KR20010070998A

KR20010070998A - 전력 보존 모드를 가진 발진기

Info

Publication number: KR20010070998A
Application number: KR1020017000859A
Authority: KR
Inventors: 매튜 디. 포프
Original assignee: 데이비드 셔먼; 베리-엘 컴퍼니, 인코포레이티드
Priority date: 1998-07-20
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2001-07-28
Also published as: AU5108999A; EP1097507A1; JP2002520976A; WO2000004633A1; CN1310879A; US6163228A

Abstract

탱크 회로(L2, CR1, C2, C3, C4), 트랜지스터 증폭기 회로(Q1), 그리고 스위칭 회로(Q2)를 가지는 발진기. 스위칭 회로(Q2)는 증폭기 트랜지스터(Q1)에서 두개의 선택된 전압들을 스위칭함으로써 정상 전력 소비 모드와 저 전력 소비 모드 사이에서 발진기를 스위칭한다. 저 전력 소비 모드에 있는 경우, 상기 발진기는 발진을 유지하는데 충분한 전류를 가지게 되지만, 좋은 성능과 고속 데이타를 위한 위상 잡음 요구조건을 만족하기에는 불충분한 전류를 가진다. 정상 전력 소비 모드에 있게 되면, 상기 발진기는 위상 잡음 요구조건을 만족시키는 충분한 전류를 가지게 된다.

Description

전력 보존 모드를 가진 발진기{OSCILLATOR WITH POWER CONSERVATION MODE}

현재 이동 통신을 위한 글로벌 시스템(GSM), 디지털 어드밴스드 이동 전화 서비스(DAMPS), 개인 핸디 시스템(PHS), 지상 이동 레디오(LMR), 스페셜 이동 레디오(SMR), 개인 통신 서비스(PCS), 그리고 몇 명을 호출할 수 있는 쌍방향 페이징과 같은 다양한 무선 통신 시트템들이 세계적으로 사용되고 있다. 소비자들은 자신의 전화나 페이저가 세계 어느 곳이든 장시간동안 안정적으로 작동하기를 원한다. 전화가 재충전 없이 장시간 동안 사용될 수 있는 열쇠중의 하나는 그 전화가 수신 모드에 있을 때 발진기가 끌어내는 전류의 양에 따른다.

일반적으로 전압 제어 발진기(VCO)는 이동 레디오 RF 회로에서 송수신 기능을 수행하는 국부 발진기(LO) 신호를 발생시킨다. VCO는 일반적으로 그 전화가 송신도 수신도 하지 않는 대기 모드 상태의 경우에는 온상태에 있게 된다.

전화의 VCO 디자인과 구현에 있어서 전류를 보존하는 알려진 방법에는 위상변위 네트워크를 피드백 회로에 삽입하거나, DC 전력을 보존하기 위해서 전력 송신기와 함께 송신 VCO를 오프 시키는 방법이 있다. 미국 특허 넘버 4,621,241는피드백 회로에서 위상 변위 네트워크를 가진 VCO를 보여준다.

피드백 네트워크에서 위상 변위 네트워크를 사용하는데 있어서의 단점은 전류 소비가 고정되고, 발진기 전류와 수행이, 정상 전력 소비 모드에서 작동하는 경우, 수행 요구조건에 부합하도록 최적화되어야 한다는 것이다.

일반적으로 발진기는 위상 동기 루프(PLL)에서 사용된다. 전력 송신기와 함께 송신 발진기를 끄는 단점은 발진기가 다시 켜진 후에 PLL이 다시 락 하는데 시간이 걸린다는 것이고, 이는 송신 시간의 손실및 채널 효율을 떨어지게 한다.

전화가 송수신을 할 때, 고성능과 고속 데이타를 위한 위상 잡음 요구조건을 만족시키기 위해 발진기에서 알려진 전력 레벨이 요구된다. 이는 정상 전력 소비 모드이다. 전화가 송수신을 하지 않는 경우, 발진은 발진기에서 유지되고, PLL은 저 전력에서 락된 상태로 유지될 것이다. 그러나 위상 잡음은 이러한 저 전력 소비 모드에서 떨어질 것이다. 발진기는 전송 시간의 손실및 채널 효율의 손실없이 전력을 보존하기 위해 정상 전력 소비 모드와 저 전력 소비 모드 사이에서 스위칭할 수 있는 스위칭 수단을 필요로 한다.

본 발명은 전기 발진기, 특히 정상 전력 소비 모드와 저 전력 소비 모드 사이에서 스위칭 가능한 전기 발진기에 관한 것이다.

본 발명의 상세한 내용은 각 부분들에 대해 참조 번호를 가지고 있는 도면에서 보여진다.

도면은 본 발명의 특징들을 구체화한 전력 소비 스위칭 회로를 가지고 있는 전력 제어 발진기의 전기 회로 다이아그램이다.

여기서는 정상 전력 소비 모드와 저 전력 소비 모드 사이에서 발진기를 스위칭하기 위한 DC 전력 소비 스위칭 회로를 가진 전기 발진기가 보여진다. 상기 발진기는 탱크 회로(tank circuit)와 신호 증폭기 회로를 포함한다. 신호 증폭기 회로를 통한 전류의 흐름은 신호 증폭 회로내의 증폭 소자의 제어 단자에서 전압에 의해 제어된다. 발진기를 저 DC 전력으로 전환하는 회로는 증폭 소자의 제어 단자에서 전압을 변화시키는 스위칭 요소와 저항 요소들을 포함한다. 그 전압의 변화는 증폭 소자를 통한 전류를 감소시키고 그로 인해 발진을 유지하는 동안 발진기의 전력 소비를 감소시킨다. 발진기는, 저 전력 소비 모드에 있는 동안, 대략 정상 모드 전력 소비의 반 가량을 소비하고, PLL에 PLL이 락 상태를 유지할 수 있는 충분한 피드백 전력을 공급할 수 있다. 상기 발진기는 전송 시간및 채널 효율을 저하 시킴이 없이 전화의 전지 수명을 연장시킨다.

도면은 탱크 회로, 신호 증폭기 회로, 그리고 스위칭 회로를 포함하는 본 발명의 특징들을 구체화한 전압 제어 발진기를 보여준다.

본 발명을 예시하기 위해서 여기서 선택된 특정 실시예들을 기술함에 있어서, 편리를 위해서 사용되고, 어떤 제한적 의미도 가지지 않는 전문 용어 들이 사용된다. 기존의 전류 흐름(전자의 흐름이 아님)과 일치한 전문 용어들이 사용된다. 입력, 출력은 각각 기존과 같이 장치 내로의 전류의 흐름, 장치 밖으로의 전류의 흐름을 나타낸다. 더 나아가, 위에서 정의된 모든 전문 용어는 특별히 언급된 상기 단어와 유사한 의미를 가지는 단어들의 파생어들을 포함한다.

본 도면의 탱크 회로는 콜피츠(Colpitts) 타입 배치에서 병렬 동조된 공진 회로이다. 피어스(Pierce) 또는 하틀리(Hartley) 또는 직렬 동조 콜피츠와 같은 다른 타입의 탱크 회로에서도 본 발명은 적용된다. 상기 탱크 회로는 공진 인덕터(L2)를 포함하고 있고, 상기 공진 인덕터는 DC 차단 커패시터(C2)와 직렬로 연결되어 있으며, 상기 커패시터는 버랙터(varactor) 다이오드로 보여진 동조 커패시터(CR1)와 직렬로 연결되어 있다. 공진 인덕터(L1)는 한쪽은 그라운드와 다른 한 쪽은 DC 차단 커패시터(C2)와 연결되어 있다. 동조 커패시터(CR1)는 한쪽은 그라운드와 다른 한 쪽은 DC 차단 커패시터(C2)와 연결되어 있다. 탱크 회로는 제1 신호 분배 커패시터(C3)를 포함하고 있으며, 상기 커패시터는 한 쪽은 제1 공진 인덕터(L2)와 DC 차단 커패시터(C2)와 연결되어 있고, 반대편은 제2 신호 분배 커패시터(C4)와 연결되어 있다. 제1 신호 분배 커패시터(C3)와 연결된 제2 신호 분배 커패시터(C4)의 반대쪽은 그라운드와 연결되어 있다.

DC 전력 동조 입력 단자 V_T는 임피던스 Z1을 통해 동조 커패시터(CR1)와 DC 차단 커패시터(C2)와 연결되어 있다. 일반적으로 0에서 8 볼트의 전압이 동조 커패시터(CR1)의 커패시턴스를 동조하기 위해 인가된다. 임피던스 Z1은 탱크 회로의 Ｑ를 로드(load)하지 않기 위해서 높은 값을 가지고, 트랜지스터와 같은 높은 임피던스 액티브 디바이스인 RF 초크(choke)나, 높은 RF 임피던스와 제어된 DC 저항값을 제공하는 다른 네트워크 일 수도 있다. RF 바이패스 커패시터(C1)는 로 패스 필터(low pass filter)를 제공하여 어떤 RF 신호들도 쇼트 아웃(short out) 시키기위해 입력 단자 V_T와 그라운드에 연결되어 있다.

전압 제어 발진기의 신호 증폭기 회로는 NPN 트랜지스터 Ｑ₁으로 보여진 증폭 소자를 포함한다. 트랜지스터 Ｑ₁는 증폭 소자를 위한 입력으로 콜렉터 단자 C를, 제어 단자로는 베이스 단자 B를, 그리고 출력으로는 이미터 단자 E를 가지고 있다. DC 전압 공급 단자 V_CC는 트랜지스터 Ｑ₁에 DC전력을 공급하기 위해 인덕티브 임피던스(L3)를 통해 콜렉터 단자 C 에 연결되어 있다. 일반적으로 0에서 5볼트의 전압이 DC 전압 공급 단자 V_CC에 인가된다. RF 바이패스 커패시터(C7)는 RF 그라운드를 공급하기 위해 DC 전압 공급 단자 V_CC와 그라운드 사이를 연결한다.

출력 전력은 보여진 대로 트랜지스터 Ｑ₁의 콜렉터 단자 C로 부터 취해진다. 액티브 디바이스를 원하는 출력 로드에 매치시키기 위해 다양한 방법으로 출력 커플링과 임피던스 매칭이 수행된다. 예시된 실시예에서, 커패시터(C9), 저항(R5) 그리고 커패시터(C11)는 각각 컬렉터 단자 C로 부터 출력 단자 RF_OUT에 직렬로 연결되어 있다. 저항(R7)은 한 면은 저항(R5)과 커패시터(C11)에 연결되어 있고, 다른 한 면은 그라운드에 연결되어 있다.

저항(R4)의 형태로 있는 바이어스 임피던스는 트랜지스터(Q1)의 이미터단자 E와 그라운드 사이에 연결되어 있다. 탱크 회로의 발진을 유지하기 위한 피드백 루프는 트랜지스터(Q1), 제1 신호 분배 커패시터(C3), 그리고 커패시터(C5)를 포함한다. 이미터 단자 E는 제1, 제2 신호 분배 커패시터(C3, C4)사이를 연결한다.커패시터(C5)의 한 면은 트랜지스터(Q1)의 베이스 단자 B와 연결되고, 다른 한 면은 제1 신호 분배 커패시터(C3), DC 차단 커패시터(C2), 그리고 공진 인덕터(L2)의 공통 접속부와 연결된다.

스위칭 회로는 정상 전력 소비 모드와 저 전력 소비 모드 사이에서 발진기를 스위칭 시키기 위한 스위칭 수단을 제공하며, 저항들(R2, R3, R102, R103)과, 실시예에서 전계 효과 트래지스터(Q2)로 보여진, 스위칭 소자를 포함한다. 바이폴라 트랜지스터나 다이오드도 역시 본 발명에서 스위칭 소자로서 사용되기에 적합하다. 저항(R3)의 일측은 실시예에서 DC 전압 공급 단자(V_CC)로 보여진 DC 전압원과 연결되어 있다. 저항(R2)의 일측은 저항(R3)의 다른 일측과 연결되고, 다른 일측은 그라운드와 연결된다. 전계 효과 트래지스터(Q2)의 드레인은 저항들(R2, R3)의 공통 접속부와 연결된다. 전계 효과 트래지스터(Q2)의 소스는 저항(R102)를 통해 그라운드와 연결된다. 전계 효과 트래지스터(Q2)의 게이트는 저항(R103)을 통해 스위칭 전압 단자(V_SW)과 연결된다. 전압은 전력 운영 제어기(PMC)에 의해 선택적으로 스위칭 전압 단자(V_SW)에 인가된다. 저항들(R2,R3)과 전계 효과 트래지스터(Q2)의 드레인의 공통 접속부는 트랜지스터(Q1)의 베이스와 연결된다. 그에 기해서, 전계 효과 트래지스터(Q2)와 저항들(R2, R102)은 베이스 단자 B와 그라운드 사이에서 저항값을 선택하는 선택 수단을 제공한다.

제한을 가하려는 것이 아니라, 예시적 방법으로서 약 900MHz하에서 위에서 기술된 회로의 소자값들이 아래 테이블에 제시되어 있다.

C1	47 pF
C2	4.3 pF
C3	2.0 pF
C4	3.9 pF
C5	1.0 pF
C7	33 pF
C9	39 pF
C11	33 pF
CR1	1내지4 V 에 대해서 19내지 10 pF
L2	8 nH
R2	2 ㏀
R3	2 ㏀
R4	91 Ω
R5	68 Ω
R7	68 Ω
R103	10 ㏀
R102	2 ㏀
V_CC	3 V
V_SW	3 V
V_T	0-5 V

전계 효과 트랜지스터(Q2)가 온 상태에 있으면, 베이스 단자 B 의 전압이 줄어 들고, 이에 기해 이미터 단자 E의 전압이 줄어들며, 이에 기해 트랜지스터(Q1)을 통하는 전류를 줄임으로써 스위칭 회로는 작동한다. 베이스 단자의 전압 V_B는 전계 효과 트랜지스터(Q2), 저항(R2), 그리고 저항(R3)의 공통 접속부와 그라운드 사이에서의 전위이다. 전계 효과 트랜지스터(Q2)가 오프 상태에 있으면, 상기 전압 V_B는 저항(R2)를 가로 지르는 전압으로서, V_CC× R2/(R2+R3) 와 동일하다.

상기 예시된 값들에 대해서, V_B는 3V × 2㏀/(2㏀+2㏀) = 1.5V 로 계산된다. 트랜지스터에서 베이스와 이미터 사이의 전압차는 약 0.7V 로 알려져 있고, 따라서 이미터 단자에서의 전압은 0.8V 이다. 컬렉터 단자 C를 통하는 전류 I_C는 이미터 단자 E 를 통하는 전류 I_E(=V_E/R4)와 거의 동일하고, 따라서 I_C= 0.8V/91Ω=8.8mA 이다. 이는 정상 전력 소비 모드에서의 전류 레벨이고, 좋은 성능과 고속 데이타를 위한 위상 잡음 요구조건을 만족시키는데 충분하다.

전계 효과 트랜지스터(Q2)가 온 상태에 있으면, 전압 V_B는 저항 R2와 R102의 병렬 저항값 R2′를 가로지르는 전위이다. 병렬 저항값 R2′= (2㏀×2㏀)/(2㏀+2㏀) = 1㏀ 이고, V_B= 3V×1㏀ /(1㏀+2㏀) = 1.0V 이다. 이미터 전압 V_E= 1.0V - 0.7V = 0.3V 이고, 컬렉터 전류 I_C= 0.3V/91Ω = 3.4mA 이다. 이는 저 전력 소비 모드에서의 전류 레벨이고, 발진을 유지하는데 충분하다. 상기 전류는 전력 소비가 비례하여 줄어들면 50% 이상 감소된다.

본 발명은 비록 어느 정도의 독특함을 가지고 기술되었지만, 본 발명의 명세서는 예시적으로 기술되었고, 본 기술의 근본적 내용을 변화 시킴이 없이 세부 구조의 변화가 가능하다.

Claims

발진을 생성하기 위한 탱크 회로와 상기 발진을 유지하기 위한 증폭기 회로를 포함하는 전기 발진기에 있어서,

상기 증폭기 회로에 연결되고, 상기 증폭기 회로를 정상 전력 소비 모드와 저 전력 소비 모드 사이에서 스위칭 하기 위한 스위칭 수단을 포함하며,

상기 증폭기 회로는 상기 저 전력 소비 모드의 경우 상기 탱크 회로에서 상기 발진을 유지하고, 상기 정상 전력 소비 모드에서 보다 상기 저 전력 소비 모드에서 더 적은 전력을 소비하는 것을 특징으로 하는 전기 발진기.
(a) 발진을 생성하는 탱크 회로;

(b) 발진을 유지하기 위해 상기 탱크 회로에 연결된 증폭기 회로; 그리고

(c) 상기 증폭기 회로에 연결되고, 상기 증폭기 회로를 정상 전력 소비 모드와 저 전력 소비 모드 사이에서 스위칭 하기 위한 스위칭 수단을 포함하며,

상기 증폭기 회로는 상기 저 전력 소비 모드의 경우 상기 탱크 회로에서 상기 발진을 유지하고, 상기 정상 전력 소비 모드에서 보다 상기 저 전력 소비 모드에서 더 적은 전력을 소비하는 스위칭 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발진기.
제2항에 있어서,

상기 증폭기 회로가 입력, 출력, 그리고 제어 단자를 가진 증폭기 소자와 상기 출력과 그라운드 사이에 연결된 제1 저항을 포함하며,

상기 스위칭 수단이 DC 전압 공급 단자와 상기 제어 단자 사이에 연결된 제2 저항과 상기 제어 단자와 그라운드 사이에 연결되어 제1 저항값과 제2 저항값 사이에서 선택 역할을 수행하는 선택 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발진기.
제3항에 있어서,

상기 증폭기 소자가 입력으로는 컬렉터를, 출력으로는 이미터를, 그리고 제어 단자로는 베이스를 취하는 바이폴라 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전기 발진기.
제3항에 있어서,

상기 증폭기 소자가 입력으로는 드레인을, 출력으로는 소스를, 그리고 제어 단자로는 게이트를 취하는 전계 효과 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전기 발진기.
제3항에 있어서,

상기 선택 수단이 상기 제어 단자와 그라운드 사이에 연결된 제3 저항, 그리고 상기 제어 단자와 그라운드 사이에서 직렬로 연결되고, 제3 저항과는 병렬로 연결된 제4 저항과 스위칭 소자를 포함하며, 상기 스위칭 소자가 오픈 상태로 스위치 오프되어 제3 저항의 저항값으로서 상기 제1 저항값을 공급할 수 있으며, 상기 스위칭 소자가 쇼트 상태로 스위치 온되어, 상기 제3 저항과 제4 저항의 병렬 저항값으로서 상기 제2 저항값을 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 전기 발진기.
제6항에 있어서,

상기 스위칭 소자가 스위칭 전압 단자와 연결된 게이트를 가지는 전계 효과 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전기 발진기.
제6항에 있어서,

상기 스위칭 소자가 스위칭 전압 단자와 연결된 베이스를 가지는 바이폴라 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전기 발진기.
제6항에 있어서,

상기 스위칭 소자가 다이오드인 것을 특징으로 하는 전기 발진기.
(a) 발진을 생성하는 탱크 회로;

(b) 상기 탱크 회로에 연결되어 발진을 유지하는 증폭기 회로로서, 베이스 단자, 컬렉터 단자, 그리고 이미터 단자를 가지는 트랜지스터와 상기 이미터 단자와 그라운드 사이에 연결된 제1 저항을 포함하는 증폭기 회로; 그리고

(c) 상기 증폭기 회로에 연결되어, 상기 증폭기 회로를 정상 전력 소비 모드와 저 전력 소비 모드 사이에서 스위칭 하기 위한 스위칭 수단으로서 상기 증폭기 회로는 상기 저 전력 소비 모드의 경우 상기 탱크 회로에서 상기 발진을 유지하고, 상기 정상 전력 소비 모드에서 보다 상기 저 전력 소비 모드에서 더 적은 전력을 소비하며, DC 전압 공급 단자와 상기 트랜지스터의 베이스 단자 사이에 연결된 제2 저항, 상기 트랜지스터의 베이스 단자와 그라운드 사이에 연결된 제3 저항, 제4 저항, 그리고 게이트, 소스, 드레인을 가지는 전계 효과 트랜지스터를 포함하며, 상기 드레인은 상기 베이스 단자에, 상기 소스는 상기 제4 저항에 그리고 상기 게이트는 스위칭 전압 단자에 각각 연결되며, 상기 제4 저항은 상기 소스의 반대편 그라운드에 연결되고, 따라서 상기 전계 효과 트랜지스터가 오프 상태에 있으면 상기 베이스 단자와 그라운드 사이의 저항값은 상기 제3 저항의 저항값을 가지게 되고, 전압이 상기 스위칭 단자에 인가되어 상기 전계 효과 트랜지스터를 온 상태로 만들면 상기 베이스 단자와 그라운드 사이의 저항값은 상기 제3, 제4 저항들의 병렬 저항값이 되며, 이에 따라 상기 전계 효과 트랜지스터가 온 되면 상기 베이스 단자의 전압이 감소되고, 상기 제1 저항를 통하는 전류가 감소되며, 상기 컬렉터 단자를 흐르는 전류가 감소되는 스위칭 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발진기.