KR20160030786A - 고주파 신호 생성을 위한 발진기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고주파 신호 생성을 위한 발진기를 개시한다. 본 발명에 따르면, 고주파 신호 생성을 위한 공통 베이스 크로스-커플드 차동 발진기로서, 부하로부터 전원 공급 전압을 받는 제1 컬렉터, 접지와 연결되는 제1 베이스 및 상기 제1 베이스와 연결되는 제1 에미터를 포함하는 제1 트랜지스터; 및 상기 부하로부터 전원 공급 전압을 받는 제2 컬렉터, 접지와 연결되는 제2 베이스 및 상기 제2 베이스와 연결되는 제2 에미터를 포함하는 제2 트랜지스터를 포함하되, 상기 제1 컬렉터 및 상기 제2 에미터가 교차 연결되고, 상기 제2 컬렉터 및 상기 제1 에미터가 교차 연결되는 공통 베이스 크로스-커플드 발진기가 제공된다.

Description

고주파 신호 생성을 위한 발진기{Oscillator for high frequency signal generation}
본 발명은 고주파 신호 생성을 위한 발진기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 공통 에미터 크로스-커플드 구조 발진기에 비해 더욱 높은 주파수 신호를 생성할 수 있는 발진기에 관한 것이다.
고주파, 특히 THz 주파수 대역은 이미징, 분광학, 생화학 검출, 천문학, 광대역 통신 등 다양한 분야에 응용될 수 있다. 이런 THz 대역을 향한 관심은 점점 증가하는 추세이고 작은 크기, 저비용, 저전력 구동 등과 같은 장점이 있는 반도체 소자를 기반으로 한 THz 시스템 구현에 동기 부여가 된다.
THz 시스템에서 중요한 역할을 수행하는 컴포넌트로 발진기가 있는데, 이는 송신단의 신호원 혹은 헤테로다인 구조에서 로컬 발진기로 쓰인다. 특히 높은 주파수 대역에서 동작하는 발진기의 구현은 어려움이 많아 발진기의 동작 주파수, 출력 전력, 위상 잡음 등의 성능을 개선하기 위한 연구가 활발하게 진행 중이다.
기존의 공통 에미터 크로스-커플드 구조 발진기의 발진 주파수는 높은 주파수에서 발진 신호를 얻기 위해서 상당히 작은 크기의 반도체 소자와 인덕턴스 및 커패시턴스(LC 탱크)가 필요하다. 하지만 이런 컴포넌트들의 크기를 줄이는데 물리적으로 한계가 있고 발진 조건이 맞지 않아 발진하지 않을 수 있다.
미국 공개특허 US 2008-0290957는 공통 베이스 구조의 발진기와 공통 에미터 구조의 발진기를 서로 비교하는 내용이 개시되지만, 에미터와 컬렉터가 교차 결합하는 구조를 개시하고 있지 않는다.
상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 기존의 공통 에미터 크로스-커플드 구조 발진기 비해 더욱 높은 주파수 신호를 생성할 수 있는 고주파 신호 생성을 위한 발진기를 제안하고자 한다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 고주파 신호 생성을 위한 공통 베이스 크로스-커플드 차동 발진기로서, 부하로부터 전원 공급 전압을 받는 제1 컬렉터, 접지와 연결되는 제1 베이스 및 상기 제1 베이스와 연결되는 제1 에미터를 포함하는 제1 트랜지스터; 및 상기 부하로부터 전원 공급 전압을 받는 제2 컬렉터, 접지와 연결되는 제2 베이스 및 상기 제2 베이스와 연결되는 제2 에미터를 포함하는 제2 트랜지스터를 포함하되, 상기 제1 컬렉터 및 상기 제2 에미터가 교차 연결되고, 상기 제2 컬렉터 및 상기 제1 에미터가 교차 연결되는 공통 베이스 크로스-커플드 발진기가 제공된다.
상기 제1 컬렉터 및 상기 제2 에미터 사이와, 상기 제2 컬렉터 및 상기 제1 에미터 사이에 각각 접속되는 피드백 임피던스 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 베이스 및 제1 에미터 사이와, 상기 제2 베이스 및 상기 제2 에미터 사이에 접속되는 베이스-에미터 임피던스 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 컬렉터와 상기 제1 베이스 사이에 접속된 제1 캐패시터; 및 상기 제2 컬렉터와 상기 제2 베이스 사이에 접속된 제2 캐패시터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 고주파 신호 생성을 위한 공통 베이스 크로스-커플드 차동 발진기로서, 부하로부터 전원 공급 전압을 받는 제1 드레인, 접지와 연결되는 제1 게이트 및 상기 제1 게이트와 연결되는 제1 소스를 포함하는 제1 트랜지스터; 및 상기 부하로부터 전원 공급 전압을 받는 제2 드레인, 접지와 연결되는 제2 게이트 및 상기 제2 게이트와 연결되는 제2 소스를 포함하는 제2 트랜지스터를 포함하되, 상기 제1 드레인 및 상기 제2 소스가 교차 연결되고, 상기 제2 드레인 및 상기 제1 소스가 교차 연결되는 공통 베이스 크로스-커플드 발진기가 제공된다.
본 발명에 따르면, 공통 베이스 구조를 이용하여 기존에 비해 높은 주파수의 발진기를 제공할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 베이스 크로스-커플드 차동 발진기, 도 1b는 공통 에미터 크로스-커플드 차동 발진기를 간략화하여 도시한 도면.
도 2는 공통 베이스와 공통 에미터 크로스-커플드 차동 발진기의 동작원리를 나타내는 개념도.
도 3은 하나의 공통 베이스와 공통 에미터 크로스-커플드 차동 발진기에서 트랜지스터(트랜지스터는 InP HBT 에미터 길이 5 μm가 사용됨)의 입력과 출력간의 위상차를 주파수의 함수로 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 베이스 크로스-커플드 차동 발진기와 공통 에미터 크로스-커플드 차동 발진기의 상세 구성을 도시한 도면.
도 5는 도 4에서 1-port 분석을 통해 구한 코어의 컨덕턴스 GIN을 주파수의 함수로 나타낸 도면.
도 6은 분석을 통해 구한 발진 주파수를 (a) LF, (b) CF, (c) LC의 함수로 나타낸 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
설명의 편의를 위해, 이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 베이스 크로스-커플드 차동 발진기 및 기존의 공통 에미터 크로스-커플드 차동 발진기를 서로 비교하여 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 베이스 크로스-커플드 차동 발진기, 도 1b는 공통 에미터 크로스-커플드 차동 발진기를 간략화하여 도시한 도면이다.
도 1a를 참조하면, 베이스(B)가 공통단인 그라운드에 연결되어 있고 각각의 트랜지스터의 에미터(E)와 컬렉터(C)가 크로스-커플드 되어있다.
보다 상세하게, 본 실시예에 따른 공통 베이스 크로스-커플드 차동 발진기는 부하로부터 전원 공급 전압을 받는 제1 컬렉터(C1), 접지와 연결되는 제1 베이스(B1) 및 제1 베이스(B1)와 연결되는 제1 에미터(E1)를 포함하는 제1 트랜지스터(Q1)와, 부하로부터 전원 공급 전압을 받는 제2 컬렉터(C2), 접지와 연결되는 제2 베이스(B2) 및 제2 베이스(B2)와 연결되는 제2 에미터(B2)를 포함하는 제2 트랜지스터(Q2)를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 컬렉터(C1) 및 제2 에미터(E2)가 교차 연결되며, 제2 컬렉터(C2) 및 제1 에미터(E1)가 교차 연결된다.
한편, 도 1b를 참조하면, 에미터(E)가 그라운드에 연결되고 트랜지스터들의 베이스(B)와 컬렉터(C)가 크로스-커플드 되어있다.
공통 베이스 크로스-커플드 차동 발진기 및 공통 에미터 크로스-커플드 차동 발진기 모두 크로스-커플드 되는 경로에 임피던스 Z를 가지는 인덕터 및 커패시터가 배치된다.
특히, 본 실시예에 따른 공통 베이스 크로스-커플드 차동 발진기는 제1 컬렉터(C1) 및 제2 에미터(E2) 사이에, 그리고 제2 컬렉터(C2) 및 상기 제1 에미터(E1) 사이에는 각각 임피던스 소자(Z1)가 제공된다.
부하(Load)는 컬렉터 단의 부하이면서, 트랜지스터의 기생 성분이 포함된 성분으로 볼 수 있다. 이 모든 성분들로 발진 주파수가 결정된다.
도 2는 공통 베이스와 공통 에미터 크로스-커플드 차동 발진기의 동작원리를 나타내는 개념도이다.
회로가 발진하는 원리는 바카우젠 조건으로 설명할 수 있다.
기본적으로 두 개의 공통 베이스(또는 에미터) 증폭기가 서로 크로스-커플드 된 형태로 각각의 증폭기의 입력(에미터 또는 베이스)에서 출력(컬렉터)까지 특정 주파수에서 180도(nπ, n=1,3,5,...)의 위상차를 갖고 1 이상의 루프 이득이 있으면 해당 주파수에서 발진이 일어난다.
여기서 증폭기는 트랜지스터인 Q와 추가적인 위상차를 주는 △φ(앞서 언급한 임피던스 Z의 전송선로 및 부하가 여기에 해당됨)로 구성된다.
특정 잡음 신호가 루프의 한 점에서 이동하여 크로스-커플드 되는 피드백을 통해 다시 돌아왔을 때 각 증폭기에서 이득을 얻고 동위상을 가지면 점점 신호가 증폭되어 결국 발진이 일어난다. 동위상이 되기 위해서는 각각의 증폭기가 180도 혹은 0(360)도의 위상차를 가지면 되지만, 발진기의 출력단이 차동 출력을 갖기 위해 180도 또는 그 홀수 배수의 위상차를 가져야만 한다.
도 3은 하나의 공통 베이스와 공통 에미터 크로스-커플드 차동 발진기에서 트랜지스터(트랜지스터는 InP HBT 에미터 길이 5 μm가 사용됨)의 입력과 출력간의 위상차를 주파수의 함수로 시뮬레이션한 결과이다.
즉, △φ에 해당하는 성분이 무시된 결과이다.
공통 베이스 크로스-커플드 차동 발진기의 경우, 주파수가 0에 해당하는 DC 레벨에서 트랜지스터의 위상차가 0도로 시작해서 주파수에 따라 (-) 방향으로 증가하고, 공통 에미터 크로스-커플드 차동 발진기의 경우 위상차가 180도에서 시작하여 주파수에 따라 0도로 감소한다.
위상차가 180도가 되는 지점은 공통 에미터의 경우 DC 레벨이고 공통 베이스의 경우 900 GHz 근방으로 나타난다.
즉, △φ의 영향이 없는 경우 공통 에미터 구조의 발진기는 DC에서 발진이 일어나야 하고 공통 베이스 구조 발진기는 900 GHz에서 발진이 일어나야 한다.
하지만 DC에서는 발진이 날 수 없고 900 GHz에서는 트랜지스터의 이득이 1 이상이 되지 않기 때문에 두 경우 모두 발진 조건이 맞지 않는다. 여기서 △φ의 영향을 고려한다면, 도 3에 도시된 바와 같이 특정 주파수에서 △φ의 추가적인 위상차로 인해 180도 위상차 조건을 만족시킨다면 해당 주파수에서 발진이 일어난다.
이러한 조건은 대체로 트랜지스터 자체의 위상차가 180도인 주파수 근방에서 만족시키기 쉽기 때문에 △φ 성분이 비슷하다는 가정 하에 공통 베이스 구조 발진기가 공통 에미터 구조 발진기보다 더욱 높은 주파수에서 발진이 일어난다고 볼 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 베이스 크로스-커플드 차동 발진기, 도 4b는 공통 에미터 크로스-커플드 차동 발진기의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 공통 베이스 크로스-커플드 차동 발진기에서, 제1 컬렉터(C1) 및 제2 에미터(E2) 사이와, 제2 컬렉터(C2) 및 제1 에미터(E1) 사이에, 즉 크로스-커플드되는 경로상에 배치된 피드백 임피던스(Z1)가 제공된다
또한, 제1 베이스(B1) 및 제1 에미터(E1) 사이, 제2 베이스(B2) 및 제2 에미터(E2) 사이에 베이스-에미터 임피던스(Z2)가 제공된다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 피드백 임피던스는 인덕턴스(LF)와 커패시터(CF)가 직렬로 연결되며, 베이스-에미터 임피던스는 저항(rBE)과 커패시터(CBE)가 병렬로 연결된다.
나아가, 제1 컬렉터(C1)와 제1 베이스(B1) 사이와, 제2 컬렉터(C2)와 제2 베이스(B2) 사이에는 캐패시터(CCB)가 제공된다.
도 4d는 공통 베이스와 공통 에미터 크로스-커플드 차동 발진기의 등가회로이다.
도 4에서는 부하(Load)는 인덕터 LC와 그의 병렬 저항 RP, 그리고 트랜지스터를 포함하는 코어(core)에 트랜지스터의 기생 성분인 CCB와 Z2(CBE와 rBE의 병렬조합)가 상세하게 도시된다.
발진기의 동작원리는 바카우젠 조건 이외에 네거티브 컨덕턴스 -Gm으로 설명할 수 있다. 기본적으로 부하의 어드미턴스가 코어의 입력 어드미턴스의 네거티브와 같을 때 발진이 일어난다.
각각의 어드미턴스는 실수부와 허수부라 나눠질 수 있는데, 코어의 실수부가 부하의 실수부를 상쇄시켜줘야 발진 조건을 만족하게 되며 코어의 허수부와 부하의 허수부를 더했을 때 0이 되는 주파수가 발진 주파수가 된다.
따라서 코어의 실수부인 GIN(컨덕턴스)가 (-) 값을 가져야하며 그 절대값이 부하의 실수부인 1/2RP와 같거나 커야하고, 코어의 허수부인 BIN가 부하의 허수부 1/j2ωLC의 네거티브와 같아야 한다.
도 5는 도 4에서 1-port 분석을 통해 구한 코어의 컨덕턴스 GIN을 주파수의 함수로 나타낸 도면이다.
도 5a는 공통 베이스 크로스-커플드 구조 발진기에 관한 것이고, 도 5b는 공통 에미터 크로스-커플드 차동 발진기에 관한 도면이다.
각각의 경우, GIN이 100 GHz 근방에서 공진 현상이 나타나 공진 주파수를 기준으로 (+)와 (-) 값의 범위가 나눠진다.
분석의 정확도를 확인하기 위해 계산된 GIN이 시뮬레이션 결과와 비교되어 있는데 비슷한 추세를 보여주고 있다.
먼저 공통 베이스의 경우 GIN이 공진 주파수 위쪽으로 (-) 값을 보이고, 공통 에미터 구조는 공진 주파수 아래쪽으로 GIN이 (-) 값을 나타낸다. 즉, (-) 값을 가져야 발진 조건이 만족되는 GIN의 주파수 범위부터 공통 베이스 구조가 공통 에미터 구조보다 월등히 높다는 것을 알 수 있다.
도 6은 분석을 통해 구한 발진 주파수를 (a) LF, (b) CF, (c) LC의 함수로 나타낸 도면이다.
마찬가지로 계산된 결과가 시뮬레이션 결과와 비교되어 있는데 비교적 적은 오차를 보여줌으로써 분석의 정확도를 보장하고 있다. 그림들에서 확인할 수 있듯이, 공통 베이스 크로스-커플드 차동 발진기가 공통 에미터 크로스-커플드 차동 발진기보다 훨씬 높은 발진 주파수를 보이고 있다.
상기에서는 컬렉터, 베이스 및 에미터로 구성되는 트랜지스터에서 서로 다른 트랜지스터의 컬렉터 및 에미터가 교차 연결되는 구조를 설명하였으나, 이에 한정됨이 없이 드레인, 게이트 및 소스를 포함하는 MOSFET 구조의 트랜지스터에서도 게이트를 접지와 연결하고 서로 다른 트랜지스터의 드레인과 소스를 교차 연결하는 것도 본 발명의 범주에 포함될 수 있을 것이다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 고주파 신호 생성을 위한 공통 베이스 크로스-커플드 차동 발진기로서,
    부하로부터 전원 공급 전압을 받는 제1 컬렉터, 접지와 연결되는 제1 베이스 및 상기 제1 베이스와 연결되는 제1 에미터를 포함하는 제1 트랜지스터; 및
    상기 부하로부터 전원 공급 전압을 받는 제2 컬렉터, 접지와 연결되는 제2 베이스 및 상기 제2 베이스와 연결되는 제2 에미터를 포함하는 제2 트랜지스터를 포함하되,
    상기 제1 컬렉터 및 상기 제2 에미터가 교차 연결되고, 상기 제2 컬렉터 및 상기 제1 에미터가 교차 연결되는 공통 베이스 크로스-커플드 발진기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컬렉터 및 상기 제2 에미터 사이와, 상기 제2 컬렉터 및 상기 제1 에미터 사이에 각각 접속되는 피드백 임피던스 소자를 더 포함하는 공통 베이스 크로스-커플드 발진기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 베이스 및 제1 에미터 사이와, 상기 제2 베이스 및 상기 제2 에미터 사이에 접속되는 베이스-에미터 임피던스 소자를 더 포함하는 공통 베이스 크로스-커플드 발진기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컬렉터와 상기 제1 베이스 사이에 접속된 제1 캐패시터; 및
    상기 제2 컬렉터와 상기 제2 베이스 사이에 접속된 제2 캐패시터를 더 포함하는 공통 베이스 크로스-커플드 발진기.
  5. 고주파 신호 생성을 위한 공통 베이스 크로스-커플드 차동 발진기로서,
    부하로부터 전원 공급 전압을 받는 제1 드레인, 접지와 연결되는 제1 게이트 및 상기 제1 게이트와 연결되는 제1 소스를 포함하는 제1 트랜지스터; 및
    상기 부하로부터 전원 공급 전압을 받는 제2 드레인, 접지와 연결되는 제2 게이트 및 상기 제2 게이트와 연결되는 제2 소스를 포함하는 제2 트랜지스터를 포함하되,
    상기 제1 드레인 및 상기 제2 소스가 교차 연결되고, 상기 제2 드레인 및 상기 제1 소스가 교차 연결되는 공통 베이스 크로스-커플드 발진기.
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