KR20090098294A - 오프-칩 전압 제어 발진기 및 이를 이용한 위상 고정 루프회로 - Google Patents

오프-칩 전압 제어 발진기 및 이를 이용한 위상 고정 루프회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오프-칩 전압 제어 발진기 및 이를 포함한 위상 고정 루프 회로를 개시한다.
본 발명의 오프-칩 전압 제어 발진기는 LC 공진을 위한 LC 공진회로의 적어도 어느 한 구성요소가 오프-칩으로 형성된다. 이처럼 전압 제어 발진기의 LC 공진회로에서 온-칩으로 구현하기 곤란한 일부 구성요소를 오프-칩으로 형성함으로써 반도체 소자의 제조를 용이하게 하며 그러한 구성요소들을 온-칩으로 구현함으로써 야기되는 특성 열화를 극복할 수 있다.

Description

오프-칩 전압 제어 발진기 및 이를 이용한 위상 고정 루프 회로{Off-chip voltage controlled oscillator and phase locked loop circuit using the same}
본 발명은 전압 제어 발진기(VCO : Voltage Controlled Oscillator) 및 위상 고정 루프(PLL : Phase Locked Loop)회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인덕터를 DRAM 오프 칩(Off-chip) 형태로 구현한 엘씨 탱크형(LC-TANK) 전압 제어 발진기 및 이를 이용한 위상 고정 루프 회로에 관한 것이다.
DRAM 및 반도체 회로는 점점 저전력화 및 고집적화되고 있으며, 고속 특성으로 제품화되고 있다.
이러한 현실의 요구를 수용할 수 있도록 고속 동작을 보장하기 위해서는 위상 고정 루프(이하, PLL 이라 함) 회로의 적용이 필요하다.
도 1은 종래의 PLL 회로의 구성을 나타낸 구성도이다.
이러한 도 1의 PLL 회로의 동작을 간략하게 설명하면 다음과 같다.
예컨대 주위의 온도가 변하게 되면 VCO(15)에서 출력되는 신호의 주파수가 변화할 수 있다. 따라서, VCO(15)에서 출력되는 신호 OUT의 주파수 fvco를 주파수 분주기(16)를 이용하여 분주한 후, 위상 검출기(12)는 주파수 분주기(16)에 분주된 주파수 fdiv를 기준 주파수 발진기(11)에서 출력되는 기준 주파수 fref와 비교함으로써 VCO(15)의 출력 주파수 fvco의 변화를 검출한다. 즉, 위상 검출기(12)는 VCO(15)의 출력 주파수 fvco와 기준 주파수 fref를 비교하여 그 위상차를 검출한다.
이때, 위상 검출기(12)는 만약 기준 주파수 fref가 분주 주파수 fdiv 보다 빠르면(lead) UP 펄스 신호를 출력하고, 반대로 기준 주파수 fref가 분주 주파수 fdiv 보다 늦으면(lag) DN 펄스 신호를 출력한다. 출력되는 펄스 신호의 폭은 기준 주파수 fref와 분주 주파수 fdiv의 위상차에 따라 달라진다. 즉, 위상차가 클수록 펄스 신호의 폭이 커진다.
차지 펌프(13)는 위상 검출기(12)의 펄스 신호(UP 또는 DN)에 따라 루프 필터(14)에 전하를 공급하거나 루프 필터(14)에 충전된 전하를 방전시킴으로써 루프 필터(14)의 출력전압 CTRL의 레벨을 조절한다. 가변 캐패시터(예컨대, 버랙터다이오드(varactor diode))를 구비한 VCO(15)는 루프 필터(14)의 출력전압 CTRL에 따라 캐패시턴스를 변화시켜 LC 공진 주파수를 변화시킴으로써 출력신호 OUT가 기 설정된 일정한 공진 주파수 fvco를 유지할 수 있도록 해준다. 이러한 과정을 통해 PLL은 안정된 주파수 발진동작을 수행하게 된다.
도 2는 도 1의 PLL에서 사용된 VCO(15)의 일 실시예를 나타내는 도면으로, 엘씨 탱크(LC-TANK)형 VCO를 나타내고 있다.
도 2의 LC-TANK형 VCO는 LC 회로(도 2에서는 직렬 공진 회로)의 공진 현상을 이용하여 일정한 주파수의 파형을 발생시킨다. 즉, LC-TANK형 VCO는 VCO에 사용된 인덕터의 값(L)과 가변 캐패시터의 값(Cvar)에 따라 수학식 1과 같이 출력 주파수 fvco가 결정된다.
Figure 112008018471766-PAT00001
VCO를 구현하기 위해 기존에는 레플리카(replica) 바이어스 회로를 이용한 오실레이터도 사용되었으나, 향후 개발될 고속 제품에서 노이즈 영향을 줄이고 전력 소비를 줄이기 위해서는 LC TANK형 VCO의 이용이 필요하다.
그러나, 이러한 LC-TANK형 VCO에서는 인덕터와 가변 캐패시터(varactor)를 필요로 하는데 인덕터나 가변 캐패시터들은 현재의 DRAM 제작 공정으로 구현하는 것이 용이하지 않은 문제가 있다.
예컨대, 인덕터의 경우 메탈 코일을 만들기 위해 현재의 트리플 메탈 공정보다 메탈 레이어들을 더 많이 사용하여야 하는데, 이는 비용 상승이라는 큰 문제점을 유발한다. 또한, 멀티 메탈 레이어와 같은 새로운 공정 기술을 통해 인덕터 공정을 구현한다 하더라도 이미 상용화되어 있는 구성요소들의 특성을 보장하기 위해서는 많은 개발 부담과 시간을 투자해야 한다. 그리고, 인덕터를 온-칩(On-chip)으로 적용하면서 야기되는 SI(Singnal Integrity)나 PI(Power Immunity)의 특성 열화를 극복하기 위해서도 많은 기술 개발이 뒤따라야 한다.
본 발명의 목적은 위상 고정 루프의 LC 공진 오실레이터의 구조를 개선하여 온-칩으로 구현하기 곤란한 구성요소를 오프-칩 형태로 구현할 수 있도록 함으로써 LC TANK형 VCO의 구현을 보다 용이하게 하고 온-칩 구현에 따른 열화 특성을 극복하는데 있다.
본 발명의 오프-칩 전압 제어 발진기는 LC 공진을 위한 LC 공진회로의 적어도 어느 한 구성요소가 오프-칩으로 형성된다. 이때, 어느 한 구성요소는 상기 LC 공진을 위한 LC 공진회로를 구성하는 인덕터 또는 캐패시터인 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명의 오프-칩 전압 제어 발진기는 오프-칩으로 형성되며 상기 LC 공진을 위한 인덕턴스를 제공하는 외장 인덕터부; 온-칩으로 형성되며 상기 LC 공진을 위한 캐패시턴스를 제공하여 상기 LC 공진에 따른 공진 주파수의 신호를 출력하는 주파수 발진부; 및 상기 외장 인덕터부와 상기 주파수 발진부를 전기적으로 연결시켜 주는 연결부를 포함한다.
본 발명의 오프-칩 전압 제어 발진기에서 연결부는 반도체 칩 상에 금속패드로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 오프-칩 전압 제어 발진기에서 외장 인덕터부는 두 개의 금속패드들 사이에 연결된 와이어 또는 외장 인덕터의 장탈착 가능하도록 칩의 패키지 외부에 장착되며 장착된 외장 인덕터를 상기 금속패드와 연결시켜주는 오프-칩 용 소켓 을 포함한다.
본 발명의 오프-칩 전압 제어 발진기에서 상기 주파수 발진부는 주파수가변신호에 따라 상기 캐패시턴스를 가변시키는 가변 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 위상 고정 루프 회로는 기준 주파수를 출력하는 기준 주파수 발진기; 상기 기준 주파수와 발진 주파수의 위상차를 검출하여 그 결과에 따라 위상 검출 신호를 출력하는 위상 검출기; 상기 위상 검출 신호에 따라 루프필터의 충전 및 방전을 제어하는 차지펌프; 상기 차지펌프의 제어에 따라 그 전압레벨이 가변되는 주파수가변신호를 출력하는 상기 루프필터; 상기 주파수가변신호에 따라 LC 공진 주파수를 조절하여 상기 발진 주파수를 가변시켜 출력하는 오프-칩 VCO(Voltage Controlled Oscillator)를 포함하며, 상기 오프-칩 VCO는 LC 공진을 위한 LC 공진회로의 적어도 어느 한 구성요소가 오프-칩으로 형성되는 것을 특징한다.
본 발명은 전압 제어 발진기의 LC 공진회로에서 온-칩으로 구현하기 곤란한 일부 구성요소를 오프-칩으로 형성함으로써 반도체 소자의 제조를 용이하게 하며 그러한 구성요소들을 온-칩으로 구현함으로써 야기되는 특성 열화를 극복할 수 있다.
아울러 본 발명의 바람직한 실시 예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으 로 보아야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 PLL의 구성을 나타내는 구성도이다.
본 발명의 PLL은 기준 주파수 발진기(110), 위상 검출기(120), 차지 펌프(130), 루프 필터(140), 오프-칩 VCO(150) 및 주파수 분주기(160)를 포함한다.
기준 주파수 발진기(110)는 예컨대 크리스탈 발진기를 이용하여 기준 주파수 fref를 생성하고 이를 위상 검출기(120)에 출력한다.
위상 검출기(120)는 기준 주파수 fref와 주파수 분주기(160)로부터 출력되는 분주 주파수 fdiv의 위상을 비교하여 위상차를 검출하고 그 위상차에 따라 펄스 신호인 제 1 위상 검출 신호(UP) 및 제 2 위상 검출 신호(DOWN)를 출력한다. 이때, 위상 검출기(120)는 기준 주파수 fref가 분주 주파수 fdiv 보다 빠르면(lead) 제 1 위상 검출 신호(UP)를 출력하고, 기준 주파수 fref가 분주 주파수 fdiv 보다 늦으면(lag) 제 2 위상 검출 신호(DN)를 출력한다.
차지 펌프(130)는 위상 검출기(120)로부터의 위상 검출 신호(UP 또는 DN)에 따라 루프 필터(140)에 충전되는 전하량을 조절함으로써 루프 필터(14)의 출력전압 CTRL의 레벨을 조정한다. 즉, 차지 펌프(130)는 제 1 위상 검출 신호(UP)가 인가되면 루프 필터(140)에 전하를 공급하여 루프 필터(140)에서 출력되는 전압의 레벨을 높여주고, 제 2 위상 검출 신호(DN)가 인가되면 루프 필터(140)에 충전된 전하 를 방출시켜 루프 필터(140)에서 출력되는 전압의 레벨을 낮춰준다.
루프 필터(140)는 일반적으로 로우 패스 필터(LPF)의 형태의 구조를 가지며 차지 펌프(130)로부터의 제공받은 전하를 축적했다 방출하는 역할과 함께 원하지 않는 출력성분을 포함한 잡음 주파수를 제거하는 역할을 한다. 루프 필터(140)는 이러한 전하의 축적 및 방출 동작을 통해 그 전압레벨이 가변되는 주파수가변신호 CTRL를 오프-칩 VCO(150)로 출력한다.
오프-칩 VCO(150)는 오프-칩 인덕터를 구비하며, 루프 필터(140)로부터의 주파수가변신호 CTRL에 따라 출력신호 OUT의 주파수 fvco를 가변시킨다. 즉, 오프-칩 VCO(15)는 구성요소들 중 온-칩(On-chip) 형태로 구현하기 곤란한 구성요소 특히 LC 공진을 위한 공진회로에서 인덕터가 오프-칩(Off-chip) 형태로 구현된다. 그리고, 오프-칩 VCO(150)는 온-칩으로 구현된 가변 캐패시터를 구비하여 주파수가변신호 CTRL에 따라 그 캐패시턴스를 가변시켜 LC 공진 주파수를 조절함으로써 출력신호 OUT의 주파수 fvco가 기 설정된 주파수를 유지할 수 있도록 해준다.
주파수 분주기(160)는 분주비 데이터에 기초하여 오프-칩 VCO(150)에서 출력되는 발진 주파수 fvco를 분주비로 나누고 그 분주된 주파수 fdiv를 위상 검출기(120)에 출력한다.
도 4는 도 3에서 오프-칩 VCO(150)의 구성을 보다 상세하게 나타낸 구성도이다.
오프-칩 VCO(150)는 외장 인덕터부(152), 주파수 발진부(154) 및 연결부(156)를 구비한다.
외장 인턱터부(152)는 오프-칩으로 형성되며 연결부(156)의 금속 패드들과 연결된 인덕터 L1, L2를 구비하여 LC 공진을 위한 인턱턴스를 제공한다. 이러한 외장 인덕터부(152)는 예컨대 칩 패키지시에 사용되는 와이어 본딩 라인을 이용하여 구현될 수 있으며, 또는 칩 형성과정과는 별도로 제작된 외장 인덕터를 착탈이 가능한 형태로 포함하며 장착된 인덕터를 연결부(156)와 전기적으로 연결시켜주는 오프-칩 용 소켓 형태로 칩의 패키지 외부에 장착되도록 형성될 수 있다. 예컨대, 반도체 칩의 상부면에 오프-칩 용 패드로서 금속패드들을 형성한 후, 패키지 과정에서 오프-칩 용 패드 2개 사이를 와이어(gold wire) 본딩하여 연결함으로써 외장 인덕터부(152)를 형성할 수 있다. 즉, 와이어 라인 자체를 오프-칩 인덕터 L1, L2로 사용할 수 있다. 또는, 외장 인덕터부(152)는 연결부(156)의 금속패드들과 연결된 금속 와이어를 패키지의 외부로 노출시킨 후, 이 금속 와이어와 외장 인덕터를 연결시켜주고 오프-칩 용 소켓을 패키지의 외부에 구비하는 형태로 형성될 수 있다.
주파수 발진부(154)는 온-칩으로 형성되며, 외장 인덕터부(152)의 인덕터 L1, L2와 각각 LC 공진 회로를 구성하는 가변 캐패시터 Cvar1, Cvar2를 구비하며, 루프 필터(140)로부터의 주파수가변신호 CTRL에 따라 가변 캐패시터 Cvar1, Cvar2의 캐패시턴스를 가변시킴으로써 출력신호 OUT1, OUT2가 기 설정된 발진 주파수 fvco를 유지할 수 있도록 해준다. 이때, 출력신호 OUT1, OUT2는 180도의 위상차를 가지며, 출력되는 발진 주파수 fvco는 수학식 1에 의해 결정된다. 이러한 LC 공진을 이용한 주파수 발진 자체는 일반적인 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한 다.
연결부(156)는 외장 인덕터부(152)의 인덕터 L1, L2와 주파수 발진부(154)의 캐패시터 Cvar1, Cvar2를 각각 전기적으로 연결시켜 준다. 이러한 연결부(156)는 인덕터 L1, L2와 캐패시터 Cvar1, Cvar2를 전기적으로 연결시키기 위한 금속패드들을 구비한다. 이러한 패드들은 외부와의 신호 입출력을 위해 반도체 칩 상에 구비된 금속패드들과 같이 칩 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 오프-칩 VCO(150)는 도 2와 같은 종래의 LC TANK형 VCO에서 일부 구성요소(본 실시예에서는 인덕터 L1, L2)를 도 4와 같이 오프-칩 형태로 구현한 것으로서, LC TANK형 VCO로서의 기능을 위한 LC 공진회로의 회로적 구성 및 그 동작원리는 종래의 그것들과 동일하다. 따라서, 여기에서는 본 발명에 따른 오프-칩 VCO의 동작에 대한 설명은 생략한다.
또한, 본 실시예에서는 180도의 위상차를 갖는 공진 주파수의 차동신호를 출력하며 직렬 LC 공진 회로를 갖는 VCO의 구성을 도시하였으나, 이는 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐 어떠한 형태의 LC TANK형 VCO라도 무관하다.
더욱이, 본 발명의 실시예에서는 인덕터 L1, L2를 오프-칩 형태로 구현한 경우를 도시하고 있으나, 캐패시터 Cvar1, Cvar2 또는 다른 구성 요소들도 오프-칩 형태로 구현할 수 있음은 자명하다.
도 1은 종래의 PLL 회로의 구성을 나타낸 구성도.
도 2는 도 1의 PLL에서 사용된 VCO의 일 실시예를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 PPL의 구성을 나타내는 구성도.
도 4는 도 3에서 오프-칩 VCO의 구성을 보다 상세하게 나타낸 구성도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
110 : 기준 주파수 발진기 120 : 위상 검출기
130 : 차지 펌프 140 : 루프 필터
150 : 오프-칩 VCO 160 : 주파수 분주기

Claims (15)

  1. LC 공진을 이용하여 기 설정된 발진 주파수의 신호를 출력하기 위한 발진기에 있어서,
    상기 LC 공진을 위한 LC 공진회로의 적어도 어느 한 구성요소가 오프-칩으로 형성된 오프-칩 전압 제어 발진기.
  2. 제 1항에 있어서,
    오프-칩으로 형성되며 상기 LC 공진을 위한 인덕턴스를 제공하는 외장 인덕터부;
    온-칩으로 형성되며 상기 LC 공진을 위한 캐패시턴스를 제공하여 상기 LC 공진에 따른 공진 주파수의 신호를 출력하는 주파수 발진부; 및
    상기 외장 인덕터부와 상기 주파수 발진부를 전기적으로 연결시켜 주는 연결부를 포함하는 오프-칩 전압 제어 발진기.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 연결부는
    반도체 칩 상에 금속패드로 형성되는 것을 특징으로 하는 오프-칩 전압 제어 발진기.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 외장 인덕터부는
    두 개의 금속패드들 사이에 연결된 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 오프-칩 전압 제어 발진기.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 외장 인덕터부는
    외장 인덕터의 탈착이 가능하도록 칩의 패키지 외부에 장착되며, 장착된 외장 인덕터를 상기 금속패드와 연결시켜주는 오프-칩 용 소켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 오프-칩 전압 제어 발진기.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 어느 한 구성요소는
    상기 LC 공진을 위한 LC 공진회로를 구성하는 인덕터 또는 캐패시터인 것을 특징으로 하는 오프-칩 전압 제어 발진기.
  7. 제 2항에 있어서, 상기 주파수 발진부는
    주파수가변신호에 따라 상기 캐패시턴스를 가변시키는 가변 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 오프-칩 전압 제어 발진기.
  8. LC 공진을 위한 LC 공진회로의 적어도 어느 한 구성요소가 오프-칩으로 형성된 오프-칩 VCO(Voltage Controlled Oscillator)를 포함하는 위상 고정 루프 회로.
  9. 기준 주파수를 출력하는 기준 주파수 발진기;
    상기 기준 주파수와 발진 주파수의 위상차를 검출하여 그 결과에 따라 위상 검출 신호를 출력하는 위상 검출기;
    상기 위상 검출 신호에 따라 루프필터의 충전 및 방전을 제어하는 차지펌프;
    상기 차지펌프의 제어에 따라 그 전압레벨이 가변되는 주파수가변신호를 출력하는 상기 루프필터;
    상기 주파수가변신호에 따라 LC 공진 주파수를 조절하여 상기 발진 주파수를 가변시켜 출력하는 오프-칩 VCO(Voltage Controlled Oscillator)를 포함하되,
    상기 오프-칩 VCO는
    LC 공진을 위한 LC 공진회로의 적어도 어느 한 구성요소가 오프-칩으로 형성되는 것을 특징으로 하는 위상 고정 루프 회로.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 상기 오프-칩 VCO는
    오프-칩으로 형성되며 상기 LC 공진을 위한 인덕턴스를 제공하는 외장 인덕터부;
    온-칩으로 형성되며 상기 LC 공진을 위한 캐패시턴스를 제공하여 상기 LC 공진에 따른 공진 주파수의 신호를 출력하는 주파수 발진부; 및
    상기 외장 인덕터부와 상기 주파수 발진부를 전기적으로 연결시켜 주는 연결부를 포함하는 위상 고정 루프 회로.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 연결부는
    반도체 칩 상에 금속패드로 형성되는 것을 특징으로 하는 위상 고정 루프 회로.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 외장 인덕터부는
    두 개의 금속패드들 사이에 연결된 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 고정 루프 회로.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 외장 인덕터부는
    외장 인덕터의 장탈착 가능하도록 칩의 패키지 외부에 장착되며, 장착된 외장 인덕터를 상기 금속패드와 연결시켜주는 오프-칩 용 소켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 고정 루프 회로.
  14. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 상기 어느 한 구성요소는
    상기 LC 공진을 위한 LC 공진회로를 구성하는 인덕터 또는 캐패시터인 것을 특징으로 하는 위상 고정 루프 회로.
  15. 제 10항에 있어서, 상기 주파수 발진부는
    주파수가변신호에 따라 상기 캐패시턴스를 가변시키는 가변 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 고정 루프 회로.
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