KR101527291B1

KR101527291B1 - 광대역 lc 전압제어 발진기

Info

Publication number: KR101527291B1
Application number: KR1020130146563A
Authority: KR
Inventors: 최재혁; 윤희인
Original assignee: 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2015-06-09
Also published as: KR20150062038A

Abstract

본 발명은 전압제어 발진기에 관한 것이다. 본 전압제어 발진기는, 주파수를 발진하는 LC 공진 회로와 발진 주파수를 증폭하는 증폭 회로를 포함하는 제1 회로부, 스위칭 저항 성분에 의한 전압 강하를 보상하는 회로와, 제1 회로부와 연결시 전체 트랜스 컨덕턴스를 증가시키기 위한 회로를 포함하는 제2 회로부, 및 제1 회로부와 제2 회로부의 연결을 단속하는 스위칭부를 포함한다. 본 발명에 따르면, 주파수 대역이 확장된 광대역 전압제어 발진기가 제공된다.

Description

광대역 LC 전압제어 발진기{Wideband LC voltage controlled oscillator}

본 발명은 전압제어 발진기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주파수 대역이 확장된 광대역 LC 전압제어 발진기에 관한 것이다.

전압제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator, VCO)는 입력 전압을 조절하여 출력주파수를 바꿀 수 있는 발진기이다. 즉, FET DC 바이어스를 조정하거나, 별도의 제어 전압(control voltage)을 만들어서 그 전압을 조절함으로써 출력 주파수를 변화시킨다. 채널을 가지는 무선통신에서는 경우에 따라 발진기가 여러 주파수를 만들어내야 하는 경우가 많기 때문에, 단순한 발진기(oscillator) 보다는 출력주파수 조절이 가능한 전압제어 발진기를 사용하는 경우가 많다.

발진기는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 에너지 변환 회로로, 발진기의 발진 주파수는 공진기의 공진 주파수에 종속되며, 이를 외부에서 인위적으로 변화시키게되면, 발진기의 발진 주파수는 공진기의 공진 주파수를 따라 변하게 되는데, 이것이 바로 전압제어 발진기의 원리이다.

발진기에 사용되는 공진기로는, 유전체 공진기, YIG(Yittrium Iron Garnet) 공진기, LC 공진기 등 여러 가지 종류가 있는데, 유전제 공진기의 경우 가격이 저렴하고 높은 Q 값을 갖지만, 집적화가 용이하지 않고, YIG 공진기의 경우 옥타브 이상의 넓은 조정 범위를 가지지만, 실온에서 제어가 어렵고, 제조 공정 상의 어려움으로 인해 가격이 매우 비싸다.

LC 공진기는 인덕터와 커패시터로 구성되는데, 주로 가변 커패시터를 사용하여 공진 주파수를 변경하며, 공진기의 가변 대역에 의하여 발진기의 주파수 대역이 결정된다. 가변 커패시터는 주로 버랙터 다이오드를 사용하며, 직류 역 바이어스를 증가시키면 다이오드의 공간 전하영역의 길이가 증가하게 되고 이에 기인한 커패시턴스의 변화가 유도되는 소자이다

이러한, LC 공진기는 일반적으로 저렴하면서 구현이 용이하고 소형이라는 장점이 있으나, 주파수 대역이 제한적이므로 그다지 넓은 주파수 대역을 필요로 하지 않는 곳에 많이 사용된다.

따라서, LC 공진기 구조를 이용하는 전압제어 발진기에서 주파수 대역을 확장할 수 있다면 활용 가능성은 높아질 것이므로, 주파수 대역이 확장된 광대역 LC 전압제어 발진기를 고려해 볼 필요가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 주파수 대역이 확장된 광대역 LC 전압제어 발진기를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전압제어 발진기는, 주파수를 발진하는 LC 공진 회로와 발진 주파수를 증폭하는 증폭 회로를 포함하는 제1 회로부, 스위칭 저항 성분에 의한 전압 강하를 보상하는 회로와, 상기 제1 회로부와 연결시 전체 트랜스 컨덕턴스를 증가시키기 위한 회로를 포함하는 제2 회로부, 및 상기 제1 회로부와 상기 제2 회로부의 연결을 단속하는 스위칭부를 포함한다.

상기 스위칭부는, 고주파 모드에서 상기 제1 회로부와 상기 제2 회로부의 연결을 차단하여 전체 기생 커패시턴스를 감소시키고, 저주파 모드에서 상기 제1 회로부와 상기 제2 회로부를 연결하여 전체 트랜스 컨덕턴스를 증가시킬 수 있다.

그리고, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 상기 전압제어 발진기를 이용하여 기준 주파수를 생성하는 전자기기를 제공한다.

본 발명에 따르면, 주파수 모드에 따라 고주파 모드에서는 제1 회로부와 제2 회로부를 연결을 차단하여 전체 기생 커패시턴스를 감소시키고, 저주파 모드에서는 제1 회로부와 제2 회로부를 연결시켜 전체적인 트랜스 컨덕턴스를 증가시킴으로써, 주파수 대역을 확장할 수 있다. 이이 따라, LC 공진기와 장점을 이용하면서 주파수 대역을 확장할 수 있으므로 다양한 분야에서 활용이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전압제어 발진기의 회로도,
도 2는 고주파 모드에서 본 발명에 따른 전압제어 발진기의 동작을 설명하기 위한 회로도,
도 3은 저주파 모드에서 본 발명에 따른 전압제어 발진기의 동작을 설명하기 위한 회로도, 그리고
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 전압제어 발진기의 동작을 설명하기 위해 참조되는 그래프이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전압제어 발진기의 회로도이다.

도 1을 참조하면, 본 전압제어 발진기(100)는 제1 회로부(110), 제2 회로부(150), 및 스위칭부(180) 등을 포함할 수 있다.

제1 회로부(110)는 주파수를 발진하는 LC 공진 회로와 발진 주파수를 증폭하는 증폭 회로를 포함한다. 제2 회로부(130)는 스위칭 저항 성분에 의한 전압 강하를 보상하는 회로와 제1 회로부(110)와 연결시 전체 트랜스 컨덕턴스를 증가시키기 위한 회로룰 포함한다.

스위칭부(180)는 동작 모드에 따라 제1 회로부(110)와 제2 회로부(150)의 연결을 단속한다. 즉, 스위칭부(180)는, 고주파 모드에서 제1 회로부(110)와 제2 회로부(150)의 연결을 차단하여 전체 기생 커패시턴스를 감소시키고, 저주파 모드에서 제1 회로부(110)와 제2 회로부(150)를 연결하여 전체 트랜스 컨덕턴스를 증가시킨다.

도면에는 도시하고 있지 않으나, 본 전압제어 발진기(100)는 주파수 모드에 따라 스위칭부(180)의 온/오프 동작을 제어하는 제어 회로를 더 포함할 수 있다.

도 2는 고주파 모드에서 본 발명에 따른 전압제어 발진기의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.

도 2를 참조하면, 고주파 모드에서 스위칭부(180)는 제1 내지 제3 스위치 연결을 차단하여, 제1 회로부(110)만으로 동작한다. 제1 회로부(110)는 주파수를 발진하는 LC 공진 회로(120)와 발진 주파수를 증폭하는 증폭 회로(130)를 포함한다.

LC 공진 회로(120)는, 전원전압이 중간노드에 연결된 인덕터 L, 인덕터 L에 병렬로 연결되는 커패시터 뱅크 C_bank, 커패시터 뱅크 C_bank에 병렬로 연결되는 가변 커패시터 C_var을 포함한다.

그리고, 증폭 회로(130)는, 드레인은 가변 커패시터 C_var의 일단에 연결되고, 소스는 접지단에 연결되는 MOSFET M_pm와, 드레인은 가변 커패시터 C_var의 타단 및 MOSFET M_pm의 게이트에 연결되고, 소스는 접지단에 연결되며, 게이트는 MOSFET M_pm의 드레인에 연결되는 MOSFET M_pp를 포함한다.

고주파 모드에서 동작을 설명하기 위해, 일반적인 LC VCO에서 주파수 범위를 다음의 식과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 1]의 주파수 범위에서, 가장 높은 주파수는 주로 다른 장치 사양, 특히 트랜지스터의 크기에 의해 결정되는 기생 커패시턴스 (C_gs + 4C_gd + 2C_bank,min + 2 C_var,min)에 의해 제한된다. 즉, 트랜지스터의 크기가 커지면, 기생 커패시턴스의 크기도 커진다.

따라서, 트랜지스터의 크기를 줄이는 것 외에는 기생 커패시턴스를 줄일 수 있는 방법이 없다. 다시 말해, 주어진 장치의 사양에서 가장 높은 주파수는 확장할 수 없는 것이므로, 높은 주파수 동작은 작은 크기의 트랜지스터가 바람직하다고 할 수 있다.

그러므로, 고주파 모드에서 제1 회로부(110)와 제2 회로부(150)의 연결을 차단하여, 제1 회로부(110)만이 동작하도록 구성하여, 기생 커패시턴스가 작아지도록 한다. 결과적으로 가장 높은 주파수는 다음에 설명하는 저주파모드보다 커진다.

도 3은 저주파 모드에서 본 발명에 따른 전압제어 발진기의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.

도 3을 참조하면, 저주파 모드에서 스위칭부(180)는 제1 내지 제3 스위치 연결을 연결하여, 제1 회로부(110)와 제2 회로부(150)가 연결되도록 한다.

제2 회로부(150)는 스위칭 저항 성분에 의한 전압 강하를 보상하는 회로(160)와 제1 회로부(110)와 연결시 전체 트랜스 컨덕턴스를 증가시키기 위한 회로(170)룰 포함한다.

스위칭 저항 성분에 의한 전압 강하를 보상하는 회로(160)는, 커패시터 C_b1, 일단이 커패시터 C_b1의 일단에 연결된 저항 R_b1, 일단이 저항 R_b1의 타단에 연결된 저항 R_b2, 및 일단이 저항 R_b2의 타단에 연결된 제2 커패시터 C_b2를 포함한다.

그리고, 제1 회로부(110)와 연결시 전체 트랜스 컨덕턴스를 증가시키기 위한 회로(170)는, 드레인은 커패시터 C_b1의 타단에 연결되고, 소스는 접지단에 연결되며, 게이트는 저항 R_b2와 커패시터 C_b2의 연결노드에 연결되는 MOSFET M_sm와, 드레인은 커패시터 C_b2의 타단에 연결되고, 소소는 접지단에 연결되며, 게이트는 커패시터C_b1와 저항 R_b1의 연결노드에 연결되는 제4 MOSFET M_sp를 포함한다.

저주파 모드에서 동작을 설명하면, [수학식 1]의 주파수 범위에서, 가장 낮은 주파수는 인덕턴스와 트랜스 컨덕턴스에 의해 결정된다. 즉, 큰 인덕턴스와 트랜스 컨덕턴스 가장 낮은 주파수를 확장시킨다. 그러나 인덕턴스의 크기를 변경하는 것은 실용적이지 않으므로, 가장 낮은 주파수는 트랜스 컨덕턴스의 값을 증가하여 확장 할 수 있다. 트랜지스터의 큰 크기는, 더 큰 트랜스 컨덕턴스가 되므로, 낮은 주파수 동작은 트랜지스터의 큰 크기가 바람직하다.

따라서, 제1 회로부(110)와 제2 회로부(150)를 연결하여, 총 트랜스 컨덕턴스를 증가시켜, 가장 낮은 주파수를 확장할 수 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 전압제어 발진기의 동작을 설명하기 위해 참조되는 그래프이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 전압제어 발진기가 낮은 상호 컨덕턴스(ｇ_mp.low) 만을 이용하는 회로 구성인 경우, 주파수 대역은 ω_{b -}ω_d가 될 것이다. 또한, 전압제어 발진기가 높은 상호 컨덕턴스(ｇ_mp.high) 만을 이용하는 회로 구성인 경우에는 주파수 대역은 ω_{a -}ω_c 가 될 것이다.

그러나, 본 발명에 따른 전압제어 발진기(100)와 같이, 주파수 모드에 따라 제1 회로부(110)와 제2 회로부(150)를 연결하거나 차단하게 되면, 도 5에 도시한 바와 같이, 주파수 범위는 ω_{a -}ω_d와 같이 확장될 수 있다.

즉, 스위칭부(180)의 온/오프에 따라, 제1 회로부(110)에 제2 회로부(150)를 연결하거나 차단하여 상호 컨던턴스(ｇ_m)를 변경함으로써, 전압제어 발진기(100)의 주파수 대역을 확장시킬 수 있다. 전압제어 발진기(100)의 주파수 대역을 확장함으로써 다양한 분야에서 활용이 가능하게 된다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

110 : 제1 회로부 150 : 제2 회로부
180 : 스위칭부

Claims

주파수를 발진하는 LC 공진 회로와 발진 주파수를 증폭하는 증폭 회로를 포함하는 제1 회로부;
스위칭 저항 성분에 의한 전압 강하를 보상하는 회로와, 상기 제1 회로부와 연결시 전체 트랜스 컨덕턴스를 증가시키기 위한 회로를 포함하는 제2 회로부; 및
상기 제1 회로부와 상기 제2 회로부의 연결을 단속하는 스위칭부를 포함하며,
상기 LC 공진 회로는,
전원전압이 중간노드에 연결된 인덕터;
상기 인덕터에 병렬로 연결되는 커패시터 뱅크; 및
상기 커패시터 뱅크에 병렬로 연결되는 가변 커패시터를 포함하며,
상기 증폭 회로는,
드레인은 상기 가변 커패시터의 일단에 연결되고, 소스는 접지단에 연결되는 제1 MOSFET;
드레인은 상기 가변 커패시터의 타단 및 상기 제1 MOSFET의 게이트에 연결되고, 소스는 상기 접지단에 연결되며, 게이트는 상기 제1 MOSFET의 드레인에 연결되는 제2 MOSFET를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압제어 발진기.
제1항에 있어서,
상기 스위칭부는, 고주파 모드에서 상기 제1 회로부와 상기 제2 회로부의 연결을 차단하여 전체 기생 커패시턴스를 감소시키고, 저주파 모드에서 상기 제1 회로부와 상기 제2 회로부를 연결하여 전체 트랜스 컨덕턴스를 증가시키는 것을 특징으로 하는 전압제어 발진기.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 스위칭 저항 성분에 의한 전압 강하를 보상하는 회로는,
제1 커패시터;
일단이 상기 제1 커패시터의 일단에 연결된 제1 저항;
일단이 상기 제1 저항의 타단에 연결된 제2 저항; 및
일단이 상기 제2 저항의 타단에 연결된 제2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압제어 발진기.
제5항에 있어서,
상기 제1 회로부와 연결시 전체 트랜스 컨덕턴스를 증가시키기 위한 회로는,
드레인은 상기 제1 커패시터의 타단에 연결되고, 소스는 접지단에 연결되며, 게이트는 상기 제2 저항과 상기 제2 커패시터의 연결노드에 연결되는 제3 MOSFET; 및
드레인은 상기 제2 커패시터의 타단에 연결되고, 소소는 상기 접지단에 연결되며, 게이트는 상기 제1 커패시터와 상기 제1 저항의 연결노드에 연결되는 제4 MOSFET를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압제어 발진기.
제6항에 있어서,
상기 스위칭부는,
상기 제2 MOSFET의 드레인과 상기 제2 커패시터의 타단 사이의 연결을 단속하는 제1 스위치;
상기 제1 MOSFET의 드레인과 상기 제1 커패시터의 타단 사이의 연결을 단속하는 제2 스위치; 및
상기 인덕터의 중간노드와 상기 제1 및 제2 저항의 연결노드 사이의 연결을 단속하는 제3 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압제어 발진기.
제1항에 있어서,
주파수 모드에 따라, 상기 스위칭부의 온/오프 동작을 제어하는 제어 회로를 더 포함하는 전압제어 발진기.
제1항, 제2항, 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항의 전압제어 발진기를 이용하여 기준 주파수를 생성하는 전자기기.