕터들을 가진 결합-인덕터 기반 공진기에서(여기서 N은 1 이상의 임의의 값일 수 있음), N개의 인덕터들은 동일하거나 또는 다른 인덕턴스들을 가질 수 있다. N개의 인덕터들에 대한 결합 인자들은 동일하거나 또는 다를 수 있다. N개의 인덕터들에 결합된 N개의 커패시터들은 동일하거나 또는 다른 커패시턴스들을 가질 수 있다. N개의 포트들은 동일하거나 또는 다른 자체 공진 주파수들을 가질 수 있다. 적어도 N개의 다른 공진 주파수들은 N-1개의 인덕터들과 직렬로 접속된 N-1개의 스위치들을 통해 획득될 수 있다. 만일 N개의 인덕터들이 L1=L2=...LN=L이도록 동일한 인덕턴스를 가지고, 만일 C개의 커패시터들이 C1=C2=...=CN=C이도록 동일한 커패시턴스를 가지며, 만일 결합 인자들이 인덕터들 i,j의 임의의 쌍에 대하여 kij=k이도록 동일하면, N개의 다른 공진 주파수들은 N-1개의 스위치들을 선택적으로 제어함으로써 획득될 수 있다. 만일 다른 인덕턴스들, 커패시턴스들 및/또는 결합 인자들이 다른 포트들에 대하여 사용되면, N개 이상의 다른 공진 주파수들이 N-1개의 스위치들의 다른 결합들을 선택적으로 폐쇄함으로써 획득될 수 있다.
앞서 기술된 실시예들에 있어서, 각각의 2차 포트는 적어도 하나의 스위치를 통해 인덕터와 직렬로 결합된 적어도 하나의 커패시터를 가진다. 다른 회로 엘리먼트들은 1차 및 2차 포트들에 결합될 수 있다. 예컨대, 음의 저항 생성기(예컨대, 증폭기)는 하나 이상의 2차 포트의 각각에서 사용될 수 있다. 각각의 음 저항기는 선택적으로 턴온 및 턴오프될 수 있으며, 포트에 대한 스위치로서 사용될 수 있다. 인에이블된 음의 저항기를 가진 각각의 2차 포트는 그 자체에 의하여 발진할 수 있다. 이러한 경우에, 다중 발진기들은 다중 포트들에서 형성될 수 있으며, 이들 발진기들은 결합된 인덕터들을 통해 결합된다. 다른 2차 포트들은 다른 공진 주파수들을 달성하기 위하여 인에이블 및 디스에이블될 수 있다.
N(N≥2) 결합된 인덕터들을 가진 공진기를 사용하는 VCO에 있어서, 비정밀 동조는 VCO의 중심 또는 공칭 주파수가 가능한 적정 주파수에 근접하도록 포트들의 적정 결합을 인에이블 및 디스에이블시키기 위하여 수행될 수 있다. 정밀 동조는 VCO의 공칭 주파수가 적정 주파수에 근접하도록 인에이블된 포트(들)에서 스위칭가능 커패시터들(존재하는 경우에)의 적정 결합을 인에이블 및 디스에이블시키기 위하여 수행될 수 있다. 그 다음에, 위상동기루프(PLL)는 인에이블된 포트(들)에서 버랙터(들)를 조절함으로써 적정 주파수에 VCO를 로크(lock)하기 위하여 사용될 수 있다.
결합-인덕터 기반 공진기에 대한 인덕터들은 다양한 방식들로 구현될 수 있다. 예컨대, 인덕터들은 IC 다이 또는 인쇄회로기판(PCB)상의 금속 컨덕터들로 형성될 수 있다. 인덕터들은 개별 또는 하이브리드 소자들로 구현될 수 있다.
도 8은 3개의 포트들에 대하여 3개의 결합된 인덕터들(810, 820, 830)을 가진 결합-인덕터 기반 공진기(802)를 가진 VCO(800)을 도시한다. 이러한 실시예에 있어서, 인덕터(810)는 제 1 컨덕터로 형성되며, 인덕터(820)는 제 2컨덕터로 형성되며, 인덕터(830)는 제 3컨덕터로 형성된다. 제 1, 제 2 및 제 3 컨덕터들은 (1) 제 1컨덕터가 나선의 우측 절반에 대한 제 2컨덕터에 인접하고 나선의 좌측 절반에 대한 제 3 컨덕터에 인접하며 (2) 제 2 및 제 3 컨덕터들이 전체 나선에 대하여 서로에 인접하도록 3개의 나선들로 형성된다. 3개의 컨덕터들은 다른 방식으로 형성될 수 있다. 예컨대, 제 2 컨덕터는 제 1컨덕터에 인접하게 그리고 제 1 컨덕터내에 형성될 수 있으며, 제 3컨덕터는 제 1컨덕터에 인접하게 그리고 제 1 컨덕터 외부에 형성될 수 있다. 이러한 대안적인 레이아웃은 제 1 및 제 2 컨덕터에 대하여 높은 결합인자 k12를 야기하고, 제 1 및 제 3 컨덕터들에 대하여 높은 결합인자 k13을 야기하며, 제 2 및 제 3 컨덕터에 대하여 낮은 결합인자 k23을 야기한다.
커패시터(814)는 VCO 회로(840)에 접속되는 노드들(816a, 816b)의 제 1컨덕터에 접속된다. 커패시터(825) 및 스위치(826)는 제 2 포트에 대한 제 2 컨덕터와 직렬로 접속된다. 커패시터(834) 및 스위치(836)는 제 3 포트에 대한 제 3 컨덕터와 직렬로 접속된다. VCO 회로(840)는 예컨대 증폭기, 커패시터, 지연회로, 버퍼, 분할기 회로 등과 같이 발진기 신호(Osc)를 생성하는데 필요한 모든 회로를 포함한다.
고품질 인자(Q)를 달성하기 위하여, 3개의 컨덕터들은 동일한 컨덕터의 상호접속 섹션들에 대한 언더패스(underpass)를 제외하고 저손실 금속 층(예컨대, 구리) 상에 전체적으로(또는 거의 전체적으로) 제조될 수 있다. 인덕터(810)에 대한 제 1컨덕터는 저손실을 달성하기 위하여 저손실 금속층 상에 전체적으로 형성될 수 있다. "탭" 핀(818)은 인덕터(810)의 중심 탭이며, 제 1컨덕터에 접속된 회로소자들(예컨대, 버랙터들)에 의하여 사용되는 전압을 제공할 수 있는 전력 공급원에 접속될 수 있다. 탭들은 또한 각각 인덕터들(820, 830)에 대한 제 2 및 제 3 컨덕터들에 형성되며, 필요한 경우에 사용될 수 있다.
도 8은 3개의 인덕터들(810, 820, 830)의 특정 실시예를 도시한다. 일반적으로, 각각의 인덕터에 대한 적정 인덕턴스는 적정 패턴(예컨대, 나선, 이중 나선, 지그-재그 등)을 선택하고 컨덕터의 폭, 높이 및/또는 다른 속성값들을 제어함으로써 획득될 수 있다. 다른 결합인자들은 컨덕터들의 위치 및/또는 컨덕터들 간의 거리를 제어함으로써 획득될 수 있다. 컨덕터들은 저손실 금속(예컨대, 구리), 고손실 금속(예컨대, 알루미늄) 또는 임의의 다른 재료와 같은 다양한 타입의 도전성 재료로 제조될 수 있다. 높은 Q는 컨덕터가 저손실 금속으로 제조되는 경우에 달성될 수 있다. 작은 크기의 인덕터는 다른 설계 규칙들이 적용될 수 있기 때문에 손실 금속층 상에 제조될 수 있다. 인덕터들에 대한 컨덕터들은 동일한 층상에 모두 제조될 수 있거나(도 8에 도시된 바와 같이) 또는 다른 층들 상에 제조될 수 있다(예컨대 적층 인덕터들을 형성하기 위하여). 다른 레이아웃들 및 제조 기술들(마이크로-전기-기계 시스템들(MEMS) 기술들을 포함)은 다른 장점들을 제공할 수 있다.
인덕터들/포트들을 인에이블 및 디스에이블하는 스위치들은 2차 포트들의 임의의 위치에 배치될 수 있다. 예컨대, 2차 포트에 대한 스위치는 커패시터 다음에, 인덕터 근처에 또는 인덕터의 두 개의 섹션들 사이에(예컨대, 중심 탭에) 배치될 수 있다. 스위치들은 다양한 방식들로 구현될 수 있다. 예컨대, 스위치들은 N-채널 금속 산화물 반도체(N-MOS) 트랜지스터들, P-채널 MOS(P-MOS) 트랜지스터들, 바이폴라 접합 트랜지스터들(BJT), 갈륨비소(GaAs) 트랜지스터들, MEMS 장치들 등으로 구현될 수 있다. 스위치들은 능동 엘리먼트들(예컨대, 트랜지스터들)을 제조하는데 사용되는 동일한 IC 기술을 사용하여 IC 칩 상에 제조될 수 있다. 스위치들은 개별 소자들을 사용하거나 또는 MEMS 기술들을 사용하여 구현될 수 있다. 스위치들의 구현은 일반적으로 중요하지 않으나, 스위치들의 손실들은 결합-인덕터 기반 공진기의 전기 특성들에 대한 그들의 영향을 감소시키도록 낮게 유지되어야 한다.
결합-인덕터 기반 공진기는 VCO들, 전류 제어 발진기들(ICO), 전압 제어 수정 발진기들(VCXO) 등과 같은 다양한 타입의 발진기들을 위하여 사용될 수 있다. 결합-인덕터 기반 공진기는 다양한 발진기 기술들을 사용하여 사용될 수 있다. 여러 전형적인 VCO 설계들이 이하에 기술된다.
도 9는 상보형 교차-쌍 발진기로서 구현되는 VCO(900)의 개략도를 도시한다. VCO(900)는 3개의 결합-인덕터들, 증폭기(940) 및 전류 소스(950)를 가진 결합-인덕터 기반 공진기(902)를 포함한다. 전류 소스(950)는 전력 공급원(VDD)에 접속된 소스, 바이어스 전압(Vbias)을 수신하는 게이트, 및 기준전류를 제공하는 드레인을 가진 P-MOS 트랜지스터(952)를 포함한다. 증폭기(940)는 N-MOS 트랜지스터들(942a,942b) 및 P-MOS 트랜지스터들(944a, 944b)로 구성된다. 트랜지스터들(942a, 944b)은 제 1인버터를 형성하고, 트랜지스터들(942b, 944b)은 제 2 인버터를 형성한다. 트랜지스터(942a)는 회로 접지에 접속된 소스, 트랜지스터(944a)의 드레인에 접속된 드레인, 및 노드
Figure 112007019815881-pct00014
에 접속된 게이트를 가진다. 트랜지스터(944a)는 트랜지스터(952)의 드레인에 접속된 소스 및 노드
Figure 112007019815881-pct00015
에 접속된 게이트를 가진다. 트랜지스터들(942b, 944b)은 트랜지스터들(942a,944a)과 유사한 방식으로 결합된다. 노드들
Figure 112007019815881-pct00016
및
Figure 112007019815881-pct00017
는 각각 제 1인버터의 입력 및 출력을 나타낸다. 노드들
Figure 112007019815881-pct00018
및
Figure 112007019815881-pct00019
는 각각 제 2 인버터의 입력 및 출력을 나타낸다. 따라서, 제 1 및 제 2 인버터들은 교차-결합된다. 노드들
Figure 112007019815881-pct00020
및
Figure 112007019815881-pct00021
은 또한 VCO(900)의 차동 출력을 나타낸다.
결합-인덕터 기반 공진기(902)는 3개의 포트를 가진다. 제 1 포트에 대하여, 인덕터(910)는 노드들 V1 및 V2사이에 접속되며, 버랙터들(914a, 914b)은 직렬로 접속되고 또한 노드들 V1 및 V2사이에 접속된다. 제 2 포트에 대하여, 인덕터(920)는 버랙터들(924a, 924b) 및 스위치들(926a, 926b)과 직렬로 접속된다. 제 3 포트에 대하여, 인덕터(930)는 버랙터들(934a, 934b) 및 스위치들(936a, 936b)과 직렬로 접속된다. 인덕터들(920, 930)의 중심 탭들은 회로 접지에 접속된다. 제어 전압(Vtune)은 버랙터들(914a, 914b, 924a, 924b, 934a, 934b)에 제공되며, 이들 버랙터들의 커패시턴스를 조절하기 위하여 사용된다. 일반적으로, 공진기(902)에 대한 3개의 포트들의 각각은 임의의 수 및 임의의 결합의 고정 커패시터들, 스위칭가능 커패시터들 및 버랙터들을 포함할 수 있다.
도 10은 콜피츠 발진기로서 구현되는 VCO(1000)의 개략도를 도시한다. VCO(1000)는 3개의 결합된 인덕터들, 전류 소스(1040) 및 증폭기(1050)를 가진 결합-인덕터 기반 공진기(902)를 포함한다. 전류 소스(1040)는 회로접지에 접속된 소스, 바이어스 전압 Vbias를 수신하는 게이트들, 및 노드들
Figure 112010032445070-pct00022
및
Figure 112010032445070-pct00023
에 각각 접속된 드레인들을 가진 N-MOS 트랜지스터들(1042a, 1042b)을 포함한다. 증폭기(1050)는 노드들
Figure 112010032445070-pct00024
및
Figure 112010032445070-pct00025
에 각각 접속된 소스들, 및 공급 전압원 VDD에 접속된 드레인들을 가진 N-MOS 트랜지스터들(1052a, 1052b)을 포함한다. 결합 인덕터 기반 공진기(902)는 앞서 기술된 바와 같이 구현되며, 트랜지스터(902)의 노드들 V1 및 V2는 각각 트랜지스터들(1052a,1052b)의 게이트들에 접속된다. 커패시터(1054a)는 트랜지스터(1052a)의 게이트 및 소스 사이에 접속되며, 커패시터(1054b)는 트랜지스터(1052b)의 게이트 및 소스 사이에 접속되며, 커패시터(1056)는 출력 노드들
Figure 112010032445070-pct00026
및
Figure 112010032445070-pct00027
사이에 접속된다.
여기에 기술된 VCO 및 결합-인덕터 기반 공진기는 통신, 네트워킹, 컴퓨팅, 가전 제품 등과 같은 다양한 시스템들 및 애플리케이션들에서 사용될 수 있다. 예컨대, VCO 및 결합-인덕터 기반 공진기는 코드분할 다중접속(CDMA) 시스템, 시분할 다중접속(TDMA) 시스템, 범유럽 이동통신(GSM) 시스템, 차세대 이동 전화 시스템(AMPS), 위성위치확인 시스템(GPS), 다중-입력 다중-출력(MIMO) 시스템, 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 시스템, 직교 주파수 분할 다중 액세스(OFDMA) 시스템, 무선 근거리통신망(WLAN) 등과 같은 무선 통신 시스템들에 사용될 수 있다. 무선통신을 위하여 VCO 및 결합-인덕터 기반 공진기를 사용하는 것이 이하에 기술된다.
도 11은 무선 통신을 위하여 사용될 수 있는 무선장치(1100)의 블록도를 도시한다. 무선장치(1100)는 셀룰라 전화, 단말, 핸드셋, 가입자 유닛 또는 임의의 다른 장치 또는 설계일 수 있다. 무선장치(1100)는 전송경로 및 수신경로를 통해 양방향 통신을 제공할 수 있다.
전송경로 상에서, 디지털 신호 프로세서(DSP)(1110)는 전송될 데이터를 처리하며, 칩들의 스트림을 트랜시버 유닛(1120)에 제공한다. 트랜시버 유닛(1120) 내에서, 하나 이상의 디지털 대 아날로그 변환기들(DAC)(1122)은 칩들의 스트림을 하나 이상의 아날로그 신호들로 변환한다. 아날로그 신호(들)는 필터(1124)에 의하여 필터링되고, 가변 이득 증폭기(VGA)(1126)에 의하여 증폭되며, 혼합기(1128)에 의하여 기저대역으로부터 RF로 주파수 상향변환되어 RF 신호를 생성한다. 주파수 상향변환은 VCO(1130)로부터 상향변환 LO 신호로 수행된다. RF 신호는 필터(1132)에 의하여 필터링되며, 전력 증폭기(PA)(1134)에 의하여 증폭되며, 듀플렉서(D)(1136)를 통해 라우팅되며, 안테나(1140)로부터 전송된다.
수신 경로 상에서, RF 입력 신호는 안테나(1140)에 의하여 수신되며, 듀플렉서(1136)를 통해 라우팅되며, 저잡음 증폭기(LNA)(1144)에 의하여 증폭되며, 필터(1146)에 의하여 필터링되며, VCO(1150)로부터 하향변환 LO 신호와 함께 혼합기(1148)에 의하여 RF로부터 기저대역으로 주파수 하향변환된다. 하향변환된 신호는 버퍼(1152)에 의하여 버퍼링되며, 필터(1154)에 의하여 필터링되며, 하나 이사의 아날로그 대 디지털 변환기들(ADC)(1156)에 의하여 디지털화되어 샘플들의 하나 이상의 스트림들을 획득한다. 샘플 스트림(들)은 처리를 위하여 DSP(1110)에 제공된다.
도 11은 특정 트랜시버 설계를 도시한다. 전형적인 트랜시버에서, 각각의 경로에 대한 신호 컨디셔닝은 공지된 바와 같이 증폭기, 필터, 혼합기 등의 하나 이상의 스테이지들에 의하여 수행될 수 있다. 도 11은 신호 컨디셔닝을 위하여 사용될 수 있는 회로 블록들의 일부만을 도시한다.
도 11에 도시된 실시예에 있어서, 트랜시버 유닛(1120)은 각각 전송 및 수신 경로에 대하여 두 개의 VCO들(1130, 1150)을 포함한다. 위상동기루프(PLL)(1160)는 DSP(1110)로부터 제어 정보를 수신하며 VCO들(1130, 1150)에 대하여 제어하여 적정 상향변환 및 하향변환 LO 신호들을 생성한다. VCO들(1130, 1150)은 다양한 VCO 설계들로 구현될 수 있으며, 여기에 기술된 결합-인덕터 기반 공진기를 사용할 수 있다. 예컨대, VCO들(1130, 1150)은 도 9 또는 도 10에 도시된 바와 같이 각각 구현될 수 있다. 각각의 VCO는 하나 이상의 주파수 대역들의 정수 또는 비정수 배수에서 동작하도록 설계될 수 있다. 테이블 1은 무선통신을 위하여 공동으로 사용되는 일부 주파수 대역들을 리스트한다.
테이블 1
주파수 대역 주파수 범위
개인 통신 시스템(PCS) 1850 내지 1990 MHz
셀룰라 824 내지 894 MHz
디지털 셀룰라 시스템(DCS) 1710 내지 1880 MHz
GSM900 890 내지 960 MHz
국제 이동통신-2000(IMT-2000) 1920 내지 2170 MHz
CDMA450 411 내지 493 MHz
JCDMA 832 내지 925 MHz
KPCS 1750 내지 1870 MHz
위성위치확인시스템(GPS) 1574.4 내지 1576.4 MHz
여기에 기술된 결합-인덕터 기반 공진기는 VCO 외에 다른 회로 블록들을 위하여 사용될 수 있다. 예컨대, 결합-인덕터 기반 공진기는 다중대역 또는 동조가능 필터들, 임피던스 매칭 네트워크들 등을 위하여 사용될 수 있다.
여기에 기술된 VCO 및 결합-인덕터 기반 공진기는 N-MOS, P-MOS, CMOS, BJT, GaAs 등과 같은 다양한 IC 프로세스 기술들을 사용하여 제조될 수 있다. VCO 및 결합-인덕터 기반 공진기는 RFIC들, 아날로그 IC들, 디지털 IC들, 혼합-신호 IC들, MEMS 장치들 등과 같은 다양한 타입의 IC들 상에 제조될 수 있다.
기술된 실시예들의 이전 설명은 당업자로 하여금 본 발명을 실시 또는 이용하도록 제공된다. 이들 실시예들에 대한 다양한 수정들은 당업자에게 명백할 것이며, 여기에서 한정된 일반적인 원리들은 본 발명의 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않고 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 기술된 실시예들에 제한되지 않으나 여기에 기술된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 가장 넓은 범위에 따른다.

Claims (33)

  1. 적어도 하나의 인덕터 및 적어도 하나의 커패시터를 각각 구비한 다수의 포트들을 포함하는 공진기 ― 상기 다수의 포트들을 위한 다수의 인덕터들은 자기적으로 결합되고, 상기 공진기는 적어도 3개의 포트들을 포함함 ―; 및
    상기 공진기에 접속되고, 또한 상기 공진기에 의하여 결정된 주파수를 가진 출력신호를 생성하도록 동작가능한 증폭기를 포함하는, 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 공진기 및 상기 증폭기는 다수의 주파수 대역들에서 동작하도록 구성가능한, 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 다수의 포트들은 상기 출력신호의 주파수를 변화시키기 위하여 선택적으로 인에이블 및 디스에이블되는, 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 다수의 포트들 중 적어도 하나에 대한 각각의 포트는 상기 포트에 대한 상기 적어도 하나의 커패시터를 선택적으로 접속 및 분리하기 위하여 동작가능한 적어도 하나의 스위치를 포함하는, 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 다수의 포트들 중 적어도 하나에 대한 각각의 포트는 상기 포트에 대한 적어도 하나의 커패시터 사이에 가변 커패시터를 포함하는, 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서, 상기 다수의 인덕터들은 동일한 인덕턴스들을 가지는, 장치.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 다수의 인덕터들은 동일한 결합 인자들을 가지는, 장치.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 다수의 포트들은 동일한 커패시턴스들을 가지는, 장치.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 공진기 및 상기 증폭기는 교차-결합(cross-coupled) 발진기로서 결합되는, 장치.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 공진기 및 상기 증폭기는 콜피츠(Colpitts) 발진기로서 결합되는, 장치.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 다수의 인덕터들은 다수의 금속 컨덕터들로 형성되는, 장치.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 다수의 금속 컨덕터들은 집적회로(IC) 상에 제조되는, 장치.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 다수의 금속 컨덕터들은 인쇄회로기판(PCB)상에 제조되는, 장치.
  16. 적어도 하나의 인덕터 및 적어도 하나의 스위칭가능한 커패시터를 각각 구비한 다수의 포트들을 포함하는 공진기 ― 상기 스위칭가능한 커패시터들은 상기 공진기로 하여금 연속적이면서 넓은 범위의 공진 주파수들을 획득하도록 하고, 상기 다수의 포트들을 위한 다수의 인덕터들은 자기적으로 결합되고, 상기 공진기는 적어도 3개의 포트들을 포함함 ―; 및
    상기 공진기에 접속되며, 또한 상기 공진기에 의하여 결정되는 주파수를 가진 출력신호를 생성하도록 동작가능한 증폭기를 포함하는, 집적회로(IC).
  17. 제 16항에 있어서, 상기 증폭기는 적어도 하나의 금속-산화물 반도체(MOS) 트랜지스터, 적어도 하나의 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT), 또는 적어도 하나의 갈륨비소(GaAs) 트랜지스터를 포함하는, 집적회로(IC).
  18. 제 16항에 있어서, 상기 다수의 인덕터들은 상기 집적회로(IC) 상에 다수의 금속 컨덕터들로 형성되는, 집적회로(IC).
  19. 제 18항에 있어서, 상기 다수의 금속 컨덕터들은 저손실 금속으로 제조되는, 집적회로(IC).
  20. 제 18항에 있어서, 상기 다수의 금속 컨덕터들은 상기 집적회로(IC)의 단일층 상에 제조되는, 집적회로(IC).
  21. 제 16항에 있어서, 상기 공진기 및 상기 증폭기는 상기 공진기의 다수의 포트들을 선택적으로 인에이블 및 디스에이블시킴으로써 다수의 주파수 대역들에서 동작하도록 구성가능한, 집적회로(IC).
  22. 제 16항에 있어서, 상기 공진기 및 상기 증폭기는 상기 공진기의 다수의 포트들을 선택적으로 인에이블 및 디스에이블시킴으로써 연속적인 동작 대역을 달성하도록 구성가능한, 집적회로(IC).
  23. 무선통신 시스템의 장치로서,
    자기적으로 결합되는 다수의 공진기 탱크들을 형성하는 수단 - 공진기는 적어도 3개의 포트들을 포함하고, 각각의 포트는 적어도 하나의 인덕터 및 적어도 하나의 스위칭가능한 커패시터를 구비함 -;
    연속적이면 넓은 범위의 공진 주파수들을 획득하기 위해서 상기 다수의 공진기 탱크들 내의 스위칭가능한 커패시터들을 선택적으로 인에이블 및 디스에이블하는 수단; 및
    적어도 하나의 인에이블된 공진기 탱크에 의하여 결정된 주파수를 가진 출력신호를 생성하기 위하여 상기 적어도 하나의 인에이블된 공진기 탱크로부터의 신호를 증폭하는 수단을 포함하는, 장치.
  24. 제 23항에 있어서, 상기 출력신호의 주파수를 변화시키기 위하여 적어도 하나의 인에이블된 공진기 탱크의 커패시턴스를 조절하는 수단을 더 포함하는, 장치.
  25. 무선통신 시스템의 무선장치로서,
    적어도 하나의 인덕터 및 적어도 하나의 커패시터를 각각 구비한 다수의 포트들을 포함하는 공진기 ― 상기 다수의 포트들을 위한 다수의 인덕터들은 자기적으로 결합되고, 상기 공진기는 적어도 3개의 포트들을 포함함 ―; 및
    상기 공진기에 접속되고, 또한 상기 공진기에 의하여 결정된 주파수를 가진 출력신호를 생성하도록 동작가능한 증폭기를 포함하는, 무선장치.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 출력신호는 무선주파수(RF) 입력신호의 주파수 하향변환을 위하여 사용되는, 무선장치.
  27. 제 25항에 있어서, 상기 출력신호는 기저대역 입력신호의 주파수 상향변환을 위하여 사용되는, 무선장치.
  28. 제 25항에 있어서, 상기 공진기 및 상기 증폭기는 상기 공진기의 다수의 포트들을 선택적으로 인에이블 및 디스에이블시킴으로써 다수의 주파수 대역들에서 동작하도록 구성가능한, 무선장치.
  29. 제 28항에 있어서, 상기 다수의 주파수 대역들은 셀룰라 대역 및 개인통신시스템(PCS) 대역을 포함하는, 무선장치.
  30. 제 25항에 있어서, 상기 공진기 및 상기 증폭기는 적어도 두 개의 다른 무선 통신 표준들에 대하여 주파수 변환을 위하여 사용되는 출력신호를 생성하도록 구성가능한, 무선장치.
  31. 제 30항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 다른 무선통신 표준들은 cdma2000 및 광대역-CDMA(W-CDMA)를 포함하는, 무선장치.
  32. 발진기 신호를 생성하는 방법으로서,
    연속적이면서 넓은 범위의 공진 주파수들 중에서 선택된 주파수 대역을 식별하는 단계;
    상기 선택된 주파수 대역에 기초하여 공진기의 다수의 포트들 내의 스위칭가능한 커패시터들을 선택적으로 인에이블 및 디스에이블하는 단계 - 상기 공진기는 적어도 3개의 포트들을 포함하고, 각각의 포트는 적어도 하나의 인덕터 및 적어도 하나의 스위칭가능한 커패시터를 구비함 - ; 및
    상기 공진기를 사용하여 상기 선택된 주파수 대역에 대한 상기 발진기 신호를 생성하는 단계를 포함하는, 발진기 신호 생성 방법.
  33. 발진기 신호를 생성하는 장치로서,
    연속적이면서 넓은 범위의 공진 주파수들 중에서 선택된 주파수 대역을 식별하는 수단;
    상기 선택된 주파수 대역에 기초하여 공진기의 다수의 포트들 내의 스위칭가능한 커패시터들을 선택적으로 인에이블 및 디스에이블하는 수단 - 상기 공진기는 적어도 3개의 포트들을 포함하고, 각각의 포트는 적어도 하나의 인덕터 및 적어도 하나의 스위칭가능한 커패시터를 구비함 -; 및
    상기 공진기를 사용하여 상기 선택된 주파수 대역에 대한 상기 발진기 신호를 생성하는 수단을 포함하는, 발진기 신호 생성 장치.
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