KR20050033145A - Low power frequency tunable oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 주파수 조절이 가능한 저전압 발진회로에 관한 것으로, 특히 칩 내부의 주파수 변환소자의 변환계수를 고정하여 주파수 영향을 차단하고, 아울러 칩 외부의 전압값을 변환시켜 원하는 주파수를 변환시키도록 하는 회로를 제공하는 것을 특징으로 하는 주파수 조절이 가능한 저전압 발진회로에 관한 것이다.The present invention relates to a low voltage oscillation circuit capable of frequency control, and in particular, a circuit for blocking frequency influence by fixing a conversion coefficient of a frequency conversion element inside a chip, and converting a desired frequency by converting a voltage value outside the chip. It relates to a low-voltage oscillator circuit capable of adjusting the frequency, characterized in that to provide.
일반적으로 외부에서 입력 신호가 없어도 임의의 신호 파형을 발생시키는 발진회로는 증폭 회로에서 출력의 일부를 입력측에 정궤환시킴으로써 발진이 발생하게 되는데, 그 방식에는 사인파형을 발생시키는 것과 비사인파형을 발생하는 것의 두 가지로 구분될 수 있다.In general, an oscillation circuit that generates an arbitrary signal waveform even when there is no input signal from the outside generates oscillation by forwarding a part of the output to the input side in the amplification circuit, which generates a sine wave and a nonsine wave. It can be divided into two things.
또한 발진 회로에서 전기적인 지속 진동을 발생하는 발진기는 발진을 일으키는 형식에 따라 자려 발진기나 수정 발진기, 또 발진 출력 파형에 따라 정현파 발진기, 구형파 발진기, 펄스 발진기 등, 발진 주파수에 따라 저주파 발진기, 고주파 발진기로 분류되어 진다. 여기서 상기 수정 발진기는 피에조 효과를 갖는 수정의 기계적 공진에 의하여 주파수가 결정되는 발진기이다.In addition, the oscillator that generates electric continuous vibration in the oscillator circuit can be driven according to the type of oscillation.The oscillator or crystal oscillator can be used. Classified as Here, the crystal oscillator is an oscillator whose frequency is determined by the mechanical resonance of the crystal having a piezo effect.
또한 종래에는 가변 주파수의 출력 주파수를 조정하기 위하여 전압에 따라 캐패시턴스가 가변되는 바렉터 다이오드를 이용하여 발진기의 공진 주파수를 변화시킴으로써 원하는 출력 주파수를 얻는 방법을 사용하였다.In addition, conventionally, in order to adjust the output frequency of the variable frequency, a method of obtaining a desired output frequency by changing the resonant frequency of the oscillator using a varistor diode whose capacitance varies with voltage is used.
한편, 최근의 전자제품들은 휴대용 용도로 인하여, 저전압으로의 동작이 필수적이다.On the other hand, due to the portable use of modern electronic products, operation at low voltage is essential.
따라서 클럭 발생회로 역시 가능하면, 저전압으로 동작시키는 것이 필요하다.Therefore, the clock generation circuit is also required to operate at a low voltage if possible.
또한, 발진회로의 주파수 조절이 가능하도록 외부에서 C나 R로써, 주파수의 조절이 가능하여야 한다.In addition, the frequency of the oscillator circuit should be able to adjust the frequency by C or R from the outside.
기존의 기법들은 대부분 RC 발진회로를 사용하였는데, 주파수 조절을 위하여 칩의 외부에서 R이나 C값의 조절이 필수적이다.Most of the existing techniques used the RC oscillator circuit, and it is necessary to adjust the R or C value outside the chip to adjust the frequency.
이때 칩 내부에서는 보통 수백에서 수 피코페럿의 캐패시턴스를 갖는 캐패시터를 만들게 되는데, 주파수 조절을 하기 위하여 외부에 특정한 노드를 PAD(칩 위의 전기인출단자; 이하에서 PAD로 표기하기로함)로 연결하게 되면 이미 5 - 10피코페럿의 캐패시턴스가 추가되어 C값이 많이 틀어지게 된다.At this time, inside the chip, a capacitor having a capacitance of several hundred to several picoferads is usually made. When the external node is connected to a PAD (electrical drawing terminal on the chip; Already 5 to 10 picoperet of capacitance has been added, causing a large C value change.
따라서, 이를 방지하기 위하여, PAD 캐패시턴스 값이 무시될 수 있도록 내부에 수십 피코 단위의 C를 사용하여 발진회로를 구성하게 되면, 큰 캐패시턴스 값을 충전 및 방전하기 위해서 소모되는 전력이 증가하게 되어 저전압을 필요로 하는 집접회로에 적용하기 어렵다.Therefore, in order to prevent this, when the oscillation circuit is configured by using C several tens of pico units inside so that the PAD capacitance value can be ignored, the power consumed to charge and discharge the large capacitance value is increased to lower the voltage. It is difficult to apply to the required integrated circuit.
아래에 기존의 RC 발진기의 회로의 예를 들어보고 문제점을 예로써 설명하도록 한다.Below is an example of a circuit of a conventional RC oscillator and the problem is described as an example.
도 1의 경우는 OPamp를 사용한 전형적인 발진기이다.1 is a typical oscillator using an OPamp.
상기 회로에서 a번 노드나 b번 노드에 저항(R)을 추가하여 추가되는 저항(R)과 PAD 캐패시터에 의하여 주파수가 변하게 되는데 문제는 보통 PAD 캐패시턴스 값이 5피코페럿(㎊) 정도이고, 내부의 캐패시턴스의 값이 수백 피코패럿임을 가정할 때 추가되는 캐패시턴스 값이 너무 커서 주파수에 큰 영향을 끼치며 이렇게 추가되는 캐패시터를 충전 및 방전하기 위해서 사용되는 파워소모 역시 커지게 되어 바람직하지 않게 된다.In the circuit, the frequency is changed by the resistor (R) and the PAD capacitor added by adding a resistor (R) to the node a or the node b. The problem is that the PAD capacitance value is about 5 picoperot, and the internal Assuming that the capacitance of is several hundred picofarads, the added capacitance value is so large that it has a big influence on the frequency, and the power consumption used to charge and discharge these additional capacitors is also undesirably large.
결국 내부 캐패시터를 수십 피코패럿 정도로 크게 하여 설계를 하면 칩의 면적이 커지게 되고 또한 내부의 파워 소모도 증가하게 되는 것이다.As a result, designing an internal capacitor larger than tens of picofarads increases the area of the chip and increases the internal power consumption.
다른 발진기의 경우도 위의 경우와 마찬가지로 비슷한 문제로 인하여, 주파수 조절이 가능하면서 동시에 저전력의 목표 두가지를 모두 만족시키기는 어렵다.In the case of other oscillators, the same problem as in the above case, it is difficult to meet both of the target of low power and at the same time adjustable frequency.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결코자 하는 것으로, 칩 내부의 주파수 변환계수를 고정하고, 칩 외부의 전압값을 변환시켜 원하는 주파수를 변환시키도록 하는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a technique for fixing a frequency conversion coefficient inside a chip and converting a desired frequency by converting a voltage value outside the chip.
상기 목적을 달성하기 위한 수단으로,As a means for achieving the above object,
본 발명은 소정의 발진 주파수를 출력하는 증폭기(10)와; 상기 증폭기(10)의 출력을 반전 증폭하는 제 1 인버터(20)와; 상기 제 1 인버터(20)의 출력을 정귀환하여 스위치의 작동에 의해 비반전단자로 입력하며 하부전압을 설정하여 주파수를 결정하는 제 2 기준전압 인가부(30)와; 상기 제 1 인버터(20)의 출력을 반전 증폭하는 제 2 인버터(40)와; 상기 제 2 인버터(40)의 출력을 정귀환하여 스위치의 작동에 의해 비반전단자로 입력하며 상부전압을 설정하여 주파수를 결정하는 제 1 기준전압 인가부(50)와; 상기 제 2 인버터(40)의 출력을 반전단자로 연결하되 충방전에 의하여 주파수의 발진주기를 결정하는 RC 회로부(60)로 이루어짐이 특징이다.The present invention provides an amplifier (10) for outputting a predetermined oscillation frequency; A first inverter (20) for inverting and amplifying the output of the amplifier (10); A second reference voltage applying unit 30 for positively returning the output of the first inverter 20 and inputting the non-inverting terminal by the operation of a switch and setting a lower voltage to determine a frequency; A second inverter 40 inverting and amplifying the output of the first inverter 20; A first reference voltage applying unit (50) for positively returning the output of the second inverter (40) and inputting it to a non-inverting terminal by operation of a switch and setting an upper voltage to determine a frequency; The output of the second inverter 40 is connected to the inverting terminal, characterized in that consisting of the RC circuit unit 60 to determine the oscillation period of the frequency by charging and discharging.
또한, 상기 제 1 기준전압 인가부(50)와 제 2 기준전압 인가부(30)는 저항값을 조절하여 진폭을 조절하도록 저항을 직렬 연결한 것이 특징이다. In addition, the first reference voltage applying unit 50 and the second reference voltage applying unit 30 is characterized in that the resistor is connected in series to adjust the amplitude by adjusting the resistance value.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First of all, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals are used as much as possible even if displayed on different drawings. In addition, in the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
본 발명의 핵심적인 특징은 간접적으로 주파수를 조절할 수 있도록 하는데 있다.A key feature of the present invention is to enable indirect frequency adjustment.
즉, 내부 캐패시터와 저항을 이용하여 기준 주파수를 설정한 다음 외부의 저항수단을 이용하여 증폭기에 제공되는 전압값을 적절히 변경함으로써 결국 원하는 주파수를 외부에서 적절하게 조절할 수 있도록 한 것이다.That is, the reference frequency is set by using an internal capacitor and a resistor, and then, by appropriately changing the voltage value provided to the amplifier by using an external resistance means, the desired frequency can be appropriately adjusted from the outside.
도 2는 본 발명의 회로 구성도이고, 도 3은 본 발명의 발진기 회로의 각 노드 파형도로써, 도 3a는 Vcom의 파형도, 도 3b는 1번 노드의 파형도, 도 3c는 2번 노드의 파형도, 도 3d는 3번 노드의 파형도이다.Figure 2 is a circuit diagram of the present invention, Figure 3 is a waveform diagram of each node of the oscillator circuit of the present invention, Figure 3a is a waveform diagram of Vcom, Figure 3b is a waveform diagram of node 1, Figure 3c is a node 2 Is a waveform diagram of node 3;
도시한 바와 같이, 본 발명은 신호를 증폭하는 증폭기(10)와, 이를 반전출력하는 제 1 인버터(20)와, 이를 다시 재반전출력하는 제 2 인버터(40)와, 전압값을 변경하여 주파수를 조절하는 제 1 기준전압 인가부(50) 및 제 2 기준전압 인가부(30)와, 충방전에 의해서 주파수를 결정하는 RC 회로부(60)로 이루어진다.As shown, the present invention is an amplifier 10 for amplifying a signal, a first inverter 20 for inverting and outputting it, a second inverter 40 for re-inverting and outputting it again, the voltage value by changing the frequency The first reference voltage applying unit 50 and the second reference voltage applying unit 30 to adjust the, and the RC circuit unit 60 to determine the frequency by charging and discharging.
상기 증폭기는 소정의 발진 주파수를 출력하게 되며, 상기 제 1 인버터(20)는 증폭기로부터 출력된 신호를 반전 증폭한다.The amplifier outputs a predetermined oscillation frequency, and the first inverter 20 inverts and amplifies the signal output from the amplifier.
그리고, 반전 증폭된 신호는 정귀환하여 제 2 기준전압 인가부(30)를 통해 비반전단자로 입력되어 하부전압의 설정에 따른 주파수의 결정을 유도한다. The inverted and amplified signal is positively fed back to the non-inverting terminal through the second reference voltage applying unit 30 to induce determination of the frequency according to the setting of the lower voltage.
또한, 상기 제 1 인버터(20)의 출력은 제 2 인버터(40)에 의해서 반전증폭되고, 상기에서 출력된 신호는 제 1 기준전압 인가부(50)로 정귀환하여 스위치의 작동에 의해 비반전단자로 입력되며, 상부전압을 설정하여 주파수를 결정짓는 역할을 하도록 한다.In addition, the output of the first inverter 20 is inverted and amplified by the second inverter 40, and the output signal is positively returned to the first reference voltage applying unit 50, the non-inverting terminal by the operation of the switch It is inputted as, and sets the upper voltage to determine the frequency.
또한, 상기 제 2 인버터를 통과한 신호는 RC 회로부(60)를 거치면서 충방전되어 주파수의 발진주기를 결정토록 한다.In addition, the signal passing through the second inverter is charged and discharged through the RC circuit unit 60 to determine the oscillation period of the frequency.
이와 같이 구성된 본 고안의 주파수 발진기는 입력측에서 불규칙한 잡음 성분이 발생하게 되고 이것이 증폭기(10)의 입력단으로 인가되어 소정 레벨로 증폭된 후 출력단으로 출력되고 재차 궤환되어 최대 기준전압으로 증폭되고 이러한 과정으로 반복함으로써 일정한 레벨의 발진 주파수가 출력되는 것이다.The frequency oscillator of the present invention configured as described above generates an irregular noise component at the input side, which is applied to the input terminal of the amplifier 10, amplified to a predetermined level, output to the output terminal, and fed back to the maximum reference voltage. By repeating, a constant level oscillation frequency is output.
이 과정에서 출력 주파수는 무한히 증폭되는 것이 아니고 상기 증폭기(10)가 포화 상태(saturation status)인 최고전압에서 정지한다. In this process, the output frequency is not infinitely amplified and the amplifier 10 stops at the highest voltage at saturation status.
동작을 설명하면, 먼저 Vout이 하이일 때를 생각하면, 제 1 기준전압 인가부(50, Vref1)가 Vcom에 연결된다(도 3a에 파형을 도시함).Referring to the operation, when first considering the time Vout is high, the first reference voltage applying unit 50 (Vref1) is connected to Vcom (shown in FIG. 3A).
또한 1번 노드는 R*C 시정수를 갖는 파형으로 제 1 기준전압(Vref1)까지 높아지게 된다(도 3b에 도시함). 이때 발생되는 파형은 1번 노드가 제 1 기준전압(Vref) 이상으로 될 때 까지 계속 높아지게 되며, 제 1 기준전압(Vref1)을 통과하게 되면 2번 노드는 로우로 떨어지게 되고(도 3c에 도시함), 3번 노드는 하이가 되어 Vout은 로우로 떨어지게 된다(도 3d에 도시함).In addition, node 1 is a waveform having an R * C time constant and is raised to the first reference voltage Vref1 (shown in FIG. 3B). The waveform generated at this time is continuously increased until node 1 becomes equal to or greater than the first reference voltage Vref, and node 2 drops low when the node passes the first reference voltage Vref1 (as shown in FIG. 3C). Node 3 becomes high, and Vout falls low (shown in FIG. 3D).
이때 Vcom은 제 2 기준전압(Vref2)값으로 바뀌게 되고, 1번 노드는 제 2 기준전압(Vref2)까지 R*C의 시정수를 갖는 파형으로 떨어지게 되며, 제 2 기준전압(Vref2)이하로 떨어지는 순간 2번 노드는 다시 하이로 높아지게 된다.At this time, Vcom is changed to the value of the second reference voltage Vref2, and node 1 drops to a waveform having a time constant of R * C until the second reference voltage Vref2, and falls below the second reference voltage Vref2. At the moment, node 2 goes high again.
이러한 동작으로 발진기는 발진하게 된다.This action causes the oscillator to oscillate.
즉, 제 1 기준전압 인가부(50)는 상부전압을 결정짓고, 제 2 기준전압 인가부(30)는 하부전압을 결정지어 RC 회로부(60)와 연동하여 주파수가 결정되게 되는바, 제 1 기준전압 인가부(50)와 제 2 기준전압 인가부(30)의 전압폭이 크게 되면 기본적으로 진폭이 커지고, 주파수는 낮아지게 되며, 반대로 제 1 기준전압 인가부(50)와 제 2 기준전압 인가부(30)의 전압폭이 작게 되면 진폭이 낮아지고, 주파수는 높아지게 된다.That is, the first reference voltage applying unit 50 determines the upper voltage, and the second reference voltage applying unit 30 determines the lower voltage so that the frequency is determined in conjunction with the RC circuit unit 60. When the voltage widths of the reference voltage applying unit 50 and the second reference voltage applying unit 30 are increased, the amplitude is large and the frequency is lowered. On the contrary, the first reference voltage applying unit 50 and the second reference voltage are increased. If the voltage width of the application unit 30 is small, the amplitude is lowered, the frequency is increased.
상기 제 1 기준전압 인가부(50)와 제 2 기준전압 인가부(30)의 전압 변경은 저항값을 변경하면 가능한바, 이를 위해 본 발명에서는 저항을 직렬로 연결하여 제공되는 전압값중 비교적 높은 전압값이 제 1 기준전압 인가부(50)를 통해 증폭기(10)에 제공되도록 하고, 비교적 낮은 전압값이 제 2 기준전압 인가부(30)를 통해 증폭기(10)에 제공되도록 하였다.The voltage change of the first reference voltage applying unit 50 and the second reference voltage applying unit 30 is possible by changing the resistance value. For this purpose, in the present invention, a relatively high voltage value is provided by connecting resistors in series. The voltage value is provided to the amplifier 10 through the first reference voltage applying unit 50, and a relatively low voltage value is provided to the amplifier 10 through the second reference voltage applying unit 30.
결국, 주파수를 결정짓는 방법은 R*C의 시정수를 변화시켜서 가능하고, 다른 방법으로는 제 1 기준전압 인가부(50)의 전압(Vref1)과 제 2 기준전압 인가부(30)의 전압(Vref2)을 변화시켜 결정할 수 있으며, 본원발명을 이용하게 되면 PAD 캐패시터의 영향에 의하여 주파수가 변동되는 것을 막기 위하여 기본적으로 RC값을 결정하여 고정시키고, 이후 제 1 및 제 2 기준전압 인가부(50, 30)의 전압값을 변경시켜 간접적으로 주파수를 조절토록 한다.As a result, a method of determining the frequency is possible by changing the time constant of R * C. Alternatively, the voltage Vref1 of the first reference voltage applying unit 50 and the voltage of the second reference voltage applying unit 30 can be determined. It can be determined by changing (Vref2), and by using the present invention, the RC value is basically determined and fixed to prevent the frequency from being changed by the influence of the PAD capacitor, and then the first and second reference voltage applying units ( Change the voltage value of 50, 30) to adjust the frequency indirectly.
본 발명의 다른 실시예로서, Vref1및 Vref2의 조절을 하여 주파수를 변동시킬 수 있으므로, PLL에 들어가는 VCO(Voltage Controlled Oscillator)에도 적용이 가능하다.As another embodiment of the present invention, since the frequency can be changed by adjusting Vref1 and Vref2, the present invention can also be applied to a voltage controlled oscillator (VCO) entering a PLL.
상술한 바와 같이 본 발명은 기존의 VCO와 같이 전압이 변화하여 주파수가 변화하는 것이 아닌 저항값을 변화시켜 주파수를 변동하기 때문에 기존의 VCO에 비하여 회로도 간단하고, 내부 캐패시터 및 저항값으로 원하는 주파수를 맞추어 놓았기 때문에 매우 작은 캐패시터를 사용하여, 캐패시터를 충전 및 방전하는 파워소모도 없어, 저전력의 발진기 설계가 가능하다.As described above, the present invention has a simpler circuit than the conventional VCO because the present invention changes the frequency by changing the resistance value rather than the voltage by changing the voltage, so that the desired frequency can be set by the internal capacitor and the resistance value. Because of this, very small capacitors are used, and there is no power consumption for charging and discharging the capacitors, thereby enabling a low power oscillator design.
또한, 파워소모 효과를 보면 OPamp 하나의 파워소모만 생각하면 되므로 10uA 정도의 전류로 구동이 가능하다는 장점이 있으며, 동시에 주파수 조절 기능이 있어 원하는 주파수로 튜닝이 가능하다.In addition, the power consumption effect has the advantage that it can be driven with a current of about 10uA only need to consider a single power consumption of the OPamp, and at the same time the frequency control function can be tuned to the desired frequency.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 설명과 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위 내에 속하는 그러한 수정 및 변형은 포함한 것으로 판단할 수 있다.Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred description, various other modifications and variations may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the appended claims may be determined to include such modifications and variations as fall within the true scope of the invention.
도 1은 일반적인 발진기 회로 구성 실시예도.1 is a configuration diagram of a typical oscillator circuit.
도 2는 본 발명의 발진기 회로 구성도.2 is a configuration diagram of an oscillator circuit of the present invention.
도 3은 본 발명의 발진기 회로의 각 노드 파형도로써,3 is a waveform diagram of each node of the oscillator circuit of the present invention.
도 3a는 Vcom의 파형도.3A is a waveform diagram of Vcom.
도 3b는 1번 노드의 파형도.3B is a waveform diagram of node 1;
도 3c는 2번 노드의 파형도.3C is a waveform diagram of node 2;
도 3d는 3번 노드의 파형도.3D is a waveform diagram of node 3;
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10: 증폭기10: amplifier
20: 제 1 인버터20: first inverter
30: 제 2 기준전압 인가부30: second reference voltage application unit
40: 제 2 인버터40: second inverter
50: 제 1 기준전압 인가부50: first reference voltage application unit
60: RC 회로부60: RC circuit part
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2003
- 2003-10-06 KR KR1020030069103A patent/KR20050033145A/en active IP Right Grant
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