자동 진폭 제어 기능을 갖는 전압 제어 발진기{VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR HAVING FUNCTION OF AUTO AMPLITUDE CONTROL}

도 1은 종래의 전압 제어 발진기를 도시한 회로도이다.

도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 자동 진폭 제어 기능을 갖는 전압 제어 발진기를 도시한 회로도이다.

*본 발명의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 전압 제어 발진부 20: 자동 진폭 제어부

11: 공진회로 21: 피크 검출기

22: 저대역 통과필터 23: 기준전압원

24: 비교기

본 발명은 자동 진폭 제어 기능을 갖는 전압 제어 발진기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전류원을 사용하지 않고 대신 액티브 부하를 채용하여 상기 액티브 부하에 의해 이득을 조정함으로써 전류원에 의한 위상 잡음을 제거하여 우수한 위상 잡음 특성을 갖는 자동 진폭 제어 기능을 갖는 전압 제어 발진기에 관한 것이다.

최근, 활발히 개발되고 있는 디지털 멀티미디어 방송을 비롯한 다양한 무선 응용 서비스에 사용되는 무선 기기에서, 수신 신호를 복조 가능한 저주파 신호로 주파수 변환하고 송신 신호를 고주파의 신호로 주파수 변환하는데 이용되는 국부 발진 회로는 넓은 발진 주파수 범위와 함께, 발진 주파수 근방에서 낮은 위상 잡음이 요구된다. 특히, 아날로그 방송과는 달리 디지털 방송은 문턱치 이하의 신호에서 영상을 출력할 수 없게 되며 그 기준은 주파수 영역에서 위상 잡음으로 판단할 수 있게 된다. 따라서, 아날로그 방송 수신 시스템과는 달리 디지털 방송 수신 시스템에서는 높은 수준의 위상 잡음 특성을 요구하고 있다.

이러한 위상 잡음은 수신 시스템 중 특히 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator: VOC)의 성능에 의해 큰 영향을 받게 되므로, 이 전압 제어 발진기에 의한 위상 잡음을 최대한 감소시키는 것이 전체 수신 시스템의 위상 잡음을 최소화 하는데 큰 비중을 차지한다.

도 1은 종래의 자동 진폭 제어(Auto Amplitude Control: AAC) 기능을 갖는 전압 제어 발진기를 도시한 회로도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 자동 진폭 제어 기능을 갖는 전압 제어 발진기는 크게 전압 제어 발진부(100)와 자동 진폭 제어부 (200)로 이루어진다.

상기 전압 제어 발진부(100)는, 두 개의 출력단(out1, out2) 사이에 연결된 인덕터(L) 및 서로 직렬 연결되어 상기 두 출력단(out1, out2) 사이에 연결된 두 개의 가변 캐패시터(C1, C2)로 이루어진 공진회로(110)와, 게이트(gate)와 드레인(drain)이 서로 접속되고 각 드레인이 상기 두 출력단에 각각 연결된 두 개의 트랜지스터(N1, N2)로 이루어진 차동 증폭 회로(120) 및 상기 두 트랜지스터(N1, N2)의 소스(source)와 접지 사이에 연결된 전류원(Is)을 포함한다. 이 종래의 전압 제어 발진기는, 상기 트랜지스터(N1, N2)에 의한 포지티브 피드백 회로의 네가티브 저항 특성을 이용한 발진회로로서, 상기 두 개의 가변 캐패시터(C1, C2) 사이에 컨트롤 전압(V _ctl )이 인가되어 가변 캐패시터(C1, C2)의 용량을 제어함으로써 공진 주파수가 결정되며, 상기 공진 회로(110)에 의한 공진 신호는 트랜지스터(N1, N2)의 게이트에 입력되므로써 두 출력단(out1, out2)에서 서로 180°의 위상차를 갖는 발진신호를 얻을 수 있다.

또한, 자동 진폭 제어부(200)는, 상기 전압 제어 회로부(110)의 두 출력단(out1, out2)에서 출력되는 두 발진 신호를 입력받아 각각의 피크를 검출하여 정류하는 피크 검출기(210)와 상기 피크 검출기(210)의 정류된 신호를 입력받아 직류 전압으로 변환 출력하는 저대역 통과 필터(220) 및 상기 저대역 통과 필터(220)의 출력 직류 전압과 사전 설정된 기준 전압(Vref)을 비교하여 그 비교한 결과를 출력하는 비교기(240)를 포함한다.

이와 같은 구성을 갖는 종래의 자동 진폭 제어 기능을 갖는 전압 제어 발진기는 전압 제어 발진기의 출력 레벨(진폭)을 조정하기 위해, 상기 비교기(240)에 의해 출력된 값을 이용하여 전압 제어 발진부(110)의 전류원(Is)의 트랜스 컨덕턴스(g _m )를 조절한다. 즉, 저대역 통과 필터(220)의 출력 직류 전압이 기준 전압(Vref)보다 작을 경우에는, 트랜스 컨덕턴스(g _m )을 증가시켜 이득을 증가시킴으로써 전압 제어 발진기의 출력 레벨을 높이고, 저대역 통과 필터(220)의 출력 직류 전압이 기준 전압(Vref)보다 클 경우에는, 트랜스 컨덕턴스(g _m )을 감소시켜 이득을 감소시킴으로써 전압 제어 발진기의 출력 레벨을 떨어뜨린다.

그러나, 이와 같은 종래의 자동 진폭 제어 기능을 갖는 전압 제어 발진기는, 상기 전류원(Is)으로 유입되는 잡음 및 상기 전류원(Is)으로부터 상기 트랜지스터(N1, N2)의 스위칭 시에 전달되는 여러가지 형태의 잡음들에 의해 위상 잡음이 증가하게 되는 문제점을 갖는다.

또한, 상기 전류원(Is)에 의한 위상 잡음 증가 문제를 해소하기 위해 전류원을 이용하지 않는 전압 제어 발진부를 구성한 경우에는, 전류원의 트랜스 컨덕턴스를 이용하여 이득을 제어하는 종래의 자동 진폭 제어부를 적용할 수 없는 문제점이 발생하게 된다.

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은, 종래의 전압 제어 발진부에 채용하였던 전류원을 제거하고, 그 대신 액티브 부하를 채용함으로써, 종래의 트랜스 컨덕턴스를 제어하는 대신 부하의 저항값을 조정하여 이득을 제어하는 자동 진폭 제어 기능을 갖는 전압 제어 발진기를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 기술적 구성으로서, 본 발명은,

컨트롤 전압에 의해 공진 주파수가 결정되어 공진 신호를 생성하는 공진회로와, 상기 공진회로의 공진 신호를 피드백하여 서로 180°의 위상차를 갖는 두 개의 발진신호를 생성하여 두 개의 출력단으로 출력하는 차동 증폭 회로와, 상기 차동 증폭 회로에서 생성되는 상기 발진신호의 이득을 제어하는 액티브 부하를 포함하는 전압 제어 발진부; 및

상기 두 개의 발진신호를 입력받아 각각의 피크를 검출하여 정류하는 피크 검출기와, 상기 피크 검출기의 정류된 신호를 입력받아 직류 전압으로 변환 출력하는 저대역 통과 필터와, 상기 저대역 통과 필터의 출력 직류 전압과 사전 설정된 기준 전압을 비교하여 그 비교한 결과에 따라 상기 액티브 부하의 저항값을 제어하는 제어 전압을 출력하는 비교기를 포함하는 자동 진폭 제어부를 포함하여,

상기 저대역 통과 필터의 출력 직류 전압이 사전 설정된 기준 전압보다 작은 경우, 상기 비교기는 상기 액티브 부하의 저항값을 증가시키는 제어 전압을 출력하 여 상기 차동 증폭 회로에서 생성되는 상기 발진신호의 이득을 증가시키고, 상기 저대역 통과 필터의 출력 직류 전압이 사전 설정된 기준 전압보다 큰 경우, 상기 비교기는 상기 액티브 부하의 저항값을 감소시키는 제어전압을 상기 차동 증폭 회로에서 생성되는 상기 발진신호의 이득을 감소시키는 것을 특징으로 하는 자동 진폭 제어 기능을 갖는 전압 제어 발진기를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 상기 공진회로는, 상기 두 개의 출력단 사이에 연결된 인덕턴스와, 상기 두 개의 출력단 사이에 연결되며 상기 컨트롤 전압에 의해 캐패시턴스 값이 변동되는 가변 캐패시터로 이루어진 병렬 공진회로이다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 상기 차동 증폭 회로는, 상기 두 출력단에 드레인이 각각 연결되고, 게이트와 드레인이 서로 접속되며, 소스가 접지된 두 개의 트랜지스터를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 두 개의 트랜지스터는 동일한 n채널 MOSFET인 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 상기 액티브 부하는, 상기 두 출력단에 드레인이 각각 연결되고, 소스가 전원에 연결되고, 게이트가 서로 연결된 두 개의 트랜지스터를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 두 트랜지스터의 게이트로 상기 자동 진폭 제어부 내 비교기의 제어전압이 입력된다. 상기 두 개의 트랜지스터는 동일한 p채널 MOSFET인 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 상기 자동 진폭 제어부는, 임의의 기준 전압을 생성하는 기준 전압원을 더 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 자동 진폭 제어 기능을 갖는 전압 제어 발진기를 도시한 회로도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 자동 진폭 제어 기능을 갖는 전압 제어 발진기는 크게 전압 제어 발진부(10)와 자동 진폭 제어부(20)로 이루어진다.

상기 전압 제어 발진부(10)는, 컨트롤 전압(V _ctl )에 의해 공진 주파수가 결정되어 공진 신호를 생성하는 공진회로(11)와, 상기 공진회로(11)의 공진 신호를 피드백하여 서로 180°의 위상차를 갖는 두 개의 발진신호를 생성하여 두 개의 출력단(out1, out2)으로 출력하는 차동 증폭 회로(12)와, 상기 차동 증폭 회로(12)의 이득을 제어하는 액티브 부하(P1, P2)를 포함한다.

더욱 구체적으로 설명하면, 상기 공진회로(11)는, 두 개의 출력단(out1, out2) 사이에 연결된 인덕턴스(L)와, 상기 두 개의 출력단(out1, out2) 사이에 연결되며 상기 컨트롤 전압(V _ctl )에 의해 캐패시턴스 값이 변동되는 가변 캐패시터(C1, C2)로 이루어진 병렬 공진회로이다. 상기 컨트롤 전압(V _ctl )은 서로 직렬 연결된 가변 캐패시터(C1, C2)의 연결 노드에 인가될 수 있다.

상기 차동 증폭 회로(12)는, 상기 두 출력단(out1, out2)에 드레인이 각각 연결되고, 게이트와 드레인이 서로 접속되며, 소스가 접지된 두 개의 트랜지스터(N1, N2)를 구비한다. 이 때, 상기 두 개의 트랜지스터(N1, N2)는 서로 동일한 n채널 MOSFET인 것이 바람직하다.

상기 액티브 부하(P1, P2)는, 상기 두 출력단(out1, out2)에 드레인이 각각 연결되고, 소스가 전원에 연결되고, 게이트가 서로 연결된 두 개의 트랜지스터(P1, P2)를 구비한다. 상기 두 트랜지스터(P1, P2)의 게이트로 자동 진폭 제어부(20) 내 비교기(24)의 제어전압이 입력되어 그 부하의 저항값이 조정된다. 이 때, 상기 두 개의 트랜지스터(P1, P2)는 동일한 p채널 MOSFET(P1, P2)인 것이 바람직하다.

상기 자동 진폭 제어부(20)는, 상기 전압 제어 발진부(10)의 두 출력단(out1, out2)에서 출력되는 두 개의 발진신호를 입력받아 각각의 피크를 검출하여 정류하는 피크 검출기(21)와, 상기 피크 검출기(21)의 정류된 신호를 입력받아 직류 전압으로 변환 출력하는 저대역 통과 필터(22)와, 상기 저대역 통과 필터(22)의 출력 직류 전압과 사전 설정된 기준 전압(Vref)을 비교하여 그 비교한 결과에 따라 상기 전압 제어 발진부(10) 내의 액티브 부하(P1, P2)의 저항값을 제어하는 제어 전압을 출력하는 비교기(24)를 구비한다.

더하여, 상기 자동 진폭 제어부(20)는, 임의의 기준 전압(Vref)을 생성하는 기준 전압원(23)을 더 포함한다. 상기 기준 전압원(23)은 시스템의 요구 조건 등에 따라 사용자의 설정에 의해 임의의 값으로 조정된 기준 전압을 생성할 수 있다.

이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 자동 진폭 제어 기능을 갖는 전압 제어 발진기의 작용을 도 2를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

먼저, 상기 발진회로(10) 내의 상기 두 개의 가변 캐패시터(C1, C2) 사이에 컨트롤 전압(V _ctl )이 인가되어 가변 캐패시터(C1, C2)의 용량을 제어함으로써 주파수가 결정된 공진신호가 생성된다. 한편, 상기 차동 증폭 회로(12)는 두 개의 n채널 MOSFET(N1, N2)이 서로 궤환되어 차동 형태의 네가티브(negative) 저항을 구현하고 있다. 따라서, 상기 발진회로(10)에서 생성된 공진신호의 주파수를 f ₀ 라 하면, 차동 형태의 네가티브(negative) 저항을 구현하는 차동 증폭 회로(12)의 출력단(전압 제어 발진부의 출력단)(out1, out2)에서는 각각 f ₀ 의 주파수를 가지고 서로 180°의 위상차를 갖는 발진신호가 발생된다. 종래에는, 상기 차동 증폭 회로(12)의 이득을 제어하기 위해 n채널 MOSFET의 소스에 공통으로 연결된 전류원(도 1의 Is)을 사용하였으나, 본 발명에서는 전류원을 사용하지 않고, 상기 두 개의 n채널 MOSFET(N1, N2)의 각 소스는 공통으로 접지된다. 본 발명은 전류원에 의해 이득을 제어하지 않으며, 하기에 더욱 상세하게 설명되는 액티브 부하(P1, P2)에 의해 이득이 제어되는 특징을 갖는다.

이와 같이 생성된 두 개의 발진신호는 자동 진폭 제어부(20)의 피크 검출기(21)에 입력된다. 상기 피크 검출기(21)는 각 발진신호의 피크를 검출하여, 포지티브값의 신호만으로 이루어진 정류된 형태의 신호를 생성한다. 상기 전압 제어 발진부(10)의 출력단에서 출력되는 발진신호의 주파수를 f ₀ 라 하면, 상기 피크 검출기(21)에 의해 정류된 신호는 2f ₀ 의 주파수를 갖게 된다.

이어, 상기 피크 검출기(21)에 의해 f ₀ 의 주파수를 갖는 정류된 신호는 저역 통과 필터(22)로 입력되어, 상기 정류된 신호의 피크부를 서로 잇는 것과 같은 형태의 직류 전압으로 변환된다.

이어, 기준 전압원(23)에서 사전 결정된 임의의 기준 전압(Vref)과 상기 저대역 통과 필터(22)에서 출력되는 직류 전압을 비교기(24)에서 비교하여 그 비교된 결과에 따른 제어전압을 출력한다.

상기 비교기(24)에서 출력되는 제어전압은, 상기 저대역 통과 필터의 액티브 부하(P1, P2)의 저항값을 제어하는데 이용된다. 상기 액티브 부하의 저항값을 제어함으로써 차동 증폭기의 이득을 제어할 수 있다. 상기 이득은 하기 식 1과 같이 표현될 수 있다.

[식 1]

(Av: 이득, g _m : 트랜스 컨덕턴스, R _d : 부하의 저항값)

종래의, 자동 진폭 제어 기능을 갖는 전압 제어 발진기는 상기 식 1에서 트랜스 컨덕턴스인 g _m 을 제어하여 이득을 조정한 반면, 본 발명에서는 g _m 을 제어할 수 있는 전류원을 제거하였으므로, 부하 저항값인 R _d 를 조정함으로써 이득을 제어하게 된다.

예를 들어, 상기 저대역 통과 필터(22)의 출력 직류 전압이 사전 설정된 기준 전압(Vref)보다 작은 경우, 상기 비교기(24)는 상기 액티브 부하의 저항값을 증가시키는 제어 전압을 출력하여 상기 차동 증폭 회로(12)에서 생성되는 상기 발진신호의 이득을 증가시킨다. 반대로, 상기 저대역 통과 필터(22)의 출력 직류 전압이 사전 설정된 기준 전압(Vref)보다 큰 경우, 상기 비교기(24)는 상기 액티브 부하(P1, P2)의 저항값을 감소시키는 제어전압을 출력하여 상기 차동 증폭 회로(12)에서 생성되는 상기 발진신호의 이득을 감소시킨다. 이와 같이 이득을 증감시킴으로써 출력되는 발진신호의 출력 스윙, 즉 발진신호의 진폭을 원하는 크기로 제어할 수 있게 된다. 상기 기준 전압(Vref)을 적절하게 조정함으로써 발진신호의 진폭을 원하는 크기로 제어할 수 있게 되는 것이다.

본 실시형태에서와 같이, 상기 액티브 저항이, 상기 전압 제어 발진부(10)의 두 출력단(out1, out2)에 드레인이 각각 연결되고, 소스가 전원(Vdd)에 연결되고, 게이트가 서로 연결된 두 개의 p채널 MOSFET으로 이루어진 경우에, 상기 비교기(24)는 다음과 같이 동작한다. 상기 저대역 통과 필터(22)의 출력 직류 전압이 사전 설정된 기준 전압(Vref)보다 작은 경우, 상기 두 개의 p채널 MOSFET(P1, P2)의 게이트 전압을 증가시켜 상기 두 개의 p채널 MOSFET(P1, P2)의 저항값을 증가시킴으로써 상기 차동 증폭기의 이득을 증가시키고, 상기 저대역 통과 필터(22)의 출력 직류 전압이 사전 설정된 기준 전압(Vref)보다 큰 경우, 상기 두 개의 p채널 MOSFET(P1, P2)의 게이트 전압을 감소시켜 상기 두 개의 p채널 MOSFET(P1, P2)의 저항값을 감소시킴으로써 상기 차동 증폭기의 이득을 감소시키게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 진폭 제어 기능을 갖는 전압 제어 발진기는, 전류원을 사용하지 않음으로써, 전류원에 의해 유입되는 노이즈 성분에 의한 위상잡음을 감소시키면서도, 자동 진폭 제어부를 이용하여 효과적으로 전압 제어 발진기의 출력 스윙(출력되는 발진신호의 진폭)을 제어할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 종래의 전압 제어 발진부에 채용하였던 전류원을 제거한 대신 액티브 부하를 적용하여 그 저항값을 조정함으로써, 출력되는 발진신호의 진폭을 효과적으로 제어할 수 있으며, 전류원에 의해 유입되는 노이즈 성분에 의한 위상잡음을 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 전류원을 이용하지 않음으로써 전류원에 의한 전압 소모를 절감함으로써 저전압 응용분야에 적합한 효과가 있다.