KR102022386B1

KR102022386B1 - 저전력 IoT 디바이스용 RC딜레이형 VCO모듈

Info

Publication number: KR102022386B1
Application number: KR1020170181692A
Authority: KR
Inventors: 이원영
Original assignee: 서울과학기술대학교 산학협력단
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2019-09-18
Also published as: KR20190079762A

Abstract

본 발명에서는 종래 IoT디바이스를 구동하기 위해서는 클럭신호가 반드시 필요하며, IoT디바이스 유휴상태에도 동작을 하므로 전기소비가 발생되지만, 클럭 공급회로의 저전력 설계가 미비한 문제점을 개선하고자, 클럭공급회로가 RC딜레이형 VCO(Voltage Controlled Oscillater)모듈(100)로 구성됨으로서, 대기상 또는 사용상에서 IoT 디바이스를 저전력으로 구동시킬 수 있어, 같은 전력을 사용하면서 고주파 생성이 가능하고, 기존에 비해 80% 향상된 절전효과를 제공할 수 있으며, 다양한 IoT 디바이스에서 요구하는 주파수 범위에 맞는 VCO의 주파수 가변 범위를 맞춤형으로 설정할 수 있고, 주파수 제어 입력 전압에 잡음이 타고 들어오는 위상 잡음에 대한 선형성을 기존에 비해 1.5배~2배 향상시킬 수 있고, 전원 및 기판 잡음에 대한 면역성을 기존에 비해 70% 향상시킬 수 있는 저전력 IoT 디바이스용 RC딜레이형 VCO모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

저전력 IoT 디바이스용 RC딜레이형 VCO모듈{THE MODULE OF VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR WITH LOW POWER}

본 발명은 통신센서회로, 연산처리회로, 데이터저장회로, 클럭공급회로로 이루어진 IoT 디바이스에 형성되어, 클럭공급회로가 RC딜레이형 VCO(Voltage Controlled Oscillater)모듈을 통해 저전력으로 클럭을 생성시킬 수 있는 저전력 IoT 디바이스용 RC딜레이형 VCO모듈에 관한 것이다.

IoT 디바이스의 저전력 특성은 중용한 성능 지표중 하나이다.

IoT 디바이스는 크게 통신/센서회로, 연산처리회로, 데이터저장회로, 클럭공급회로로 구성된다.

IoT디바이스를 구동하기 위해서는 클럭신호가 반드시 필요하며, 이 회로는 디바이스 유휴상태에도 동작을 한다.

따라서, 저전력IoT 디바이스 설계를 위해서 클럭 공급회로의 저전력 설계가 절실히 필요하다.

국내공개특허공보 제10-2015-0090937호

상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는

대기상 또는 사용상에서 IoT 디바이스를 저전력으로 구동시킬 수 있고, 다양한 IoT 디바이스에서 요구하는 주파수 범위에 맞는 VCO의 주파수 가변 범위를 맞춤형으로 설정할 수 있는 저전력 IoT 디바이스용 RC딜레이형 VCO모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 저전력 IoT 디바이스용 RC딜레이형 VCO모듈은

통신센서회로, 연산처리회로, 데이터저장회로, 클럭공급회로로 이루어진 IoT 디바이스로 이루어지고,

상기 클럭공급회로는 주파수제어 입력 전압에 따라 변하는 주파수의 정현파 또는 구형파 신호를 발생시키는 RC딜레이형 VCO(Voltage Controlled Oscillater)모듈(100)을 통해 저전력으로 클럭을 생성시키도록 구성됨으로서 달성된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는

첫째, 대기상 또는 사용상에서 IoT 디바이스를 저전력으로 구동시킬 수 있어, 같은 전력을 사용하면서 고주파 생성이 가능하고, 기존에 비해 80% 향상된 절전효과를 제공할 수 있다.

둘째, 다양한 IoT 디바이스에서 요구하는 주파수 범위에 맞는 VCO의 주파수 가변 범위를 맞춤형으로 설정할 수 있어 호환성이 우수하다.

셋째, 주파수 제어 입력 전압에 잡음이 타고 들어오는 위상 잡음에 대한 선형성을 기존에 비해 1.5배~2배 향상시킬 수 있다.

넷째, 전원 및 기판 잡음에 대한 면역성을 기존에 비해 70% 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 저전력 IoT 디바이스용 RC딜레이형 VCO모듈(100)의 구성요소를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 RC딜레이형 VCO(Voltage Controlled Oscillater)모듈(100)의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 3은 본 발명에 따른 RC딜레이형 VCO(Voltage Controlled Oscillater)모듈의 구성요소를 도시한 회로도,
도 4는 본 발명에 따른 단일 딜레이(Delay) 스테이지셀의 구성요소를 도시한 회로도,
도 5는 본 발명에 따른 저전력 IoT 디바이스용 RC딜레이형 VCO모듈을 동일한 단일 딜레이(Delay) 스테이지셀로 이루어진 VCO모듈에 폴(pole)/영점보상(zero compensation)을 위해 적용한 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 저전력 IoT 디바이스용 RC딜레이형 VCO모듈이 2.7GHz의 클럭을 생성한다고 했을 때, 기존 VCO 대비 24%의 전력소모이득이 있음을 일실시예로 나타낸 그래프.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 저전력 IoT 디바이스용 RC딜레이형 VCO모듈(100)의 구성요소를 도시한 구성도에 관한 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 RC딜레이형 VCO(Voltage Controlled Oscillater)모듈(100)의 구성요소를 도시한 블럭도에 관한 것으로, 이는 통신센서회로(1a), 연산처리회로(1b), 데이터저장회로(1c), 클럭공급회로(1d)로 이루어진 IoT 디바이스(1)에 있어서, 상기 클럭공급회로(1d)는 주파수제어 입력 전압에 따라 변하는 주파수의 정현파 또는 구형파 신호를 발생시키는 RC딜레이형 VCO(Voltage Controlled Oscillater)모듈(100)을 통해 저전력으로 클럭을 생성시키도록 구성된다.

상기 RC딜레이형 VCO(Voltage Controlled Oscillater)모듈(100)은 +입력부와 -출력부에 차동 증폭기, 저항과 캐패시터를 직렬로 연결한 단일 딜레이(Delay) 스테이지셀이 복수개의 차동구조로 형성되어, 출력 중에서 한군데 다음 단에 연결할 때 서로 바꾸어주는 교차연결을 통해 전류원의 크기에 따라 클럭을 생성시키도록 구성된다.

이는 주파수 합성 또는 클록 복원에 일반적으로 사용되는 위상잠금루프(PLL, Phase Locked Loop)의 핵심블록 중 하나이다.

그리고, 주파수의 가변범위 및 선형성의 특징을 가진다.

VCO의 주파수 가변 범위는 공정 파라미터의 변동 및 동작 온도의 변화를 고려하여 모든 경우에서 시스템에서 요구하는 주파수 범위를 충족시켜야 한다.

VCO의 변환 이득이 커야 주파수 가변 범위가 넓으나 주파수 제어 입력 전압에 잡음이 타고 들어오는 경우에는 위상 잡음을 증가시키는 부작용이 있다.

선형성은 바람직한 위상잠금루프의 과도 응답 특성(settling)을 위해 필요하다.

또한, 출력파워 및 진폭의 안정성을 갖는다.

즉, 출력 파워가 클수록 잡음 특성은 개선되지만 전력 소모가 증가하므로 적절한 타협점(tradeoff)이 필요하다.

발진 주파수를 변화시켜도 진폭의 변화가 최소화되어야 한다.

또한, 전원 및 기판 잡음에 대한 면역성을 갖는다.

전원배선은 다른 회로와 공유하기 때문에 다른 회로에 공급하는 전류의 시간적 변화에 따라 배선에 의한 전압 강하가 변하기 때문에 VCO에 공급되는 전압이 흔들리게 된다.

이를 전원잡음이라 하고, 전원 배선을 분리하는 방법과 커패시터를 삽입하여 디커플링하는 방법등을 사용한다.

또한 VCO와 같은 기판 위에 다른 회로가 집적되는 경우 소스나 드레인 영역의 전위가 변하면 기판과의 커패시턴스를 통하여 기판에 전류가 흐르게 되고 이에 따라 기판의 전위가 위치에 따라 다른값으로 시간에 따라 변하게 된다.

기판 전위의 변화는 다시 커패시턴스를 통하여 다른 소스타 드레인의 전위에 영향을 주게되며 이를 기판 잡음이라 한다.

보통 레이아웃시 VCO 둘레를 가드링으로 에워싸거나 공정에서 허용하면 deep n well을 사용하기도 한다.

전원 및 기판 잡음에 대한 영향을 줄이려면 동상모드로 타고 들어오는 잡음을 배척하는 차동구조로 구성된다.

상기 RC딜레이형 VCO(Voltage Controlled Oscillater)모듈(100)은 도 3에 도시한 바와 같이, 5개의 단일 딜레이(Delay) 스테이지셀(110)로 이루어진 5채널로 구성된다.

상기 RC딜레이형 VCO(Voltage Controlled Oscillater)모듈은 사용목적과 용도에 따라 5채널이외에도, 6채널, 7채널, 8채널, 10채널, 20채널로 이루어진다.

여기서, 단일 딜레이(Delay) 스테이지셀(110)은 도 4에 도시한 바와 같이, 입력부인 CLK, CLKB와 출력부인 OUT, OUTB가 R,C소자로 연결되어, 회로의 대역폭을 결정하는 폴(pole)의 위치를 고주파쪽으로 변경시키도록 구성된다.

이처럼, 본 발명에서는 입력부인 CLK, CLKB와 출력부인 OUT, OUTB 사이에 R,C소자로 연결되어 구성됨으로서, 대역폭 확장 효과, 같은 전력을 사용하면서 고주파 생성이 가능하고, 적은 전력을 사용해서 목표 주파수 생성이 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 RC딜레이형 VCO(Voltage Controlled Oscillater)모듈(100)은 발진주파수 제어부(120)가 포함되어 구성된다.

상기 발진주파수 제어부(120)는 차동증폭기 일측에 차동 증폭기에 사용하는 PMOS 부하를 선형 영역에서 동작시키고, 제어 전압을 게이트에 가하여 부하 저항을 바꾸어줘서 RC 지연을 조절하여 발진 주파수를 제어시키는 역할을 한다.

이처럼, 본 발명에 따른 발진주파수 제어부(120)가 구성됨으로서, 다양한 IoT 디바이스에서 요구하는 주파수 범위에 맞는 VCO의 주파수 가변 범위를 맞춤형으로 설정할 수 있어 호환성이 우수한 효과를 갖는다.

이하, 본 발명에 따른 단일 딜레이(Delay) 스테이지셀로 이루어진 VCO모듈의 주파수 특성에 관해 설명한다.

상기 단일 딜레이(Delay) 스테이지셀의 +입력부와 -출력부 관계를 측정하는 경우, 위상이 0도가 되는 지점이 VCO 출력의 주파수가 결정되는 지점이다.

즉, VCO모듈이 발진하기 위해서는 위상이 반전되어 입력되어야 하고, +입력부와 -출력부를 측정하는 경우는 -180도가 된다.

도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 저전력 IoT 디바이스용 RC딜레이형 VCO모듈을 동일한 단일 딜레이(Delay) 스테이지셀로 이루어진 VCO모듈에 폴(pole)/영점보상(zero compensation)을 위해 적용함으로써 동작주파수가 약 29% 증가함을 알 수가 있다.

이하, 본 발명에 따른 저전력 IoT 디바이스용 RC딜레이형 VCO모듈의 전력소모특성에 관해 설명한다.

일예로, 본 발명에 따른 저전력 IoT 디바이스용 RC딜레이형 VCO모듈이 2.7GHz의 클럭을 생성한다고 했을 때, 기존 VCO 대비 24%의 전력소모이득이 있다.

도 6에 도시한 바와 같이, 기존이 12.94mW이고, 본 발명에 따른 VCO모듈이 9.83mW이므로, 기존 VCO 대비 24%의 전력소모이득이 있다.

100 : RC딜레이형 VCO(Voltage Controlled Oscillater)모듈
110 : 단일 딜레이(Delay) 스테이지셀
120 : 발진주파수 제어부

Claims

통신센서회로, 연산처리회로, 데이터저장회로, 클럭공급회로로 이루어진 IoT 디바이스에 있어서,
상기 클럭공급회로는 주파수제어 입력 전압에 따라 변하는 주파수의 정현파 또는 구형파 신호를 발생시키는 RC딜레이형 VCO(Voltage Controlled Oscillater)모듈(100)을 통해 저전력으로 클럭을 생성시키도록 구성되는 저전력 IoT 디바이스용 RC딜레이형 VCO모듈에 있어서,
상기 RC딜레이형 VCO(Voltage Controlled Oscillater)모듈(100)은
+입력부와 -출력부, -입력부와 + 출력부로 이루어진 차동 증폭기가 각각 저항, 캐패시터와 병렬로 연결되는 단일 딜레이(Delay) 스테이지셀(110) 복수개가 직렬로 차동구조를 이루도록 형성되어, 단일 딜레이(Delay) 스테이지셀(110)이 순차적으로 입력과 출력이 서로 반복되는 교차연결을 통해 전류원의 입력과 출력 여부에 따라 클럭을 생성시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 저전력 IoT 디바이스용 RC딜레이형 VCO모듈.
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제1항에 있어서, 상기 단일 딜레이(Delay) 스테이지셀(110)은
+입력부인 CLK가 저항, 캐패시터 소자를 통해 -출력부인 OUTB와 연결되고, +입력부인 CLKB가 저항, 캐패시터 소자를 통해 -출력부인 OUT과 연결되어, 회로의 대역폭을 결정하는 폴(pole)의 위치를 고주파쪽으로 변경시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 저전력 IoT 디바이스용 RC딜레이형 VCO모듈.
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