KR20080029680A - 이중 대역 발진기 및 이를 이용한 주파수 합성기 - Google Patents

이중 대역 발진기 및 이를 이용한 주파수 합성기 Download PDF

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KR20080029680A
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Abstract

본 발명은 무선통신시스템에 관한 것으로, 특히 이중 대역 발진기 및 이를 이용한 주파수 합성기에 관한 것으로, 발진기를 제어신호에 따라서 인덕턴스값이 가변되어 공진 주파수가 조정되는 공진 회로부; 및 상기 공진 회로부의 공진 주파수를 발진시켜 출력하는 액티브 회로부로 구성하여, 하나의 발진기에서 두 개 대역의 주파수 신호를 제공하고, 이를 주파수 합성기에 적용하여 다중 모드 무선 통신시스템의 크기 및 비용을 줄 일 수 있도록 한다.
이중대역 발진기, 이중모드 무선통신시스템, 위상고정루프, 주파수 합성기

Description

이중 대역 발진기 및 이를 이용한 주파수 합성기{DUAL BAND OSCILLATOR USING FREQUENCY SYNTHESIZER}
도 1은 본 발명에 의해 제안된 전압제어 발진기의 등가 회로도,
도 2는 본 발명에 의해 제안된 이중 대역 발진기에서 이중 모드 스위칭부의 회로도,
도 3은 도 2에 보인 이중모드 스위칭부의 인덕턴스 변화량을 보인 그래프이고,
도 4는 본 발명에 의한 이중 대역 발진기의 탱크 임피던스의 특성 그래프이고,
도 5는 본 발명에 의한 이중 대역 발진기의 출력 전압을 보인 그래프이고,
도 6은 본 발명에 의한 이중 대역 발진기의 주파수 스펙트럼도이고,
도 7은 본 발명에 의한 이중 대역 발진기를 이용한 Integer-N PLL 방식의 주파수 합성기를 보인 블럭구성도이고, 그리고,
도 8은 본 발명에 의한 이중 대역 발진기를 이용한 Fractional-N PLL 방식의 주파수 합성기를 보인 블럭구성도이다.
본 발명은 두 개의 주파수 대역에서 발진 가능하도록 구성함으로써, 다중모드 무선 통신 시스템의 구현 시 비용 및 크기를 감소시킬 수 있는 이중 대역 발진기 및 이를 이용한 주파수 합성기에 관한 것이다.
최근, 무선 이동 통신 기술이 발전하면서 동일한 주파수 대역을 이용한 무선 휴대이동통신 시스템 및 무선 시스템을 내장한 가전 제품들이 등장하고 있으며, 이와 같이 동일한 주파수 대역의 사용은 주파수 간섭 현상의 주요 원인이다. 예로써, 홈 내 2400MHz밴드의 경우, 마이크로 오븐의 급격한 전파 잡음이 발생할 경우, 인접한 무선통신시스템들간의 통신이 마비되는 현상이 발생할 수 있으며, 이러한 현상을 극복하기 위해서 다른 대역으로 전환 가능한 다중 모드 무선통신 시스템이 구현되어야 한다.
전압 제어 발진기는 송수신기의 RF(radio frequency)/IF(intermediate frequency)국부 발진기 또는 주파수 합성기에 사용되는 부품으로, 다중 모드 통신을 수행하기 위해서 통신 시스템 회로내에 여러개의 전압 제어 발진기가 필요하다.
상기와 같이 다른 대역으로 전환가능한 다중 모드 무선통신 시스템을 위해 다수의 전압 제어 발진기가 시스템 회로내에 장착되면, 회로가 복잡해 지고, 부품수가 증가되어, 시스템 회로의 가격 상승이 초래된다.
그러므로, 현재에는 회로 단순화 및 비용 절감을 위해서 다중 밴드 주파수를 발생시키는 전압 제어 발진기가 개발되고 있다.
이러한 다중 밴드 주파수를 발생시키는 전압 제어 발진기로서 커패시터를 디지털적으로 스위칭하여 여러 밴드를 선택하는 다중 밴드 또는 듀얼 밴드 전압 제어 발진기가 있다.
그러나, 다중 밴드 주파수를 발생시키는 커패시터로 구현한 전압 제어 발진기는 전환하는 밴드간의 간격이 넓은 경우, 주파수 대역을 전환하도록 구현하기가 곤란하고, 또한, 다중 대역에서의 공진기 Q값이 일정하지 않으므로, 대역별로 전압의 크기가 다르다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 간단한 회로의 구성으로, 두 개의 주파수 대역에서 발진 가능한 이중 대역 발진기를 제공하는 것을 제 1 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 이중 대역 발진기를 적용한 주파수 합성기를 제공하는 것을 제 2 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이중 대역 발진기는 제어신호에 따라서 인덕턴스값이 가변 되어 공진 주파수가 조정되는 공진 회로부; 및 상기 공진 회로부의 공진 주파수를 발진시켜 출력하는 액티브 회로부를 포함하여 이루어 진다.
더하여, 본 발명은 제어신호에 따라서 인덕턴스값이 가변되어 공진 주파수가 조정되고, 제어 전압에 따라서 커패시턴스 성분이 조정되는 주파수의 공진 회로부와, 상기 공진 회로부의 공진 주파수를 발진시켜 출력하는 액티브 회로부를 구비한 이중 대역 발진기; 상기 이중 대역 발진기의 커패시턴스 성분을 조정하여 출력 신호의 주파수 및 위상을 일정하게 제어하는 PLL; 및 상기 PLL 및 이중 대역 발진기를 제어하는 제어부를 포함하여 이루어진다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태가 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호로 나타내고 있음에 유의해야한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 의해 제안된 이중 대역 발진기의 구조를 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 발진기(10)는 스위칭 제어 신호에 따라 인덕턴스를 가변시키는 이중모드 스위칭부(11)와, 상기 스위칭부(11)의 인덕턴스에 병렬로 연결되는 커패시터(15,16)로 이루어져 LC 공진하는 공진회로부(9)와, PMOS 트랜지스터쌍(19b)와 NMOS 트랜지스터쌍(19a)의 보상 구조로 이루어져 상기 공진회로부(9)와 공진 주파수를 발진시켜 출력하는 액티브회로부(19a,19b)와, 전류소스(14)로 이루어진다.
도 1에서, 미설명된 부호 12,13은 발진기 내부에서 형성되는 내부 저항 성분을 나타낸 것이다.
상기 전류소스(14)는 상기 공진회로 및 액티브 회로의 전류를 결정하며, 네거티브 gm을 결정한다.
상기 발진기(10)는 네거티브 Gm 코아로써, 여기서 네거티브 지엠 코아 구조란, 입력된 전압에 대해 전류를 출력으로 갖는 소자, 즉 상호컨덕턴스(transconductance)로 표현 가능한 회로 구조의 출력단에 커패시터를 연결한 구조를 의미한다. 상기 발진기(10)에서, 액티브회로의 nMOS트랜지스터쌍(19a)과 pMOS트랜지스터쌍(19b)의 드레인 연결지점이 출력단(17,18)이 된다.
상기 커패시터(15,16)는 공진회로부(9)내의 커패시턴스 성분을 나타낸 것으로서, 이는 버렉터다이오드와 같은 가변 커패시터에 의한 커패시터의 성분을 포함한다.
상기 가변 커패시터는 버렉터 다이오드(미도시)의 커패시터 값을 의미하고, 일반적으로 인가전압에 따라 버렉터 다이오드의 커패시턴스 값이 변하는 성질을 이용한 것이며, 발진 주파수는 인덕턴스와 외부 제어전압에 따른 버렉터 다이오드의 커패시턴스에 의해 주파수가 결정된다.
이렇게 구성된 전압제어발진기의 경우, 상기 버렉터 다이오드의 커패시턴스 가변범위가 주파수 대역을 결정하게 된다.
도 2는 상기 이중 대역 발진기에서 이중 모드 스위칭부(11)의 상세구조를 나타낸 회로이다.
도 2를 참조하면, 이중 모드 스위칭부(11)의 입력단(21)과 출력단(22)이 상기 nMOS 트랜지스터 쌍(19a) 및 pMOS 트랜지스터 쌍(19b)의 드레인 연결 지점에 각각 연결되고, 동시에 공진회로부(9)내의 커패시터(15,16)에 연결된다.
그리고, 상기 입력단(21)과 출력단(22)의 사이에, 제1인덕터(23)과, 제 2,3인덕터(26a, 26b)가 병렬로 연결되고, 상기 제2,3인덕터(26a,26b)의 사이에 제어신호에 따라서 온/오프 스위칭하는 스위칭소자(25)가 구비되고, 더하여, 상기 제1인덕터(23a)와, 제 2,3인덕터(26a,26b)의 접점과 입출력단(21,22)사이에 보상용 제 4,5인덕터(24a,24b)를 구비한다.
상기 회로에서, 스위칭소자(25)가 오프되는 경우, 제1인덕터(23)만이 커패시터(15,16)와 연결되어, LC 공진 회로를 구성하고, 스위칭 소자(25)가 온 되는 경우, 제1~제3인덕터(23,26a,26b)가 모두 커패시터(15,16)에 연결되어 LC 공진 회로를 구성한다.
따라서, 스위칭 소자(25)의 온/오프에 따라서, LC 공진회로의 인덕턴스값이 변화여 공진주파수가 바뀌게 된다.
이때, 제 4,5인덕터(24a,24b)는 스위칭 시 발생하는 커패시턴스 성분을 보상한다.
이와 같이 상기 이중모드 스위칭부(25)는 스위칭소자(25)가 온/오프됨에 따라서 인덕턴스의 값이 큰 값과 작은 값으로 변환되는데, 이러한 인덕턴스 값의 변화량을 도 3에 도시한다.
도 3을 참조하면, 스위칭소자(25)가 온 상태일 경우, 2 ~ 3nH의 낮은 인덕턴스 값이 나타나며, 스위치소자(25)가 오프 상태일 경우, 8 ~ 10nH의 높은 인덕턴스 값을 갖음을 알 수 있다. 이러한 인덕턴스 값의 변화에 의해 공진회로의 공진 주파수가 조정된다.
도 4는, 상기 LC 공진 회로에 있어서, 주파수 발진 가능성 및 발진기의 특성을 결정하는 탱크 임피던스(tank impedance)를 나타낸 그래프이다.
스위칭소자(25)의 온/오프에 따라서 fo = 1.5GHz 대역과, 2fo = 3GHz 근방에서 공진이 형성됨을 확인할 수 있다. 상기 각 공진 대역에서의 임피던스는 회로의 구성 정도에 따라 그 값이 변동 가능하며, 이는 이중모드 스위칭부(11)를 구성하는 스위칭소자(25)와 인덕터들(23,24a,24b,26a,26b)의 특성값에 의해 결정되고, 도 4에서는 250 정도의 임피던스를 보이지만 회로의 구성에 따라 높은 임피던스(high impedance)로의 변경이 가능하다.
도 5는 본 발명에 의한 이중 대역 발진기로부터 출력되는 신호를 보인 그래프로서, 상기 스위칭 소자(25)의 온/오프에 따라서 높은 주파수에서 낮은 주파수로 전환되는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 이중 대역 발진기의 주파수 스펙트럼도를 보인 것으로,
fo = 1.5GHz, 2fo = 3GHz 부근의 두 주파수 신호가 발생되는 것을 알 수 있다.
이와 같이 두 주파수 대역에서 발진 가능한 이중 대역 발진기를 이용할 경우, 하나의 발진기로 두 대역에서 동작할 수 있는 주파수 합성기를 구현할 수 있다.
도 7은 본 발명에 의한 이중 대역 발진기를 이용한 Integer-N PLL 방식의 주파수 합성기(70)를 나타낸 것으로, 도 7을 참조하면, 상기 주파수 합성기(70)는 먼저, 본 발명에 의해 구성된 이중 대역에서 발진 가능한 발진기(71)와, 서로 다른 주파수 출력신호의 위상을 비교하는 위상/주파수 비교기(72)와 상기 위상/주파수 비교기(72)로부터 출력된 비교결과를 전류로 변환하는 전하펌프(73)와, 상기 위상 오차를 상기 이중 대역 발진기(71)의 전압으로 출력하는 루프필터(74) 및 상기 이중대역 발진기(71)로부터 출력된 신호를 소정 분주비(1/M)로 분주하여 상기 위상/주파수 비교기로 인가하는 주파수 분주기(75)를 구비한 PLL(Phase Locked Loop)(76)와, 상기 PLL(76) 및 이중 대역 발진기(71)를 제어하는 제어부(77)를 포함한다.
상기 주파수 합성기(70)에 있어서, 이중 대역 발진기(71)의 구조는 도 1 및 도 2에서 보인 바와 같이 구현된다.
또한, 상기 PLL(76)은 Integer-N PLL(Phase Locked Loop)이다. 여기서, Integer-N PLL 방식은 출력 신호의 주파수를 1/M(여기서, M은 정수)으로 분주하는 PLL을 의미한다.
상기 제어부(77)는, 무선통신시스템(도시생략)의 CPU등과 같은 외부로부터의 명령에 따라, 발생시킬 주파수를 선택하여, 상기 이중대역 발진기(71)의 스위칭부(미도시)및 PLL(76)의 분주비를 제어한다.
상기 상태에서 위상/주파수 비교기(72)는 기준 주파수와 주파수 분주기(75)의 출력신호의 위상 및 주파수를 비교하여 비교결과를 출력하고, 상기 위상/주파수 비교기(72)로부터 출력된 비교결과를 전하펌프(73)에서 전압신호로 변환하고, 이를 루프필터(74)를 거쳐 상기 위상 오차를 상기 이중 대역 발진기(71)에 제어 전압으로 출력한다.
상기 루프필터(74)의 출력전압은 발진기(71)의 커패시턴스 성분을 가변시켜 발진기(71)의 주파수 변동을 보상한다.
그리고, 상기 이중 대역 발진기(71)의 출력신호는 주파수 분주기(75)로 피드백(feed back)되어, 1/M(여기서, M은 정수이다.)로 분주된다.
상기 PLL(76)에 있어서, 주파수 분주기(75)는 제어신호를 발생하는 제어부(77)에 연결되어 제어되고, 상기 발진기(71) 또한 상기 제어부(77) 연결되어 제어된다. 이때, 상기 제어부(77)는 이중 대역 발진기(71)의 신호의 주기를 카운팅함에 있어서
다음으로, 도 8은 본 발명에 의한 이중 대역 발진기를 Fractional-N PLL 방식의 주파수 합성기에 적용한 구조를 나타낸 것으로, 도 8을 참조하면, 상기 주파 수 합성기(80)는 먼저, 본 발명에 의해 구성된 이중 대역에서 발진 가능한 발진기(81)와 서로 다른 주파수 출력신호의 위상을 비교하는 위상/주파수 비교기(72)와 상기 위상/주파수 비교기(82)로부터 출력된 비교결과를 전류로 변환하는 전하펌프(83)와, 상기 위상 오차를 상기 이중 대역 발진기(81)의 전압으로 출력하는 루프필터(84) 및 상기 이중대역 발진기(81)로부터 출력된 신호를 소정 분주비(1/M)로 분주하여 상기 위상/주파수 비교기로 인가하는 주파수 분주기(85) 및 외부에서 전달되는 제어신호들의 합을 상기 주파수 분주기(85)로 출력하는 가산기(Adder)(86)를 구비한 PLL(86)과, 상기 PLL(87) 및 이중 대역 발진기(81)를 제어하는 제어부(87)를 포함한다.
상기 주파수 합성기(80)에 있어서, 이중 대역 발진기(81)의 구조는 도 1 및 도 2에서 보인 바와 같이 구현된다.
또한, 상기 PLL(86)는 Fractional-N PLL(Phase Locked Loop)이다. 여기서, Fractional-N PLL 방식은 출력 신호의 주파수가 N/N+1(여기서, N은 정수)의 분수형태로 분주하는 주파수 합성기를 의미한다.
상기 제어부(87)는, 무선통신시스템(도시생략)의 CPU등과 같은 외부로부터의 명령에 따라, 발생시킬 주파수를 선택하여, 상기 이중대역 발진기(81)의 스위칭부(미도시) 및 PLL(87)의 분주비를 제어한다.
상기 상태에서 위상/주파수 비교기(82)는 기준 주파수와 주파수 분주기(85)의 출력신호의 위상 및 주파수를 비교하여 비교결과를 출력하고, 상기 위상/주파수 비교기(82)로부터 출력된 비교결과를 전하펌프(83)에서 전압신호로 변환하고, 이는 루프필터(84)를 거쳐 상기 이중 대역 발진기(81)에 제어 전압으로 출력된다.
그리고, 상기 이중 대역 발진기(81)의 출력신호는 주파수 분배기(85)로 피드백(feed back)되어, N/N+1(여기서, N은 정수이다.)로 분주된다.
상기 도7,도8의 주파수 합성기는, 이중대역 발진기(71,81)를 구비함으로써, 두 주파수 대역에 의한 처리가 가능하다.
이상에서 설명한 상세한 설명 및 도면의 내용은, 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명한 것이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변경 또는 삭제가 가능할 것이다.
따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 설명 및 도면에 의해 결정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위에 의해 결정되어 져야한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 이중 대역에서 발진 가능한 발진기 및 이를 이용한 주파수 합성기는 하나의 발진기를 이용하여 이중 대역 발진기를 제공함으로써 가격 상승 및 회로를 단순화시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 스위칭 제어 신호에 따라 인덕턴스를 가변시키는 듀얼모드 스위칭 회로부 및상기 스위칭부의 인덕턴스 성분에 병렬로 연결되는 커패시터 회로부를 구비하여 제어신호에 따라서 인덕턴스값이 가변 되어 공진 주파수가 조정되는 공진 회로부; 및
    상기 공진 회로부의 공진 주파수를 발진시켜 출력하는 액티브 회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 발진기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 액티브 회로부는, pMOS 트랜지스터 쌍과 nMOS 트랜지스터 쌍의 보상 구조로 이루어져 상기 공진 회로부의 공진 주파수를 발진시켜 출력하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 발진기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 스위칭 회로부는,
    고주파 형성을 위한 제 1인덕터;
    상기 제 1인덕터와 병렬로 연결되는 저주파 형성을 위한 제 2 및 제 3인덕터; 및
    상기 제 2 및 제3 인덕터 사이에 연결되어 제어신호에 따라서 온/오프 스위칭하는 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 발진기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 스위칭 회로부는 상기 제 1,2,3인덕터 소자의 손실을 보상해주는 커패시턴스 보상 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 발진기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 커패시터 회로부는 제어 전압에 따라서 커패시턴스가 가변되는 가변 커패시턴스 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 대역 발진기.
  6. 스위칭 제어 신호에 따라 인덕턴스를 가변시키는 듀얼모드 스위칭 회로부 및상기 스위칭부의 인덕터에 병렬로 연결되고 제어 전압에 따라서 커패시턴스 성분이 가변 되는 커패시터 회로부제어신호에 따라서 인덕턴스값이 가변되어 공진 주파수가 조정되고, 제어 전압에 따라서 커패시턴스 성분이 조정되는 주파수의 공진 회로부와, 상기 공진 회로부의 공진 주파수를 발진시켜 출력하는 액티브 회로부를 구비한 이중 대역 발진기;
    상기 이중 대역 발진기의 커패시턴스 성분을 조정하여 출력 신호의 주파수 및 위상을 일정하게 제어하는 PLL; 및
    상기 PLL 및 이중 대역 발진기를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 합성기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 PLL은, 이중 대역 발진기의 출력 주파수의 위상을 비교하는 위상/주파수 비교기;
    상기 위상/주파수 비교기로부터 출력된 비교결과를 전류로 변환하는 전하펌프;
    상기 위상 오차를 상기 이중 대역 발진기의 전압으로 출력하는 루프필터; 및
    상기 이중 대역 발진기로부터 출력된 신호를 정수형태로 분주하여 상기 위상/주파수 비교기로 인가하는 주파수 분주기를 구비하는 것을 특징으로 하는 주파수 합성기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 PLL은, 기준신호와 이중 대역 발진기의 출력신호의 위상을 비교하는 위상/주파수 비교기와, 상기 위상/주파수 비교기로부터 출력된 비교결과를 전류로 변 환하는 전하펌프와, 상기 위상 오차를 상기 이중 대역 발진기의 전압으로 출력하는 루프필터 및 상기 이중 대역 발진기로부터 출력된 신호를 분수형태로 분주하여 상기 위상/주파수 비교기로 인가하는 주파수 분주기 및 외부에서 전달되는 제어신호들의 합을 상기 주파수 분주기로 출력하는 가산기(Adder)를 구비하는 것을 특징으로 하는 주파수 합성기.
  9. 제 6항에 있어서, 이중 대역 발진기는,
    상기 공진 회로부는, 스위칭 제어 신호에 따라 인덕턴스를 가변시키는 듀얼모드 스위칭 회로부; 및
    상기 스위칭부의 인덕터에 병렬로 연결되고 제어 전압에 따라서 커패시턴스 성분이 가변 되는 커패시터 회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 합성기.
  10. 제 6항에 있어서, 이중 대역 발진기에 있어서,
    상기 액티브 회로부는, pMOS 트랜지스터 쌍과 nMOS 트랜지스터 쌍의 보상 구조로 이루어져 상기 공진 회로부의 공진 주파수를 발진시켜 출력하는 것을 특징으로 하는 주파수 합성기.
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 스위칭 회로부는,
    고주파 형성을 위한 제 1인덕터;
    저주파 형성을 위해 상기 제 1인덕터와 병렬로 연결되는 제 2 및 제 3인덕터; 및
    상기 제 2 및 제3 인덕터 사이에 연결되어 제어신호에 따라서 온/오프 스위칭하는 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 합성기.
  12. 제 6항에 있어서,
    상기 스위칭 회로부는 상기 제 1,2,3인덕터 소자의 손실을 보상해주는 커패시턴스 보상 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 합성기.
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