KR20030093100A

KR20030093100A - 전압 제어 발진기, ｐｌｌ 회로 및 반도체 장치

Info

Publication number: KR20030093100A
Application number: KR10-2003-0033309A
Authority: KR
Inventors: 요네카와마사유키; 도이다케히토
Original assignee: 후지쯔 가부시끼가이샤
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2003-12-06
Also published as: US20030222726A1; KR100933965B1; US6853257B2; JP2003347844A

Abstract

본 발명은 발진 주파수 대역을 광대역화하면서, CN 특성 및 직선성의 열화를 방지할 수 있는 전압 제어 발진기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

제어 전압(VT)에 기초하여 발진 주파수의 출력 신호(fvco)를 출력함과 동시에, 전환 신호(VSW)의 입력에 기초하여 출력 신호(fvco)의 발진 주파수 대역을 전환하는 전환 수단을 구비한 발진부(23)와, 제어 전압(VT)에 기초하여 전환 신호(VSW)를 출력하는 제어부(28)로 전압 제어 발진기가 구성된다.

Description

전압 제어 발진기, ＰＬＬ 회로 및 반도체 장치{VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR, PLL CIRCUIT INCLUDING VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR AND SEMICONDUCTOR DEVICE}

본 발명은 PLL 회로 등에 사용되는 전압 제어 발진기(이하 VCO라 함)에 관한 것이다.

최근, 휴대 전화 등의 이동 통신 기기에 있어서는, 소형화, 경량화 및 저비용화가 점점 더 요청되고 있다. 그래서, 이러한 이동 통신 기기에 사용되는 VCO의 IC화가 필요해지고 있다. 그러나, VCO의 IC화에 대해서는 발진 주파수 대역의 광역화, 입출력 특성의 직선성 확보, 노이즈 특성, 제조 불규칙에 의한 발진 주파수 대역의 변동 등의 과제가 있고, 이들 과제를 해결하는 것이 필요해지고 있다.

도 10은 VCO의 종래예를 도시한다. 인덕터(1a, 1b)의 일단에는 전원(Vcc)이 각각 공급되고, 타단 사이에는 가변 용량(2a, 2b)이 접속된다. 상기 가변 용량(2a, 2b) 사이에 제어 전압(VT)이 입력된다. 상기 가변 용량(2a, 2b)은 제어 전압(VT)에 기초하여 그 용량치가 변화된다.

상기 인덕터(1a, 1b)의 타단 사이에는 고정 용량(3)이 가변 용량(2a, 2b)에 대하여 병렬이 되도록 접속된다.

상기 인덕터(1a)의 타단에는 NPN 트랜지스터(Tr1)의 콜렉터가 접속되고, 상기 인덕터(1b)의 타단에는 NPN 트랜지스터(Tr2)의 콜렉터가 접속되어 있다.

상기 트랜지스터(Tr1)의 베이스는 트랜지스터(Tr2)의 베이스에 접속되고, 동 트랜지스터(Tr2)의 베이스는 트랜지스터(Tr1)의 베이스에 접속되어 있다. 상기 트랜지스터(Tr1, Tr2)의 이미터는 그 트랜지스터(Tr1, Tr2)에 이미터 전류를 공급하는 전류원(4)에 접속된다.

그리고, 상기 트랜지스터(Tr1, Tr2)의 콜렉터로부터 상보 출력 신호(OUT, XOUT)가 VCO의 출력 신호(fvco)로서 출력된다.

이와 같이 구성된 VCO에서는 전원(Vcc)의 공급에 기초하여 발진 동작을 행하고, 출력 신호(fvco)의 발진 주파수는 다음의 수학식 1로 표시된다.

여기서, L은 인덕터(1a, 1b)의 인덕턴스치, C는 가변 용량(2a, 2b)과 고정 용량(3)의 용량치의 총합이다.

따라서, 제어 전압(VT)에 기초하여 가변 용량(2a, 2b)의 용량치가 변화되면, 출력 신호(fvco)의 주파수가 변화된다.

상기와 같은 VCO를 PLL 회로에 탑재하는 경우에는, PLL 회로의 동기 범위를 광대역화하기 위해서 VCO의 발진 주파수 대역을 광대역화할 필요가 있다.

그런데, 도 11에 도시한 바와 같이, VCO의 발진 주파수 대역을 광대역화하면, CN(carrier-noise) 특성의 열화 및 제어 전압(VT)의 변화에 대한 출력 신호(fvco)의 직선성의 열화 등이 발생한다.

한편, 도 12에 도시한 바와 같이, VCO의 발진 주파수 대역을 협대역화하면, CN 특성 및 직선성의 열화를 방지할 수 있다. 그러나, PLL 루프의 동기 범위가 협대역화하는 동시에, 제조 불규칙에 의해 발진 주파수 대역이 설정치로부터 벗어나게 되는 등, 제조 불규칙에 대한 마진이 저하된다고 하는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 발진 주파수 대역을 광대역화하면서, CN 특성 및 직선성의 열화를 방지할 수 있는 전압 제어 발진기를 제공하는 것에 있다.

도 1은 본 발명의 원리 설명도.

도 2는 VCO를 도시한 회로도.

도 3은 발진부를 도시한 회로도.

도 4는 용량부를 도시한 회로도.

도 5는 비교기의 동작을 도시한 설명도.

도 6은 VCO의 동작을 도시한 설명도.

도 7은 다른 예를 도시한 회로도.

도 8은 다른 예를 도시한 회로도.

도 9는 PLL 회로를 도시한 블록도.

도 10은 종래예를 도시한 회로도.

도 11은 종래예의 동작을 도시한 설명도.

도 12는 종래예의 동작을 도시한 설명도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

23 : 발진부

28 : 제어부

fvco: 출력 신호

VT : 제어 전압

VSW : 전환 신호

도 1은 본 발명의 원리 설명도이다. 즉, 제어 전압(VT)에 기초하여 발진 주파수의 출력 신호(fvco)를 출력함과 동시에, 전환 신호(VSW)의 입력에 기초하여 상기 출력 신호(fvco)의 발진 주파수 대역을 전환하는 전환 수단을 구비한 발진부(23)와, 상기 제어 전압(VT)에 기초하여 상기 전환 신호(VSW)를 출력하는 제어부(28)로 전압 제어 발진기가 구성된다.

또한, 도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 발진부(23)는 인덕터(1a, 1b)와, 제어 전압(VT)에 기초하여 용량이 변화되는 가변 용량(2a, 2b)과, 고정 용량(C1∼C3)으로 상기 발진 주파수 대역을 설정 가능하게 하고, 상기 전환 수단은 전환 신호(VSW1∼VSW3)에 기초하여 병렬로 접속하는 고정 용량의 수를 선택하는 스위치 회로(SW1∼SW3)로 구성하였다.

도 9는 본 발명을 구체화한 VCO를 탑재하는 PLL 회로의 일례를 도시한다. 발진기(11)는 수정 진동자의 발진에 기초한 고유 주파수의 기준 클록 신호(CK)를 기준 분주기(12)에 출력한다. 기준 분주기(12)는 카운터 회로로 구성되고, 시프트 레지스터(13)로 설정되는 분주비에 기초하여 상기 기준 클록 신호(CK)를 분주한 기준 신호(fr)를 위상 비교기(14)에 출력한다.

상기 위상 비교기(14)에는 비교 분주기(15)로부터 비교 신호(fp)가 입력된다. 그리고, 위상 비교기(14)는 상기 기준 신호(fr)와 비교 신호(fp)와의 주파수차 및 위상차에 따른 펄스 신호(ΦR, ΦP)를 차지 펌프(16)에 출력한다.

상기 차지 펌프(16)는 상기 위상 비교기(14)로부터 출력되는 펄스 신호(ΦR, ΦP)에 기초하여 출력 신호(SCP)를 LPF(로우 패스 필터)(17)에 출력한다.

이 출력 신호(SCP)는 직류 성분에 펄스 성분이 포함된 것으로, 그 직류 성분은 펄스 신호(ΦR, ΦP)의 주파수 변동에 따라 변화되고, 펄스 성분은 펄스 신호(ΦR, ΦP)의 위상차에 기초하여 변화된다.

상기 LPF(17)는 차지 펌프(16)의 출력 신호(SCP)를 평활하여 고주파 성분을 제거한 출력 신호를 VCO(18)에 제어 전압(VT)으로서 출력한다.

상기 VCO(18)는 상기 제어 전압(VT)에 따른 주파수의 출력 신호(fvco)를 외부 회로에 출력하는 동시에, 상기 비교 분주기(15)에 출력한다.

상기 비교 분주기(15)는 펄스 스왈로우 방식으로서, 프리스케일러(19)와, 메인 카운터(20), 스왈로우 카운터(21), 제어 회로(22)로 구성된다.

상기 출력 신호(fvco)는 상기 프리스케일러(19)에 입력되고, 그 프리스케일러(19)는 VCO(18)의 출력 신호(fvco)의 주파수를 M 분주하거나 또는 M+1 분주하여 메인 카운터(20) 및 스왈로우 카운터(21)에 출력 신호(Pout)로서 출력한다.

상기 스왈로우 카운터(21)는 프리스케일러(19)의 출력 신호(Pout)를 A 분주하여 그 출력 신호를 상기 제어 회로(22)에 출력한다. 상기 제어 회로(22)는 스왈로우 카운터(21)의 분주 신호에 기초하여 상기 프리스케일러(19)에 예컨대 L 레벨의 모듈러스 신호(XMD)를 출력한다. 프리스케일러(19)는 그 모듈러스 신호(XMD)에 기초하여 VCO(18)의 출력 신호(fvco)를 M 분주한 출력 신호(Pout)를 출력한다.

또한, 스왈로우 카운터(21)가 A개의 펄스를 카운트하고 있는 동안은 제어 회로(22)는 예컨대 H 레벨의 모듈러스 신호(XMD)를 출력하고, 프리스케일러(19)는 그 모듈러스 신호(XMD)에 기초하여 VCO(18)의 출력 신호(fvco)를 M+1 분주한 출력 신호(Pout)를 출력한다.

상기 메인 카운터(20)의 분주비는 상기 시프트 레지스터(13)로 설정되고, 프리스케일러(19)의 출력 신호(Pout)를 N 분주하여 상기 위상 비교기(14)에 비교 신호(fp)로서 출력한다. 또한, 메인 카운터(20)의 분주 신호는 상기 제어 회로(22)에 출력되고, 제어 회로(22)는 메인 카운터(20)가 프리스케일러(19)의 출력 신호(Pout)를 N 분주할 때마다 스왈로우 카운터(21)에 기동 신호를 출력한다.

따라서, 상기 PLL 회로에서는 메인 카운터(20)가 프리스케일러(19)의 출력 신호(Pout)를 N 분주할 때마다 스왈로우 카운터(21)가 동작하여 프리스케일러(19)의 출력 신호(Pout)를 카운트한다.

이러한 동작을 행하여 기준 신호(fr)와 비교 신호(fp)의 주파수 및 위상이일치하도록 VCO(18)의 주파수가 록업된다.

상기 VCO(18)의 구체적 구성을 도 2에 따라 설명한다. 상기 제어 전압(VT)은 발진부(23)에 입력된다. 상기 발진부(23)는 도 3에 도시한 바와 같이, 용량부(24)를 제외하고, 상기 종래예의 VCO와 동일하다.

상기 용량부(24)는 도 4에 도시한 바와 같이, 양측에 각각 스위치 회로(SW1∼SW3)가 접속된 용량(C1∼C3)이 병렬로 접속되고, 그 스위치 회로(SW1∼SW3)는 스위치 제어 신호(VSW1∼VSW3)에 기초하여 개폐된다.

각 스위치 회로(SW1∼SW3)는 예컨대 P채널 MOS 트랜지스터와 N채널 MOS 트랜지스터를 병렬로 접속한 트랜스미션 게이트로 구성된다. 그리고, 대응하는 스위치 제어 신호(VSW1∼VSW3)가 L 레벨이 되었을 때 도통 상태가 되고, H 레벨이 되었을 때 비도통이 되도록 설정된다.

따라서, 각 스위치 회로(SW1∼SW3)가 모두 도통 상태가 되었을 때, 용량부(24)의 용량은 용량(C1∼C3)의 용량치의 총합이 된다. 이 때, 발진부(23)의 제어 전압(VT)에 기초한 출력 신호(fvco)의 발진 주파수 대역은 도 6에 도시하는 A대에서 변화한다.

또한, 스위치 회로(SW2, SW3)만이 도통 상태가 되면, 용량부(24)의 용량은 용량(C2, C3)의 용량치의 합이 된다. 이 때, 발진부(23)의 제어 전압(VT)에 기초한 출력 신호(fvco)의 발진 주파수 대역은 도 6에 도시하는 B대에서 변화한다.

또한, 스위치 회로(SW3)만이 도통 상태가 되면, 용량부(24)의 용량은 용량(C3)의 용량치가 된다. 이 때, 발진부(23)의 제어 전압(VT)에 기초한 출력 신호(fvco)의 발진 주파수 대역은 도 6에 도시하는 C대에서 변화한다.

상기 스위치 제어 신호(VSW1∼VSW3)는 도 2에 도시한 바와 같이, 제어부(28)를 구성하는 비교기(25∼27)로 생성된다. 상기 비교기(25∼27)에는 상기 제어 전압(VT)이 입력된다. 각 비교기(25∼27)는 히스테리시스 특성을 갖춘 비교기이다.

상기 비교기(25)의 특성은 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 상승측 임계치 VthH1과 하강측 임계치 VthL1을 구비하고 있다. 그리고, L 레벨의 스위치 제어 신호(VSW1)를 출력하고 있는 상태에서는, 제어 전압(VT)이 임계치 VthH1보다 높아졌을 때, 스위치 제어 신호(VSW1)를 H 레벨로 한다. 또한, H 레벨의 스위치 제어 신호(VSW1)를 출력하고 있는 상태에서는, 제어 전압(VT)이 임계치 VthL1보다 낮아졌을 때, 스위치 제어 신호(VSW1)를 L 레벨로 한다.

상기 비교기(26)는 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 상승측 임계치 VthH2와 하강측 임계치 VthL2에 기초하여 비교기(25)와 동일하게 동작한다. 임계치 VthH2는 임계치 VthH1보다 높고, 임계치 VthL2는 임계치 VthL1보다 높은 전압으로 설정된다.

상기 비교기(27)는 도 5의 (c)에 도시한 바와 같이, 상승측 임계치 VthH3과 하강측 임계치 VthL3에 기초하여 비교기(25)와 동일하게 동작한다. 임계치 VthH3은 임계치 VthH2보다 높고, 임계치 VthL3은 임계치 VthL2보다 높은 전압으로 설정된다.

다음에, 상기한 바와 같이 구성된 VCO(18)의 동작을 설명한다. 그런데, 상기 PLL 회로의 기동시에, 제어 전압(VT)이 비교기(25)의 임계치 VthL1보다 낮은 레벨로부터 상승할 때, 제어 전압(VT)이 임계치 VthH1을 초과할 때까지는, 각 비교기(25∼27)로부터 출력되는 스위치 제어 신호(VSW1∼VSW3)는 모두 L 레벨이 되고, 발진부(23)는 도 6에 도시하는 A대에서 동작한다.

이 상태로, 예컨대 도 6에 도시하는 a점과 같이, 제어 전압(VT)이 비교기(25)의 임계치 VthH1을 초과하지 않는 범위에서 발진부(23)의 출력 신호(fvco)가 수속되어 동기되면, 발진부(23)는 A대에서 동작하는 상태로 유지된다.

계속해서, PLL 회로의 동기 설정 주파수가 c점으로 이동하면, 제어 전압(VT)이 상승한다. 그리고, 제어 전압(VT)이 비교기(25)의 임계치 VthH1을 초과하면, 비교기(25)로부터 출력되는 스위치 제어 신호(VSW1)는 H 레벨이 된다.

그렇게 하면, 스위치 회로(SW1)는 비도통이 되고, 용량부(24)의 용량치는 용량(C2, C3)의 용량치의 합이 되어 작아지며, 발진부(23)는 A대의 b점에서 B대의 d점으로 이동한다.

그리고, 출력 신호(fvco)를 c점에 수속하기 위해서 제어 전압(VT)이 저하하여, 이윽고 c점에 수속한다.

이 때, 제어 전압(VT)이 비교기(25)의 임계치 VthL1을 하회할 때까지, 비교기(25)로부터 출력되는 스위치 제어 신호(VSW1)는 H 레벨로 유지되기 때문에, 발진부(23)는 B대에서 동작한다.

이 상태에서, PLL 회로의 동기 설정 주파수가 e점으로 이동하면, 제어 전압(VT)이 상승한다. 그리고, 제어 전압(VT)이 비교기(26)의 임계치 VthH2를 초과하면, 비교기(26)로부터 출력되는 스위치 제어 신호(VSW2)는 H 레벨이 된다.

그렇게 하면, 스위치 회로(SW2)는 비도통이 되고, 용량부(24)의 용량치는 용량(C3)의 용량치가 되어 작아지며, 발진부(23)는 B대의 f점에서 C대의 g점으로 이동한다.

그리고, 출력 신호(fvco)를 e점으로 수속시키기 위해서 제어 전압(VT)이 저하하며, 이윽고 e점에 수속한다.

이 때, 제어 전압(VT)이 비교기(26)의 임계치 VthL2를 하회할 때까지, 비교기(26)로부터 출력되는 스위치 제어 신호(VSW2)는 H 레벨로 유지되기 때문에, 발진부(23)는 C대에서 동작한다.

또한, PLL 회로의 동기 설정 주파수가 예컨대 e점에서 다시 c점으로 이동하면, 제어 전압(VT)이 저하된다. 그리고, 제어 전압(VT)이 비교기(26)의 임계치 VthL2를 하회하면, 비교기(26)로부터 출력되는 스위치 제어 신호(VSW2)는 L 레벨이 된다.

그렇게 하면, 스위치 회로(SW2)가 도통하여 용량부(24)의 용량치는 용량(C2, C3)의 용량치의 합이 되고, 발진부(23)는 B대의 h점으로 이행한다. 그리고, 출력 신호(fvco)를 c점에 수속시키기 위해서 제어 전압(VT)이 상승하고, 이윽고 c 점에 수속한다. i점에서 j점으로의 이행에 의한 B대에서 A대로의 이행도 상기와 동일한 동작이 된다.

상기한 바와 같이 구성된 VCO(18)에서는, 다음에 나타내는 작용 효과를 얻을 수 있다.

(1) 제어 전압(VT)에 기초하여 A대, B대, C대 중 어느 하나의 발진 주파수 대역을 자동적으로 선택하여 출력 신호(fvco)의 주파수를 동기 설정 주파수로 수속시킬 수 있다.

(2) A대, B대, C대의 각 발진 주파수 대역을 협대역화할 수 있기 때문에, 제어 전압(VT)에 대한 출력 신호(fvco)의 CN 특성 및 직선성을 향상시킬 수 있다.

(3) A대, B대, C대를 자동적으로 전환함으로써 VCO(18)로서의 발진 주파수 대역을 광대역화할 수 있다. 따라서, PLL 회로의 동기 범위를 광대역화할 수 있는 동시에, 제조 불규칙에 대한 마진을 확보하는 것이 용이하다.

(4) 각 비교기(25∼27)가 히스테리시스를 구비하고, A대, B대, C대의 각 발진 주파수 대역이 오버랩하고 있기 때문에, 발진 주파수 대역의 전환을 원활하게 행할 수 있다.

상기 실시예는 다음에 도시한 바와 같이 변경할 수도 있다.

·용량부(24)의 용량치를 더욱 다단층으로 전환함으로써 각 용량치에 대응하는 발진 주파수 대역을 더욱 협대역화하여 CN 특성 및 직선성의 향상을 도모하거나또는 VCO로서의 발진 주파수 대역을 더욱 광대역화할 수 있다.

·상기 실시예에서는, 용량부(24)의 용량치를 전환함으로써 발진부(23)의 발진 주파수 대역을 전환하는 구성으로 하였지만, 도 7에 도시한 바와 같이, 인덕터의 값을 스위치 제어 신호(VSW1∼VSW3)에 의해 전환하도록 하여도 좋다.

·도 8에 도시한 바와 같이, 가변 용량의 용량치를 스위치 제어 신호(VSW1∼VSW3)에 의해 전환하도록 하여도 좋다.

이상 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 발진 주파수 대역을 광대역화하면서, CN 특성 및 직선성의 열화를 방지할 수 있는 전압 제어 발진기를 제공할 수 있다.

Claims

제어 전압에 기초하여 발진 주파수의 출력 신호를 출력함과 동시에, 전환 신호의 입력에 기초하여 상기 출력 신호의 발진 주파수 대역을 전환하는 전환 수단을 구비한 발진부와;

상기 제어 전압에 기초하여 상기 전환 신호를 출력하는 제어부

를 구비하는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
제1항에 있어서, 상기 발진부는 인덕터와, 상기 제어 전압에 기초하여 용량이 변화되는 가변 용량과, 고정 용량으로 상기 발진 주파수 대역을 설정 가능하게 하고,

상기 전환 수단은 상기 전환 신호에 기초하여 병렬로 접속하는 상기 고정 용량의 수를 선택하는 스위치 회로로 구성한 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
제1항에 있어서, 상기 발진부는 인덕터와, 상기 제어 전압에 기초하여 용량이 변화되는 가변 용량과, 고정 용량으로 상기 발진 주파수 대역을 설정 가능하게 하고,

상기 전환 수단은 복수의 인덕터와, 상기 전환 신호에 기초하여 병렬로 접속하는 상기 인덕터의 수를 선택하는 스위치 회로로 구성한 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
제1항에 있어서, 상기 발진부는 인덕터와, 상기 제어 전압에 기초하여 용량이 변화되는 가변 용량과, 고정 용량으로 상기 발진 주파수 대역을 설정 가능하게 하고,

상기 전환 수단은 상기 전환 신호에 기초하여 병렬로 접속하는 상기 가변 용량의 수를 선택하는 스위치 회로로 구성한 것을 특징으로 하는 제어 발진기.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는 각각 상이한 임계치를 구비한 복수의 비교기로 구성한 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
제5항에 있어서, 상기 비교기는 상승측 임계치가 하강측 임계치보다 높아지는 히스테리시스를 구비한 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재한 전압 제어 발진기를 구비한 것을 특징으로 하는 PLL 회로.
제7항에 기재한 PLL 회로를 탑재한 것을 특징으로 하는 반도체 장치.