KR101069918B1 - Differential valtage controlled oscillator and driving method thereof - Google Patents

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이상국
듀이 비엔 옌 뉴옌
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Abstract

전압 제어 발진장치가 제공된다. 본 발명의 한 실시예에 따른 전압 제어 발진장치는 입력 전압 신호에 따라 소정의 오실레이션 주파수를 가지는 발진 신호를 생성하는 발진부, 상기 발진 신호를 증폭하며, 정극성의 신호를 드레인 단자로 출력하는 제1 트랜지스터와 부극성의 신호를 드레인 단자로 출력하는 제2 트랜지스터를 가지는 차동 증폭부, 상기 제1 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 정극성의 출력 신호를 감지하여 동작하는 제1 디제너레이션 트랜지스터, 그리고 상기 제2 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 부극성의 출력 신호를 감지하여 동작하는 제2 디제너레이션 트랜지스터를 포함한다.A voltage controlled oscillator is provided. According to an embodiment of the present invention, a voltage controlled oscillator may include an oscillator configured to generate an oscillation signal having a predetermined oscillation frequency according to an input voltage signal, amplify the oscillation signal, and output a positive signal to a drain terminal. A differential amplifier having a transistor and a second transistor for outputting a negative signal to a drain terminal, a first degeneration transistor connected to a source terminal of the first transistor and operating by sensing the positive output signal; And a second degeneration transistor connected to a source terminal of a second transistor, the second degeneration transistor being configured to operate by sensing the negative output signal.

Description

차동 전압제어 발진장치 및 그의 구동 방법{DIFFERENTIAL VALTAGE CONTROLLED OSCILLATOR AND DRIVING METHOD THEREOF}DIFFERENTIAL VALTAGE CONTROLLED OSCILLATOR AND DRIVING METHOD THEREOF}

본 발명은 차동 전압제어 발진장치 및 그 구동 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a differential voltage controlled oscillator and a driving method thereof.

차동 전압제어 발진장치는 동일한 크기를 가지나 180도의 위상 지연이 있는 두 가지 주파수 신호를 생성한다. 차동 전압제어 발진장치는 바이어스 조건이 공급 전압에 의하여 제어될 수 있다. 차동 전압제어 발진장치는 CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor) 공정에 의해 단일 칩 상에서 생산되는 무선 주파수(Radio Frequency) 송수신기에 적용될 수 있다.The differential voltage controlled oscillator produces two frequency signals of equal magnitude but with a 180-degree phase delay. In the differential voltage controlled oscillator, the bias condition can be controlled by the supply voltage. The differential voltage controlled oscillator can be applied to a radio frequency transceiver produced on a single chip by a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) process.

일반적인 차동 전압제어 발진장치의 발진부에서 발생하는 손실은 차동 스위치 트랜지스터 쌍에 의하여 보상된다. 즉, 차동 스위치 트랜지스터 쌍은 음의 저항(-gm)을 발생시키고, 음의 저항(-gm)은 발진부의 에너지 손실을 보상한다. The losses in the oscillation section of a typical differential voltage controlled oscillator are compensated by the differential switch transistor pair. That is, the differential switch transistor pair generates a negative resistance (-gm), and the negative resistance (-gm) compensates for energy loss in the oscillation portion.

한편, 일반적인 차동 전압제어 발진장치의 전류 소스는 바이어스 전류를 세팅하고, 높은 임피던스를 스위치 트랜지스터의 온-저항(on-regisger)에 직렬로 제공한다. 이때, 바이어스 전류는 전류 미러 회로에서 나오는 저주파수 잡음을 포함한다. 저주파수 잡음은 예를 들면, 열 잡음 또는 플리커(flicker) 잡음이다. 저주파수 잡음으로 인하여 발진부에서 생성되는 주파수 신호의 주파수가 변환되고, 위상 잡음 성능이 저하된다. 차동 스위치 트랜지스터 쌍의 잡음은 스위치 트랜지스터가 모두 턴온(turn-on)되는 경우 단시간 동안 출력단에 나타난다. 따라서, 전류 소스는 차동 전압제어 발진장치의 주된 잡음원이 된다.On the other hand, the current source of a typical differential voltage controlled oscillator sets a bias current and provides high impedance in series with the on-regisger of the switch transistor. At this time, the bias current includes low frequency noise from the current mirror circuit. Low frequency noise is, for example, thermal noise or flicker noise. Due to the low frequency noise, the frequency of the frequency signal generated by the oscillator is converted, and the phase noise performance is degraded. Noise in a pair of differential switch transistors appears at the output stage for a short time when the switch transistors are all turned on. Thus, the current source is the main noise source of the differential voltage controlled oscillator.

차동 전압제어 발진장치에서 전류 소스에 의한 잡음을 억제하기 위한 일 예는 전류 소스를 인덕터와 직렬 연결된 폴리-실리콘 저항으로 대체하는 방법이다. 여기서, 발진부의 품질을 유지하기 위하여 오실레이션 주파수와 고조파에서의 테일 임피던스를 증가시키기 위한 추가 인덕터가 요구된다. 그런데, 추가 인덕터는 칩 사이즈를 증가시키고, 인덕터 커플링을 야기하여 발진 주파수에 영향을 미칠 수 있다. 만약, 차동 전압제어 발진장치에서 전류 소스를 제거하면 위상 잡음 성능을 개선할 수 있으나, Q 인자(Quality factor, Q factor)의 열화 문제가 존재한다.An example of suppressing noise caused by a current source in a differential voltage controlled oscillator is a method of replacing a current source with a poly-silicon resistor connected in series with an inductor. Here, an additional inductor is required to increase the oscillation frequency and tail impedance at harmonics to maintain the quality of the oscillator. However, additional inductors can increase chip size and cause inductor coupling to affect the oscillation frequency. If the current source is removed from the differential voltage controlled oscillator, the phase noise performance can be improved, but there is a problem of deterioration of the Q factor.

한편, 전압 바이어스(Voltage bias) 차동 전압제어 발진장치는 저전력 저전압 전압제어 발진장치 및 전압제어 발진블록이 겹겹이 쌓이는 전류 재사용 어플리케이션에서 뛰어난 성능을 보인다. 이러한 전압 바이어스 차동 전압제어 발진장치는 바이어스 전류 소스를 가지는 일반적인 차동 전압제어 발진장치에 비하여 더 높은 위상 잡음 성능을 가진다. 그러나, 이 경우에도 Q 인자의 열화 문제는 여전히 존재한다.On the other hand, voltage bias differential voltage controlled oscillators show excellent performance in current reuse applications where low power, low voltage voltage controlled oscillators and voltage controlled oscillation blocks are stacked. This voltage bias differential voltage controlled oscillator has a higher phase noise performance than a general differential voltage controlled oscillator having a bias current source. However, even in this case, the problem of deterioration of the Q factor still exists.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 낮은 위상 잡음을 가지는 차동 전압제어 발진장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a differential voltage controlled oscillator having low phase noise.

본 발명의 일 양태에 따른 전압 제어 발진장치는 입력 전압 신호에 따라 소정의 오실레이션 주파수를 가지는 발진 신호를 생성하는 발진부, 상기 발진 신호를 증폭하며, 정극성의 신호를 드레인 단자로 출력하는 제1 트랜지스터와 부극성의 신호를 드레인 단자로 출력하는 제2 트랜지스터를 가지는 차동 증폭부, 상기 제1 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 정극성의 출력 신호를 감지하여 동작하는 제1 디제너레이션 트랜지스터, 그리고 상기 제2 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 부극성의 출력 신호를 감지하여 동작하는 제2 디제너레이션 트랜지스터를 포함한다.According to an aspect of the present invention, a voltage controlled oscillator includes an oscillator for generating an oscillation signal having a predetermined oscillation frequency according to an input voltage signal, and a first transistor for amplifying the oscillation signal and outputting a positive signal to a drain terminal. And a second amplifier having a second transistor for outputting a negative signal to a drain terminal, a first degeneration transistor connected to a source terminal of the first transistor and operating by sensing the positive output signal; And a second degeneration transistor connected to a source terminal of two transistors and configured to sense and operate the negative output signal.

본 발명의 일 양태에 따른 전압 제어 발진장치의 구동방법은 입력 전압 신호에 따라 소정의 오실레이션 주파수를 가지는 발진 신호를 제공하는 단계, 상기 발진 신호를 증폭하며, 정극성의 신호를 제1 트랜지스터의 드레인 단자로 출력하고, 부극성의 신호를 제2 트랜지스터의 드레인 단자로 출력하는 단계, 그리고 제1 트랜지스터 또는 상기 제2 트랜지스터의 동작 모드에 따라 이들 중 하나의 소스 단자에 정전류 원을 제공하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of driving a voltage controlled oscillator, the method including providing an oscillation signal having a predetermined oscillation frequency according to an input voltage signal, amplifying the oscillation signal, and draining a positive signal to a drain of the first transistor. Outputting to a terminal, outputting a negative signal to a drain terminal of a second transistor, and providing a constant current source to one of the source terminals according to an operation mode of the first transistor or the second transistor. do.

본 발명의 일 양태에 따른 무선 통신 시스템은 무선 신호를 송수신하는 RF(Radio Frequency) 장치, 그리고 상기 RF 장치에 의하여 신호를 수신하거나 송신하기 위하여 발진 신호를 생성하는 전압 제어 발진장치를 포함하고, 상기 전압 제어 발진장치는 입력 전압 신호에 따라 소정의 오실레이션 주파수를 가지는 발진 신호를 생성하는 발진부, 상기 발진 신호를 증폭하며, 정극성의 신호를 드레인 단자로 출력하는 제1 트랜지스터와 부극성의 신호를 드레인 단자로 출력하는 제2 트랜지스터를 가지는 차동 증폭부, 상기 제1 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 정극성의 출력 신호를 감지하여 동작하는 제1 디제너레이션 트랜지스터, 그리고 상기 제2 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 부극성의 출력 신호를 감지하여 동작하는 제2 디제너레이션 트랜지스터를 포함한다.A wireless communication system according to an aspect of the present invention includes a radio frequency (RF) device for transmitting and receiving a radio signal, and a voltage controlled oscillation device for generating an oscillation signal for receiving or transmitting a signal by the RF device. The voltage controlled oscillator includes an oscillator for generating an oscillation signal having a predetermined oscillation frequency according to an input voltage signal, a first transistor for amplifying the oscillation signal, and outputting a positive signal to a drain terminal and a drain signal of a negative polarity. A differential amplifier having a second transistor output to a terminal, a first amplification transistor connected to a source terminal of the first transistor and operating by sensing the positive output signal, and a source terminal of the second transistor And a second degeneration loop for sensing and operating the negative output signal. And a register.

낮은 위상 잡음을 가지는 차동 전압제어 발진장치가 제공된다. 본 발명의 한 실시예에 따르면, 출력전압에 따른 임피던스가 항상 일정 수준 이상으로 유지되어 Q 인자의 열화가 발생하지 않는 차동 전압제어 발진장치가 제공될 수 있다.A differential voltage controlled oscillator with low phase noise is provided. According to an embodiment of the present invention, a differential voltage controlled oscillation device may be provided in which the impedance according to the output voltage is always maintained at a predetermined level or more so that the deterioration of Q factor does not occur.

도 1은 전압 바이어스(Voltage-bias) 차동 전압제어 발진장치의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 2는 도 1의 등가 회로도이다.
도 3은 도 1의 차동 전압제어 발진장치의 출력전압에 따른 임피던스를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 차동 전압 제어 발진장치를 나타내는 회로도이다.
도 5는 도 4의 등가회로도이다.
도 6은 도 4의 차동 전압 제어 발진장치의 출력전압에 따른 임피던스를 나타내는 도면이다.
도 7은 종래의 전압 제어 발진장치와 본 발명의 한 실시예에 따른 전압 제어 발진장치의 위상 잡음 성능에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 전압 제어 발진장치의 오실레이션 주파수 및 제어 전압에 대한 위상 잡음 성능을 나타내는 그래프이다.FIG. 1 is a circuit diagram illustrating an example of a voltage-bias differential voltage controlled oscillator.
2 is an equivalent circuit diagram of FIG. 1.
3 is a diagram illustrating an impedance according to an output voltage of the differential voltage controlled oscillator of FIG. 1.
4 is a circuit diagram illustrating a differential voltage controlled oscillator according to an embodiment of the present invention.
5 is an equivalent circuit diagram of FIG. 4.
6 is a diagram illustrating an impedance according to an output voltage of the differential voltage controlled oscillator of FIG. 4.
7 is a view showing a simulation result of the phase noise performance of a conventional voltage controlled oscillator and a voltage controlled oscillator according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph illustrating phase noise performance of an oscillation frequency and a control voltage of a voltage controlled oscillator according to an exemplary embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, without excluding other components unless specifically stated otherwise.

도 1은 전압 바이어스(Voltage-bias) 차동 전압제어 발진장치의 일 예를 나타내는 회로도이고, 도 2는 도 1의 등가 회로도이고, 도 3은 도 1의 차동 전압제어 발진장치의 출력전압에 따른 임피던스를 나타내는 도면이다.1 is a circuit diagram illustrating an example of a voltage-bias differential voltage controlled oscillator, FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of FIG. 1, and FIG. 3 is an impedance according to an output voltage of the differential voltage controlled oscillator of FIG. 1. It is a figure which shows.

도 1을 참고하면, 전압 바이어스 차동 전압제어 발진장치(100)는 입력 전압 신호에 따라 소정의 오실레이션 주파수를 가지는 발진 신호를 생성하는 발진부(110) 및 발진부(110)에 의하여 생성된 발진 신호를 증폭하는 차동 증폭부 (120)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the voltage bias differential voltage controlled oscillator 100 generates an oscillation signal generated by the oscillator 110 and the oscillator 110 generating an oscillation signal having a predetermined oscillation frequency according to an input voltage signal. It includes a differential amplifier 120 to amplify.

발진부(110)는 인덕터(L1, L2)와 캐패시터(C1, C2)를 포함한다. 인덕터(L1)는 전원전압(Vdd)과 노드(N1) 사이에 연결되고, 인덕터(L2)는 전원전압(Vdd)과 노드(N2) 사이에 연결된다. 캐패시터(C1), 캐패시터(C2)는 노드(N1)와 노드(N2) 사이에 연결되고, 제어전압(Vc)에 의하여 가변 캐패시터로 작용한다.The oscillator 110 includes inductors L1 and L2 and capacitors C1 and C2. The inductor L1 is connected between the power supply voltage Vdd and the node N1, and the inductor L2 is connected between the power supply voltage Vdd and the node N2. The capacitor C1 and the capacitor C2 are connected between the node N1 and the node N2 and act as a variable capacitor by the control voltage Vc.

차동 증폭부(120)는 스위치 트랜지스터(M1, M2)를 포함한다. 스위치 트랜지스터(M1)는 노드(N1)와 접지 사이에 연결되고, 스위치 트랜지스터(M2)는 노드(N2)와 접지 사이에 연결된다. 그리고, 스위치 트랜지스터(M1) 드레인 단자는 스위치 트랜지스터(M2)의 게이트 단자와 연결되고, 스위치 트랜지스터(M1)의 소스 단자는 접지 단자와 연결된다. 스위치 트랜지스터(M2)의 드레인 단자는 스위치 트랜지스터(M1)의 게이트 단자와 연결되고, 스위치 트랜지스터(M2)의 소스 단자는 접지와 연결된다.The differential amplifier 120 includes switch transistors M1 and M2. The switch transistor M1 is connected between the node N1 and ground, and the switch transistor M2 is connected between the node N2 and ground. The drain terminal of the switch transistor M1 is connected to the gate terminal of the switch transistor M2, and the source terminal of the switch transistor M1 is connected to the ground terminal. The drain terminal of the switch transistor M2 is connected to the gate terminal of the switch transistor M1, and the source terminal of the switch transistor M2 is connected to the ground.

따라서, 스위치 트랜지스터(M1)의 드레인-소스 전압은 Vo+이고, 스위치 트랜지스터(M2)의 드레인-소스 전압은 Vo-이다. 그리고, 스위치 트랜지스터(M1)의 게이트-드레인 전압은 Vo --Vo +이고, 스위치 트랜지스터(M2)의 게이트-드레인 전압은 Vo +-Vo -이다. Therefore, the drain-source voltage of the switch transistor M1 is Vo + and the drain-source voltage of the switch transistor M2 is Vo-. A gate of the switching transistor (M1) - drain voltage V o - -V o +, and the gate of the switching transistor (M2) - drain voltage V o -V o + - a.

한편, 도 3에 나타난 바와 같이, Vo + 및 Vo -가 작은 값을 가질수록, 차동 출력 전압 (|Vo +-Vo -|)은 0에 가까워진다. 이로 인해, 스위치 트랜지스터(M1, M2)는 포화 영역에서 동작하여 발진부(110)를 접지로부터 분리하게 된다.Meanwhile, as shown in FIG. 3, as V o + and V o − have a smaller value, the differential output voltage (| V o + -V o − |) is closer to zero. As a result, the switch transistors M 1 and M 2 operate in the saturation region to separate the oscillator 110 from the ground.

반면, 출력 전압 스윙이 증가하는 경우, Vo +-Vo -가 NMOS 트랜지스터의 임계 전압(Vt)보다 크게 되면, 스위치 트랜지스터(M2)의 게이트-드레인 전압은 +Vt를 초과한다. 이에 따라, 스위치 트랜지스터(M2)는 트리오드(triode) 모드로 동작하게 된다. 이때, 스위치 트랜지스터(M1)의 게이트-드레인 전압은 -Vt 아래로 떨어지고, 이에 따라 스위치 트랜지스터(M1)은 깊은 포화 모드로 동작하게 된다. 트리오드 모드로 동작 중인 스위치 트랜지스터(M2)의 드레인-소스 저항은 차동 전압의 증가와 함께 빠르게 감소한다. 이와 마찬가지로, 스위치 트랜지스터(M1)가 트리오드 모드로 동작하는 경우, 스위치 트랜지스터(M1)의 드레인-소스 저항도 차동 전압의 증가와 함께 빠르게 감소한다. 이에 대하여 도 2를 참고하여 구체적으로 설명한다.On the other hand, when the output voltage swing increases, when V o + −V o − is greater than the threshold voltage V t of the NMOS transistor, the gate-drain voltage of the switch transistor M2 exceeds + V t . As a result, the switch transistor M2 operates in a triode mode. At this time, the gate-drain voltage of the switch transistor M1 drops below −V t , whereby the switch transistor M1 operates in a deep saturation mode. The drain-source resistance of the switch transistor M2 operating in the triode mode decreases rapidly with the increase of the differential voltage. Similarly, when the switch transistor M1 operates in the triode mode, the drain-source resistance of the switch transistor M1 also decreases rapidly with the increase of the differential voltage. This will be described in detail with reference to FIG. 2.

도 2를 참고하면, 출력 노드 Vo -에서 들여다본 부하 임피던스는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 2, the load impedance viewed from the output node V o − may be expressed as Equation 1 below.

Figure 112010076927545-pat00001
Figure 112010076927545-pat00001

여기서, s는 복소 주파수 값이고, C는 캐패시턴스이고, L은 인덕턴스이고, Rp는 발진부(110)의 기생저항이며, Ron은 차동 증폭부(120)의 채널저항이다.Here, s is a complex frequency value, C is a capacitance, L is an inductance, R p is a parasitic resistance of the oscillator 110, R on is the channel resistance of the differential amplifier 120.

수학식 2는 병렬 RLC 회로에서 -3dB 대역으로 정의된 Q 인자(Quality Factor, Q Factor)를 나타낸다.Equation 2 shows a Q factor defined by a -3dB band in a parallel RLC circuit.

Figure 112010076927545-pat00002
Figure 112010076927545-pat00002

여기서, R은 저항이고, C는 캐패시턴스이고, L은 인덕턴스이고, Rp는 발진부(110)의 기생저항이며, Ron은 차동 증폭부(120)의 채널저항이다. 두 개의 스위칭 트랜지스터(M1, M2) 중 하나가 트리오드 모드로 들어가면, 채널저항 Ron은 차동 전압의 증가와 함께 빠르게 감소한다. 이에 따라, Q 인자의 열화가 야기된다.Here, R is a resistance, C is a capacitance, L is an inductance, R p is a parasitic resistance of the oscillator 110, R on is the channel resistance of the differential amplifier 120. When one of the two switching transistors M1 and M2 enters the triode mode, the channel resistance R on decreases rapidly with the increase of the differential voltage. This causes deterioration of the Q factor.

이와 같이, 도 1에서 발진부(110)의 손실을 보상하기 위하여 차동 증폭부(120)가 추가되었음에도 손실은 여전히 발생하고, 낮은 위상 잡음 성능을 나타내게 된다. 이에, Q 인자의 열화를 보상하는 방법을 제안한다.As such, although the differential amplifier 120 is added to compensate for the loss of the oscillator 110 in FIG. 1, the loss still occurs and exhibits low phase noise performance. Accordingly, a method of compensating for deterioration of the Q factor is proposed.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 차동 전압 제어 발진장치를 나타내는 회로도이고, 도 5는 도 4의 등가회로도이며, 도 6은 도 4의 차동 전압 제어 발진장치의 출력전압에 따른 임피던스를 나타내는 도면이다.4 is a circuit diagram illustrating a differential voltage controlled oscillator according to an embodiment of the present invention, FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of FIG. 4, and FIG. 6 illustrates an impedance according to an output voltage of the differential voltage controlled oscillator of FIG. 4. Drawing.

도 4를 참고하면, 차동 전압 제어 발진장치(400)는 입력 전압 신호에 따라 소정의 오실레이션 주파수를 가지는 발진 신호를 생성하는 발진부(410), 발진부(410)에 의하여 생성된 발진 신호를 증폭하는 차동 증폭부(420) 및 차동 증폭부(420)에 연결되고 차동 증폭부(420)로 인한 Q 인자의 열화를 보상하는 디제너레이션 트랜지스터부(430, 440)를 포함한다.Referring to FIG. 4, the differential voltage controlled oscillator 400 amplifies an oscillation unit 410 for generating an oscillation signal having an oscillation frequency according to an input voltage signal, and amplifies the oscillation signal generated by the oscillation unit 410. And a degeneration transistor unit 430 and 440 connected to the differential amplifier 420 and the differential amplifier 420 to compensate for the deterioration of the Q factor due to the differential amplifier 420.

발진부(410)는 인덕터(L1, L2)와 캐패시터(C1, C2)를 포함한다. 인덕터(L1)는 전원전압(Vdd)과 노드(N1) 사이에 연결되고, 인덕터(L2)는 전원전압(Vdd)과 노드(N2) 사이에 연결된다. 캐패시터(C1), 캐패시터(C2)는 노드(N1)와 노드(N2) 사이에 연결되고, 제어전압(Vc)에 의하여 가변 캐패시터로 작용한다.The oscillator 410 includes inductors L1 and L2 and capacitors C1 and C2. The inductor L1 is connected between the power supply voltage Vdd and the node N1, and the inductor L2 is connected between the power supply voltage Vdd and the node N2. The capacitor C1 and the capacitor C2 are connected between the node N1 and the node N2 and act as a variable capacitor by the control voltage Vc.

차동 증폭부(420)는 스위치 트랜지스터(M1, M2)를 포함한다. 스위치 트랜지스터(M1)는 노드(N1)와 접지 사이에 연결되고, 스위치 트랜지스터(M2)는 노드(N2)와 접지 사이에 연결된다. 그리고, 스위치 트랜지스터(M1)의 드레인 단자는 스위치 트랜지스터(M2)의 게이트 단자와 연결된다. 스위치 트랜지스터(M2)의 드레인 단자는 스위치 트랜지스터(M1)의 게이트 단자와 연결된다. 그리고, 스위치 트랜지스터(M1)의 드레인 단자가 연결된 노드(N1)에서는 정극성의 출력 전압(Vo+)이 출력되고, 스위치 트랜지스터(M2)의 드레인 단자가 연결된 노드(N2)에서는 부극성의 출력 전압(Vo-)이 출력된다.The differential amplifier 420 includes switch transistors M1 and M2. The switch transistor M1 is connected between the node N1 and ground, and the switch transistor M2 is connected between the node N2 and ground. The drain terminal of the switch transistor M1 is connected to the gate terminal of the switch transistor M2. The drain terminal of the switch transistor M2 is connected to the gate terminal of the switch transistor M1. The positive output voltage Vo + is output from the node N1 to which the drain terminal of the switch transistor M1 is connected, and the negative output voltage Vo is output from the node N2 to which the drain terminal of the switch transistor M2 is connected. -) Is printed.

디제너레이션 트랜지스터부(430, 440)는 디제너레이션 트랜지스터(M3, M4)를 포함한다. 디제너레이션 트랜지스터(M3)의 드레인 단자는 스위치 트랜지스터(M1)의 소스 단자와 연결되고, 디제너레이션 트랜지스터(M4)의 드레인 단자는 스위치 트랜지스터(M2)의 소스 단자와 연결된다. 그리고, 디제너레이션 트랜지스터(M3)의 게이트 단자는 스위치 트랜지스터(M1)의 드레인 단자와 연결되고, 디제너레이션 트랜지스터(M4)의 게이트 단자는 스위치 트랜지스터(M2)의 드레인 단자와 연결된다.The degeneration transistor unit 430, 440 includes degeneration transistors M3 and M4. The drain terminal of the degeneration transistor M3 is connected to the source terminal of the switch transistor M1, and the drain terminal of the degeneration transistor M4 is connected to the source terminal of the switch transistor M2. The gate terminal of the degeneration transistor M3 is connected to the drain terminal of the switch transistor M1, and the gate terminal of the degeneration transistor M4 is connected to the drain terminal of the switch transistor M2.

도 4, 도 5와 함께, 출력 전압에 따른 임피던스 영향을 설명하는 도 6을 참고하면, 차동 출력 전압(|Vo +-Vo -|)이 작은 경우 디제너레이션 트랜지스터(M3, M4)의 드레인 전압(Vx, Vy)도 작다. 이때, 디제너레이션 트랜지스터(M3, M4)는 트리오드 모드로 동작하는 반면, 스위치 트랜지스터(M1, M2)는 포화 모드로 동작하게 된다. 따라서, 발진부(410)는 접지로부터 분리되고, 디제너레이션 트랜지스터(M3, M4)는 스위치 트랜지스터(M1, M2)에 대하여 디제너레이션 소스로 동작하게 된다. 즉, 디제너레이션 트랜지스터(M3, M4)는 스위치 트랜지스터(M1, M2)의 1/f 잡음을 억제하여 위상 잡음 성능을 개선할 수 있다.4, in conjunction with Figure 5, referring to Figure 6 illustrating the effects of the impedance on the output voltage, the differential output voltage (| V o + -V o - |) is small, if the drain of the degeneration transistors (M3, M4) The voltages Vx and Vy are also small. At this time, the degeneration transistors M3 and M4 operate in the triode mode, while the switch transistors M1 and M2 operate in the saturation mode. Therefore, the oscillator 410 is separated from the ground, and the degeneration transistors M3 and M4 operate as the degeneration source for the switch transistors M1 and M2. That is, the degeneration transistors M3 and M4 may suppress 1 / f noise of the switch transistors M1 and M2 to improve phase noise performance.

한편, 차동 출력 전압이 임계 전압보다 큰(|Vo +-Vo -|>Vt) 대신호 정류상태(large-signal steady-state) 동작 동안, 스위치 트랜지스터(M1, M2) 중 하나는 트리오드 모드로 동작하고, 나머지 하나는 포화 모드로 동작하게 된다. 스위치 트랜지스터(M1)이 트리오드 모드로 동작하면, 디제너레이션 트랜지스터(M3)의 게이트-드레인 전압은 임계 전압 아래로 떨어져 포화 모드로 동작한다. 이와 같이, 스위치 트랜지스터(M2)와 디제너레이션 트랜지스터(M3)가 함께 포화 모드로 동작하거나, 스위치 트랜지스터(M1)와 디제너레이션 트랜지스터(M4)가 함께 포화 모드로 동작한다. 즉, 스위치 트랜지스터(M1, M2) 중 하나가 트리오드 모드로 동작하더라도, 트리오드 모드로 동작 중인 스위치 트랜지스터(M1, M2)에 연결된 디제너레이션 트랜지스터(M3, M4)가 포화 모드로 동작하므로, 임피던스는 항상 높게 유지되고, Q 인자의 열화는 발생하지 않게 된다.On the other hand, the differential output voltage is greater than the threshold voltage (| V o + -V o - |> V t) while in place of the steady state (large-signal steady-state) operation, one of the switching transistors (M1, M2) is a tree, It operates in odd mode and the other in saturation mode. When the switch transistor M1 operates in the triode mode, the gate-drain voltage of the degeneration transistor M3 falls below the threshold voltage to operate in the saturation mode. In this manner, the switch transistor M2 and the degeneration transistor M3 operate together in the saturation mode, or the switch transistor M1 and the degeneration transistor M4 operate together in the saturation mode. That is, even if one of the switch transistors M1 and M2 operates in the triode mode, since the degeneration transistors M3 and M4 connected to the switch transistors M1 and M2 operating in the triode mode operate in the saturation mode, impedance Is always kept high, and deterioration of the Q factor does not occur.

도 7은 종래의 전압 제어 발진장치와 본 발명의 한 실시예에 따른 전압 제어 발진장치의 위상 잡음 성능에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.7 is a view showing a simulation result of the phase noise performance of a conventional voltage controlled oscillator and a voltage controlled oscillator according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참고하면, 10kHz, 100kHz 및 1000kHz의 주파수 오프셋에서 종래의 전압 제어 발진장치에 비하여 제안 발명의 전압 제어 발진장치의 위상 잡음이 4.7~10.5dBc/Hz 만큼 개선되었음을 알 수 있다.Referring to FIG. 7, it can be seen that the phase noise of the voltage controlled oscillator of the present invention is improved by 4.7 to 10.5 dBc / Hz at frequency offsets of 10 kHz, 100 kHz, and 1000 kHz.

도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 전압 제어 발진장치의 오실레이션 주파수 및 제어 전압에 대한 위상 잡음 성능을 나타내는 그래프이다.8 is a graph illustrating phase noise performance of an oscillation frequency and a control voltage of a voltage controlled oscillator according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 8을 참고하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 전압 제어 발진장치는 4.69GHz 내지 5.3GHz의 오실레이션 주파수 범위를 가질 수 있다. 그리고, 1MHz의 주파수 오프셋, 0V 내지 1.8V의 제어 전압 범위에서 -117.6GBc/Hz 내지 -121.5dBc/Hz의 위상 잡음 성능을 나타낸다. Referring to FIG. 8, the voltage controlled oscillator according to an embodiment of the present invention may have an oscillation frequency range of 4.69 GHz to 5.3 GHz. It exhibits a phase noise performance of -117.6 GBc / Hz to -121.5 dBc / Hz at a frequency offset of 1 MHz and a control voltage range of 0 V to 1.8 V.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다. The embodiments of the present invention described above are not only implemented through the apparatus and the method, but may be implemented through a program for realizing a function corresponding to the configuration of the embodiments of the present invention or a recording medium on which the program is recorded.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.

Claims (11)

입력 전압 신호에 따라 소정의 오실레이션 주파수를 가지는 발진 신호를 생성하는 발진부,
상기 발진 신호를 증폭하며, 정극성의 신호를 드레인 단자로 출력하는 제1 트랜지스터와 부극성의 신호를 드레인 단자로 출력하는 제2 트랜지스터를 가지는 차동 증폭부,
상기 제1 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 정극성의 출력 신호를 감지하여 동작하는 제1 디제너레이션 트랜지스터, 그리고
상기 제2 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 부극성의 출력 신호를 감지하여 동작하는 제2 디제너레이션 트랜지스터를 포함하고,
상기 제1 트랜지스터와 상기 제2 트랜지스터는 상기 정극성의 출력 신호와 상기 부극성의 출력 신호의 차에 기초하여 동작하되,
상기 정극성의 출력 신호와 상기 부극성의 출력 신호의 차가 임계값을 초과하면, 상기 제1 디제너레이션 트랜지스터 또는 상기 제2 디제너레이션 트랜지스터를 통하여 정전류가 흐르는 전압 제어 발진장치.An oscillator for generating an oscillation signal having a predetermined oscillation frequency according to an input voltage signal,
A differential amplifier which amplifies the oscillation signal and has a first transistor for outputting a positive signal to a drain terminal and a second transistor for outputting a negative signal to a drain terminal;
A first degeneration transistor connected to a source terminal of the first transistor and operating by sensing the positive output signal;
A second degeneration transistor connected to a source terminal of the second transistor and operating by sensing the negative output signal;
The first transistor and the second transistor is operated based on the difference between the positive output signal and the negative output signal,
And a constant current flows through the first degeneration transistor or the second degeneration transistor when the difference between the positive output signal and the negative output signal exceeds a threshold value. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 발진부는 전원전압과 제1 노드 사이에 연결되는 제1 인덕터, 상기 전원전압과 제2 노드 사이에 연결되는 제2 인턱터, 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되고, 입력 전압 신호의 제어에 기초하여 가변하는 캐패시터를 포함하는 전압 제어 발진장치.The method of claim 1,
The oscillator is connected to a first inductor connected between a power supply voltage and a first node, a second inductor connected between the power supply voltage and a second node, and is connected between a first node and a second node to control an input voltage signal. Voltage controlled oscillator comprising a capacitor that is variable based. 제4항에 있어서,
상기 제1 트랜지스터의 드레인 단자는 상기 제2 트랜지스터의 게이트 단자와 연결되고, 상기 제2 트랜지스터의 드레인 단자는 상기 제1 트랜지스터의 게이트 단자와 연결되는 전압 제어 발진장치. The method of claim 4, wherein
And a drain terminal of the first transistor is connected to a gate terminal of the second transistor, and a drain terminal of the second transistor is connected to a gate terminal of the first transistor. 제5항에 있어서,
상기 제1 디제너레이션 트랜지스터의 게이트 단자는 상기 제1 트랜지스터의 드레인 단자와 연결되고, 상기 제2 디제너레이션 트랜지스터의 게이트 단자는 상기 제2 트랜지스터의 드레인 단자와 연결되는 전압 제어 발진장치.The method of claim 5,
And a gate terminal of the first degeneration transistor is connected to a drain terminal of the first transistor, and a gate terminal of the second degeneration transistor is connected to a drain terminal of the second transistor. 전압 제어 발진장치의 구동방법에 있어서,
입력 전압 신호에 따라 소정의 오실레이션 주파수를 가지는 발진 신호를 제공하는 단계,
상기 발진 신호를 증폭하며, 정극성의 신호를 제1 트랜지스터의 드레인 단자로 출력하고, 부극성의 신호를 제2 트랜지스터의 드레인 단자로 출력하는 단계, 그리고
제1 트랜지스터 또는 상기 제2 트랜지스터의 동작 모드에 따라 이들 중 하나의 소스 단자에 정전류 원을 제공하는 단계를 포함하고,
상기 정전류 원을 제공하는 단계는,
상기 제1 트랜지스터 또는 상기 제2 트랜지스터가 트리오드 모드로 동작하는 경우, 상기 제1 트랜지스터의 소스 단자에 연결되는 제1 디제너레이션 트랜지스터 또는 상기 제2 트랜지스터의 소스 단자에 연결되는 제2 디제너레이션 트랜지스터는 정전류 원으로 동작하는 단계를 포함하는 구동방법.In the method of driving a voltage controlled oscillator,
Providing an oscillation signal having a predetermined oscillation frequency according to an input voltage signal,
Amplifying the oscillation signal, outputting a positive signal to the drain terminal of the first transistor, and outputting a negative signal to the drain terminal of the second transistor, and
Providing a constant current source to one of these source terminals in accordance with an operation mode of the first transistor or the second transistor,
Providing the constant current source,
When the first transistor or the second transistor operates in the triode mode, the first degeneration transistor connected to the source terminal of the first transistor or the second degeneration transistor connected to the source terminal of the second transistor may include A drive method comprising the step of operating as a constant current source. 삭제delete 무선 통신 시스템에 있어서,
무선 신호를 송수신하는 RF(Radio Frequency) 장치, 그리고
상기 RF 장치에 의하여 신호를 수신하거나 송신하기 위하여 발진 신호를 생성하는 전압 제어 발진장치를 포함하고,
상기 전압 제어 발진장치는
입력 전압 신호에 따라 소정의 오실레이션 주파수를 가지는 발진 신호를 생성하는 발진부,
상기 발진 신호를 증폭하며, 정극성의 신호를 드레인 단자로 출력하는 제1 트랜지스터와 부극성의 신호를 드레인 단자로 출력하는 제2 트랜지스터를 가지는 차동 증폭부,
상기 제1 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 정극성의 출력 신호를 감지하여 동작하는 제1 디제너레이션 트랜지스터, 그리고
상기 제2 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 부극성의 출력 신호를 감지하여 동작하는 제2 디제너레이션 트랜지스터를 포함하고,
상기 제1 트랜지스터와 상기 제2 트랜지스터는 상기 정극성의 출력 신호와 상기 부극성의 출력 신호의 차에 기초하여 동작하되,
상기 정극성의 출력 신호와 상기 부극성의 출력 신호의 차가 임계값을 초과하면, 상기 제1 디제너레이션 트랜지스터 또는 상기 제2 디제너레이션 트랜지스터를 통하여 정전류가 흐르는 무선 통신 시스템.In a wireless communication system,
RF (Radio Frequency) device for transmitting and receiving radio signals, and
A voltage controlled oscillator for generating an oscillation signal for receiving or transmitting a signal by the RF device,
The voltage controlled oscillator
An oscillator for generating an oscillation signal having a predetermined oscillation frequency according to an input voltage signal,
A differential amplifier which amplifies the oscillation signal and has a first transistor for outputting a positive signal to a drain terminal and a second transistor for outputting a negative signal to a drain terminal;
A first degeneration transistor connected to a source terminal of the first transistor and operating by sensing the positive output signal;
A second degeneration transistor connected to a source terminal of the second transistor and operating by sensing the negative output signal;
The first transistor and the second transistor is operated based on the difference between the positive output signal and the negative output signal,
And a constant current flows through the first degeneration transistor or the second degeneration transistor when the difference between the positive output signal and the negative output signal exceeds a threshold. 입력 전압 신호에 따라 소정의 오실레이션 주파수를 가지는 발진 신호를 생성하는 발진부,
상기 발진 신호를 증폭하며, 정극성의 신호를 드레인 단자로 출력하는 제1 트랜지스터와 부극성의 신호를 드레인 단자로 출력하는 제2 트랜지스터를 가지는 차동 증폭부,
상기 제1 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 정극성의 출력 신호를 감지하여 동작하는 제1 디제너레이션 트랜지스터, 그리고
상기 제2 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 부극성의 출력 신호를 감지하여 동작하는 제2 디제너레이션 트랜지스터를 포함하고,
상기 제1 디제너레이션 트랜지스터의 게이트 단자는 상기 제1 트랜지스터의 드레인 단자와 연결되고, 상기 제2 디제너레이션 트랜지스터의 게이트 단자는 상기 제2 트랜지스터의 드레인 단자와 연결되는 전압 제어 발진장치.An oscillator for generating an oscillation signal having a predetermined oscillation frequency according to an input voltage signal,
A differential amplifier which amplifies the oscillation signal and has a first transistor for outputting a positive signal to a drain terminal and a second transistor for outputting a negative signal to a drain terminal;
A first degeneration transistor connected to a source terminal of the first transistor and operating by sensing the positive output signal;
A second degeneration transistor connected to a source terminal of the second transistor and operating by sensing the negative output signal;
And a gate terminal of the first degeneration transistor is connected to a drain terminal of the first transistor, and a gate terminal of the second degeneration transistor is connected to a drain terminal of the second transistor. 제10항에 있어서,
상기 발진부는 전원전압과 제1 노드 사이에 연결되는 제1 인덕터, 상기 전원전압과 제2 노드 사이에 연결되는 제2 인턱터, 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되고, 입력 전압 신호의 제어에 기초하여 가변하는 캐패시터를 포함하는 전압 제어 발진장치.The method of claim 10,
The oscillator is connected to a first inductor connected between a power supply voltage and a first node, a second inductor connected between the power supply voltage and a second node, and is connected between a first node and a second node to control an input voltage signal. Voltage controlled oscillator comprising a capacitor that is variable based.
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