KR20020089226A - 상보성 트랜지스터를 이용한 전압 제어 발진기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 필요한 수동소자를 최소한으로 줄여 수동소자의 기생성분으로 인한 성능저하를 방지함과 동시에 회로구조상의 개선을 통하여 소비전력에 비해 낮은 위상잡음과 큰 출력을 낼 수 있는 초소형 집적회로형의 상보성 트랜지스터를 이용한 전압 제어 발진기를 제공한다.
이는 입력전압에 따라 정전용량이 변화되어 발진 주파수를 변화시키는 가변 커패시터부; 부저항을 생성하며, 바이어스 전류를 공유하는 상보성 전계효과 트랜지스터 및 인덕터로 이루어져 상기 주파수를 발진 증폭시키는 발진 증폭부; 바이어스 전류를 공유하는 상보성 전계효과 트랜지스터로 인버터 증폭기를 이루어 상기 발진 증폭부에서 발진된 주파수를 완충 증폭하여 출력단으로 출력하는 완충 증폭부를 구비함에 의해 달성될 수 있으며, 이러한 본 발명은 종래 전압 제어 발진기에서 소요되는 수동소자를 대폭 줄일 수 있음은 물론 낮은 위상잡음, 큰 출력과 동시에 고조파 왜곡을 줄일 수 있는 회로의 구조적인 개선을 통해 반도체 기판 상에 집적된 초소형 고성능 전압 제어 발진기를 구현할 수 있게 된다.

Description

상보성 트랜지스터를 이용한 전압 제어 발진기{A VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR USING COMPLIMENTARY TRANSISTORS}
본 발명은 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator: VCO)에 관한 것으로, 특히 반도체 기판 상에 집적 가능하고 낮은 위상잡음과 큰 출력을 갖는 초소형의 상보성 트랜지스터를 이용한 전압 제어 발진기에 관한 것이다.
도 1은 종래 모듈형으로 제작되는 전압 제어 발진기의 회로를 도시한 것이다.
도시된 바와 같이, 일반적인 전압 제어 발진기는 입력전압(Vc)에 따라 발진 주파수를 선택하기 위한 탱크(Tank)부(10)와, 상기 탱크부(10)에서 선택된 주파수 신호를 증폭하기 위한 발진 증폭부(20)와, 상기 발진 증폭부(20)에서 증폭된 주파수 신호를 완충 증폭하여 출력단(Po)으로 출력하기 위한 완충 증폭부(30)로 구성된다.
상기 탱크부(10)는, 주파수 가변용 입력전압(Vc)단과 제1, 제2 인덕터(L1,L2), 제1 내지 제4 커패시터(C1∼C4)와 입력전압(Vc)에 의해서 총 정전용량이 가변되는 버랙터(Varactor) 다이오드(D1)로 구성된다.
상기 발진 증폭부(20)는 부저항 생성을 위한 트랜지스터(Q1), 바이어스 및 정궤환용 제1, 제2 저항(R1,R2) 및 제5, 제6 커패시터(C5,C6)로 구성된다.
상기 완충 증폭부(30)는 부하용 제3 인덕터(L3), 바이어스용 제3, 제4 저항(R3,R4), 제7 내지 제11 커패시터(C7∼C11), 출력단(Po) 및 완충 증폭용 트랜지스터(Q2)로 구성된다.
이와 같이 구성된 종래 전압 제어 발진기는, 주파수 가변을 위한 입력전압(Vc)단에서 일정전압이 인가되면 입력전압(Vc)에 따라서 변환되는 버랙터 다이오드(D1)의 커패시턴스의 변화에 따라 탱크부(10)의 발진 주파수가 특정 주파수(fo)로 선택되고, 상기 발진 증폭부(20)에서 선택된 주파수(fo) 신호를 발진 증폭하고, 그 발진된 주파수 신호는 완충 증폭부(30)에 입력되어 완충 증폭된 후, 출력단(Po) 측으로 출력된다.
그러나, 상기와 같은 종래의 전압 제어 발진기는 많은 수동소자들이 사용되어 반도체 기판상의 집적회로로 구현시 각종 기생성분으로 인한 성능저하가 필연적이어서 인쇄기판에 능수동소자들을 집적한 모듈형태로 제작되어 왔으며, 이는 이동통신 단말기 및 각종 통신시스템의 소형 경량화의 추세에 부합한 초소형 전압 제어 발진기의 제작에 구조적인 문제점으로 인식되어 왔다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 필요한 수동소자를 최소한으로 줄여 수동소자의 기생성분으로 인한 성능저하를 방지함과 동시에 회로구조상의 개선을 통하여 소비전력에 비해 낮은 위상잡음과 큰 출력을 낼 수 있는 초소형 집적회로형의 상보성 트랜지스터를 이용한 전압 제어 발진기를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 전압 제어 발진기의 회로도.
도 2는 본 발명에 따른 전압 제어 발진기의 회로도.
도 3은 본 발명의 변형 회로도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110: 가변 커패시터부 120 : 발진 증폭부
130: 완충 증폭부
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 상보성 트랜지스터를 이용한 전압 제어 발진기는, 발진을 위해, N형 전계효과 트랜지스터의 게이트단과 P형 전계효과 트랜지스터의 게이트단이 서로 연결되고, 상기 N형 전계효과 트랜지스터의 드레인단과 P형 전계효과 트랜지스터의 드레인단이 서로 연결되며, 상기 N형과 P형의 상보성 전계효과 트랜지스터의 게이트단과 드레인단에 병렬로 인덕터가연결된 발진 증폭부를 구비함을 특징으로 한다.
상기 전압 제어 발진기는 상기 발진 증폭부를 이루는 상보성 전계효과 트랜지스터의 게이트단에 연결되며, 입력전압에 따라 정전용량이 변화되어 발진 주파수를 변화시키는 가변 커패시터부와; 바이어스 전류를 공유하는 상보성 전계효과 트랜지스터로 인버터 증폭기를 이루어 상기 발진 증폭부에서 발진된 주파수를 완충 증폭하여 출력단으로 출력하는 완충 증폭부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조로 하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 전압 제어 발진기의 회로도를 도시한 것으로, 입력전압(Vc)에 의해서 총 정전용량이 변화되어 발진 주파수를 변화시키는 가변 커패시터(Cv1)가 있는 가변 커패시터부(110), 인덕터(L11)와 함께 발진 주파수 결정에 사용되는 커패시턴스를 제공하고 부 저항(Negative Impedance)을 생성하는 상보성 전계효과 트랜지스터(M11,M12)로 구성된 발진 증폭부(120), 생성된 주파수를 완충 증폭하여 출력단(Po)으로 출력하기 위한 완충 증폭부(130)로 구성된다.
상기 가변 커패시터부(110)는 입력전압(Vc)단에 연결된 신호 차단용 저항(R11), 상기 저항(R11)에 각각 병렬로 연결되는 커패시터(C21,C22) 및 그 일측단이 상기 저항(R11)에는 직렬로, 상기 커패시터(C21,C22)에는 각각 병렬로 연결되며, 입력전압(Vc)에 따른 전계효과 트랜지스터의 정전용량 변화를 이용하여 구현한 가변 커패시터(Cv1)로 구성된다.
상기 발진 증폭부(120)는 상기 가변 커패시터(Cv1)의 타측단에 게이트단이 공동으로 접속되며, 바이어스 전류를 공유하는 두개의 상보성 전계효과트랜지스터(M11,M12), 상기 전계효과 트랜지스터(M11,M12)의 드레인단과 게이트단에 병렬 연결된 인턱터(L11)로 구성되며, DC 측면에서 보면 상기 두개의 상보성 전계효과 트랜지스터(M11,M12)는 다이오우드형 연결구조를 가지며, 상기 전계효과 트랜지스터(M11)는 N형 FET이고, 전계효과 트랜지스터(M12)는 P형 FET이다.
상기 완충 증폭부(130)는 상기 발진 증폭부(120)의 상보성 전계효과 트랜지스터(M11,M12)의 드레인단에 각각 게이트단이 연결되고, 드레인단은 인덕터(L12)에 공동으로 연결되며, 바이어스 전류를 공유하는 두개의 상보성 전계효과 트랜지스터(M13, M14)로 인버터 증폭기를 구현하고, 상기 인덕터(L12)와 직렬로 커패시터(C23)와 출력단(Po)이 차례로 연결되어 구성되며, 상기 전계효과 트랜지스터(M13)는 N형 FET이고, 전계효과 트랜지스터(M14)는 P형 FET이다.
여기서, 상기 커패시터(C22)의 상기 저항(R11)이 연결된 반대측단 및 전계효과 트랜지스터(M12),(M14)의 소우스단은 동작전압원(VDD)에 공동으로 접속되고, 상기 커패시터(C21)의 상기 저항(R11)이 연결된 반대측단 및 전계효과 트랜지스터(M11),(M13)의 소우스단은 접지에 공동으로 연결된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 전압 제어 발진기의 동작에 대하여 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명은 발진 증폭부(120)의 바이어스 전류를 공유하는 다이오우드 결합된 두 상보성 전계효과 트랜지스터(M11,M12)의 게이트단에서 들여다 본 커패시턴스와 상기 전계효과 트랜지스터(M11,M12)들과 병렬로 연결된 인덕터(L11)로 손쉽게 탱크회로가 구현이 되어 소요되는 수동소자를 줄일 수 있는 구조적 장점이 있는 것으로, 상기 전계효과 트랜지스터(M11,M12)가 각각 부저항을 생성함으로써 종래의 기술과 비교해 동일 전류에 대해 부 저항성분이 반으로 감소하여 능동소자에서 발생하는 채널 잡음을 감소시킴으로써 위상잡음의 특성을 개선할 수 있으며, 대칭적인 회로구조로 인하여 플리커(Ficker) 노이즈에 의한 위상잡음 성분을 감소시킴과 동시에 고조파 왜곡특성을 개선할 수 있게 된다.
상기 발진 증폭부(120)의 전계효과 트랜지스터(M11.M12)의 게이트단에 연결된 가변 커패시터(Cv1)의 정전용량은 입력전압(Vc)으로 조절 가능하므로 입력전압(Vc)으로써 발진 주파수의 조절이 가능하게 된다.
완충 증폭부(130)는 전계효과 트랜지스터(M13,M14)로 이루어진 인버터 증폭기의 게이트단이 발진 증폭부(120)의 전계효과 트랜지스터(M11,M12)의 드레인단에 직접 연결되어 바이어스용 수동소자들을 사용하지 않고 DC 바이어스가 가능하며, 상기 인버터 증폭기의 상하 대칭적 구조로 인해서 큰 신호 출력에서도 고조파 왜곡특성을 줄일 수 있게 된다.
상기 전계효과 트랜지스터(M13,M14)로 이루어진 인버터 증폭기에 직렬로 연결된 인덕터(L12)는 인버터 증폭기의 출력임피던스를 높이는 효과를 주어 고주파 증폭특성을 좋게 하기 위해서 사용되며, 출력단(Po)에 연결된 커패시터(C23)는 DC차단용으로 사용된 것이다. 여기서, 인덕터(L12)와 커패시터(C23)는 출력 임피던스 조절을 위해서도 사용되어 질 수 있다.
상기에서 발진 증폭부(120)에서의 인덕터(L11)는 용도에 따라 본드와이어(Bond Wire) 인덕터나 외장용 인덕터를 사용하여 회로 사이즈를 줄일 수 있으며, 완충 증폭부(130)의 인덕터(L12)는 용도에 따라 생략 가능하다.
한편, 상기 발진 증폭부(120)는 바이어스 전류를 공유하는 상보성 전계효과 트랜지스터(M11,M12)를 대체하여 바이어스 전류를 공유하는 상보성 바이폴라 트랜지스터를 사용할 수도 있다. 이 경우, 상기 N형 전계효과 트랜지스터(M11)를 N형 바이폴라 트랜지스터로 대체하고, P형 전계효과 트랜지스터(M12)는 P형 바이폴라 트랜지스터로 대체하면 된다.
또한, 본 발명은 상기 도 2에서 발진 증폭부(120)만 있어도 발진이 이루어지므로 발진 증폭부(120)만으로도 발진기를 구현할 수 있는데, 이 경우 상기 발진 증폭부(120)의 전계 효과 트랜지스터(M11,M12)의 게이트단을 서로 연결하고, 전계 효과 트랜지스터(M11,M12)의 드레인단을 서로 연결하며, 전계 효과 트랜지스터(M11,M12)의 게이트단과 드레인단 사이에 병렬로 인덕터(L11)를 연결하고, 상기 인덕터(L11) 및 전계 효과 트랜지스터(M11,M12)의 드레인단에 출력단(Po)을 연결하면 되며, 이 경우도 역시 상기 전계 효과 트랜지스터(M11,M12)는 바이폴라 트랜지스터로 대체될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 전압 제어 발진기의 변형 회로도로서, 가변 커패시터부(210), 발진 증폭부(220)와 완충 증폭부(230)의 각 구성요소들의 기능은 도 2의 대응되는 구성요소들의 동작원리와 동일하며, 단지 발진 증폭부(220)에 커패시터(C34,C35)와 저항(R22,R23)이 추가 구성되었다.
서로 병렬 연결된 상기 커패시터(C34) 및 저항(R22)은 각각 그 일측단이 접지에 연결되고, 타측단은 상기 전계효과 트랜지스터(M21)의 소우스단에 접속되며, 역시 서로 병렬 연결된 상기 커패시터(C35) 및 저항(R23)은 각각 그 일측단이 동작전압원(VDD)에 연결되고, 타측단은 상기 전계효과 트랜지스터(M22)의 소우스단에 접속되어 있는 것으로, 저항(R22,R23)은 각각 발진 증폭부(220)와 완충 증폭부(230)의 DC 바이어스 전류를 조절하기 위하여 사용되며, 상기 커패시터(C34,C35)는 바이패스용 커패시터로 사용된다.
본 발명은 상기에 기술된 실시 예에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 상보성 트랜지스터를 이용한 전압 제어 발진기에 의하면, 종래의 전압 제어 발진기에서 소요되는 수동소자를 대폭 줄였고, 낮은 위상잡음을 달성할 수가 있으며, 큰 출력과 동시에 고조파 왜곡을 줄일 수 있는 회로의 구조적인 개선을 통해 반도체 기판 상에 집적된 초소형 고성능 전압 제어 발진기를 구현할 수 있게 된다.

Claims (6)

  1. 전압 제어 발진기에 있어서,
    발진을 위해,
    N형 전계효과 트랜지스터의 게이트단과 P형 전계효과 트랜지스터의 게이트단이 서로 연결되고, 상기 N형 전계효과 트랜지스터의 드레인단과 P형 전계효과 트랜지스터의 드레인단이 서로 연결되며, 상기 N형과 P형의 상보성 전계효과 트랜지스터의 게이트단과 드레인단에 병렬로 인덕터가 연결된 발진 증폭부를 구비함을 특징으로 하는 상보성 트랜지스터를 이용한 전압 제어 발진기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 발진 증폭부를 이루는 상보성 전계효과 트랜지스터의 게이트단에 연결되며, 입력전압에 따라 정전용량이 변화되어 발진 주파수를 변화시키는 가변 커패시터부와; 바이어스 전류를 공유하는 상보성 전계효과 트랜지스터로 인버터 증폭기를 이루어 상기 발진 증폭부에서 발진된 주파수를 완충 증폭하여 출력단으로 출력하는 완충 증폭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상보성 트랜지스터를 이용한 전압 제어 발진기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 발진 증폭부 및 완충 증폭부의 전류제어를 위해 저항이 사용되는 것을 특징으로 하는 상보성 트랜지스터를 이용한 전압 제어 발진기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 발진 증폭부의 인덕터는 본드 와이어 인덕터 또는 외장형 인덕터인 것을 특징으로 하는 상보성 트랜지스터를 이용한 전압 제어 발진기.
  5. 전압 제어 발진기에 있어서,
    발진을 위해, N형 바이폴라 트랜지스터의 베이스단과 P형 바이폴라 트랜지스터의 베이스단이 서로 연결되고, 상기 N형 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터단과 P형 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터단이 서로 연결되며, 상기 N형과 P형의 상보성 바이폴라 트랜지스터의 베이스단과 콜렉터단에 병렬로 인덕터가 연결되어 발진을 행하는 발진 증폭부를 구비함을 특징으로 하는 상보성 트랜지스터를 이용한 전압 제어 발진기.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 발진 증폭부의 인덕터는 본드 와이어 인덕터 또는 외장형 인덕터인 것을 특징으로 하는 상보성 트랜지스터를 이용한 전압 제어 발진기.
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