KR20040011742A - Quadrature signal generator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 직각위상차 신호생성기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 90도 위상차를 갖는 신호를 생성함에 있어서 피드백(feedback)에 의해 실시간 보정으로 출력 신호의 위상차를 항상 90도에 고정시킴으로써 정확한 90도 위상차의 신호를 생성할 수 있도록 할 뿐만 아니라 전류에 의해 출력되는 신호의 위상을 조정할 수 있도록 함으로써 넓은 주파수 범위에 걸쳐 정확한 90도 신호를 생성할 수 있도록 한 직각위상차 신호생성기에 관한 것이다.The present invention relates to a quadrature phase difference signal generator, and more particularly, in generating a signal having a 90 degree phase difference, the phase difference of the output signal is always fixed to 90 degrees by real-time correction by feedback. The present invention relates to a quadrature phase difference signal generator that not only generates a signal but also adjusts a phase of a signal output by a current to generate an accurate 90 degree signal over a wide frequency range.
직각위상차 신호는 이미지 제거 믹서(image rejection mixer), 다이렉트 컨버전(direct-conversion), 쿼드러처 모듈레이션(quadrature modulation), 싱글 사이드 믹싱(single side mixing) 등의 통신 시스템 구조에서 주로 사용되는 신호로써 직각위상차의 정확도는 이러한 구조의 통신시스템의 성능과 밀접한 관계를 갖고 있다.Quadrature signals are used mainly in communication system architectures such as image rejection mixer, direct-conversion, quadrature modulation, and single side mixing. The accuracy of is closely related to the performance of this type of communication system.
90도 위상차의 신호를 생성하는 방법으로는 도 1에 도시된 RC-CR을 이용하여 생성하는 방법과, 도 2에 도시된 폴리페이즈 필터(polyphase filter)를 이용하여 생성하는 방법과, 도 3에 도시된 링 발진기인 4위상 전압제어발진기(quadrature VCO)를 이용하여 생성하는 방법 등이 있다.As a method of generating a signal having a phase difference of 90 degrees, a method of generating by using the RC-CR shown in FIG. 1, a method of generating using a polyphase filter shown in FIG. 2, and FIG. There is a method of generating using a quadrature voltage controlled oscillator (quadrature VCO), the ring oscillator shown.
이와 같이 RC-CR과 폴리페이즈 필터와 같이 수동소자인 커패시터의 위상지연 특성을 이용하여 90도 위상차의 신호를 만들어 내는 방법은 실시간 보정이 불가능하기 때문에 레이아웃(layout)과 공정에 따라 그 결과가 변하여 정확한 90도 위상차의 신호를 만들어 내기 어렵다는 문제점이 있다.As such, the method of generating 90-degree phase difference signals using the phase delay characteristics of the passive capacitor such as RC-CR and polyphase filter cannot be corrected in real time, so the result varies depending on the layout and process. There is a problem that it is difficult to produce a signal with an accurate 90 degree phase difference.
특히, 고주파에서는 정확한 90도의 위상차 신호를 만들기가 더욱 어려워 대량생산이 어려운 문제점이 있다.In particular, at high frequencies, it is more difficult to produce an accurate 90 degree retardation signal, which makes mass production difficult.
또한, 4위상 전압제어발진기의 경우에도 실시간 보정이 불가능하기 때문에 레이아웃(layout)과 공정에 따라 그 결과가 변하는 문제점이 있다.In addition, even in the case of a four-phase voltage controlled oscillator, since the real-time correction is impossible, there is a problem in that the result varies depending on the layout and the process.
또한, 전압제어발진기의 경우에는 큰 출력으로 인해 다른 회로에 큰 영향을 줄 수 있어 다른 회로와의 집적하기 힘들다는 문제점이 있다.In addition, in the case of the voltage controlled oscillator, it may be difficult to integrate with other circuits because it may have a large effect on other circuits due to a large output.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 90도 위상차를 갖는 신호를 생성함에 있어서 피드백(feedback)에 의해 실시간 보정으로 출력 신호의 위상차를 항상 90도에 고정시킴으로써 정확한 90도 위상차의 신호를 생성할 수 있도록 할 뿐만 아니라 전류에 의해 출력되는 신호의 위상을 조정할 수 있도록 함으로써 넓은 주파수 범위에 걸쳐 정확한 90도 신호를 생성할 수 있도록 한 직각위상차 신호생성기를 제공함에 있다.The present invention was created to solve the above problems, and an object of the present invention is to always fix the phase difference of the output signal to 90 degrees by real time correction by feedback in generating a signal having a 90 degree phase difference. It provides a quadrature phase difference signal generator that can generate a signal with an accurate 90 degree phase difference, as well as adjust the phase of a signal outputted by a current to generate an accurate 90 degree signal over a wide frequency range. .
본 발명에 의한 또 다른 실시간 보정으로 공정 후 별도의 수동 조정이 필요 없으며, 저전력으로 동작이 가능하여 다른 회로들과 함께 칩으로 집적하기에 용이하도록 한 직각위상차 신호생성기를 제공함에 있다.Another real-time correction according to the present invention does not require a separate manual adjustment after the process, and provides a quadrature phase difference signal generator that can be operated at low power and easily integrated into a chip together with other circuits.
도 1은 종래기술의 일실시예로 RC-CR을 이용한 직각위상차 신호생성기를 나타낸 회로구성도이다.1 is a circuit diagram illustrating a quadrature phase difference signal generator using RC-CR according to an embodiment of the prior art.
도 2는 종래기술의 다른 실시예로 폴리페이즈 필터(poly-phase filter)를 이용한 직각위상차 신호생성기를 나타낸 회로구성도이다.2 is a circuit diagram illustrating a quadrature phase difference signal generator using a poly-phase filter according to another embodiment of the prior art.
도 3은 종래기술의 또 다른 실시예로 링 발진기를 이용한 직각위상차 신호생성기를 나타낸 회로구성도이다.3 is a circuit diagram illustrating a quadrature phase difference signal generator using a ring oscillator according to another embodiment of the prior art.
도 4는 본 발명에 의한 직각위상차 신호생성기를 나타낸 회로구성도이다.4 is a circuit diagram illustrating a quadrature phase difference signal generator according to the present invention.
도 5는 본 발명에 의한 직각위상차 신호생성기에서 90도 일 때 위상감지기와 저주파통과필터의 출력 파형을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing output waveforms of a phase detector and a low pass filter at 90 degrees in a quadrature phase difference signal generator according to the present invention.
도 6은 본 발명에 의한 직각위상차 신호생성기에서 위상차가 90도가 아닐 때 위상감지기와 저주파통과필터의 출력 파형을 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the output waveforms of the phase detector and the low pass filter when the phase difference is not 90 degrees in the quadrature phase difference signal generator according to the present invention.
도 7은 본 발명에 의한 직각위상차 신호생성기의 동위상증폭기를 나타낸 회로구성도이다.7 is a circuit diagram illustrating an in-phase amplifier of a quadrature phase difference signal generator according to the present invention.
도 8은 본 발명에 의한 직각위상차 신호생성기의 위상이동기를 나타낸 회로구성도이다.8 is a circuit diagram illustrating a phase shifter of a quadrature phase difference signal generator according to the present invention.
도 9는 본 발명에 의한 직각위상차 신호생성기의 길버트 곱셈기 타입 위상감지기를 나타낸 회로구성도이다.9 is a circuit diagram showing a Gilbert multiplier type phase detector of a quadrature phase difference signal generator according to the present invention.
도 10은 본 발명에 의한 직각위상차 신호생성기의 XOR 타입 위상감지기와 저주파통과필터를 나타낸 회로구성도이다.10 is a circuit diagram illustrating an XOR type phase detector and a low pass filter of a quadrature phase difference signal generator according to the present invention.
도 11은 본 발명에 의한 직각위상차 신호생성기에서 위상차가 90도 일 때의 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.11 is a graph showing a computer simulation result when the phase difference is 90 degrees in the quadrature phase difference signal generator according to the present invention.
도 12는 본 발명에 의한 직각위상차 신호생성기에서 위상차가 100도 일 때의 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.12 is a graph showing a computer simulation result when the phase difference is 100 degrees in the quadrature phase difference signal generator according to the present invention.
도 13은 본 발명에 의한 직각위상차 신호생성기의 비교기로 사용한 연산증폭기를 간략하게 나타낸 회로구성도이다.13 is a circuit diagram schematically illustrating an operational amplifier used as a comparator of a quadrature phase difference signal generator according to the present invention.
도 14는 본 발명에 의한 직각위상차 신호생성기의 3상 선택기와 전하펌프를 간략하게 나타낸 회로구성도이다.14 is a circuit diagram schematically illustrating a three-phase selector and a charge pump of a quadrature phase difference signal generator according to the present invention.
도 15는 본 발명에 의한 직각위상차 신호생성기의 전하 펌프의 캐패시터가 작은 경우의 동작 결과를 나타낸 그래프이다.15 is a graph showing the operation results when the capacitor of the charge pump of the quadrature phase difference signal generator according to the present invention is small.
도 16은 본 발명에 의한 직각위상차 신호생성기의 전하 펌프의 캐패시터가 충분히 큰 경우의 동작 결과를 나타낸 그래프이다.Fig. 16 is a graph showing the operation results when the capacitor of the charge pump of the quadrature difference signal generator according to the present invention is sufficiently large.
도 17내지 도 18은 본 발명에 의한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.17 to 18 are graphs showing simulation results according to the present invention.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 --Explanation of symbols for the main parts of the drawings-
1 : 발룬 2 : 동위상 증폭기1: balun 2: in-phase amplifier
3 : 위상이동기 4 : 리미팅증폭기3: phase shifter 4: limiting amplifier
5 : 위상감지기 6 : 저주파통과필터5: phase detector 6: low pass filter
7 : 비교기 8 : 3상 선택기7: Comparator 8: 3 Phase Selector
9 : 전하펌프 10 : 전압-전류 변환기9 charge pump 10 voltage-to-current converter
100 : 직각위상차 신호생성부 200 : 위상제어부100: quadrature phase difference signal generation unit 200: phase control unit
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 90도 위상차의 신호를 생성하는 직각위상차 신호생성부와, 직각위상차 신호생성부의 출력신호를 감지하여 피드백시켜 보정하기 위한 직각위상차 신호생성부로 위상제어신호를 출력하는 위상제어부로 이루어진 것을 특징으로 한다.According to the present invention for realizing the above object, the phase control signal is generated by a quadrature phase difference signal generator for generating a 90 degree phase difference signal and a quadrature phase difference signal generator for detecting and feeding back the output signal of the quadrature phase difference signal generator. Characterized in that it consists of a phase control unit for outputting.
위에서 직각위상차 신호생성부는 입력된 신호를 180도 위상차의 두 신호로 출력하는 발룬과, 발룬에서 출력되는 동위상의 두 신호를 증폭하여 출력하는 동위상 증폭기와, 발룬에서 출력되는 동위상의 두 신호를 위상제어신호에 따라 위상차를 조절하여 직각위상차의 두신호로 출력하는 위상이동기와, 동위상 증폭기와 위상이동기의 출력신호를 똑같은 크기가 되도록 증폭하여 출력하는 리미팅증폭기로 이루어진 것을 특징으로 한다.In the above, the quadrature phase difference signal generation phase outputs the input signal as two signals having a 180 degree phase difference, an in-phase amplifier for amplifying and outputting two in-phase signals output from the balun, and two in-phase signals output from the balun A phase shifter for controlling the phase difference according to the control signal and outputting the two signals of the quadrature phase difference, and a limiting amplifier for amplifying and outputting the output signals of the in-phase amplifier and the phase shifter to have the same magnitude.
또한, 위상제어부는 직각위상차 신호생성부에서 출력되는 4위상신호의 위상을 감지하여 위상차에 따라 듀티가 서로 다른 상반된 신호를 출력하는 위상감지기와, 위상감지기의 출력신호를 입력받아 각각의 평균 직류전압을 출력하는 저주파통과필터와, 저주파통과필터에서 출력되는 평균 직류전압을 비교하는 비교기와, 비교기의 출력신호에 따라 3가지 상태의 제어신호를 출력하는 3상 선택기와, 3상 선택기의 출력신호에 따라 위상제어신호의 전압값을 조절하는 전하펌프와, 전하펌프의 전압값에 의한 위상제어신호를 전류값으로 변환하여 직각위상차 신호생성부로 출력하기 위한 전압-전류변환기로 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, the phase controller detects the phase of the four-phase signal output from the quadrature phase difference signal generator and outputs a phase signal having different duty values according to the phase difference, and receives an output signal of the phase detector, respectively, and averages an average DC voltage. A low pass filter for outputting a signal, a comparator for comparing the average DC voltage output from the low pass filter, a three-phase selector for outputting control signals in three states according to the output signal of the comparator, and an output signal of the three-phase selector. According to the present invention, a charge pump for adjusting the voltage value of the phase control signal and a voltage-to-current converter for converting the phase control signal by the voltage value of the charge pump into a current value and outputting the quadrature phase difference signal generator.
위와 같이 이루어진 본 발명은 직각위상차 신호생성부에서 출력되는 직각위상차 신호를 위상제어부에서 감지한 후 위상차를 키우거나 좁히도록 제어한 위상제어신호를 실시간으로 직각위상차 신호생성부로 출력함으로써 정확한 90도 위상차를 갖는 직각위상차 신호를 생성할 수 있도록 한다.According to the present invention made as described above, after detecting the quadrature phase difference signal output from the quadrature phase difference signal generator, the phase control signal is controlled to increase or decrease the phase difference to the quadrature phase difference signal generator in real time, thereby producing an accurate 90 degree phase difference. It is possible to generate a quadrature phase difference signal.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이며 종래 구성과 동일한 부분은 동일한 부호 및 명칭을 사용한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, the present embodiment is not intended to limit the scope of the present invention, but is presented by way of example only and the same parts as in the conventional configuration using the same reference numerals and names.
도 4는 본 발명에 의한 직각위상차 신호생성부를 나타낸 회로구성도이다.4 is a circuit diagram illustrating a quadrature phase difference signal generation unit according to the present invention.
여기에 도시된 바와 같이 직각위상차 신호생성기는 크게 나누어 90도 위상차의 신호를 생성하는 직각위상차 신호생성부(100)와, 직각위상차 신호생성부(100)의 출력신호를 감지하여 피드백시켜 보정하기 위한 직각위상차 신호생성부(100)로 위상제어신호를 출력하는 위상제어부(200)로 나누어진다.As shown here, the quadrature phase difference signal generator divides the quadrature phase difference signal generator 100 and the quadrature phase difference signal generator 100 to generate a signal having a phase difference of 90 degrees. It is divided into a phase control unit 200 which outputs a phase control signal to the quadrature phase difference signal generation unit 100.
또한, 직각위상차 신호생성부(100)는 입력된 신호를 180도 위상차의 두 신호로 출력하는 발룬(balun)(1)과, 발룬에서 출력되는 동위상(in-phase)의 두 신호(0도, 180도)를 증폭하여 출력하는 동위상 증폭기(2)와, 발룬에서 출력되는 동위상의 두 신호를 위상제어신호에 따라 위상차를 조절하여 직각위상차(quadrature-phase)의 두신호(90도, 270도)로 출력하는 위상이동기(phase shifter)(3)와, 동위상 증폭기(2)와 위상이동기(3)의 출력신호를 똑같은 크기가 되도록 증폭하여 출력하는 리미팅 증폭기(limiting amplifier)(4)로 구성된다.Also, the quadrature phase difference signal generation unit 100 outputs a balun 1 for outputting the input signal as two signals having a phase difference of 180 degrees, and two signals of in-phase output from the balun (0 degrees). Two phases (90 degrees, 270 degrees) of quadrature-phase by amplifying the phase difference between the in-phase amplifier (2) for amplifying and outputting the two phases output from the balun and the phase control signal according to the phase control signal. A phase shifter 3 for outputting to the phase shifter 3 and a limiting amplifier 4 for amplifying and outputting the output signals of the in-phase amplifier 2 and the phase shifter 3 to have the same magnitude. It is composed.
따라서, 입력신호가 발룬(1)을 지나면서 180도 위상차의 두 신호로 바뀌어 출력된다. 그런다음, 이 두 신호를 병렬로 한번은 동위상 증폭기(2)를 거쳐 동위상 신호(0도, 180도)가 출력되도록 하고 병렬의 다른 쪽은 위상이동기(phase shifter)(3)를 통해 직각위상 신호(90도, 270도)가 출력되도록 한다.Therefore, the input signal is converted into two signals having a phase difference of 180 degrees while passing through the balun 1 and output. Then, these two signals are output in parallel once through the in-phase amplifier (2) and the in-phase signals (0 degrees, 180 degrees) are output, and the other side of the parallel through the phase shifter (3) A signal (90 degrees, 270 degrees) is outputted.
이때 위상이동기(3)는 전류값으로 동위상과의 위상차를 키우거나 좁히도록 제어할 수 있다.At this time, the phase shifter 3 may be controlled to increase or narrow the phase difference with the in-phase with a current value.
도 7내지 도 8은 본 발명에 의한 직각위상차 신호생성기의 동위상 증폭기와 위상이동기를 나타낸 회로도이다.7 to 8 are circuit diagrams showing an in-phase amplifier and a phase shifter of a quadrature phase difference signal generator according to the present invention.
여기에 도시된 바와 같이 위상이동기(3)는 차동 캐스코드 증폭기(differential cascode amplifier)의 변형이다. 도 7은 동위상 증폭기(2)로써 차동 캐스코드 증폭기이면서 동위상 신호(0도, 180도)를 출력하고 도 8은 위상이동기(3)로써 동위상증폭기의 캐스코드 증폭기에 C1, C2의 밀러 피드백 캐패시터(Miller feedback capacitor)가 더해져서 위상이동기(phase shifter)(3)로 동작하여 직각위상 신호(90도, 270도)를 출력한다.As shown here, the phase shifter 3 is a variant of a differential cascode amplifier. 7 shows a differential cascode amplifier as an in-phase amplifier 2 and outputs in-phase signals (0 degrees and 180 degrees), and FIG. 8 shows a Miller of C1 and C2 to a cascode amplifier of an in-phase amplifier as a phase shifter 3. The feedback feedback capacitor (Miller feedback capacitor) is added to operate as a phase shifter (3) to output quadrature signals (90 degrees, 270 degrees).
동위상 증폭기(2)의 트랜스컨덕턴스(transconductance)를 gm이라 할 때, 위상이동기(3)의 트랜스컨덕턴스는 아래 수학식 1과 같다.When the transconductance of the in-phase amplifier 2 is g m , the transconductance of the phase shifter 3 is expressed by Equation 1 below.
ω가 수학식 2와 같을 때 gm'은 수학식 3가 되어 gm과 gm'은 90도 차이가 나게 된다. 이와 같은 회로구조에 대해서는 [D. K. Shaeffer and T. H. Lee, The Design and Implementation of Low-Power CMOS Radio Receivers, Kluwer Academic Publishers, 1999]에 개시되어 있다.When ω is equal to Equation 2, g m 'becomes Equation 3, and g m and g m ' are 90 degrees apart. Such a circuit structure is disclosed in DK Shaeffer and TH Lee, The Design and Implementation of Low-Power CMOS Radio Receivers, Kluwer Academic Publishers, 1999.
이 구조에서 gm' 은 Q2의 베이스 전류(base current)를 가변시켜 조정이 가능하다. 따라서 주파수의 변화에 따라 Q2의 베이스 전류를 조정하면 위상차를 키우거나 줄일 수 있게 된다.In this structure, g m 'can be adjusted by varying the base current of Q2. Therefore, if the base current of Q2 is adjusted according to the frequency change, the phase difference can be increased or decreased.
따라서, 위상제어신호를 전압-전류 변환기(10)를 통해 전류신호로 변환하여 Q2의 베이스 전류로 인가함으로써 위상차를 조절할 수 있게 된다.Accordingly, the phase difference can be adjusted by converting the phase control signal into a current signal through the voltage-to-current converter 10 and applying it as the base current of Q2.
동위상 증폭기(2)를 통과한 동위상 신호(0도, 180도)와, 위상이동기(3)를 통과한 직각위상 신호(90도, 270도)는 리미팅증폭기(4)를 지나면서 출력 전압 크기를 똑같이 맞춰준다. 그래서 이 신호가 직각위상차 신호생성부(100)에서 출력되는 4위상 신호가 된다.The in-phase signals (0 degrees, 180 degrees) passing through the in-phase amplifier (2) and the quadrature signals (90 degrees, 270 degrees) passing through the phase shifter (3) pass through the limiting amplifier (4) and output voltage. Match the size equally. Thus, this signal becomes a 4-phase signal output from the quadrature phase difference signal generator 100.
그리고, 위상제어부(200)는 직각위상차 신호생성부(100)에서 출력되는 4위상신호의 위상을 감지하여 위상차에 따라 듀티가 서로 다른 상반된 신호를 출력하는 위상감지기(phase detector)(5)와, 위상감지기(5)의 출력신호를 입력받아 각각의 평균 직류전압을 출력하는 저주파통과필터(low pass filter, LPF)(6)와, 저주파통과필터(6)에서 출력되는 평균 직류전압을 비교하는 비교기(7)와, 비교기(7)의 출력신호에 따라 3가지 상태의 제어신호를 출력하는 3상 선택기(tri-state selector)(8)와, 3상 선택기(8)의 출력신호에 따라 위상제어신호의 전압값을 조절하는 전하펌프(charge pump)(9)와, 전하펌프(9)의 전압값에 의한 위상제어신호를 전류값으로 변환하여 직각위상차 신호생성부(100)로 출력하기 위한 전압-전류변환기(V-I converter)(10)로 구성된다.In addition, the phase controller 200 detects the phase of the four-phase signal output from the quadrature phase difference signal generator 100 and outputs an inverted signal having a different duty according to the phase difference, and a phase detector 5. A low pass filter (LPF) 6 for receiving the output signal of the phase sensor 5 and outputting the respective average DC voltages, and a comparator for comparing the average DC voltages output from the low frequency filter 6. (7), a tri-state selector 8 for outputting control signals in three states according to the output signal of the comparator 7, and phase control according to the output signal of the three-phase selector 8 A charge pump 9 for adjusting the voltage value of the signal, and a voltage for converting a phase control signal by the voltage value of the charge pump 9 into a current value and outputting it to the quadrature phase difference signal generation unit 100. A current converter (VI converter) 10.
도 9는 본 발명의 직각위상차 신호생성기의 위상감지기로써 길버트 곱셈기를 나타낸 회로구성도이고, 도 10은 본 발명에 의한 직각위상차 신호생성기의 XOR 타입의 위상감지기와 저주파통과필터를 나타난 회로구성도이다.9 is a circuit diagram showing a Gilbert multiplier as a phase detector of a quadrature phase difference signal generator according to the present invention, and FIG. .
도 9에 도시된 바와 같이 위상감지기(5)로써 길버트 곱셈기나 도 10에 도시된 XOR 타입의 위상감지기를 사용할 수 있다. 이와 같은 구조에 대해서는 [B. Razavi, Y. Ota, and R. G. Swartz, Design Techniques for Low-Voltage High-Speed Digital Bipolar Circuits, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 29, no. 3, pp. 332-339, Mar. 1994.]에 개시되어 있다.As illustrated in FIG. 9, the Gilbert multiplier or the XOR type phase detector illustrated in FIG. 10 may be used as the phase detector 5. For such a structure, see [B. Razavi, Y. Ota, and R. G. Swartz, Design Techniques for Low-Voltage High-Speed Digital Bipolar Circuits, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 29, no. 3, pp. 332-339, Mar. 1994.
도 10에 도시된 바와 같이 IN_I+와 IN_I-는 동위상 신호 입력을 나타내고, IN_Q+와 IN_Q-는 직각위상 신호의 입력을 나타내고 있다.As shown in FIG. 10, IN_I + and IN_I- represent in-phase signal inputs, and IN_Q + and IN_Q- represent inputs of quadrature signals.
IN_I+와 IN_Q-가 고전위라면 Q15, Q16에는 전류가 흐르지 않아 출력전압 OUT의 전압은 올라가고 IN_I+와 IN_Q+가 모두 저전위일 때는 Q15에 전류가 흘러 출력전압 OUT의 전압은 낮아진다. 즉, 동위상 신호 입력(IN_I)과 직각위상 신호(IN_Q)의 부호가 같다면 출력전압은 낮아지고 다르다면 출력전압이 올라가서 XOR로 동작을 하게 된다. IN_Q+와 IN_Q-의 위치를 바꾸면 XNOR가 된다. 도 5와 도 6의 X 와는 XOR와 XNOR의 출력이다.If IN_I + and IN_Q- are high potentials, no current flows in Q15 and Q16, so the voltage at the output voltage OUT goes up. When both IN_I + and IN_Q + are low potentials, current flows to Q15 to lower the voltage at the output voltage OUT. That is, if the in-phase signal input IN_I and the quadrature-phase signal IN_Q have the same sign, the output voltage is lowered. If the signal is different, the output voltage is increased to operate as XOR. If you change the position of IN_Q + and IN_Q-, it becomes XNOR. X and 6 of FIG. Is the output of XOR and XNOR.
또한, 저주파통과필터(6)는 위상감지기(5)의 출력단에 션트(shunt)로 연결된 R6, C5, C6로 구성되어 위상감지기(5)의 출력인 2fLO주파수의 일정한 듀티(duty)를 갖는 신호를 저주파통과필터링(low pass filtering)하여 직류에 가까운 출력으로 바꾸어준다.In addition, the low pass filter 6 is composed of R6, C5, and C6 shunt connected to the output terminal of the phase detector 5, and has a constant duty of 2f LO frequency, which is the output of the phase detector 5. Low pass filtering of the signal converts it to an output close to direct current.
위상차가 정확히 90도가 될 때 X 와는 듀티(duty)가 50%인 출력이 되고 이 두 신호를 저주파통과 필터링한 직류 전압 레벨이 도 5처럼 같아진다.When the phase difference is exactly 90 degrees, X and Is the output having a duty of 50% and the DC voltage level obtained by filtering these two signals through low frequency is equal to that of FIG.
도 11에 도시된 바와 같이 (가) 그래프는 90도 위상차 출력 파형을 나타낸 것이고, (나)는 직류전압이 일치함을 보여준다. 도 11의 (가) 그래프는 그 때의 90도 위상차 출력 파형이다. 90도가 아니라면 도 6과 같이 저주파통과 필터링한 두신호의 직류 전압 레벨은 차이가 생기게 된다.As shown in FIG. 11, (a) the graph shows the 90-degree phase difference output waveform, and (b) shows that the DC voltage is consistent. Fig. 11A is a 90-degree phase difference output waveform at that time. If it is not 90 degrees, as shown in FIG. 6, the DC voltage levels of the low-frequency filtered two signals are different.
또한, 도 12는 위상차가 100도일 때의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프로써 (가) 그래프는 100도 위상차의 출력 파형이고 (나) 그래프는 직류 전압 레벨이 차이가 나는 것을 보여준다.12 is a graph showing a simulation result when the phase difference is 100 degrees. (A) The graph shows the output waveform of the 100 degree phase difference and (B) The graph shows that the DC voltage levels are different.
그리고, 도 13은 본 발명에 의한 직각위상차 신호생성기의 비교기를 간략하게 나타낸 회로구성도이다.13 is a circuit diagram schematically showing a comparator of a quadrature phase difference signal generator according to the present invention.
여기에 도시된 바와 같이 이상적인 연산증폭기는 무한대의 이득을 갖기 때문에 두 입력전압의 작은 직류 전압 차이에도 큰 출력을 보여주므로 저주파통과필터(LPF)를 지난 직류 전압 레벨이 다른 두 신호를 비교하는 역할을 할 수 있다.As shown here, since the ideal operational amplifier has infinite gain, it shows a large output even with a small DC voltage difference between the two input voltages, and thus, compares two signals having different DC voltage levels past the low pass filter (LPF). can do.
즉, (+)단 > (-)단일 때는 VDD를 출력하고 (+)단 < (-)단 일 때는 GND를 출력하고 (+)단 = (-)단 일 때는 VDD/2를 출력한다.That is, it outputs VDD when (+)> (-), GND when (+) <(-), and VDD / 2 when (+) = (-).
도 14는 본 발명에 의한 직각위상차 신호생성기의 3상 선택기와 전하펌프를 나타난 회로구성도이다.14 is a circuit diagram illustrating a three-phase selector and a charge pump of a quadrature phase difference signal generator according to the present invention.
여기에 도시된 바와 같이 3상 선택기(8)는 앞 단의 비교기(7)의 출력에 따라 전하펌프(9)의 상태를 결정해준다. 즉, 3상 선택기는 비교기(7)로부터의 입력이 Vref2이상일 때는 전하펌프(9)의 캐패시터를 방전(상태2)시키고 Vref1이하일 때는 충전(상태1)시키고 Vref1∼Vref2(상태3)일 때는 고 임피던스(high impedance)를 유지하여 전하펌프(9)의 출력 전압을 유지시키게 된다. Vref1< VDD/2 < Vref2이며 세값(Vref1, VDD/2, Vref2)은 90도 위상차의 정확도와 관계가 있기 때문에 가까운 값으로 잡아줄수록 정확도가 향상된다.As shown here, the three-phase selector 8 determines the state of the charge pump 9 according to the output of the preceding comparator 7. That is, the three-phase selector discharges the capacitor of the charge pump 9 when the input from the comparator 7 is greater than or equal to V ref2 , and charges (state 1) when V ref1 is less than or equal to V ref1 to V ref2 (state 3). ), The high impedance is maintained to maintain the output voltage of the charge pump 9. Since V ref1 <VDD / 2 <V ref2 and the three values (V ref1 , VDD / 2, V ref2 ) are related to the accuracy of the 90 degree phase difference, the closer the value is set, the better the accuracy.
그리고 전하펌프(9)의 출력은 전압이기 때문에 위상이동기(3)를 제어해줄 위상제어신호를 전류로 바꿔주는 전압-전류 변환기(10)를 사용하여 전류로 바꾸어 준다.Since the output of the charge pump 9 is a voltage, a voltage-to-current converter 10 converting a phase control signal for controlling the phase shifter 3 into a current is converted into a current.
위에서 도시된 회로구성도에서 모든 BJT(또는 HBT)는 FET로 바꾸어 구현 가능하다.In the circuit diagram shown above, all BJTs (or HBTs) can be implemented by switching to FETs.
위와 같이 직각위상차 신호생성부(100)에서 출력된 4위상 신호가 위상감지기(5)를 통과하면 도 5와 도 6에 도시된 그래프와 같이 4개 신호의 위상차에 따라 듀티(duty)가 다른 서로 상반된 두 파형(X,)을 출력하고 저주파통과필터(6)를 통해 각각의 평균 직류전압을 출력하게 된다.As described above, when the four-phase signal output from the quadrature phase difference signal generator 100 passes through the phase detector 5, the duty is different from each other according to the phase difference of the four signals as shown in the graphs shown in FIGS. 5 and 6. Two opposite waveforms (X, ) And each average DC voltage is output through the low pass filter (6).
즉, 위상이 정확히 90도 차이가 날 때 X와의 저주파통과필터(6) 출력이 일치하게 된다. 이 때가 90도로 고정(locking)되는 조건이며 도 5와 같으며, 위상차가 90도가 아닐 때는 도 6과 같다.That is, when the phase is exactly 90 degrees out of The output of the low pass filter (6) is equal to. This is a condition that is locked (locking) at 90 degrees and is as shown in FIG.
따라서, 저주파통과필터(6)에서 출력된 두 개의 직류 신호를 각각 비교기(7)의 (+), (-)입력에 넣으면 두신호의 값이 같을 때에는 중간 값(VDD/2)이 출력되고 다른 값일 때는 상황에 따라 VDD나 GND가 출력된다.Therefore, if two DC signals outputted from the low pass filter 6 are put into the (+) and (-) inputs of the comparator 7, respectively, when the values of the two signals are the same, the intermediate value (VDD / 2) is output and If it is a value, VDD or GND is output depending on the situation.
이 값으로부터 3상 선택기(tri-state selector)(8)가 전하펌프(charge pump)(9)의 캐패시터(capacitor)에 전하를 충전(1상태)할지 방전(2상태)할지 현상태(3상태)로 유지할지를 결정한다.From this value, the tri-state selector 8 charges the capacitor of the charge pump 9 (1 state) or discharges (2 state). Decide if you want to keep it.
이렇게 변하는 전하펌프(9)의 전압출력인 위상제어신호는 전압-전류 변환기(V-I converter)(10)를 통해 전류로 변환되어 위상이동기(3)로 피드백되어 위상제어신호에 따라 위상이동기(3)의 출력 신호 위상이 동위상쪽 출력신호 위상과 90도를 유지하도록 해준다.The phase control signal, which is the voltage output of the charge pump 9 which is changed in this way, is converted into a current through a voltage-to-current converter (VI converter) 10 and fed back to the phase shifter 3 to transmit the phase shifter 3 according to the phase control signal. Its output signal phase is maintained 90 degrees with the in-phase output signal phase.
도 15는 본 발명에 의한 직각위상차 신호생성기의 전하 펌프의 캐패시터가 작은 경우의 동작 결과를 나타낸 그래프이고, 도 16은 전하 펌프의 캐패시터가 충분히 큰 경우의 동작 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 15 is a graph showing an operation result when the capacitor of the charge pump of the quadrature phase difference signal generator is small, and FIG. 16 is a graph showing an operation result when the capacitor of the charge pump is sufficiently large.
여기에 도시된 바와 같이 전하펌프(9)의 캐패시터가 크면 정상상태(steady state)로 수렴하는 시간이 길어지지만 90도 고정이 빨리 쉽게 된다.As shown here, the larger the capacitor of the charge pump 9, the longer the time to converge to a steady state (steady state), but the 90-degree fast becomes easier.
전하펌프(9)의 캐패시터가 작을 때는 도 15와 같이 고정이 되지 않고 토글을 반복하며 90도를 맞춰준다.When the capacitor of the charge pump 9 is small, it is not fixed as shown in FIG. 15, and the toggle is repeated to set 90 degrees.
전하펌프(9)의 캐패시터가 충분히 클 경우는 도 16과 같이 90도에서 고정이 이루어지게 된다.If the capacitor of the charge pump 9 is large enough, the fixing is made at 90 degrees as shown in FIG.
도 17은 본 발명에 의한 직각위상차 신호생성기의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.17 is a graph showing simulation results of the quadrature phase difference signal generator according to the present invention.
여기에 도시된 바와 같이 시뮬레이션 결과상으로 수 GHz대역의 수백 MHz범위에서 ±0.5도 이내의 오차로 90도를 고정했고 파형의 크기 차이는 0.1dB이내였다.As shown here, the simulation results show that 90 degrees are fixed with an error within ± 0.5 degrees in the hundreds of MHz ranges of several GHz bands, and the difference in waveform size is within 0.1 dB.
도 18은 시뮬레이션 결과의 한 예로 2.3 ∼ 2.8 GHz 범위에서 0.3도 이내의 오차로 90도를 고정했고 파형의 크기 차이는 0.1dB이내임을 보여준다.FIG. 18 shows an example of simulation results in which 90 degrees are fixed with an error within 0.3 degrees within a range of 2.3 to 2.8 GHz, and a difference in waveform size is within 0.1 dB.
위에서 위상제어부(200)의 전류소모는 3.5mA로써, 종래의 회로에 위상제어부(200)를 추가하게 되므로 작은 전류를 소모하는 피드백 보정 회로의 추가로 90도 위상차 신호의 정확도를 높일 수 있게 된다.Since the current consumption of the phase control unit 200 is 3.5mA, the phase control unit 200 is added to the conventional circuit, thereby increasing the accuracy of the 90 degree phase difference signal by adding a feedback correction circuit that consumes a small current.
상기한 바와 같이 본 발명은 통신시스템 등에서 필요로 하는 90도 위상차를 갖는 신호를 생성함에 있어서 피드백(feedback)에 의해 실시간 보정으로 출력 신호의 위상차를 항상 90도에 고정시킴으로써 정확한 90도 위상차의 신호를 생성할 수 있도록 할 뿐만 아니라 전류에 의해 출력되는 신호의 위상을 조정할 수 있도록 함으로써 넓은 주파수 범위에 걸쳐 정확한 90도 신호를 생성할 수 있는 이점이 있다.As described above, in the present invention, when generating a signal having a 90 degree phase difference required by a communication system or the like, a signal having an accurate 90 degree phase difference is fixed by always fixing the phase difference of the output signal to 90 degrees by real time correction by feedback. In addition to being able to generate, the ability to adjust the phase of the signal output by the current has the advantage of generating an accurate 90 degree signal over a wide frequency range.
또한 본 발명은 저전력 소모의 회로이므로 기존 칩에 같이 집적하여 단가를 줄일 수 있고, 실시간 보정을 이용하므로 공정 후 수동조정이 필요 없고 온도변화와 상관없이 정확한 90도 위상차를 제공할 수 있는 이점이 있다.In addition, since the present invention is a low power consumption circuit, it is possible to reduce the unit cost by integrating with an existing chip, and by using real-time correction, there is no need for manual adjustment after the process and there is an advantage of providing an accurate 90 degree phase difference regardless of temperature change. .
또한, 본 발명은 저주파통과필터링 후에 직류전압을 비교하므로 수 GHz의 고주파에서도 정확한 90도 위상 보정이 가능한 이점이 있다.In addition, since the present invention compares the DC voltage after low pass filtering, there is an advantage that accurate 90-degree phase correction is possible even at a high frequency of several GHz.
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