KR20080049530A - 밀러효과를 이용한 전압제어 발진회로 - Google Patents

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Abstract

전압제어 발진회로를 개시한다. 전압제어 발진회로는 크로스 결합된 제1 차동 트랜지스터 쌍과, 크로스 결합된 제2 차동 트랜지스터 쌍과, 제1출력단자와 제2출력단자 사이에 연결되고 제어전압에 응답하여 공진주파수가 튜닝되는 엘시공진회로와, 제1출력단자에 연결되고 증폭율 조정에 의해 등가 커패시턴스가 가변되는 제1 가변용량회로와, 제2출력단자에 연결되고 증폭율 조정에 의해 등가 커패시턴스가 가변되는 제2 가변용량회로를 포함한다. 따라서 발진회로의 커패시턴스의 사이즈 증가를 억제하면서도 조정 가능한 주파수 대역폭을 크게 할 수 있다.

Description

밀러효과를 이용한 전압제어 발진회로{voltage controlled oscillator using Miller effect}
도 1은 종래의 전압제어 발진회로를 나타낸 회로도.
도 2는 본 발명에 의한 전압제어 발진회로를 나타낸 회로도.
본 발명은 전압제어 발진회로에 관한 것으로 특히 발진 주파수의 조정 폭이 큰 전압제어 발진회로에 관한 것이다.
이동 통신용 기기에 사용되는 모든 전자부품들과 마찬가지로 전압제어발진기 역시 저소비전류 및 저전압동작과 함께 소형화, 경량화가 강하게 요구되고 있다.
전압제어발진기(Voltage Controlled Oscillator: VCO)는 주파수 합성기(Frequency Synthesizer)의 인가전압에 의해 이동 통신기기 중 휴대용 전화기의 송신주파수와 수신국부발진 주파수를 안정되게 발진시키도록 하는 가변주파수 발진회로모듈로서 이동 통신용 기기 내부의 주파수 합성기 회로의 가장 중요한 부품 중의 하나로 쓰이고 있다.
주파수 합성기는 이동통신기기에서 사용의 편의를 위해 할당된 전화채널에 자동적으로 주파수를 전환하는 회로로 쓰이고 있는데 주로 국부발진기(Local oscillator)로서 주파수 합성기를 구성하는 것이 통례이다.
현재, 고주파수용 전압제어발진기에 주로 쓰이고 있는 것은 LC공진기를 내장한 CMOS형이다. CMOS 회로 기술은 정적 소비전류가 적을 뿐 아니라, 오늘날 대부분의 반도체 기술이 CMOS 기술로 정착되어 있어 제조공정의 신뢰성이 높을 뿐 아니라 고집적화에 유리하다는 크나큰 장점으로 인해 가장 널리 상용으로 쓰이고 있는 기술이다.
이러한 CMOS회로의 장점을 살리면서도 LC공진기를 내장하는 CMOS 형 전압제어 발진기 회로의 성능을 극대화하기 위한 여러 연구들이 진행되고 있는데, 그 가운데서도 RF(Radio Frequency)영역에서 동작하는 발진기 회로에서는 무엇보다도 위상잡음 특성이 중요하므로 이를 개선시키기 위한 연구 또한 활발히 진행되고 있다.
최근 무선 통신 시스템 서비스 시장의 경향은 기존 2.4 GHz 대역의 무선 WLAN 시스템과, 기능 및 범위를 확장시킨 개념의 휴대인터넷 서비스 WiMAX(WiBRO) 시스템과 WiFi 시스템을 통합하는 방향으로 가고 있으며 WiMAX의 가용 주파수 범위는 2.3~2.7GHz, 3.5GHz 주파수 대역으로 운용될 것으로 예측되고 각 나라별로 다르게 주파수 대역을 할당하고 있으며, 국내의 WiBro는 2.3GHz 대역, 미국의 경우는 2.5GHz 대역을 할당하고 있고, 유럽을 비롯한 대부분의 나라는 3.5GHz 대역을 무선 광대역 서비스용으로 할당하고 있다.
2.4GHz 대역의 무선 랜 서비스는 IEEE 802.11b/g 국제 표준규격을 사용하는 2.4~2.483GHz 대역의 ISM 대역(비 허가대역)을 사용하고 있어 타 통신서비스와의 주파수 간섭 및 낮은 출력에 의한 좁은 커버리지 등의 문제점을 가지고 있다. 따라서, 2.4GHz 대역의 무선 랜 서비스는 실내 및 좁은 커버리지의 핫스팟(Hotspot)에 국한적으로 사용되고 있다. 그러나, 무선 랜 시스템은 인터넷망과 쉽게 연동할 수 있으며, 국제 표준에 따른 시스템 사양으로 저렴한 장치비, 고속의 데이터 전송 등의 장점으로 인하여 여러 사업자들에 의해서 유무료 서비스 형태로 서비스가 진행되고 있는 실정이다. 또한 보다 더 고속의 데이터 전송을 위해 현재 IEEE 802.11g의 규격이 논의되고 있다.
무선충실도(Wireless Fidelity) 'WiFi' 라 언급되는 IEEE 802.11n 연구 그룹들은 다양한 목적들을 위해 표준에 대한 수정 및 확장을 현재 전개하고 있고, 특히 비디오, 음성, 멀티미디어의 고품질, 동적 주파수 선택 및 전송 파워 제어를 IEEE 802.11a 구현들과 결합하기 위한 표준을 전개하고 있다.
2.3~2.39 GHz 대역의 WiBRO(휴대인터넷 서비스)는 종래의 WLL(Wireless Local Loop) 주파수 대역을 회수하여 휴대 인터넷 서비스로 재할당하였으며, 다양한 형태의 시스템 방식들이 고려되고 있다.
기존의 2.4GHz 대역의 802.11b/g와 진보된 WLAN 기술인 5GHz 대역의 802.11n과 802.11a, 그리고 한국, 미국, 유럽 등 3개 지역의 시장에 맞는 WiBro/WiMAX의 다중 무선접속 규격에서 Adaptive한 무선접속이 가능한 차세대 무선 시스템 개발의 필요성이 절실하다. 특히 이러한 무선 시스템의 시장과 기능의 요구에 맞추어 멀티밴드 멀티모드 트랜시버의 개발이 필요하고, 멀티밴드 멀티모드 동작을 위해서는 다양한 주파수 대역과 동작모드를 지원하는 전압제어 발진기가 필수적으로 요구된 다.
도 1을 참조하면, LC 공진부가 있고 전류를 공급하는 Negative Gm 단(다시말해 트랜지스터가 정궤환으로 묶인 상태)으로 구성된다. 기본 동작은 발진기에 전압이 인가되면 정궤환회로에 의해서 발진기가 일정한 주파수에서 공진을 하게 된다. 그리고 인덕터(L)과 커패시터(C)에 기생하는 저항성분에 의해 신호가 약화 되는데 Negative Gm단에서 전류를 다시 공급하여 일정한 크기를 가지고 발진하는 발진회로가 된다.
여기서 일반적으로 사용되고 있는 주파수에서 다른 주파수로 천이하고자 할 때에는 가변용량 다이오드 쌍(Cvar1, Cvar2)의 중간에 제어전압(VC)을 가변시키면서 커패시턴스를 변화함으로써 가능하게 된다.
그러나 가변용량 다이오드 쌍(Cvar1, Cvar2)은 튜닝 범위가 좁아서 정밀튜닝(Fine Tuning)용으로 사용되지만 만약 5GHz에 사용되는 VCO를 2GHz로 사용하고 싶은 경우는 가변용량 다이오드 쌍(Cvar1, Cvar2)의 조정범위를 초과하기 때문에 불가능하고 인덕터나 가변용량 다이오드의 사이즈를 증가하지 않을 수 없었다.
그래서 사이즈의 증가가 불가피한 단점이 있어 집적회로 칩으로 제작시에는 사이즈의 제한을 받기 쉽다.
본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 칩 상의 소요 면적의 증가 없이 넓은 주파수 대역에 걸쳐서 발진신호를 발생할 수 있는 전압제어 발진회로를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 집적회로 칩에 쉽게 적용할 수 있는 전압제어 발진회로를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 전압제어 발진회로는 크로스 결합된 제1 차동 트랜지스터 쌍과, 크로스 결합된 제2 차동 트랜지스터 쌍과, 제1출력단자와 제2출력단자 사이에 연결되고 제어전압에 응답하여 공진주파수가 튜닝되는 엘시공진회로와, 제1출력단자에 연결되고 증폭율 조정에 의해 등가 커패시턴스가 가변되는 제1 가변용량회로와, 제2출력단자에 연결되고 증폭율 조정에 의해 등가 커패시턴스가 가변되는 제2 가변용량회로를 구비한 것을 특징으로 한다.
특히 본 발명에서는 CMOS 회로 설계에 적합하도록 제1 및 제2 가변용량회로를 밀러효과를 이용한 연산증폭기와 커패시터로 구현함으로써 작은 사이즈를 커패시터를 사용하면서 연산 증폭기의 증폭률 조정에 의해 등가 용량값이 크게 변하도록 회로를 설계하였다.
밀러효과는 입력과 출력의 극성이 다를 때 두 단을 연결하는 커패시터가 있을 경우 커패시턴스는 두 단에 생기는 이득만큼 증가된다는 것이다. 이때 이득의 함수로 작은 커패시턴스가 커져 보이는 것을 말한다.
이와 같은 효과를 가지고 발진기에서 트랜지스터의 사이즈를 증가하는 것 없이 밀러효과를 가지는 회로를 부과한다면 작은 커패시턴스로 큰 커패시턴스로 사용 가능하므로 주파수를 크게 가변시킬 수 있다. 그리고 이득의 함수로 커패시턴스가 가변되기에 이득만 조절가능하다면 얼마든지 원하는 발진 주파수 대역을 만들기 용 이하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명하고자 한다. 이 실시예는 이 기술에 숙련된 자들이 본 발명을 실시할 수 있게 충분히 상세하게 기술한다.
도 2는 본 발명에 의한 전압제어 발진회로를 나타낸다.
회로는 크로스 결합 제1차동 트랜지스터 쌍(10), 크로스 결합 제2차동 트랜지스터 쌍(12),엘시공진회로(14), 제1가변용량회로(16), 제2가변용량회로(18)를 포함한다.
제1차동 트랜지스터 쌍(10)은 PMOS 트랜지스터(PM1, PM2)를 포함한다. PMOS 트랜지스터(PM1, PM2)들은 제1전원전압(VCC)에 소오스가 공통 결합된다. 제1출력단자(20)에 PMOS 트랜지스터(PM1)의 드레인과 PMOS 트랜지스터(PM2)의 게이트가 공통 결합되고, 제2출력단자(22)에 PMOS 트랜지스터(PM2)의 드레인과 PMOS 트랜지스터(PM1)의 게이트가 공통 결합된다.
제2차동 트랜지스터 쌍(12)은 NMOS 트랜지스터(NM1, NM2)를 포함한다. NMOS 트랜지스터(NM1, NM2)들은 제2전원전압(VSS)에 소오스가 공통 결합된다. 제1출력단자(20)에 NMOS 트랜지스터(NM1)의 드레인과 NMOS 트랜지스터(NM2)의 게이트가 공통 결합되고, 제2출력단자(22)에 NMOS 트랜지스터(NM2)의 드레인과 NMOS 트랜지스터(NM1)의 게이트가 공통 결합된다.
엘시공진회로는 인덕터(L)와 제1 및 제2 가변용량 다이오드(CVAR1, CVAR2)를 포함한다. 인덕터(L)는 제1및 제2출력단자(20, 22) 사이에 연결된다. 제1가변용량 다이오드(CVAR1)는 제1출력단자(20)와 제어단자(24) 사이에 연결된다. 제2가변용량 다이오드(CVAR2)는 제2출력단자(22)와 제어단자(24) 사이에 연결된다. 제어단자(24)에는 제어전압(VC)이 인가된다. 가변용량 다이오드(CVAR1, CVAR2)는 등가 커패시턴스로 표현된 것이다.
제1 가변용량회로(16)는 입력단이 제1 출력단자(20)에 연결되고 증폭률이 제어되는 연산증폭기(U1)와 연산증폭기(U1)의 출력단과 제1출력단자(20) 사이에 연결된 커패시터(C1)를 포함한다. 제2 가변용량회로(18)는 입력단이 제2 출력단자(22)에 연결되고 증폭률이 제어되는 연산증폭기(U2)와 연산증폭기(U2)의 출력단과 제2출력단자(22) 사이에 연결된 커패시터(C2)를 포함한다. 연산증폭기(U1, U2)에는 이득제어신호(GC)가 인가된다.
도 3은 가변용량회로를 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 가변용량회로의 등가 입력 커패시턴스(Ctot)는 다음 수학식1로 표현된다.
Figure 112006089209895-PAT00001
여기서 A는 연산증폭기의 증폭률이고 C1은 연산증폭기 입출력단에 연결된 커패시터를 나타낸다.
따라서 출력단자(20)에서 가변용량회로(16)의 등가 커패시턴스는 Ctot로 작용하게 되므로 C1 값의 (1+A)배 만큼 증가된 등가 커패시턴스를 제공할 수 있다.
즉, 작은 사이즈의 커패시터(C1)로 (1+A)C1의 큰 커패시턴스를 구현할 수 있 게 되는 것이다.
그러므로, 연산증폭기(U1, U2)의 증폭률을 제어하는 게인제어신호(GC)를 조절하여 발진기의 발진 주파수를 고주파대(5GHz)에서 저주파대(2GHz)까지 큰 폭으로 조절하는 것이 가능하게 된다. 게인제어신호는 동작모드, 예컨대 2.3GHz대의 WiBro, 2.4GHz 대역의 무선 랜 서비스(801.11b/g), 2.5GHz 대역의 WiMAX(미국방식), 3.5GHz 대역의 WiMAX(유럽방식) 5GHz 대역의 무선랜 서비스(802.11n과 802.11a) 등의 통신 방식에 연동하여 제어된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에서는 밀러효과를 이용하여 LC 공진회로의 커패시턴스 값을 작은 사이즈의 커패시터와 연산증폭기의 증폭률 조정에 의해 큰 폭으로 조정할 수 있으므로 광대역에 걸쳐서 원하는 발진 주파수를 제공할 수 있다. 그러므로 집적회로 칩 상에 용이하게 구현 가능하다.

Claims (6)

  1. 크로스 결합된 제1 차동 트랜지스터 쌍;
    크로스 결합된 제2 차동 트랜지스터 쌍;
    상기 제1출력단자와 제2출력단자 사이에 연결되고 제어전압에 응답하여 공진주파수가 튜닝되는 엘시공진회로;
    상기 제1출력단자에 연결되고 증폭율 조정에 의해 등가 커패시턴스가 가변되는 제1 가변용량회로; 및
    상기 제2출력단자에 연결되고 증폭율 조정에 의해 등가 커패시턴스가 가변되는 제2 가변용량회로를 구비한 것을 특징으로 하는 전압제어 발진회로
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1차동 트랜지스터 쌍은
    제1전원전압에 소오스가 공통 결합되고, 상기 제1출력단자에 제1 PMOS트랜지스터의 드레인과 제2 PMOS 트랜지스터의 게이트가 공통 결합되고, 상기 제2출력단자에 상기 제2 PMOS 트랜지스터의 드레인과 상기 제1 PMOS 트랜지스터의 게이트가 공통 결합된 것을 특징으로 하는 전압제어 발진회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 차동 트랜지스터 쌍은
    제2전원전압에 소오스가 공통 결합되고, 상기 제1출력단자에 제1 NMOS트랜지스터의 드레인과 제2 NMOS 트랜지스터의 게이트가 공통 결합되고, 상기 제2출력단자에 상기 제2 NMOS 트랜지스터의 드레인과 상기 제1 NMOS 트랜지스터의 게이트가 공통 결합된 것을 특징으로 하는 전압제어 발진회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 엘시공진회로는
    상기 제1및 제2출력단자 사이에 연결된 인덕터;
    상기 제1출력단자와 상기 제어전압이 인가되는 제어단자 사이에 연결된 제1 가변용량 다이오드; 및
    상기 제2출력단자와 상기 제어단자 사이에 연결된 가변용량 다이오드를 구비한 것을 특징으로 하는 전압제어 발진회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가변용량회로는
    입력단이 상기 제1 출력단자에 연결되고 증폭률이 제어되는 증폭기; 및
    상기 증폭기의 출력단돠 상기 제1출력단자 사이에 연결된 커패시터를 구비한 것을 특징으로 하는 전압제어 발진회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 가변용량회로는
    입력단이 상기 제2 출력단자에 연결되고 증폭률이 제어되는 증폭기; 및
    상기 증폭기의 출력단돠 상기 제2출력단자 사이에 연결된 커패시터를 구비한 것을 특징으로 하는 전압제어 발진회로.
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