KR20090016093A - 광대역 가변 전압 제어 발진기 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가변 전압 발진기에 관한 것으로, 광대역 가변 전압 제어 발진기 장치에 있어서 주파수 가변을 위한 디지털 제어 비트 및 미세 주파수 튜닝을 위한 아날로그 제어 신호를 입력받아 아날로그 제어전압을 출력하는 전압 매핑부와 상기 아날로그 제어전압에 따른 주파수를 출력하는 전압 제어 발진부를 포함하는 것으로 MMMB(Multi-Band Multi-Mode) 통신서비스 지원이 가능한 광대역 가변 전압 발진기를, 공진기의 구조를 간단히 하고 캐패시터 배열이 없고 단일 위상잡음의 성능 열화 없이 구현할 수 있는 이점이 있다.

VCO, PLL, 가변 전압 발진기.

Description

광대역 가변 전압 제어 발진기 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR WIDEBAND TUNABLE VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR}

본 발명은 무선IC(Radio Frequency Integrated Circuit)에 집적화되는 PLL(Phase Locked Loop)의 구성 요소인 전압 제어 발진기(VCO:Voltage Controlled Oscillator, 이하 VCO라 칭한다)에 관한 것으로, 특히 광대역 기반하에서 여러 무선 주파수 대역을 지원할 수 있는 VCO에 관한 것이다.

무선통신에서는 서비스에 따라 다양한 무선 주파수 대역이 사용되며 각각의 무선 주파수 대역은 여러 채널로 다시 세분화된다.

무선 통신 기기에서 사용되는 지역 발진기(Local oscillator)는 기저 대역 신호를 무선 신호로 변환한다. 또한, 상기 지역 발진기는 세분화된 모든 무선 기준 주파수를 공급할 수 있어야 한다. 상기 지역 발진기의 발진 주파수는 VCO의 발진 주파수와 직접적인 관계가 있다.

따라서, 다양한 서비스와 여러 주파수 대역을 포함하는 MMMB(Multi-Mode Multi-Band) 무선 통신을 위해서는 VCO의 발진 주파수가 최대한 넓은 범위를 가져아하고, 또한 각 무선 채널의 정확한 주파수에 맞도록 정밀하게 조절 가능하여야 한다.

도 1은 일반적인 전압 제어 발진기를 도시한 것이다.

상기 도 1을 참조하면, VCO는 공진기(102)와 상기 공진기의 공진을 지속시키는 능동소자(101)로 구성되며, 발진 주파수는 상기 공진기(102)의 공진 주파수에 의해 결정된다. 집적회로에 집적화되는 VCO는 공진기로 LC-tank(102)를 사용하며, 발진주파수는

로 표현된다.

주파수 가변을 위해서는 인덕턴스(L)와 캐패시턴스(C) 조절이 필요하다. CMOS(Complementary Metal Oxdide Semiconductor)로 집적화되는 인덕터는 크기가 방대하고 연속적인 가변이 불가능하다. 반면에 캐패시터는 사이즈가 인덕터에 비해 아주 작고, 바락터(varcator)를 사용하면 연속적인 가변이 가능하다.

하지만, 인덕터의 주파수 특성 등으로 인해 캐패시턴스 가변만으로 모든 주파수 대역을 커버하기는 어렵다.

하나의 VCO로 3.0~3.4GHz 와 5.0~5.4 GHz 주파수 대역을 커버할 경우에는 3GHz 대역 용 그리고 5GHz 대역 용의 2 개의 스위칭 가능한 고정 인덕터, 각 대역에서 0.4GHz를 연속적으로 변화시키기 위해 스위칭 가능한 다수의 캐패시터 배열, 및, 바락터로 LC-tank가 필요하다.

도 2는 기존의 광대역 주파수 가변을 위한 전압 제어 발진기의 구조를 도시한 도면이다.

상기 도 2를 참조하면, 기존의 전압 제어 발진기는 광대역에서 연속적인 발진 주파수의 가변(또는 튜닝)을 위해 캐패시터를 배열하는 구조를 사용한다. 또는 바락터 배열 구조로 각 바락터에 각기 다른 전압을 인가하여 캐패시턴스를 가변하는 방식을 사용라 수 있다.

상기 도 2는 4개의 캐패시터 배열과 하나의 바락터를 사용한 VCO 구조이며, 발진 출력 신호를 차동(differential)으로 출력하기 위해 이러한 캐패시터 배열 2개(202a, 202b)를 사용한다.

인덕터(201) 또한 차동 신호 출력을 위해 2개로 구성되고 동일한 값을 가진다. NMOS(N channel MOS) 트랜지스터(203)는 LC_tank(201, 202) 구동을 담당하고, 상기 도 1의 능동소자(101)와 같은 기능을 담당한다. 이러한 능동 소자는 상기 NMOS 트랜지스터(203)와 같이 NMOS 단독으로 또는 PMOS 단독 또는 NMOS와 PMOS(P channel MOS) 혼용 구조로 설계할 수 있다.

상기 2개의 캐패시터 배열(202a, 202b)에서 스위치로 연결된 4개의 캐패시터는 일반적으로 동일한 값이 아니고 이진으로 가중된(binary-weighted)값을 가지므로, 이러한 4개의 스위치로 연결된 배열 구조에서는 16(2⁴)가지의 캐패시턴스 값이 생성될 수 있고 이는 발진 주파수가 16 레벨로 구성됨을 나타낸다.

도 3은 기존의 주파수 가변 동작 과정을 도시한 도면이다.

상기 도 3을 참조하면, Vcon에 따라 연속적으로 캐패시턴스가 가변되는 바락터를 포함한 VCO의 발진 주파수를 도식화한 것이며, 발진 주파수가 fmin~fmax 범위에서 연속적으로 가변 됨을 알 수 있다.

각 직선의 기울기는 VCO의 주요 성능지수 중 하나인 발진 주파수 이득(Kvco)이며, 단위 제어전압 변화에 따른 발진 주파수의 변화량으로 정의된다.

상기 Kvco는 VCO을 포함하는 PLL의 동적 특성 및 위상잡음에 직접적인 영향을 주므로 이를 고려해서 그 값을 정해야 하며 상기 도 3의 300과 같이 fmin~fmax 범위의 주파수 대역을 한번에 커버하도록 설정할 수는 없다.

다중 대역을 지원하는 광대역 VCO는 넓은 주파수 범위에서 가변가능 해야 한다. 일반적으로 커패시터 혹은 바락터 배열은 디지털 제어 비트에 의해 제어된다.

다중 대역을 지원하는 광대역 VCO는 제어 비트의 수가 가변 대역폭에 비례하여 증가된다. 제어 비트 수가 N일 경우의 (2^N-1) 개의 단위 캐패시터로 구성된 배열이 필요하며 각각이 주파수 대역에 맞게 제어되어야 한다.

VCO에서 가장 중요한 성능 지수는 위상잡음(Phase Noise)이며, 위상잡음은 LC 공진기의 Q-factor에 의해 결정된다. 공진기는 연결 선로의 기생 저항 및 기생 캐패시터의 값이 최소가 되게 구현함으로 Q-factor의 감소로 인한 위상잡음 성능열화를 방지할 수 있다.

상기 도 2와 같은 구조로 광대역 VCO 구현시에는 증가되는 캐패시터 배열을 각각 제어하기 위한 복잡한 선로 연결이 필요하며 이로 인해 공진기의 Q-factor가 감소되어 위상잡음 성능 열화가 발생하는 문제점이 있다. 또한, Kvco를 변화할 경우 바락터의 물리적인 크기를 변화시켜야 하므로 VCO 전체를 재설계해야 하는 문제점이 있다. 이는 한번 설계된 기존의 VCO 데이터 베이스를 그대로 이용할 수 없으므로 개발 기간이 증가하는 문제점이 있다.

따라서, 광대역 VCO의 공진기 구조를 간단히 하여 위상잡음으로 인한 성능 열화를 방지할 수 있는 장치 및 방법이 필요하다. 또한, LC-tank의 물리적인 변화 없이 별도의 제어전압을 적절히 조절함으로써 주파수 제어가 가능하게 하고, Kvco 값을 변경하더라도 설계되어진 VCO 데이터베이스를 사용할 수 있는 장치 및 방법이 필요하다.

본 발명의 목적은 광대역 가변 전압 제어 발진기 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 대역 VCO의 공진기 구조를 간단히 하여 위상잡음으로 인한 성능 열화를 방지할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 LC-tank의 물리적인 변화 없이 별도의 제어전압을 적절히 조절함으로써 주파수 제어가 가능하게 하고, Kvco 값을 변경하더라도 설계되어진 VCO 데이터베이스를 사용할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 광대역 가변 전압 제어 발진기 장치에 있어서 주파수 가변을 위한 디지털 제어 비트 및 미세 주파수 튜닝을 위한 아날로그 제어 신호를 입력받아 아날로그 제어전압을 출력하는 전압 매핑부와 상기 아날로그 제어전압에 따른 주파수를 출력하는 전압 제어 발진부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 광대역 가변 전압 제어 발진기의 발진 방법에 있어서 주파수 가변을 위한 디지털 제어 비트 및 미세 주파수 튜닝을 위한 아날로그 제어 신호를 입력받는 과정과 상기 디지털 제어 비트 및 아날로그 제어신호를 이용하여 아날로그 제어전압을 출력하는 과정과 상기 아날로그 제어전압에 따른 주파수를 출력하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 MMMB(Multi-Band Multi-Mode)의 통신서비스 지원이 가능한 광대역 가변 전압 발진기를, 공진기의 구조를 간단히 하고 캐패시터 배열이 없고 단일 위상잡음의 성능 열화 없이 구현할 수 있는 이점이 있다.

또한, PLL의 동적 특성을 변화하고자 할 때 기존에 설계된 VCO 데이터 베이스를 재활용할 수 있고, LC-tank의 물리적인 변화 없이 별도의 제어전압을 적절히 조절함으로써 주파수 제어가 가능하게 하고, Kvco 값을 변경하더라도 설계된 VCO 데이터베이스를 사용할 수 있는 이점이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 본 발명은 광대역 가변 전압 제어 발진기 장치 및 방법에 대해 설명할 것이다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 가변 전압 제어 발진기의 제 1 블록 구성을 도시한 것이다.

상기 도 4를 참조하면, D1 ~ D_{N - 1}은 광대역 주파수 가변을 위한 디지털 제어 비트를 나타낸다. Vcon은 PLL에서 인가되는 미세 주파수 튜닝을 위한 아날로그 제어 신호이다.

전압 매핑부(Voltage Mapping)(400)는 D1 ~ D_{N -1}과 Vcon로부터 VCO에 인가될 아날로그 제어전압(Vtune)을 생성한다.

전압 제어 발진부(VCO)(401)는 캐패시터 배열(cap-bank)이 없고, 캐패시터로 하나의 바락터를 사용한다. 그리고, 상기 VCO(401)는 Kvco 값이 1 GHZ/V 이상의 특징이 요구된다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 가변 동작 과정을 도시한 도면이다.

상기 도 5를 참조하면, 디지털 제어비트(D1 ~ D_{N -1})와 아날로그 제어전압( Vtune)이 VCO의 제어전압(Vtune)으로 매핑 됨을 나타낸다.

상기 도 4의 전압 매핑부(400)로 인가된 Vcon은 크기가 1/2^N으로 작아지며, 디지털 제어 비트의 값(00..00 ~ 11..11)에 따라 오프셋(offset) 전압이 결정되어 Vtune으로 매핑된다. 그리고, 상기 Vtune 에 의해 VCO의 발진 주파수가 결정된다.

상기 디지털 제어 비트의 값에 따라 시프팅 정도가 결정되고, ΔV 의 정도에 따라 발진 주파수의 범위가 결정된다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 가변 전압 제어 발진기의 제 2 블록 구성을 도시한 것이다.

상기 도 6을 참조하면, 전압 매핑부(603)는 저항 사다리 구조 디지털 아날로그 변환기(R-R ladder Digital to Analog Converter)(601)를 근간으로 구성된다.

이러한 구조에서, 가로 방향의 저항은 2R(옴)의 값을 가지며, 세로 방향의 저항은 R(옴)의 값을 가진다. 단, LSB와 접지 사이의 저항(601b)은 2R(옴)의 값을 가진다.

상기 전압 매핑부(603)의 입력 LSB(Least Significant Bit) 단자에 Vcon 전압을 인가하고, 그외 입력 비트(D1, D_{N -1}, D_N)는 해당 디지털 제어비트를 순차적으로 연결한다.

전압 제어 발진부(604)는 캐패시터 배열이 없고, 하나의 바락터 쌍으로 구현된다.

LSB와 연결된 가로방향 저항(601a)의 값을 2R(옴)에서 R(옴)으로, 그리고, 상기 LSB와 접지 사이의 저항(601b)을 오픈(open)하면 Vtune의 범위가 2배 증가하며, 이는 Vcon에 대한 발진 주파수의 변화량(Kvco) 또한 2배가 됨을 나타낸다.

상기 저항들(601a, 601b, 601c)의 저항 값을 변화시키거나 Vcon의 연결 노드를 바꿈으로 Kvco는 다양한 값으로 변화가능하다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 가변 전압 제어 발진기의 동작 과정을 도시한 도면이다.

상기 도 7을 참조하면, 전압 매핑부는 주파수 가변을 위한 디지털 제어 비트 및 미세 주파수 튜닝을 위한 아날로그 제어 신호를 입력받고(710 단계), 상기 디지털 제어 비트, 아날로그 제어신호 및 저항 사다리 디지털 아날로그 변환기 구조를 이용하여 아날로그 제어전압을 전압 제어 발진부로 출력한다(720 단계).

이후, 상기 전압 제어 발진부는 상기 아날로그 제어전압에 따른 주파수를 출 력하고(730 단계) 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 일반적인 전압 제어 발진기를 도시한 도면,

도 2는 기존의 광대역 주파수 가변을 위한 전압 제어 발진기의 구조를 도시한 도면,

도 3은 기존의 주파수 가변 동작 과정을 도시한 도면,

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 가변 전압 제어 발진기의 제 1 블록 구성을 도시한 도면,

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 가변 동작 과정을 도시한 도면,

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 가변 전압 제어 발진기의 제 2 블록 구성을 도시한 도면. 및,

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 가변 전압 제어 발진기의 동작 과정을 도시한 도면,

Claims (8)

1. 광대역 가변 전압 제어 발진기 장치에 있어서,

   주파수 가변을 위한 디지털 제어 비트 및 미세 주파수 튜닝을 위한 아날로그 제어 신호를 입력받아 아날로그 제어전압을 출력하는 전압 매핑부와,

   상기 아날로그 제어전압에 따른 주파수를 출력하는 전압 제어 발진부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전압 매핑부는 저항 사다리 디지털 아날로그 변환기 구조인 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 전압 매핑부는 2R(옴)의 값을 가지고 상기 디지털 제어 비트 입력을 위한 단자와 연결된 다수의 제 1 저항과, R(옴)의 값을 가지고 상기 다수의 제 1 저항을 연결하는 다수의 제 2 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 전압 매핑부는 상기 아날로그 제어 신호와 연결된 제 3 저항과 접지 사이에 위치하는 2R(옴)의 값을 가진 제 4 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 전압 제어 발진부는 캐패시터 배열이 없고, Kvco 값이 1 Ghz/V 이상인 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 전압 매핑부는 상기 아날로그 제어 신호와 연결된 상기 제 3 저항의 값을 2R(옴)에서 R(옴)으로 설정하고 상기 제 4 저항을 오픈할 경우, 2 배 증가한 아날로그 제어 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 광대역 가변 전압 제어 발진기의 발진 방법에 있어서,

   주파수 가변을 위한 디지털 제어 비트 및 미세 주파수 튜닝을 위한 아날로그 제어 신호를 입력받는 과정과,

   상기 디지털 제어 비트 및 아날로그 제어신호를 이용하여 아날로그 제어전압을 출력하는 과정과,

   상기 아날로그 제어전압에 따른 주파수를 출력하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 디지털 제어 비트 및 아날로그 제어신호를 기반으로 아날로그 제어전압을 출력하는 과정은,

   저항 사다리 디지털 아날로그 변환기 구조를 이용하여 출력하는 과정임을 특징으로 하는 방법.

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