KR20090008890A - Multiband Inductors and Voltage-Controlled Oscillators Using the Same - Google Patents

Abstract

Translated fromKorean

본 발명은 다중 대역 인덕터와 이를 이용한 전압 제어 발진기에 관한 것이다. 본 발명은 최소의 면적으로 다중 대역을 지원하는 인덕터를 제안하며, 이러한 다중 대역 인덕터를 이용하면 주파수 대역에 구애 받지 않고 언제 어디서나 자유롭게 무선 채널을 액세스하고 특정 채널을 임의로 선택하기 위한 다중 대역 전압 제어 발진기를 구현할 수 있다.The present invention relates to a multi-band inductor and a voltage controlled oscillator using the same. The present invention proposes an inductor that supports a multiband with a minimum area, and using the multiband inductor, a multiband voltage controlled oscillator for freely accessing a wireless channel anytime and anywhere and arbitrarily selecting a specific channel regardless of frequency band Can be implemented.

Description

Translated fromKorean

다중 대역 인덕터와 이를 이용한 전압 제어 발진기{MULTI-BAND INDUCTOR AND VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR USING THE SAME}MULTI-BAND INDUCTOR AND VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR USING THE SAME}

본 발명은 다중 대역 인덕터와 이를 이용하여 다중 대역 다중 모드를 구현하는 전압 제어 발진기에 관한 것이다.The present invention relates to a multi band inductor and a voltage controlled oscillator for implementing a multi band multi mode using the same.

현재 전세계적인 무선 통신, 특히 이동 통신 환경은 유럽의 GSM(Global System for Mobile telecommunication), 북미의 D-AMPS(Digital-Advanced Mobile Phone Service system), 일본의 PDC(Personal Digital Cellular telecommunication system)와 PHS(Personal Handyphone System), 그리고 우리나라의 IS-95 CDMA(Code Division Multiple Access)와 같은 다양한 다중 모드 2세대 디지털 시스템들이 주류를 이루고 있다. 또한 전세계적인 로밍 서비스를 목표로 단일 규격화를 추진하였던 3세대 광대역 IMT-2000(International Mobile Telecommunication-2000) 규격 역시 특성이 상이한 북미의 3GPP2 CDMA2000과 유럽/일본의 3GPP W-CDMA(Wideband-CDMA) 시스템으로 크게 이분화되어 국지적으로 상용화될 예정이다. 결국 국지적인 2세대 및 3세대 이동 통신 규격들은 서로 상이한 무선 인터페이스와 비호환적인 접속 프로토콜로 인하여 각기 별도의 독립적인 송수신 시스템을 요구하므로 이들 시 스템간의 로밍이 매우 어려운 것이 사실이다. 예를 들면 GSM의 경우 전세계적으로 850, 900, 1800, 1900 MHz 대역의 주파수가 혼용되고 있는 상황이다.Currently, the world's wireless communication, especially mobile communication environment is the Global System for Mobile telecommunications (GSM) in Europe, the Digital-Advanced Mobile Phone Service system (D-AMPS) in North America, the Personal Digital Cellular telecommunication system (PDC) and PHS (PDC) in Japan. Various multi-mode second-generation digital systems such as Personal Handyphone System (CDMA) and Korea's IS-95 Code Division Multiple Access (CDMA) are the mainstream. In addition, the 3G broadband International Mobile Telecommunication-2000 (IMT-2000) standard, which pursued a single standardization aimed at global roaming service, also has 3GPP2 CDMA2000 in North America and 3GPP Wideband-CDMA (W-CDMA) system in Europe and Japan. It will be divided into two parts and commercialized locally. As a result, local second and third generation mobile communication standards require separate independent transmission and reception systems due to different air interfaces and incompatible access protocols, and thus, roaming between these systems is very difficult. For example, in the case of GSM, frequencies in the 850, 900, 1800, and 1900 MHz bands are mixed around the world.

국지적으로 상용화되고 있거나 장래에 출현할 다양한 이동 통신 시스템 규격들 및 이에 대해 사업자들에게 할당되는 주파수 대역들이 서로 다른 점을 고려할 때, 사용자의 관점에서는 이종 시스템 혹은 사업자들에게 할당된 주파수 대역에 구애 받지 않고 언제 어디서나 자유롭게 무선 채널을 액세스하고 특정 채널을 임의로 선택하기 위한 멀티밴드 멀티모드(Multi-Band Multi Mode) 실현이 필수적이다.Considering the different mobile communication system standards that are commercially available or appearing in the future and the frequency bands allocated to operators for them, from a user's point of view, regardless of the frequency bands assigned to heterogeneous systems or operators It is essential to realize a multi-band multi-mode for freely accessing a wireless channel anytime and anywhere and arbitrarily selecting a specific channel.

그러나 현재의 멀티밴드 멀티모드 소자로 전체 통신 규격을 감당하기 위해서는 소자의 크기와 가격 및 복잡성의 증가를 피할 수 없다. 그러므로 소자를 최소한으로 줄이고, 멀티밴드 멀티모드를 구현하는 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator, 이하 VCO라 한다)의 개발이 중요한 기술 분야로 부각되고 있다.However, increasing the size, cost and complexity of the device is inevitable in order to meet the entire communication specification with current multiband multimode devices. Therefore, the development of a voltage controlled oscillator (VCO) that minimizes devices and implements multiband multimode has emerged as an important technical field.

도 1은 종래 기술에 따른 VCO의 구조를 나타낸 것이다.1 shows the structure of a VCO according to the prior art.

도 1을 참조하면, VCO는 전원 스위치 또는 전류 소스(110), 증폭기(120), 인덕터 기반 공진기(130), 증폭기(140)를 포함한다. 일반적으로 VCO에서는 인덕터(L)와 커패시터(Bank C, Varator C)로 구성된 공진기(130)를 제어하여 원하는 주파수를 만든다. 특히 공진부의 커패시터를 가변하여 주파수를 만드는데, 그 가변 범위는 1GHz 이내에서 만들어 주어야 어느 정도 특성을 만족하는 VCO를 설계할 수 있다. 즉, 도 1과 같은 일반적인 VCO 구조는, 1GHz 이내의 대역에서만 적용이 가능하기 때문에 서로 상이한 주파수 대역, 특히 1GHz 이상의 주파수 대역에서는 적용이 불가능하다. 그러므로 서로 상이한 주파수 대역을 만들기 위해서 여러 다른 기술이 적용되고 있다.Referring to FIG. 1, the VCO includes a power switch orcurrent source 110, anamplifier 120, an inductor basedresonator 130, and anamplifier 140. In general, the VCO controls theresonator 130 including the inductor (L) and the capacitor (Bank C, Varator C) to produce the desired frequency. In particular, the capacitor is made by varying the capacitor of the resonator, and the variable range must be made within 1 GHz to design a VCO that satisfies a certain characteristic. That is, the general VCO structure as shown in FIG. 1 is applicable only to a band within 1 GHz, and thus cannot be applied to different frequency bands, particularly to a frequency band of 1 GHz or more. Therefore, different techniques are applied to make different frequency bands.

종래의 멀티밴드 기술을 대표하는 방법으로서 미국특허공개 2006/0033602(Variable integrated inductor)를 살펴보면, 인덕터에 스위치를 만들어 인덕터 자체를 가변할 수 있도록 하였다. 그러나 미국특허공개 2006/0033602는 인덕터에 스위치용 모스트랜지스터(MOSFET)를 사용하기 때문에 순수한 인덕터를 사용한 VCO에 비해서는 그 특성이 열화된다.Looking at the US Patent Publication 2006/0033602 (Variable integrated inductor) as a representative method of the conventional multi-band technology, by making a switch in the inductor to be able to vary the inductor itself. However, U.S. Patent Publication 2006/0033602 uses a MOSFET for a switch in an inductor, which deteriorates its characteristics compared to a VCO using a pure inductor.

종래의 멀티밴드 기술을 대표하는 다른 방법으로서 미국등록특허7154349(Coupled-Inductor Multi-Band VCO)를 보면, 결합 인덕터를 사용하였으며 상호 인덕턴스를 조절함으로써 다중 대역의 VCO를 구현하였다. 미국등록특허 7154349는 스위치를 사용하지 않기 때문에 VCO 특성 열화를 하지 않고 다중 대역의 주파수를 만들 수 있으며, 결합 인덕터를 사용하기 때문에 일반 인덕터보다 우수한 특성의 VCO 설계가 가능하다. 그러나 상호 인턱스의 변화에 의하여 원하는 주파수를 만들기 때문에 한 주파수에 대하여만 인덕터의 설계 특성이 최적화되며, 따라서 한 주파수에서는 발진 특성은 우수할 수 있으나 다른 주파수로 가변하였을 때 VCO 특성이 열화될 수 있다.As another method representing the conventional multiband technology, U.S. Patent 7154349 (Coupled-Inductor Multi-Band VCO) uses a coupling inductor and implements a multi-band VCO by controlling mutual inductance. U.S. Patent 7154349 does not use a switch, so it is possible to make a multi-band frequency without degrading the VCO characteristics, and a combined inductor enables the design of a VCO having better characteristics than a general inductor. However, the design characteristics of the inductor are optimized only for one frequency because the desired frequency is made by the change of mutual inductance. Therefore, the oscillation characteristic may be excellent at one frequency, but the VCO characteristic may be degraded when it is changed to another frequency. .

따라서 서로 상이한 주파수 대역에서 원하는 주파수를 만들어 주기 위해서는 2개 이상의 VCO를 사용해야 한다. 그런데 도 2에 도시한 바와 같이 VCO 면적의 60% 이상을 인덕터가 차지하기 때문에 2개 이상의 VCO를 사용할 경우에 VCO가 차지하는 면적이 필요 이상으로 증가하게 된다.Therefore, two or more VCOs must be used to produce desired frequencies in different frequency bands. However, as shown in FIG. 2, since 60% or more of the VCO area is occupied by the inductor, when two or more VCOs are used, the area occupied by the VCO increases more than necessary.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 하나의 인덕터 면적으로 두 개의 인덕터를 넣을 수 있는 새로운 구조의 다중 대역 인덕터를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a multi-band inductor of a new structure that can put two inductors in one inductor area.

또한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 VCO가 차지하는 면적을 최대한 줄이면서 다중 대역의 주파수를 커버할 수 있는 VCO를 제공하는 것이다.In addition, the problem to be solved by the present invention is to provide a VCO that can cover the frequency of the multi-band while reducing the area occupied by the VCO.

본 발명의 실시예에 따르면, 제1 인덕턴스를 가지며, 제1 반경을 가지도록 배치되는 제1 코일과, 제2 인덕턴스를 가지며, 상기 제1 코일의 내부에 상기 제1 반경보다 작은 제2 반경을 가지도록 배치되는 제2 코일을 포함한다.According to an embodiment of the present invention, a first coil having a first inductance and disposed to have a first radius, and having a second inductance, having a second radius smaller than the first radius inside the first coil And a second coil disposed to have.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 다중 동작 주파수들을 발생시킬 수 있는 다중 대역 전압 제어 발진기에 있어서, 제1 반경을 가지도록 배치되는 제1 코일과, 상기 제1 코일의 내부에 상기 제1 반경보다 작은 제2 반경을 가지도록 배치되는 제2 코일을 포함하는 다중 대역 인덕터와, 제1 공진 커패시터부가 상기 제1 코일과 함께 동작하여 제1 주파수를 가지는 신호를 발생시키며, 상기 발생된 제1 주파수를 가지는 신호가 제1 커패시터와 제2 커패시터를 통하여 각각 제1 포지티브 출력단과 제2 네거티브 출력단으로 출력되는 제1 전압 제어 발진부와, 상기 제1 포지티브 출력단 및 제1 네거티브 출력단과 각각 전기적으로 연결되는 제2 포지티브 출력단 및 제2 네거티브 출력단을 가지며, 제2 공진 커패시터부가 상기 제2 코일과 함께 동작하여 제2 주파수를 가지는 신호를 발생시키며, 상기 발생된 제2 주파수를 가지는 신호가 제3 커패시터와 제4 커패시터를 통하여 각각 상기 제2 포지티브 출력단과 상기 제2 네거티브 출력단으로 출력되는 제2 전압 제어 발진부와, 상기 제1 전압 제어 발진부와 상기 제2 전압 제어 발진부가 선택적으로 동작하도록 제어하는 스위치부를 포함한다.In addition, according to an embodiment of the present invention, in a multi-band voltage controlled oscillator capable of generating multiple operating frequencies, the first coil disposed to have a first radius, and the first coil inside the first coil than the first radius A multi-band inductor including a second coil disposed to have a small second radius, and a first resonant capacitor unit operating together with the first coil to generate a signal having a first frequency, and generating the generated first frequency. A second voltage controlled oscillator having a signal output to a first positive output terminal and a second negative output terminal through a first capacitor and a second capacitor, respectively, and a second electrically connected to the first positive output terminal and the first negative output terminal, respectively. Having a positive output stage and a second negative output stage, wherein a second resonant capacitor portion operates with the second coil to have a second frequency; A second voltage controlled oscillator for generating a signal and outputting a signal having the generated second frequency to the second positive output terminal and the second negative output terminal, respectively, through a third capacitor and a fourth capacitor; And a switch unit for controlling the control oscillator and the second voltage controlled oscillator to selectively operate.

이하에서 개시되는 발명 중 대표적인 것에 의해 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.When the effect obtained by the typical thing of the invention disclosed below is demonstrated briefly, it is as follows.

주파수 대역에 구애 받지 않고 언제 어디서나 자유롭게 무선 채널을 액세스하고 또한 특정 채널을 임의로 선택하기 위한 멀티밴드 멀티모드(Multi-Band Multi Mode)를 실현하기 위해 적용되는 송수신부의 VCO 설계시, 본 발명에 따른 인덕터를 이용하면 효율적으로 멀티밴드 멀티모드(Multi-Band Multi Mode)의 구현이 가능하다. 또한 본 발명에 따른 다중 대역 VCO는 다양한 발진기 토폴로지들로 구현될 수 있으며 다양한 IC(Integrated Circuit) 기술들 또는 개별 소자들에도 적용될 수 있다. 또한 LNA(Low Noise Amplifier),믹서(Mixer),PA(Power Amplifier) 등의 소자에도 본 발명에 따른 다중 대역 인덕터를 적용하면 다중 대역의 주파수를 적용하는 소자를 개발할 수 있다.Inductor according to the present invention in the design of VCO of a transmitter / receiver applied to realize a multi-band multi-mode for freely accessing a wireless channel anytime and anywhere regardless of frequency band and arbitrarily selecting a specific channel By using the multi-band multi-mode (Multi-Band Multi Mode) can be efficiently implemented. In addition, the multi-band VCO according to the present invention may be implemented in various oscillator topologies and may be applied to various integrated circuit (IC) technologies or individual devices. In addition, when the multi-band inductor according to the present invention is applied to devices such as a low noise amplifier (LNA), a mixer (Mixer), and a power amplifier (PA), a device for applying a frequency of a multi-band can be developed.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the operating principle of the embodiment of the present invention. In the following description of the present invention, detailed descriptions of well-known functions or configurations will be omitted if it is determined that the detailed description of the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention. Terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, and may be changed according to intentions or customs of users or operators. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the specification.

본 발명은 복수의 대역의 주파수를 커버하기 위하여 복수의 VCO를 만들고, 복수의 VCO들 중 하나를 선택적으로 동작시키기 위하여 스위치를 사용한다. 또한 복수의 VCO가 차지하는 면적을 최소화하기 위하여 새로운 구조의 다중 대역 인덕터를 제안한다.The present invention creates a plurality of VCOs to cover the frequencies of the plurality of bands, and uses a switch to selectively operate one of the plurality of VCOs. In addition, we propose a new multi-band inductor structure to minimize the area occupied by multiple VCOs.

도 4와 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 인덕터의 구조를 나타낸 것이다.4 and 5 show the structure of a multi-band inductor according to an embodiment of the present invention.

도 4를 도 2와 비교하면, 도 4에서는 도 2에서 하나의 인덕터(L1)를 배치하고 남은 공간에 다른 인덕터(L2)를 배치하여 다중 대역 인덕터를 구성하였다. 또한 도 5를 보면 네 개의 인덕터(L1, L2, L3, L4)로 다중 대역 인덕터를 구성하였으나, 인덕터가 차지하는 면적은 도 2의 하나 또는 도 4의 두 개의 인덕터가 차지하는 면적과 거의 차이가 없다.4 is compared with FIG. 2, in FIG. 4, one inductor L1 is disposed in FIG. 2, and another inductor L2 is disposed in the remaining space to configure a multi-band inductor. In addition, although the multi-band inductor is composed of four inductors L1, L2, L3, and L4, the area occupied by the inductor is almost the same as the area occupied by one or two inductors of FIG.

다음, 본 발명의 실시예에 따른 VCO의 구조를 설명하기에 앞서 일반적인 VCO 설계에 대하여 설명한다.Next, a general VCO design will be described before explaining the structure of the VCO according to an embodiment of the present invention.

일반적으로 저주파에서는 크리스탈류의 자가공진 발진기를 이용하며, 고주파에서는 능동소자와 직류(DC) 전원을 이용하여 특정한 주파수의 신호를 생성해내는 방식으로 발진기를 만든다.In general, at low frequencies, crystal resonator oscillators are used. At high frequencies, active elements and direct current (DC) power sources are used to generate signals of a specific frequency.

발진기는 특정 주파수의 신호를 만들어내는 주파수원이다. VCO는 RF(Radio Frequency) 시스템에서 믹서에 기준 주파수원을 공급해주기 위한 주파수 소스원을 말한다. 발진기의 동작원리는 증폭기류의 발진현상(oscillation)의 원리와 동일하다.An oscillator is a frequency source that produces a signal of a certain frequency. A VCO is a frequency source source for supplying a reference frequency source to a mixer in a radio frequency (RF) system. The operating principle of the oscillator is the same as the principle of oscillation of the amplifier.

발진기가 어떤 피드백 루프(feedback loop)와 이득(gain)을 가지면 특정 주파수원의 에너지가 돌면서 누적되게 되며, 이러한 발진을 공진(resonance)이라고 한다. 그러므로 피드백 루프에는 정확하게 원하는 주파수를 선택해서 발진시킬 수 있는 공진부(resonator)가 포함되며, 따라서 루프 안에서는 공진부에 의해 선택된 특정 주파수만 돌게 된다. 이와 같이 피드백 루프 내에서 특정 주파수만 감쇠가 되지 않게, 즉 주파수 선택 특성을 갖도록 공진부를 삽입하면 원하는 주파수만 발진한다.When an oscillator has a feedback loop and gain, the energy of a specific frequency source accumulates and spins. This oscillation is called resonance. Therefore, the feedback loop includes a resonator capable of accurately selecting and oscillating a desired frequency, so that only a specific frequency selected by the resonator rotates in the loop. As such, when the resonator is inserted such that only a specific frequency is not attenuated in the feedback loop, that is, the frequency selection characteristic oscillates only a desired frequency.

일반적으로 저항(resistance)이란 개념은, 입력된 전력을 열로 소모하는 소모성 소자이다. 이 경우에 당연히 저항값은 양(+)의 기호가 된다. 그렇다면 음(-) 저항이란 결국 저항의 개념의 연장선 그대로 이해있다. 반대로 음(-)의 저항은 전력을 생성해낸다. 그러나 실제로 음의 저항은, 어떤 물리적으로 존재하는 특수 저항소자를 말하는 것은 아니라 엄밀히 말해서 전력이 생성되는 과정을 표현하기 위한 개념적인 용어이다. 이는 마치 발진의 에너지원처럼 표현된다. 따라서 음의 저항은 DC 전원을 받아서 RF 전력으로 변환하는 발진기와 관련하여 주로 사용된다.In general, the concept of resistance is a consumable device that consumes input power as heat. In this case, of course, the resistance value is a positive sign. Then, negative resistance is understood as an extension of the concept of resistance. Negative resistance, on the other hand, generates power. In practice, however, negative resistance is not a term for any physically specific resistive element, but rather a conceptual term for expressing the process by which power is generated. This is expressed as an energy source of oscillation. Negative resistance is therefore commonly used in conjunction with oscillators that receive a DC power source and convert it into RF power.

이것은 결국 마치 입력측에서 신호가 반사되는 개념처럼 묘사된다. 일반적으로 반사되는 전력은 입사되는 전력보다 작아야 정상이지만, 발진상태에서는 반사계수가 1(=0dB)을 넘어서게 되면 DC만 인가한 상태에서 RF의 입력 없이도 새로운 주 파수의 RF 신호를 생성하여 반사전력을 만든다. 이는 일반적으로 증폭기나 액티브 믹서(active mixer)의 설계시 반사계수가 1을 넘으면 발진이 일어나고 있다고 판단하는 것과 동일하다. 이렇게 입력측에서 반사되는 전력이 입력측으로 나간 전력보다 더 큰 전력이 되어 돌아오기 때문에, 입력측의 부하가 전력을 소모하는 양의 저항이 아닌 음의 저항이 된다. 결과적으로 피드백에 의해 축적되는 발진주파수 에너지는 음의 저항으로 표현될 수 있다.This is, in the end, depicted as a concept in which signals are reflected at the input side. In general, the reflected power should be smaller than the incident power, but in the oscillation state, when the reflection coefficient exceeds 1 (= 0dB), the reflected power is generated by generating a new frequency RF signal without inputting RF with only DC applied. Make. This is generally the same as determining that oscillation occurs when the reflection coefficient exceeds 1 when designing an amplifier or an active mixer. Since the power reflected from the input side returns to be greater than the power output to the input side, the load on the input side becomes a negative resistance instead of a positive resistance consuming power. As a result, the oscillation frequency energy accumulated by the feedback can be expressed as a negative resistance.

음의 저항(negative resistance)의 개념을 이용하여 입력측의 임피던스 값을 통해서 발진 상태를 체크할 수 있는데, 기본적인 발진조건은 입력측의 음의 저항의 절대값이 출력측의 부하저항보다 커야한다. 또한 발진이 시작되면 음의 저항의 절대값이 줄어드는데, 이때 그 값이 출력측의 부하저항의 값과 같아지면 발진의 증가가 멈추고 고정되어 일정한 주파수와 크기의 사인파(sinewave) 신호를 출력하는 정상상태(steady state)에 도달한다.The concept of negative resistance can be used to check the oscillation state through the impedance value of the input side. The basic oscillation condition is that the absolute value of the negative resistance of the input side must be greater than the load resistance of the output side. In addition, when the oscillation starts, the absolute value of the negative resistance decreases. At this time, when the value is equal to the value of the load resistance on the output side, the increase in the oscillation stops and is fixed, thereby outputting a sine wave signal of a constant frequency and magnitude. reach steady state.

단순하게 생각하면 LC 럼프드(lumped) 소자만으로도 간단히 공진을 유발할 수는 있지만, 이러한 공진 회로는 초고주파 발진에서 사용하려면 Q값이나 기타 문제로 사용이 제한적이다. In simple terms, LC lumped devices alone can cause resonance, but these resonant circuits are limited to Q values or other problems for use in ultra-high frequency oscillations.

상기와 같은 원리로 동작하는 발진기는 특정한 주파수의 신호를 생성한다. 그런데 시스템에서 하나의 주파수만을 사용하는 경우는 거의 없으며, 정해진 대역(band) 내에서 여러 주파수를 골라가며 사용하는 경우가 많다. 따라서 여러 주파수들을 만들어내는 발진기가 따로 따로 구비되어 있어야 되는데, 발진기에서 주파수를 결정하는 곳은 공진부이다. 따라서 공진부의 특성을 가변하면 공진주파수를 바꿀 수 있다. 공진은 기본적으로 인덕턴스(L)와 커패시턴스(C) 성분의 에너지 교환이므로, 공진부의 특성을 가변하려면 L이나 C에 해당하는 성분을 가변하면 된다. 이때 L과 C를 모두 바꿀 필요 없이 어느 한쪽만 바꾸어도 공진주파수는 쉽게 가변할 수 있다. 가장 일반적인 방식은 공진부의 커패시턴스를 가변하는 방식이며, 이를 위해 배랙터(varactor)라는 다이오드를 이용한다. 배랙터 다이오드는 입력 전압에 따라 커패시턴스 값이 변하는 다이오드이다. 즉, 전압가변 커패시터이다. 따라서 배랙터의 커패시턴스를 가변하면 공진부의 공진주파수가 가변되고 결국 발진주파수가 가변된다. 바로 이러한 원리를 이용하여 만들어지는 것이 VCO이다.An oscillator operating on the same principle produces a signal of a particular frequency. By the way, the system rarely uses only one frequency, and many users select several frequencies within a predetermined band. Therefore, the oscillator for generating several frequencies should be provided separately, and the place of determining the frequency in the oscillator is the resonator. Therefore, the resonance frequency can be changed by varying the characteristics of the resonator. Since resonance is basically an energy exchange between the inductance L and the capacitance C components, the component corresponding to L or C may be changed to change the characteristics of the resonator unit. At this time, the resonance frequency can be easily changed by changing only one side without changing both L and C. The most common method is to vary the capacitance of the resonator, and for this purpose, a diode called a varactor is used. Varactor diodes are diodes whose capacitance varies with input voltage. That is, it is a voltage variable capacitor. Therefore, if the capacitance of the varactor is varied, the resonant frequency of the resonator unit is changed, and thus the oscillation frequency is changed. It is this VCO that is built using this principle.

시스템에서 원하는 주파수를 생성하기 위해서는 정해진 사용 주파수대역 범위 내의 주파수를 생성할 수 있는 VCO가 필요하다. 실제로 VCO는 전압에 의해 가변되지만, 온도변화나 전압불안정과 같은 외부적 영향에 의해서도 가변된다. 즉 원하는 발진 주파수가 고정되지 않고 외부 요인에 의해 흔들리게 되는데, 이와 같이 원천적인 주파수원이 흔들리면 시스템이 정상적으로 동작할 수 없다. 그래서 VCO의 주파수 안정성을 향상시키기 위한 각종 기술이 필요한데, 이런 일련의 과정을 주파수 고정(locking)이라고 한다.In order to generate the desired frequency in the system, a VCO is needed that can generate frequencies within the defined frequency band range. In practice, the VCO varies with voltage, but also with external influences such as temperature changes and voltage instability. In other words, the desired oscillation frequency is not fixed and is shaken by external factors. Thus, if the original frequency source is shaken, the system cannot operate normally. Therefore, various techniques are needed to improve the frequency stability of the VCO. This series of processes is called frequency locking.

배경기술에서 언급한 도 1의 일반적인 VCO는 음의 저항을 만들어서 증폭시키는 증폭기(120,140)와 인덕터 기반 공진기(130)와 전원 스위치 및 전류 소스(110)를 포함한다. 인덕터 기반의 공진기(130)는 단일 인덕터 및 커패시터에 의하여 형성된 LC 공진기이다. 증폭기(120,140)는 발진을 위하여 필요한 신호 이득을 제공한다. 증폭기(120,140) 및 공진기(130)는 발진 위하여 필요한 360도 위상 시프트를 공동으로 제공한다. 공진기(130)는 다수의 커패시터들로 구성되어 작은 주파수 대역을 결정하는 커패시터 뱅크(Bank C)와, 원하는 발진 주파수를 맞추기 위한 배랙터(Varactor C)를 포함한다. 발진 주파수(f)는 인덕터의 인덕턴스(L)와 커패시터의 커패시턴스(C)에 의하여 결정되며 다음 수학식과 같이 표현된다.The general VCO of FIG. 1 mentioned in the background includesamplifiers 120 and 140, an inductor-basedresonator 130, a power switch and acurrent source 110 to create and amplify negative resistance. The inductor basedresonator 130 is an LC resonator formed by a single inductor and a capacitor.Amplifiers 120 and 140 provide the signal gain needed for oscillation.Amplifiers 120 and 140 andresonator 130 jointly provide the 360 degree phase shift required for oscillation. Theresonator 130 includes a capacitor bank Bank C composed of a plurality of capacitors to determine a small frequency band, and a varactor C for adjusting a desired oscillation frequency. The oscillation frequency f is determined by the inductance L of the inductor and the capacitance C of the capacitor and is expressed by the following equation.

본 발명에서는 도 1과 같은 VCO를 다수 개 연결하여 다수의 주파수를 생성하는 다중 대역 VCO를 구성한다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 두 개의 VCO로 구성된 것을 예로 들어 설명하지만 본 발명은 이에 한정되지 않으며 셋 이상의 VCO로도 구성될 수 있다. 예를 들어 네 개의 VCO로 다중 대역 VCO를 구성하는 경우에는 도 5에 도시한 다중 대역 인덕터를 사용할 수 있다.In the present invention, a plurality of VCOs as shown in FIG. 1 are connected to form a multi-band VCO generating a plurality of frequencies. Hereinafter, for the convenience of description, it will be described with an example consisting of two VCOs, but the present invention is not limited thereto and may be composed of three or more VCOs. For example, when configuring a multi-band VCO with four VCOs, the multi-band inductor shown in FIG. 5 may be used.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 VCO의 구조를 나타낸 것이다.3 shows a structure of a multi-band VCO according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 VCO는 도 4에 도시한 다중 대역 인덕터(L1, L2)를 사용하며 두 개의 VCO(VCO1과 VCO2)를 포함한다. 각각의 VCO 내부 구성은 도 1의 전형적인 VCO의 구조를 따른다. 이때 두 개의 VCO가 동시에 동작하지 않으며 동작하는 VCO는 스위치(P_SW)의 입력신호에 따라 선택된다. 도 3에서는 P_SW가 로우(Low=0)이면 VCO1(310)이 동작하고, 이 동작에 의하여 다중 대역 인덕터의 인덕터(L1)을 통하여 발진이 일어나며, P_SW가 하이(High=1)이면 VCO2이 동작되고 이 동작에 의하여 인덕터(L2)을 통하여 발진이 일어난다. 이때 각 각의 VCO의 C값과 다중 대역 인덕터의 L값을 조절하여 서로 상이한 주파수 대역의 주파수를 만들 수 있다.Referring to FIG. 3, the multi-band VCO according to the embodiment of the present invention uses the multi-band inductors L1 and L2 shown in FIG. 4 and includes two VCOs VCO1 and VCO2. Each VCO internal configuration follows the structure of the typical VCO of FIG. At this time, the two VCOs do not operate at the same time, the operating VCO is selected according to the input signal of the switch (P_SW). In FIG. 3, when P_SW is low (V = 0),VCO1 310 operates, and oscillation occurs through the inductor L1 of the multi-band inductor. When P_SW is High, VCO2 operates. By this operation, oscillation occurs through the inductor L2. At this time, by adjusting the C value of each VCO and the L value of the multi-band inductor, frequencies of different frequency bands can be made.

또한, 하나의 VCO가 선택된 경우에 나머지 VCO는 동작하지 않아야 한다. 그런데 동작하지 않는 VCO에서 DC 신호가 만들어지므로 이러한 DC 신호를 제거하기 위하여 각각의 VCO 출력단(VCO_OP,VCO_ON)을 커패시터(C1,C2,C3,C4)를 통하여 서로 연결다.In addition, when one VCO is selected, the other VCO should not be operated. However, since the DC signal is generated in the non-operating VCO, each VCO output terminal (VCO_OP, VCO_ON) is connected to each other through the capacitor (C1, C2, C3, C4) to remove this DC signal.

다중 대역 인덕터 기반의 공진기는 종래의 VCO들에서 공통적으로 발견되는 VCO에 대한 위상 잡음 성능을 저하시키지 않고 VCO를 공진하여 동작시킬 수 있다. 다중 대역 인덕터 기반 공진기는 여러 개의 인덕터를 한정된 공간 내에 구성함으로써 공간적 손실을 최소하고, 스위치(P_SW)의 온(On), 오프(Off) 신호를 통하여 각 VCO를 선택적으로 동작시킴으로써 VCO가 각각 다른 주파수 대역들에서 동작하도록 한다. 또한 온이 되어 정상적으로 동작하는 VCO에서는 배랙터(Varactor C1, Varactor C2)를 가변하기 위해 VC단으로 입력되는 전압을 조절함으로써 발진 주파수를 변화시킬 수 있다.The multi-band inductor based resonator can operate by resonating the VCO without degrading the phase noise performance for the VCO commonly found in conventional VCOs. Multiband inductor-based resonators minimize spatial losses by configuring multiple inductors in a limited space, and selectively operate each VCO through the on and off signals of the switch P_SW, so that the VCOs have different frequencies. To operate in bands. In addition, in the VCO operating normally, the oscillation frequency can be changed by adjusting the voltage input to the VC stage to vary the varactors C1 and Varactor C2.

다음, 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 VCO의 동작에 대하여 설명한다.Next, the operation of the multi-band VCO according to the embodiment of the present invention will be described.

P_SW가 하이일 때 트랜지스터(M9)가 턴 온되어 VCO1(310)이 정상 동작한다. 즉, VCO1(310)의 다중 대역 인덕터 기반 공진기(350)를 구성하는 다중대역 인덕터의 인덕터(L1)에 의하여 전류가 흐르고, 인덕터(L1)와 배랙터(Varactor C1)와 공진 커패시터(Bank C1)가 공진하여 소정 주파수를 가지는 사인파 신호가 생성되며, 이 사인파 신호는 VCO1(310)의 증폭기(340,360)를 구성하는 트랜지스터(M1 내지 M4)에 의하여 증폭된다. 트랜지스터(M5 내지 M8)는 증폭된 사인파 신호를 다시 한번 증폭시키는 역할을 한다. VCO1(310)에서 생성되는 신호의 주파수를 조절하기 위해서는 인덕터(L1) 또는 배랙터(Varactor C1)와 공진 커패시터(Bank C1)를 조절해야 하는데, 인덕터(L1)는 고정되어 있으므로 배랙터(Varactor C1)와 공진 커패시터(Bank C1)를 조절하여 주파수를 조절할 수 있다. DTUNE은 디지털 신호로 공진 커패시터(Bank C1)의 커패시턴스값을 조절하며, VC는 아날로그 신호로 배랙터(Varactor C1)의 커패시턴스값을 조절한다.When P_SW is high, transistor M9 is turned on so thatVCO1 310 operates normally. That is, current flows through the inductor L1 of the multi-band inductor based on the multi-band inductor-basedresonator 350 of theVCO1 310, and the inductor L1, the varactor C1, and the resonant capacitor Bank C1. Is resonated to generate a sinusoidal signal having a predetermined frequency, which is amplified by the transistors M1 to M4 constituting theamplifiers 340 and 360 of theVCO1 310. The transistors M5 to M8 amplify the amplified sine wave signals once again. In order to adjust the frequency of the signal generated by theVCO1 310, the inductor L1 or the varactor C1 and the resonant capacitor Bank C1 must be adjusted. Since the inductor L1 is fixed, the varactor C1 ) And the resonance capacitor (Bank C1) can be adjusted to adjust the frequency. DTUNE adjusts the capacitance value of the resonant capacitor (Bank C1) with a digital signal, and VC adjusts the capacitance value of the varactor (Caractor C1) with an analog signal.

P_SW가 하이일 때 트랜지스터(M19)는 턴 오프되며, 따라서 VCO2(320)의 출력단(VCO_ON, VCO_OP)에서는 DC 전압이 출력된다. 그런데 VCO1(310)의 출력단(VCO_ON, VCO_OP)과 VCO2(320)의 출력단(VCO_ON, VCO_OP)이 서로 연결되어 있으므로, VCO2(320)의 출력단(VCO_ON, VCO_OP)에서 출력되는 DC 전압은 VCO1(310)의 출력전압에 영향을 미치게 되지만, 본 발명의 실시예에서는 VCO2(320)의 출력단(VCO_ON, VCO_OP)에 각각 연결된 커패시터(C4와 C3)가 이러한 DC 전압을 제거하는 역할을 한다. 따라서 VCO2(320)에 의해 VCO1(310)의 출력신호는 거의 변하지 않는다.When P_SW is high, the transistor M19 is turned off, so the DC voltage is output at the output terminals VCO_ON and VCO_OP of theVCO2 320. However, since the output terminals VCO_ON and VCO_OP of theVCO1 310 and the output terminals VCO_ON and VCO_OP of theVCO2 320 are connected to each other, the DC voltage output from the output terminals VCO_ON and VCO_OP of theVCO2 320 isVCO1 310. However, in the embodiment of the present invention, the capacitors C4 and C3 connected to the output terminals VCO_ON and VCO_OP ofVCO2 320 remove the DC voltage. Accordingly, the output signal of theVCO1 310 is hardly changed by theVCO2 320.

P_SW가 로우일 때에는 트랜지스터(M19)가 턴 온되어 VCO2(320)이 정상 동작한다. 즉, VCO2(320)의 다중 대역 인덕터 기반 공진기(350)를 구성하는 다중대역 인덕터의 인덕터(L2)에 의하여 전류가 흐르고, 인덕터(L2)와 배랙터(Varactor C2)와 공진 커패시터(Bank C2)가 공진하여 소정 주파수를 가지는 사인파 신호가 생성되며, 이 사인파 신호는 VCO2(320)의 증폭기(340,360)를 구성하는 트랜지스터(M11 내지 M14)에 의하여 증폭된다. 트랜지스터(M15 내지 M18)는 증폭된 사인파 신호를 다시 한번 증폭시키는 역할을 한다. 또한 앞서 기술한 바와 같이 DTUNE과 VC로 입력되는 전압을 조절하여 배랙터(Varactor C1)와 공진 커패시터(Bank C1)를 조절함으로써 VCO2(320)에서 생성되는 신호의 주파수를 조절한다.When P_SW is low, transistor M19 is turned on andVCO2 320 operates normally. That is, current flows through the inductor L2 of the multiband inductor based on the multiband inductor-basedresonator 350 of theVCO2 320, and the inductor L2, the varactor C2, and the resonant capacitor Bank C2. Resonates to generate a sinusoidal signal having a predetermined frequency, which is amplified by the transistors M11 to M14 constituting theamplifiers 340 and 360 of theVCO2 320. The transistors M15 to M18 amplify the amplified sine wave signals once again. In addition, as described above, by adjusting the voltages input to the DTUNE and VC, the frequency of the signal generated by theVCO2 320 is controlled by adjusting the varactor C1 and the resonant capacitor Bank C1.

P_SW가 로우일 때 트랜지스터(M9)는 턴 오프되며, 따라서 VCO1(310)의 출력단(VCO_ON, VCO_OP)에서는 DC 전압이 출력된다. 이 DC 전압은 VCO1(310)의 출력단(VCO_ON, VCO_OP)에 각각 연결된 커패시터(C2와 C1)에 의해 제거된다. 따라서 VCO2(320)에서는 원하는 크기의 전압과 주파수를 가지는 신호가 출력된다.When P_SW is low, the transistor M9 is turned off, so the DC voltage is output from the output terminals VCO_ON and VCO_OP of theVCO1 310. This DC voltage is removed by capacitors C2 and C1 connected to the output terminals VCO_ON and VCO_OP ofVCO1 310, respectively. Therefore, theVCO2 320 outputs a signal having a desired voltage and frequency.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 VCO의 출력파형을 나타낸 것이다.6 shows an output waveform of a multi-band VCO according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다중 대역 VCO에서는 P_SW 신호가 로우일 때 VCO1(31)에 의해 A와 같은 주파수를 가지는 신호가 출력되고, P_SW 신호가 하이로 변경되면 약간의 딜레이 타임 후에 B와 같은 주파수를 가지는 신호가 출력되는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6, in the multi-band VCO of the present invention, when the P_SW signal is low, a signal having the same frequency as A is output by the VCO1 31, and when the P_SW signal is changed to high, B and B after a slight delay time. It can be seen that a signal having the same frequency is output.

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.

도 1은 종래 기술에 따른 전압 제어 발진기의 구조를 나타낸 도면1 is a view showing the structure of a voltage controlled oscillator according to the prior art

도 2는 종래 기술에 따른 전압 제어 발진기에서 인덕터가 차지하는 면적을 나타낸 도면2 is a diagram illustrating an area occupied by an inductor in a voltage controlled oscillator according to the related art.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전압 제어 발진기의 구조를 나타낸 도면3 illustrates the structure of a voltage controlled oscillator according to an embodiment of the present invention.

도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 인덕터의 구조를 나타낸 도면4 and 5 illustrate the structure of a multi-band inductor according to an embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전압 제어 발진기의 출력 신호를 나타낸 도면6 illustrates an output signal of a voltage controlled oscillator according to an embodiment of the present invention.

Claims (5)

Translated fromKorean

제1 인덕턴스를 가지며, 제1 반경을 가지도록 배치되는 제1 코일과,A first coil having a first inductance and disposed to have a first radius,제2 인덕턴스를 가지며, 상기 제1 코일의 내부에 상기 제1 반경보다 작은 제2 반경을 가지도록 배치되는 제2 코일을 포함하는 다중 대역 인덕터.And a second coil having a second inductance, the second coil being disposed inside the first coil to have a second radius less than the first radius.제1항에 있어서,The method of claim 1,제3 인덕턴스를 가지며, 상기 제2 코일의 내부에 상기 제2 반경보다 작은 제3 반경을 가지도록 배치되는 제3 코일을 더 포함하는 다중 대역 인덕터.And a third coil having a third inductance, the third coil being disposed inside the second coil to have a third radius less than the second radius.다중 동작 주파수들을 발생시킬 수 있는 다중 대역 전압 제어 발진기에 있어서,In a multiband voltage controlled oscillator capable of generating multiple operating frequencies,제1 반경을 가지도록 배치되는 제1 코일과, 상기 제1 코일의 내부에 상기 제1 반경보다 작은 제2 반경을 가지도록 배치되는 제2 코일을 포함하는 다중 대역 인덕터와,A multi-band inductor including a first coil disposed to have a first radius, and a second coil disposed to have a second radius smaller than the first radius in the first coil;제1 공진 커패시터부가 상기 제1 코일과 함께 동작하여 제1 주파수를 가지는 신호를 발생시키며, 상기 발생된 제1 주파수를 가지는 신호가 제1 커패시터와 제2 커패시터를 통하여 각각 제1 포지티브 출력단과 제2 네거티브 출력단으로 출력되는 제1 전압 제어 발진부와,A first resonant capacitor unit is operated together with the first coil to generate a signal having a first frequency, and the generated first signal has a first positive output terminal and a second through a first capacitor and a second capacitor, respectively. A first voltage controlled oscillator output to the negative output terminal; 상기 제1 포지티브 출력단 및 제1 네거티브 출력단과 각각 전기적으로 연결 되는 제2 포지티브 출력단 및 제2 네거티브 출력단을 가지며, 제2 공진 커패시터부가 상기 제2 코일과 함께 동작하여 제2 주파수를 가지는 신호를 발생시키며, 상기 발생된 제2 주파수를 가지는 신호가 제3 커패시터와 제4 커패시터를 통하여 각각 상기 제2 포지티브 출력단과 상기 제2 네거티브 출력단으로 출력되는 제2 전압 제어 발진부와, And a second positive output terminal and a second negative output terminal electrically connected to the first positive output terminal and the first negative output terminal, respectively, and a second resonant capacitor unit operates together with the second coil to generate a signal having a second frequency. A second voltage controlled oscillator for outputting a signal having the generated second frequency to the second positive output terminal and the second negative output terminal, respectively, through a third capacitor and a fourth capacitor;상기 제1 전압 제어 발진부와 상기 제2 전압 제어 발진부가 선택적으로 동작하도록 제어하는 스위치부를 포함하는 전압 제어 발진기.And a switch unit configured to control the first voltage controlled oscillator and the second voltage controlled oscillator to selectively operate.제3항에 있어서,The method of claim 3,상기 다중 대역 인덕터는, 상기 제2 코일의 내부에 상기 제2 반경보다 작은 제3 반경을 가지도록 배치되는 제3 코일을 더 포함하고,The multi-band inductor further includes a third coil disposed inside the second coil to have a third radius smaller than the second radius,상기 제1 전압 제어 발진부의 포지티브 출력단 및 네거티브 출력단과 각각 전기적으로 연결되는 제3 포지티브 출력단 및 제3 네거티브 출력단을 가지며, 제3 공진 커패시터부가 상기 제3 코일과 함께 동작하여 제3 주파수를 가지는 신호를 발생시키며, 상기 발생된 제3 주파수를 가지는 신호가 제5 커패시터와 제6 커패시터를 통하여 각각 상기 제3 포지티브 출력단과 상기 제3 네거티브 출력단으로 출력되는 제3 전압 제어 발진부를 더 포함하며,And a third positive output terminal and a third negative output terminal electrically connected to the positive output terminal and the negative output terminal of the first voltage controlled oscillator, respectively, and a third resonant capacitor unit operates together with the third coil to provide a signal having a third frequency. And a third voltage controlled oscillator configured to output a signal having the generated third frequency to the third positive output terminal and the third negative output terminal, respectively, through a fifth capacitor and a sixth capacitor.상기 스위치부는, 상기 제1 전압 제어 발진부와 상기 제2 전압 제어 발진부와 제3 전압 제어 발진부 중 하나가 선택적으로 동작하도록 제어하는 전압 제어 발진기.And the switch unit controls one of the first voltage controlled oscillator, the second voltage controlled oscillator, and the third voltage controlled oscillator to selectively operate.제3항에 있어서,The method of claim 3,상기 제1 공진 커패시터부는, 상기 제1 코일과 병렬로 연결되며 외부로부터 입력되는 전압에 의해 커패시턴스가 가변되는 제1 배랙터를 포함하며,The first resonant capacitor unit includes a first varactor connected in parallel with the first coil and whose capacitance is changed by a voltage input from the outside,상기 제2 공진 커패시터부는, 상기 제2 코일과 병렬로 연결되며 외부로부터 입력되는 전압에 의해 커패시턴스가 가변되는 제2 배랙터를 포함하는 전압 제어 발진기.And the second resonant capacitor unit includes a second varactor connected in parallel with the second coil and whose capacitance is changed by a voltage input from the outside.

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