KR20090090976A - 트랜스포머의 커플링을 이용한 차동 전압 제어 발진기 및직교 전압 제어 발진기 - Google Patents

트랜스포머의 커플링을 이용한 차동 전압 제어 발진기 및직교 전압 제어 발진기 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 차동 및 직교 전압 제어 발진기는, 전류 재사용 구조에 의해 저전력 구동이 가능하며, 트랜스포머를 통한 커플링에 의해 우수한 위상 잡음 특성을 갖는다. 그리고, 주파수 가변을 위한 가변 커패시턴스부가 성긴 튜닝용과 미세 튜닝용으로 나뉘어져 있으므로, 이에 따라 전압 발진 이득을 줄이면서 광대역 튜닝 범위를 얻을 수 있다. 또한, 저항을 통한 제어전압 분배에 의하여 각 가변 커패시턴스부가 전체 커패시턴스 영역에서 선형적으로 동작하도록 구성되어 있으므로, 이에 따라 선형적인 제어전압-발진 주파수 특성을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 직교 전압 제어 발진기는 스위칭 트랜지스터에 의한 전류 소모와 기판 손실 없이 우수한 위상 잡음 특성을 가지면서 4위상의 직교 신호를 출력할 수 있다.
트랜스포머, 직교, 센터탭, VCO, 버랙터, 발진

Description

트랜스포머의 커플링을 이용한 차동 전압 제어 발진기 및 직교 전압 제어 발진기{The Differential VCO and quadrature VCO using center-tapped cross-coupling of transformer}
본 발명은 트랜스포머의 커플링을 이용한 차동 전압 제어 발진기 및 직교 전압 제어 발진기에 관한 것으로, 더 자세하게는 트랜스포머의 커플링을 이용하여 저전력 및 우수한 위상 잡음 특성을 가지면서 넓은 발진 주파수 범위와 선형적인 제어전압-발진 주파수의 특성을 갖는 전압 제어 발진기에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-070-02, 과제명: 홈네트워크용 Cognitive 무선 시스템 개발].
일반적으로 전압 제어 발진기(VCO :　 Voltage Control Oscillator)는 전압 조절로 가변 커패시터의 커패시턴스를 변화시켜 주파수를 조절하는 발진기를 의미한다. 이러한 전압 제어 발진기는 모든 전기 통신 시스템의 없어서는 안 될 부분으 로서, 소정의 신호에 대한 주파수를 상향 변환(up-conversion) 하거나 또는 하향 변환(down-conversion)할 때 사용될 수 있다.
도 1은 종래의 LC 전압 제어 발진기를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 LC 전압 제어 발진기(100)는, 제어전압(VC)에 따라 주파수를 발진시키는 LC 공진 회로(130)와, LC 공진 회로(130)로부터 출력되는 발진 주파수를 증폭하는 증폭 회로(150)로 구성된다.
이와 같이 구성된 종래의 LC 전압 제어 발진기(100)는 전류 재사용을 위해 인덕터(L)의 양단에 NMOS 트랜지스터(NM)와 PMOS 트랜지스터(PM)가 직렬로 연결되어 하나의 전류 패스를 이루기 때문에 전류 소모를 절반으로 줄일 수 있으면서도 발진이 가능하다.
그러나, 이러한 LC 전압 제어 발진기(100)의 경우, NMOS 트랜지스터(NM)와 PMOS 트랜지스터(PM)가 정확히 대칭이 되지 않기 때문에 출력이 언밸런스(unbalance)되는 문제가 있으며, 이러한 문제점을 해결하기 위해 출력단에 저항(RS)을 연결하여 출력 레벨을 동일하게 조절한다. 하지만, 저항(RS)에 의한 전압 강하 만큼 공급 전압의 크기를 높여야 하는 문제점이 있다.
한편, 이와 같이 구성된 2개의 LC 전압 제어 발진기를 스위칭 트랜지스터로 연결하여 직교 전압 제어 발진기를 구현하는 경우, 스위칭 트랜지스터가 발진 로드에 추가로 연결됨에 따라 전류 소모가 증가되는 문제점이 있다.
또한, 스위칭 트랜지스터가 기판과 쉽게 커플링되어 기판의 기생 성분이 직 접 발진 로드로 전달되며, 이로 인해 위상 잡음이 열화되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 저전력 및 우수한 위상 잡음 특성을 가지면서 넓은 발진 주파수 범위와 선형적인 제어전압-발진 주파수의 특성을 갖는 차동 및 직교 전압 제어 발진기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 스위칭 트랜지스터에 의한 전류 소모와 기판 손실 없이 우수한 위상 잡음 특성을 갖는 직교 전압 제어 발진기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 트랜스포머의 커플링을 이용한 차동 전압 제어 발진기는, 제1 노드와 제3 노드 사이에 1차 코일이 연결되고 제2 노드와 제4 노드 사이에 2차 코일이 연결된 트랜스포머와, 제1 제어전압과 상기 제1, 2 노드 사이에 각각 연결된 제1, 2 가변 커패시턴스부와, 제2 제어전압과 상기 제3, 4 노드 사이에 각각 연결된 제3, 4 가변 커패시턴스부로 구성되며, 상기 제1, 2 제어전압에 따라 주파수를 발진시키는 공진 회로; 전원전압과 상기 제1 노드 및 상기 전원전압과 상기 제2 노드 사이에 각각 연결된 제1, 2 PMOS 트랜지스터로 구성되며, 상기 공진 회로로부터 출력되는 발진 주파수를 차동 증폭하여 출력하는 제1 증폭 회로; 및 상기 제3 노드와 제5 노드 및 상기 제4 노드와 상기 제5 노드 사이에 각각 연결된 제1, 2 NMOS 트랜지스터로 구성되며, 상기 공진 회로로부터 출력 되는 발진 주파수를 차동 증폭하여 출력하는 제2 증폭 회로를 포함하며, 상기 제1 NMOS 트랜지스터 및 제2 NMOS 트랜지스터가 상기 트랜스포머를 통해 상기 제2 PMOS 트랜지스터 및 상기 제1 PMOS 트랜지스터와 각각 차동 크로스-커플링되는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 트랜스포머의 1차 코일의 센터탭과 2차 코일의 센터탭은 서로 연결되어 있으며, 상기 센터탭을 통해 상기 제1, 2 NMOS 트랜지스터와 상기 제1, 2 PMOS 트랜지스터가 각각 직렬로 연결되어 하나의 전류 패스를 갖는다.
상기 제1, 2 가변 커패시턴스부는 서로 동일한 커패시턴스를 가지며, 상기 제3, 4 가변 커패시턴스부는 상기 제1, 2 가변 커패시턴스부와 다른 커패시턴스를 가지되 서로 동일한 커패시턴스를 가진다. 즉, 상기 제1, 2 가변 커패시턴스부와 상기 제3, 4 가변 커패시턴스부는 서로 다른 주파수 튜닝 범위를 가진다.
따라서, 상기 제1, 2 가변 커패시턴스부 또는 상기 제3, 4 가변 커패시턴스부 중에서 어느 한 쌍의 가변 커패시턴스부는 성긴 튜닝(coarse tuning)을 담당하고 나머지 다른 한 쌍의 가변 커패시턴스부는 미세 튜닝(fine tuning)을 담당한다.
그리고, 상기 제1 내지 제4 가변 커패시턴스부는 다단의 버랙터 다이오드로 이루어지며, 상기 제1, 2 가변 커패시턴스부의 사이 및 상기 제3, 4 가변 커패시턴스부의 사이에, 상기 제1, 2 제어전압의 분배를 위한 하나 이상의 저항이 각각 연결되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 제1, 2 가변 커패시턴스부에 상기 제1 제어전압이 인가되면, 상기 제1 제어전압이 상기 각 저항에서 분배되어 상기 제1, 2 가변 커패시턴스부의 커패시턴스가 전체 커패시턴스 영역에서 선형적으로 가변되며, 상기 제3, 4 가변 커패시턴스부에 상기 제2 제어전압이 인가되면, 상기 제2 제어전압이 상기 각 저항에서 분배되어 상기 제3, 4 가변 커패시턴스부의 커패시턴스가 전체 커패시턴스 영역에서 선형적으로 가변된다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 트랜스포머의 커플링을 이용한 직교 전압 제어 발진기는, 제1, 2 차동 전압 제어 발진기가 제1 내지 제4 스위칭 트랜지스터를 통해 서로 연결되어 4위상의 직교 신호를 출력하되, 상기 제1 차동 전압 제어 발진기에 연결된 제1, 2 스위칭 트랜지스터의 소스는 상기 제1 차동 전압 제어 발진기의 증폭 회로를 구성하는 제1, 2 NMOS 트랜지스터 또는 제1, 2 PMOS 트랜지스터의 바디 게이트(body gate)에 각각 연결되며, 상기 제2 차동 전압 제어 발진기에 연결된 제3, 4 스위칭 트랜지스터의 소스는 상기 제2 차동 전압 제어 발진기의 증폭 회로를 구성하는 제1, 2 NMOS 트랜지스터 또는 제1, 2 PMOS 트랜지스터의 바디 게이트(body gate)에 각각 연결되는 것을 특징으로 한다.
첫번째로, 본 발명에 따른 차동 및 직교 전압 제어 발진기는 전류 재사용 구조에 의해 저전력 구동이 가능하다.
두번째로, 본 발명에 따른 차동 및 직교 전압 제어 발진기는 트랜스포머를 통한 커플링에 의해 우수한 위상 잡음 특성을 갖는다.
세번째로, 본 발명에 따른 차동 및 직교 전압 제어 발진기는, 주파수 가변을 위한 가변 커패시턴스부가 성긴 튜닝용과 미세 튜닝용으로 나뉘어져 있으므로, 이 에 따라 전압 발진 이득을 줄이면서 광대역 튜닝 범위를 얻을 수 있다.
네번째로, 본 발명에 따른 차동 및 직교 전압 제어 발진기는, 저항을 통한 제어전압 분배에 의하여 각 가변 커패시턴스부가 전체 커패시턴스 영역에서 선형적(linear)으로 동작하도록 구성되어 있으므로, 이에 따라 선형적인 제어전압-발진 주파수 특성을 얻을 수 있다.
다섯번째로, 본 발명에 따른 직교 전압 제어 발진기는 스위칭 트랜지스터에 의한 전류 소모와 기판 손실 없이 우수한 위상 잡음 특성을 가지면서 4위상의 직교 신호를 출력할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 차동 전압 제어 발진기를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 차동 전압 제어 발진기(200)는, 제1, 2 제어전압(VC1, VC2)에 따라 주파수를 발진시키는 공진 회로(230)와, 공진 회로(230)로부터 출력되는 발진 주파수를 차동 증폭하는 제1, 2 증폭 회로(250A, 250B)로 구성되어 있다.
상기 제1 증폭 회로(250A)는 제1, 2 PMOS 트랜지스터(PM1, PM2)로 구성되고, 상기 제2 증폭 회로(250B)는 제1, 2 NMOS 트랜지스터(NM1, NM2)로 구성되며, 상기 공진 회로(230)는 트랜스포머(231)와 상기 트랜스포머(231)에 연결된 제1 내지 제4 가변 커패시턴스부(CV1~CV4)로 구성된다.
상기 각 구성요소의 연결관계에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
전원전압(VDD)과 제1 노드(N1) 사이에 제1 PMOS 트랜지스터(PM1)가 연결되고, 전원전압(VDD)과 제2 노드(N2) 사이에 제2 PMOS 트랜지스터(PM2)가 연결된다. 제1 제어전압(VC1)과 제1 노드(N1) 사이에 제1 가변 커패시턴스부(CV1)가 연결되며, 제1 제어전압(VC1)과 제2 노드(N2) 사이에 제2 가변 커패시턴스부(CV2)가 연결된다.
제3 노드(N3)와 제5 노드(N5) 사이에 제1 NMOS 트랜지스터(NM1)가 연결되고, 제4 노드(N4)와 제5 노드(N5) 사이에 제2 NMOS 트랜지스터(NM2)가 연결된다. 제2 제어전압(VC2)과 제3 노드(N3) 사이에 제3 가변 커패시턴스부(CV3)가 연결되며, 제2 제어전압(VC2)과 제4 노드(N4) 사이에 제4 가변 커패시턴스부(CV4)가 연결된다. 그리고, 제5 노드(N5)와 접지단자(GND) 사이에는 바이어스 전류 공급을 위한 제3 NMOS 트랜지스터(NM3)가 연결된다.
여기에서, 상기 제1 PMOS 트랜지스터(PM1) 및 제2 PMOS 트랜지스터(PM2)는 상기 제2 NMOS 트랜지스터(NM2) 및 상기 제1 NMOS 트랜지스터(NM1)와 각각 차동 크로스-커플링되며, 이에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 제1 NMOS 트랜지스터(NM1)의 드레인 단자는 상기 제2 PMOS 트랜지스터(PM2)의 게이트 단자에 연결되며, 상기 제2 NMOS 트랜지스터(NM2)의 드레인 단자는 상기 제1 PMOS 트랜지스터(PM1)의 게이트 단자에 연결된다. 그리고, 상기 제1 PMOS 트랜지스터(PM1)의 드레인 단자는 상기 제2 NMOS 트랜지스터(NM2)의 게이트 단자에 연결되며, 상기 제2 PMOS 트랜지스터(PM2)의 드레인 단자는 상기 제1 NMOS 트랜지스터(NM1)의 게이트 단자에 연결된다.
즉, 제1 NMOS 트랜지스터(NM1) 및 제2 NMOS 트랜지스터(NM2)는 트랜스포머(231)를 통해 제2 PMOS 트랜지스터(PM2) 및 제1 PMOS 트랜지스터(PM1)와 각각 크로스-커플링된다.
상기 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 사이에 트랜스포머(231)의 1차 코일(231a)의 양단이 연결되고, 제2 노드(N2)와 제4 노드(N4) 사이에 트랜스포머(231)의 2차 코일(231b)의 양단이 연결되며, 트랜스포머(231)의 제1 코일(231a)과 제2 코일(231b)의 각 센터탭(centertap ; 231c)은 서로 연결되어 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 차동 전압 제어 발진기(200)는, (1) 전류 재사용 구조를 채용하여 저전력 구동이 가능한 것과, (2) 트랜스포머(231)를 통한 커플링에 의해 우수한 위상 잡음 특성을 얻을 수 있는 것과, (3) 성긴 튜닝(coarse tuning)과 미세 튜닝(fine tuning)이 가능한 가변 커패시턴스부(CV1~CV4)에 의해 광대역 튜닝 범위를 얻을 수 있는 것과, (4) 저항을 통한 제어전압 분배에 의해 제어전압-발진 주파수의 특성이 선형적인 것에 특징이 있으며, 이에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
첫번째로, 본 발명에 따른 차동 전압 제어 발진기(200)는 도 1에 도시된 종래의 LC 전압 제어 발진기와 같은 전류 재사용 구조를 가지며 이에 따라 저전력으로 구동이 가능하다.
전류 재사용 구조에 대하여 도 3을 참조하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 도 2에 도시된 전압 제어 발진기의 전류 재사용 구조를 설명하기 위한 도면으로, -gactive는 제1, 2 NMOS 트랜지스터(NM1, NM2)와 제1, 2 PMOS 트랜지스터(PM1, PM2)가 직렬로 연결되어 이루어진 네거티브 트랜스 컨덕턴스의 합[(-gn)+(-gp)]을 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 차동 전압 제어 발진기에서는, 제1, 2 NMOS 트랜지스터(NM1, NM2)와 제1, 2 PMOS 트랜지스터(PM1, PM2)의 스위칭 동작에 따라 1차 코일(231a)에서 센터탭(231c)을 통해 2차 코일(231b)로 향하는 제1 전류 패스(P1)와 2차 코일(231b)에서 센터탭(231c)을 통해 1차 코일(231a)로 향하는 제2 전류 패스(P2)가 형성된다.
즉, 제1, 2 NMOS 트랜지스터(NM1, NM2)와 PMOS 트랜지스터(PM1, PM2)가 직렬로 연결되어 하나의 전류 패스를 이루고 있으며, 이러한 전류 재사용 구조에 따라 전류 소모를 절반으로 줄이면서도 발진이 가능하다.
또한, 트랜스포머(231)의 1차 코일(231a)과 2차 코일(231b)이 센터탭(231c)을 통해 연결되어 있으므로, 제1, 2 NMOS 트랜지스터(NM1, NM2)와 제1, 2 PMOS 트랜지스터(PM1, PM2)가 정확히 대칭이 되지 않는 경우에도 I/Q 출력 레벨을 서로 동일하게 맞출 수 있으며, 제1, 2 전류 패스(P1, P2)의 AC 신호가 커플링되어 양호도(quality factor) 및 위상 잡음 특성이 향상된다.
두번째로, 본 발명에 따른 차동 전압 제어 발진기(200)는, 트랜스포머(231)를 통해 제1 NMOS 트랜지스터(NM1) 및 제2 NMOS 트랜지스터(NM2)가 제2 PMOS 트랜지스터(PM2) 및 제1 PMOS 트랜지스터(PM1)와 각각 크로스-커플링되는 구조를 가지며, 이에 따라 우수한 위상 잡음 특성을 얻을 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 트랜스포머(231a)의 제1 코일(231a)의 양단에 제1 PMOS 트랜지스터(PM1)의 드레인과 제1 NMOS 트랜지스터(NM1)의 드레인이 연결되고, 제2 코일(231b)의 양단에 제2 PMOS 트랜지스터(PM2)의 드레인과 제2 NMOS 트랜지스터(NM2)의 드레인이 연결됨으로써, 결과적으로 트랜스포머(231)를 사이에 두고 제1 NMOS 트랜지스터(NM1)의 게이트 단자 및 드레인 단자가 제2 PMOS 트랜지스터(PM2)의 드레인 단자 및 게이트 단자에 각각 연결되고, 제2 NMOS 트랜지스터(NM2)의 게이트 단자 및 드레인 단자가 상기 제1 PMOS 트랜지스터(PM1)의 드레인 단자 및 게이트 단자에 각각 연결되는 구조를 갖게 된다.
이 때, 제1, 2 NMOS 트랜지스터(NM1, NM2) 및 제1, 2 PMOS 트랜지스터(PM1, PM2)의 연결 방법은 전압 발진 성능에 영향을 줄 수 있는데, 본 발명에서는 상기와 같이 트랜스포머(231)를 통해 크로스-커플링되는 형태를 갖도록 연결하며, 이러한 연결 구조에 따라 위상 잡음 특성이 향상된다.
세번째로, 본 발명에 따른 차동 전압 제어 발진기(200)는, 주파수 가변을 위한 제1, 2 가변 커패시턴스부(CV1, CV2)와 제3, 4 가변 커패시턴스부(CV3, CV4) 중 에서 어느 한 쌍의 가변 커패시턴스부는 성긴 튜닝(coarse tuning)을 하고 나머지 다른 한 쌍의 가변 커패시턴스부는 미세 튜닝(fine tuning)을 하는 구조를 가지며, 이에 따라 전압 발진 이득을 줄이면서 광대역 튜닝 범위를 얻을 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 제1, 2 가변 커패시턴스부(CV1, CV2)와 제3, 4 가변 커패시턴스부(CV3, CV4)는 서로 다른 커패시턴스를 갖는다. 따라서, 제1, 2 가변 커패시턴스부(CV1, CV2)의 커패시턴스(C1)를 조절하여 성긴 튜닝(coarse tuning)을 하고, 제3, 4 가변 커패시턴스부(CV3, CV4)의 커패시턴스(C2)를 조절하여 미세 튜닝(fine tuning)을 하면, 전압 발진 이득을 줄이면서 광대역 튜닝 범위를 얻을 수 있다.
여기에서, 제1, 2 가변 커패시턴스부(CV1, CV2)는 서로 동일한 커패시턴스를 가지며, 제3, 4 가변 커패시턴스부(CV3, CV4) 역시 서로 동일한 커패시턴스를 갖는 것이 바람직하다. 그리고, 성긴 튜닝 및 미세 튜닝을 담당하는 가변 커패시턴스부는 서로 바뀔 수 있다.
네번째로, 본 발명에 따른 차동 전압 제어 발진기(200)는 제어전압-발진 주파수의 특성이 선형적이다.
통상의 전압 제어 발진기에서 가변 커패시턴스부는 버랙터 다이오드로 구성된다. 하지만, 버랙터 다이오드는 일부 가변 커패시턴스 영역에서 비선형적(nonlinear)인 특성을 가지며, 이로 인해 전압 발진 이득이 일정한 값을 갖지 못하게 된다.
이를 위해 본 발명에서는 제1, 2 가변 커패시턴스부(CV1, CV2) 사이 및 제3, 4 가변 커패시턴스부(CV3, CV4) 사이에 하나 이상의 저항을 연결하여 제1 내지 제4 가변 커패시턴스부(CV1~CV4)의 비선형적인 특성을 선형화하며, 이에 대하여 도 4a 및 도 4b를 참조하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 4a는 도 2에 있어서 각 가변 커패시턴스부가 선형적으로 동작하도록 제1, 2 가변 커패시턴스부(CV1, CV2)의 사이 및 제3, 4 가변 커패시턴스부(CV3, CV4)의 사이에 하나 이상의 저항을 연결한 구조이며, 도 4b는 도 4a에 도시된 각 가변 커패시턴스부의 가변 커패시턴스 범위를 나타낸 도면이다.
도 4a를 참조하면, 제1 내지 제4 가변 커패시턴스부(CV1~CV4)는 3단의 버랙터 다이오드(C0)로 각각 구성되며, 각 단의 버랙터 다이오드(C0)에는 저항(R)이 각각 연결되어 있다.
각 버랙터 다이오드(C0)는 0~Vc의 제어전압(VC)에 대하여 커패시턴스의 변화가 비선형적이다. 하지만, 도 4a와 같이 각 단의 버랙터 다이오드(C0)에 저항(R)이 각각 연결된 경우, Vc의 제어전압이 인가되면 각 저항(R)에서 제어전압 Vc이 분배된다.
이에 따라, 도 4b에 도시된 바와 같이 각 버랙터 다이오드(C0)에서 가변되는 커패시턴스 범위가 달라지게 되며, 최종적으로 가변되는 커패시턴스 범위는 (Ca+Cb)~(Ca+Cb+Cc)가 된다. 따라서, 실제 가변되는 커패시턴스는 Cc 이므로, 전체 커패시턴스의 변화는 선형적임을 알 수 있다.
즉, 이와 같은 저항을 통한 제어전압 분배에 의하여 제1 내지 제4 가변 커패 시턴스부(CV1~CV4)의 커패시턴스 변화가 선형화되며, 이에 따라 선형적인 제어전압-발진 주파수의 특성을 얻을 수 있다.
본 실시예에서는 3개의 버랙터 다이오드를 이용하여 가변 커패시턴스 범위를 세부분으로 나누었지만, 더 많은 버랙터 다이오드를 이용하여 가변 커패시턴스 범위를 좀 더 세분화하는 것도 가능하다. 다만, 가변 커패시턴스 범위를 세분화할 수록 전체 가변 커패시턴스 범위가 줄어들어 주파수 튜닝 범위가 감소하게 될 우려가 있으므로, 주파수 튜닝 범위가 감소하지 않는 범위 내에서 가변 커패시턴스 범위를 세분화하는 것이 바람직하다.
도 5는 도 2에 도시된 전압 제어 발진기에서 제1, 2 제어전압(CV1, CV2)을 조절하여 주파수 튜닝을 한 결과를 나타내는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 성긴 튜닝(coarse tuning)을 위한 제1, 2 가변 커패시턴스부(CV1, CV2)의 제1 제어전압(VC1)을 0.2V 스텝으로 가변하면서 제3, 4 가변 커패시턴스부(CV3, CV4)의 제2 제어전압(VC2)를 제어하여 미세 튜닝(fine tuning)을 할 경우, 발진 주파수의 범위가 1.5GHz 이상의 광대역 특성을 갖게 되는 것을 알 수 있다.
도 6는 도 2에 도시된 차동 전압 제어 발진기에서 4개의 출력 노드 (N1, N2, N3, N4)에서 출력 전압의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 증폭 회로(250B)로부터 출력되는 제1 차동 출력 전 압(+VO1, -VO1)과 증폭 회로(250A)로부터 출력되는 제2 차동 출력 전압(+VO2, -VO2)은 진폭의 크기가 다른 것을 알 수 있다. 이러한 진폭의 차이는 각 출력 단자에 연결된 가변 커패시턴스부의 커패시턴스값의 차이에 기인하는 것으로, 출력 단자에 연결된 가변 커패시턴스부의 커패시턴스값이 클수록 출력 전압의 진폭의 크기가 커지고 커패시턴스가 작으면 출력 전압의 진폭의 크기가 작아진다.
그리고, 음의 제1 차동 출력 전압(-VO1)과 음의 제2 차동 출력 전압(-VO2), 그리고 양의 제1 차동 출력 전압(+VO1)과 양의 제2 차동 출력 전압(+VO2)은 위상이 동일하지 않은 것을 알 수 있다. 이러한 위상의 차이는 트랜스포머(231)를 통한 커플링에 기인하는 것이다. 즉, 트랜스포머(231)에 의한 커플링을 통해 위상의 차이를 조절할 수 있다.
따라서, 차동 구조의 전압 제어 발진기로부터 출력되는 제1 차동 출력 전압(+VO1, -VO1)과 제2 차동 출력 전압(+VO2, -VO2) 중 원하는 크기 및 위상을 갖는 어느 한쌍의 출력 전압을 선택하면 된다.
한편, 전술한 바와 같이 2개의 전압 제어 발진기를 스위칭 트랜지스터로 연결하여 직교 전압 제어 발진기를 구현하는 경우, 스위칭 트랜지스터에 의해 전류 소모가 증가되고 기판 손실(위상 잡음)이 발생하게 되는 문제점이 있다.
이를 위해 본 발명에서는 스위칭 트랜지스터에 의한 전류 소모와 기판 손실 없이 직교 신호를 출력할 수 있는 직교 전압 제어 발진기를 구성하며, 이에 대하여 도 7을 참조하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 7은 본 발명에 따른 직교 전압 제어 발진기를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 직교 전압 제어 발진기는 제1, 2 전압 제어 발진기(200a, 200b)가 제1 내지 제4 스위칭 트랜지스터(MS1 ~ MS4)를 통해 연결된 구조이며, 상기 제1, 2 전압 제어 발진기(200a, 200b)는 도 2에 도시된 전압 제어 발진기(200)와 구성이 동일하다.
제1 전압 제어 발진기(200a)에서 제1, 2 스위칭 트랜지스터(MS1, MS2)의 소스는 제1, 2 NMOS 트랜지스터(NM1, NM2)의 바디 게이트(body gate)에 각각 연결된다. 마찬가지로, 제2 전압 제어 발진기(200a)에서 제3, 4 스위칭 트랜지스터(MS3, MS4)의 소스는 제5, 6 NMOS 트랜지스터(NM5, NM6)의 바디 게이트(body gate)에 각각 연결된다.
즉, 이러한 연결 구조에 따라 제1 내지 제4 스위칭 트랜지스터(MS1 ~ MS4)에는 전류가 흐르지 않게 되어 전류 소모를 감소시킬 수 있으며, 제1 내지 제4 스위칭 트랜지스터(MS1 ~ MS4)가 기판에 커플링되지 않으므로, 기판의 기생 성분으로 인한 위상 잡음 없이 4위상의 직교 신호를 얻을 수 있다.
본 실시예에서는 트랜스포머(231)의 커플링을 이용한 직교 전압 제어 발진기를 예로 들어 설명하였지만, 이와 같은 스위칭 트랜지스터의 연결 구조는 종래의 인덕터를 이용한 직교 전압 제어 발진기에도 적용가능함은 물론이다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 종래의 LC 전압 제어 발진기를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 차동 전압 제어 발진기를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 전압 제어 발진기의 전류 재사용 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 도 2에 있어서 각 가변 커패시턴스부가 선형적으로 동작하도록 제1, 2 가변 커패시턴스부의 사이 및 제3, 4 가변 커패시턴스부의 사이에 하나 이상의 저항을 연결한 구조이며, 도 4b는 도 4a에 도시된 각 가변 커패시턴스부의 가변 커패시턴스 범위를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 전압 제어 발진기에서 제1, 2 제어전압을 조절하여 주파수 튜닝을 한 결과를 나타내는 도면이다.
도 6는 도 2에 도시된 전압 제어 발진기에서 입력 전압에 대한 차동 출력 전압의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 직교 전압 제어 발진기를 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
230 : 공진 회로
231 : 트랜스포머
231a, 231b : 트랜스포머의 1차 코일, 2차　 코일
231c : 센터탭
250A, 250B : 제1, 2 증폭 회로
PM1, PM2 : 제1, 2 PMOS 트랜지스터
NM1, NM2 : 제1, 2 NMOS 트랜지스터
CV1 ~ CV4 : 제1 내지 제4 가변 커패시턴스부
MS1, MS2, MS3, MS4: 제1 내지 제4 스위칭 트랜지스터

Claims (15)

  1. 제1 노드와 제3 노드 사이에 1차 코일이 연결되고 제2 노드와 제4 노드 사이에 2차 코일이 연결된 트랜스포머와, 제1 제어전압과 상기 제1, 2 노드 사이에 각각 연결된 제1, 2 가변 커패시턴스부와, 제2 제어전압과 상기 제3, 4 노드 사이에 각각 연결된 제3, 4 가변 커패시턴스부로 구성되며, 상기 제1, 2 제어전압에 따라 주파수를 발진시키는 공진 회로;
    전원전압과 상기 제1 노드 및 상기 전원전압과 상기 제2 노드 사이에 각각 연결된 제1, 2 PMOS 트랜지스터로 구성되며, 상기 공진 회로로부터 출력되는 발진 주파수를 차동 증폭하여 출력하는 제1 증폭 회로; 및
    상기 제3 노드와 제5 노드 및 상기 제4 노드와 상기 제5 노드 사이에 각각 연결된 제1, 2 NMOS 트랜지스터로 구성되며, 상기 공진 회로로부터 출력되는 발진 주파수를 차동 증폭하여 출력하는 제2 증폭 회로를 포함하며,
    상기 제1 NMOS 트랜지스터 및 제2 NMOS 트랜지스터가 상기 트랜스포머를 통해 상기 제2 PMOS 트랜지스터 및 상기 제1 PMOS 트랜지스터와 각각 차동 크로스-커플링되는 것을 특징으로 하는 트랜스포머의 커플링을 이용한 차동 전압 제어 발진기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 NMOS 트랜지스터의 게이트 단자 및 드레인 단자는 상기 제2 PMOS 트랜지스터의 드레인 단자 및 게이트 단자에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 트랜스포머의 커플링을 이용한 차동 전압 제어 발진기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 NMOS 트랜지스터의 게이트 단자 및 드레인 단자는 상기 제1 PMOS 트랜지스터의 드레인 단자 및 게이트 단자에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 트랜스포머의 커플링을 이용한 차동 전압 제어 발진기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 트랜스포머의 1차 코일의 센터탭과 2차 코일의 센터탭은 서로 연결된 것을 특징으로 하는 트랜스포머의 커플링을 이용한 차동 전압 제어 발진기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 센터탭을 통해 상기 제1, 2 NMOS 트랜지스터와 상기 제1, 2 PMOS 트랜지스터가 각각 직렬로 연결되어 하나의 전류 패스를 갖는 것을 특징으로 하는 트랜스포머의 커플링을 이용한 차동 전압 제어 발진기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1, 2 노드로부터 출력되는 차동 출력 전압의 진폭 및 위상은 동일하며, 상기 제3, 4 노드로부터 출력되는 차동 출력 전압의 진폭 및 위상은 동일한 것을 특징으로 하는 트랜스포머의 커플링을 이용한 차동 전압 제어 발진기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 트랜스포머의 커플링 조절에 따라 상기 제1, 2 노드로부터 출력되는 차동 출력 전압의 위상 및 상기 제3, 4 노드로부터 출력되는 차동 출력 전압의 위상이 조절되는 것을 특징으로 하는 트랜스포머의 커플링을 이용한 차동 전압 제어 발진기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1, 2 가변 커패시턴스부는 서로 동일한 커패시턴스를 가지며, 상기 제3, 4 가변 커패시턴스부는 상기 제1, 2 가변 커패시턴스부와 다른 커패시턴스를 가지되 서로 동일한 커패시턴스를 갖는 것을 특징으로 하는 트랜스포머의 커플링을 이용한 차동 전압 제어 발진기.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1, 2 가변 커패시턴스부와 상기 제3, 4 가변 커패시턴스부는 서로 다른 주파수 튜닝 범위를 가지며, 상기 제1, 2 가변 커패시턴스부는 성긴 튜닝(coarse tuning)을 담당하고, 상기 제3, 4 가변 커패시턴스부는 미세 튜닝(fine tuning)을 담당하는 것을 특징으로 하는 트랜스포머의 커플링을 이용한 차동 전압 제어 발진기.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1, 2 가변 커패시턴스부와 상기 제3, 4 가변 커패시턴스부는 서로 다른 주파수 튜닝 범위를 가지며, 상기 제1, 2 가변 커패시턴스부는 미세 튜닝(fine tuning)을 담당하고, 상기 제3, 4 가변 커패시턴스부는 성긴 튜닝(coarse tuning)을 담당하는 것을 특징으로 하는 트랜스포머의 커플링을 이용한 차동 전압 제어 발진기.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 가변 커패시턴스부는 다단의 버랙터 다이오드로 이루어지 며, 상기 제1, 2 가변 커패시턴스부의 사이 및 상기 제3, 4 가변 커패시턴스부의 사이에, 상기 제1, 2 제어전압의 분배를 위한 하나 이상의 저항이 각각 연결된 것을 특징으로 하는 트랜스포머의 커플링을 이용한 차동 전압 제어 발진기.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제1, 2 가변 커패시턴스부에 상기 제1 제어전압이 인가되면, 상기 제1 제어전압이 상기 각 저항에서 분배되어 상기 제1, 2 가변 커패시턴스부의 커패시턴스가 전체 커패시턴스 영역에서 선형적으로 가변되며,
    상기 제3, 4 가변 커패시턴스부에 상기 제2 제어전압이 인가되면, 상기 제2 제어전압이 상기 각 저항에서 분배되어 상기 제3, 4 가변 커패시턴스부의 커패시턴스가 전체 커패시턴스 영역에서 선형적으로 가변되는 것을 특징으로 하는 트랜스포머의 커플링을 이용한 차동 전압 제어 발진기.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 제5 노드와 접지단자 사이에 바이어스 전류 공급을 위한 제3 NMOS 트랜지스터가 연결되는 것을 특징으로 하는 트랜스포머의 커플링을 이용한 차동 전압 제어 발진기.
  14. 제1, 2 차동 전압 제어 발진기가 제1 내지 제4 스위칭 트랜지스터를 통해 서로 연결되어 4위상의 직교 신호를 출력하되,
    상기 제1 차동 전압 제어 발진기에 연결된 제1, 2 스위칭 트랜지스터의 소스는 상기 제1 차동 전압 제어 발진기의 증폭 회로를 구성하는 제1, 2 NMOS 트랜지스터 또는 제1, 2 PMOS 트랜지스터의 바디 게이트(body gate)에 각각 연결되며,
    상기 제2 차동 전압 제어 발진기에 연결된 제3, 4 스위칭 트랜지스터의 소스는 상기 제2 차동 전압 제어 발진기의 증폭 회로를 구성하는 제1, 2 NMOS 트랜지스터 또는 제1, 2 PMOS 트랜지스터의 바디 게이트(body gate)에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 트랜스포머의 커플링을 이용한 직교 전압 제어 발진기.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제1, 2 차동 전압 제어 발진기는,
    제1 노드와 제3 노드 사이에 1차 코일이 연결되고 제2 노드와 제4 노드 사이에 2차 코일이 연결된 트랜스포머와, 제1 제어전압과 상기 제1, 2 노드 사이에 각각 연결된 제1, 2 가변 커패시턴스부와, 제2 제어전압과 상기 제3, 4 노드 사이에 각각 연결된 제3, 4 가변 커패시턴스부로 구성되며, 상기 제1, 2 제어전압에 따라 주파수를 발진시키는 공진 회로;
    전원전압과 상기 제1 노드 및 상기 전원전압과 상기 제2 노드 사이에 각각 연결된 제1, 2 PMOS 트랜지스터로 구성되며, 상기 공진 회로로부터 출력되는 발진 주파수를 차동 증폭하여 출력하는 제1 증폭 회로; 및
    상기 제3 노드와 제5 노드 및 상기 제4 노드와 상기 제5 노드 사이에 각각 연결된 제1, 2 NMOS 트랜지스터로 구성되며, 상기 공진 회로로부터 출력되는 발진 주파수를 차동 증폭하여 출력하는 제2 증폭 회로를 각각 포함하며,
    상기 제1 NMOS 트랜지스터 및 제2 NMOS 트랜지스터가 상기 트랜스포머를 통해 상기 제2 PMOS 트랜지스터 및 상기 제1 PMOS 트랜지스터와 각각 차동 크로스-커플링되는 것을 특징으로 하는 트랜스포머의 커플링을 이용한 직교 전압 제어 발진기.
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