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KR100988170B1 - 저잡음 전류원과 전압원이 구비된 전압제어발진기 - Google Patents

저잡음 전류원과 전압원이 구비된 전압제어발진기 Download PDF

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KR100988170B1
KR100988170B1 KR1020080018081A KR20080018081A KR100988170B1 KR 100988170 B1 KR100988170 B1 KR 100988170B1 KR 1020080018081 A KR1020080018081 A KR 1020080018081A KR 20080018081 A KR20080018081 A KR 20080018081A KR 100988170 B1 KR100988170 B1 KR 100988170B1
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low noise
resistor
voltage
terminal
source
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이정철
황명운
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(주)에프씨아이
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Publication date
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Abstract

본 발명은 전압제어발진기(Voltage Controlled Oscillator: VCO)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저잡음 전류원의 경로에 미러링 트랜지스터를 연결하여 저잡음 전류원의 저잡음 특성을 그대로 이용함으로써 전압원의 저잡음 특성을 구현하고, 미러링 트랜지스터의 일 단자에 가변저항이 구비된 전압 분배기를 연결하여 전압제어발진기의 성능저하 없이 동조부에 기준 바이어스 전압을 공급할 수 있게 한 저잡음 전류원과 전압원이 구비된 전압제어발진기에 관한 것이다.
전압제어발진기, 저잡음 전류원, 저잡음 전압원, 버랙터

Description

저잡음 전류원과 전압원이 구비된 전압제어발진기{VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR HAVING LOW NOISE CURRENT SOURCE AND VOLTAGE SOURCE}
본 발명은 전압제어발진기(Voltage Controlled Oscillator: VCO)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저잡음 전류원의 경로에 미러링 트랜지스터를 연결하여 저잡음 전류원의 저잡음 특성을 그대로 이용함으로써 전압원의 저잡음 특성을 구현하고, 미러링 트랜지스터의 일 단자에 가변저항이 구비된 전압 분배기를 연결하여 전압제어발진기의 성능저하 없이 동조부에 기준 바이어스 전압을 공급할 수 있게 한 저잡음 전류원과 전압원이 구비된 전압제어발진기에 관한 것이다.
일반적으로, 전압제어발진기(VCO)는 동조부에 가해지는 입력전압에 의해 버랙터(Varactor)의 커패시턴스를 가변시켜 동조부의 공진주파수를 변화시키고, 그 공진주파수를 발진 및 증폭시켜 RF시스템에서 요구되는 발진주파수를 증폭시키는 모듈로서 RF송수신기에 널리 사용되고 있다.
이러한 종래의 전압제어발진기(VCO)는 도 2에 도시된 바와 같이, 입력전압에 의해 버랙터의 커패시턴스를 가변시켜 변경된 공진주파수를 발생시키는 동조부와, 다수의 모스트랜지스터가 구비되어 상기 동조부에서 발생된 공진주파수를 발진시키 는 부성저항부와, 상기 동조부에 입력전압을 공급하는 전원공급부를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 동조부는 제1 및 제2버랙터(VA1, VA2)의 일 단자가 상호 연결되고, 상기 제1 및 제2버랙터의 다른 일 단자에는 각각 제1 및 제2커패시터(C1, C2)가 연결되며, 상기 제1버랙터(VA1)와 제1커패시터(C1) 및 제2버랙터(VA2)와 제2커패시터(C2) 사이에는 각각 제1저항(R1)과 제2저항(R2)의 일 단자가 연결되어 구성된다.
그리고, 상기 제1버랙터(VA1)와 제2버랙터(VA2)의 연결 노드에는 제어주파수(Ftune)가 인가되고, 상기 제1저항(R1)과 제2저항(R2)의 다른 일 단자는 공통노드를 이루면서 전압원에 연결되어 기준 바이어스 전압(Vbias)이 입력되도록 구성된다.
상기 부성저항(negative resistance)부는 제1모스트랜지스터(MP1), 제2모스트랜지스터(MN1), 제3모스트랜지스터(MP1), 제4모스트랜지스터(MN2)로 구성된다. 이때, 상기 제1모스트랜지스터(MP1)와 제3모스트랜지스터(MP2)는 공통 일 단자가 전류원에 연결되어 기준전류를 공급받으며, 각 모스트랜지스터의 게이트가 다른 모스트랜지스터의 다른 일 단자에 교차 연결되어 구성된다.
또한, 상기 제2모스트랜지스터(MN1)와 제4모스트랜지스터(MN2)는 공통 일 단자가 접지전원에 연결되고, 각 모스트랜지스터의 게이트는 다른 모스트랜지스터의 다른 일 단자에 교차 연결되어 구성된다. 이때, 상기 제1모스트랜지스터(MP1)와 제 2모스트랜지스터(MN1)의 공통 연결단자, 또는 상기 제3모스트랜지스터(MP2)와 제4모스트랜지스터(MN2)의 공통 연결단자를 통하여 변경된 발진주파수가 출력된다.
상기 전원공급부는 상기 제1모스트랜지스터(MP1)와 제3모스트랜지스터(MP2)의 공통 일 단자에 연결되어 기준전류(IREF)를 공급하는 전류원과, 상기 제1저항(R1)과 제2저항(R2)의 공통 단자에 연결되어 기준 바이어스 전압(Vbias)을 공급하는 전압원으로 구성된다.
이때, 상기 전류원은 상기 부성저항부에서 발진되는 공진주파수의 잡음을 최소화 할 수 있도록 저잡음 특성을 구현하기 위해, 커런트 미러(current mirror)구조를 이루는 제5모스트랜지스터(MP3)와 제6모스트랜지스터(MP4)를 포함하여 구성되며, 상기 제5모스트랜지스터(MP3)와 제6모스트랜지스터(MP4)의 공통 게이트에 제3저항(R3)이 직렬 연결되고, 상기 제5모스트랜지스터(MP3)와 제6모스트랜지스터(MP4)의 일 단자가 상호 연결된 공통단자와, 상기 제3저항(R3)의 일 단자 사이에 제3커패시터(C3)가 연결된 RC필터가 구비된다.
그리고, 이와 같이 구성된 전류원은 제6모스트랜지스터(MP4)의 다른 일 단자가 상기 부성저항부를 이루는 제1 및 제3모스트랜지스터(MP1, MP2)의 공통 단자에 연결되어 기준전류(IREF)를 공급하게 된다.
그러나, 이와 같이 구성된 종래의 전압제어발진기(VCO)는 전류원은 저잡음 전류(low noise current)를 공급하기 위한 저잡음 구조를 구비하고 있지만, 전압원에 대한 저잡음 구조는 별도로 구비되지 않았다. 따라서, 전류원에 의해서 뿐만 아 니라, 전압원에 의해서 기준 바이어스 전압(Vbias)을 공급할 수 있기 위해서는 별도로 저잡음 특성을 구현할 수 있는 수단이 구비되어야 하였다.
그리고, 이와 같이 새로운 전압원이 구비되면서 저잡음 특성을 구현하기 위해서는 많은 면적이 요구되어 모듈의 소형화라는 기술적 추세에 반하게 되며, 새로운 저잡음 전압원(Low noise voltage source)은 구성이 복잡하여 구현하기 어렵고 제작시 비용이 크게 증가하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 저잡음 특성을 구현하기 위한 RC필터가 구비된 저잡음 전류원과 커런트 미러 구조를 이루는 미러링 트랜지스터를 커런트 경로에 의해 연결하여, 저잡음 전류원의 저잡음 특성을 공유할 수 있는 저잡음 전압원을 제공함으로써, 성능 저하 없이 면적을 최소화할 수 있게 한 저잡음 전류원과 전압원이 구비된 전압제어발진기를 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 저잡음 전류원과 전압원이 구비된 전압제어발진기는, 상호 연결된 제1버랙터와 제2버랙터, 각 버랙터의 일 단자에 각각 연결된 커패시터, 및 일 단자가 저잡음 전압원에 연결되어 기준 바이어스 전압이 입력되는 제1저항과 제2저항으로 이루어져, 입력전압에 의해 버랙터의 커패시턴스 값이 변하며 공진주파수를 발생시키는 동조부; 공통 일 단자가 저잡음 전류원에 연결되어 기준전류를 공급받으며 교차 연결된 제1모스트랜지스터와 제3모스트랜지스터, 및 공통 일 단자가 접지전원에 연결되고 교차 연결된 제2모스트랜지스터와 제4모스트랜지스터가 구비된 부성저항부; 기준전류를 공급하는 기준전류원과, 상기 기준전류원에 일 단자가 연결된 제5모스트랜지스터와, 상기 제1, 3모스트랜지스터의 공통 단자에 일 단자가 연결되고 상기 5모스트랜지스터와 커런트 미러 구조를 이루는 제6모스트랜지스터, 및 상기 제5, 6모스트랜지스터의 공통게이트와 다른 일 단자의 공통 노드에 각각 연결된 제3저항과 제3커패시터로 이루어진 RC필터가 구비된 저잡음 전류원; 및 상기 저잡음 전류원에 연결되는 커런트 경로를 형성하여 상기 기준전류원에 의해 기준 바이어스 전압을 생성하여 상기 동조부로 공급하는 저잡음 전압원을 포함하되, 상기 저잡음 전압원은, 상기 제6모스트랜지스터의 게이트에서 분기하는 커런트 경로에 의해 상기 제5모스트랜지스터와 공통게이트를 이루어 커런트 미러 구조를 형성하는 미러링 트랜지스터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
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또한, 본 발명에 따라, 상기 미러링 트랜지스터의 일 단자에 연결된 제4저항과, 상기 제4저항에 일 단자가 연결되고 다른 일 단자가 접지전원에 연결된 제5저항으로 구성되며, 상기 제4저항과 제5저항의 연결노드에서 상기 동조부의 제1 및 제2저항의 공통단자로 기준 바이어스 전압을 공급하는 경로가 형성된 전압분배부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 제5저항이 가변저항으로 구성되며, 상기 제4저항과 제5저항은 상기 저잡음 전류원에서 기준전류원(Iref)를 만들 때 필요한 저항과 프로세스 변이, 온도 변이 등이 동일한 타입의 저항으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 전압원의 저잡음 특성을 구현하기 위한 복잡한 회로적 구성요소의 추가 없이, 저잡음 전류원과 커런트 미러 구조를 이루는 미러링 트랜지스터에 의해 간단한 커런트 경로를 통하여 연결되어 저잡음 전압원이 저잡음 전류원의 RC필터를 공유하여 저잡음 특성을 구현함으로써, 면적 증가를 최소화하면서 전압제어발진기의 성능저하 없이 가변저항의 저항값 조절에 의해 원하는 전압을 용이하게 생성하여 공급할 수 있게 한 장점이 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 전류원과 전압원이 구비된 전압제어발진기는 도 1에 도시된 바와 같이, 입력전압에 의해 변경된 공진주파수를 발생시키는 동조부(100)와, 상기 동조부에서 발생된 공진주파수를 발진시키는 부성저항부와, 상기 부성저항부에 기준전류를 공급하는 저잡음 전류원(200)과, 상기 동조부에 기준 바이어스 전압을 공급하는 저잡음 전압원(300)을 포함하여 구성된다.
상기 동조부(100)는 상호 연결된 제1버랙터(VA1)와 제1버랙터(VA2), 상기 각 버랙터의 양 단자에 연결된 제1커패시터(C1)와 제2커패시터(C2), 및 일 단자가 공통노드를 이루면서 저잡음 전압원에 연결되어 기준 바이어스 전압(Vbias)이 입력되는 제1저항(R1)과 제2저항(R2)을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 제1버랙터(VA1)와 제2버랙터(VA2)는 입력전압에 따라 커패시턴스 값이 변하여 전압가변 커패시터의 기능을 하는 버랙터(Varactor)로서, 상기 제1버랙터(VA1)와 제2버랙터(VA2)는 일 단자가 상호 연결된 연결노드에 제어주파수(Ftune)가 인가되며, 상기 제1버랙터(VA1)의 다른 일 단자에는 제1커패시터(C1)의 일 단자 가 연결되고 상기 제2버랙터(VA2)의 다른 일 단자에는 제2커패시터(C2)의 일 단자가 연결되어 구성된다.
또한, 상기 제1버랙터(VA1)와 제1커패시터(C1)의 연결노드에는 상기 제1저항(R1)의 다른 일 단자가 연결되고, 상기 제2버랙터(VA2)와 제2커패시터(C2)의 연결노드에는 상기 제2저항(R2)의 다른 일 단자가 연결된다.
상기 부성저항부는 공통 일 단자가 저잡음 전류원(200)에 연결되어 기준전류(IREF)를 공급받는 제1모스트랜지스터(MP1)와 제3모스트랜지스터(MP2), 및 공통 일 단자가 접지전원에 연결된 제2모스트랜지스터(MN1)와 제4모스트랜지스터(MN2)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 제1모스트랜지스터(MP1)의 게이트는 제3모스트랜지스터(MP2)의 다른 일 단자에 연결되고, 상기 제3모스트랜지스터(MP2)의 게이트는 제1모스트랜지스터(MP1)의 다른 일 단자에 연결되어 서로 교차 연결된다. 또한, 상기 제2모스트랜지스터(MN1)의 게이트는 제4모스트랜지스터(MN2)의 다른 일 단자에 연결되고, 상기 제4모스트랜지스터(MN2)의 게이트는 상기 제2모스트랜지스터(MN1)의 다른 일 단자에 연결되어 서로 교차 연결된다.
그리고, 상기 제1모스트랜지스터(MP1)와 제2모스트랜지스터(MN1)의 공통 연결단자, 또는 상기 제3모스트랜지스터(MP2)와 제4모스트랜지스터(MN2)의 공통 연결단자를 통하여 상기 부하저항부에서 발진된 공진주파수가 출력된다. 또한, 이러한 두 공통 연결단자에 상기 제1, 2커패시터(C1, C2)의 다른 일 단자가 각각 연결된 다.
상기 저잡음 전류원(200)은 기준전류를 공급하는 기준전류원(IREF)과, 상기 기준전류원에 일 단자가 연결된 제5모스트랜지스터(MP3)와, 상기 제1모스트랜지스터(MP1)와 제3모스트랜지스터(MP2)의 공통 단자에 일 단자가 연결된 제6모스트랜지스터(MP4)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 제5모스트랜지스터(MP3)와 제6모스트랜지스터(MP4)는 커런트 미러(current mirror)구조를 이루어 상기 부성저항부에 기준전류를 공급하며, 상기 제5, 6모스트랜지스터(MP3, MP4)의 다른 일 단자는 서로 연결되어 전압전원에 연결된다. 또한, 상기 제5모스트랜지스터(MP3)와 제6모스트랜지스터(MP4)의 공통게이트에 제3저항(R3)이 연결되고, 상기 제5, 6모스트랜지스터(MP3, MP4)의 다른 일 단자가 서로 연결된 공통 노드와 상기 제3저항(R3)의 일 단자 사이에 제3커패시터(C3)가 연결되어 저잡음 특성을 구현하는 RC필터(210)가 형성된다.
상기 저잡음 전압원(300)은 상기 제5,6모스트랜지스터(MP3, MP4)의 공통게이트에 게이트 단자가 연결된 미러링 트랜지스터(MP5)와, 상기 미러링 트랜지스터(MP5)의 일 단자에 연결된 전압분배부를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 미러링 트랜지스터(MP5)는 상기 제6모스트랜지스터(MP4)의 게이트에서 분기하여 커런트 경로(current path)(310)를 형성하며, 다른 일 단자가 상기 제5모스트랜지스터(MP3)의 다른 일 단자와 공통노드를 이루며 전압전원에 연결되어, 상기 제5모스트랜지스터(MP3)와 커런트 미러 구조를 이루게 되며, 그에 따 라, 상기 저잡음 전류원(200)의 저잡음 특성을 위해 구비된 RC필터(210)의 저잡음 특성을 그대로 이용할 수 있게 된다.
상기 전압분배부는 상기 미러링(mirroring) 트랜지스터(MP5)의 일 단자에 연결된 제4저항(R4)과, 상기 제4저항(R4)에 일 단자가 연결되고 다른 단자가 접지전원에 연결된 제5저항(R5)으로 구성된다. 이때, 상기 제5저항(R5)은 저잡음 전압원에서 동조부로 공급하기 원하는 기준 바이어스 전압을 생성할 수 있도록 저항값을 변경할 수 있는 가변저항으로 구성된다. 그에 따라, 상기 저잡음 전압원(300)에서 공급되는 기준 바이어스 전압은 제4저항(R4)과 제5저항(R5)의 저항비에 의해 용이하게 구현할 수 있게 된다.
상기 제5저항(R5)의 값을 조절하여 만들어진 기준 바이어스 전압은 제4저항(R4)과 제5저항(R5)의 연결 노드에서 상기 동조부의 제1,2저항(R1, R2)의 공통단자로 공급하도록 연결된다. 그에 따라, 상기 가변저항의 전압준위가 저잡음 전압원(300)에서 공급하고자 하는 기준 바이어스 전압으로 결정되고, 그 기준 바이어스 전압이 동조부에 인가된다.
이때, 상기 저잡음 전압원(300)에 구비된 제4저항(R4)과 제5저항(R5)은 상기 저잡음 전류원(200)의 기준전류원(Iref)를 만들 때 필요한 저항과 프로세스 변이(process variation), 온도 변이(temperature variation) 등이 동일한 타입의 저항으로 구성되어, 프로세스 및 온도의 변이에 둔감하게 작용할 수 있게 하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 상기 저잡음 전압원은 저잡음 특성을 구현하기 위한 별도의 회로적 구성요소 없이 커런트 경로(310)의 연결에 의해 저잡음 전류원에 구비된 RC필터를 공유할 수 있게 하여 면적의 증가를 최소화 할 수 있으며, 저잡음 전류원의 기준전류를 이용하여 기준 바이어스 전압을 생성함으로써 전압제어발진기의 성능저하 없이 저잡음 전압원을 구현할 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 본 발명에 따른 저잡음 전류원과 전압원이 구비된 전압제어발진기의 회로도,
도 2는 종래 전압제어발진기의 회로도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 - 동조부 200 - 저잡음 전류원
210 - RC필터 300 - 저잡음 전압원
310 - 커런트 경로

Claims (5)

  1. 상호 연결된 제1버랙터와 제2버랙터, 각 버랙터의 일 단자에 각각 연결된 커패시터, 및 일 단자가 저잡음 전압원에 연결되어 기준 바이어스 전압이 입력되는 제1저항과 제2저항으로 이루어져, 입력전압에 의해 버랙터의 커패시턴스 값이 변하며 공진주파수를 발생시키는 동조부;
    공통 일 단자가 저잡음 전류원에 연결되어 기준전류를 공급받으며 교차 연결된 제1모스트랜지스터와 제3모스트랜지스터, 및 공통 일 단자가 접지전원에 연결되고 교차 연결된 제2모스트랜지스터와 제4모스트랜지스터가 구비된 부성저항부;
    기준전류를 공급하는 기준전류원과, 상기 기준전류원에 일 단자가 연결된 제5모스트랜지스터와, 상기 제1, 3모스트랜지스터의 공통 단자에 일 단자가 연결되고 상기 5모스트랜지스터와 커런트 미러 구조를 이루는 제6모스트랜지스터, 및 상기 제5, 6모스트랜지스터의 공통게이트와 다른 일 단자의 공통 노드에 각각 연결된 제3저항과 제3커패시터로 이루어진 RC필터가 구비된 저잡음 전류원; 및
    상기 저잡음 전류원에 연결되는 커런트 경로를 형성하여 상기 기준전류원에 의해 기준 바이어스 전압을 생성하여 상기 동조부로 공급하는 저잡음 전압원을 포함하되,
    상기 저잡음 전압원은,
    상기 제6모스트랜지스터의 게이트에서 분기하는 커런트 경로에 의해 상기 제5모스트랜지스터와 공통게이트를 이루어 커런트 미러 구조를 형성하는 미러링 트랜지스터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저잡음 전류원과 전압원이 구비된 전압제어발진기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 미러링 트랜지스터의 일 단자에 연결된 제4저항과, 상기 제4저항에 일 단자가 연결되고 다른 일 단자가 접지전원에 연결된 제5저항으로 구성되며, 상기 제4저항과 제5저항의 연결노드에서 상기 동조부의 제1 및 제2저항의 공통단자로 기준 바이어스 전압을 공급하는 전압분배부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저잡음 전류원과 전압원이 구비된 전압제어발진기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제5저항은 가변저항으로 구성되는 것을 특징으로 하는 저잡음 전류원과 전압원이 구비된 전압제어발진기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제4저항과 제5저항은 상기 저잡음 전류원에서 기준전류원(Iref)을 만들 때 필요한 저항과 프로세스 변이, 온도 변이 등이 동일한 타입의 저항으로 구성되 는 것을 특징으로 하는 저잡음 전류원과 전압원이 구비된 전압제어발진기.
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