KR102107305B1 - 동적 위상 오차 정정용 변압기 피드백 직교 전압 제어 발진기 및 이를 이용하는 통신장치 - Google Patents

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Abstract

변압기 피드백 직교 전압 제어 발진기(quadrature voltage controlled oscillator, QVCO)는 첫째 전압 제어 발진기(VCO), 둘째 VCO, 그리고 첫째 및 둘째 VCO 사이에 접속되며, 첫째 및 둘째 VCO에서 출력되는 직교 위상 국부 발진(LO)의 위상 오차를 정정하기 위해 디지털 제어 신호에 따라 커패시턴스가 다른 여러 개의 커플링 축전기가 있는 동적 위상 오차 정정 회로를 포함한다.

Description

동적 위상 오차 정정용 변압기 피드백 직교 전압 제어 발진기 및 이를 이용하는 통신장치{TRANSFORMER FEED-BACK QUADRATURE VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR FOR CORRECTING DYNAMIC PHASE ERROR AND COMMUNICATION APPARATUS USING THE SAME}
본 발명은 통신장치에 사용되는 국부 발진기, 특히 변압기 피드백 직교 전압 제어 발진기(QVCO)의 커플링 네트워크로 인한 동적 위상 오차 정정용 변압기 피드백 직교 전압 제어 발진기와 이 변압기 피드백 QVCO를 이용하는 통신장치에 관한 것이다.
통신기술이 나날이 발전함에 따라, 가정용 통신장치들은 점차적으로 스마트폰, 테블릿 컴퓨터 등 이동통신장치에 의해 대체되고 있으며, 스마트 가전제품에는 이러한 통신장치들이 장착될 수 있다. 이동통신장치와 스마트 가전제품들은 데이터 전송을 위해 무선통신을 구현하며, 이로써 사물인터넷(IoT) 시대가 인류에게 도래하였다.
무선통신은 공기 중에서 무선 신호를 송신하고 수신하는 송수신기에 의해 구현된다. 송수신기에는 일반적으로 반송 주파수를 전환하기 위한 주파수 합성기가 있다. 높은 통신 품질을 제공하려면 반드시 안정적이고 정확한 국부 발진(LO) 신호가 요구된다. 이는 그래야만 무선 신호를 정확히 무선 수신기로 전송할 수 있기 때문이다. 그러므로 저잡음 전압 제어 발진기(VCO)는 송수신기의 매우 중요한 전기 요소이다.
표준 5세대(5G) 이동통신은 현재 발전 중에 있으며, 이전 세대 이동통신과 비교할 때, 5G 이동통신은 더 높은 네트워크 품질과 데이터 전송률, 더 탄탄한 통신 기능, 그리고 낮은 무선 전송 지연 등 장점이 있다. 표준 5G 이동통신은 무선 주파수(RF)를 38.6 GHz부터 40 GHz까지 명시한다.
도 1을 참고한다. 도 1은 5G 이동통신에 사용되는 재래식 송수신기의 구성도이다. 재래식 송수신기(1)는 변조기(11), 저조파 혼합기(12, 17), 전력 증폭기(PA)(13), 전송/수신-스위치(TR-SW)(14), 안테나(15), 저잡음 증폭기(LNA)(16), 복조기(18), 그리고 위상 잠금 루프(PLL)(19)를 포함한다. 저조파 혼합기(17)는 변조기(11), PLL(19), PA(13)에 접속된다. TR-SW(14)는 PA(13), LNA(16), 안테나(15)에 접속된다. 저조파 혼합기(17)는 복조기(18), PLL(19), LNA(16)에 접속된다.
변조기(11)는 첫째 데이터 신호 Din를 수신 및 변조하여 대략 3.5 GHz인 첫째 중간 주파수(IF) 신호를 생성한다. PLL(19)은 저조파 혼합기들(12 및 17)에 LO 신호를 제공한다. 저조파 혼합기(17)는 첫째 IF 신호와 LO 신호를 혼합하여 첫째 RF를 PA(13)에 생성한다. PA(13)는 첫째 RF 신호를 수신하고 증폭시키며, TR-SW(14)는 PA(13)로 전환되어 안테나(15)가 첫째 증폭된 RF를 공기 중으로 복사할 수 있다.
안테나(15)는 공기로부터 둘째 RF 신호를 수신할 수 있으며, TR-SW(14)는 LNA(16)로 전환되어 LNA(16)는 둘째 RF 신호를 증폭시킬 수 있다. 저조파 혼합기(17)는 둘째 증폭된 RF 신호와 LO 신호를 혼합하여 대략 3.5 GHz 인 둘째 IF 신호를 생성한다. 복조기(18)는 둘째 IF 신호를 수신하고 복조하여 둘째 데이터 신호 Dout를 생성한다.
표준 5G 이동통신에서, RF는 38.6 GHz부터 40 GHz까지로 명시되며, RF는 RF=2LO+IF로 표시될 수 있다. 그러므로 LO는 17.55 GHz부터 18.25 GHz까지의 범위로 고안되어야 한다. 공정 변수 또는 기타 영향 요소를 예방하기 위해, LO의 범위는 17.2부터 18.6 GHz까지 확장되어 5G 이동통신 표준에 부합할 수 있다.
PLL을 사용해서 LO 신호를 생성하는 것 이외에, 재래식 QVCO 역시 직교 위상 LO 신호를 생성하는 데 사용될 수 있다. 하지만 이러한 재래식 QVCO에는 출력단에 접속되는 커플링 네트워크가 있기 때문에 출력 부하는 늘어나고 최대 동작 주파수는 줄어든다. 뿐만 아니라 전류 수동 커플링 네트워크는 초광 동작 대역으로 인해 여러 다른 주파수에서 위상 오프셋을 유도할 수 있다.
본 발명의 한 가지 목적은 변압기 피드백 QVCO 커플링 네트워크용 위상 오차 정정 회로가 있는 변압기 피드백 QVCO를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 한 가지 목적은 변압기 피드백 QVCO를 제공하여 대략 18 GHz의 직교 위상 LO 신호를 생성하고 변압기 피드백 QVCO의 출력 하중을 줄이며, 이와 동시에 변압기 피드백 QVCO의 최대 동작 주파수를 늘리는 것이다. 상기 변압기 피드백 QVCO는 5G 이동통신 주파수 합성기의 요구조건을 충족시킬 수 있고 휴대용 장치에 장착된다.
상기 목적 중 최소한 한 가지를 달성하기 위해, 본 발명은 첫째 VCO, 둘째 VCO, 그리고 여러 개의 커플링 축전기가 있고 커플링 축전기들은 첫째 및 둘째 VCO 사이에 연결되며, 첫째 및 둘째 VCO에 의해 출력되는 직교 위상의 국부 발진(LO)의 위상 오차를 정정하기 위해 디지털 제어 신호에 따라 커플링 축전기들의 커패시턴스가 다른 동적 위상 오차 정정 회로를 포함하는 변압기 피드백 직교 전압 제어 발진기(QVCO)를 제공하는 것이다.
상기 목적 중 최소한 한 가지를 달성하기 위해, 본 발명은 상기 변압기 피드백 QVCO와 변압기 피드백 QVCO에 접속되는 프론트-엔드 회로를 포함하는 통신장치를 제공한다.
본 발명의 한 실시예에서, 상기 변압기 피드백 QVCO는 첫째 절반 회로와 둘째 절반 회로에 의해 형성된다. 첫째 및 둘째 절반 회로는 각각 첫째 커플링 축전기, 둘째 커플링 축전기, 유도 인덕터, 엔모스(NMOS) 트랜지스터, 피모스(PMOS) 트랜지스터, 그리고 주파수 튜닝 회로를 포함한다. 주파수 튜닝 회로의 첫째 단은 유도 인덕터의 첫째 단, PMOS 트랜지스터의 드레인(DRAIN), 그리고 NMOS의 게이트(GATE)에 접속되며, 둘째 단은 유도 인덕터의 둘째 단, NMOS 트랜지스터의 드레인, 그리고 PMOS 트랜지스터의 게이트에 접속된다. 첫째 및 둘째 절반 회로의 유도 인덕터들은 변압기를 형성한다. 첫째 절반 회로의 PMOS 트랜지스터 본체(바디(BODY))는 첫째 절반 회로의 첫째 커플링 축전기를 통해서 둘째 절반 회로의 PMOS 트랜지스터 원천(소스(SOURCE))에 접속된다. 첫째 절반 회로의 NMOS 트랜지스터 본체는 첫째 절반 회로의 둘째 커플링 축전기를 통해서 둘째 절반 회로의 NMOS 트랜지스터 원천에 접속된다. 둘째 절반 회로의 PMOS 트랜지스터 본체는 둘째 절반 회로의 첫째 커플링 축전기를 통해서 첫째 절반 회로의 NMOS 트랜지스터 원천에 접속된다. 둘째 절반 회로의 NMOS 트랜지스터 본체는 둘째 절반 회로의 둘째 커플링 축전기를 통해서 첫째 절반 회로의 PMOS 트랜지스터 원천에 접속된다. PMOS 트랜지스터와 NMOS 트랜지스터의 드레인은 직교 위상의 국부 발진(LO) 신호를 출력하는 데 사용되며, LO 주파수는 주파수-전압 곡선에 따라 줄파수 튜닝 회로에 적용되는 주파수 튜닝 전압에 의해 결정된다. 상기 첫째 및 둘째 절반 회로의 첫째 및 둘째 커플링 축전기는 동적 위상 오차 정정 회로의 가변 커플링 축전기들로서 동적 위상 오차 정정 회로를 형성한다. 첫째 절반 회로의 NMOS 트랜지스터, PMOS 트랜지스터, 그리고 유도 인덕터는 첫째 VCO를 형성하며, 둘째 절반 회로의 NMOS 트랜지스터, PMOS 트랜지스터, 그리고 유도 인덕터는 둘째 VCO를 형성한다.
본 발명의 한 실시예에서, 첫째 절반 회로와 둘째 절반 회로에는 각각 첫째 단이 주파수 튜닝 회로의 첫째 단에 접속되고 둘째 단은 주파수 튜닝 회로의 둘째 단에 접속되는 전환 축전기 장치가 있으며, 전환 축전기 장치에 주어진 코드는 주파수-전압 곡선을 이동하는 데 사용된다.
본 발명의 한 실시예에서, 첫째 절반 회로와 둘째 절반 회로에는 또한 각각 첫째 인덕터와 둘째 인덕터가 있으며, 첫째 및 둘째 절반 회로 중 상응하는 회로의 PMOS 트랜지스터의 원천은 첫째 인덕터를 통해서 시스템 전압에 접속되고 첫째 및 둘째 절반 회로 중 상응하는 회로의 NMOS 트랜지스터의 원천은 둘째 인덕터를 통해서 접지된다.
본 발명의 한 실시예에서, 주파수 튜닝 회로는 첫째 및 둘째 가변 축전기, 첫째 및 둘째 저항기, 그리고 첫째 및 둘째 축전기를 포함하다. 주파수 튜닝 전압은 첫째 및 둘째 가변 축전기의 첫째 단에 적용되며, 첫째 가변 축전기의 둘째 단은 첫째 저항기와 첫째 축전기의 둘째 단에 접속된다. 둘째 가변 축전기의 둘째 단은 둘째 저항기와 둘째 축전기의 둘째 단에 접속된다. 첫째 및 둘째 저항기의 첫째 단에 바이어스 전압이 적용되며, 첫째 및 둘째 저항기의 첫째 단은 제각기 PMOS 트랜지스터와 NMOS 트랜지스터의 드레인에 접속된다.
본 발명의 한 실시예에서, 주파수 튜닝 전압이 올라가면 첫째 가변 축전기의 커패시턴스는 증가하고 둘째 가변 축전기의 커패시턴스는 감소한다.
본 발명의 한 실시예에서, 전환 축전기 장치는 스위치들 및 축전기들을 포함한다. 각각의 스위치는 두 개의 축전기 사이에 접속되고 각각의 스위치 및 상응하는 축전기 세트는 다른 한 세트에 병렬 접속되며, 코드는 스위치 중 최소한 한 개를 켜거나 끄기 위해 사용된다.
본 발명의 한 실시예에서, LO 주파수는 17.2 GHz부터 18.6 GHz까지이다.
본 발명의 한 실시예에서, 주파수 오프셋이 1 MHz일 때 위상 잡음은 대략 -110 dBc/Hz이다.
본 발명의 한 실시예에서, 통신장치는 또한 프론트-엔드 회로에 접속되는 안테나를 포함한다. 프론트-엔드 회로는 송수신기 회로, 수신기 회로, 혹은 송신기 회로이다.
요약해 보면, 재래식 QVCO와 비교할 때, 변압기 피드백 QVCO는 변압기 피드백 QVCO의 커플링 네트워크로 인한 직교 위상 LO 신호의 위상 오차를 정정할 수 있다. 그리고 변압기 피드백 QVCO는 전환 축전기 장치가 사용되는 경우에도 낮은 출력 부하, 높은 동작 주파수, 낮은 위상 잡음, 그리고 넓은 동작 대역 등 장점이 있을 수 있다.
도 1은 5G 이동통신에 사용되는 재래식 송수신기의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 변압기 피드백 QVCO의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 변압기 피드백 QVCO의 회로도이다.
도 4a는 본 발명의 한 실시예에 따른 커플링 축전기의 비율이 다를 때의 변압기 피드백 QVCO의 직교 위상 LO 신호를 보여주는 곡선도이다.
도 4b는 본 발명의 한 실시예에 따른 커플링 축전기의 비율이 다를 때의 변압기 피드백 QVCO의 직교 위상 LO 신호를 보여주는 곡선도이다.
도 4c는 본 발명의 한 실시예에 따른 커플링 축전기의 비율이 다를 때의 변압기 피드백 QVCO의 직교 위상 LO 신호를 보여주는 곡선도이다.
도 4d 본 발명의 한 실시예에 따른 커플링 축전기의 비율이 다를 때의 변압기 피드백 QVCO의 직교 위상 LO 신호를 보여주는 곡선도이다.
도 4e는 본 발명의 한 실시예에 따른 커플링 축전기의 비율이 다를 때의 변압기 피드백 QVCO의 직교 위상 LO 신호를 보여주는 곡선도이다.
도 5a는 위상 잡음과 최저 동작 주파수에서 작동되는 변압기 피드백 QVCO와 연관되는 오프셋 주파수(또는 상대 주파수)와의 관계를 보여주는 곡선도이다.
도 5b는 위상 잡음과 최대 동작 주파수에서 작동되는 변압기 피드백 QVCO와 연관되는 오프셋 주파수(또는 상대 주파수)와의 관계를 보여주는 곡선도이다.
도 6a는 동작 주파수 및 전환 축전기 장치가 없는 변압기 피드백 QVCO와 연관된 주파수 튜닝 전압 사이의 관계를 보여주는 곡선도이다.
도 6b는 동작 주파수 및 여러 다른 코드가 주어진 전환 축전기 장치가 있는 변압기 피드백 QVCO와 연관된 주파수 튜닝 전압의 관계를 보여주는 곡선도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 통신장치의 구성도이다.
본 발명의 목적, 특징, 효과 등을 구체적인 실시예와 동반하는 도면을 이용해서 설명한다.
본 발명의 한 실시예는 첫째 절반 회로와 둘째 절반 회로를 포함하는 변압기 피드백 QVCO를 제공한다. 각각의 첫째 및 둘째 절반 회로에는 변압기 피드백 구조를 형성하는 변압기 유도 인덕타가 있다. 첫째 및 둘째 절반 회로에 있는 주파수 튜닝 회로는 변압기 피드백 QVCO의 출력단이 아닌 변압기 피드백 QVCO 내부에 있는 회로에 형성된다.
첫째 절반 회로의 PMOS 트랜지스터 본체는 첫째 절반 회로의 첫째 커플링 축전기를 통해서 둘째 절반 회로의 PMOS 트랜지스터 원천에 접속되며, 첫째 절반 회로의 NMOS 트랜지스터 본체는 첫째 절반 회로의 둘째 커플링 축전기를 통해서 둘째 절반 회로의 NMOS 트랜지스터 원천에 접속된다. 둘째 절반 회로의 PMOS 트랜지스터 본체는 둘째 절반 회로의 첫째 커플링 축전기를 통해서 첫째 절반 회로의 NMOS 트랜지스터 원천에 접속되며, 둘째 절반 회로의 NMOS 트랜지스터 본체는 둘째 절반 회로의 둘째 커플링 축전기를 통해서 첫째 절반 회로의 PMOS 트랜지스터 원천에 접속된다.
본체-원천 축전기 커플링 방식을 통해서 상기 변압기 피드백 QCVO는 직교 위상 LO 신호를 생성할 수 있다. 주파수 튜닝 회로들은 사실상 커플링 네트워크의 회로 요소들이다. 주파수 튜닝 회로들은 변압기 피드백 QVCO의 출력단이 아닌 변압기 피드백 QVCO 내부 회로에 형성되기 때문에, 변압기 피드백 QCVO의 최대 동작 주파수는 늘어나고 변압기 피드백 QCVO의 출력 부하는 줄어든다.
첫째 절반 회로의 유도 인덕터, PMOS 트랜지스터, 그리고 NMOS 트랜지스터는 한 개의 VCO를 형성하고, 둘째 절반 회로의 유도 인덕터, PMOS 트랜지스터, 그리고 NMOS 트랜지스터는 다른 VCO 한 개를 형성한다. 첫째 및 둘째 절반 회로의 첫째 및 둘째 커플링 축전기는 변압기 피드백 QVCO의 커플링 네트워크용 동적 위상 오차 정정 회로를 형성한다.
상기 주파수 튜닝 회로들은 또한 주파수-전압 곡선에 근거하여 주파수 튜닝 회로에 적용되는 주파수 튜닝 전압에 따라 LO 주파수를 결정하는 데 사용된다. 첫째 및 둘째 절반 회로는 또한 각각 전환 축전기 장치를 포함할 수 있다. 이 전환 축전기 장치 역시 변압기 피드백 QVCO 내부 회로에 형성되는 커플링 네트워크의 회로 요소이다. 전환 축전기 장치는 초광 동작 대역으로 인한 여러 다른 주파수에서의 위상 오프셋을 전환 축전기 장치에 주어진 코드에 따라 주파수-전압 곡선을 이동함으로써 정정할 수 있다.
상기 변압기 피드백 QVCO에 관한 자세한 내용을 다음과 같이 설명한다. 도 2를 참고한다. 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 변압기 피드백 QVCO의 구성도이다. 변압기 피드백 QVCO(7)에는 두 개의 VCO(71, 72), 그리고 동적 위상 오차 정정 회로(73) 하나가 있으며, 동적 위상 오차 정정 회로(73)는 두 개의 VCO(71, 72) 사이에 접속되는 커플링 축전기들을 포함하며, 커플링 축전기의 커패시턴스는 디지털 제어 신호 DCTRL에 의해 제어될 수 있다.
두 개의 VCO(71, 72)에서 출력되는 두 개의 다른 신호들은 변압기 피드백 QVCO(7)의 커플링 네트워크를 통해서 직교 위상 LO 신호를 생성하는 데 사용될 수 있다. 하지만 공정 공차로 인해 두 개의 VCO(71, 72)에 부조화가 있기 때문에 항정 상태의 위상 오차를 형성하는 직교 위상 오프셋이 존재할 수 있다.
높은 정확성이 요구되므로 항정 상태의 위상 오차는 정정되어야 한다. 커플링 축전기의 커패시턴스가 변하면 직교 위상 LO 신호의 위상 오차가 늘어나거나 줄어들어 직교 위상 LO 신호의 위상 오차가 정정된다.
다음은 도 3을 참고한다, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 변압기 피드백 QVCO의 회로도이다. 변압기 피드백 QVCO(2)는 첫째 절반 회로(21)와 둘째 절반 회로(22)로 형성되며, 둘째 절반 회로(21)는 첫째 절반 회로(21)에 접속되고 첫째 절반 회로(21)의 회로 요소들은 둘째 절반 회로(22)의 것과 같다.
각각의 첫째 및 둘째 절반 회로(21, 22)는 PMOS 트랜지스터 M1, NMOS 트랜지스터 M2, 인덕터 L1과 L2, 유도 인덕터 LIND, 전환 축전기 장치 SC, 주파수 튜닝 회로 FT, 그리고 커플링 축전기 C1과 C2를 포함한다. 각각의 첫째 및 둘째 절반 회로(21, 22)에서, PMOS 및 NMOS 트랜지스터 M1과 M2의 원천은 인덕터 L1과 L2를 통해서 제각기 시스템 전압 VDD와 지면 GND에 접속된다. PMOS 및 NMOS 트랜지스터 M1과 M2의 본체는 제각기 커플링 축전기 C1과 C2의 첫째 단에 접속되며, PMOS 트랜지스터 M1의 드레인은 NMOS 트랜지스터 M2의 게이트, 유도 인덕터 LIND, 전환 축전기 장치 SC, 그리고 주파수 튜닝 회로 FT의 첫째 단에 접속된다. NMOS 트랜지스터 M2의 드레인은 PMOS 트랜지스터 M1의 게이트, 유도 인덕터 LIND, 전환 축전기 장치 SC, 그리고 주파수 튜닝 회로 FT의 둘째 단에 접속된다. 첫째 절반 회로(21)와 둘째 절반 회로(22)의 유도 인덕터 LIND는 서로 결합한다(즉 유도 인덕터 LIND는 변압기를 형성한다). 상술한 접속 방식에 의해 변압기 피드백 구조가 형성된다.
상기 변압기 피드백 구조는 출력 진폭을 늘리고 위상 잡음을 줄일 수 있다. 상기 접속 방식은 또한 위상 잡음을 줄이고 PMOS 및 NMOS 트랜지스터 M1과 M2의 원천의 이차적 조파 신호를 제거하는 전류 재사용 구조를 형성한다.
둘째 절반 회로(22)의 PMOS 및 NMOS 트랜지스터 M1과 M2 의 원천은 제각기 첫째 절반 회로(21)의 커플링 축전기 C1과 C2의 둘째 단에 접속되며, 첫째 절반 회로(21)의 PMOS 및 NMOS 트랜지스터 M1과 M2의 원천은 제각기 둘째 절반 회로(22)의 커플링 축전기 C2와 C1의 둘째 단에 접속된다. 이러한 본체-원천 축전기 커플링 방식은 변압기 피드백 QVCO가 직교 위상 LO 신호 I+, I-, Q+, Q- 를 생성할 수 있도록 한다.
상기 접속 방식에 의해서 전환 축전기 장치 SC와 주파수 튜닝 회로 FT는 변압기 피드백 QVCO(2)의 출력단이 아닌 변압기 피드백 QVCO(2) 내부 회로에 커플링 네트워크를 형성한다. 그래서 변압기 피드백 QVCO(2)의 출력 부하는 줄고 변압기 피드백QVCO(2)의 최대 동작 주파수는 늘 수 있다.
상기 주파수 튜닝 회로 FT는 주파수-전압 곡선에 근거하여 주파수 튜닝 전압 Vtune에 따라 직교 위상 LO 신호 I+, I-, Q+, Q-의 LO 주파수를 결정하는 데 사용되며, 상기 주파수-전압 곡선은 동작 대역 내에서 상당히 대수 선형이다(예를 들어, 17.7 GHz부터 18.6 GHz까지는 5G 이동통신용이다). 다시 말해서, 주파수 튜닝 전압 Vtune이 높아질 때 LO 주파수도 올라간다.
상기 전환 축전기 장치 SC는 전환 축전기 장치 SC에 주어진 코드(즉 스위치 S1, S2, S3의 제어 신호)에 따라 주파수-전압 곡선을 변위/이동하는 데 사용된다. 그러므로 전환 축전기 장치 SC는 주파수-전압 곡선의 대수 선형 범위를 늘릴 수 있으며, 초광 동작 대역으로 인한 여러 다른 주파수에서의 위상 오프셋을 정정할 수 있다.
주파수 튜닝 회로 FT에 관한 자세한 내용을 아래와 같이 설명한다. 단, 본 발명은 다음과 같은 주파수 튜닝 회로 FT의 구현에 국한되지 않는다. 주파수 튜닝 회로 FT는 축전기 C3과 C4, 저항기 R1과 R2, 첫째 가변 축전기 CVAR+, 그리고 둘째 가변 축전기 CVAR-를 포함한다. 주파수 튜닝 전압 Vtune은 첫째 및 둘째 가변 축전기 CVAR+와 CVAR-의 첫째 단에 적용되며, 바이어스 전압 Vbias은 저항기 R1과 R2의 첫째 단에 적용된다. 저항기 R1의 둘째 단은 첫째 가변 축전기 CVAR+와 축전기 C3의 둘째 단에 접속되며, 저항기 R2의 둘째 단은 둘째 가변 축전기 CVAR-와 축전기 C4의 둘째 단에 접속된다. 축전기 C3와 C4의 첫째 단은 제각기 주파수 튜닝 회로 FT의 첫째 및 둘째 단, 즉 PMOS 및 NMOS 트랜지스터 M1과 M2의 드레인 단에 접속된다.
첫째 가변 축전기 CVAR+와 둘째 가변 축전기 CVAR-는 주파수 튜닝 전압 Vtune에 따라 커패시턴스가 변할 수 있어 LO 주파수도 주파수 튜닝 전압 Vtune에 따라 변할 수 있다. 주파수 튜닝 전압 Vtune이 높아질 때 첫째 가변 축전기 CVAR+의 커패시턴스는 증가하고, 주파수 튜닝 전압 Vtune이 낮아질 때 둘째 가변 축전기 CVAR- 의 커패시턴스는 감소한다. 하지만 본 발명은 이러한 첫째 가변 축전기 CVAR+와 둘째 가변 축전기 CVAR- 고안에 국한되지 않는다.
전환 축전기 장치 SC에 관한 자세한 내용을 아래와 같이 설명한다. 단, 본 발명은 다음과 같은 전환 축전기 장치 SC의 구현에 국한되지 않는다. 전환 축전기 장치 SC는 C4부터 C6까지의 축전기, 그리고 S1부터 S3까지의 스위치로 구성될 수 있다. 스위치 S1는 두 개의 축전기 C4의 두 개의 첫째 단 사이에 접속되며, 스위치 S2는 두 개의 축전기 C5의 두 개의 첫째 단 사이에 접속되며, 스위치 S3은 두 개의 축전기 C6의 두 개의 첫째 단 사이에 접속된다. 위쪽 축전기 C4부터 C6까지의 둘째 단들은 전환 축전기 장치 SC의 첫째 단, 즉 PMOS 트랜지스터 M1의 드레인 단에 접속되며, 아래쪽 축전기 C4부터 C6까지의 둘째 단들은 전환 축전기 장치 SC의 둘째 단, 즉 NMOS 트랜지스터 M2의 드레인 단에 접속된다.
제어 신호에 의해 형성되는 코드는 스위치 S1부터 S3까지 중 최소한 한 개를 켜거나 끄는 데 사용되며, 그래서 전환 축전기 장치 SC의 등가 축전 용량이 다를 수 있다. 전환 축전기 장치 SC의 등가 축전 용량이 다를 수 있기 때문에 변압기 피드백 QVCO(2)의 주파수-전압 곡선은 이동/변위할 수 있으며, 여러 개의 주파수-전압 곡선이 동등하게 제공된다. 유의할 점은, 넓은 대수 선형 범위가 필요하지 않으며, 전환 축전기 장치 SC를 변압기 피드백 QVCO(2)에서 제거할 수 있다는 것이다.
유의할 점은 유도 인덕터 LIND, 그리고 첫째 절반 회로(21)의 PMOS 트랜지스터 M1과 NMOS 트랜지스터 M2는 도 2의 VCO 71과 같은 VCO를 형성하며, 유도 인덕터 LIND, 그리고 둘째 절반 회로(22)의 PMOS 트랜지스터 M1과 NMOS 트랜지스터 M2는 도 2의 VCO 72와 같은 다른 VCO를 형성하며, 첫째 절반 회로(21)와 둘째 절반 회로(22)의 축전기 C1, C2는 도 2의 동적 위상 오차 정정 회로 73과 같은 동적 위상 오차 정정 회로를 형성한다는 것이다. 두 개의 VCO에서 출력되는 두 개의 다른 신호는 커플링 네트워크를 통해서 직교 위상 LO 신호 I+, I-, Q+, Q-를 생성하는 데 사용될 수 있다. 그러나 공정 공차로 인해 두 개의 VCO에 부조화가 있기 때문에 항정 상태의 위상 오차를 형성하는 직교 위상 오프셋이 존재할 수 있다.
높은 정확성이 요구되므로 항정/정상 상태의 위상 오차는 정정되어야 한다. 첫째 절반 회로(21)와 둘째 절반 회로(22)의 커플링 축전기 C1, C2는 가변 커플링 축전기로서 변압기 피드백 QVCO의 커플링 네트워크용 동적 위상 오차 정정 회로를 형성한다. 커플링 축전기 C1과 C2의 비율이 변하면, 직교 위상 LO 신호 I+, Q+(또는 I-, Q-)의 위상 오차가 늘어나거나 줄어든다.
도 4a부터 도 4e까지를 참고한다. 도 4a부터 도 4e까지는 본 발명의 한 실시예에 따른 첫째 및 둘째 커플링 축전기의 비율이 다를 때 변압기 피드백 QVCO와 연관된 직교 위상 LO 신호를 보여주는 곡선도이다. 예를 들어 도 4a에서, 커플링 축전기 C1과 C2의 비율은 18.69 GHz에서 작동될 때 대략 1, 즉 157 fF/157 fF이며, 위상 오차는 약 0.168이다. 도 4b에서, 커플링 축전기 C1과 C2의 비율은 18.69 GHz에서 작동될 때 대략 2, 즉 314 fF/157 fF이며, 위상 오차는 약 1.514이다. 도 4c에서, 커플링 축전기 C1과 C2의 비율은 18.69 GHz에서 작동될 때 대략 1/2, 즉 157 fF/314 fF이며, 위상 오차는 약 -1.85이다. 도 4d에서, 커플링 축전기 C1과 C2의 비율은 18.69 GHz에서 작동될 때 대략 4, 즉 628 fF/314 fF이며, 위상 오차는 약 4.206이다. 그리고 도 4e에서, 커플링 축전기 C1과 C2의 비율은 18.69 GHz에서 작동될 때 대략 1/4, 즉 157 fF/628 fF이며 위상 오차는 약 -3.196이다. 따라서, 커플링 축전기 C1과 C2의 비율을 조절하면 두 개의 VCO의 부조화로 인한 항정 상태의 위상 오차를 정정할 수 있다.
도 5a와 도 5b를 참고한다. 도 5a는 위상 잡음과 최저 동작 주파수에서 작동되는 변압기 피드백 QVCO와 연관되는 오프셋 주파수(또는 상대 주파수)와의 관계를 보여주는 곡선도이다. 도 5b는 위상 잡음과 최대 동작 주파수에서 작동되는 변압기 피드백 QVCO와 연관되는 오프셋 주파수(또는 상대 주파수)와의 관계를 보여주는 곡선도이다.
도 5a에서, 변압기 피드백 QVCO가 최저 동작 주파수에서 작동하고 주파수 오프셋이 1 MHz일 때, 위상 잡음은 -111.75 dBc/Hz, 즉 대략 -110 dBc/Hz이다. 그리고 도 5b에서, 변압기 피드백 QVCO가 최대 동작 주파수에서 작동하고 주파수 오프셋이 1 MHz일 때, 위상 잡음은 -111.055 dBc/Hz, 즉 대략 -110 dBc/Hz이다. 다시 말해서, 재래식 QVCO와 비교할 때 도 3의 변압기 피드백 QVCO(2)의 위상 잡음이 줄었다.
다음은 도 6a와 도 6b를 참고한다. 도 6a는 동작 주파수 및 전환 축전기 장치가 없는 변압기 피드백 QVCO와 연관된 주파수 튜닝 전압 사이의 관계를 보여주는 곡선도이다. 도 6b는 동작 주파수 및 여러 다른 코드가 주어진 전환 축전기 장치가 있는 변압기 피드백 QVCO와 연관된 주파수 튜닝 전압 사이의 관계를 보여주는 곡선도이다.
도 6a에서, 변압기 피드백 QVCO에서 전환 축전기 장치가 사용된다. 도 6b에서, 코드의 세 비트(즉 스위치 S1~S3용 제어 신호)는 000에서 111까지 일 수 있다. 그러므로 코드에 따라 주파수-전압 곡선은 이동될 수 있고(즉 8개의 주파수-전압 곡선이 선택될 수 있다), 대수 선형 범위도 넓어진다(도 6a와 비교할 때 약 4배 정도).
마지막으로 도 7을 참고한다. 도 7을 본 발명의 한 실시예에 따른 통신장치의 구성도이다. 통신장치(5)는 5G 이동통신에 사용될 수 있으며, 본 발명은 이 통신장치(5)의 응용을 국한하지 않는다. 통신장치(5)는 변압기 피드백 QVCO(51), 프론트-엔드 회로(52), 그리고 안테나(53)를 포함하며, 프론트-엔드 회로(53)는 변압기 피드백 QVCO(51)와 안테나(53)에 접속된다.
변압기 피드백 QVCO(51)는 도 2 또는 도 3의 변압기 피드백 QVCO 7이나 2일 수 있다. 그리고 본 발명은 이에 국한되지 않는다. 변압기 피드백 QVCO(51)는 프론트-엔드 회로(52)에 직교 위상 LO 신호 I+, I-, Q+, Q-를 제공한다. 본 실시예의 프론트-엔드 회로(52)는 데이터 신호 Din의 RF 신호를 공기 중에 생성하고 안테나(53)를 통해서 공기로부터 데이터 신호 Dout의 RF 신호를 수신하는 송수신기 회로이다. 하지만 본 발명은 이런 유형의 프론트-엔드 회로(52)에 국한되지 않는다. 그리고 또 다른 실시예에서, 프론트-엔드 회로(52)는 수신기 또는 송신기 회로일 수 있다.
끝으로, 본 발명의 실시예들은 변압기 피드백 QVCO와 이를 사용하는 통신장치를 제시한다. 변압기 피드백 QVCO는 본체-원천 축전기 커플링 방식을 사용하여 직교 위상 LO 신호를 생성한다. 커플링 축전기는 변압기 피드백 QVCO의 커플링 네트워크로 인한 직교 위상 LO 신호의 위상 오차를 정정하는 동적 위상 오차 정정 회로를 형성할 수 있다.
변압기 피드백 QVCO에는 변압기 피드백 QVCO의 출력단이 아니라 변압기 피드백 QVCO의내부 회로에 형성되는 커플링 네트워크가 있어, 출력 부하가 줄면 동작 주파수는 늘어나고 위상 잡음은 줄어든다. 변압기 피드백 QVCO는 또한 전환 축전기 장치가 있을 수 있어, 변압기 피드백 QVCO의 주파수-전압 곡선이 이동되어 대수 선형 범위를 늘리고 여러 다른 주파수에서의 위상 오프셋을 정정할 수 있다.
본 발명에서 상기 구체적인 실시예들은 일부 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 청구범위에 기재된 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형, 변경이 가능할 것이며, 이러한 것들은 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (19)

  1. 변압기 피드백 직교 전압 제어 발진기(QVCO)로서,
    첫째 전압 제어 발진기(VCO),
    둘째 VCO, 그리고
    첫째 및 둘째 VCO 사이에 연결되며, 첫째 및 둘째 VCO에 의해 출력되는 직교 위상의 국부 발진(LO) 위상 오차를 정정하기 위해 디지털 제어 신호에 따라 커패시턴스가 달라지는 여러 개의 커플링 축전기가 있는 동적 위상 오차 정정 회로를 포함하고,
    상기 변압기 피드백 QVCO는 첫째 절반 회로와 둘째 절반 회로에 의해 형성되며, 첫째 및 둘째 절반 회로는 각각,
    첫째 커플링 축전기,
    둘째 커플링 축전기,
    유도 인덕터,
    엔모스(NMOS) 트랜지스터,
    피모스(PMOS) 트랜지스터, 및
    첫째 단은 유도 인덕터의 첫째 단, PMOS 트랜지스터의 드레인, 그리고 NMOS 트랜지스터의 게이트에 연결되고 둘째 단은 유도 인덕터의 둘째 단, NMOS 트랜지스터의 드레인, 그리고 PMOS 트랜지스터의 게이트에 연결되는 주파수 튜닝 회로를 포함하며,
    첫째 및 둘째 절반 회로의 유도 인덕터는 변압기를 형성하고, 첫째 절반 회로의 PMOS 트랜지스터의 바디는 첫째 절반 회로의 첫째 커플링 축전기를 통해서 둘째 절반 회로의 PMOS 트랜지스터 소스에 접속되며, 첫째 절반 회로의 NMOS 트랜지스터의 바디는 첫째 절반 회로의 둘째 커플링 축전기를 통해서 둘째 절반 회로의 NMOS 트랜지스터 소스에 접속되며, 둘째 절반 회로의 PMOS 트랜지스터의 바디는 둘째 절반 회로의 첫째 커플링 축전기를 통해서 첫째 절반 회로의 NMOS 트랜지스터 소스에 접속되며, 둘째 절반 회로의 NMOS 트랜지스터의 바디는 둘째 절반 회로의 둘째 커플링 축전기를 통해서 첫째 절반 회로의 PMOS 트랜지스터 소스에 접속되며, PMOS 트랜지스터와 NMOS 트랜지스터의 드레인은 직교 위상 LO 신호를 출력하는 데 사용되며, LO 주파수는 주파수-전압 곡선에 근거하여 주파수 튜닝 회로에 적용되는 주파수 튜닝 전압에 의해 결정되며,
    첫째 및 둘째 절반 회로의 첫째 및 둘째 커플링 축전기는 동적 위상 오차 정정 회로의 가변 커플링 축전기로서 동적 위상 오차 정정 회로를 형성하며, 첫째 절반 회로의 NMOS 트랜지스터, PMOS 트랜지스터, 그리고 유도 인덕터는 첫째 VCO를 형성하며, 둘째 절반 회로의PMOS 트랜지스터, 그리고 유도 인덕터는 둘째 VCO를 형성하고,
    상기 첫째 및 둘째 절반 회로는 또한 각각:
    첫째 단은 주파수 튜닝 회로의 첫째 단에, 둘째 단은 주파수 튜닝 회로의 둘째 단에 접속되는 전환 축전기 장치를 포함하며, 전환 축전기 장치에 주어지는 코드는 주파수-전압 곡선을 이동하는 데 사용되고,
    상기 전환 축전기 장치는,
    스위치들과 축전기들을 포함하며, 각각의 스위치는 두 개의 축전기 사이에 접속되며, 각각의 스위치 및 상응하는 축전기 세트는 다른 한 세트에 병렬 접속되며, 코드는 스위치 중 최소한 한 개를 켜거나 끄기 위해 사용되는, 변압기 피드백 직교 전압 제어 발진기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 첫째 및 둘째 절반 회로는 또한 각각:
    첫째 및 둘째 절반 회로 중 상응하는 회로의 PMOS 트랜지스터의 소스가 그를 통해서 시스템 전압에 접속되는 첫째 인덕터, 그리고
    첫째 및 둘째 절반 회로 중 상응하는 회로의 NMOS 트랜지스터의 소스가 그를 통해서 접지되는 둘째 인덕터를 포함하는, 변압기 피드백 직교 전압 제어 발진기.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 주파수 튜닝 회로는,
    첫째 및 둘째 가변 축전기,
    첫째 및 둘째 저항기, 그리고
    첫째 및 둘째 축전기를 포함하며,
    주파수 튜닝 전압이 첫째 및 둘째 가변 축전기의 첫째 단에 적용되며, 첫째 가변 축전기의 둘째 단은 첫째 저항기와 첫째 축전기의 둘째 단에 접속되며, 둘째 가변 축전기의 둘째 단은 둘째 저항기와 둘째 축전기의 둘째 단에 접속되며, 바이어스 전압이 첫째 및 둘째 저항의 첫째 단에 적용되며, 첫째 및 둘째 저항기의 첫째 단은 제각기 PMOS와 NMOS 트랜지스터의 드레인에 접속되는, 변압기 피드백 직교 전압 제어 발진기.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 주파수 튜닝 전압이 올라가면 첫째 가변 축전기의 커패시턴스는 증가하고 둘째 가변 축전기의 커패시턴스는 감소하는, 변압기 피드백 직교 전압 제어 발진기.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서, LO 주파수는 17.2 GHz에서 18.6 GHz까지인, 변압기 피드백 직교 전압 제어 발진기.
  9. 청구항 1에 있어서, 주파수 오프셋 1 MHz에서 위상 잡음은 -110 dBc/Hz인, 변압기 피드백 직교 전압 제어 발진기.
  10. 통신장치로서,
    첫째 VCO,
    둘째 VCO, 그리고
    첫째 및 둘째 VCO 사이에 연결되며, 첫째 및 둘째 VCO에 의해 출력되는 직교 위상의 국부 발진(LO) 위상 오차를 정정하기 위해 디지털 제어 신호에 따라 커패시턴스가 달라지는 여러 개의 커플링 축전기가 있는 동적 위상 오차 정정 회로를 포함하는 변압기 피드백 QVCO와,
    변압기 피드백 QVCO 에 접속되는 프론트-엔드 회로를 포함하고,
    상기 변압기 피드백 QVCO는 첫째 절반 회로와 둘째 절반 회로로 형성되며, 첫째 절반 회로와 둘째 절반 회로는 각각,
    첫째 커플링 축전기,
    둘째 커플링 축전기,
    유도 인덕터,
    NMOS 트랜지스터,
    PMOS 트랜지스터, 그리고
    첫째 단은 유도 인덕터의 첫째 단, PMOS 트랜지스터의 드레인, 그리고 NMOS 트랜지스터의 게이트에 연결되고 둘째 단은 유도 인덕터의 둘째 단, NMOS 트랜지스터의 드레인, 그리고 PMOS 트랜지스터의 게이트에 연결되는 주파수 튜닝 회로를 포함하며,
    첫째 및 둘째 절반 회로의 유도 인덕터는 변압기를 형성하고, 첫째 절반 회로의 PMOS 트랜지스터의 바디는 첫째 절반 회로의 첫째 커플링 축전기를 통해서 둘째 절반 회로의 PMOS 트랜지스터 소스에 접속되며, 첫째 절반 회로의 NMOS 트랜지스터의 바디는 첫째 절반 회로의 둘째 커플링 축전기를 통해서 둘째 절반 회로의 NMOS 트랜지스터 소스에 접속되며, 둘째 절반 회로의 PMOS 트랜지스터의 바디는 둘째 절반 회로의 첫째 커플링 축전기를 통해서 첫째 절반 회로의 NMOS 트랜지스터 소스에 접속되며, 둘째 절반 회로의 NMOS 트랜지스터의 바디는 둘째 절반 회로의 둘째 커플링 축전기를 통해서 첫째 절반 회로의 PMOS 트랜지스터 소스에 접속되며, PMOS 트랜지스터와 NMOS 트랜지스터의 드레인은 직교 위상 LO 신호를 출력하는 데 사용되며, LO 주파수는 주파수-전압 곡선에 근거하여 주파수 튜닝 회로에 적용되는 주파수 튜닝 전압에 의해 결정되며,
    첫째 및 둘째 절반 회로의 첫째 및 둘째 커플링 축전기는 동적 위상 오차 정정 회로의 가변 커플링 축전기로서 동적 위상 오차 정정 회로를 형성하며, 첫째 절반 회로의 NMOS 트랜지스터, PMOS 트랜지스터, 그리고 유도 인덕터는 첫째 VCO를 형성하며, 둘째 절반 회로의PMOS 트랜지스터, 그리고 유도 인덕터는 둘째 VCO를 형성하고,
    상기 첫째 절반 회로와 둘째 절반 회로는 각각,
    첫째 단은 주파수 튜닝 회로의 첫째 단에, 둘째 단은 주파수 튜닝 회로의 둘째 단에 접속되는 전환 축전기 장치를 더 포함하며, 전환 축전기 장치에 주어지는 코드는 주파수-전압 곡선을 이동하는 데 사용되고,
    상기 전환 축전기 장치는,
    스위치들과 축전기들을 포함하되, 각각의 스위치는 두 개의 축전기 사이에 접속되며, 각각의 스위치 및 상응하는 축전기 세트는 다른 한 세트에 병렬 접속되며, 코드는 스위치 중 최소한 한 개를 켜거나 끄기 위해 사용되는, 통신장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 청구항 10에 있어서, 상기 첫째 절반 회로와 둘째 절반 회로는 각각,
    첫째 및 둘째 절반 회로 중 상응하는 회로의 PMOS 트랜지스터의 소스가 그를 통해서 시스템 전압에 접속되는 첫째 인덕터, 및
    첫째 및 둘째 절반 회로 중 상응하는 회로의 NMOS 트랜지스터의 소스가 그를 통해서 접지되는 둘째 인덕터를 더 포함하는, 통신장치.
  14. 청구항 10에 있어서, 상기 주파수 튜닝 회로는,
    첫째 및 둘째 가변 축전기,
    첫째 및 둘째 저항기, 및
    첫째 및 둘째 축전기를 포함하되,
    주파수 튜닝 전압이 첫째 및 둘째 가변 축전기의 첫째 단에 적용되며, 첫째 가변 축전기의 둘째 단은 첫째 저항기와 첫째 축전기의 둘째 단에 접속되며, 둘째 가변 축전기의 둘째 단은 둘째 저항기와 둘째 축전기의 둘째 단에 접속되며, 바이어스 전압이 첫째 및 둘째 저항의 첫째 단에 적용되며, 첫째 및 둘째 저항기의 첫째 단은 제각기 PMOS와 NMOS 트랜지스터의 드레인에 접속되는, 통신장치.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 주파수 튜닝 전압이 올라가면 첫째 가변 축전기의 커패시턴스는 증가하고 둘째 가변 축전기의 커패시턴스는 감소하는, 통신장치.
  16. 삭제
  17. 청구항 10에 있어서, 상기 통신장치는,
    송수신기 회로, 수신기 회로 또는 송신기 회로인 프론트-엔드 회로에 접속되는 안테나를 더 포함하는, 통신장치.
  18. 청구항 10에 있어서, LO 주파수는 17.2 GHz에서 18.6 GHz까지인, 통신장치.
  19. 청구항 10에 있어서, 주파수 오프셋 1 MHz에서 위상 잡음은 -110 dBc/Hz인, 통신장치.
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