KR20100039003A

KR20100039003A - 위상 계산 기반의 고속 주파수 비교를 이용한 브이씨오 보정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20100039003A
Application number: KR1020080098193A
Authority: KR
Inventors: 최윤영; 김훈태
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2008-10-07
Filing date: 2008-10-07
Publication date: 2010-04-15
Also published as: WO2010041864A2; EP2345162A2; EP2345162A4; US20110260762A1; WO2010041864A3

Abstract

본 발명은 위상 계산 기반의 고속 주파수 비교를 이용한 VCO(Voltage controled oscillator) 보정 장치에 관한 것으로 상기 보정 장치는 입력된 기준 주파수 및 분주 주파수를 서로 비교하여 상기 기준 주파수의 위상이 상기 분주 주파수 위상과 정렬되도록 상기 기준 주파수의 위상을 이동(shift)하는 위상 이동부와 위상이 이동된 기준 주파수와 상기 분주 주파수 중 더 높은 주파수를 결정하는 주파수 비교부와 상기 주파수 비교부의 비교 결과를 기반으로 사용할 주파수 밴드를 결정하는 캡 뱅크 제어부를 포함하는 것으로 합성하고자 하는 주파수가 속한 밴드를 신속하게 찾아냄으로써 채널 스위칭 시간을 현저하게 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 고속 알고리즘에 의해 절감된 시간을 PLL 디자인에 할당함으로써 PLL 설계에 있어서 루프 필터계수 선택의 유연성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

RFIC, PLL, VCO. 기준 주파수, 위상 이동.

Description

위상 계산 기반의 고속 주파수 비교를 이용한 브이씨오 보정 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR VCO CALIBRATION USING FAST FREQUENCY COMPARISION BASED ON PAHSE MANIPULATION}

본 발명은 RFIC에 집적화되는 PLL의 구성 요소 중 하나인 VCO(Voltage controled oscillator, 전압 제어 발진기) 출력 주파수의 캘리브레인션(Calibration)을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

하나의 단말기로 다양한 무선통신 서비스를 제공하기 위해서는 각각의 무선통신 서비스에서 요구하는 모든 주파수 대역을 수용할 수 있는 광대역 VCO가 필요하다.

도 1은 다중 밴드를 가지는 VCO 출력 주파수를 도시한 그래프이다.

상기 도 1을 참조하면, 광대역 VCO의 출력 주파수는 여러 주파수 밴드(#1, #2, #3)로 나누어 VCO의 이득을 낮춤으로써 위상 잡음 특성이 열화되지 않도록 한다.

일반적인 PLL(Phase Locked Loop) 구조는 VCO의 다중 밴드 자동 선택 기능이 없기 때문에 채널 주파수를 변경시킬 때 수작업으로 VCO의 주파수 밴드를 세팅하거나 높은 주파수 이득을 갖는 VCO를 설계하여 한 밴드로 모든 주파수 대역을 수용해야 하는 문제점이 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 VCO의 동작밴드를 자동적으로 선택하는 자동 보정 능력을 갖는 PLL 회로에 대한 연구가 널리 진행되어 왔다.

이에 대한 연구의 예를 들면, PLL 회로 주변에 자동 밴드 제어 회로를 구현하여, 수작업 없이 시스템에서 필요로 하는 주파수 밴드를 자동적으로 선택하게 한다.

자동 밴드 제어 회로에서는 두 주파수를 비교하기 위하여 두 개의 카운터를 사용하게 되는데 첫 번째 카운터는 VCO 주파수를 N분주 한 클록으로 계수하고 두 번째 카운터는 크리스탈에서 발생하는 기준 클록으로 계수한다. 상위 밴드를 선택하여 VCO 주파수를 높일지 아니면 하위 밴드를 선택하여 주파수를 낮출지의 여부는 이 두 카운터의 'carry out'을 비교함으로써 결정된다.

즉, 크리스탈 기준 클록이 분주된 클록보다 더 빠를 경우 카운터 2의 carry out이 먼저 출력되고 주파수 비교기에서는 주파수를 높이기 위한 'H' 신호를 내보내게 된다.

하지만, 이러한 회로는 두 주파수의 비교 결과를 얻기 위해 소요되는 시간이 수십에서 수백 us로 매우 길뿐 아니라 두 카운터의 비교 정확성을 높이기 위해서는 카운터 비트수를 높여야 하므로 짧은 채널 스위칭 시간을 요구하는 무선통신 시스 템에서는 사용하기 곤란한 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 위상 계산 기반의 고속 주파수 비교를 이용한 VCO 보정 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 동작 밴드를 자동적으로 선택하는 자동 보정 능력을 구비하는 VCO 보정 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 합성하고자 하는 주파수가 속한 밴드를 신속하게 찾아냄으로써 채널 스위칭 시간을 현저하게 감소시키고, 감소된 시간을 PLL 디자인에 할당함으로써 PLL 설계에 있어서 루프 필터(loop filter) 계수 선택의 유연성을 향상시킬 수 있는 VCO 보정 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 위상 계산 기반의 고속 주파수 비교를 이용한 VCO(Voltage controled oscillator) 보정 장치에 있어서 입력된 기준 주파수 및 분주 주파수를 서로 비교하여 상기 기준 주파수의 위상이 상기 분주 주파수 위상과 정렬되도록 상기 기준 주파수의 위상을 이동(shift)하는 위상 이동부와 위상이 이동된 기준 주파수와 상기 분주 주파수 중 더 높은 주파수를 결정하는 주파수 비교부와 상기 주파수 비교부의 비교 결과를 기 반으로 사용할 주파수 밴드를 결정하는 캡 뱅크 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 위상 계산 기반의 고속 주파수 비교를 이용한 VCO(Voltage controled oscillator) 보정 방법에 있어서 입력된 기준 주파수 및 분주 주파수를 서로 비교하여 상기 기준 주파수의 위상이 상기 분주 주파수 위상과 정렬되도록 상기 기준 주파수의 위상을 이동(shift)하는 과정과 위상이 이동된 기준 주파수와 상기 분주 주파수 중 더 높은 주파수를 비교하여 결정하는 과정과 상기 비교 결과를 기반으로 사용할 주파수 밴드를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 고속 VCO 주파수 자동 보정 기법은 합성하고자 하는 주파수가 속한 밴드를 신속하게 찾아냄으로써 채널 스위칭 시간을 현저하게 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 고속 알고리즘에 의해 절감된 시간을 PLL 디자인에 할당함으로써 PLL 설계에 있어서 루프 필터계수 선택의 유연성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

일반적인 N-비트의 cap-bank 컨트롤 신호 중 한 비트를 결정하는데 소요되는 시간이 Tref * 2^(# of counter bits)인데 반하여(예를 들어, 8비트 카운터가 20MHz의 기준 주파수로 동작할 경우 50ns * 2^8 = 12.8us 가 소요된다) 본 발명의 주파수 비교 시간은 Tref * 4 주기로 200ns 밖에 소요되지 않으므로 채널 스위칭 시간이 현저하게 줄어드는 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 위상 계산 기반의 고속 주파수 비교를 이용한 VCO 보정 장치 및 방법에 대해 설명할 것이다.

본 발명은 다중 밴드의 광대역 VCO의 주파수 밴드를 자동적으로 세팅하고 고속 VCO 주파수 자동 보정 기법을 통하여 시스템에서 요구하는 짧은 채널 스위칭 시간을 충족시키고자 한다.

시스템 규격 상의 채널 스위칭 시간은 주파수 밴드 선택에 소요되는 시간과 PLL locking에 소요되는 시간을 합한 값이기 때문에 고속 VCO 주파수 자동 보정 기법에 의해 절감된 시간만큼 PLL locking을 위해 더 많은 시간을 할당할 수 있다.

이는 PLL 루프 필터 설계시 PLL locking 시간의 제한을 덜 받게 되어 루프 계수 선택의 설계 유연성을 높일 수 있게 한다.

본 발명은 크게 두 가지로 구분되는데 첫 번째 동작은 VCO의 다중 밴드 중 원하는 주파수가 속한 밴드를 선택하는 자동 밴드 선택 동작이고, 두 번째 동작은 선택된 밴드 위에서 필요로 하는 주파수가 PLL에 의해 locking되는 PLL 동작이다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 자동 보정 기능을 구비한 PLL 구조를 도시한 도면이다.

상기 도 2를 참조하면, 상기 PLL 구조는 다수의 기능블록(210, 220, 230, 240, 250)으로 구성된 PLL부와 자동 밴드 제어부(260)로 구성된다. 상기 PLL 부는 Integer-N 타입이나 Fractional-N 타입의 주파수 합성을 위해 통상적으로 활용되는 PLL 회로를 나타낸다.

상기 자동 밴드 제어부(260)는 위상 이동부(phase shifter)(262), 주파수 비교부(frequency comparator)(264), 캡 뱅크 제어부(cap-bank control)(268)와 상태 결정부(FSM : final state machine)(266)로 구성된다.

상기 위상 이동부(262)는 두 입력 주파수를 비교하여 기준 주파수의 위상이, 분주 주파수 위상과 정렬되도록 기준 주파수의 위상을 이동(shift)하는 기능을 담당한다.

상기 주파수 비교부(264)는 위상이 이동된 기준 주파수와 분주 주파수 중 어느 주파수가 더 높은 주파수인지 결정하는 기능을 담당한다.

상기 캡 뱅크 제어부(268)는 상기 주파수 비교부(264)에서의 비교 결과를 기반으로 VCO의 여러 밴드 중 상위 밴드를 선택할지, 하위 밴드를 선택할지 결정하고, 이를 VCO(230)에 제공하는 역할을 담당한다. 상기 VCO(230)는 상기 자동 밴드 제어부(260)가 제공한 값(캡 뱅크 값)을 기반으로 주파수 밴드를 결정한다.

상기 상태 결정부(FSM : final state machine)(266)는 상기 위상 이동 부(262), 상기 주파수 비교부(264) 및 상기 캡 뱅크 제어부(268)에서 필요한 reset, write 등의 컨트롤 신호를 제공하는 기능을 담당한다.

도 3는 본 발명의 실시 예에 따른 고속 VCO 주파수 자동 보정을 위한 흐름도를 도시한 것이다.

상기 도 3을 참조하면, VCO의 다중 밴드 중 원하는 주파수가 속한 밴드를 선택하는 자동 밴드 선택 동작을 나타낸다.

여기에서, 사용된 알고리즘은 N비트의 cap-bank값을 신속하게 결정하기 위하여, (2^N -1)개의 cap-bank 값 경우의 수에 대해 순차적으로 검색하여 그 값을 결정하는 것이 아니라, MSB(Most Significant Bit)에서 시작하여 LSB(Least Significant Bit)까지 차례대로 이진 검색(Binary search)함으로써 비교해야할 회수를 N번으로 줄이는 기법을 사용한다.

먼저, 자동 밴드 제어 동작을 위해 PLL loop를 끊고 VCO의 컨트롤 전압을 Vref으로 고정시킨다(Vctrl = Vref). 그리고, 알고리즘 연산을 위한 다른 변수들의 값을 초기화한다(N=7, i=0)(310 단계).

이후, VCO의 cap-bank 제어 신호(D<0>, D<1>, ..., D<N-1>) 중 MSB에 해당하는 D<N-1> 를 'H'로 세팅하고(320 단계), 기준 주파수(fref)의 라이징 에지(rising edge)를 분주 주파수(fdiv)의 라이징 에지(rising edge)와 맞도록(align) 이동한 후(330 단계), 두 주파수를 비교한다(340 단계).

여기에서 이동 과정은 상기 도 2의 위상 이동부(262)가 수행한다. 두 주파수 의 비교 과정은 상기 도 2의 주파수 비교부(264)가 수행한다. 그리고, 두 주파수 간의 라이징 에지를 맞추는 과정은 하기 도 4에서 설명될 것이다.

만약, 위상이 이동된 기준 주파수(fref)가 더 높을 경우(340 단계), D<N-1>은 'H'(High)를 유지하고(360 단계), 분주 주파수(fdiv)가 더 높을 경우 'L'(Low)로 변경한다(350 단계).

이와 같이, MSB에 대한 cap-bank값이 결정되면 다음 가중치(weighting) 값을 갖는 D<N-2>에 대해 위와 동일한 방법으로 cap-bank 값을 결정하고, 이에 대한 과정을 LSB에 해당하는 D<0>에 대해 cap-bank값이 결정될 때 까지 반복한다(320~380 단계).

상기의 반복 과정을 위해 본 알고리즘에서는 변수(i) 값을 비트 단위로 하나씩 증가시켜 원하는 비트(i=N)에까지 연산이 완료되면 종료될 수 있게 한다.

이와 같은 방법으로 결정된 cap-bank값들은 D-FF(Flip-Flop)에 그 값을 저장하여 고속 VCO 주파수 자동 보정 루프가 종료되더라도 그 값이 유지될 수 있게 한다.

이후, 고속 VCO 주파수 자동 보정 동작 종료 후, Vref으로 연결되었던 VCO(230)는 PLL 부의 LPF(220)에 연결되어 PLL loop가 동작하도록 한다.

이후, 상기 캡 뱅크 제어부(268)는 두 입력 주파수에 따라 상기 D-FF에 저장된 캡 뱅크 값을 출력하고, 이 값은 VCO(230)에 입력되어 원하는 주파수 밴드가 상기 VCO(230)에 의해 선택될 수 있게 한다.

이후, 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고속 VCO 주파수 자동 보정을 위한 상태도를 도시한 것이다.

상기 도 4를 참조하면, fref_shifted는 기준 주파수의 라이징 에지가 분주 주파수 라이징 에지와 일치하도록 이동된 뒤의 주파수이고 fdiv는 fpre 주파수가 N분주된 주파수이다.

리셋(Reset)신호는 상기 도 2의 상태 결정부(266)로부터 생성되어 N 분주기(240)와 위상 이동기(262)를 리셋하는 역할을 한다. Write 신호는 fref_shifted 와 fdiv 비교 결과를 D-FF에 기록하는 신호이다.

fref_shifted 와 fdiv를 1회 비교하는데 4 사이클이 소요되며 각 단계의 동작은 하기와 같이 4 step으로 구성된다.

Step 1. fref 과 fdiv의 위상 차(△t)를 측정하여 fref을 △t만큼 shift

Step 2. N 분주기 카운터 동작

Step 3. fref_shifted 의 라이징 에지와 fdiv 라이징 에지를 비교

Step 4. 주파수 비교 결과를 D-FF(flip-flip)에 기록

상기 Step 1에서 위상 차를 측정하여 상기 fref를 위상 차만큼 이동하더라도, 정확한 위상 일치는 되지 않으므로, Step 2 와 Step 3 과정을 이용하여 정확한 위상 일치가 되도록 한다. 그리고, Step 4는 상기 도 3의 350 단계 또는 360 단계에 해당한다.

일반적으로, N-비트의 cap-bank 컨트롤 신호 중 한 비트를 결정하는데 소요되는 시간이 Tref * 2^(# of counter bits)인데 반하여(예를 들어, 8비트 카운터가 20MHz의 기준 주파수로 동작할 경우 50ns * 2^8 = 12.8us 가 소요된다) 본 발명의 주파수 비교 시간은 Tref * 4 주기로 200ns 밖에 소요되지 않으므로 채널 스위칭 시간이 현저하게 줄어드는 이점이 있다.

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 다중 밴드를 가지는 VCO 출력 주파수를 도시한 그래프,

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 자동 보정 기능을 구비한 PLL 구조를 도시한 도면,

도 3는 본 발명의 실시 예에 따른 고속 VCO 주파수 자동 보정을 위한 흐름, 및,

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고속 VCO 주파수 자동 보정을 위한 상태도.

Claims

위상 계산 기반의 고속 주파수 비교를 이용한 VCO(Voltage controled oscillator) 보정 장치에 있어서,

입력된 기준 주파수 및 분주 주파수를 서로 비교하여 상기 기준 주파수의 위상이 상기 분주 주파수 위상과 정렬되도록 상기 기준 주파수의 위상을 이동(shift)하는 위상 이동부와,

위상이 이동된 기준 주파수와 상기 분주 주파수 중 더 높은 주파수를 결정하는 주파수 비교부와,

상기 주파수 비교부의 비교 결과를 기반으로 사용할 주파수 밴드를 결정하는 캡 뱅크 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
위상 계산 기반의 고속 주파수 비교를 이용한 VCO(Voltage controled oscillator) 보정 방법에 있어서,

입력된 기준 주파수 및 분주 주파수를 서로 비교하여 상기 기준 주파수의 위상이 상기 분주 주파수 위상과 정렬되도록 상기 기준 주파수의 위상을 이동(shift)하는 과정과,

위상이 이동된 기준 주파수와 상기 분주 주파수 중 더 높은 주파수를 비교하여 결정하는 과정과,

상기 비교 결과를 기반으로 사용할 주파수 밴드를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.