차동 피드백을 가지는 차동 전압 제어 발진기{DIFFERENTIAL VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR HAVING DIFFERENTIAL FEEDBACK}

도 1은 종래 기술에 따른 인버터 타입 차동 VCO를 예시한 것이다.

도 2a 및 도 2b는 종래 기술에 따른 피드백을 가진 인버터를 예시한 것이다.

도 3은 종래 기술에 따른 차동쌍 타입 차동 VCO를 예시한 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 피드백을 가지는 인버터 타입 차동 VCO를 예시한 것이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 피드백을 가지는 차동쌍 타입 차동 VCO를 예시한 것이다.

도 6은 도 1의 차동 VCO와 도 4의 차동 VCO에 대해 각각 모의 실험한 결과이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

41 : 차동 지연단 42 : 차동 피드백 회로

43 : 래치 회로 51 : 차동 증폭기

52 : 차동 피드백 회로

전압 제어 발진기에 관한 것으로서, 특히 속도를 증가시킨 전압 제어 발진기에 관한 것이다.

전압 제어 발진기(VCO, Voltage Controlled Oscillator)는 주로 위상 고정 루프(PLL, Phase Locked Loop)에 사용된다. PLL은 일반적으로 위상-주파수 검출기, 차지 펌프, 루프 필터 및 전압 제어 발진기로 구성되는데, 일정한 주파수와 같이 어떤 특성을 가진 전압 신호를 생성할 수 있다. 생성되는 신호의 주파수의 상한선은 상기 PLL을 구성하는 구성 요소 중 VCO에 가장 큰 영향을 받는다고 할 수 있다. 속도가 더 빠른, 즉 신호의 상승 시간 및 하강 시간이 더 짧은 VCO를 이용하면 더 높은 주파수의 신호를 생성할 수 있다.

한편, 동일한 차지 펌프 구조라면 VCO의 속도가 빠를수록 차지 펌프에 주는 부담이 적다. 따라서, VCO의 속도를 높이는 것이 중요하다.

도 1은 종래 기술에 따른 인버터 타입 차동 VCO를 예시한 것이다. 도 1을 참조하면, 상기 인버터 타입 차동 VCO는 홀수개의 인버터로 이뤄진 두 개의 링을 가지고, 상하의 인버터가 차동쌍(11)을 이루며, 두 개의 인버터를 이용한 래치 회로(12)로 상기 두 개의 링을 연결한 형태를 가지고 있다. 각각의 인버터 링은 소정의 지연 셀인 인버터로 구성되어 독자적으로도 발진할 수 있으나, 상기 래치 회로에 의해 결국 서로 반대의 위상을 가진 신호의 형태로 발진한다. 인버터가 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 인버터인 경우에는 일반적으로 PMOS(P-type MOS)의 풀업(pull-up) 성능이 낮기 때문에 VCO의 속도를 제한하는 요 소가 된다.

도 2a 및 도 2b는 종래 기술에 따른 피드백을 가진 인버터를 예시한 것이다. 도 2a를 참조하면, 제어 전압 Vc으로 저항 값이 제어되는 가변저항을 이용하여 피드백 루프를 구성한 CMOS 인버터이다. 상기 가변저항은 게이트에 제어 전압 Vc이 연결된 NMOS로 구현할 수 있다.

제어 전압이 낮을 때에는 가변저항의 저항치가 높으며, 따라서 피드백 이득이 작다. 상기 인버터는 피드백을 갖지 않을 때보다 발진 신호의 주파수나 상승/하강 속도는 약간 증가하고 진폭은 약간 줄어든다. 제어 전압이 높아지면 가변저항의 저항치가 낮아지고, 피드백 이득은 커진다. 이 경우, 상기 인버터는 피드백 이득이 작을 때보다 발진 신호의 주파수나 상승/하강 속도가 더 증가하고 진폭은 더 줄어든다. 제어 전압이 더 높아져서 피드백 이득이 더 커지면 발진이 더 이상 일어나지 않을 수 있다.

도 2b를 참조하면, 피드백 소자는 전송 게이트(transmission gate)의 형태를 가지고 있으며, 각 게이트는 전압 전원에 연결되어 있다.

피드백을 가지는 인버터는 도 2a의 경우와 유사하게 발진 신호의 주파수나 상승/하강 속도가 증가하고 진폭은 줄어든다. 이때, 피드백 이득은 인버터 전원 전압에 의해 제어되므로 피드백을 포함한 인버터의 전체적인 이득은 전송게이트에 인가되는 제어전압 즉 전원 전압의 변화에도 불구하고 거의 일정하다. 그러나, 전송게이트의 경우 공정 변화로 인해 설계된 대로 피드백 이득의 양을 얻지 못하면 발진이 일어나지 않을 수 있다. 따라서, 상기 인버터와 같은 지연 셀에 직접 피드백 경로를 구성하는 것보다 공정 변화에 대해 안정적인 피드백 방법이 필요하다.

도 3은 종래 기술에 따른 차동쌍 링 타입 차동 VCO를 예시한 것이다. 도 3을 참조하면, 지연 셀을 차동쌍(31)으로서 구현한 링 타입 차동 VCO이다. 각 차동쌍의 바이어스 전류를 조절함으로써 각 차동쌍의 게인이 조절되고, 각 차동쌍의 출력 전압의 상승 시간 또는 하강 시간이 조절되어, 결과적으로 지연 시간이 조절된다. 상기 루프 필터의 출력인 제어 전압에 의해 상기 바이어스 전류가 조절되도록 구성하면 PLL에서 VCO로 사용할 수 있다. 차동쌍 링타입 VCO의 경우, 인버터 링 타입 VCO과는 달리 짝수개의 지연 셀로 구성될 수 있는데, 예를 들어 4개의 지연 셀로 구성된 VCO는 π/2의 위상별로 출력을 생성할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 목적은 지연 시간이 작은 차동 피드백 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 고속 차동 전압 제어 발진기를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 차동 전압 제어 발진기는 다수의 차동 지연단이 루프 형태로 연결되어, 제어전압에 따라 발진하는 링 발진부 및 상기 차동 지연단의 차동 출력 신호들을 각각 반전하여 상기 차동 지연단의 각 차동 입력으로 피드백하는 피드백 회로를 포함한다.

상기 피드백 회로는 상기 차동 지연단 중 일부 또는 전부의 차동 지연단에 각각 적용될 수 있다. 상기 피드백 회로는 상기 제어전압을 공급받아 상기 제어전압에 응답하여 피드백 양이 조절될 수도 있고, 상기 제어전압에 독립된 전원전압을 공급받아 상기 전원전압에 응답하여 피드백 양이 고정될 수도 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르는 차동 피드백 전압 제어 발진기는 링 발진기, 래치회로 및 피드백 회로를 포함한다. 이때, 상기 링 발진기는 각각 차동 입력단과 차동 출력단을 가지는 인버터 쌍으로 구성된 홀수개의 차동 지연단들이 루프 형태로 연결되고, 제어전압의 레벨에 응답하여 주파수가 가변되는 발진신호들을 최종 지연단의 차동 출력단에서 생성한다. 상기 래치 회로는 상기 최종 지연단의 차동 출력단 사이에 연결되어 상기 발진 신호들이 서로 반대 위상을 갖도록 한다. 상기 피드백 회로는 상기 차동 지연단의 차동 출력단과 차동 입력단 사이에 각각 연결된 한 쌍의 피드백 인버터를 가진다.

상기 피드백 회로는 상기 차동 지연단 중 일부 또는 전부의 차동 지연단에 각각 적용될 수 있다. 상기 피드백 회로는 상기 제어전압을 공급받아 상기 제어전압에 응답하여 피드백 양이 조절될 수도 있고, 상기 제어전압에 독립된 전원전압을 공급받아 상기 전원전압에 응답하여 피드백 양이 조절될 수도 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르는 차동 피드백 전압제어 발진기는 차동 전압 제어 발진기 및 피드백 차동 증폭기를 포함한다. 상기 차동 전압 제어 발진기는, 차동 입력단과 차동 출력단을 가지고 종속 연결된 다수의 차동 증폭기들로 구성되며, 상기 차동증폭기들 중 최종 차동증폭기의 포지티브 출력이 최초 차동 증폭기의 네가티브 입력단으로 연결되고, 상기 최종 차동 증폭기의 네가티브 출력이 상기 최초 차동증폭기의 포지티브 입력단으로 연결되고, 상기 차동증폭기들의 바이어스 전압의 레벨 변동에 응답하여 가변되는 주파수를 가진 차동 발진신호를 발생한 다. 상기 피드백 차동 증폭기는 상기 어느 차동 증폭기의 차동 출력을 입력받아 각각 반대 위상을 갖도록 만들어 상기 차동 증폭기의 차동 입력단에 피드백한다.

이때, 상기 피드백 차동 증폭기는 상기 차동 증폭기 중 일부 또는 전부의 차동 증폭기에 각각 적용될 수 있다. 상기 피드백 차동 증폭기는 상기 차동증폭기들의 바이어스 전압과 다른 독립된 바이어스 전압을 공급받아 상기 피드백 차동 증폭기의 피드백 양이 조절될 수도 있고, 상기 차동증폭기들의 바이어스 전압과 동일한 바이어스 전압을 공급받아 상기 피드백 차동 증폭기의 피드백 양이 조절될 수도 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르는 위상 고정 루프는, 제어전압을 생성하는 루프 필터 및 차동 전압 제어 발진기를 포함하되, 상기 차동 전압 제어 발진기는, 다수의 차동 지연단이 루프 형태로 연결되어, 제어전압에 따라 발진하는 링 발진부 및 상기 차동 지연단의 차동 출력 신호들을 각각 반전하여 상기 차동 지연단의 각 차동 입력으로 피드백하는 피드백 회로를 포함한다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 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 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.

이하 본 발명의 실시예들을 도면과 함께 설명하고자 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 피드백을 가지는 인버터 타입 차동 VCO를 예시한 것이다. 도 4를 참조하면, 상기 차동 VCO는 상하 두 개의 인버터가 이루는 하나의 차동 지연단(41)을 이루고, 다수의 차동 지연단이 링 타입으로 연결된 링 발진기에, 각 차동 지연단(41)의 차동 출력에서 반대되는 극성의 차동 입력으로 각각 차동 피드백 회로(42)를 추가한 형태이다. 링의 일단에는 래치회로(43)가 있어 상기 래치회로(43)의 양단에서 출력신호가 반대 위상을 갖게 한다. 상기 차동 피드백 경로는 예를 들어 인버터를 포함한다.

상기 차동 피드백 경로에 포함된 인버터를 피드백 인버터라 하고, 하나의 차동 지연단에서 동작을 살펴보자. 상기 차동 지연단의 한 출력은 상기 피드백 인버터를 통과하여 반전된 후에 극성이 다른 쪽의 입력으로 피드백된다. 상기 차동 지연단의 나머지 출력도 마찬가지로 다른 피드백 인버터를 통과하여 반전된 후에 나머지 입력으로 피드백된다. 만약, 극성이 다른 쪽으로 피드백하는 이유는, 극성이 같은 쪽으로 피드백하면 인버터와 피드백 경로에 의해 래치회로가 형성되므로 발진이 일어날 수 없기 때문이다. 피드백의 결과, 차동 지연단의 지연 시간이 줄어들어 차동 VCO 출력의 상승시간 및 하강시간이 줄어드므로 결과적으로 차동 VCO의 속도가 증가한다.

이때, 차동 VCO의 모든 차동 지연단에 상기와 같이 피드백을 적용할 수도 있고, 일부 차동 지연단에 한하여 피드백을 적용할 수도 있다. 그러나, 상기 차동 피드백을 적용하는 차동 지연단은 그 지연 시간이 감소하는 동시에 그 이득도 줄어들므로 차동 피드백을 적용한 차동 지연단의 수가 늘어나면 전체 발진기의 이득도 줄어들므로 발진 주파수가 증가할 수 있더라도 동시에 발진이 일어나지 않을 가능성도 커진다. 따라서, 응용 분야에 따라 피드백을 적용한 차동 지연단의 수를 조절하면 된다.

한편, 상기 피드백 인버터의 전원 전압은 상기 VCO의 제어 전압일 수도 있고, 상기 VCO의 전원 전압일 수도 있다. 상기 VCO의 제어 전압을 상기 피드백 인버터의 전원 전압으로 공급하는 경우에는 상기 피드백 인버터의 피드백 양(amount)이 상기 VCO의 제어 전압에 의해 조절될 수 있다. 예를 들어, 제어 전압에 의해 전류 원이 공급하는 전류의 양을 제어함으로써 발진 주파수가 조절되는 링 타입 인버터 발진기의 경우, 피드백 인버터를 포함한 모든 인버터에 공급되는 전류가 동일하게 조절되므로 상기 피드백 인버터에 의한 피드백 양도 함께 조절된다.

반면에, 상기 VCO의 전원 전압을 상기 피드백 인버터의 전원 전압으로 공급하는 경우에는, 상기 피드백 인버터의 피드백 양은 고정된다. 별도의 제어 전압을 이용하여 상기 피드백 인버터의 전원 전압으로 공급할 수도 있다. 이 경우에는 상기 피드백 인버터의 피드백 양을 독립적으로 조절할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 피드백을 가지는 차동쌍 타입 차동 VCO를 예시한 것이다. 도 5를 참조하면, 한 차동 지연단(51)의 차동 출력이 차동 피드백(52)을 통해 차동 입력으로 피드백된다. 일반적인 NMOS 차동쌍을 이용한 차동 지연단의 경우에는 극성이 서로 같은 차동 출력과 차동 입력이 서로 피드백에 의해 연결된다. 즉, +극성의 차동 출력은 -극성의 차동 피드백 입력을 통해 +극성의 입력으로 피드백된다. 즉, +차동 입력으로부터 +차동 출력, - 피드백 입력, - 피드백 출력, - 차동 입력, - 차동 출력, +피드백 입력, + 피드백 출력 및 +차동 입력에 이르는 피드백 경로가 형성된다.

상기 차동 지연단과 피드백 차동쌍은 예를 들어 NMOS 차동쌍일 수 있다. 상기 피드백 차동쌍의 피드백 양은 상기 피드백 차동쌍 내의 바이어스 전류원(53)의 전류 크기 또는 상기 지연 차동쌍 내의 부하의 저항 크기에 의해 조절될 수 있는데, 차동쌍을 가지는 VCO의 주파수는 상기 피드백 양에 의해 조절될 수 있다. 상기 바이어스 전류는 상기 VCO의 제어 전압에 의해 조절될 수 있다. 따라서, 상기 제어 전압에 의해 상기 VCO의 주파수를 조절할 수 있다. 상기 피드백 차동쌍의 바이어스 전류를 상기 제어 전압으로 조절하는 경우, 상기 차동 지연단의 지연 시간과 상기 피드백 양이 연계되어 동시에 조절된다.

반면에, 상기 바이어스 전류를 전원 전압에 의해 고정시킬 수도 있다. 상기 VCO의 전원 전압으로 상기 피드백 차동쌍의 바이어스 전류를 제어하는 경우에는, 상기 피드백 차동쌍의 피드백 양은 고정된다. 별도의 제어 전압을 이용하여 상기 피드백 차동쌍의 바이어스 전류원을 제어할 수도 있다. 이 경우에는 상기 피드백 인버터의 피드백 양을 독립적으로 조절할 수 있다.

도 6은 도 1의 차동 VCO와 도 4의 차동 VCO에 대해 각각 모의 실험한 결과이다. 도 6에서 점선은 도 4의 차동 VCO를 모의 실험한 결과이고, 실선은 도 1의 차동 VCO를 모의 실험한 결과이다. X축은 제어전압, Y축은 출력 신호의 주파수를 나타낸다. 도 6에 나타나듯이, 차동 피드백을 가진 차동 VCO의 출력 주파수가 도 1의 경우에 비해 증가하였음을 알 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전압 제어 발진기는 차동 지연단에 차동 피드백을 적용하여 차동 전압 제어 발진기의 출력 주파수를 증가시킬 수 있다. 또, 실시예에 따라 차동 피드백의 피드백 양을 지연단의 지연 시간과 연동하여 제어하거나 또는 독립적으로 제어할 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전압 제어 발진기는 차동 지연단에 쓰인 소자와 동일한 공정과 팩터를 가지고 제작될 수 있는 차동 피드백을 사용하기 때문에 공정 변화에 둔감하다.

실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.