KR101777017B1 - 주파수 변화에 선형성을 가지는 전압 제어 발진기 - Google Patents

주파수 변화에 선형성을 가지는 전압 제어 발진기 Download PDF

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Abstract

주파수 변화에 선형성을 가지는 전압 제어 발진기가 개시된다. 개시된 전압 제어 발진기는 인덕터와, 제어 전압에 기초하여 캐패시턴스가 변화하는 적어도 하나의 버렉터로 구성되며, 주파수를 발진시키는 공진 회로부; 상기 제어 전압에 따라 변화하는 상기 적어도 하나의 버렉터의 캐패시턴스의 선형성을 보상하기 위해, 상기 공진 회로부와 연결되는 선형성 보상 회로부; 및 상기 공진 회로부로부터 출력되는 발진 주파수를 증폭하여 출력하는 증폭 회로부;를 포함한다.

Description

주파수 변화에 선형성을 가지는 전압 제어 발진기{Voltage controlled oscillator having a linear variation in frequency}
본 발명의 실시예들은 작은 이득 변화에 의한 주파수 변화에 선형성을 가지는 전압 제어 발진기에 관한 것이다.
전압 제어 발진기는 외부에서 인가되는 전압을 변화시켜 원하는 주파수 신호를 발생시키는 것으로, 아날로그 음향 합성장치, 이동통신 단말기 등 무선 통신에 주로 사용되고 있다.
도 1은 종래의 전압 제어 발진기의 일례를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 전압 제어 발진기(100)는 공진 회로부(110), 제1 증폭 회로부(120), 제2 증폭 회로부(130) 및 전류 공급부(140)를 포함하며, 가변 가능한 발진 주파수를 생성한다. 이 때, 공진 회로부(110)에서 발생되는 주파수는 아래의 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure 112015107382393-pat00001
여기서, L은 공진 회로부(110)의 인덕턴스, C는 공진 회로부(110)의 캐패시턴스를 각각 의미한다. 일반적으로, 공진 회로부(110)는 캐패시턴스를 결정하는 버렉터(111)를 사용하여 주파수 가변 범위를 결정한다.
도 2는 도 1의 전압 제어 발진기(100)의 버렉터(111)의 제어 전압에 따른 캐패시턴스 변화의 그래프를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 캐패시턴스의 변화율이 비선형적으로 변하기 때문에 버렉터(111)의 전압 가변에 따른 주파수의 변화가 선형성을 갖지 못한다. 따라서, 주파수 혼합기의 위상 고정 시간 및 안정도가 좋지 않은 단점이 있다.
도 3은 종래의 전압 제어 발진기의 다른 일례를 도시한 도면이고, 도 4는 도 3의 전압 제어 발진기의 버렉터의 제어 전압에 따른 캐패시턴스 변화의 그래프를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 전압 제어 발진기(300)의 버렉터(310)와 같이 회로를 구성하면, 도 4에 도시된 바와 같이 각 단에 인가되는 바이어스 전압에 따라서 캐패시턴스 특성이 다른 것을 확인할 수 있다. 이는 공정 상에서 제공하는 버렉터가 축적모드에서 공핍 모드로 변하는 값을 게이트의 바이어스 값에 따라서 조절하는 방식이다.
이와 같이, 각 단의 다른 캐패시턴스 값들을 합하면 일반 버렉터의 변화 곡선을 선형적으로 감소시켜서 제어 전압에 따른 전압 제어 발진기의 주파수 변화의 선형성을 조절할 수 있다.
그러나, 전압 제어 발진기(300)의 경우, 각 단의 캐패시턴스를 합하면 제어 전압에 따른 버렉터(310)의 캐패시턴스의 변화가 일정하게 하강하는 특성을 가진다. 이 때, 이득 변화율의 값이 일정한 상수의 값을 가져야 제어 전압에 따른 주파수의 변화가 선형성을 갖게 되지만, 이득 변화율이 점점 증가하기 때문에 제어 전압에 따른 주파수의 변화의 선형성을 정확하게 만족하지 못하고, 위상 고정 시간이나 안정도에 좋지 않은 영향을 미치게 되는 문제점이 있다.
도 5는 종래의 전압 제어 발진기의 다른 일례를 도시한 도면이고, 도 6는 도 5의 전압 제어 발진기의 버렉터의 제어 전압에 따른 캐패시턴스 변화의 그래프를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 전압 제어 발진기(500)의 경우, 공정상에서 제공하는 버렉터를 여러 개 두어 각 단의 게이트 바이어스 값은 동일하고 드레인/소스에 인가되는 제어 전압을 각각 다르게 분배한다.
또한, 도 6을 참조하면, 각 단에서의 드레인/소스에 인가되는 제어 전압이 다른 부분의 캐패시턴스를 합하여 일반 버렉터의 변화 곡선을 완화키면서 전압 제어 발진기의 주파수 변화의 선형성을 조절한다.
그러나, 도 5의 전압 제어 발진기(500)의 경우, 일반 버렉터가 제어 전압에 따라 캐패시턴스가 다른 값을 합하는 방식이기 때문에 일반 버렉터가 갖는 전압에 따른 캐패시턴스의 변화를 약간 완화시키는 정도 밖에 될 수 없다. 따라서, 전압 제어 발진기(500)의 이득 변화율 또한 일반적인 전압 제어 발진기보다 약간 완화되는 효과 밖에 볼 수 없으므로 일정한 상수 값을 갖지 못하게 된다. 결과적으로, 전압에 따른 주파수의 변화가 일정하지 않기 때문에 위상 고정 시간이나 안정도에 좋지 않은 영향을 미치게 된다.
한편, 관련 선행문헌으로서, 대한민국 공개특허 제10-2009-0090976호(발명명칭: 트랜스포머의 커플링을 이용한 차동 전압 제어 발진기 및 직교 전압 제어 발진기)가 있다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 이득의 변화율이 일정한 상수 값을 갖고, 전압에 따른 주파수의 변화가 일정하고, 안정도 및 위상 고정 시간을 향상시킬 수 있는 전압 제어 발진기를 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 인덕터와, 제어 전압에 기초하여 캐패시턴스가 변화하는 적어도 하나의 버렉터로 구성되며, 주파수를 발진시키는 공진 회로부; 상기 제어 전압에 따라 변화하는 상기 적어도 하나의 버렉터의 캐패시턴스의 선형성을 보상하기 위해, 상기 공진 회로부와 연결되는 선형성 보상 회로부; 및 상기 공진 회로부로부터 출력되는 발진 주파수를 증폭하여 출력하는 증폭 회로부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기가 제공된다.
상기 선형성 보상 회로부는 적어도 하나의 선형성 보상용 트랜지스터를 포함하되, 상기 선형성 보상용 트랜지스터의 소스 전극과 드레인 전극은 연결될 수 있다.
상기 증폭 회로부는 차동적으로 동작하고, 상기 적어도 하나의 버렉터는 직렬 연결된 제1-1 버렉터 및 제1-2 버렉터를 포함하고, 상기 선형성 보상 회로부는 제1 선형성 보상용 트랜지스터 및 제2 선형성 보상용 트랜지스터를 포함하되, 상기 제1 선형성 보상용 트랜지스터의 소스 전극 및 드레인 전극이 연결된 제1 노드와 상기 제2 선형성 보상용 트랜지스터의 소스 전극 및 드레인 전극이 연결된 제2 노드는 서로 연결될 수 있다.
상기 인덕터의 일단, 상기 제1-1 버렉터의 일단 및 상기 제1 선형성 보상용 트랜지스터의 게이트 전극은 상기 제3 노드에서 연결되고, 상기 인덕터의 타단, 상기 제1-2 버렉터의 일단 및 상기 제2 선형성 보상용 트랜지스터의 게이트 전극은 상기 제4 노드에서 연결되고, 상기 제1-1 버렉터의 타단은 상기 제1-2 버렉터의 타단과 연결되되, 상기 제어 전압이 인가되고, 상기 제1 노드 및 상기 제2 노드 사이에 상기 제어 전압이 인가되고, 상기 제1 선형성 보상용 트랜지스터의 바디 전극 및 상기 제2 선형성 보상용 트랜지스터의 바디 전극은 접지와 연결될 수 있다.
상기 증폭 회로부는, 제1 증폭 회로부 및 제2 증폭 회로부를 포함하되, 상기 제1 증폭 회로부 및 상기 제2 증폭 회로부 각각은 교차 연결된(cross coupled) 2개의 트랜지스터를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 인덕터와, 제어 전압에 기초하여 캐패시턴스가 변화하는 적어도 하나의 제1 버렉터로 구성되며, 주파수를 발진시키는 공진 회로부; 상기 제어 전압에 따라 변화하는 상기 적어도 하나의 버렉터의 캐패시턴스의 선형성을 보상하기 위해, 상기 공진 회로부와 연결되는 선형성 보상 회로부; 및 상기 공진 회로부로부터 출력되는 발진 주파수를 증폭하여 출력하는 증폭 회로부;를 포함하되, 상기 선형성 보상 회로부는 적어도 하나의 제2 버렉터를 포함하고, 상기 제2 버렉터는 소스 전극과 드레인 전극은 연결되어 있는 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기가 제공된다.
본 발명에 따른 전압 제어 발진기는 이득의 변화율이 일정한 상수 값을 갖고, 전압에 따른 주파수의 변화가 일정하고, 안정도 및 위상 고정 시간을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 전압 제어 발진기의 일례를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 전압 제어 발진기의 버렉터의 제어 전압에 따른 캐패시턴스 변화의 그래프를 도시한 도면이다.
도 3은 종래의 전압 제어 발진기의 다른 일례를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 전압 제어 발진기의 버렉터의 제어 전압에 따른 캐패시턴스 변화의 그래프를 도시한 도면이다.
도 5는 종래의 전압 제어 발진기의 다른 일례를 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 전압 제어 발진기의 버렉터의 제어 전압에 따른 캐패시턴스 변화의 그래프를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 제어 발진기의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 제어 발진기의 제어 전압에 따른 캐패시턴스 변화의 그래프를 도시한 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 제어 발진기의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 제어 발진기(700)는 일례로, 차동 전압 제어 발진기일 수 있으며, 전류 공급부(710), 공진 회로부(720), 증폭 회로부(730) 및 선형성 보상 회로부(740)를 포함한다. 이하, 각 구성 요소 별로 그 기능을 상세하게 설명한다.
전류 공급부(710)는 바이어스 전류를 공급하는 역할을 수행하는 것으로서, 2개의 트랜지스터를 포함한다. 이 때, 전류 공급부(710)의 트랜지스터는 엔모스 트랜지스터(N-MOS Transistor)일 수 있다. 즉, 전류 공급부(710)는 제1 엔모스 트랜지스터(MN1) 및 제2 엔모스 트랜지스터(MN2)를 포함한다.
공진 회로부(720)는 주파수를 발진시키는 기능을 수행하며, 인덕터(L) 및 적어도 하나의 버렉터인 제1 버렉터(Cvar)를 포함한다. 여기서, 적어도 하나의 제1 버렉터(Cvar)는 직렬 연결된 제1-1 버렉터(Cvar1) 및 제1-2 버렉터(Cvar2)를 포함하며, 제어 전압에 기초하여 캐패시턴스가 조절된다.
증폭 회로부(730)는 공진 회로부(720)로부터 출력되는 발진 주파수를 증폭하여 출력하는 기능을 수행하고, 차동적으로 동작하며, 제1 증폭 회로부(730A) 및 제2 증폭 회로부(730B)를 포함한다. 여기서, 제1 증폭 회로부(730A) 및 제2 증폭 회로부(730B) 각각은 교차 연결된(cross coupled) 2개의 트랜지스터를 포함한다.
다시 말해, 제1 증폭 회로부(730A)는 2개의 피모스 트랜지스터(P-MOS Transistor), 즉 제1 피모스 트랜지스터(MP1) 및 제2 피모스 트랜지스터(MP2)로 구성되되, 제1 피모스 트랜지스터(MP1)의 게이트 전극은 제4 노드(d)에서 제2 피모스 트랜지스터(MP2)의 드레인 전극과 연결되고, 제2 피모스 트랜지스터(MP2)의 게이트 전극은 제3 노드(c)에서 제1 피모스 트랜지스터(MP1)의 드레인 전극과 연결된다. 그리고, 제1 피모스 트랜지스터(MP1)의 소스 전극 및 제2 피모스 트랜지스터(MP2)의 소스 전극은 전원 전압과 연결된다.
또한, 제2 증폭 회로부(730B)는 2개의 엔모스 트랜지스터, 즉 제3 엔모스 트랜지스터(MN3) 및 제4 엔모스 트랜지스터(MN4)로 구성되되, 제3 엔모스 트랜지스터(MN3)의 게이트 전극은 제4 노드(d)에서 제4 엔모스 트랜지스터(MN4)의 드레인 전극과 연결되고, 제4 엔모스 트랜지스터(MN4)의 게이트 전극은 제3 노드(c)에서 제3 엔모스 트랜지스터(MN3)의 드레인 전극과 연결된다. 그리고, 제3 엔모스 트랜지스터(MN3)의 소스 전극은 제1 엔모스 트랜지스터(MN1)의 드레인 전극과 연결되고, 제4 엔모스 트랜지스터(MN4)의 소스 전극은 제2 엔모스 트랜지스터(MN2)의 드레인 전극과 연결된다.
한편, 제1 엔모스 트랜지스터(MN1)의 게이트 전극은 제3 엔모스 트랜지스터(MN3)의 게이트 전극과 연결되고, 제2 엔모스 트랜지스터(MN2)의 게이트 전극은 제4 엔모스 트랜지스터(MN4)의 게이트 전극과 연결되며, 제1 엔모스 트랜지스터(MN1)의 소스 전극 및 제2 엔모스 트랜지스터(MN2)의 소스 전극은 접지와 연결된다.
선형성 보상 회로부(740)는 상기 제어 전압에 따라 변화하는 공진 회로부(720) 내의 적어도 하나의 제1 버렉터(Cvar)의 캐패시턴스의 선형성을 보상하는 기능을 수행하며, 공진 회로부(720)와 연결된다.
보다 상세하게, 선형성 보상 회로부(740)는 적어도 하나의 선형성 보상용 트랜지스터, 즉 제1 선형성 보상용 트랜지스터(MN5) 및 재2 선형성 보상용 트랜지스터(MN6)를 포함한다. 이 때, 선형성 보상용 트랜지스터는 엔모스 트랜지스터일 수 있으며, 소스 전극과 드레인 전극은 서로 연결되어 있다.
선형성 보상 회로부(740)의 연결 관계를 보다 상세하게 살펴보면, 제1 선형성 보상용 트랜지스터(MN5)의 소스 전극 및 드레인 전극이 연결된 제1 노드(a)와, 제2 선형성 보상용 트랜지스터(MN6)의 소스 전극 및 드레인 전극이 연결된 제2 노드(b)는 서로 연결된다.
또한, 인덕터(L)의 일단, 제1-1 버렉터(Cvar1)의 일단 및 제1 선형성 보상용 트랜지스터(MN5)의 게이트 전극은 제3 노드(c)에서 연결되고, 인덕터(L)의 타단, 제1-2 버렉터(Cvar2)의 일단 및 제2 선형성 보상용 트랜지스터(MN6)의 게이트 전극은 제4 노드(d)에서 연결되고, 제1-1 버렉터(Cvar1)의 타단은 제1-2 버렉터(Cvar2)의 타단과 연결된다. 이 때, 제1 노드(a) 및 제2 노드(b) 사이에 제어 전압이 인가된다. 그리고, 제1 선형성 보상용 트랜지스터(MN5)의 바디 전극 및 제2 선형성 보상용 트랜지스터(MN6)의 바디 전극은 접지와 연결된다.
이와 같은 선형성 보상용 트랜지스터는 버렉터의 역할을 수행한다. 즉, 종래 기술의 문제점인 주파수의 변화의 선형성 문제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 전압 제어 발진기는 공정에서 제공하는 제1 버렉터(Cvar)와 함께 트랜지스터의 드레인 전극과 소스 전극을 연결하여 만든 또 하나의 제2 버렉터를 추가하여, 두 단의 버렉터가 가지는 캐패시턴스 값들의 특성을 합하여 전압에 따른 총 캐패시턴스의 변화가 일정한 곡선을 띄도록 하여 선형성을 보상하였다.
이를 보다 상세하게 설명하면, 전압 제어 발진기의 공진 주파수(fosc)는 상기의 수학식 1과 같이 정의되고, 전압 제어 발진기의 이득값(KVCO)은 아래의 수학식 2와 같이 정의된다.
Figure 112015107382393-pat00002
여기서, vtune는 제어 전압을 의미한다.
이 때, 제어 전압에 따른 주파수의 변화가 일정하려면, 이득값(KVCO)의 변화율의 그래프가 일정한 상수의 값을 가져야 한다. 따라서, 본 발명에 따른 전압 제어 발진기(700)는 이득값(KVCO)의 변화율을 일정한 상수로 만들기 위해, 수학식 2에 공진 주파수인 수학식 1을 대입하여 미분함으로써 수학식 3을 도출할 수 있다.
Figure 112015107382393-pat00003
이 때, 제어 전압에 따른 주파수의 변화가 일정하려면, 이득값(KVCO)의 변화율의 그래프가 일정한 상수의 값을 가져야 한다. 따라서, 본 발명에 따른 전압 제어 발진기(700)는 이득값(KVCO)의 변화율을 일정한 상수로 만들기 위해, 수학식 2에 공진 주파수인 수학식 1을 대입하여 미분하면 수학식 3으로 표현되는 이득값(KVCO)의 변화율을 전압에 따른 캐패시턴스의 변화를 통해서 일정한 상수 값을 갖도록 만드는 수식을 구할 수 있다.
여기서, 수학식 3의 전압 변화에 따른 캐패시턴스의 변화율을 아래의 수학식 4와 같은 값을 갖도록 구현하면, 이득값(KVCO)은 다른 값들로 인해 영향을 받지 않는 상수값이 된다.
Figure 112015107382393-pat00004
Figure 112015107382393-pat00005

여기서, k은 기생성분 값들을 의미한다.
정리하면, 본 발명에 따른 전압 제어 발진기(700)는 도 8에 도시된 바와 같이, 기존의 버렉터들인 제1 버렉터(Cvar)과, 선형성 보상 트랜지스터로 구성된 버렉터들인 제2 버렉터의 캐패시턴스 값을 합하여 수학식 4와 같은 전압에 따른 캐패시턴스 변화 특성을 갖는 버렉터 단을 만들어 전압 제어 발진기가 전압에 따른 주파수의 변화가 선형성을 갖도록 한다. 또한, 이로 인해, 안정도 및 위상 고정 시간을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (6)

  1. 인덕터와, 제어 전압에 기초하여 캐패시턴스가 변화되는 제1-1 버렉터 및 제1-2 버렉터를 포함하며, 주파수를 발진시키는 공진 회로부;
    상기 제1-1 버렉터 및 상기 제1-2 버렉터의 캐패시턴스의 선형성을 보상하기 위한 동작을 수행하되, 제1 선형성 보상용 트랜지스터 및 제2 선형성 보상용 트랜지스터를 포함하는 선형성 보상 회로부; 및
    상기 공진 회로부로부터 출력되는 발진 주파수를 증폭하여 출력하는 증폭 회로부;를 포함하되,
    상기 제1 선형성 보상용 트랜지스터의 바디 전극 및 상기 제2 선형성 보상용 트랜지스터의 바디 전극은 접지와 연결되고, 상기 제1 선형성 보상용 트랜지스터 및 상기 제2 선형성 보상용 트랜지스터 각각의 소스 전극과 드레인 전극은 연결되어 있고, 상기 제1 선형성 보상용 트랜지스터의 소스 전극 및 드레인 전극이 연결된 제1 노드와 상기 제2 선형성 보상용 트랜지스터의 소스 전극 및 드레인 전극이 연결된 제2 노드는 서로 연결되고,
    상기 인덕터의 일단, 상기 제1-1 버렉터의 일단 및 상기 제1 선형성 보상용 트랜지스터의 게이트 전극은 제3 노드에서 연결되고, 상기 인덕터의 타단, 상기 제1-2 버렉터의 일단 및 상기 제2 선형성 보상용 트랜지스터의 게이트 전극은 제4 노드에서 연결되고, 상기 제1-1 버렉터의 타단은 상기 제1-2 버렉터의 타단과 연결되고,
    상기 연결된 상기 제1-1 버렉터의 타단과 상기 제1-2 버렉터의 타단에 상기 제어 전압이 인가되고, 상기 서로 연결된 상기 제1 노드와 상기 제2 노드에 상기 제어 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 증폭 회로부는, 제1 증폭 회로부 및 제2 증폭 회로부를 포함하되,
    상기 제1 증폭 회로부 및 상기 제2 증폭 회로부 각각은 교차 연결된(cross coupled) 2개의 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
  6. 삭제
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