KR101815395B1 - 이차 온도 보상을 사용하는 발진기들을 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents

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Abstract

전압 제어 발진기 배열체가 개시되어 있다. 그 배열체는 전압 제어 발진기와 이차 확장 컴포넌트를 포함한다. 전압 제어 발진기는 튜닝 포트를 가진다. 튜닝 포트는 인가된 전압에 따라 동작 주파수를 선택하도록 구성된다. 이차 확장 컴포넌트는 튜닝 포트로의 인가된 전압으로서 이차 튜닝 전압을 생성하도록 구성된다. 이차 튜닝 전압은 선형 온도 보상 신호에 따라 생성된다.

Description

이차 온도 보상을 사용하는 발진기들을 위한 시스템들 및 방법들{SYSTEMS AND METHODS FOR OSCILLATORS USING QUADRATIC TEMPERATURE COMPENSATION}
RF 신호 발진기들과 같은 신호 발진기들이 매우 다양한 애플리케이션들에서 사용된다. 그 애플리케이션들은, 예를 들어, 신호 프로세싱, 데이터 통신, 회로망(circuitry) 테스팅, 대상 검출 등을 포함한다. 주요 특성은 신호 발진기들이 안정한 발진 주파수를 갖는 발진 신호를 생성한다는 것이다. 그렇지 않으면 프로세싱 오류들, 통신 오류들, 대상 검출 등이 적절히 수행되지 않을 수도 있다.
발진 신호에 영향을 주는 하나의 환경적 조건은 온도이다. 온도에서의 변화들은 발진 주파수에서의 원치 않는 변화들을 초래한다. 그 변화는 온도 드리프트(temperature drift)라고 지칭된다.
전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator)(VCO)들에서의 온도 드리프트를 보상하는 하나의 기법은 위상 동기 루프(phase locked loop)(PLL)를 사용하는 것이다. 이 기법은 온도 드리프트를 보상할 수 있지만, PLL을 회로에 추가하는 것이 복잡도와 비용을 추가시킨다. VCO의 주파수 안정화에 대한 대안이 적절한 온도 계수를 갖는 하이 Q(유전체) 공진기들의 사용이다. 그러나, 레이저에 의한 주파수 센터링(frequency centering)을 위한 비용과 노력은 많다. 한편, 본 발명의 배경기술로는 "Martin Schallner, et al., Adjustment of a Temperature Compensated Ka-Band Ring Resonator VCO using Fully Automated Laser-Trimming, 2001 IEEE MTT-S Digest, p. 2179,2182", "T. Tanszawa, et al., A Temperature-Compensated CMOS LC-VCO Enabling the Direct Modulation Architecture in 2.4GHz GFSK Transmitter, IEEE 2004 Custom Integrated Circuits Conference; p. 273-276", 및 "James S. Wilson An improved Method of Temperature Compensation of Crystal Oscillators 1983 IEEE; p. 442-447" 등이 있다.
추가적인 비용이 많이 드는 컴포넌트들 없이 온도 드리프트를 완화시키거나 또는 처리하는(account for) 기법들이 필요하다.
도 1은 이차 확장 컴포넌트를 사용하는 전압 제어 발진기 배열체를 예시하는 블록도이다.
도 2는 이차 보상 회로에서 사용되는 제곱화 회로망(squaring circuitry)을 예시하는 블록도이다.
도 3은 감소된 수의 트랜지스터들을 갖는 제곱화 회로망을 예시하는 블록도이다.
도 4는 2차 제곱화 기능을 갖는 이차 확장 컴포넌트를 예시하는 도면이다.
도 5는 2차 온도 보상을 사용하여 전압 제어 발진기를 동작시키는 방법을 예시하는 흐름도이다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 이제 설명될 것이고, 여기서, 유사한 참조 번호들이 전체에 걸쳐 유사한 엘리먼트들을 지칭하는 데 사용되며, 예시된 구조들 및 디바이스들은 축척대로 반드시 그려지지는 않는다.
RF 신호 발진기들이 통신 시스템들, 모션 감지, 레이더 시스템들 등을 비제한적으로 포함하는 애플리케이션들에 사용된다. 전형적인 RF 발진기가 전압 제어 발진기(VCO)이다. 언로크된(unlocked) RF 신호 발진기 배열체들에 대한 요건이 그 배열체들이 낮거나 또는 영에 가까운 온도 의존도를 갖는 것이다
전형적인 VCO가 온도에서의 변화들에 따라 온도 의존도와 자신의 동작 주파수 변화들 또는 드리프트들을 가진다. 이 효과는 온도 드리프트라고 지칭된다.
온도 의존도를 고려하는 하나의 접근법이 VCO의 동작 주파수를 안정화시키기 위해 위상 동기 루프(PLL)를 사용하는 것이다. PLL은 VCO를 수정 안정화된(quartz stabilized) 독립적인 기준 주파수에 로크하는데 사용될 수 있다. 다른 접근법에서, 마이크로프로세서가 VCO의 동작 주파수를 측정하고 VCO를 조정하여 그 VCO의 동작 주파수를 정정하는데 사용될 수 있다. 위의 접근법들은 VCO 자체를 넘어서는 실질적인 추가적 노력을 요구하는데, 이는 증가된 재료 대금, 증가된 다이 면적 소비, 및 더 높은 소비 전력을 야기한다.
온도 의존도 또는 드라이브를 고려하는 다른 접근법이 PLL을 생략하고 보상 신호를 제공하거나 또는 제어/튜닝 전압을 인가하는 것이다. 동작 주파수에서의 변화는 온도 계수에 의해 표현될 수 있다. 통상적으로, VCO의 온도 계수는 음수인데, 그것은 온도가 증가될 때 VCO 트랜지스터들의 속력이 감소하기 때문이다. VCO의 튜닝 특성은 종종 양수인데, 이는 VCO의 동작 주파수가 튜닝 전압의 증가와 함께 단조적으로 증가한다는 것을 의미한다. 보상 신호를 VCO의 튜닝 입력에 인가함으로써 보상 신호는 VCO의 온도 계수 및 온도 드라이브를 완화시키는데 사용될 수 있다. 보상 신호는 컴포넌트에 의해 생성되고 (이 예의 경우에) 절대 온도 비례(proportional to absolute temperature)(PTAT) 특성들을 갖는다.
그러나, 전형적인 보상 신호는 VCO를 주파수 대역폭 요건들 내로 유지하기 위해 튜닝 특성들을 보상하기에는 충분하지 않을 수도 있다. 이들 요건들은 200 MHz, 100 MHz 등과 같이 비교적 작을 수 있다. 다른 예에서, 주파수 대역폭 요건들은, -40 ℃ 내지 85 ℃의 온도 변동에 걸친 24 GHz와 같은 동작 또는 VCO 출력 주파수의 0.4% 내지 0.8%의 대역폭 변동과 같은 상대 대역폭으로서 표현된다. 전형적인 보상 신호는 VCO를 대역폭 요건들 내에 유지하기 위한 적절한 정확도 및 보상을 산출하지 않는다.
아래에서 설명되는 시스템들, 배열체들, 방법들 등은 온도의 이차 함수인 이차 제어 전압을 생성하는 확장 보상 컴포넌트를 이용한다. 이차 제어 전압은 심지어 비교적 작은 대역폭 요건들을 충족시키기에도 적절한 해상도(resolution)를 제공한다.
도 1은 이차 확장 컴포넌트를 사용하는 전압 제어 발진기 배열체(100)를 예시하는 블록도이다. 배열체(100)는 안정한 동작 주파수를 갖는 출력 신호를 생성한다.
배열체(100)는 전압 제어 발진기(VCO)(102), 절대 온도 비례(PTAT) 컴포넌트(108) 및 확장 보상 컴포넌트(110)를 포함한다.
VCO(102)는 단순화된 형태로 도시되고 튜닝 포트(104)와 출력부(106)를 포함한다. 이차 제어 또는 튜닝 전압(116)이 VCO 동작 주파수를 선택적으로 구성 또는 조정하기 위해 튜닝 포트(104)에 인가된다. 제어 전압 또는 특성은 더 높은 인가된 튜닝 전압이 높은 동작 주파수를 초래한다는 점에서 통상적으로 양수이지만 반드시 양수일 필요는 없다. 출력부(106)는 제어 전압에 의해 특정되는 VCO 동작 주파수에서 발진기 출력 신호(112)를 공급한다. 출력 신호(112)는 실질적으로 안정한 동작 주파수를 가지고 인가된 이차 제어 전압으로 인해 온도 변화들과 함께 실질적으로 드리프트하지 않는다.
VCO(102)는 선택된 듀티 사이클 및 선택된 주파수를 갖는 출력 신호(112)를 생성한다. 온도가 변화하는 사건에서, 확장 컴포넌트(110)에 의해 생성된 이차 제어 전압(116)은 온도 드리프트를 실질적으로 보상한다. 선택된 주파수는, 하나의 예에서, 24.05 GHz 내지 24.25 GHz의 범위 내에 있다. 다른 예에서, 선택된 주파수는 24.075 GHz 내지 24.175 GHz의 범위 내에 있다. 그러나, 다른 주파수들이 선택된 주파수로서 사용될 수 있다는 것이 이해된다.
PTAT 컴포넌트(108)는 주변 온도로부터의 변동과 같은 온도에 기초하여 선형 보상 신호(114)를 생성한다. 그 보상 신호(114)는 전압 또는 전류의 형태일 수 있고 온도 드리프트에 대한 선형 보상 조정을 제공한다. PTAT 컴포넌트(108)는 하나의 예에서 회로망으로 이루어진다. 보상 신호(114)는 온도 드리프트를 적어도 부분적으로 보상하기 위해 튜닝 포트(104)에 인가될 수 있다.
이차 확장 컴포넌트(110)는 보상 신호(114)에 기초하여 이차 보상 전압(116)을 생성하도록 구성된다. 이차 보상 전압(116)은 2차 온도 드리프트 보상을 제공한다. 이차 확장 컴포넌트(110)는 회로망에서 구현될 수 있고, 예를 들어, 바이폴라 접합 트랜지스터들 NPN 또는 PNP를 포함한다. 이차 확장 컴포넌트(110)는 이차 보상 전압(116)을 생성하기 위하여 보상 신호(114)의 제곱을 생성하도록 구성되는 제곱화 회로망을 포함한다.
이차 확장 컴포넌트(110)는 이차 튜닝 전압(116)으로 변환되는 그리고 VCO(102)의 튜닝 포트(104)에 인가되는 이차 보상/튜닝 신호를 2차 식 또는 함수를 사용하여 생성한다. 덧붙여, 이차 확장 컴포넌트(110)는 비교적 낮은 소비 전력으로 튜닝 전압을 생성한다. 이차 확장 컴포넌트(110)의 추가적인 세부사항들 및 예들이 아래에서 제공된다.
이차 튜닝 전압(116)은 2차 온도 드리프트를 보상함으로써 높은 정확도 및 정밀도를 제공한다. 선형 온도 보상이 2차 온도 드리프트를 보상하지 않을 수도 있다. 이차 튜닝 전압(116)은 온도 드리프트를 허용된 온도 드리프트 미만으로 완화시킬 수 있는데, 허용된 온도 드리프트는 하나의 예에서 약 20 MHz 미만 또는 동작 주파수의 0.1 퍼센트 미만이다. 하나의 예에서, 낮은 온도 드리프트는 VCO가 턴 온(ON) 및 오프(OFF)되는 펄스식 모드들에서 VCO(102)의 사용을 허용하고 온도 드리프트는 스타트업 기간들 동안 VCO(102)의 사용을 허용하기 위해 충분히 완화된다. 시간 도메인에서의 짧은 펄스가 주파수 도메인에서 넓은 대역폭을 본질적으로 가진다는 것은 필연적이다. 다른 예에서, 낮은 온도 드리프트는 연속파 모드들에서 VCO(102)의 사용을 허용한다.
온도 드리프트는 온도에 따른 VCO(102)의 발진 주파수에서의 변화이다. 온도 드리프트는 온도 계수(temperature coefficient)(TC)에 대하여 표현될 수 있다. 온도 계수는 온도에서의 변화 당 주파수 변화에 대하여 정의된다.
Figure 112016103735336-pat00001
TC는 VCO의 튜닝 엘리먼트에 의존하여 통상적으로 음수 값이다. 사양들 또는 요건들이 임계 값 미만의 온도 드리프트 및 연관된 TC를 요구할 수 있다. 보상 신호(114)는 임계 값 위의 TC를 제공할 수도 있지만, 이차 보상 전압은 임계 값 아래의 TC를 제공한다.
이차 확장 컴포넌트(110)는 바이어스 전류들, 스케일링 팩터들, 트랜지스터 값들 등을 조정함으로써 교정될 수 있다. 교정(calibration)은 하나의 예에서 제작 동안 수행될 수 있다. 다른 예에서, 교정은 동작 동안 출력 신호(112)의 실제 주파수와 예상된 또는 선택된 동작 주파수를 비교함으로써 수행된다.
커패시터와 같은 버퍼 컴포넌트(도시되지 않음)가, 확장 컴포넌트(110)에 의해 생성된 잡음을 완화하기 위하여 확장 컴포넌트(110)의 출력에 접속될 수 있다.
도 2는 이차 보상 회로에서 사용되는 제곱화 회로망(200)을 예시하는 블록도이다. 제곱화 회로망(200)은 도 1에 도시된 이차 확장 컴포넌트(110)에서 이용될 수 있는 적절한 회로망의 일 예이다. 제곱화 회로망(200)은 높은 정밀도이고 단일 사분면 제곱기(single quadrant squarer)이다. 회로망(200)은 다섯 개의 바이폴라 접합 PNP 트랜지스터들을 사용하지만, 제곱기 회로망(200)은 다른 유형들의 트랜지스터들, 이를테면 바이폴라 NPN 트랜지스터들을 사용하여 구현될 수 있다는 것이 이해된다.
제곱화 회로망(200)은 바이어스 전류원(222), 트랜스 선형 루프(220), 및 PTAT 전류원들(224 및 226)을 포함한다. 바이어스 전류원(222)은 실질적으로 온도 독립적인 바이어스 전류를 생성한다. 트랜지스터(T5)가 루프(220)에서의 바이폴라 트랜지스터들의 베이스 전류들의 영향을 감소시키도록 구성되는 보조 트랜지스터이다.
트랜스 선형 루프(220)는 바이폴라 PNP 트랜지스터들(T1, T2, T3 및 T4)을 포함한다. 트랜지스터(T1)는 공급 전압(VCC)에 접속된 자신의 이미터와 자신의 컬렉터에 접속된 자신의 베이스를 갖는다. 트랜지스터(T2)는 트랜지스터(T1)의 컬렉터에 접속된 자신의 이미터를 갖는다. 트랜지스터(T2)의 컬렉터는 제2 전류원(226)에 그리고 트랜지스터(T5)의 베이스에 접속된다. 트랜지스터(T3)는 바이어스 전류원(222)에 접속된 자신의 베이스, 공급 전압에 접속된 자신의 이미터, 및 출력 단자(228)에 접속된 자신의 컬렉터를 갖는다. 트랜지스터(T4)는 전류원(222) 및 T3의 베이스에 접속된 자신의 이미터, T2의 베이스 및 자신의 컬렉터에 접속된 자신의 베이스를 갖는다. 트랜지스터(T4)의 컬렉터는 트랜지스터(T5)의 이미터에 또한 접속된다. 트랜지스터(T5)의 베이스가 제2 PTAT 전류원(226)에 접속되고 T5의 컬렉터는 접지에 접속된다. 전류원들(224 및 226)은 PTAT 컴포넌트, 이를테면 도 1의 PTAT 컴포넌트(108)로부터의 보상 신호(114)로부터 유래한다.
선형 루프(220)는 다음의 관계를 갖는다:
Figure 112016103735336-pat00002
여기서,
Figure 112016103735336-pat00003
는 베이스 전류들이고, IBIAS는 온도 불변 바이어스 전류이고, 전류원들(224 및/또는 226)에 의해 제공되는 IPTAT로부터 도출될 수 있다. 트랜지스터(T5)는 루프(220)로부터의 베이스 전류들의 영향을 감소시키는 역할을 한다. 컬렉터 전류(IC3)는 온도 불변 바이어스 전류(IBIAS)에 의해 스케일링된 IPTAT의 제곱과 대략적으로 동일하다.
출력 단자(228)에 제공되는 출력 전류(IOUT)는 1차 항(온도가 선형) IPTAT와 2차 항(온도가 이차) IC3의 합이다. 출력 전류(IOUT)는 적절한 저항기를 사용함으로써 이차 튜닝 전압(116)으로 변환될 수 있다. 바이어스 전류(IBIAS)는 온도 드리프트를 보상하기 위해 스케일링 또는 조정될 수 있다. 따라서, 출력 전류(IOUT)는 2차까지 VCO의 주파수 드리프트를 보상한다.
도 3은 감소된 수의 트랜지스터들을 갖는 제곱화 회로망(300)을 예시하는 블록도이다. 제곱화 회로망은 이차 보상 회로에서 사용된다. 제곱화 회로망(300)은 도 1에 도시된 이차 확장 컴포넌트(110)에서 이용될 수 있는 적절한 회로망의 일 예이다. 제곱화 회로망(300)은 위에서 도시된 제곱화 회로망(200)보다 더 낮은 정밀도를 일반적으로 가진다. 덧붙여, 제곱화 회로망(300)은 단일 사분면 제곱기이다. 회로망(300)은 네 개의 바이폴라 접합 PNP 트랜지스터들을 사용하지만, 제곱기 회로망(300)은 다른 유형들의 트랜지스터들, 이를테면 바이폴라 NPN 트랜지스터들을 사용하여 구현될 수 있다는 것이 이해된다.
제곱화 회로망(300)은 바이어스 전류원(322), 트랜스 선형 루프(320), 및 PTAT 전류원들(324 및 326)을 포함한다. 바이어스 전류원(322)은 실질적으로 온도 독립적인 바이어스 전류를 생성한다.
트랜스 선형 루프(320)는 바이폴라 PNP 트랜지스터들(T1, T2, T3 및 T4)을 포함한다. 트랜지스터(T1)는 공급 전압(VCC)에 접속된 자신의 이미터와 자신의 컬렉터에 접속된 자신의 베이스를 갖는다. 트랜지스터(T2)는 트랜지스터(T1)의 컬렉터에 접속된 자신의 이미터를 갖는다. 자신의 베이스는 자신의 컬렉터와 트랜지스터(T4)의 베이스에 접속된다. 트랜지스터(T2)의 컬렉터는 제2 전류원(326)에 또한 접속된다.
트랜지스터(T3)는 바이어스 전류원(322)에 그리고 트랜지스터(T4)의 이미터에 접속된 자신의 베이스를 갖는다. T3의 이미터는 공급 전압에 접속되고, 그것의 컬렉터는 출력 단자(328)에 접속된다. 트랜지스터(T4)는 전류원(322)과 트랜지스터(T3)의 베이스에 접속된 자신의 이미터를 갖는다. 트랜지스터(T4)의 베이스는 트랜지스터(T2)의 베이스와 T2의 컬렉터 및 제2 전류원(326)에 접속된다. 트랜지스터(T4)의 컬렉터는 접지에 접속된다. 전류원들(324 및 326)은 PTAT 컴포넌트, 이를테면 도 1의 PTAT 컴포넌트(108)로부터의 보상 신호(114)로부터 유래한다.
선형 루프(320)는 다음의 관계를 갖는다:
Figure 112016103735336-pat00004
여기서,
Figure 112016103735336-pat00005
는 베이스 전류들이고, IBIAS는 온도 불변 바이어스 전류이고, 전류원들(324 및/또는 326)에 의해 제공되는 IPTAT로부터 도출될 수 있다. 컬렉터 전류(IC3)는 온도 불변 바이어스 전류(IBIAS)에 의해 스케일링된 IPTAT의 제곱과 대략적으로 동일하다. 그러나, 트랜지스터(T2)의 베이스 전류(IB2)는 출력 단자(328)에 제공된 출력 전류(IOUT)에 영향을 미친다.
출력 단자(328)에 제공되는 출력 전류(IOUT)는 1차 항(온도가 선형) IPTAT와 2차 항(온도가 이차) IC3의 합이다. 출력 전류(IOUT)는 적절한 저항기를 사용함으로써 이차 튜닝 전압(116)으로 변환될 수 있다. 바이어스 전류(IBIAS)는 온도 드리프트를 보상하기 위해 스케일링 또는 조정될 수 있다. 하나의 예에서, 바이어스 전류(IBIAS)는 전압 제어 발진기의 출력으로부터의 피드백을 사용하여 조정된다. 그 피드백은 실제 주파수와 선택된 동작 주파수를 비교한다. 바이어스 전류(IBIAS)는 그러면 변동들을 완화시키도록 조정될 수 있다.
제곱기 회로(300)는 PNP 바이폴라 트랜지스터들을 사용하여 위에서 도시되어 있다. 회로들(200 및 300)은 PNP 트랜지스터들 대신 NPN 트랜지스터들을 사용하여 배열될 수 있다는 것이 이해된다. 하나의 예에서, NPN 바이폴라 트랜지스터들은 PNP 트랜지스터들 대신 사용되는데, 이는 더 높은 전류 이득을 가진다.
도 4는 2차 제곱화 기능을 갖는 이차 확장 컴포넌트 또는 배열체(110)를 예시하는 도면이다. 컴포넌트(110)는 2차 온도 드리프트를 보상하는 이차 튜닝 신호를 생성한다. 이차 확장 컴포넌트(110)에는 일 예의 회로가 도시되지만, 회로에서의 적절한 변동들은 고려된다는 것이 이해된다.
이차 확장 컴포넌트(110)는 절대 온도 비례(PTAT) 컴포넌트(108)를 사용한다. 그 컴포넌트(108)는 온도 변동들 또는 드리프트에 기초하여 선형적으로 전류를 생성한다. 이차 확장 컴포넌트(110)는 제곱기 회로(400)와 바이폴라 트랜지스터들(T1, T2, T3, T4 및 T5)을 포함한다.
트랜지스터(T1)는 PNP 트랜지스터이고 자신의 컬렉터에 접속된 자신의 베이스를 갖는다. 그것의 이미터는 공급 전압(VCC)에 접속된다. 그것의 컬렉터는 PTAT 컴포넌트(108)에 접속된다. 트랜지스터(T2)는 PNP 트랜지스터이고 공급 전압에 접속된 자신의 이미터와 트랜지스터(T1)의 베이스에 접속된 자신의 베이스를 갖는다. 트랜지스터(T2)는 자신의 컬렉터에서 미러 전류를 생성한다. 트랜지스터(T3)는 또한 PNP 트랜지스터이고 공급 전압에 접속된 자신의 이미터와 트랜지스터(T1)의 베이스에 접속된 자신의 베이스를 갖는다. 트랜지스터(T3)는 자신의 컬렉터에서 미러 전류를 생성한다.
트랜지스터들(T4 및 T5)은 바이폴라 NPN 트랜지스터들이고 제2 미러 회로를 포함한다. 트랜지스터(T4)의 컬렉터는 트랜지스터(T2)의 컬렉터에 접속된다. T4의 베이스는 T4의 컬렉터에 또한 접속된다. 그것의 이미터는 접지에 접속된다. 트랜지스터(T5)는 제곱화 회로(400)에 접속된 자신의 컬렉터와 트랜지스터(T4)의 베이스에 접속된 자신의 베이스를 갖는다. 트랜지스터(T5)의 이미터는 접지에 접속된다.
제곱기 회로(400)는 PTAT 컴포넌트(108)의 전류(IPTAT)에 기초하여 제곱된 출력 신호(ISQR)를 생성하며, 그 전류는 제1 전류 미러 및 제2 전류 미러에 의해 미러링되었고 트랜지스터(T5)를 통해 제곱기 회로(400)에 제공된다. 적절한 제곱기 회로들의 예들은 도 2 및 도 3에서 설명되었다.
트랜지스터들(T1, T2 및 T3)은 전류원(108)으로부터 끌어당겨진 전류, 즉, 전류(IPTAT)를 감소시키기 위해 제1 전류 미러로서 동작한다. 이 제1 전류 미러는 N배만큼 전류 또는 소비 전류를 감소시킨다. 하나의 예에서, N은 4인 것으로 선택되고 그 결과로서 사용되는 소비 전류 및 칩 면적을 감소시킬 수 있다. 덧붙여, 제1 전류 미러는, 이 예에서, PNP 바이폴라 트랜지스터들로 이루어진다.
위에서 언급된 바와 같이, 트랜지스터들(T4 및 T5)은 제2 전류 미러로서 동작한다. 하나의 예에서, 그것들은 트랜지스터(T2)로부터의 전류를 1의 비율로 미러링하지만, 다른 미러 비율들이 가능하다.
도 5는 2차 온도 보상을 사용하여 전압 제어 발진기를 동작시키는 방법(500)을 예시하는 흐름도이다. 방법(500)은 단지 선형적인 것이 아닌 2차 보상으로 보상함으로써 현재 온도 및/또는 온도에서의 변화들에 실질적으로 독립적인 안정한 동작 주파수에서 출력 신호를 생성한다.
방법(500)은 전압 제어 발진기(VCO)에 대한 동작 주파수가 획득되는 블록 502에서 시작한다. 하나의 예에서, 동작 주파수는 사전 선택된다. 다른 예에서, 동작 주파수는 동적으로 배정된다. 동작 주파수는 일반적으로는 허용된 대역폭 내의 주파수이다. 허용된 대역폭은 규제 규칙들, 사양들 등에 의해 특정될 수 있다. 하나의 예에서, 허용된 대역폭은 100 MHz이다. 다른 예에서, 허용된 대역폭은 200 MHz이다.
온도 측정값(temperature measurement)이 블록 504에서 획득된다. 온도 측정값은 하나 이상의 온도 센서들로부터 획득될 수 있다. 온도 측정값은 주변으로부터의 편차, 절대 온도 등의 형태일 수 있고 현재 온도라고도 지칭된다.
온도 보상 신호가 블록 506에서 온도 측정값에 따라 생성된다. 온도 보상 신호는 선형적이다. 위에서 설명된 PTAT 컴포넌트(108)와 같은 PTAT 컴포넌트가, 온도 보상 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 그 신호는 온도로 인한 전압 제어 발진기의 동작 주파수의 변동들을 적어도 부분적으로 설명한다. 일반적으로, 온도에서의 증가가 미보상된 동작 주파수를 감소시키는 경향이 있고 온도에서의 감소가 미보상된 동작 주파수를 증가시키는 경향이 있다. 선형 또는 1차가 되게 함으로써, 보상 신호는, 온도 드리프트를 충분히 보상하고 동작 주파수를 허용된 대역폭 내로 유지하지 못할 수도 있다.
선형 온도 보상 신호는 블록 508에서 2차 항을 생성하기 위해 제곱된다. 통상적으로, 위의 도 2 내지 도 4에서 도시된 제곱기 회로들과 같은 적절한 제곱기 회로가 선형 온도 보상 신호 및 온도 독립 신호로부터 적어도 부분적으로 제곱된 신호를 생성하는데 사용될 수 있다. 제곱된 신호는 선택된 바이어스 전류 또는 다른 기법을 사용하여 스케일링될 수 있다.
이차 보상 신호가 블록 510에서 2차 항 또는 제곱된 신호와, 온도 독립 신호에 기초하여 생성된다. 이차 보상 신호는 2차 신호이고 2차 온도 드리프트를 보상한다.
위에서 설명된 컴포넌트(110)와 같은 확장 컴포넌트가, 이차 보상 신호를 생성하는데 사용될 수 있다. 그 확장 컴포넌트는 이차 보상 신호를 더욱 정확히 생성하기 위해 교정될 수 있다.
이차 보상 신호는 전류의 형태일 수 있다. 그 전류는 이차 튜닝 전압을 생성하기 위해 적절한 저항기에 의해 전압으로 변환될 수 있다.
이차 보상 신호는 블록 512에서 VCO의 동작을 조정하는 튜닝 포트에 인가되고 출력 신호가 동작 주파수에서 생성된다. 이차 보상 신호는 온도로 인한 1차 및 2차 주파수 변동들 둘 다를 고려하여 동작 주파수를 조정한다. 그 신호는 그 신호를 전류로 하여 제어 전압으로 변환하도록 구성되는 적절한 저항기를 사용함으로써 제어 전압의 형태로 인가될 수 있다. 따라서, 온도에서의 변화들로 인한 1차 및 2차 주파수 변동들은 보상될 수 있다.
이차 보상 신호의 생성은 정확도를 개선하기 위해 교정될 수 있다. 출력 신호의 실제 주파수는 동작 주파수로부터의 변동들을 결정하기 위해 측정될 수 있다. 동작 주파수로부터의 실제 주파수의 변동들이 있다면, 이차 보상 신호의 생성은 정확도를 개선하기 위해 조정될 수 있다.
하나의 예에서, 이차 확장 컴포넌트는 스케일링 계수들, 바이어스 전류들 및/또는 온도 불변 전류원들을 선택함으로써 사용 전에 교정된다. 다른 예에서, 출력 신호의 실제 주파수의 측정값들이 이차 보상 신호 및/또는 선형 보상 신호의 생성을 수정하기 위해 이차 확장 컴포넌트 및/또는 선형 보상 컴포넌트에 의한 피드백으로서 사용된다.
이차 튜닝 전압의 결과로서, VCO의 동작 주파수는 주파수들의 허용된 범위 내에 유지된다.
그 방법이 일련의 작동들 또는 이벤트들로서 아래에서 예시되고 설명되지만, 이러한 작동들 또는 이벤트들의 예시된 순서화는 제한하는 의미로 해석되지 않는 것으로 이해될 것이다. 예를 들어, 일부 작동들은 본 명세서에서 예시된 그리고/또는 설명된 것들을 제외한 다른 작동들 또는 이벤트들과 상이한 순서들로 그리고/또는 동시에 발생할 수도 있다. 덧붙여서, 모든 예시된 작동들이 본 명세서에서의 개시내용의 하나 이상의 양태들 또는 실시예들을 구현하기 위해 요구될 수도 있다는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에서 묘사되는 작동들의 하나 이상이 하나 이상의 별개의 작동들 및/또는 페이즈들에서 수행될 수도 있다.
청구된 요지는 개시된 요지를 구현하기 위해 컴퓨터를 제어하는 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 또는 그것들의 임의의 조합을 생산하기 위한 표준 프로그래밍 및/또는 엔지니어링 기법들을 사용하여 방법, 장치, 또는 제조품(article of manufacture)으로서 구현될 수도 있다(예컨대, 도 1, 도 2에 도시된 시스템들, 배열체들 등이, 예컨대, 위의 방법들을 구현하는데 사용될 수도 있는 비제한적 예들이다)는 것이 이해된다. 본 명세서에서 사용된 "제조품"이란 용어는 임의의 컴퓨터-판독가능 디바이스, 캐리어 또는 매체로부터 액세스 가능한 컴퓨터 프로그램을 포괄하는 것으로 의도된다. 물론, 본 기술분야의 통상의 기술자들은 많은 변형예들이 청구된 요지의 범위 또는 정신으로부터 벗어남 없이 이 구성에 대해 만들어질 수도 있다는 것을 인식할 것이다.
덧붙여서, "또는"이란 용어는 배타적인 "또는"이라기 보다는 포함하는 "또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 다시 말하면, 달리 특정되지 않거나, 또는 문맥으로부터 명확하지 않으면, "X는 A 또는 B를 채용한다"는 자연 포함 순열들(natural inclusive permutations) 중 임의의 것을 의미하는 것으로 의도된다. 다시 말하면, X가 A를 채용하거나; X가 B를 채용하거나; 또는 X가 A 및 B 둘 다를 채용하면, 전술한 경우들 중 어느 경우 하에서도 "X는 A 또는 B를 채용한다"가 충족된다. 더구나, 본 명세서 및 첨부된 도면들에서 사용되는 바와 같은, 관사 "a" 및 "an"의 사용에 해당하는 단수형은 달리 특정되지 않거나 또는 문맥으로부터 단수형을 위한 것이 명확하지 않다면, "하나 이상"을 의미하는 것으로 일반적으로 해석되어야 한다.
전압 제어 발진기 배열체가 개시되어 있다. 그 배열체는 전압 제어 발진기와 이차 확장 컴포넌트를 포함한다. 전압 제어 발진기는 튜닝 포트를 가진다. 튜닝 포트는 인가된 전압에 따라 동작 주파수를 선택하도록 구성된다. 이차 확장 컴포넌트는 상기 튜닝 포트로의 인가된 전압으로서 이차 튜닝 전압을 생성하도록 구성된다. 이차 튜닝 전압은 선형 온도 보상 신호에 따라 생성된다.
이차 온도 보상 신호를 생성하는 이차 확장 배열체가 개시되어 있다. 그 배열체는 제1 전류 미러, 제2 전류 미러, 제곱기 회로 및 선형 보상 컴포넌트를 포함한다. 제1 전류 미러는 선형 온도 보상 신호로부터 제1 미러링된 전류를 생성하도록 구성된다. 제2 전류 미러는 제1 미러링된 전류로부터 제2 미러링된 전류를 생성하도록 구성된다. 선형 보상 컴포넌트는 현재 온도에 따라 선형 보상 신호를 생성하도록 구성된다. 제곱기 회로는 선형 보상 신호로부터 2차 항을 생성하도록 구성된다.
하나의 예에서 그 배열체는 2차 항과 제1 미러 전류를 결합하여 이차 온도 보상 신호를 생성하도록 구성되는 출력부를 더 포함한다.
다른 예에서, 제곱기 회로는 트랜지스터들의 트랜스 선형 루프를 포함한다.
다른 예에서, 트랜지스터들은 PNP 바이폴라 트랜지스터들이다.
또 다른 예에서, 트랜지스터들은 NPN 바이폴라 트랜지스터들이다.
2차 온도 보상을 사용하여 전압 제어 발진기를 동작시키는 방법이 개시되어 있다. 현재 온도가 획득된다. 선형 온도 보상 신호가 현재 온도에 따라 생성된다. 2차 항이 선형 온도 보상 신호로부터 생성된다. 이차 온도 보상 신호는 2차 항과 선형 온도 보상 신호를 사용하여 생성된다.
하나의 예에서, 그 방법은 이차 온도 보상 신호에 따라 전압 제어 발진기의 동작 주파수를 조정하는 단계를 더 포함한다.
특히 위에서 설명된 컴포넌트들 또는 구조체들(어셈블리들, 디바이스들, 회로들, 시스템들 등)에 의해 수행된 다양한 기능들에 관하여, 이러한 컴포넌트들을 설명하는데 사용된 용어들("수단"에 대한 언급을 포함함)은, 다르다고 나타내지 않는 한, 심지어 본 발명의 본 명세서에서 예시된 전형적인 구현예들에서의 기능을 수행하는 개시된 구조체와는 구조적으로 동등하지 않더라도, 설명된 구성요소의 특정된 기능을 수행하는 임의의 컴포넌트 또는 구조체(예컨대, 기능적으로 동등한 것)에 해당하는 것으로 의도된다. 덧붙여서, 본 발명의 특정 특징이 여러 구현예들 중 하나에 대해서만 개시되었을 수도 있지만, 이러한 특징은 임의의 주어진 또는 특정 애플리케이션에 대해 바람직하고 유익할 수도 있도록 다른 구현예들의 하나 이상의 다른 특징들과 결합될 수도 있다. 더욱이, "포함하는", "포함한다", "갖는", "갖는다", "가지는"이란 용어들, 또는 그 변형들이 상세한 설명 및 청구항들 중 어느 한 쪽에서 사용된 결과로, 이러한 용어들은 "포함하는"이란 용어와 유사한 방식으로 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (22)

  1. 전압 제어 발진기 배열체(voltage controlled oscillator arrangement)로서,
    튜닝 포트를 가지는 전압 제어 발진기 - 상기 튜닝 포트는 인가된 전압에 따라 동작 주파수를 선택하도록 구성됨 - ; 및
    상기 튜닝 포트로의 상기 인가된 전압으로서 이차 튜닝 전압(quadratic tuning voltage)을 생성하도록 구성되는 이차 확장 회로(quadratic extension circuit)
    를 포함하고, 상기 이차 튜닝 전압은 선형 온도 보상 신호에 따라 생성되고,
    상기 이차 확장 회로는:
    현재 온도에 따라 상기 선형 온도 보상 신호를 생성하도록 구성되는 선형 온도 보상 회로; 및
    상기 선형 온도 보상 신호에 따라 상기 이차 튜닝 전압에 대한 2차 항(second order term)을 생성하도록 구성되는 제곱기 회로(squarer circuit)를 더 포함하고,
    상기 제곱기 회로는 바이어스 전류에 의해 상기 2차 항을 스케일링하도록 구성된 트랜스 선형 루프(trans linear loop)를 포함하고, 상기 이차 확장 회로는 상기 스케일링된 2차 항을 상기 선형 온도 보상 신호와 결합하여 상기 이차 튜닝 전압을 생성하도록 더 구성된, 배열체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이차 확장 회로는 온도 불변 전류를 사용하여 상기 이차 튜닝 전압을 생성하도록 구성되는, 배열체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 이차 확장 회로는 바이어스 전류를 사용하여 상기 선형 온도 보상 신호를 스케일링하는(scale), 배열체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전압 제어 발진기는 온도 변동들에 따른 1차 주파수 변동들(first order frequency variations) 및 상기 온도 변동들에 따른 2차 주파수 변동들(second order frequency variations)을 가지는, 배열체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 선형 온도 보상 신호는 상기 1차 주파수 변동들을 완화시키는, 배열체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 이차 튜닝 전압은 상기 2차 주파수 변동들을 완화시키는, 배열체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 전압 제어 발진기는 상기 동작 주파수에서 출력 신호를 생성하도록 구성되는, 배열체.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 선형 온도 보상 신호는 절대 온도에 비례하는, 배열체.
  10. 삭제
  11. 이차 온도 보상 신호를 생성하는 이차 확장 배열체로서,
    선형 온도 보상 신호로부터 제1 미러링된 전류(mirrored current)를 생성하도록 구성되는 제1 전류 미러;
    상기 제1 미러링된 전류로부터 제2 미러링된 전류를 생성하도록 구성되는 제2 전류 미러;
    현재 온도에 따라 상기 선형 온도 보상 신호를 생성하도록 구성되는 선형 온도 보상 회로;
    상기 제2 미러링된 전류로부터 2차 항을 생성하도록 구성되는 제곱기 회로; 및
    상기 이차 온도 보상 신호를 생성하기 위해 상기 2차 항과 상기 제1 미러링된 전류를 결합하도록 구성되는 출력
    을 포함하는, 배열체.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서, 상기 선형 온도 보상 회로는 절대 온도 비례 컴포넌트인, 배열체.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제곱기 회로는 트랜지스터들의 트랜스 선형 루프를 포함하는, 배열체.
  15. 제14항에 있어서, 상기 트랜지스터들은 PNP 바이폴라 트랜지스터들인, 배열체.
  16. 제14항에 있어서, 상기 트랜지스터들은 NPN 바이폴라 트랜지스터들이고, 상기 제곱기 회로는 온도 불변 전류원을 포함하는, 배열체.
  17. 제14항에 있어서, 상기 제곱기 회로는 상기 제곱기 회로와 함께 트랜지스터들의 베이스 전류들을 감소시키도록 구성되는 보조 트랜지스터를 포함하는, 배열체.
  18. 2차 온도 보상을 사용하여 전압 제어 발진기를 동작시키는 방법으로서,
    현재 온도를 획득하는 단계;
    상기 현재 온도에 따라 선형 온도 보상 신호를 생성하는 단계;
    제곱기 회로를 사용하여 상기 선형 온도 보상 신호로부터 2차 항을 생성하는 단계;
    바이어스 전류에 기초하여 상기 2차 항을 스케일링하는 단계; 및
    상기 2차 항과 상기 선형 온도 보상 신호를 사용하여 이차 온도 보상 신호를 생성하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 이차 온도 보상 신호에 따라 전압 제어 발진기의 동작 주파수를 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 동작 주파수는 허용된 주파수 범위 내에 있는, 방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 트랜스 선형 루프는 PNP 바이폴라 트랜지스터들의 루프를 포함하는, 배열체.
  22. 제18항에 있어서, 상기 바이어스 전류는 온도 불변인, 방법.
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