KR101693403B1 - 전압 제어 발진기 및 전압 제어 발진기의 동작 방법 - Google Patents

전압 제어 발진기 및 전압 제어 발진기의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

실시예에 따르면, 전압 제어 발진기(VCO)는 복수의 트랜지스터를 갖는 VCO 코어, VCO 코어의 콜렉터 단자와 제 1 공급 노드 사이에 결합된 바이어스 저항, 및 VCO 코어의 이미터 단자에 결합된 버랙터 회로를 포함한다. 바이어스 저항은 VCO 코어의 자기-바이어스 조건을 제한하도록 구성된다.

Description

전압 제어 발진기 및 전압 제어 발진기의 동작 방법{SYSTEM AND METHOD FOR A VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR}
본 발명은 일반적으로 전자 디바이스에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator: VCO)에 관한 것이다.
밀리미터파 주파수 제도(regime)에서의 용례들은 실리콘 게르마늄(SiGe)과 같은 저비용 반도체 기술 및 미세 기하학구조 상보형 금속 산화물 반도체(complementary metal-oxide semiconductor: CMOS) 프로세스에서 급속한 진보에 기인하여 과거 수년간 상당한 관심을 얻어 왔다. 고속 쌍극 및 금속 산화물 반도체(MOS) 트랜지스터의 이용 가능성은 60 GHz, 77 GHz 및 80 GHz 및 또한 100 GHz 초과에서 mm-파 용례를 위한 집적 회로에 대한 증가하는 수요를 유도하였다. 이러한 용례는 예를 들어 자동차 레이더 및 멀티-기가비트 통신 시스템을 포함한다.
몇몇 레이더 시스템에서, 레이더와 타겟 사이의 거리는 주파수 변조된 신호를 전송하고, 주파수 변조된 신호의 반사를 수신하고, 주파수 변조된 신호의 전송과 수신 사이의 시간 지연 및/또는 주파수 차이에 기초하여 거리를 결정함으로써 결정된다. 레이더 시스템의 분해능, 정확도 및 감도는, 일반적으로 RF 발진기 및 RF 발진기의 주파수를 제어하는 회로를 포함하는 레이더의 주파수 발생 회로의 위상 노이즈 성능 및 주파수 민첩성(frequency agility)에 부분적으로 의존할 수도 있다.
그러나, RF 시스템의 동작 주파수가 증가함에 따라, 이러한 높은 주파수에서의 신호의 발생은 상당한 과제를 제기한다. 높은 주파수에서 동작하는 발진기는 VCO를 포함하는 디바이스 내의 열적 노이즈 및 1/f에 의해 발생되는 열악한 위상 노이즈 성능을 겪게 될 수도 있다. 위상 노이즈는 VCO의 이득 및 동조 특성에 영향을 미치는 자기-바이어스(self-bias) 조건의 비선형 효과에 의해 더 손상될 수도 있다.
본 발명과 관련된 배경기술로는 미국특허 제8,324,977호를 참조할 수 있다.
실시예에 따르면, 전압 제어 발진기(VCO)는 복수의 트랜지스터를 갖는 VCO 코어와, VCO 코어의 콜렉터 단자와 제 1 공급 노드 사이에 결합된 바이어스 저항(bias resistor)과, VCO 코어의 이미터 단자들에 결합된 버랙터 회로(varactor circuit)를 포함한다. 바이어스 저항은 VCO 코어의 자기-바이어스 조건을 제한하도록 구성된다.
본 발명 및 그 장점의 더 완전한 이해를 위해, 이제 첨부 도면과 함께 취한 이하의 상세한 설명을 참조한다.
도 1a 내지 도 1d는 예시적인 자동차 레이더 시스템의 동작, 종래의 VCO의 개략도, 및 종래의 VCO의 성능을 도시하는 도면이다.
도 2a 내지 도 2b는 실시예의 VCO의 개략도이다.
도 3a 내지 도 3f는 실시예의 VCO의 성능 결과를 도시하는 도면이다.
도 4는 실시예의 방법의 블록 다이어그램이다.
도 5는 실시예의 레이더 시스템을 도시하는 도면이다.
상이한 도면들에서 대응 도면 부호 및 기호는 일반적으로 달리 지시되지 않으면 대응 부분을 나타낸다. 도면들은 바람직한 실시예의 관련 양태를 명백하게 예시하도록 도시되어 있고, 반드시 실제 축적대로 도시되어 있지는 않다. 특정 실시예를 더 명백하게 예시하기 위해, 동일한 구조, 재료 또는 프로세스 단계의 변형예를 지시하는 문자가 도면 부호에 이어질 수도 있다.
현재 바람직한 실시예의 구성 및 사용이 이하에 상세히 설명된다. 그러나, 본 발명은 광범위한 특정 환경에서 실시될 수 있는 다수의 적용 가능한 발명적 개념을 제공한다는 것이 이해되어야한다. 설명된 특정 실시예는 단지 본 발명을 구성하고 사용하는 특정 방식을 예시할 뿐이고, 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.
본 발명은 자동차 레이더 시스템과 같은 레이더 시스템의 특정 환경, 시스템 및 방법에서 바람직한 실시예에 관하여 설명할 것이다. 본 발명은 또한 일반적인 레이더 시스템 및 무선 통신 시스템과 같은 RF 발진기를 사용하는 다른 시스템 및 용례에 적용될 수도 있다.
본 발명의 실시예에서, 저 위상-노이즈 VCO는 동작 중에 자기-바이어싱의 효과를 감소시키기 위해 피드백 저항을 이용한다. 자기-바이어싱의 이 감소는 또한 VCO의 동작 중에 버랙터의 변조에 의해 발생된 버랙터 동조 특성의 왜곡을 완화하여, 이에 의해 위상 동기 루프(phase locked loop: PLL)와 같은 주파수 발생 시스템 내의 위상 노이즈를 증가시키거나 또는 동일한 PLL의 동기 범위를 감소시킬 수도 있는 VCO 이득의 예측되지 않은 변동을 방지한다. 추가의 위상 노이즈 제거가 버랙터로부터 VCO의 고조파를 디커플링함으로써 성취될 수도 있다.
도 1a는 자동차(102)가 자동차 레이더 시스템(104)을 갖는 예시적인 자동차 레이더 시나리오(100)를 도시한다. 자동차 레이더 시스템(104)은 예를 들어 주파수 변조된 연속파(frequency modulated continuous wave: FMCW) 신호를 전송 및 수신하고, 자동차 레이더 시스템(104)과 도로 상의 다른 차량 또는 물체 사이의 거리를 결정하기 위해 이 전송된 신호의 반사를 검출한다. 예시된 시나리오에서, 트럭과 같은 대형 차량(106)은 모터사이클과 같은 소형 차량(108)보다 자동차(102)에 더 근접해 있다. 정상 동작 조건 하에서, 대형 차량(106)으로부터의 에코 또는 반사는 대형 차량(106)이 소형 차량(108)보다 크고 근접해 있기 때문에, 소형 차량(108)으로부터의 반사보다 높은 진폭을 가질 것이다.
도 1b는 도 1a의 시나리오에 대한 수신된 신호 레벨 대 수신된 주파수의 그래프(120)를 도시한다. 신호 레벨 대 주파수 곡선(122)은 대형 차량(106)으로부터 수신된 반사에 대응하고, 신호 레벨 피크(130)의 주파수(f1)는 자동차 레이더 시스템(104)과 대형 차량(106) 사이의 거리에 대응한다. 마찬가지로, 신호 레벨 대 주파수 곡선(126)은 소형 차량(108)으로부터의 수신된 반사에 대응하고, 신호 레벨 피크(132)의 주파수(F2)는 자동차 레이더 시스템(104)과 소형 차량(108) 사이의 거리에 대응한다. 이에 따라, 대형 차량(106)과 소형 차량(108) 사이의 거리는 주파수(F1, F2) 사이의 간격에 비례한다.
원하는 출력 신호와 함께, 레이더 송신기의 위상 노이즈도 또한 전송되고 반사된다. 대형 차량(106)으로부터 반사된 위상 노이즈는 점선(124)으로서 표현되어 있다. 그래프(120)에서 보여지는 바와 같이, 위상 노이즈(124)는 소형 차량(108)으로부터 반사된 신호를 수신하는 레이더 능력에 영향을 미친다. 소형 차량(108)에 기인하는 신호 레벨 피크(132)와 대형 차량(106)으로부터 반사된 위상 노이즈에 기인하는 대응 노이즈 플로어(noise floor) 사이의 신호 대 노이즈비는 길이(134)로서 표현되어 있다. 도 1b의 그래프로부터, 위상 노이즈가 작고 멀리 있는 물체를 분별하는 자동차 레이더 시스템(104)의 능력에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 레이더 송신기의 위상 노이즈가 높을수록, 레이더 시스템이 작고 멀리 있는 물체를 분별하는 것이 덜 가능해진다.
도 1c는 "푸시-푸시(push-push)" 아키텍처에 따른 종래의 VCO(150)를 도시한다. VCO는 트랜지스터(153) 및 인덕터(154)를 갖는 VCO 코어(151), 정합 네트워크(152), 버랙터(158) 및 전류 소스(160)를 포함한다. 트랜지스터(153)는 바이어스 전압(Vbias)에 따라 바이어싱되고, 버랙터(158)의 캐패시턴스는 동조 전압(Vtune)에 따라 동조된다. VCO(150)의 발진 주파수는 대략
Figure 112014092583422-pat00001
이고, 여기서 L154는 인덕터(154)의 인덕턴스이고, C158은 버랙터(158)의 캐패시턴스이다. VCO(150)의 출력은 Vout을 취하고, 이는 2배의 fOSC의 출력 주파수를 제공한다.
버랙터(158)는 그 단자들에 걸쳐 인가된 전압에 반비례하는 다이오드 캐패시턴스로서 구현될 수도 있다. 이 인가된 전압의 감소는 그 캐패시턴스의 대응 감소를 야기하는 역전된 바이오스 다이오드의 고갈 영역의 폭의 증가에 기인할 수도 있다. 동조 전압에 대한 DC 버랙터 캐패시턴스(Cvaractor) 사이의 예시적인 관계가 도 1d에 곡선(170)으로서 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 이 Cvaractor는 전압 증가에 따라 감소한다. 그러나, VCO의 동작 중에, 버랙터(158)를 가로지르는 실제 전압은 VCO의 각각의 발진 사이클 중에 시간에 따라 변하고, 따라서 VCO의 각각의 발진 사이클 중에 캐패시턴스가 변하게 한다. 곡선(174, 176a, 176b, 176c)은 사이클에 걸친 VCO의 출력의 변화에 기인하는 버랙터(158)를 가로질러 인가된 동조 전압의 변동을 표현한다. 곡선(176a 내지 176c)은 작은 VCO 진폭을 표현하고, 곡선(174)은 큰 VCO 진폭을 표현한다. 도시된 바와 같이, VCO가 곡선(174)에 의해 표현된 큰 진폭을 생성할 때, 버랙터(158)의 캐패시턴스는 곡선(170) 상의 점(173)에 대응하는 캐패시턴스값(C1)으로부터 곡선(170) 상의 점(175)에 대응하는 캐패시턴스값(C2)으로 변한다. 이 큰 신호 거동(behavior)의 전체 실제적인 효과는 버랙터(158)의 유효 동조 특성의 변화를 야기한다. 이들 유효 동조 특성은 도 1c에 Ceff로서 표현되어 있다. 곡선(178)은 작은 진폭 곡선(176a 내지 176c)에 대응하는 유효 동조 특성을 표현하고, 곡선(180)은 큰 진폭 곡선(174)에 대응하는 유효 동조 특성을 표현한다. 도시된 바와 같이, 큰 신호 진폭에 대한 Ceff를 표현하는 곡선(180)은 그 동조 특성에서 "니이(knee)"를 갖는다. 이 "니이"는 VCO 동조 범위를 가로질러 주파수 동기(frequency lock)를 성취하는 PLL의 능력에 영향을 미칠 수 있는 감소된 VCO 이득을 초래할 수도 있고, VCO가 높은 KVCO 동조 범위에서 동작할 때 위상 노이즈를 증가시킬 수 있다.
도 2a는 VCO 코어(202), 버랙터(230)를 포함하는 버랙터 회로(204), 및 바이어스 회로(210)를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 VCO(200)를 도시한다. 실시예에서, VCO 코어는 트랜지스터(212), 캐패시터(214) 및 전송 라인 소자(216)를 포함한다. 실시예에서, VCO는 약 5 GHz 내지 약 40 GHz, 예를 들어 약 20 GHz의 주파수에서 발진하도록 구성된다. 그러나, 대안 실시예에서, 다른 발진 주파수 범위가 사용될 수도 있다. 전송 라인 소자(216)는 트랜지스터(212)의 베이스에 유도성 임피던스를 생성하기 위해 치수 설정된다. 트랜지스터(212)의 베이스로의 바이어스 전압은 전송 라인 소자(222)를 통해 VCC에 결합된 바이어스 회로(210)에 의해 제공된다. 실시예에서, 전송 라인 소자(222)는 VCO(200)의 발진 주파수의 2배에서 1/4 파장이 되도록 치수 설정된다. 몇몇 실시예에서, 바이어스 전압(VBIAS)은 전송 라인 소자(240) 및 캐패시터(242)를 갖는 바이어스 필터링 네트워크(207)를 통해 필터링된다. 몇몇 실시예에서, 전송 라인 소자(240)는 VCO(200)의 발진 주파수의 약 4배에서 1/4 파장을 갖는다.
트랜지스터(212)의 콜렉터는 전송 라인 소자(218), 피드백 저항(220) 및 전송 라인 소자(222)를 통해 VCC에 결합된다. 실시예에서, 전송 라인 소자(218)는 신호 스윙(signal swing)을 최대화하기 위해 치수 설정된다. 피드백 저항(220)은 몇몇 실시예에서, 버랙터(230)의 동조 곡선을 왜곡하는 높은 VCO 진폭의 자기-바이어스 효과를 완화한다. 예를 들어, 저온 및/또는 고속 프로세스 코너 조건 하에서, VCO 및 버랙터 노드에서 더 큰 신호 스윙을 야기하는 트랜지스터(212)의 이득 및 전류가 증가하는 경향이 피드백 저항(220)의 효과에 의해 평형화된다. 전류 증가를 야기하는 바이어스 전류 및/또는 신호 스윙의 증가는 피드백 저항(220)을 가로지르는 대응 전압 강하를 유발한다. 이 전압 강하는 VCO 코어(202)의 신호 스윙을 감소시키고, 따라서 VCO 동조 특성의 자기-바이어스 효과의 영향을 감소시킨다. 다른 한편으로, 고온 및/또는 저속 프로세스 코너 조건 하에서, 트랜지스터(212)의 이득 및 전류가 감소하는 경향은 자기-바이어싱의 발생을 제한하여, 피드백 저항(220)을 가로지르는 부가의 전압 강하가 무시할만해지고 그리고/또는 VCO 진폭의 감지가능한 감소를 유발하지 않는다. 몇몇 실시예에서, 피드백 저항의 저항은 약 20 mA의 바이어스 전류에 대해 약 5 Ω 내지 약 10 Ω이다. 대안적으로, 피드백 저항(220)의 바이어스 전류 및 다른 저항값이 사용될 수도 있다.
버랙터 회로(204)는 버랙터 소자(230), AC 커플링 캐패시터(228), 직렬 전송 라인 소자(232), 및 전송 라인 소자(234, 236) 및 캐패시터(238)를 포함하는 RF 초크 회로(choke circuit)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 동조 전압(VTUNE)은 전송 라인 소자(244)와 캐패시터(246)를 갖는 바이어스 필터링 네트워크(208)를 통해 필터링된다. 몇몇 실시예에서, 전송 라인 소자(240)는 VCO(200)의 발진 주파수의 약 4배에서 1/4 파장을 갖는다. 각각의 RF 초크 회로 및 전송 라인 소자(232)의 조합은 유도성 전압 분배기를 형성할 수도 있다. 실시예에서, AC 커플링 캐패시터(228)는 버랙터(230)가 인가된 동조 전압(Vtune) 및 기준 전압(Vn1)에 기초하여 바이어싱되게 한다. 직렬 전송 라인 소자(232) 및 AC 커플링 캐패시터(228)는 기본 발진 주파수가 VCO(200)의 고조파를 감쇠하면서 버랙터로 통과하게 하는 직렬 공진 회로를 형성한다. 몇몇 실시예에서, 직렬 전송 라인 소자(232)는 일 예에서 약 400 μ의 길이를 갖는 전송 라인을 사용하여 구현될 수도 있다. 다른 예에서, 직렬 전송 라인 소자(232)의 길이는 약 100 μ 내지 약 500 μ일 수도 있다. 그러나, 직렬 전송 라인 소자(232)의 길이는 실시예 및 그 특정 사양에 따라 이 범위의 외부에 있을 수도 있다. 몇몇 대안 실시예에서, 직렬 전송 라인 소자(232)는 유도성 소자를 사용하여 구현될 수도 있다.
실시예에서, 전송 라인 소자(234, 236) 및 캐패시터(238)를 포함하는 RF 초크 회로는 VCO(200)의 발진 주파수의 약 2배에서 트랜지스터(212)의 이미터에 높은 임피던스를 생성하고, 발진 주파수의 다른 고조파에서 더 낮은 임피던스를 제공한다. 직렬 전송 라인 소자(232) 및 RF 초크 회로를 통해 발진 고조파에 더 낮은 임피던스를 제공함으로써, 위상 노이즈는 버랙터의 감소된 비선형 거동에 기인하여 향상될 수도 있다.
VCO(200)의 출력(VOUT)은 출력으로부터 VCO 코어를 격리하는 전송 라인 소자(224, 226)를 통해 트랜지스터(212)의 이미터에 결합되어, 이에 의해 VCO의 기본 신호가 VCO 코어 내에 잔류하게 강요한다. 이는 또한 공진기의 품질 팩터를 향상시키고 더 양호한 위상 노이즈 성능을 유도한다. 트랜지스터(212)에 대한 테일 전류(tail current)는 전송 라인 소자(248)와 저항(250)에 의해 제공된다. 실시예에서, 전송 라인 소자(248)는 VCO(200)의 발진 주파수의 2배에서 1/4 파장을 갖는다.
몇몇 실시예에서, VCO(200) 내의 전송 소자의 치수 설정은 특정 실시예 및 그 사양에 따라 전술된 길이 및 대응 파장으로부터 변경될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 VCO(260)를 도시한다. VCO(260)는 출력 필터(274) 및 다양한 대안적인 구현 상세의 추가를 갖고, 도 2a에 도시된 VCO(200)에 유사하다. 실시예에서, 전송 라인 소자(222)는 직렬 전송 라인 소자(222a, 222b)로 분할되고, 전송 라인 소자(248)는 직렬 전송 라인 소자(248a, 248b)로 분할되고, 전송 라인 소자(216)는 직렬 전송 라인 소자(216a, 216b)로 분할된다. 마찬가지로, 트랜지스터(212)의 이미터는 전송 라인 소자(266a 내지 266d)를 통해 공통 노드(N2)에 결합된다. 버랙터 회로(204)에서, 전송 라인 소자(236)는 저항(262) 및 캐패시터(264)를 통해 접지에 결합된다.
실시예에서, 바이어스 회로(210)는 전송 라인 소자(292a 내지 292b), 저항(296), 다이오드 결합 트랜지스터(298a 내지 298c) 및 캐패시터(291)를 제공한다. 트랜지스터(298a 내지 298c)의 이미터는 저항(299)을 통해 접지에 결합된다. 출력 필터(274)가 노드(N2)와 출력 포트(VOUT) 사이에 결합된다. 일 실시예에서, 필터(274)는 VCO(260)의 발진 주파수의 약 2배의 중심 주파수를 갖는 대역통과 필터를 갖는다. 대안적으로, 다른 필터 유형 및 중심 주파수가 사용될 수도 있다. 필터(274)는 캐패시터(276, 280, 284, 286, 290) 및 전송 라인 소자(278, 282, 288)를 사용하여 구현된 인덕터를 갖는 LC 래더 회로(ladder circuit)로서 구현된다. 다른 대안적인 실시예에서, 인덕터는 개별의 또는 온-칩 인덕터를 사용하여 구현될 수도 있다.
도 3a는 다양한 실시예 아키텍처에 대한 주파수에 걸친 등가 캐패시턴스를 표현하는 일련의 곡선을 도시한다. 곡선(302)은, 피드백 저항(220)은 갖지만, 직렬 전송 라인 소자(232) 및 전송 라인 소자(234, 236) 및 캐패시터(238)로 구성된 RF 초크는 갖지 않는 VCO의 성능을 표현하고, 곡선(304)은 피드백 저항(220) 및 전송 라인 소자(234, 236) 및 캐패시터(238)로 구성된 RF 초크는 갖지만, 직렬 전송 라인 소자(232)는 갖지 않는 VCO의 성능을 표현하고, 곡선(306)은 피드백 저항(220), 전송 라인 소자(234, 236) 및 캐패시터(238)로 구성된 RF 초크 및 직렬 전송 라인 소자(232)를 갖는 VCO의 성능을 표현한다. 볼 수 있는 바와 같이, 곡선(306)은 더 높은 주파수에서 더 높은 유효 캐패시턴스 및 더 낮은 주파수에서 더 낮은 유효 캐패시턴스를 가져, 이에 의해 VCO의 동조 범위를 증가시킨다.
도 3b는 도 2a에 도시된 VCO(200)의 출력(VOUT)의 측정된 스펙트럼 플롯을 도시한다. 여기서, VCO(200)의 출력 주파수는 약 40 GHz인데, 이는 20 GHz의 VCO의 발진 주파수의 2배이다. 도 3c는 VCO(200)의 위상 노이즈 성능을 도시하는 위상 노이즈 플롯을 도시한다. 도시된 바와 같이, 위상 노이즈는 50 kHz 오프셋에서 약 -82.76 dBc/Hz, 100 kHz 오프셋에서 -90.66 dBc/Hz, 1 MHz 오프셋에서 -110.48 dBc/Hz, 10 MHz 오프셋에서 -129.12 dBc/Hz이다.
도 3d는 실시예의 VCO를 위한 동조 전압에 대한 발진 주파수의 플롯을 도시한다. 트레이스(310)는 25℃에서의 동조 전압에 대한 발진 주파수를 표현하고, 트레이스(312)는 130℃에서의 동조 전압에 대한 발진 주파수를 표현한다. 도 3e는 도 3d에 특징화된 실시예의 VCO에 대한 동조 전압에 대한 VCO 이득(KVCO)의 플롯을 도시한다. 트레이스(316)는 25℃에서의 동조 전압에 대한 VCO 이득을 표현하고, 트레이스(314)는 130℃에서의 동조 전압에 대한 발진 주파수를 표현한다. 도 3f는 25℃에서의 다양한 동조 전압에 걸쳐 공급 전압(VCC)에 대한 발진 주파수를 도시한다. 트레이스(320)는 약 0 V의 동조 전압을 갖는 발진 주파수를 표현하고, 트레이스(322)는 약 2.5 V의 동조 전압을 갖는 발진 주파수를 표현하고, 트레이스(324)는 약 5.0 V의 동조 전압을 갖는 발진 주파수를 표현한다. 도 3a 내지 도 3f의 플롯은 예시적인 실시예의 성능을 도시한다는 것이 이해되어야 한다. 다른 실시예의 VCO는 도 3a 내지 도 3f에 도시된 것과는 상이하게 수행될 수도 있다.
도 4는 VCO의 동작 방법의 실시예의 블록 다이어그램(400)을 도시한다. 단계 402에서, 공급 전압이 저항을 통해 VCO 코어에 인가된다. 일 실시예에서, VCO 코어 및 피드백 저항은 도 2a에 도시된 VCO 코어(202) 및 피드백 저항(220)에 유사한 회로를 사용하여 구현될 수도 있다. 단계 404에서, 자기-바이어스 조건은 이 저항을 사용하여 제한될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 자기-바이어스 조건을 제한하는 것은 VCO의 유효 캐패시턴스에 대한 자기-바이어싱의 효과를 완화할 수도 있다. 단계 406에서, VCO는 동조 전압을 버랙터에 인가함으로써 동조되고, 단계 408에서, VCO 코어와 버랙터 사이의 신호 경로는 발진 주파수에서 제공된다. 몇몇 실시예에서, 예를 들어 AC 커플링 캐패시터(228)와 직렬 전송 라인 소자(232)에 대해 도 2a에 도시된 바와 같이, 이 신호 경로는 AC 커플링 캐패시터 및 VCO 코어와 연장 노드 사이에 결합된 전송 라인 소자를 갖는 직렬 공진 회로를 사용하여 구현된다. 단계 410에서, VCO의 고조파는 예를 들어 RF 초크 회로를 사용하여, 접지와 같은 기준 노드에 션트된다(shunted). 단계 408 및 410을 수행함으로써, 버랙터 상에 결합된 VCO의 고조파는 감쇠되어, 이에 의해 몇몇 실시예에서 위상 노이즈 성능을 향상시킨다.
도 5는 업컨버터(502), 전력 증폭기(504) 및 주파수 발생 회로(506)를 포함하는 단일-칩 레이더 전송 시스템(500)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 업컨버터(502)는 기저대역 신호(BB)를 더 높은 주파수 신호로 업컨버팅하고, 이 더 높은 주파수 신호는 이어서 전력 증폭기(504) 및 핀 상의 출력(OUT)에 의해 증폭된다. 몇몇 실시예에서, 기저대역 신호(BB)가 레이더 시스템에 사용된 스윕 주파수 또는 다른 신호 유형일 수도 있다. 주파수 발생 회로(506)는 예를 들어 결정 발진기를 사용하여 발생될 수도 있는 핀 상의 기준 주파수(REF)에 기초하여 로컬 발진기 신호(LO)를 생성한다. 실시예에서, 주파수 발생 회로(506)는 위상 검출기(512), 루프 필터(510), VCO(508) 및 분배기(514)를 갖는 위상 동기 루프(PLL)를 사용하여 구현된다. VCO(508)는 본 명세서에 설명된 실시예의 VCO를 사용하여 구현될 수도 있다. 시스템(500)은 실시예의 발진기를 이용할 수도 있는 실시예의 시스템의 다수의 예들 중 단지 하나라는 것이 이해되어야 한다. 대안적인 시스템은 예를 들어 무선 및 유선 통신 시스템, 및 VCO를 사용하는 다른 시스템을 포함할 수도 있다.
실시예에 따르면, 전압 제어 발진기(VCO)는 복수의 트랜지스터를 갖는 VCO 코어, VCO 코어의 콜렉터 단자와 제 1 공급 노드 사이에 결합된 바이어스 저항, 및 VCO 코어의 이미터 단자에 결합된 버랙터 회로를 포함한다. 바이어스 저항은 VCO 코어의 자기-바이어스 조건을 제한하도록 구성된다.
실시예에서, 버랙터 회로는 VCO 코어의 이미터 노드에 결합된 제 1 단자를 갖는 제 1 캐패시터, 제 1 캐패시터의 제 2 단자에 결합된 제 1 단자를 갖는 제 1 전송 라인 소자, 제 1 전송 라인의 제 2 단자에 결합된 제 1 단자 및 동조 노드에 결합된 제 2 단자를 갖는 제 1 버랙터 다이오드, 제 1 캐패시터의 제 2 단자와 제 2 기준 노드 사이에 결합된 RF 초크 회로를 포함한다. 제 1 전송 라인은 적어도 100 ㎛의 길이를 포함할 수도 있고, RF 초크 회로는 VCO의 동작 주파수의 약 2배에서 1/4 파장을 가질 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제 1 전송 라인 및 RF 초크는 유도성 전압 분배기를 형성한다.
실시예에서, VCO는 동조 노드와 입력 동조 단자 사이에 결합된 제 4 전송 라인, 입력 동조 단자와 제 2 기준 노드 사이에 결합된 제 3 캐패시터, VCO 코어의 베이스 바이어스 노드와 바이어스 회로의 출력 노드 사이에 결합된 제 5 전송 라인 소자, 및 바이어스 회로의 출력 노드와 제 2 기준 노드 사이에 결합된 제 4 캐패시터를 더 포함한다. 제 4 전송 라인 소자는 VCO의 동작 주파수의 약 4배에서 1/4 파장을 가질 수도 있고, 제 5 전송 라인 소자는 VCO의 동작 주파수의 약 4배에서 1/4 파장을 가질 수도 있다.
실시예에서, RF 초크 회로는 제 1 전송 라인 소자의 제 1 단자에 결합된 제 1 단자를 갖는 제 2 전송 라인 소자, 제 2 전송 라인 소자의 제 2 단자에 결합된 제 1 노드를 갖는 제 3 전송 라인 소자, 및 제 1 전송 라인의 제 1 노드와 제 2 기준 노드 사이에 결합된 제 2 캐패시터를 포함한다. VCO는 VCO 코어의 이미터 단자에 결합된 출력 노드를 포함할 수도 있다. 실시예에서, VCO는 약 10 GHz 내지 약 30 GHz의 동작 주파수를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 전압 제어 발진기(VCO)는 복수의 트랜지스터를 갖는 VCO 코어, 및 VCO 코어의 이미터 단자에 결합된 버랙터 회로를 포함한다. 버랙터 회로는 VCO 코어의 이미터 노드에 결합된 제 1 단자를 갖는 제 1 캐패시터, 제 1 캐패시터의 제 2 단자에 결합된 제 1 단자를 갖는 제 1 전송 라인 소자, 제 1 전송 라인의 제 2 단자에 결합된 제 1 단자 및 동조 노드에 결합된 제 2 단자를 갖는 제 1 버랙터 다이오드, 및 제 1 캐패시터의 제 2 단자와 제 2 기준 노드 사이에 결합된 RF 초크 회로를 포함한다.
실시예에서, RF 초크 회로는 제 1 전송 라인 소자의 제 1 단자에 결합된 제 1 단자를 갖는 제 2 전송 라인 소자, 제 2 전송 라인 소자의 제 2 단자에 결합된 제 1 노드를 갖는 제 3 전송 라인 소자, 및 제 1 전송 라인의 제 1 노드와 제 2 기준 노드 사이에 결합된 제 2 캐패시터를 포함한다. 제 1 전송 라인은 적어도 100 ㎛의 길이를 가질 수도 있고, 제 1 전송 라인 소자 및 RF 초크는 유도성 전압 분배기를 형성할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, RF 초크 회로는 VCO의 동작 주파수의 약 2배에서 1/4 파장을 갖는다.
실시예에서, VCO는 VCO 코어의 공통 공급 노드와 VCO의 전원 입력 단자 사이에 결합된 저항을 더 포함한다. 이 저항은 약 1 오옴 내지 약 20 오옴의 저항을 가질 수도 있다. 대안적으로, 다른 값들이 사용될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, VCO는 전원 입력 단자와 저항 사이에 결합된 제 4 전송 라인 소자를 더 포함하여, 제 4 전송 라인 소자는 VCO의 동작 주파수의 약 2배에서 1/4 파장을 갖게 된다.
다른 실시예에 따르면, 전압 제어 발진기(VCO)의 동작 방법은 VCO 코어의 콜렉터 단자에 결합된 저항을 통해 VCO 코어에 공급 전압을 인가하는 단계, 저항을 통해 VCO 코어의 자기-바이어스 조건을 제한하는 단계, 및 VCO 코어의 이미터 단자에 결합된 버랙터 회로에 동조 전압을 인가하는 것을 포함하는 VCO를 동조하는 단계를 포함한다.
방법은 제 1 전송 라인 소자를 사용하여 VCO 코어의 이미터 단자들과 동조 노드 사이의 VCO의 발진 주파수에서 신호 경로를 제공하는 단계와, VCO 코어의 이미터 코어와 기준 노드 사이에 결합된 RF 초크 회로를 통해 기준 노드에 VCO의 고조파를 결합하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, RF 초크는 VCO의 발진 주파수의 약 2배에서 1/4 파장을 갖는다.
방법은 VCO의 동조 단자와 동조 노드 사이에 결합된 제 2 전송 라인 소자를 사용하여 동조 노드를 필터링하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 제 2 전송 라인 소자는 VCO의 발진 주파수의 약 4배에서 1/4 파장을 가질 수도 있다.
본 발명의 실시예들의 장점은 매우 낮은 위상 노이즈를 갖는 주파수를 발생하는 능력을 포함한다. 다른 장점은 예를 들어, 넓은 VCO 동조 범위를 포함한다.
본 발명이 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 이 설명은 한정의 개념으로 해석되도록 의도된 것은 아니다. 예시적인 실시예의 다양한 수정 및 조합, 뿐만 아니라 본 발명의 다른 실시예가 상세한 설명의 참조시에 당 기술 분야의 숙련자들에게 명백할 것이다.
100: 자동차 레이더 시나리오 102: 자동차
104: 자동차 레이더 시스템 106: 대형 차량
108: 소형 차량 124: 위상 노이즈
132: 신호 레벨 피크 150: VCO
153: 트랜지스터 154: 인덕터

Claims (22)

  1. 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator: VCO)에 있어서,
    복수의 트랜지스터를 갖는 VCO 코어와,
    상기 VCO 코어의 콜렉터 단자들(collector terminals)과 제 1 기준 노드 사이에 결합된 바이어스 저항(a bias resistor) - 상기 바이어스 저항은 상기 VCO 코어의 자기-바이어스(self-bias) 조건을 제한하도록 구성됨 - 과,
    상기 VCO 코어의 이미터 단자에 결합된 버랙터 회로(a varactor circuit)를 포함하며,
    상기 버랙터 회로는
    상기 VCO 코어의 이미터 노드에 결합된 제 1 단자를 갖는 제 1 캐패시터와,
    상기 제 1 캐패시터의 제 2 단자에 결합된 제 1 단자를 갖는 제 1 전송 라인 소자(transmission line element)와,
    상기 제 1 전송 라인 소자의 제 2 단자에 결합된 제 1 단자 및 동조 노드(a tuning node)에 결합된 제 2 단자를 갖는 제 1 버랙터 다이오드와,
    상기 제 1 캐패시터의 제 2 단자와 제 2 기준 노드(reference node) 사이에 결합된 RF 초크 회로(an RF choke circuit)를 포함하는
    전압 제어 발진기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전송 라인 소자는 적어도 100 ㎛의 길이를 포함하고,
    상기 RF 초크 회로는 상기 전압 제어 발진기의 동작 주파수의 2배에서 1/4 파장을 갖는
    전압 제어 발진기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전송 라인 소자 및 상기 RF 초크 회로는 유도성 전압 분배기(an inductive voltage divider)를 형성하는
    전압 제어 발진기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 동조 노드와 입력 동조 단자 사이에 결합된 제 2 전송 라인 소자와,
    상기 입력 동조 단자와 상기 제 2 기준 노드 사이에 결합된 제 2 캐패시터와,
    상기 VCO 코어의 베이스 바이어스 노드와 바이어스 회로의 출력 노드 사이에 결합된 제 3 전송 라인 소자와,
    상기 바이어스 회로의 출력 노드와 상기 제 2 기준 노드 사이에 결합된 제 3 캐패시터를 더 포함하는
    전압 제어 발진기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 전송 라인 소자는 상기 전압 제어 발진기의 동작 주파수의 4배에서 1/4 파장을 갖고,
    상기 제 3 전송 라인 소자는 상기 전압 제어 발진기의 동작 주파수의 4배에서 1/4 파장을 갖는
    전압 제어 발진기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 RF 초크 회로는
    상기 제 1 전송 라인 소자의 제 1 단자에 결합된 제 1 단자를 갖는 제 2 전송 라인 소자와,
    상기 제 2 전송 라인 소자의 제 2 단자에 결합된 제 1 노드를 갖는 제 3 전송 라인 소자와,
    상기 제 1 전송 라인 소자의 제 1 노드와 상기 제 2 기준 노드 사이에 결합된 제 2 캐패시터를 포함하는
    전압 제어 발진기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 제어 발진기는 상기 VCO 코어의 이미터 단자에 결합된 출력 노드를 포함하는
    전압 제어 발진기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 제어 발진기는 10 GHz 내지 30 GHz의 동작 주파수를 포함하는
    전압 제어 발진기.
  10. 전압 제어 발진기(VCO)에 있어서,
    복수의 트랜지스터를 포함하는 VCO 코어와,
    상기 VCO 코어의 이미터 단자에 결합된 버랙터 회로를 포함하고,
    상기 버랙터 회로는,
    상기 VCO 코어의 이미터 노드에 결합된 제 1 단자를 갖는 제 1 캐패시터와,
    상기 제 1 캐패시터의 제 2 단자에 결합된 제 1 단자를 갖는 제 1 전송 라인 소자와,
    상기 제 1 전송 라인 소자의 제 2 단자에 결합된 제 1 단자 및 동조 노드에 결합된 제 2 단자를 갖는 제 1 버랙터 다이오드와,
    상기 제 1 캐패시터의 제 2 단자와 제 2 기준 노드 사이에 결합된 RF 초크 회로를 포함하는
    전압 제어 발진기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 RF 초크 회로는
    상기 제 1 전송 라인 소자의 제 1 단자에 결합된 제 1 단자를 갖는 제 2 전송 라인 소자와,
    상기 제 2 전송 라인 소자의 제 2 단자에 결합된 제 1 노드를 갖는 제 3 전송 라인 소자와,
    상기 제 1 전송 라인 소자의 제 1 노드와 제 2 기준 노드 사이에 결합된 제 2 캐패시터를 포함하는
    전압 제어 발진기.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 전송 라인 소자는 적어도 100 ㎛의 길이를 포함하는
    전압 제어 발진기.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 전송 라인 소자 및 상기 RF 초크 회로는 유도성 전압 분배기를 형성하는
    전압 제어 발진기.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 RF 초크 회로는 상기 전압 제어 발진기의 동작 주파수의 2배에서 1/4 파장을 갖는
    전압 제어 발진기.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 VCO 코어의 공통 공급 노드와 상기 전압 제어 발진기의 전원 입력 단자 사이에 결합된 저항을 더 포함하는
    전압 제어 발진기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 저항은 1 오옴 내지 20 오옴의 저항을 갖는
    전압 제어 발진기.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 전원 입력 단자와 상기 저항 사이에 결합된 제 2 전송 라인 소자를 더 포함하고, 상기 제 2 전송 라인 소자는 상기 전압 제어 발진기의 동작 주파수의 2배에서 1/4 파장을 갖는
    전압 제어 발진기.
  18. 전압 제어 발진기(VCO)의 동작 방법에 있어서,
    VCO 코어의 콜렉터 단자에 결합된 저항을 통해 상기 VCO 코어에 공급 전압을 인가하는 단계와,
    상기 저항을 통해 상기 VCO 코어의 자기-바이어스 조건을 제한하는 단계와,
    상기 VCO 코어의 이미터 단자에 결합된 버랙터 회로에 동조 전압을 인가하는 것을 포함하는 상기 전압 제어 발진기를 동조하는 단계와,
    제 1 전송 라인 소자를 사용하여 상기 VCO 코어의 이미터 단자들과 동조 노드 사이의 상기 전압 제어 발진기의 발진 주파수에서 신호 경로를 제공하는 단계와,
    상기 VCO 코어의 이미터 단자들과 기준 노드 사이에 결합된 RF 초크 회로를 통해 상기 기준 노드에 상기 전압 제어 발진기의 고조파를 결합하는 단계를 포함하는
    전압 제어 발진기의 동작 방법.
  19. 삭제
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 RF 초크 회로는 상기 전압 제어 발진기의 발진 주파수의 2배에서 1/4 파장을 갖는
    전압 제어 발진기의 동작 방법.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 전압 제어 발진기의 동조 단자와 상기 동조 노드 사이에 결합된 제 2 전송 라인 소자를 사용하여 상기 동조 노드를 필터링하는 단계를 더 포함하는
    전압 제어 발진기의 동작 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 2 전송 라인 소자는 상기 전압 제어 발진기의 발진 주파수의 4배에서 1/4 파장을 갖는
    전압 제어 발진기의 동작 방법.
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