KR102222808B1 - 전압 제어 발진기 및 이를 포함하는 주파수 합성 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전압 제어 발진기 및 이를 포함하는 주파수 합성 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제어 전압에 따라 발진 주파수를 가변시켜 출력하기 위한 전압 제어 발진기 및 이를 포함하는 주파수 합성 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기는 부성 저항을 생성하여, 공진 주파수 신호로부터 발진 주파수 신호를 출력하는 전압 제어 발진기로서, 상기 공진 주파수 신호를 발생시키기 위한 제어 전압과, 상기 부성 저항을 생성하기 위한 제어 전압이 개별적으로 입력된다.

Description

전압 제어 발진기 및 이를 포함하는 주파수 합성 장치{VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR AND APPARATUS FOR SYNTHESIZING FREQUENCY HAVING THE SAME}

본 발명은 전압 제어 발진기 및 이를 포함하는 주파수 합성 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제어 전압에 따라 발진 주파수를 가변시켜 출력하기 위한 전압 제어 발진기 및 이를 포함하는 주파수 합성 장치에 관한 것이다.

일반적으로 전압 제어 발진기(VCO: Voltage Controlled Oscillator)는 외부에서 인가되는 제어 전압에 따라 출력되는 발진 주파수를 가변시키는 기기를 말한다.

전압 제어 발진기는 RF 송신 시스템에서 가장 중요한 부품들 중 하나이다. 발진 제어 범위, 위상 잡음, 소비 전력, 출력 파워 등이 전압 제어 발진기의 설계에서 고려하여야 할 사항이다. 그 중에서 발진기의 위상 잡음은 통신 시스템, 레이더 등의 응용에서 성능에 직접 영향을 준다. 또한, 최근 초고속 무선 통신 시스템에서의 데이터 속도의 증가와 인접 주파수의 사용에 따라 발진기의 위상 잡음 특성에 대한 중요성은 더욱 높아지고 있다.

1966년 Leeson의 발진기 선형 위상 잡음 모델 이후로, 발진기의 위상 잡음을 개선하기 위한 수많은 노력이 있었다. 이러한 발진기의 위상 잡음을 개선하는 기존의 방법은 크게 두 가지 부류로 나누어진다. 하나는 발진기에 사용되는 트랜지스터와 관련된 반도체 기술의 진보를 통한 방법이고, 다른 하나는 특정 주파수의 선택 특성을 의미하는 Q 값을 향상시킨 공진기의 개발로 발진기의 위상 잡음을 개선하여 왔다.

그러나, 이와 같은 종래의 방법들은 주로 협대역을 가지는 발진기의 위상 잡음을 개선하기 위한 것으로, 광대역을 갖는 전압 제어 발진기의 경우에는 넓은 대역에서 발진 조건을 충족시키기가 매우 어려운 문제점이 있었다. 또한, 발진 조건을 만족하는 경우에도 위상 잡음의 악화가 발생하는 현상은 피할 수 없는 문제점이 있었다.

KR 10-0095066 B1

본 발명은 위상 잡음이 최소화된 발진 주파수 신호를 출력할 수 있는 전압 제어 발진기 및 이를 포함하는 주파수 합성 장치를 제공한다.

본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기는, 부성 저항을 생성하여, 공진 주파수 신호로부터 발진 주파수 신호를 출력하는 전압 제어 발진기로서, 상기 공진 주파수 신호를 발생시키기 위한 제어 전압과, 상기 부성 저항을 생성하기 위한 제어 전압이 개별적으로 입력된다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기는, 부성 저항을 생성하여, 공진 주파수 신호로부터 발진 주파수 신호를 출력하는 전압 제어 발진기로서, 상기 공진 주파수 신호를 발생시키기 위한 제1 제어 전압을 입력받는 제1 단자; 및 상기 부성 저항을 생성하기 위한 제2 제어 전압을 입력받는 제2 단자;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기는, 입력되는 공진 주파수 신호에 따라 발진 주파수 신호를 생성하는 트랜지스터부; 상기 트랜지스터부의 컬랙터에 연결되어 전원을 공급하는 전원부; 상기 트랜지스터부의 베이스에 연결되어 공진 주파수 신호를 발생시키는 공진부; 상기 트랜지스터의 에미터에 연결되어 부성 저항을 생성하는 부성 저항 생성부; 상기 공진부에 공진 주파수 신호를 발생시키기 위한 제1 제어 전압을 입력하는 제1 전압 입력부; 및 상기 부성 저항 생성부에 부성 저항을 생성하기 위한 제2 제어 전압을 입력하는 제2 전압 입력부;를 포함할 수 있다.

상기 제1 전압 입력부 및 제2 전압 입력부는 별개의 단자로 형성될 수 있다.

상기 공진부와 상기 부성 저항 생성부는 상호 독립된 회로로 형성될 수 있다.

상기 공진부는, 일단이 상기 제1 전압 입력부에 연결되고, 타단이 접지되는 제1 바랙터 다이오드; 일단이 상기 제1 바랙터 다이오드의 일단에 연결되는 공진 커패시터; 및 일단이 상기 공진 커패시터의 타단에 연결되고, 타단이 상기 트랜지스터부의 베이스에 연결되는 제1 마이크로 스트립 라인;을 포함할 수 있다.

상기 부성 저항 생성부는, 일단이 상기 제2 전압 입력부에 연결되고, 타단이 상기 트랜지스터부의 에미터에 연결되는 제2 바랙터 다이오드; 일단이 상기 제2 전압 입력부에 연결되고, 타단이 접지되는 제3 바랙터 다이오드; 및 일단이 상기 제2 바랙터 다이오드의 타단에 연결되고, 타단이 접지되는 제2 마이크로 스트립 라인;을 포함할 수 있다.

상기 제1 제어 전압 및 상기 제2 제어 전압은 서로 다른 값을 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 합성 장치는, 전술한 어느 하나의 전압 제어 발진기; 기준 신호와 상기 전압 제어 발진기로부터 출력되는 출력 신호를 비교하여 제1 제어 신호를 출력하기 위한 위상 검출기; 상기 제1 제어 신호로부터 제1 제어 전압을 생성하여 상기 전압 제어 발진기에 입력하기 위한 제1 전압 공급기; 및 상기 전압 제어 발진기에 상기 제1 제어 전압과는 별개의 제2 제어 전압을 입력하기 위한 제2 전압 공급기;를 포함한다.

상기 기준 신호를 발생시키기 위한 직접 디지털 합성기;를 더 포함하고, 상기 제2 제어 전압은 상기 디지털 합성기로부터 출력되는 제2 제어 신호로부터 생성될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기 및 이를 포함하는 주파수 합성 장치에 의하면, 공진 주파수 신호를 발생시키기 위한 제어 전압과 부성 저항을 생성하기 위한 제어 전압을 개별적으로 제어함으로써 위상 잡음을 최소화시킬 수 있다.

또한, 바랙터 다이오드를 이용하여 공진 주파수 신호 및 부성 저항을 생성함으로써 넓은 대역에서의 발진 조건을 만족시킬 수 있게 되며, 이와 동시의 주파수의 선택 특성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

도 1은 콜피츠 전압 제어 발진기의 구조 및 등가 모델을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기를 개략적으로 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기의 회로 구조를 나타내는 도면.
도 4는 제1 제어 전압 및 제2 제어 전압에 따른 발진 주파수 특성을 나타내는 도면.
도 5는 제1 제어 전압 및 제2 제어 전압에 따른 위상 잡음 특성을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기의 위상 잡음 특성을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 합성 장치를 개략적으로 나타내는 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

일반적으로, 광대역 전압 제어 발진기로는 콜피츠(Colpitts) 구조와 하틀리(Hartley) 구조를 사용한다. 본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기는 콜피츠 구조를 기반으로 설계되며, 콜피츠 구조의 전압 제어 발진기는 부성 저항을 제공하기 위하여 커패시턴스를 직렬 귀환 리액턴스로 사용한다.

본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기에 대한 설명에 앞서, 먼저 도 1을 참조하여 콜피츠 전압 제어 발진기의 기본 구조에 대하여 살펴보기로 한다.

도 1은 콜피츠 전압 제어 발진기의 구조 및 등가 모델을 나타내는 도면이다. 보다 상세하게는, 도 1(a)는 콜피츠 전압 제어 발진기의 간략화된 구조를 나타내는 회로도이고, 도 1(b)는 콜피츠 전압 제어 발진기의 소신호 등가 모델의 회로도이다.

도 1(a)에 도시된 바와 같이, 콜피츠 구조의 광대역 전압 제어 발진기는 커패시터(C1) 및 커패시터(C2)를 직렬 귀환 리액턴스로 사용한다. 여기서, 인덕터(Lr)는 특정 주파수 이상의 전류를 저지하기 위하여 사용되며, 커패시터(Cr)은 트랜지스터(T)에 인가되는 전류가 공진 회로로 유입되는 것을 방지하기 위하여 구비된다. 한편, 저항(RL)은 부하 저항을 의미한다.

도 1(a)에 도시된 회로도는 도 1(b)에 도시된 소신호 등가 모델로 나타낼 수 있다. 즉, 트랜지스터(T)의 베이스 측에서 바라본 도 1(a)에 도시된 회로의 등가 모델은 도 1(b)의 소신호 모델과 등가의 회로 구조를 가진다.

여기서, 도 1(b)의 회로도에서 베이스 전류 ib가 흐르는 vb 노드에서 c2와 c1 까지의 루프에서 키르히호프의 전압 법칙(KVL: Kirchhoff's Voltage Law)을 적용하면 하기의 수학식 1과 같다.

[수학식 1]

상기의 수학식 1로부터 트랜지스터(T)의 베이스 측에서 바라본 임피던스를 구하면 하기의 수학식 2와 같다.

[수학식 2]

수학식 2의 결과와 같이, 트랜지스터(T)의 베이스 측을 들여다본 임피던스는 실수부가 음의 값을 가지게 되며, 부가적으로 커패시턴스의 리액턴스를 가지게 된다. 이때, 부가적으로 발생된 리액턴스를 베이스 측에 연결되는 공진 회로의 인덕턴스로 제거해주게 되면 발진 조건이 만족하게 된다.

이하에서는, 상기와 같은 발진 조건을 만족시키는 콜피츠 구조를 기반으로 설계된 본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기를 개략적으로 나타내는도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기의 회로 구조를 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기(100)(VCO: Voltage Controlled Oscillator)는 부성 저항을 생성하여, 공진 주파수 신호로부터 발진 주파수 신호를 출력하는 전압 제어 발진기(100)로서, 상기 공진 주파수 신호를 발생시키기 위한 제어 전압과, 상기 부성 저항을 생성하기 위한 제어 전압이 개별적으로 입력된다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기(100)는 부성 저항을 생성하여, 공진 주파수 신호로부터 발진 주파수 신호를 출력하는 전압 제어 발진기(100)로서, 상기 공진 주파수 신호를 발생시키기 위한 제1 제어 전압을 입력받는 제1 단자 및 상기 부성 저항을 생성하기 위한 제2 제어 전압을 입력받는 제2 단자;를 포함한다.

즉, 기존의 전압 제어 발진기(100)의 경우 공진 주파수 신호를 발생시키기 위한 제어 전압과 부성 저항을 생성하기 위한 제어 전압은 공통으로 사용되었다. 그러나, 본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기(100)는 공진 주파수 신호를 발생시키기 위한 공진부(130)와 부성 저항을 생성하기 위한 부성 저항 생성부(140)에 인가되는 제어 전압을 개별로 제어하는 구조로, 동일한 발진 주파수를 가지는 신호를 출력함에 있어서 최적화된 위상 잡음 특성을 가질 수 있다.

이를 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기(100)는 입력되는 공진 주파수 신호에 따라 발진 주파수 신호를 생성하는 트랜지스터부(110), 상기 트랜지스터부(110)의 컬랙터에 연결되어 전원을 공급하는 전원부(120), 상기 트랜지스터부(110)의 베이스에 연결되어 공진 주파수 신호를 발생시키는 공진부(130), 상기 트랜지스터의 에미터에 연결되어 부성 저항을 생성하는 부성 저항 생성부(140), 상기 공진부(130)에 공진 주파수 신호를 발생시키기 위한 제1 제어 전압을 입력하는 제1 전압 입력부(150) 및 상기 부성 저항 생성부(140)에 부성 저항을 생성하기 위한 제2 제어 전압을 입력하는 제2 전압 입력부(160)를 포함할 수 있다.

트랜지스터부(110)는 입력되는 공진 주파수 신호에 따라 발진 주파수 신호를 생성한다. 트랜지스터부(110)는 이의 각 단자로 컬렉터(C), 베이스(B) 및 에미터(E)를 구비하며, 전압을 증폭하여 입력되는 공진 주파수 신호로부터 발진 주파수 신호를 생성한다. 트랜지스터부(110)는 BJT(Bipolar Junction Transistor)를 포함할 수 있으며, BJT를 포함하는 트랜지스터와 관련하여는 다수의 기술이 공지되어 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

전원부(120)는 트랜지스터부(110)의 컬렉터(C)에 연결되어 전원을 공급한다. 전원부(120)는 트랜지스터부(110)의 컬렉터(C)에 직렬 연결될 수 있으며, 공급 전압원(Vcc)과 병렬로 바이어스 저항(Rb1) 및 바이어스 저항(Rb1)이 더 연결될 수 있다. 바이어스 저항(Rb1) 및 바이어스 저항(Rb1)은 전원부(120)로부터 공급되는 바이어스 전압을 안정화시키는 역할을 수행한다.

공진부(130)는 트랜지스터부(110)의 베이스(B)에 연결되어 공진 주파수 신호를 발생시킨다. 여기서, 공진부(130)는 일단이 상기 제1 전압 입력부(150)에 연결되고, 타단이 접지되는 제1 바랙터 다이오드(Db), 일단이 상기 제1 바랙터 다이오드(Db)의 일단에 연결되는 공진 커패시터(Cb) 및 일단이 상기 공진 커패시터(Cb)의 타단에 연결되고, 타단이 상기 트랜지스터부(110)의 베이스(B)에 연결되는 제1 마이크로 스트립 라인(ML1)을 포함할 수 있다.

바랙터 다이오드(Db)는 LC 공진을 일으켜 공진 주파수 신호를 발생시킨다. 여기서, 단순 LC 공진을 위해서는 일반의 커패시터로 대체될 수도 있지만 가변적인 주파수를 가지는 공진 주파수 신호를 생성하기 위하여 용량 변경이 가능한 바랙터 다이오드(Db)를 이용하는 것이 바람직하다.

바랙터 다이오드(Db)는 공진 커패시터(Cb)와 합쳐진 커패시턴스 값을 가지며, 이는 다시 제1 마이크로 스트립 라인(ML1)과 연결되어 트랜지스터부(110)의 베이스(B) 측을 바라본 임피던스(Z active)의 리액턴스를 상쇄시키는 인덕턴스를 생성한다.

부성 저항 생성부(140)는 트랜지스터부(110)의 에미터(E)에 연결되어 부성 저항을 생성한다. 여기서, 부성 저항 생성부(140)는 일단이 상기 제2 전압 입력부(160)에 연결되고, 타단이 상기 트랜지스터부(110)의 에미터(E)에 연결되는 제2 바랙터 다이오드(De1), 일단이 상기 제2 전압 입력부(160)에 연결되고, 타단이 접지되는 제3 바랙터 다이오드(De2) 및 일단이 상기 제2 바랙터 다이오드(De1)의 타단에 연결되고, 타단이 접지되는 제2 마이크로 스트립 라인(ML2)을 포함할 수 있다. 여기서, 저항(Re)는 트랜지스터부(110)의 에미터(E)에 인가되는 전압을 안정화시키는 역할을 수행한다

트랜지스터부(110)의 에미터(E)에 연결되는 제2 바랙터 다이오드(De1)와 제3 바랙터 다이오드(De2)는 제2 마이크로 스트립 라인(ML2)과 병렬 공진 구조를 가진다. 이와 같이 부성 저항 생성부(140)에 사용되는 바랙터 다이오드를 두 개로 구성하는 경우 부성 저항을 갖는 주파수 범위가 더 넓어져 광대역 발진기에 유리한 효과가 있다. 제2 바랙터 다이오드(De1)와 제3 바랙터 다이오드(De2)는 제2 전압 입력부(160)로부터 입력되는 제2 제어 전압에 따라 커패시턴스 값이 바뀌면서 트랜지스터부(110)의 베이스(B)에서 바라본 임피던스(Z active)는 일정 주파수 범위에서 부성 저항을 가지게 된다.

제1 전압 입력부(150)는 공진부(130)에 공진 주파수 신호를 발생시키기 위한 제1 제어 전압(VTB)을 입력한다. 또한, 제2 전압 입력부(160)는 부성 저항 생성부(140)에 부성 저항을 생성하기 위한 제2 제어 전압(VTE)을 입력한다. 여기서, 제1 전압 입력부(150) 및 제2 전압 입력부(160)는 별개의 단자로 형성되어 각각 별개의 제1 제어 전압 및 제2 제어 전압을 입력받는다.

공진 주파수 신호를 발생시키기 위한 제어 전압과 부성 저항을 생성하기 위한 제어 전압을 공통된 전압으로 입력하는 기존의 경우에, 공진부(130)를 구성하는 제1 바랙터 다이오드(Db)의 커패시턴스 값이 하나로 고정이 되어 발진을 선택할 수 있는 경우의 수가 하나로 고정이 된다. 그러나, 본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기(100)는 공진부(130)와 부성 저항 생성부(140)가 상호 독립된 회로로 이루어져 공진 주파수 신호를 발생시키기 위한 제어 전압과 부성 저항을 생성하기 위한 제어 전압이 개별적으로 입력됨으로써 여러가지 경우의 수를 고려할 수 있게 된다. 즉, 발진기의 위상 잡음은 공진기의 Q(unloaded) 값과 Q(loaded) 값의 비율에 따라 변하며, 위상 잡음이 가장 낮은 지점이 존재한다. 따라서, 공진 주파수 신호를 발생시키기 위한 제어 전압과 부성 저항을 생성하기 위한 제어 전압을 개별적으로 입력함으로써 위상 잡음이 최적화된 발진 조건을 선택할 수 있게 된다.

이하에서, 본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기(100)를 제작하여 성능을 측정한 결과에 대하여 설명한다.

도 4는 제1 제어 전압 및 제2 제어 전압에 따른 발진 주파수 특성을 나타내는 도면이고, 도 5는 제1 제어 전압 및 제2 제어 전압에 따른 위상 잡음 특성을 나타내는 도면이다. 또한, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기(100)의 위상 잡음 특성을 나타내는 도면이다.

본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기(100)를 제작하기 위하여 사용된 트랜지스터는 Renesas 사의 2SC5508 이고, 0.8 mm FR4 기판을 사용하였다. 발진기 회로 설계는 직렬 귀환 발진기 설계를 기반으로 제작하였다. 여기서, 신호 분석기를 이용하여 트랜지스터부(110)의 베이스(B)로 입력되는 제1 제어 전압을 0 내지 20 V, 트랜지스터부(110)의 에미터(E)로 입력되는 제2 제어 전압을 0 내지 20 V로 바꾸어가며 동작 주파수와 위상 잡음 특성을 측정하였다.

도 4를 참조하면, 일부 제어 구간에서 발진 주파수가 6 GHz 대역으로 이동하는 현상이 발생한 것을 알 수 있다. 이와 같은 구간은 기본 발진 구간이 아니기 때문에 사용이 어렵다. 이와 같이 발진 주파수가 6 GHz 대역으로 이동한 구간은 도 4에서 회색 영역으로 나타나며, 이 구간을 제외한 선형적인 특성을 가지는 대역의 발진기 동작 주파수는 2.0 내지 3.8 GHz의 약 1.8 GHz의 대역폭을 가짐을 알 수 있다.

또한, 도 5에서 점선으로 도시된 부분은 제1 제어 전압(VTB)과 제2 제어 전압(VTE)이 같을 때의 결과이다. 이와 같이 제1 제어 전압(VTB)과 제2 제어 전압(VTE)이 같을 때의 결과는 공진 주파수 신호를 발생시키기 위한 제어 전압과 부성 저항을 생성하기 위한 제어 전압을 공통된 전압으로 입력하는 기존의 발진기 구조에서의 위상 잡음 특성과 같다.

100 kHz의 오프셋(offset)에서 제1 제어 전압(VTB)이 16 V, 제2 제어 전압(VTE)이 16 V일 때, -5.37 dBc/Hz의 위상 잡음을 나타내나, 제1 제어 전압(VTB)을 3V로 변경하면, 최적화된 -8.74 dBc/Hz의 낮은 위상 잡음을 가지게 되어 13. 37 dB의 성능이 개선됨을 확인할 수 있다. 이와 같이, 제1 제어 전압(VTB)과 제2 제어 전압(VTE)을 별개로 제어하고, 서로 다른 값의 제어 전압을 입력하는 경우 전 대역에 걸쳐 약 0 내지 13.37 dB의 위상 잡음이 개선됨을 알 수 있으며, 기존과 같이 공통 제어 전압을 사용하는 경우(VTE=VTB)의 위상 잡음과 본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기(100, Optimized tuned voltage)의 위상 잡음 특성은 도 6에 도시한 바와 같다.

이하에서, 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 합성 장치에 대하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 합성 장치에 대한 설명에 있어서, 본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기(100)와 관련하여 전술한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 합성 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 합성 장치는 전압 제어 발진기(100), 기준 신호와 상기 전압 제어 발진기(100)로부터 출력되는 출력 신호를 비교하여 제1 제어 신호를 출력하기 위한 위상 검출기(200), 상기 제1 제어 신호로부터 제1 제어 전압을 생성하여 상기 전압 제어 발진기(100)에 입력하기 위한 제1 전압 공급기(300) 및 상기 전압 제어 발진기(100)에 상기 제1 제어 전압과는 별개의 제2 제어 전압을 입력하기 위한 제2 전압 공급기(400)를 포함한다.

전압 제어 발진기(100)는 전술한 본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기(100)가 그대로 적용될 수 있다. 즉, 전압 제어 발진기(100)는 부성 저항을 생성하여, 공진 주파수 신호로부터 발진 주파수 신호를 출력하는 전압 제어 발진기(100)로서, 상기 공진 주파수 신호를 발생시키기 위한 제어 전압과, 상기 부성 저항을 생성하기 위한 제어 전압이 개별적으로 입력될 수 있다.

또한, 전압 제어 발진기(100)는 부성 저항을 생성하여, 공진 주파수 신호로부터 발진 주파수 신호를 출력하는 전압 제어 발진기(100)로서, 상기 공진 주파수 신호를 발생시키기 위한 제1 제어 전압을 입력받는 제1 단자 및 상기 부성 저항을 생성하기 위한 제2 제어 전압을 입력받는 제2 단자를 포함할 수 있다.

이를 위하여, 전압 제어 발진기(100)는 입력되는 공진 주파수 신호에 따라 발진 주파수 신호를 생성하는 트랜지스터부(110), 상기 트랜지스터부(110)의 컬랙터에 연결되어 전원을 공급하는 전원부(120), 상기 트랜지스터부(110)의 베이스에 연결되어 공진 주파수 신호를 발생시키는 공진부(130), 상기 트랜지스터의 에미터에 연결되어 부성 저항을 생성하는 부성 저항 생성부(140), 상기 공진부(130)에 공진 주파수 신호를 발생시키기 위한 제1 제어 전압을 입력하는 제1 전압 입력부(150) 및 상기 부성 저항 생성부(140)에 부성 저항을 생성하기 위한 제2 제어 전압을 입력하는 제2 전압 입력부(160)를 포함할 수 있다.

위상 검출기(200)(PFD: Phase Frequency Detector)는 기준 신호와 상기 전압 제어 발진기(100)로부터 출력되는 출력 신호를 비교하여 제1 제어 신호를 출력한다. 여기서, 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 합성 장치는 직접 디지털 합성기(DDS: Direct Digital Synthesizer)를 더 포함할 수 있으며, 직접 디지털 합성기는 기준 신호를 발생시켜 위상 검출기(200)에 입력시킨다. 즉, 직접 디지털 합성기는 기준 신호를 발생시키며, 직접 디지털 합성기로부터 발생된 기준 신호는 위상 검출기에 입력된다. 위상 검출기(200)는 기준 신호와 전압 제어 발진기(100)로부터 출력되는 출력 신호를 비교하여 그 위상 차이 만큼의 펄스 신호를 전압 제어 발진기(100)로부터 출력되는 출력 신호의 주파수를 조절하기 위한 제1 제어 신호로 출력하게 된다.

제1 전압 공급기(300)는 상기 위상 검출기(200)로부터 출력된 제1 제어 신호로부터 제1 제어 전압을 생성하여 전압 제어 발진기(100)에 입력한다. 여기서, 제1 전압 공급기(300)로부터 생성되는 제1 제어 전압은 제어 전압 발진기(100)의 공진부(130)에 입력되어 공진 주파수 신호를 발생시키게 된다. 이와 같은, 제1 전압 공급기(300)는 차지 펌프(charge pump)를 포함할 수 있으며, 차지 펌프와 전압 제어 발진기(100) 사이에 배치되는 제1 루프 필터(loop filter)를 더 포함할 수 있다.

차지 펌프는 위상 검출기(200)로부터 출력된 제1 제어 신호의 부호에 따라 (-), (+) 형태의 전압을 출력하는 기능을 수행한다. 차지 펌프는 특정량의 전하(charge)를 밀고 당기게 되어 있어, 펄스 폭에 따라 출력되는 전하량이 달라지고, 그렇게 두 신호의 차이만큼의 전하량을 밀고 당겨주어, 펄스 신호의 부호에 따라 (-), (+) 전압을 출력한다.

제1 루프 필터는 저역 통과 필터(LPF: Low Pass Filter)의 특성을 가져, 차지 펌프로부터 출력되는 전압을 저역 필터링하여 DC 성분만을 전압 제어 발진기(100)의 제1 제어 전압으로서 인가한다. 즉, 차지 펌프와 제1 루프 필터는 위상 검출기(200)가 전압 제어 발진기(100)로부터 출력되는 출력 신호를 기준 신호와 비교하고, 위상 차이 만큼의 펄스 신호를 발생시키면, 그 신호의 주파수 차이만큼 적분하여 그에 비례하는 특정 레벨의 전압으로 변화시키고, 스퓨리어스(spurious) 성분을 제거하는 구성이다.

위상 검출기(200)가 원하지 않는 스퓨리어스 성분을 출력하게 되면, 제1 루프 필터는 저역 통과 필터 구조를 통하여 스퓨리어스 성분을 제거하여 불필요한 신호를 걸러내는 역할을 하게 된다. 여기서, 제1 루프 필터는 능동 또는 수동 필터로 구분되며, 필터단은 보통 2차 혹은 3차의 필터로 구성될 수 있다.

제2 전압 공급기(400)는 전압 제어 발진기(100)에 상기 제1 제어 전압과는 별개의 제2 제어 전압을 입력한다. 즉, 제2 전압 공급기(400)는 제1 제어 전압과는 별개의 제2 제어 전압을 전압 제어 발진기(100)의 부성 저항을 형성하기 위한 제어 전압으로 인가한다.

제2 전압 공급기(400)는 제1 전압 공급기(300)와 별개로 전압을 생성하여 전압 제어 발진기(100)에 공급할 수도 있으나, 제2 전압 공급기(400)는 전술한 직접 디지털 합성기로부터 출력되는 제2 제어 신호로부터 제1 제어 전압과는 별개의 제2 제어 전압을 생성하고, 생성된 제2 제어 전압을 전압 제어 발진기(100)에 인가할 수 있다. 이를 위하여, 제2 전압 공급기는 직접 디지털 합성기로부터 출력되는 펄스 신호를 아날로그 신호로 변환하여 제2 제어 전압을 생성하기 위한 디지털 아날로그 컨버터(DAC: Digital Analog Converter)를 포함할 수 있으며, 디지털 아날로그 컨버터와 전압 제어 발진기(100) 사이에 배치되는 제2 루프 필터(loop filter)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제2 루프 필터는 디지털 아날로그 컨버터로부터 출력되는 제2 제어 전압의 스퓨리어스 성분을 제거하여 불필요한 신호를 걸러내는 역할을 하게 되며, 제2 루프 필터는 능동 또는 수동 필터로 구분되며, 필터단은 보통 2차 혹은 3차의 필터로 구성될 수 있음은 전술한 제1 루프 필터의 경우와 동일하다.

또한, 제2 전압 공급기(400)는 전술한 바와 달리 제1 제어 전압을 변환하여 제2 제어 전압을 생성할 수도 있다. 즉, 제2 전압 공급기(400)는 제1 전압 공급기(300)로부터 생성되는 제1 제어 전압을 변환하여 제2 제어 전압을 생성할 수도 있다. 이를 위하여 제2 제어 전압 공급기(400)는 제1 전압 공급기(300)와 전압 제어 발진기(100)를 연결하는 경로에 병렬로 배치되는 가변 저항을 포함할 수도 있으며, 레귤레이터(regulator)를 제1 전압 공급기(500)와 전압 제어 발진기(100)를 연결하는 경로에 병렬로 배치하여 이를 구성할 수도 있음은 물론이다.

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 전압 제어 발진기 및 이를 포함하는 주파수 합성 장치에 의하면, 공진 주파수 신호를 발생시키기 위한 제어 전압과 부성 저항을 생성하기 위한 제어 전압을 개별적으로 제어함으로써 위상 잡음을 최소화시킬 수 있다.

또한, 바랙터 다이오드를 이용하여 공진 주파수 신호 및 부성 저항을 생성함으로써 넓은 대역에서의 발진 조건을 만족시킬 수 있게 되며, 이와 동시의 주파수의 선택 특성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

상기에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시 예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시 예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

100: 전압 제어 발진기 110: 트랜지스터부
120: 전원부 130: 공진부
140: 부성 저항 생성부 150: 제1 전압 입력부
160: 제2 전압 입력부 200: 위상 검출기
300: 제1 전압 공급기 400: 제2 전압 공급기

Claims (10)

1. 삭제
2. 삭제
3. 입력되는 공진 주파수 신호에 따라 발진 주파수 신호를 생성하는 트랜지스터부;
   상기 트랜지스터부의 컬랙터에 연결되어 전원을 공급하는 전원부;
   상기 트랜지스터부의 베이스에 연결되어 공진 주파수 신호를 발생시키는 공진부;
   상기 트랜지스터의 에미터에 연결되어 부성 저항을 생성하는 부성 저항 생성부;
   상기 공진부에 공진 주파수 신호를 발생시키기 위한 제1 제어 전압을 입력하는 제1 전압 입력부; 및
   상기 부성 저항 생성부에 부성 저항을 생성하기 위한 제2 제어 전압을 입력하는 제2 전압 입력부;를 포함하고,
   상기 부성 저항 생성부는,
   일단이 상기 제2 전압 입력부에 연결되고, 타단이 상기 트랜지스터부의 에미터에 연결되는 제2 바랙터 다이오드;
   일단이 상기 제2 전압 입력부에 연결되고, 타단이 접지되는 제3 바랙터 다이오드; 및
   일단이 상기 제2 바랙터 다이오드의 타단에 연결되고, 타단이 접지되는 제2 마이크로 스트립 라인;을 포함하는 전압 제어 발진기.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제1 전압 입력부 및 제2 전압 입력부는 별개의 단자로 형성되는 전압 제어 발진기.
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 공진부와 상기 부성 저항 생성부는 상호 독립된 회로로 형성되는 전압 제어 발진기.
6. 청구항 3에 있어서,
   상기 공진부는,
   일단이 상기 제1 전압 입력부에 연결되고, 타단이 접지되는 제1 바랙터 다이오드;
   일단이 상기 제1 바랙터 다이오드의 일단에 연결되는 공진 커패시터; 및
   일단이 상기 공진 커패시터의 타단에 연결되고, 타단이 상기 트랜지스터부의 베이스에 연결되는 제1 마이크로 스트립 라인;을 포함하는 전압 제어 발진기.
7. 삭제
8. 청구항 3에 있어서,
   상기 제1 제어 전압 및 상기 제2 제어 전압은 서로 다른 값을 가지는 전압 제어 발진기.
9. 청구항 3 내지 청구항 6 및 청구항 8 중 어느 하나의 전압 제어 발진기;
   기준 신호와 상기 전압 제어 발진기로부터 출력되는 출력 신호를 비교하여 제1 제어 신호를 출력하기 위한 위상 검출기;
   상기 제1 제어 신호로부터 제1 제어 전압을 생성하여 상기 전압 제어 발진기에 입력하기 위한 제1 전압 공급기; 및
   상기 전압 제어 발진기에 상기 제1 제어 전압과는 별개의 제2 제어 전압을 입력하기 위한 제2 전압 공급기;를 포함하는 주파수 합성 장치.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 기준 신호를 발생시키기 위한 직접 디지털 합성기;를 더 포함하고,
    상기 제2 제어 전압은 상기 디지털 합성기로부터 출력되는 제2 제어 신호로부터 생성되는 주파수 합성 장치.
    

Images