KR20010008846A - 저위상 잡음 특성을 갖는 알에프 주파수 합성기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 링크 리시버나 WLL등에 사용되는 저위상 잡음 특성을 갖는 알에프(RF)주파수 합성기에 관한 것으로, 특히 VCO의 위상 노이즈와 하모닉 특성을 개선시킨 것이다.

본 발명은 신호 입력부(1)를 통해 신호가 입력되면 이 입력신호와 VCO로부터 궤환되어 돌아오는 신호를 위상 검출부(2)에서 비교하여 위상차를 검출하고, 이 검출된 위상차 신호가 위상오차를 최소화하기 위하여 오피 앰프를 사용한 능동형으로 이루어져 DC 이외의 불필요한 고주파 리플을 제거하기 위한 루프 필터(3)를 거쳐 유전체 공진기와 가변용량 다이오드로 이루어져 저위상 잡음 특성을 갖고 위상이 입력신호의 위상과 같게 될때까지 출력신호를 위상검출부(2)로 궤환시키는 VCO(4)를 통해 출력을 조정함으로써 VCO의 위상 노이즈와 하모닉 특성을 개선시킬 수 있는 것이다

Description

저위상 잡음 특성을 갖는 알에프 주파수 합성기 {RF frequency synthsizer with low phase noise specific}

본 발명은 링크 리시버나 WLL등에 사용되는 알 에프(RF) 주파수 합성기에 관한 것으로, 특히 VCO(Voltage Controlled Oscillator)의 위상 노이즈와 하모닉(Harmonic) 특성을 개선시킨 저위상 잡음 특성을 갖는 알에프 주파수 합성기에 관한 것이다.

일반적으로 저위상 잡음 주파수 합성기란 10KHz오프셋에서 -100dBc/Hz이하의 위상 노이즈를 갖거나 25KHz오프셋에서 -110dBc/Hz이하의 위상 노이즈를 갖는 합성기를 말한다.

종래에는 제품화된 VCO의 위상 노이즈 특성이 요구특성에 미달되었고, 제품이 케이스로 쉴딩(Shielding)되어 주파수나 파우어의 융통성이 없는 결점이 있었으며, 버퍼 앰프나 커플러 또는 필터를 추가로 제조해야 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 이와같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은, VCO의 위상 노이즈 특성을 만족시킬 수 있으며, 버퍼 앰프나 커플러 등의 별도의 추가부품을 사용하지 않고도 저위상 잡음 주파수 합성기를 제조할 수 있도록 한 저위상 잡음 특성을 갖는 알에프 주파수 합성기를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 주파수특성기의 블럭도

도 2는 도 1에서의 루프필터의 상세회로도

도 3은 도 1에서의 VCO의 상세회로도

도 4는 도 3의 LPF의 상세회로도

도 5는 본 발명의 특성도이다

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1:신호 입력부 2:위상 검출부

3:루프필터 4:VCO

5:증폭부 6:필터

7:버퍼 8:LPF

R1,R2:저항 C1,C2,C10-C12:콘덴서

L1-L3:코일

이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 VCO의 출력신호와 입력신호를 위상 검출기에서 비교하여 두 신호의 위상차를 루프필터를 거쳐 VCO의 조정전압에 인가하여 VCO의 위상이 입력신호의 위상과 같게 될 때까지 폐회로를 이루어 계속 VCO의 출력을 조정하도록 구성함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 적용되는 PLL의 블록도로, 신호가 입력되는 신호 입력부(1)와, 상기 신호입력부로부터 입력되는 신호와 VCO로부터 궤환되어 돌아오는 신호를 비교하여 위상차를 검출하는 위상 검출부(2)와, 위상오차를 최소화하기 위하여 오피 앰프를 사용한 능동형으로 이루어져 DC 이외의 불필요한 고주파 리플을 제거하기 위한 저역통과필터인 루프 필터(3)와, 유전체 공진기와 가변용량 다이오드로 이루어져 저위상 잡음 특성을 가지며, 위상이 입력신호의 위상과 같게 될때 까지 출력신호를 상기 위상검출부(2)로 궤환시키는 VCO(4)로 구성된다.

도 2는 도 1에서의 루프 필터(3)의 상세회로도로, 비반전단자(+)가 접지되고 반전단자(-)에는 저항(R1)(R2)과 콘덴서(C1)(C2)가 접속된 OP앰프(OP)로 구성된 것이다.

도 3은 도 1에서의 VCO(4)의 상세 회로도로, 입력신호를 소정레벨 증폭시키는 증폭부(5)와, 상기 증폭부(5)의 출력신호를 필터링하여 다시 증폭부(5)의 입력단으로 궤환시키는 필터(6)와, 상기 증폭부(5)의 출력신호를 버퍼링하는 버퍼(7)와, 상기 버퍼(7)를 통하여 출력되는 신호를 일정대역만 통과시키는 LPF(8)로 구성된 것이다.

도 4는 상기 도 3의 LPF(8)의 상세회로도로, 콘덴서(C10-C12)와 코일(L1-L3)을 π형으로 접속하여 일정 저대역 신호만 통과시키도록 구성된 것이다.

이와같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 VCO(4)의 출력신호와 입력신호를 위상 검출부(2)에서 비교하여 두 신호의 위상차를 루프필터(3)를 거쳐 VCO(4)의 조정전압에 인가하여 VCO(4)의 위상이 입력신호의 위상과 같게 될 때까지 폐회로를 이루어 계속 VCO(4)의 출력을 조정하도록 한다.

이때, 위상 검출부(2)의 출력전압은 DC 이외에 불필요한 고주파 리플 성분을 포함하고 있어 VCO(4)의 조정전압이 인가되던 주파수가 흔들리는 결과를 초래하므로 루프필터(3)를 통하여 이를 제거한다.

여기서, 루프필터(3)는 저역통과 필터(LPF)로 위상 검출부(2)에서 발생하는 고주파 성분을 제거하는 역할은 물론 동기(Lock)되었을 경우 안정(Stability), 노이즈와 같은 동기특성이나 록 타임과 같은 응답특성을 결정하는 중요한 요소이다.

한편, PLL의 AC선형모델중 VCO(4)의 등가모델의 일부로 사용한 1/S은 주파수 발생성분인 VCO(4)를 위상정보로 환산하는 과정에서 생기는 변수이다.

즉, 다음 수학식과 같은 주파수와 위상의 관계를 갖는다.

이를 Laplace 변형식으로 고치면 다음 수학식 2와 같다.

도 2는 PLL이 초기에 비동기 상태에 있다가 동기 상태로 옮겨가는 동기과정에서 위상 검출부(2)의 출력파형이 VCO(4)의 조정전압에 인가되지 않고 개방되어 있을 경우를 나타낸 것이다.

여기서 VCO(4)의 주파수는 입력신호의 주파수보다 낮을 수도 있고 또는 높을 수도 있다.

통상 VCO(4)의 조정전압을 높이면 주파수도 올라가므로 초기에 비동기상태에서 VCO(4)의 주파수가 입력신호의 주파수보다 낮다면 조정전압에 (+)값을 인가해야 한다.

그런데 VCO(4)의 제조시 일단 조정전압의 범위는 루프필터(3)와 전원전압에 의해 결정된다.

만일, PLL의 조정전압 범위가 0∼9V라면 초기 자유발진 상태의 VCO(4)의 조정전압은 0V 또는 9V에서 시작할 수 있다.

즉, 최하위 또는 최상위 자유 발진주파수에서 동기과정을 시작할 수 있다.

이때, 최하위 주파수에서 시작한다면 입력신호의 주파수보다 낮아야 하고 최상위 주파수에서 시작한다면 입력신호의 주파수보다 높아야 할 것이다.

만일, 최하위 주파수에서 동기과정을 시작한다면 위상 검출부(2)는 루프필터(3)의 콘덴서(C1)(C2)에 전하를 충전시켜 최하위 조정전압으로부터 전압을 올려가면서 동기과정에 들어가고, 이와 반대로 최상위 주파수에서는 콘덴서(C1)(C2)의 전하를 방전시켜 최상위 조정전압으로부터 전압을 낮춰가면서 동기과정에 도달한다.

그러나 편의상 모든 조정전압은 최하위 주파수에서 시작한다고 가정한다.

본 발명의 주파수 합성기는 전체 시스템 특성을 만족시키기 위해 25KHz오프셋에서 -125dBc/Hz이상의 위상 노이즈 특성을 갖는 것이 바람직하며, 실험측정결과 10KHz오프셋에서 -110dBc/Hz이상의 특성을 얻을 수 있어 기존의 상용제품의 수신기 선택특성을 만족시킬 수 있다.

초기에 위상 노이즈가 10HKz오프셋에서 -100dBc/Hz일 때 수신기 전체의 선택도는 65dB로 -125dBc/Hz일 때보다 약 10dB 더 나빠진다.

또한, 각각의 모듈은 제시된 설계 규격을 만족할 지라도 전체시스템으로 연결하였을 때 각 모듈의 특성이 저하됨을 관찰할 수 있었다.

따라서, 각 모듈들이 하나의 전체 시스템으로 연결되었을 때에도 특성을 유지하도록 하기 위해서는 연결 부위의 매칭이 매우 중요하다.

또한, 수신기의 중요 특성은 노이즈와 관련되어 있으며 노이즈는 전원으로부터 기인하는 것과 각각의 모듈을 합쳤을 때의 간섭에 의한 것이 있다.

본 발명에 따른 주파수 합성기는 제1 LO로 사용하였는데, 전체 시스템에 연결하였을 때 전원에 의한 노이즈와 함께 제2 LO와의 간섭에 의한 노이즈로 인해 단독으로 제조시 고유특성이 저하된다.

이상에서 설명한 바와같은 본 발명은 VCO의 출력신호와 입력신호를 위상 검출부에서 비교하여 두 신호의 위상차에 해당하는 신호를 루프필터를 거쳐 VCO의 조정전압에 인가하여 VCO의 위상이 입력신호의 위상과 같게 VCO의 출력을 조정할 수 있으며, 위상 잡음 특성이 10KHz오프셋에서 -110dBc/Hz이하이며, 두번째 하모닉 제거특성이 -60dB이상이고 PCS,WLL대역으로 확장가능함은 물론 부품이 간단하여 원가를 절감할 수 있는 효과도 있다.

Claims (3)

1. 신호가 입력되는 신호 입력부(1)와, 상기 신호입력부로부터 입력되는 신호와 VCO로부터 궤환되어 돌아오는 신호를 비교하여 위상차를 검출하는 위상 검출부(2)와, 위상오차를 최소화하기 위하여 오피 앰프(OP)를 사용한 능동형으로 이루어져 DC 이외의 불필요한 고주파 리플을 제거하기 위한 저역통과필터인 루프 필터(3)와, 유전체 공진기와 가변용량 다이오드로 이루어져 저위상 잡음 특성을 가지며, 위상이 입력신호의 위상과 같게 될때 까지 출력신호를 상기 위상검출부(2)로 궤환시키는 VCO(4)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 저위상 잡음 특성을 갖는 알에프 주파수 합성기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 VCO(4)의 유전체 공진기가, 크기를 작게 하고 낮은 위상 잡음 특성을 얻기 위해 높은 유전율을 갖는 것을 특징으로 하는 저위상 잡음 특성을 갖는 알에프 주파수 합성기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 LPF(8)가, 콘덴서(C10-C12)와 코일(L1-L3)을 π형으로 접속하여 구성된 것을 특징으로 하는 저위상 잡음 특성을 갖는 알에프 주파수 합성기.