KR20080046941A

KR20080046941A - 능동 인덕터를 이용한 전압제어 발진기

Info

Publication number: KR20080046941A
Application number: KR1020060116650A
Authority: KR
Inventors: 김수태; 윤여조
Original assignee: 동부일렉트로닉스 주식회사
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2008-05-28

Abstract

본 발명은 부성저항을 발생시키기 위해 사용된 능동회로에서는 5㎓ 이상의 높은 주파수 대역에서 기생 커패시턴스가 매우 커서 공진회로를 구성하기 위하여 구현되어야 할 커패시턴스는 극히 작으므로 바랙터에 의해 가변된 커패시턴스는 기생 커패시턴스에 묻혀 발진주파수를 변화시키기 어려운 문제점을 개선하기 위한 것으로, 높은 주파수대역에서 발진주파수를 가변시켜 원하는 출력 주파수를 발생시킬 수 있도록 하는 능동 인버터를 이용한 P-tail n 코어 전압제어 발진기에 관한 것이다.

본 발명은 게이트가 상대측 드레인에 연결됨과 아울러 p-tail 전류원에 연결되고 각 소오스는 중간탭을 통해 접지측에 연결되어 래치구조로 연결된 한쌍의 CMOS트랜지스터, 상기 각 CMOS트랜지스터의 드레인에 연결된 능동 인버터를 포함하여 이루어져, p-tail 전류원을 사용하여 능동 인덕터와 연결되는 노드의 DC전압을 낮추어 줌으로써 블록 캐패시터를 사용하지 않고 발진기를 구성할 수 있고, 설계된 발진주파수의 가변범위가 매우 넓으며, 높은 주파수에서 동작이 가능할 뿐만 아니라 적은 면적으로 구현이 가능한 장점이 있다.

전압제어발진기, 능동 인덕터,

Description

능동 인덕터를 이용한 전압제어 발진기{Voltage controlled oscillator using tunable active inductor}

도 1은 본 발명에 따른 능동 인덕터를 이용한 p-tail n 코어 전압제어발진기를 나타내는 회로도,

도 2는 도 1에 따른 부성저항을 설명하기 위한 요부 등가회로도,

도 3은 도 1에 사용된 능동 인덕터의 상세구조를 나타낸다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

M1,M2 -- CMOM 트랜지스터, L1,L2 -- 능동 인덕터,

C -- 가변 커패시터, L3 -- 인덕터,

I_L -- p-tail 전류원, I₁,I₂ -- 전류원

본 발명은 전압을 제어하여 발진주파수를 제어할 수 있도록 하는 전압제어 발진기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 주파수대역에서 발진주파수를 가변시켜 원하는 출력 주파수를 발생시킬 수 있도록 하는 능동 인버터를 이용한 P-tail n 코어 전압제어 발진기에 관한 것이다.

일반적으로 래치 구조 전압제어 발진기에서는 발진주파수의 가변을 위해 바랙터를 사용한다.

바랙터는 다이오드에 전압을 역방향으로 가했을 경우에 다이오드가 가지고 있는 콘덴서용량이 변하는 것을 이용하여, 전압의 변화에 따라 발진주파수를 변화시키는 등의 용도로 많이 사용하는 전기소자이다.

발진회로에서는 피드백 루프와 이득을 가지면 신호가 루프를 돌면서 에너지가 누적되고, 그래서 신호가 작아지지 않고 발진을 하게 되는데, 이 때 원하는 주파수를 선택하기 위해서 공진회로를 루프에 포함시켜 구성한다. 그리하여 루프속에 공진회로가 존재함으로써, 루프안에서는 공진회로에 의해 선택된 특정 주파수만 신호의 감쇠 없이 루프를 돌게 할 수 있고, 그에 따라 공진주파수를 선택하여 원하는 출력주파수를 얻을 수 있게 된다.

이와 같은 발진회로는 예컨대 이득을 가지는 증폭기의 출력을 공진회로를 거쳐 다시 증폭기의 입력측으로 궤환시키게 되는데, 이 때의 발진조건은 일단 입력 쪽의 부성저항의 크기가 출력의 부하저항보다 절대값이 커야 발진이 시작하게 되며, 발진이 시작되면 부성저항의 크기의 절대값이 줄어 들어가는데, 그 값이 출력 부하저항의 값과 같아지면 발진의 증가가 멈추고 정상상태로 고정된다.

그런데 이와 같이 발진조건을 감안하여 부성저항을 발생시키기 위해 사용된 능동회로에서는 5㎓ 이상의 높은 주파수 대역에서 기생 커패시턴스가 매우 크므로 공진회로를 구성하기 위하여 구현되어야 할 커패시턴스는 극히 작다.

따라서 바랙터에 의해 가변된 커패시턴스는 기생 커패시턴스에 묻혀 발진주파수를 변화시키기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위하여 발명한 것으로, 넓은 가변 범위를 갖는 궤환 병렬공진 능동 인덕터와 부성저항을 발생시키기 위해 사용된 능동회로의 기생 커패시턴스를 이용하여 높은 주파수에서 동작이 가능하고 가변범위가 넓은 능동 인버터를 이용한 P-tail n 코어 전압제어 발진기를 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.

이하 예시도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명한다.

본 발명은 게이트가 상대측 드레인에 연결됨과 아울러 p-tail 전류원에 연결되고 각 소오스는 중간탭을 통해 접지측에 연결되어 래치구조로 연결된 한쌍의 CMOS트랜지스터, 상기 각 CMOS트랜지스터의 드레인에 연결된 능동 인버터를 포함하여 이루어져 있다.

상기 능동 인버터는 구동전원이 연결된 드레인과 게이트 사이에 제1 전류원이 연결된 제1 CMOS트랜지스터, 드레인이 상기 제1 CMOS트랜지스터의 게이트에 연결되고 게이트와 소오스 사이에 제2 전류원이 연결된 제2 CMOS트랜지스터, 상기 제1 CMOS트랜지스터의 소오스와 상기 제2 CMOS트랜지스터의 게이트 사이에 연결된 LC탱크회로를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 LC탱크회로의 커패시턴스는 가변가능한 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 능동 인덕터를 이용한 p-tail n 코어 전압제어발진기를 나타낸다.

첨부도면에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 CMOS트랜지스터(M1)(M2)가 구비되어, CMOS트랜지스터(M1)의 게이트가 CMOS트랜지스터(M2)의 드레인에 연결되는 한편 CMOS트랜지스터(M2)의 게이트가 CMOS트랜지스터(M1)의 드레인에에 연결되어 있다.그리고 CMOS트랜지스터(M1)(M2)의 각 드레인에는 p-tail 전류원(I_L)이 연결되어 있으며, CMOS트랜지스터(M1)(M2)의 각 소오스에는 중간탭을 통해 접지측이 연결되어 있다. 또한 상기 각 CMOS트랜지스터(M1)(M2)의 드레인에는 능동 인버터(L1)(L2)가 각각 연결되어 있다.

이와 같은 구성으로 CMOS트랜지스터(M1)(M2)는 래치구조를 이루고 있다.

여기서 CMOS트랜지스터(M1)(M2)에 의해 형성되는 부성저항에 대하여 설명하기 위하여 도 2를 참조로 설명한다. 도 2의 (a)는 도 1에서 능동 인덕터를 제외한 n 코어의 등가회로를 나타내는 도면이고, 도 2의 (b)는 도 2의 (a)의 소신호 등가회로를 나타낸다.

CMOS트랜지스터(M1)(M2)의 드레인 쪽에서 들여다본 임피던스 Z_in 을 구하기 위하여 각각의 드레인 노드를 A,B라고 하고, 발진조건 성립을 확인하기 위한 회로이므로 I_M1 = I_M2 이어야 한다고 가정한다.

여기서 I_M1 = I_M2 이므로 위 식을 정리하여 보면,

따라서 M1-M2 의 드레인에서 들여다본 임피던스는

이므로, g_m값에 의해 부성저항 값이 생성된다. 분모의 실수화를 하면

이고, r_o이 매우 크다고 가정하면

로 나타낼 수 있다.

통상, 래치구조 전압제어 발진기의 발진주파수 가변을 위해 바랙터를 사용하고 있는데, 5㎓ 이상의 높은 주파수 대역에서 부성저항을 발생시키기 위해 사용된 능동회로의 기생 커패시턴스가 매우 크므로 공진회로를 구성하기 위해 구현되어야 할 커패시턴스는 극히 작다. 따라서 바랙터에 의해 가변된 커패시턴스는 기생 커패시턴스에 묻혀 발진주파수를 변화시키기 어렵다. 그러므로 본 발명에서는 넓은 가변범위를 갖는 궤환 병렬공진 능동 인덕터와 부성저항을 발생시키기 위해 사용된 능동회로의 기생 커패시턴스를 이용하여 발진기를 설계한 것이다.

다시 도 1을 참조로 설명하면, 도시된 바와 같이 p-tail 전류원(I_L)을 사용하여 능동 인덕터(L1)(L2)와 연결되는 노드의 DC전압을 낮추어 줌으로써 블록 커패시터를 사용하지 않고 발진기를 구성할 수 있으며, 또한 설계된 발진주파수의 가변범위가 매우 넓다.

도 2는 도 1의 능동 인덕터의 상세구조를 나타낸다.

도 2에 도시된 바와 같이, 능동 인버터(L1)(L2)는 구동전원(VDD)과 접지 사이에 한 쌍의 CMOS트랜지스터(M3)(M4)가 연결되고, 상기 CMOS트랜지스터(M3)(M4)간에 가변 커패시터(C)와 인덕터(L3)로 이루어진 탱크회로가 연결됨과 아울러 전류원(I₁)(I₂)이 연결되어 이루어진 것이다.

즉, 제1 CMOS트랜지스터(M4)의 드레인에는 구동전원(VDD)이 연결됨과 아울러 그 드레인과 게이트 사이에 제1 전류원(I1)이 연결되어 있다. 또한 제2 CMOS트랜지스터(M3)의 드레인에는 상기 제1 CMOS트랜지스터(M4)의 게이트가 연결되고, 제2 CMOS트랜지스터(M3)의 게이트에는 제1 CMOS트랜지스터(M4)의 게이트와 소오스 사이에는 제2 전류원(I2)이 연결되어 있다. 그리고 상기 제1 CMOS트랜지스터(M4)의 소오스와 상기 제2 CMOS트랜지스터(M3)의 게이트 사이에는 가변 커패시터(C)와 인덕터(L3)로 이루어진 탱크회로가 연결되어 있다.

이와 같은 회로구성을 통해 높은 주파수에서 높은 Q-팩터를 갖는 능동 인덕터를 구현할 수 있으며, 낮은 자기 공진 주파수(SRF : Self-Resonance Frequency) 로 높은 주파수에서 인덕턴스를 나타내지 못하는 수동소자와 다른 특성을 나타낸다. 또한 가장 높은 Q-팩터를 나타내는 주파수 및 인덕턴스를 가변할 수 있어 동작 범위가 매우 넓게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명은 p-tail 전류원을 사용하여 능동 인덕터와 연결되는 노드의 DC전압을 낮추어 줌으로써 블록 캐패시터를 사용하지 않고 발진기를 구성할 수 있고, 설계된 발진주파수의 가변범위가 매우 넓으며, 높은 주파수에서 동작이 가능할 뿐만 아니라 적은 면적으로 구현이 가능한 장점이 있다.

Claims

게이트가 상대측 드레인에 연결됨과 아울러 p-tail 전류원에 연결되고 각 소오스는 중간탭을 통해 접지측에 연결되어 래치구조로 연결된 한쌍의 CMOS트랜지스터, 상기 각 CMOS트랜지스터의 드레인에 연결된 능동 인버터를 포함하여 이루어진 능동 인덕터를 이용한 전압제어 발진기.
제1항에 있어서, 상기 능동 인버터는 구동전원이 연결된 드레인과 게이트 사이에 제1 전류원이 연결된 제1 CMOS트랜지스터, 드레인이 상기 제1 CMOS트랜지스터의 게이트에 연결되고 게이트와 소오스 사이에 제2 전류원이 연결된 제2 CMOS트랜지스터, 상기 제1 CMOS트랜지스터의 소오스와 상기 제2 CMOS트랜지스터의 게이트 사이에 연결된 LC탱크회로를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 능동 인덕터를 이용한 전압제어 발진기.
제2항에 있어서, 상기 LC탱크회로의 커패시턴스는 가변가능한 것을 특징으로 하는 능동 인덕터를 이용한 전압제어 발진기.