KR0181407B1 - 전압 제어 발진기 - Google Patents

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Abstract

발진 주파수 범위를 결정하고 결정된 주파수 범위 내에서 주파수의 고저를 조절할 수 있는 이미터-커플드 바이브레이터 전압 제어 발진기가 개시되어 있다. 상기 이미터-커플드 전압 제어 발진기는 제1 및 제2 트랜지스터를 구비한 이미터 폴로워 버퍼, 상기 제1 및 제2 트랜지스터를 통하여 크로스 커플드된 제3 및 제4 트랜지스터를 구비한 이득단, 상기 제3 및 제4 트랜지스터의 이미터에 접속되는 전류원을 구비하여 제1 및 제2 발진 주파수 신호를 발생하기 위한 이미터-커플드 멀티바이브레이터; 상기 제1 발진 주파수 신호와 상기 제2 발진 주파수 신호를 비교하여 비교 결과에 따라 소정 전압 레벨을 갖는 신호를 출력하기 위한 출력부; 및 상기 출력부를 통해 출력되는 신호의 주파수를 제어하기 위하여 인가되는 전압에 의해 상기 이미터-커플드 멀티바이브레이터의 전류원에 흐르는 전류의 양을 제어하기 위한 제어부로 구성되어, 2개의 제어 전압을 이용하여 발진 주파수 및 발진 주파수 범위도 조절할 수 있다. 따라서 본 발명은 저주파수 발진기로부터 고주파수 발진기까지 광범위하게 사용될 수 있다.

Description

전압 제어 발진기
본 발명은 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator: VCO)에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 발진 주파수 범위를 결정하고 결정된 주파수 범위 내에서 주파수의 고저를 조절할 수 있는 이미터-커플드 바이브레이터 전압 제어 발진기에 관한 것이다.
VCO는 위상 동기 회로(phase locked loop: PLL) 또는 주파수 합성기에 이용되며, 특히 PLL에 있어서 출력 신호의 주파수를 설정된 주파수와 동일하게 하기 위해 사용된다. 대부분의 VCO는 입력 전압에 의해 제어되는 전류의 양을 스위칭시켜서 커패시터를 충전시키거나 방전시키므로써 발진이 일어나게 한다. EC 멀티바이브레이터는 차동 이득단의 이미터들 사이에 연결된 타이밍 커패시터에 대한 대칭적인 충전 및 방전을 이용하는 이완 발진기의 일종이다.
도 1은 종래의 EC 멀티바이브레이터 전압 제어 발진기(10)의 구성을 나타낸 블럭도이다. 종래의 EC 멀티바이브레이터 전압 제어 발진기(10)에 있어서, 이득단(11)은 한 쌍의 제1 및 제2 트랜지스터(Q1, Q2)로 형성된다. 상기 제1 및 제2 트랜지스터(Q1, Q2)는 이미터 폴로워 버퍼단(12)을 통하여 크로스 커플드된다. 이득단(11)의 제1 및 제2 트랜지스터(Q1, Q2)는 클램프 다이오드들(D1,D2)과 함께 동일한 값의 부하 저항(R1, R2)을 가지며, 클램프 다이오드들(D1,D2)에 의해 1VBE(=0.7V)로 클램프된다. 상기 제1 및 제2 트랜지스터(Q1, Q2)의 이미터들은 각각 전류원들(I1)에 의해 바이어스되어 있고, 타이밍 캐패시터(C1)에 의해 결합되어 있다.
상기와 같이 구성된 종래 EC 멀티바이브레이터 전압 제어 발진기(10)의 동작을 설명한다.
이득단(11)의 제1 및 제2 트랜지스터(Q1, Q2)는 이미터 폴로워 버퍼단(12)의 제1 및 제2 트랜지스터(Q3, Q4)에 의해 결합되어 있기 때문에, 제1 및 제2 트랜지스터(Q1, Q2)는 동시에 온되지 않고 번갈아 온되며, 이에 따라 타이밍 캐패시터(C1)는 크기가 같고 방향이 반대인 전류에 의해 번갈아 충전된다.
먼저, 제1 트랜지스터(Q1)가 오프, 제 2 트랜지스터(Q2)가 온이라 가정하면, 제2 트랜지스터(Q2)의 이미터에는 2I의 전류가 흐르고, 이중 1/2은 타이밍 캐패시터(C1)를 통해 흐르게 된다. 이 때 VB4= Vcc-VBE(도 2a), VE4= VB1= Vcc-2VBE(도 2d)이고, Q3의 베이스 전류를 무시하면, VB3= Vcc(도 2b), VE3= VB2= Vcc-VBE(도 2c), VE2= Vcc-2VBE(도 2e)이다.
제1 트랜지스터(Q1)가 오프이므로, 타이밍 캐패시터(C1)를 충전하는 전류 I는 제2 트랜지스터(Q2)의 이미터에 흐르며, 이 전류 I는 제1 트랜지스터(Q1)의 이미터 전압(VE1) 레벨이 도 3에 도시된 바와 같이 Vcc-3VBE가 될 때까지 기울기 I/C1로 감소하게 되며, 이때 제1 트랜지스터(Q1)가 온된다.
제1 트랜지스터(Q1)가 온되면, 제1 다이오드(D1)가 온되어 VB3= Vcc - VBE(도 2b), VE3= VB2= Vcc-2VBE(도 2c)가 되며, 제2 트랜지스터(Q2)는 오프된다. 제2 트랜지스터(Q2)가 오프되면 VB4= Vcc(도 2a), VE4= VE1= Vcc-VBE(도 2d), VE1= Vcc-2VBE(도 2f)가 되고, 이 때 타이밍 캐패시터(C1)는 정전류 I1는 반대 방향, 제2 트랜지스터(Q2)를 통해 방전하며 VE1= Vcc-3VBE(도 2f)가 되면 다시 이전의 상태로 바뀌며 이러한 동작에 의해 일정한 주파수 신호를 발진하게 된다.
상기한 바와 같이 종래의 이미터-커플드 바이브레이터 전압 제어 발진기에서는 발진 주파수 범위를 설정하지 못하고 발진 주파수를 조절하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 발진 주파수 범위를 결정하고 결정된 주파수 범위 내에서 주파수의 고저를 조절할 수 있는 이미터-커플드 전압 제어 발진기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 종래의 이미터-커플드(emitter-coupled: EC) 바이브레이터 전압 발진기의 구성을 나타낸 회로도이다.
도 2a 내지 도 2g는 도 1에 도시된 각 회로의 각 부분에 대한 파형도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 제어 발진기의 구성을 나타낸 회로도이다.
도 4a 내지 도 4h는 도 3에 도시된 각 회로의 각 부분에 대한 파형도이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 제1 및 제2 트랜지스터를 구비한 이미터 폴로워 버퍼, 상기 제1 및 제2 트랜지스터를 통하여 크로스 커플드된 제3 및 제4 트랜지스터를 구비한 이득단, 상기 제3 및 제4 트랜지스터의 이미터에 접속되는 전류원을 구비하여 제1 및 제2 발진 주파수 신호를 발생하기 위한 이미터-커플드 멀티바이브레이터; 상기 제1 발진 주파수 신호와 상기 제2 발진 주파수 신호를 비교하여 비교 결과에 따라 소정 전압 레벨을 갖는 신호를 출력하기 위한 출력부; 및 상기 출력부를 통해 출력되는 신호의 주파수를 제어하기 위하여 인가되는 전압에 의해 상기 이미터-커플드 멀티바이브레이터의 전류원에 흐르는 전류의 양을 제어하기 위한 제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기를 제공한다.
본 발명에서는 2개의 제어 전압을 이용하여 발진 주파수 및 발진 주파수 범위도 조절할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 EC 멀티바이브레이터 전압 제어 발진기(30)의 구성을 보여 준다. 본 발명에 따른 EC 멀티바이브레이터 전압 제어 발진기(30)는 EC 멀티바이브레이터(31), 출력부(32), 및 제어부(33)로 구성된다.
EC 멀티바이브레이터(31)에 있어서, 이득단(311)은 제1 및 제2 트랜지스터(Q44, Q42)로 형성된다. 상기 제1 및 제2 트랜지스터(Q44, Q42)는 이미터 폴로워 버퍼(312)의 트랜지스터들(Q45, Q43)을 통하여 크로스 커플드된다. 이득단(311)의 제1 및 제2 트랜지스터(Q44, Q42)는 클램프 다이오드들(D21,D22)과 함께 동일한 값의 부하 저항들(R47, R93)을 가지며, 클램프 다이오드들(D21,D22)에 의해 1VBE
(=0.7V)로 클램프된다. 제1 및 제2 트랜지스터(Q44, Q42)의 이미터들은 각각 트랜지스터들(Q39, Q55)로 이루어진 전류원(313)에 의해 바이어스되어 있고, 타이밍 캐패시터(C2)에 의해 결합되어 있다.
제1 및 제2 트랜지스터(Q44, Q42)는 이미터 폴로워 버퍼(312)의 제1 및 제2 트랜지스터(Q45, Q43)에 의해 결합되어 있기 때문에, 제1 및 제2 트랜지스터(Q44, Q42)는 동시에 온되지 않고 번갈아 온되며, 이에 따라 타이밍 캐패시터(C2)는 크기가 같고 방향이 반대인 전류에 의해 번갈아 충전된다.
먼저, 이득단(311)의 제1 트랜지스터(Q44)가 오프, 제2 트랜지스터(Q42)가 온이라 가정하면, 제2 트랜지스터(Q42)의 이미터에는 2I의 전류가 흐르고, 이중 1/2은 타이밍 캐패시터(C2)를 통해 흐르게 된다. 이 때 VB43= Vcc-VBE(도 4a), VE43= VB42= Vcc-2VBE(도 4d)이고, Q23의 베이스 전류를 무시하면, VB45= Vcc(도 4b), VE45= VB44= Vcc-VBE(도 4c), VE44= Vcc-2VBE(도 4e)이다.
이득단(311)의 제1 트랜지스터(Q42)가 오프이므로, 타이밍 캐패시터(C2)를 충전하는 전류 I는 제2 트랜지스터(Q44)의 이미터에 흐르며, 이 전류 I는 제1 트랜지스터(Q42)의 이미터 전압(VE21) 레벨이 Vcc-3VBE가 될 때까지 기울기 I/C2로 감소하게 되며, 이때 제1 트랜지스터(Q42)가 온된다.
제1 트랜지스터(Q42)가 온되면, 제1 다이오드(D21)가 온되어 VB45= Vcc - VBE(도 4b), VE45= VB44= Vcc-2VBE(도 4c)가 되며, 제2 트랜지스터(Q44)는 오프된다. 제2 트랜지스터(Q44)가 오프되면 VB43= Vcc(도 4a), VE43= VB42= Vcc-VBE(도 4d), VE42= Vcc-2VBE(도 4f)가 되고, 이때 트랜지스터(Q43)의 베이스-컬렉터 접합은 1VBE역 바이어스 상태가 되어 상태가 바뀐다. 이때 타이밍 캐패시터(C2)는 정전류 I로 반대 방향, 트랜지스터(Q55)를 통해 방전하며, VE44= Vcc-3VBE(도 4e)가 되면 다시 이전의 상태로 바뀌며 이러한 동작에 의해 일정한 제1 및 제2 주파수 신호를 발진하게 된다.
도 4a 내지 도 4f에 도시된 바와 같이, EC 멀티바이브레이터(31)에 의한 발진 주파수의 반주기는 타이밍 캐패시터(C2) 양단의 전압을 정전류 I로 2VBE만큼 방전시키는 시간과 같다. 즉,
△t = C2△V/I = 2C2VBE/I
이다
따라서, 발진 주파수 f0= 1/2△t =I /(4C2VBE)로 결정된다.
출력부(32)는 상기 EC 멀티바이브레이터(31)로부터의 상기 제1 발진 주파수 신호와 상기 제2 발진 주파수 신호를 비교하여 비교 결과에 따라 소정 전압 레벨 V86+VBE을 갖는 신호를 출력한다.
제1 노드(N1), 즉 제1 발진 주파수 신호가 하이이고 제2 노드(N2), 즉 제2 발진 주파수 신호가 로우이면 트랜지스터(Q67)의 이미터, 즉 차동 증폭기(321)의 제1 트랜지스터(Q75)의 베이스 전압은 하이이고, 트랜지스터(Q66)의 이미터, 즉 차동 증폭기(321)의 제2 트랜지스터(Q76)의 베이스 전압은 로우가 되므로, 출력 라인(35)은 로우 신호가 출력된다.
바이어스 회로(34)는 트랜지스터들(Q25, Q26, Q50, Q51, Q52, Q53)과 정 전류원을 구성한다.
제어 전류 발생 회로(331)는 베이스 단자가 공통으로 제1 제어 전압원(VC1)에 접속되고 이미터가 공통으로 저항들(R1, R7)을 각각 통하여 전원 전압에 접속되는 한 쌍의 트랜지스터(Q10, Q8)로 구성되어 상기 제1 제어 전압원으로부터의 전압에 의해 제어 전류(I10)를 발생하여 상기 이미터-커플드 바이브레이터(21)의 전류 양을 제어하도록 한다.
전류 제어 회로(332)는 전류원(Q13, Q14)을 포함하는 차동 증폭기(3321)를 포함한다. 차동 증폭기(3321)는 베이스 단자가 기준 전압(V86)을 입력받고 이미터 단자가 디제너레이션 저항(R10)을 통해 상기 제어 전류 발생 회로(331)의 트랜지스터(Q10)의 컬렉터 단자에 접속되는 제1 트랜지스터(Q94) 및 베이스 단자가 제어 전압을 입력받고 이미터 단자가 디제너레이션 저항(R9)을 통해 상기 제어 전류 발생 회로(331)의 트랜지스터(Q10)의 컬렉터 단자에 공통으로 접속되는 제2 트랜지스터(Q11), 및 전류원(Q13, Q14)을 포함한다. 상기 차동 증폭기(3321)는 상기 제1 및 제2 트랜지스터(Q94, Q11)의 이미터 단자들 사이에 접속되어 선형 증폭기로 작용하기 위하여 입력 전압의 범위를 증가하기 위한 이미터 디제너레이션 저항들(R9, R10)을 추가로 포함한다.
전류 제어 회로(332)의 제2 제어 전압(Vc2)에 의해 전압 제어 발진기의 발진 주파수를 제어하는 방법을 설명한다.
전류 제어 회로(332)의 차동 증폭기(3321)의 제1 트랜지스터(Q94)의 베이스 전압은 전압원에 의해 고정되어 있고 제2 제어 전압(Vc2)은 차동 증폭기(3321)의 제2 트랜지스터(Q11)의 베이스에 입력된다. 따라서 차동 증폭기(3321)가 선형적으로 동작하기 위한 제2 제어 전압(Vc2)의 범위는 V86±IC10×R9 (또는 R10)이다. V86은 예를 들어 2.5 볼트로 설정될 수 있고 트랜지스터(Q10) 의 컬렉터 전류이다.
이 때 제어 전류 IC= (gm×Vc2)/(1+gm·R9)이고, IC의 최대값은 ±IC10이다.
IC에 의해 IC20이 제어되므로 타이밍 커패시터(C2)의 충방전 전류 I도 제어되며 그에 따라 발진 주파수 f0가 제어된다. 즉 발진 주파수
f0= I/(4×C2×VBE)= [(R32/R41)×IC20]/(4×C2×VBE)
= (R32/R41)×(IC8+IC)/(4×C2×VBE)
= (R32/R41)×[IC8+(gm×Vc2)/(1+gm×R9)]/(4×C2×VBE)
이하 제어 전류 발생 회로(331)의 제1 제어 전압(Vc1)에 의해 발진 주파수 범위를 결정하는 방법을 설명한다.
제1 제어 전압(Vc1)은 차동 증폭기(3321)의 정전류원(Q10)의 정전류 IC8및 IC10을 제어한다.
IC10= (Vcc-Vc1-VBE)/R1, IC8= (Vcc-Vc1-VBE)/R7
따라서 제1 제어 전압(Vc1)을 변경하면 제2 제어 전압(Vc2)에 의해 제어되는 IC의 최대값이 바뀌게 되어 발진 주파수 범위도 변하게 된다.
제1 제어 전압(Vc1)이 증가하게 되면, IC의 최대값이 감소하여 발진 주파수 범위는 낮아지고 제1 제어 전압(Vc1)이 감소하게 되면 IC의 최대값이 증가하여 발진 주파수 범위는 높아지게 된다.
이상, 설명한 바와 같이 본 발명에서는 2개의 제어 전압을 이용하여 발진 주파수 및 발진 주파수 범위도 조절할 수 있다. 따라서 본 발명은 저주파수 발진기로부터 고주파수 발진기까지 광범위하게 사용될 수 있다.
본 발명을 상기 실시예에 의해 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 의해 제한되는 것은 아니고, 당업자의 통상적인 지식의 범위 내에서 그 변형이나 개량이 가능하다.

Claims (6)

  1. 제1 및 제2 트랜지스터를 구비한 이미터 폴로워 버퍼(312), 상기 제1 및 제2 트랜지스터를 통하여 크로스 커플드된 제3 및 제4 트랜지스터를 구비한 이득단(311), 상기 제3 및 제4 트랜지스터의 이미터에 접속되는 전류원(313)을 구비하여 제1 및 제2 발진 주파수 신호를 발생하기 위한 이미터-커플드 멀티바이브레이터(31);
    상기 제1 발진 주파수 신호와 상기 제2 발진 주파수 신호를 비교하여 비교 결과에 따라 소정 전압 레벨을 갖는 신호를 출력하기 위한 출력부(32); 및
    상기 출력부(32)를 통해 출력되는 신호의 주파수를 제어하기 위하여 인가되는 전압에 의해 상기 이미터-커플드 멀티바이브레이터(31)의 전류원(313)에 흐르는 전류의 양을 제어하기 위한 제어부(33)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 전류원(313)에 흐르는 전류의 양에 따라 발진되는 신호의 주파수의 범위가 결정되는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제어부(33)는 상기 출력부(32)에서 발생한 상기 주파수 신호의 주파수 범위를 결정하기 위하여 상기 인가되는 전압에 의해 제어 전류를 발생하기 위한 제어 전류 발생 회로(331) 및 상기 결정된 주파수 범위 내에서 상기 발생한 주파수를 제어하기 위하여 인가되는 전압에 의해 상기 이미터-커플드 멀티바이브레이터(31)의 전류원(313)에 흐르는 전류의 양을 제어하기 위한 전류 제어 회로(332)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 제어 전류 발생 회로(331)는 베이스 단자가 공통으로 제1 제어 전압원에 접속되고 이미터가 공통으로 전원 전압에 접속되는 한 쌍의 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
  5. 제3 항에 있어서, 상기 전류 제어 회로(332)는 베이스 단자가 기준 전압을 입력받고 이미터 단자가 상기 제어 전류 발생 회로(331)에 접속되는 제1 트랜지스터, 및 베이스 단자가 상기 기준 전압의 비교 전압을 입력받고 이미터 단자가 상기 제어 전류 발생 회로(331)에 공통으로 접속되는 제2 트랜지스터로 구성되는 차동 증폭기(3321)를 포함하는 것을 전압 제어 발진기.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 차동 증폭기(3321)는 상기 제1 및 제2 트랜지스터의 이미터 단자들 사이에 접속되어 선형 증폭기로 작용하기 위하여 입력 전압의 범위를 증가하기 위한 한 쌍의 이미터 디제너레이션 저항(R9, R10)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
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