KR101292664B1 - 전압 제어 발진기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 트랜스포머를 이용하여 다중 위상을 가지는 발진 주파수를 발진할수 있도록 하는 전압 제어 발진기에 관한 것으로, 하나 이상의 트랜스포머와, 하나 이상의 트랜스포머에 병렬 연결된 다수개의 가변 캐패시터 회로로 구성되어, 다중 위상을 가지는 다수개의 발진 주파수를 생성하는 공진회로; 및 트랜스포머를 통해 크로스 커플링된 다수개의 트랜지스터를 구비하여, 공진 회로의 발진을 유지하기 위한 부성저항을 발생하는 부성저항회로를 포함하며, 하나 이상의 트랜스포머 각각은, 센터탭이 서로 연결된 1차 코일과 2차 코일로 구현되고, 공진회로는, n/2-1(n은 6이상의 2의 배수)개의 트랜스포머와 n/2-1개의 트랜스포머에 병렬연결된 n/2개의 가변 캐패시터 회로를 구비하여, 2π/n의 위상차를 가지는 n개의 발진 주파수를 생성할 수 있다.
전압 제어 발진기, 트랜스포머, 다중위상, 다중밴드

Description

전압 제어 발진기{VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR}
본 발명은 전압 제어 발진기에 관한 것으로, 특히 CMOS을 이용하여 집적 회로등에서 사용이 가능한 트랜스포머 커플링을 이용한 다중 위상 다중 밴드 전압 제어 발진기의 설계에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2108-F-008-02, 과제명: 차세대 무선 융합 단말용 Advanced Digital RF 기술 개발].
종래의 기술은 전압제어 발진기를 설계할 때 대부분 인덕터를 이용하여 LC tank의 인덕턴스 성분으로 사용하였다.
발진 위상 개수를 증가하기 위하여 4개 위상을 갖는 직교 위상 발진기를 설계할 경우, 2개의 위상의 신호를 발생하는 2개의 차동 발진기를 이용하여 4개의 위상을 갖도록 연결한다.
이 경우 면적 및 소모 전력의 증가와 기판과의 커플링에 의해 발진기의 성능이 열화되는 문제점이 발생한다.
이러한 문제점 중 기판 커플링을 줄이기 위한 방법으로 백-게이트(back-gate)을 이용한 방법이 제안되었지만 신호 크기가 크지 않는 단점이 있다. 그리고 2개의 발진기를 사용하면서 발생하는 면적 및 전력소모가 2배로 증가하는 문제는 해결하기 쉽지 않다.
기존의 트랜스포머를 이용한 전압 제어 발진기의 경우, 커플링을 이용하여 LC 탱크(tank)의 성능 향상 및 소모 전력을 줄이려는 노력이 많이 이루어졌다. 그러나 사용되는 트랜스포머의 개수는 감소되지 않아 면적을 줄이는 효과는 없었다.
도1a 및 도1b은 종래의 기술에 따라 직교위상 전압 제어 발진기를 얻기 위해 2개의 차동 발진기를 크로스 커플링(cross-coupling)이 되도록 연결하는 블락 다이어그램을 도시한 도면이다.
도1a 및 도1b에 도시된 바와 같이, 2개의 차동 발진기를 크로스 커플링(cross-coupling)이 생기도록 연결하여 4개의 발진노드에서의 위상이 90도 차이가 나도록 구성하였다.
도1a의 경우, 발진기 코어(11)는 NMOS 트랜지스터(M1, M2)와 인덕터(L) 그리고 베렉터 다이오드(C)로 구성된 LC 탱크(tank)와, 2개의 발진기 코어(11)의 상호 연결시 필요한 커플링 트랜지스터(M1c, M2c)로 구성되어, 이들을 통해 발진기 코어(11)에서는 4개의 포트(Vi+, Vi-, Vo+, Vo-)를 만든다. 4개의 포트를 가진 발진기 코어(11) 2개를 크로스 커플링이 생기도록 연결하여 각 발진노드의 위상이 각각 90도 차이가 발생하도록 하였다. 발진주파수는 조절 전압(Vcon)을 통해 가변이 가능하며 바이어스 전류는 바이어스 전압(Vbias)을 이용하여 조절 가능하다.
도1b의 경우, 도 1a에서 커플링 트랜지스터에 의한 전류 증가 및 기판 잡음영향 증가등의 단점을 가지고 있다. 이러한 점을 극복하기 위한 새로운 회로 구조로 커플링 트랜지스터를 대신하여 백-게이트(back-gate)을 이용하는 구조를 제안하였다.
발진기 코어(22)는 트랜지스터(M1, M2)와 인덕터(L) 그리고 베렉터 다이오드(C)로 구성된 LC 탱크와, 2개의 발진기 코어(22)을 상호 연결을 위해 백-게이트(back-gate)용 저항(Rb)과 캐패시터(Cb)로 구성되어, 이를 통해 발진기 코어(22)에서는 4개의 포트(Vi+, Vi-, Vo+, Vo-)를 만든다. 4개의 포트를 가진 발진기 코어(22) 2개를 크로스 커플링이 생기도록 연결하여 각 발진노드의 위상이 각각 90도 차이가 발생하도록 하였다. 발진주파수는 조절 전압(Vcon)을 통해 가변이 가능하며 바이어스 전류는 바이어스 전압(Vbias)을 이용하여 조절 가능하다.
상기와 같은 구조는 직교 전압 제어 발진기를 구현하기 위해 가장 많이 사용되고 있으나, 인덕터 또는 트랜스포머 그리고 베렉터 다이오드와 베렉터 다이오드 뱅크로 구성된 LC 탱크를 이용한 차동 발진기가 2개 필요하기 때문에, 면적 및 전력 소모 면에서 단점을 가진다.
현재의 무선통신 분야에서는 기존의 아날로그 트랜시버뿐만 아니라 계속 발전되고 있는 디지털 RF 트랜시버, 그리고 궁극적으로 SDR(Software Defined Radio)까지 진화되고 있는 트랜시버가 추구하는 방향은 다중 밴드, 다중 모드를 지원할 수 있어야 한다.
그리고 이를 구현하기 위해서는 재구성이 가능하고 유연하게 동작이 되도록 회로 자체가 구성되어야 한다. 이러한 구현을 위해 가장 어려운 부분이 주파수 합성기에서 전압 제어 발진기를 모든 주파수 영역을 커버할 수 있도록 광대역으로 설계하는 것이다. 주파수 별로 여러 개의 전압 제어 발진기를 사용할 수 있지만 면적 및 소모전력이 증가하는 단점이 있다.
그리고 지금 사용되고 있는 트랜시버에서는 대부분 직교 위상(I/Q)을 필요로 하고 있다. 이를 생성하는 방법은 주로 분배기(divider)를 이용하여 직교 위상을 얻었지만 주파수가 올라가면서 고주파에서 동작하는 분배기의 설계가 쉽지 않은 단점이 있다. 이러한 경우 분배기를 사용하지 않고 직교 위상을 갖는 발진기를 직접 설계하는 것이 바람직하다.
따라서 작은 면적을 가지면서 저전력으로 동작하는 다중 위상, 다중 밴드의 전압 제어 발진기가 다중 밴드 다중모드를 지원하는 RF 트랜시버에 유용하게 적용될 수 있다.
트랜스포머 커플링을 이용하여 저전력의 직교위상 발진기를 설계하는 것은 가능하다. 그러나 면적을 줄이지 못하는 단점이 있어 이를 해결하기 위해서는 1개의 트랜스포머에서 발진되는 포트가 4개가 되도록 구성하는 것이 필요하다. 이러한 방법을 통하여 트랜스포머를 이용해 저전력, 저면적을 가지는 직교 위상 발진기 설계가 가능하다.
이에 본 발명에서는 트랜스포머 커플링과 전류 재사용 구조를 이용하여 1개의 트랜스포머로 4개의 직교위상을 얻을 수 있는 구조 및 이러한 구조를 확장하여 4개 이상의 다중 위상을 얻을 수 있도록 하는 전압 제어 발진기를 제공하고자 한다.
그리고 트랜스포머의 센터 탭에 트랜지스터 스위치를 연결하고 스위치의 온/오프 동작에 따라서 트랜스포머의 인덕턴스가 가변되도록 조절하여 발진 주파수 대역도 변경할 수 있도록 함으로써, 광대역으로 동작가능한 전압 제어 발진기를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전압 제어 발진기는, 하나 이상의 트랜스포머와, 상기 하나 이상의 트랜스포머에 병렬 연결된 다수개의 가변 캐패시터 회로로 구성되어, 다중 위상을 가지는 다수개의 발진 주파수를 생성하는 공진회로; 및 상기 트랜스포머를 통해 크로스 커플링된 다수개의 트랜지스터를 구비하여, 상기 공진 회로의 발진을 유지하기 위한 부성저항을 발생하는 부성저항회로를 포함할 수 있다.
상기 다수개의 가변 캐패시터 회로 각각은 제어 전압에 의해 캐패시턴스가 가변되는 하나 이상의 베렉터 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 하나 이상의 트랜스포머 각각은 센터탭이 서로 연결된 1차 코일과 2차 코일로 구현되는 것을 특징으로 한다.
상기 공진회로는 1개의 트랜스포머와 상기 1개의 트랜스포머에 병렬연결된 2개의 가변 캐패시터 회로를 구비하여, 90도의 위상차를 가지는 4개의 발진 주파수를 생성하는 것을 특징으로 하며, 상기 부성저항회로는 상기 공진 회로가 하나의 트랜스포머를 구비하는 경우, 상기 1차코일의 타단과 바이어스 전류 인가단 사이에 연결되어 상기 2차코일의 일단에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제1 트랜지스터; 상기 2차코일의 타단과 상기 바이어스 전류 인가단 사이에 연결되어 상기 1차코일의 일단에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제2 트랜지스터; 전원전압 인가단과 상기 1차코일의 일단 사이에 연결되어 상기 2차코일의 타단에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제3 트랜지스터; 및 상기 전원전압 인가단과 상기 2차코일의 일단 사이에 연결되어 상기 1차코일의 타단에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제4 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 공진회로는 n/2-1(n은 6이상의 2의 배수)개의 트랜스포머와 상기 n/2-1개의 트랜스포머에 병렬연결된 n/2개의 가변 캐패시터 회로를 구비하여, 2π/n의 위상차를 가지는 n개의 발진 주파수를 생성하는 것을 특징으로 하며, 상기 부성저항회로는 상기 n/2-1개 트랜스포머 중 하나의 1차코일의 일단과 바이어스 전류 인가단 사이에 연결되어 나머지 n/2-2개의 트랜스포머 중 하나의 2차코일의 일단에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제1 트랜지스터; 상기 n/2-1개 트랜스포머 중 하나의 2차코일의 일단과 상기 바이어스 전류 인가단 사이에 연결되어 상기 나 머지 n/2-2개의 트랜스포머 중 하나의 1차코일의 일단에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제2 트랜지스터; 전원전압 인가단과 상기 나머지 n/2-2개의 트랜스포머 중 하나의 1차코일의 일단 사이에 연결되어 상기 n/2-1개 트랜스포머 중 하나의 2차코일의 일단에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제3 트랜지스터; 및 상기 전원전압 인가단과 상기 나머지 n/2-2개의 트랜스포머 중 하나의 2차코일의 일단 사이에 연결되어 상기 n/2-1개 트랜스포머 중 하나의 1차코일의 일단에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제4 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 필요한 경우, 상기 부성저항회로는 상기 n/2-1개 트랜스포머 중 하나의 센터탭과 상기 바이어스 전류 인가단 사이에 연결되어 상기 나머지 n/2-2개의 트랜스포머 중 하나의 센터탭에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제5 및 제6 트랜지스터; 및 상기 전원전압 인가단과 상기 나머지 n/2-2개의 트랜스포머 중 하나의 센터탭 사이에 연결되어 상기 n/2-1개 트랜스포머 중 하나의 센터탭에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제7 및 제8 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 n/2-1개 트랜스포머 각각은 1차 코일과 2차 코일에 다수개의 센터탭을 연결하여 다수개의 인덕턴스로 나뉘어 질 수 있으며, 이때의 상기 공진 회로는 동일한 트랜스포머의 센터탭과 상이한 트랜스포머의 센터탭간을 각각 연결하기 위한 다수개의 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명의 전압 제어 발진기는 하나의 트랜스포머를 이용하여 다중 위상을 가지는 발진 주파수를 사용할 수 있기 때문에 면적을 줄이면서 전력소모도 전압 제어 발진기 설계가 가능하도록 해준다. 또한, 이러한 구조를 확장하여 다수개의 트랜스포머를 병렬로 연결하는 경우 발진 위상의 개수를 확장시켜 줄 수 있도록 해준다. 뿐 만 아니라, 다수개의 트랜스포머의 센터 탭에 스위치를 연결하여 발진하는 인덕턴스 값을 조절하여 발진 주파수 대역도 변경가능하도록 해준다.
따라서, 본 발명의 전압 제어 발진기는 다중위상 다중밴드의 발진 주파수를 생성할 수 있도록 하여, 다중 모드 다중 밴드의 트랜시버 설계는 물론 SDR (Software Defined Radio) 구조에 적용이 가능하도록 해준다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대 되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전압 제어 발진기를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전압 제어 발진기는, 1개의 트랜스포머(T), 트랜스포머(T)에 병렬 연결된 2개의 가변 캐패시터 회로(VC1, VC2)로 구성되어 4개의 발진 주파수를 생성하고 4개의 발진노드(N1~N4)로 출력하는 공진회로(110), 트랜스포머(T)를 통해 크로스 커플링된 4개의 트랜지스터(M1~M4)로 구성되어 공진회로(110)의 발진을 유지하기 위한 부성 저항을 발생하는 부성저항회로(120)를 포함하여, 90도의 위상차를 가지는 4개의 발진 주파수를 발진한다.
상기 각 구성요소의 연결관계에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 트랜스포머(T)는 제1 및 제3 발진노드(N1,N3)에 연결되는 1차 코일과 제2 및 제4 발진노드(N2,N4)에 연결되는 2차 코일로 구현되며, 1차 코일과 2차 코일의 센터탭(Q)을 서로 연결시켜 DC 바이어스 설정 및 AC 신호 커플링이 되도록 한다.
제1 가변 캐패시터 회로(VC1)는 제1 발진노드(N1)와 제1제어전압(Vctrl1) 사이, 제1제어전압(Vctrl1)과 제2 발진노드(N2)사이에 연결된 제1 및 제2 베렉터 다이오드(C1,C2)를 구비하고, 제2 가변 캐패시터 회로(VC2)는 제3 발진노드(N3)와 제2제어전압(Vctrl2) 사이, 제2제어전압(Vctrl2)과 제4 발진노드(N4) 사이에 연결된 제3 및 제4 베렉터 다이오드(C3,C4)를 구비한다. 이때, 제1 내지 제4 베렉터 다이오드(C1~C4)는 제1 및 제2 제어전압(Vctrl1 ,Vctrl2)에 따라 자신의 캐패시턴스를 가변함으로써, 발진 주파수를 가변할 수 있다.
부성저항회로(120)는 1차코일의 타단(N3)과 바이어스 전류 인가단(Nb) 사이에 연결되어 2차코일의 일단(N2)에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제1트랜지스터(M1), 2차코일의 타단(N4)과 바이어스 전류 인가단(Nb) 사이에 연결되어 1차코일의 일단(N1)에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제2트랜지스터(M2), 전원전압 인가단(VDD)과 1차코일의 일단(N1) 사이에 연결되어 2차코일의 타단(N4)에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제3트랜지스터(M3), 전원전압 인가단(VDD)과 2차코일의 일단(N2) 사이에 연결되어 1차코일의 타단(N3)에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제4트랜지스터(M4)를 포함한다. 즉, 제1 및 제2 트랜지스터(M1,M2)와 제3 및 제4 트랜지스터(M3,M4)는 트랜스포머(T)를 통해 크로스 커플링되어, 제1 내지 제4 발진노드(N1~N4)에 인가되는 발진 주파수의 발진을 유지하기 위한 부성 저항을 발생한다.
또한, 상기 바이어스 전류 인가단(Nb)에 인가되는 바이어스 전류는 제3 및 제4 트랜지스터(M3,M4)의 소스에 공통 연결되는 드레인과, 바이어스 전압(Vbias)이 인가되는 게이트, 접지에 연결되는 소스를 가지는 제5 트랜지스터(M5)를 통해 생성될 수 있다.
이와 같이 구성되는 전압 제어 발진기는 제1 내지 제4 베렉터 다이오드(C1~C4)에 인가되는 제어전압(Vctrl1, Vctrl2)를 가변하여 제1 내지 제4 베렉터 다이오드(C1~C4)의 캐패시턴스를 가변시키고, 트랜스포머(T)는 가변된 캐패시턴스를 가지는 제1 내지 제4 베렉터 다이오드(C1~C4)와 함께 공진 동작을 수행하여 4개의 발진 주파수를 생성하고 4개의 제1 내지 제4 발진노드(N1~N4)로 출력한다. 그리고 제1 및 제2 트랜지스터(M1,M2)는 제1 및 제3 발진노드(N1,N3)에 인가된 발진 주파수를 증폭하여 출력하고, 제3 및 제4 트랜지스터(M3,M4)는 제2 및 제4 발진노드(N2,N4)에 인가된 발진 주파수를 증폭하여 출력함으로써, 90도의 위상차를 가지는 4개의 발진 주파수를 발진한다.
도2의 전압 제어 발진기는 트랜스포머(T)의 위쪽에 2개의 발진노드(N1,N2)가 있으며 아래쪽에 나머지 2개의 발진노드(N3,N4)가 있어, 4개의 발진주파수의 4개의 위상을 90도 차이가 나도록 만들 수 있다. 즉, 제1 발진노드(N1)가 I+ 위상을 가지면, 제2 발진노드(N2)는 I-, 제3 발진노드(N3)는 Q+, 제4 발진노드(N4)는 Q-의 위상을 각각 가지게 된다.
따라서, 본 발명에서는 1개의 트랜스포머(T)를 이용하여 직교위상을 가지는 발진기를 설계할 수 있으며, 이에 따라 면적 및 전류를 감소시켜 줄 수 있다. 그리고 제어전압(Vctrl1, Vctrl2)를 이용하여 제1 내지 제4 베렉터 다이오드(C1~C4)의 캐패 시턴스를 조절함으로써, 원하는 발진주파수를 조절할 수도 있다.
본 발명에서는 전압 제어 발진기의 전류 소모를 최소화하기 위해 전류 재사용(current-reuse) 구조로 발진 동작을 수행한다. 전류 재사용 구조에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 도 2에 도시된 전압 제어 발진기의 전류 재사용 구조를 설명하기 위한 도면으로, -gactive는 제1 및 제2 트랜지스터(M1, M2)와 제3 및 제4 트랜지스터(M3,M4)가 직렬로 연결되어 이루어진 네거티브 트랜스 컨덕턴스의 합[(-gn)+(-gp)]을 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전압 제어 발진기에서는, 제1 및 제2 트랜지스터(M1,M2)와 제3 및 제4 트랜지스터(M3,M4)의 스위칭 동작에 따라 1차 코일(coil1)에서 센터탭(Q)을 통해 2차 코일(coil2)로 향하는 제1 전류 패스(P1)와 2차 코일(coil2)에서 센터탭(Q)을 통해 1차 코일(coil1)로 향하는 제2 전류 패스(P2)가 형성된다.
즉, 제1 및 제2 트랜지스터(M1,M2)와 제3 및 제4 트랜지스터(M3,M4)가 직렬로 연결되어 1개의 전류 패스를 이루고 있으며, 이러한 전류 재사용 구조에 따라 전류 소모를 절반으로 줄이면서도 발진이 가능하다.
또한, 트랜스포머(T)의 1차 코일(coil1)과 2차 코일(coil2)이 센터탭(Q)을 통해 연결되어 있으므로, 제1 및 제3 트랜지스터(M1,M2)와 제3 및 제4 트랜지스터(M3,M4)가 정확히 대칭이 되지 않는 경우에도 I/Q 출력 레벨을 서로 동일하게 맞출 수 있으며, 제1, 2 전류 패스(P1, P2)의 AC 신호가 커플링되어 양호도(quality factor) 및 위상 잡음 특성이 향상된다.
도4는 도 2의 회로를 CMOS 기술을 이용하여 구현한 결과를 보여주는 그래프이다.
도4에서, 실선은 제1 발진노드(N1)의 출력을 측정한 결과이며, 점선은 제4 발진노드(N4)의 출력을 측정한 결과로, 제1 발진노드(N1)의 출력과 제4 발진노드(N4)의 출력은 I(In-phase)와 Q(Quadrature) 신호가 90도의 위상차를 가짐을 알 수 있다.
칩으로 구현할 경우, 4개의 발진노드에서 출력을 뽑기가 어려워 2개의 발진노드에서만 출력을 보았다. 각 발진노드에서 신호 크기는 약간의 차이가 있지만 크게 차이가 나지는 않는다.
도5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전압 제어 발진기의 개념도를 나타낸 도면이다.
도5에서는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전압 제어 발진기는 트랜스포머(T)를 병렬 형태로 다단 연결하여 발진노드의 갯수를 증가시켜 줄 수 있다.
만일, n(n은 6이상의 2의 배수)개의 발진위상을 얻고자 하면, 트랜스포머는 n/2-1개 필요하고, 베렉터 다이오드(C)는 n/2개가 필요하다. 이렇게 구성된 전압 제어 발진기의 각 발진노드에서의 위상은 2p/n이 된다.
즉, 본 발명에서는 원하는 위상만큼 트랜스포머(T)와 베렉터 다이오드(C)를 연결하여 다중위상의 발진노드(P1, P2, …, Pn) 형성할 수 있다.
도6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전압 제어 발진기를 나타낸 도면으로, 도6에서는 설명의 편이를 위해 6개의 위상을 가지는 경우에 한하여 설명하기로 한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전압 제어 발진기는, 병렬 연결된 2개의 트랜스포머(T1, T2), 2개의 트랜스포머(T)에 병렬 연결된 세개의 가변 캐패시터회로(VC1~VC3)로 구성되어 6개의 발진 주파수를 생성하고 6개의 발진노드(N1~N6)로 출력하는 공진회로(210), 2개의 트랜스포머(T1, T2)를 통해 크로스 커플링된 8개의 트랜지스터(M1~M8)로 구성되어 6개의 발진 주파수의 발진을 유지하기 위한 부성 저항을 발생하는 부성저항회로(220)를 포함하여, 60도의 위상차를 가지는 6개의 발진 주파수를 발진한다.
상기 각 구성요소의 연결관계에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
2개의 트랜스포머 중 1개의 트랜스포머(T1)는 제1 및 제3 발진노드(N1,N3)에 연결되는 1차 코일과 제2 및 제4 발진노드(N2,N4)에 연결되는 2차 코일로 구현되고, 나머지 트랜스포머(T2)는 제3 및 제5 발진노드(N3,N5)에 연결되는 1차 코일과 제4 및 제6 발진노드(N4,N6)에 연결되는 2차 코일로 구현된다. 이때, 2개의 트랜스포머(T1, T2) 모두 1차 코일과 2차 코일의 센터탭(Q, P)을 서로 연결시켜 DC 바이 어스 설정 및 AC 신호 커플링이 되도록 한다.
제1 가변 캐패시터회로(VC1)는 제1 발진노드(N1)와 제1제어전압(Vctrl1) 사이, 제1제어전압(Vctrl1)과 제2 발진노드(N2) 사이에 각각 연결된 제1 내지 제4 베렉터 다이오드(C1~C4)를 구비하고, 제2 가변 캐패시터회로(VC2)는 제3 발진노드(N3)와 제2제어전압(Vctrl2) 사이, 제2제어전압(Vctrl2)과 제4발진노드(N4) 사이에 각각 연결된 제5 내지 제8 베렉터 다이오드(C5,C6,C7,C8)를 구비하고, 제3 가변 캐패시터회로(VC3)는 제5 발진노드(N5)와 제3제어전압(Vctrl3) 사이, 제3제어전압(Vctrl3)과 제6발진노드(N6) 사이에 각각 연결된 제9 내지 제12 베렉터 다이오드(C9,C10,C11,C12)를 구비한다. 이때, 도6의 베렉터 다이오드들(C1~C12)도 해당 제어전압(Vctrl1~Vctrl3)에 따라 자신의 캐패시턴스를 가변하여, 발진 주파수를 가변하도록 한다.
부성저항회로(220)는 제2 트랜스포머(T2)의 1차코일의 타단(N5)과 바이어스 전류 인가단(Nb) 사이에 연결되어 제1 트랜스포머(T1)의 2차코일의 일단(N2)에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제1트랜지스터(M1), 제2 트랜스포머(T2)의 2차코일의 타단(N6)과 바이어스 전류 인가단(Nb) 사이에 연결되어 제1 트랜스포머(T1)의 1차코일의 일단(N1)에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제2트랜지스터(M2), 전원전압 인가단(VDD)과 제1 트랜스포머(T1)의 1차코일의 일단(N1) 사이에 연결되어 제2 트랜스포머(T2)의 2차코일의 타단(N6)에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제3트랜지스터(M3), 전원전압 인가단(VDD)과 제1 트랜스포머(T1)의 2차코 일의 일단(N2) 사이에 연결되어 제2 트랜스포머(T2)의 1차코일의 타단(N5)에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제4트랜지스터(M4)를 포함한다. 즉, 제1 및 제2 트랜지스터(M1,M2)와 제3 및 제4 트랜지스터(M3,M4)는 제1및 제2 트랜스포머(T1, T2)를 통해 크로스 커플링되어, 제1, 제2, 제5, 제6 발진노드(N1,N2,N5,N6)에 인가되는 발진 주파수의 발진을 유지하기 위한 부성 저항을 발생한다.
또한 부성저항회로(220)는 추가된 트랜스포머를 위한 부성 저항을 추가로 얻기 위해, 제2 트랜스포머(T2)의 센터탭(Q)과 바이어스 전류 인가단(Nb) 사이에 연결되어 제1 트랜스포머(T1)의 센터탭(P)에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제5 및 제6 트랜지스터(M5, M6), 전원전압 인가단(VDD)와 제1 트랜스포머(T1)의 센터탭(P) 사이에 연결되어 제2 트랜스포머(T2)의 센터탭(Q)에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제7 및 제8 트랜지스터(M7, M8)를 추가적으로 더 포함할 수 있다. 즉, 제5 내지 제8 트랜지스터(M5~M8)는 제1 및 제2 트랜스포머(T1,T2)의 센터탭(Q,P)를 통해 크로스 커플링되어, 제3 및 제4 발진노드(N3,N4)에 인가되는 발진 주파수의 발진을 유지하기 위한 부성 저항을 추가적으로 발생할 수 있다.
또한, 상기 바이어스 전류 인가단(Nb)에 인가되는 바이어스 전류는 제1, 제2, 제5 및 제6 트랜지스터(M1, M2, M5, M6)의 소스에 공통 연결되는 드레인과, 바이어스 전압(Vbias)이 인가되는 게이트, 접지에 연결되는 소스를 가지는 제9 트랜지스터(M9)를 통해 생성될 수 있다.
이와 같이 구성되는 전압 제어 발진기는 제1 내지 제3 가변 캐패시터회 로(VC1~VC3) 각각에 인가되는 제1 내지 제3 제어전압(Vctrl1~ Vctrl3)를 각각 가변하여 제1 내지 제12 베렉터 다이오드(C1~C12)의 캐패시턴스를 가변시킨다. 그러면 제1 및 제2 트랜스포머(T1, T2) 각각은 가변된 캐패시턴스를 가지는 제1 내지 제12 베렉터 다이오드(C1~C12)와 함께 공진 동작을 수행하여, 60도의 위상차를 가지는 6개의 발진 주파수를 생성하고 6개의 발진노드(N1~N6)로 출력한다.
따라서 도6의 전압 제어 발진기는 증가된 개수의 트랜스포머를 구비하고, 이에 따라 발진 주파수의 위상을 다중으로 구현할 수 있게 된다.
도 7은 도6 회로를 CMOS 기술을 이용하여 구현한 결과를 보여주는 그래프로, 이는 도6의 회로에서 제5 내지 제8 트랜지스터(M5~M8)와 제3 및 제4 발진노드(N3,N4)에 연결된 출력 노드를 제거한 회로를 구현한 뒤 측정된 발진 파형을 보여주고 있다.
도7에서, 실선은 제1 발진노드(N1)의 출력을 측정한 결과이며, 점선은 제6 발진노드(N6)의 출력을 측정한 결과로, 제1 발진노드(N1)의 출력과 제6 발진노드(N6)의 출력은 I(In-phase)와 Q(Quadrature) 신호가 90도의 위상차를 가짐을 알 수 있다.
도8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전압 제어 발진기를 나타낸 도면이다.
도8을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 전압 제어 발진기(300)는 도5 과 유사하게 공진 회로(310)를 구성하되, 2개의 트랜스포머(T1, T2) 각각에 다수개의 센터 탭을 달아 2개의 트랜스포머(T1, T2)를 다수개의 인덕턴스(L1~L4)로 나눈 후, 각각의 인덕턴스를 스위치(SW1~SW3)를 통해 연결하도록 한다.
더욱 상세하게는, 도8에서는 제1 및 제2 트랜스포머(T1, T2)를 4개의 인덕터로 나눈 후, 동일한 트랜스포머내 및 상이한 트랜스포머간의 제1 인덕터(L1)는 제1 스위치(SW1)를 통해 연결하고, 제2 인덕터(L2)는 제2 스위치(SW2)를 통해 연결하고, 제3 인덕터(L3)는 제3 스위치(SW3)를 통해 연결하는 경우, 제1 스위치(SW1)만을 온시켜 L1과 (L2+L3+L4)의 2개의 인턱턴스를 가진 전압 제어 발진기로 동작시키거나, 제2 스위치(SW2)만을 온시켜 (L1+L2)와 (L3+L4)의 2개의 인덕턴스를 가지는 전압 제어 발진기로 동작시키거나, 또는 제3 스위치(SW3)만이 온시켜 (L1+L2+L3)과 L4의 2개의 인덕턴스를 가지는 전압 제어 발진기로 동작시킬 수 있다. 또한, 다른 스위치 조합에 의해서도 인덕턴스는 가변이 가능하다.
이와 같이 도8의 전압 제어 발진기는 다수개의 제1 내지 제4 발진노드(N1~N4)를 여러 개 가지면서 스위치 동작에 따라 발진하는 인덕턴스의 값을 조절하여 발진 주파수 대역을 조절할 수 있기 때문에, 다중 위상과 다중 밴드를 동시에 구현할 수 있게 된다.
도9은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전압 제어 발진기의 스위치 동작에 따른 발진 주파수 대역을 보여주고 있다.
도9를 참조하면, 동작하는 스위치의 수가 증가할수록 전체 인덕턴스는 감소 하게 되고 발진 주파수는 증가됨을 알 수 있다.
즉, 제1 스위치(SW1)만 온되면 발진주파수는 L1과 (L2+L3+L4)로 결정되지만, 제1 스위치(SW1)과 제2 스위치(SW2)가 모두 온되면 발진주파수는 L1과 (L3+L4)에 의해 결정되고, 제1 스위치(SW1) 내지 제3 스위치(SW3)가 모두 온되면 L1과 L4에 의해 발진주파수가 결정되어, 전체 인덕턴스가 감소되고, 이에 따라 발진 주파수는 증가하게 된다.
이 구조를 이용한 다중 대역의 발진기를 설계할 경우 우리가 원하는 발진 주파수 대역을 결정하고 이에 따라서 트랜스포머를 설계하는 것이 먼저 필요하다. 다중 위상은 도 5와 같이 발진기 구조에 의해 결정되기 때문에 우리가 원하는 다중 위상 다중 대역의 발진기 구현이 가능하다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.
도1a 및 도1b은 종래의 기술에 따라 직교위상 전압 제어 발진기를 얻기 위해 2개의 차동 발진기를 크로스 커플링이 되도록 연결하는 블락 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전압 제어 발진기를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 전압 제어 발진기의 전류 재사용 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도4는 도 2의 회로를 CMOS 기술을 이용하여 구현한 결과를 보여주는 그래프이다.
도5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전압 제어 발진기의 개념도를 나타낸 도면이다.
도6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전압 제어 발진기를 나타낸 도면이다.
도 7은 도6 회로를 CMOS 기술을 이용하여 구현한 결과를 보여주는 그래프로, 이는
도8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전압 제어 발진기를 나타낸 도면이다.
도9은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전압 제어 발진기의 스위치 동작에 따른 발진 주파수 대역을 보여주고 있다.

Claims (10)

  1. 삭제
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  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 하나 이상의 트랜스포머와, 상기 하나 이상의 트랜스포머에 병렬 연결된 다수개의 가변 캐패시터 회로로 구성되어, 다중 위상을 가지는 다수개의 발진 주파수를 생성하는 공진회로; 및
    상기 트랜스포머를 통해 크로스 커플링된 다수개의 트랜지스터를 구비하여, 상기 공진 회로의 발진을 유지하기 위한 부성저항을 발생하는 부성저항회로를 포함하며,
    상기 하나 이상의 트랜스포머 각각은, 센터탭이 서로 연결된 1차 코일과 2차 코일로 구현되고,
    상기 공진회로는, n/2-1(n은 6이상의 2의 배수)개의 트랜스포머와 상기 n/2-1개의 트랜스포머에 병렬연결된 n/2개의 가변 캐패시터 회로를 구비하여, 2π/n의 위상차를 가지는 n개의 발진 주파수를 생성하는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 부성저항회로는
    상기 n/2-1개 트랜스포머 중 하나의 1차코일의 일단과 바이어스 전류 인가단 사이에 연결되어 나머지 n/2-2개의 트랜스포머 중 하나의 2차코일의 일단에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제1 트랜지스터;
    상기 n/2-1개 트랜스포머 중 하나의 2차코일의 일단과 상기 바이어스 전류 인가단 사이에 연결되어 상기 나머지 n/2-2개의 트랜스포머 중 하나의 1차코일의 일단에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제2 트랜지스터;
    전원전압 인가단과 상기 나머지 n/2-2개의 트랜스포머 중 하나의 1차코일의 일단 사이에 연결되어 상기 n/2-1개 트랜스포머 중 하나의 2차코일의 일단에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제3 트랜지스터; 및
    상기 전원전압 인가단과 상기 나머지 n/2-2개의 트랜스포머 중 하나의 2차코일의 일단 사이에 연결되어 상기 n/2-1개 트랜스포머 중 하나의 1차코일의 일단에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제4 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 부성저항회로는
    상기 n/2-1개 트랜스포머 중 하나의 센터탭과 상기 바이어스 전류 인가단 사이에 연결되어 상기 나머지 n/2-2개의 트랜스포머 중 하나의 센터탭에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제5 및 제6 트랜지스터; 및
    상기 전원전압 인가단과 상기 나머지 n/2-2개의 트랜스포머 중 하나의 센터탭 사이에 연결되어 상기 n/2-1개 트랜스포머 중 하나의 센터탭에 인가된 신호에 따라 온 또는 오프되는 제7 및 제8 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
  9. 제7항에 있어서, 상기 n/2-1개 트랜스포머 각각은
    1차 코일과 2차 코일에 다수개의 센터탭을 연결하여 다수개의 인덕턴스로 나뉘어지는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 공진 회로는
    동일한 트랜스포머의 센터탭과 상이한 트랜스포머의 센터탭간을 각각 연결하기 위한 다수개의 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
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