KR101615732B1 - Wideband dual-tuned ring voltage controlled oscillator - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전압제어 발진기에 관한 것이다. 본 전압제어 발진기는, 제1 전압과 상기 제1 전압보다 낮은 제2 전압 사이를 소정 개수로 균등하게 분할한 전압 레벨 중 선택된 전압 레벨에 대응하는 전압을 출력하는 DAC(Digitla-to-Analog Converter)부, 제1 및 제2 지연 셀을 포함하는 두단계 링 VCO부, 및 DAC부로부터 출력되는 전압을 정전압으로 변환하여, 주파수 대역을 설정하는 설정 전압으로 VOC부에 공급하는 전압 레귤레이터부를 포함한다. 본 발명에 따르면, 전압 대 주파수 이득(KVCO )을 조절할 수 있는 기능을 갖는 광대역 이중 튜닝 링 전압제어 발진기가 제공된다.The present invention relates to a voltage controlled oscillator. The voltage-controlled oscillator includes a digital-to-analog converter (DAC) for outputting a voltage corresponding to a selected voltage level among voltage levels obtained by dividing a first voltage and a second voltage lower than the first voltage by a predetermined number, Stage ring VCO unit including first, second, and first delay cells, and a voltage regulator unit that converts the voltage output from the DAC unit to a constant voltage and supplies the voltage to the VOC unit with a set voltage for setting a frequency band. According to the present invention, there is provided a broadband dual tuning ring voltage controlled oscillator having a function of adjusting a voltage to frequency gain ( KVCO ).
Description
본 발명은 전압제어 발진기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전압 대 주파수 이득(KVCO)을 조절할 수 있는 기능이 구비된 광대역 이중 튜닝 링 전압제어 발진기에 관한 것이다. The present invention relates to a voltage controlled oscillator, and more particularly, to a broadband dual tuning ring voltage controlled oscillator having a function of adjusting a voltage to frequency gain (K VCO ).
최근 시간 영역에서 나노 초 이하의 임펄스 신호를 이용한 초광대역 무선 통신(Impulsed radio based ultra-wideband, IR-UWB)이 심장이나 호흡과 같은 인간의 생체 신호를 감지하는 도플러 레이더 시스템을 위한 실용적인 기술로서 주목받고 있다. IR-UWB의 큰 신호 대역폭에 의해 증가된 시간 분해능을 얻을 수 있으며, IR-UWB의 넓은 주파수 대역은 대상 및 조건에 따라 변화하는 생체 신호의 검출 정밀도를 극대화하기 위한 최적의 대역폭을 선택적으로 사용할 수 있게 한다.In recent times, impulse radio based ultra-wideband (IR-UWB) using sub-nanosecond impulse signals has been noted as a practical technology for Doppler radar systems that detect human vital signals such as heart and respiration. . The large bandwidth of IR-UWB provides increased time resolution, and the wide frequency range of IR-UWB can selectively use the optimal bandwidth to maximize the detection accuracy of biomedical signals that vary according to the object and conditions. Let's do it.
이러한 IR-UWB 시스템의 주요 구성 요소는 다중 G㎐의 범위에서 기준 주파수를 생성하는데 사용되는 광대역 링 전압제어 발진기(VCO)이다. A major component of this IR-UWB system is a wideband ring voltage controlled oscillator (VCO) used to generate a reference frequency in the range of multiple GHz.
그런데, 일반적인 광대역 링 전압제어 발진기에서 과도한 전압대 주파수 이득(KVCO)은 불가피하다. 큰 KVCO는 결과적으로 너무 작은 차지 펌프(charge pump) 전류 또는 너무 큰 루프 필터(loop filter) 커패시턴스를 초래하므로, 큰 KVCO는 노이즈에 취약한 전압제어 발진기를 만들뿐만 아니라, 위상동기루프(Phase Looked Loop, PLL)의 디자인을 복잡하게 만든다. 또한, 서로 다른 주파수에서 KVCO의 민감한 변동 뿐만 아니라 프로세스, 전압, 온도(PVT) 변화는 위상동기루프의 안정성을 저하시킨다.However, excessive voltage to frequency gain (K VCO ) is inevitable in a typical broadband ring voltage controlled oscillator. Since a large K VCO results in too small a charge pump current or too large a loop filter capacitance, a large K VCO will not only produce a voltage-controlled oscillator that is susceptible to noise, Loop, and PLL). Also, changes in process, voltage, and temperature (PVT) as well as sensitive variations in K VCO at different frequencies degrade the stability of the phase-locked loop.
최근에는 광대역 범위와 안정적인 KVCO를 얻기 위해, 서브 주파수 대역을 나누는 기술인 이중 주파수 튜닝 개념 등이 소개되고 있다. 그러나, 이러한 기술이 적용된 전압제어 발진기의 주파수 범위는 수백 M㎐로 제한되어 있으며, KVCO 를 스케일링할 수 있는 방법도 갖고 있지 않다.In recent years, dual frequency tuning concepts such as the division of sub-frequency bands have been introduced in order to obtain a wide range and a stable K VCO . However, the frequency range of the voltage controlled oscillator to which this technique is applied is limited to several hundreds of M Hz, and there is no method of scaling the K VCO .
따라서, 보다 넓은 주파수 대역에 걸쳐 KVCO가 안정적으로 유지되어, 위상동기루프의 안정적인 동작을 보장할 수 있으며, KVCO 스케일링 기능을 구비한 전압제어 발진기가 필요하다. Therefore, there is a need for a voltage controlled oscillator having a K VCO scaling function, which can stably maintain the K VCO over a wider frequency band, ensure stable operation of the phase-locked loop.
따라서, 본 발명의 목적은, 전압 대 주파수 이득(KVCO )을 조절할 수 있는 기능을 갖는 광대역 이중 튜닝 링 전압제어 발진기를 제공함에 있다. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a broadband dual tuning ring voltage controlled oscillator having a function of adjusting a voltage-to-frequency gain (K VCO ).
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전압제어 발진기는, 제1 전압과 상기 제1 전압보다 낮은 제2 전압 사이를 소정 개수로 균등하게 분할한 전압 레벨 중 선택된 전압 레벨에 대응하는 전압을 출력하는 DAC(Digital-to-Analog Converter)부, 제1 및 제2 지연 셀을 포함하는 두단계 링 VCO부, 및 상기 DAC부로부터 출력되는 전압을 정전압으로 변환하여, 주파수 대역을 설정하는 설정 전압으로 상기 VCO부에 공급하는 전압 레귤레이터부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a voltage-controlled oscillator including a voltage-controlled oscillator for outputting a voltage corresponding to a selected voltage level among a voltage level obtained by equally dividing a first voltage and a second voltage lower than the first voltage by a predetermined number Stage ring VCO unit including a first and a second delay cell, and a second-stage ring VCO unit for converting the voltage output from the DAC unit into a constant voltage, And a voltage regulator unit for supplying the voltage to the VCO unit.
상기 DAC부는, 64개의 저항을 사용하는 6-비트 스트링 구조의 DAC인 것이 가능하며, 전압 레벨의 선택을 위한 두 개의 3-비트 디코더를 포함할 수 있다.The DAC unit may be a DAC of 6-bit string structure using 64 resistors, and may include two 3-bit decoders for selection of the voltage level.
그리고, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 상기 전압제어 발진기를 이용하여 기준 주파수를 생성하는 전자기기를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides an electronic device for generating a reference frequency using the voltage-controlled oscillator.
본 발명에 따르면, 전압 대 주파수 이득(KVCO )을 조절할 수 있는 기능을 갖는 새로운 광대역 이중 튜닝 링 전압제어 발진기가 제공된다. 본 발명에 따른 전압제어 발진기, Vcoarse 를 제어하는 DAC를 사용하여 6 GHz의 주파수 대역을 균등하게 분할할 수 있으며, DAC를 사용하여 디지털적으로 설정도 가능하다. 또한, 특정 타겟 발진 주파수는 지연 셀에서 래치의 강도를 변경하여 미세 조정할 수 있다. 그리고, 미세 조정을 위한 래치 뱅크에 의해, 전압 대 주파수 이득(KVCO)을 적절하게 조절할 수 있어, 전체적으로 2-8 G㎐ 주파수 대역에 걸쳐 전압 대 주파수 이득(KVCO)은 안정적으로 유지될 수 있으므로, 위상동기루프의 안정적인 작동도 보장할 수 있다.According to the present invention, a new broadband dual tuning ring voltage controlled oscillator is provided that has the ability to adjust the voltage to frequency gain ( KVCO ). The voltage-controlled oscillator according to the present invention can divide the frequency band of 6 GHz equally using a DAC that controls V coarse , and can be set digitally using a DAC. Further, the specific target oscillation frequency can be finely adjusted by changing the intensity of the latch in the delay cell. Then, the latch bank for fine-tuning, voltage-to-frequency gain (K VCO) can appropriately be adjusted, as a whole 2-8 voltage gain vs. frequency over the frequency band G㎐ (K VCO) can be kept stable Therefore, stable operation of the phase-locked loop can also be guaranteed.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전압제어 발진기의 회로도,
도 2는 도 1에서 지연 셀의 회로도,
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전압제어 발진기의 출력 스펙트럼을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 전압제어 발진기의 발진 주파수 대 Vcoarse 를 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 전압제어 발진기에서 측정된 위상 잡음(phase noise)을 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전압제어 발진기의 출력 주파수를 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 전압제어 발진기에서 전압대 주파수 이득을 나타낸 그래프, 그리고
도 9는 본 발명에 따른 전압제어 발진기의 성능을 비교한 표이다. 1 is a circuit diagram of a voltage-controlled oscillator according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a circuit diagram of a delay cell in FIG. 1,
3 and 4 are graphs showing output spectra of a voltage-controlled oscillator according to an embodiment of the present invention,
5 is a graph showing oscillation frequency vs. V coarse of a voltage controlled oscillator according to the present invention,
FIG. 6 is a graph showing the phase noise measured in the voltage-controlled oscillator according to the present invention,
7 is a graph showing output frequencies of a voltage-controlled oscillator according to an embodiment of the present invention,
8 is a graph showing voltage vs. frequency gain in a voltage controlled oscillator according to the present invention, and
9 is a table comparing the performance of the voltage-controlled oscillator according to the present invention.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전압제어 발진기의 회로도이다.1 is a circuit diagram of a voltage-controlled oscillator according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 전압제어 발진기(100)는 스트링 구조의 DAC(Digital-to-Analog Converter)부(110), 전압 레귤레이터부(130), 및 두 단계 링 VCO부(150)를 포함한다.1, the voltage controlled
스트링 구조의 DAC부(110)는 일련의 레지스터를 직렬로 배치하는 구조의 D/A 컨버터로서, 스트링 구조로 인한 단조성을 보장한다. 본 전압제어 발진기(100)에서는 기본적으로 R0 내지 R63의 64개의 레지스터를 직렬로 배치하여, Vhigh 와 Vlow 사이의 전압 레벨을 균등하게 분할하는 6-비트 스트링 구조의 DAC(110)를 사용할 수 있다.The DAC unit 110 of the string structure is a D / A converter having a series of resistors arranged in series to ensure monotonicity due to the string structure. In the present voltage-controlled
스트링 구조의 DAC부(110)에서 두 개의 3-비트 디코더 브리지(115, 117)는 DAC<5:0>에 따라, Vhigh 와 Vlow 사이의 64 전압 레벨 중 하나를 전압 레귤레이터부(130)의 입력으로 제공한다.The two 3-bit decoder bridges 115 and 117 in the DAC unit 110 of the string structure divide one of the 64 voltage levels between V high and V low into the
전압 레귤레이터부(130)는 DAC부(130)로부터 입력받은 전압을 정전압으로 변환하여 Vcoarse로 제공하며, 이 전압은 전압제어 발진기(100)의 주파수 대역을 설정한다. 본 전압제어 발진기(100)의 출력 주파수가 공급되는 전압에 의해 선형적으로 튜닝되기 때문에, 64의 주파수 대역은 균등하게 된다.The
도 2는 도 1에서 지연 셀을 나타낸 것이다.FIG. 2 shows a delay cell in FIG.
본 발명에 따른 전압제어 발진기(100)에서 지연 셀(Delay Cell)은, 각각 NMOSFET Mn1 와 Mn2, PMOSFET Mp1 와 Mp2, 및 래치 뱅크(latch bank)(170)를 포함한다. A delay cell in the voltage controlled
래치 뱅크(170)는, 4개의 래치부(171, 173, 175, 177)로 구성되며, 각 래치부는 PMOSFET 교차 결합 쌍(Mp3, Mp4), 및 피드백 루프의 두 개의 NMOSFET(Mn3, Mn4)를 포함한다.The
이와 같은 구성에서, PMOSFET Mp1 또는 Mp2는 Vcoarse 에 반비례하도록 지연 셀(Delat Cell)의 출력 임피던스를 조절하기 때문에, 주파수 튜닝은 선형적이고, 튜닝 범위는 크게 확장된다.In this configuration, since the PMOSFET M p1 or M p2 adjusts the output impedance of the delay cell to be in inverse proportion to V coarse , the frequency tuning is linear and the tuning range is greatly extended.
미세 조정을 위해, 전압제어 발진기(100)는 스위칭 소자로 NMOSFET Mn3 및 Mn4 를 사용하여 래치부(171, 173, 175, 177)의 강도를 제어한다. Vfine이 감소할 때, 원하는 래치부는 출력 주파수가 증가하도록 한다.For fine tuning, the voltage-controlled
래치 뱅크(170)에서 4개의 래치부(171, 173, 175, 177)는 KVCO 제어를 위한 것이다. 그리고 모든 래치부(171, 173, 175, 177)에서 Mp3 및 Mp4는 동일한 크기이지만, Mn3(3:0), Mn4(3:0)의 W/L 비율은 10: 4: 3: 2로 설계된다.The four
스위칭부 S<3:0>에 따라, Mn3<3:0> 및 Mn4<3:0>의 게이트는 Vfine 또는 VDD 중 하나에 연결할 수 있다. 따라서, 단지 선택된 래치부(S(k)=1)만이 주파수 튜닝에 참여하여, S<3:0>의 더 높은 값은 결과적으로 더 높은 KVCO 이 된다 . According to the switching unit S <3: 0>, the gates of M n3 <3: 0> and M n4 <3: 0> can be connected to one of V fine or V DD . Thus, only the selected latch portion S (k) = 1 participates in the frequency tuning, so the higher value of S < 3: 0 > results in a higher K VCO .
전압제어 발진기(100)의 안정적인 작동을 위해, MSB인 S<3>은 0으로 고정되고, 오실레이터에 대한 디폴트 패스를 제공한다. 따라서, 완전히 다른 8 개의 KVCO 사용할 수 있다.For stable operation of the voltage controlled
한편, 본 발명에 따른 전압제어 발진기(100)에서 발진 주파수와 를 분석하면 다음과 같다.Meanwhile, in the voltage-controlled
일반적으로 N-단계 링 VCO의 발진 주파수는 다음의 식과 같이 나타낼 수 있다. Generally, the oscillation frequency of the N-stage ring VCO Can be expressed by the following equation.
여기서, 은 단계의 수,은 한 단계의 전파 지연,은 출력 임피던스, 은 부하 커패시턴스를 나타낸다. 따라서, 의 변화에 따라가 변경되므로, 결국 도 변경된다.here, The number of steps, Is one stage of propagation delay, Output impedance, Represents the load capacitance. therefore, According to the change of Is changed, eventually Is also changed.
도 2에 도시한 지연 셀에서 은 다음의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.In the delay cell shown in Fig. 2 Can be expressed by the following equation (2).
여기서, , , 및 는 각각 , , 의 진성 출력 임피던스이다. 또한, 는 의 트랜스 컨덕턴스(transconductance)이고, 는 래치(latch)의 트랜스 컨덕턴스이다. here, , , And Respectively , , Is the intrinsic output impedance. Also, The Is transconductance, Is the transconductance of the latch.
[수학식 1]과 [수학식 2]에 의해, 는 다음과 같이 나타낼 수 있다.According to the equations (1) and (2) Can be expressed as follows.
[수학식 3]에 기초하여, 본 발명에 따른 전압제어 발전기(100)에서 는 거시적 튜닝시 의 변화에 의해 제어되며, 미시적 튜닝시 변화에 의해 제어될 수 있다.Based on Equation (3), in the voltage controlled
거시적 튜닝과 관련하여, [수학식 3]에서 DC 동작점 는 다음과 같이 나타낼 수 있다.With respect to macroscopic tuning, in equation (3) the DC operating point Can be expressed as follows.
여기서, 는 의 종횡비(aspect ration) 이다. here, The (Aspect ration) of the surface.
[수학식 3]과 [수학식 4]로부터,와 사이의 관계은 다음의 식과 같이 나타낼 수 있다.From Equation (3) and Equation (4) Wow Can be expressed as the following equation.
를 스위핑(sweeping)하여, 광대역는 선형적으로 제어될 수 있다. Sweeping, Can be controlled linearly.
미시적 튜닝과 관련하여, [수학식 3]에서 는 뱅크에서 4개의 레지의 트랜스 컨덕턴스의 합으로 표현할 수 있다.With respect to micro-tuning, in Equation (3) Can be expressed by the sum of the transconductances of four banks in the bank.
각 래치에서 에 도달하기 전에 신호는 스위치에 의해 억제된다. 그러므로, [수학식 6]에서 는 다음과 같이 , 의 온 레지스턴스, 및 , 의 게이트에서 커패시턴스로 구성된 진성 RC-필터에 의해 억제된 로 간주할 수 있다.In each latch Lt; RTI ID = 0.0 > . Therefore, in Equation (6) Is as follows , On resistance, and , Suppressed by an intrinsic RC-filter consisting of a capacitance at the gate of .
여기서, 는 의 종횡비이다. 그리고, 는, 도 2에 도시한 바와 같이, k번째 래치가 주파수 튜닝에 사용되면 1이고, 그 외의 경우에는 0을 나타낸다. 만일 이 충분히 큰 경우, 가 동일한 크기를 가지므로, 와 사이의 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다.here, The . And, 2 is 1 when the kth latch is used for frequency tuning as shown in Fig. 2, and 0 otherwise. if Is sufficiently large, Lt; / RTI > have the same size, Wow Can be expressed as follows.
따라서,는 에 의해 미세하게 튜닝될 수 있다.therefore, The Lt; / RTI >
[수학식 9]에 따라,에 대한 의 변화율은 NMOS 스위치의 전체 크기인 에 비례한다.According to Equation (9) For Lt; RTI ID = 0.0 > NMOS < / RTI & .
전술한 바와 같이, 가장 큰 스위치는 전압제어 발진기의 안정적인 동작을 위해 대신 VDD에 연결된다. As described above, the largest switch is for stable operation of the voltage-controlled oscillator Instead it is connected to VDD.
의 관계는 다음의 식과 같이 나타낼 수 있다. Can be expressed as the following equation.
[수학식 10]에 기초하여, 전체 주파수 대역에서 의 제어에 의해 8 레벨 중 하나로 는 스케일될 수 있다.Based on Equation (10), it can be seen that in the entire frequency band By one of the eight levels Can be scaled.
다음의 도 3 내지 도 8은 본 발명에 따른 전압제어 발진기를 실험한 결과를 나타낸 그래프이다. 실험을 위해, 본 발명에 따른 전압제어 발진기(100)를 65㎚ CMOS 공정으로 제작하였다. 그리고, DAC부(110)의 Vhigh 와 Vlow 는 각각 1.35V 와 0.71V 로 설정하였다.3 to 8 are graphs showing experimental results of the voltage-controlled oscillator according to the present invention. For the experiments, the voltage controlled
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 전압제어 발진기의 출력 스펙트럼(output spectrum)을 나타낸 그래프이다. 3 and 4 are graphs showing output spectrums of a voltage-controlled oscillator according to the present invention.
도 3은 4.04 G㎐ 에서 측정된 출력 스펙트럼을 나타낸 것이고, 도 4는 8.16 G㎐ 에서 측정한 출력 스펙트럼을 나타낸 것이다.FIG. 3 shows the output spectrum measured at 4.04 GHz, and FIG. 4 shows the output spectrum measured at 8.16 GHz.
도 5는 본 발명에 따른 전압제어 발진기의 발진 주파수 대 Vcoarse 를 나타낸 그래프이다.5 is a graph illustrating oscillation frequency vs. V coarse of a voltage controlled oscillator according to the present invention.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전압제어 발진기는, 2-8 GHz를 커버하여, 결과적으로 120 % 튜닝 범위를 나타낸다. 또한, 선형적인 발진 주파수 대 Vcoarse 곡선은, 전압제어 발진기(100)가 균등하게 분할된 서브 밴드를 제공한다는 것을 보여 준다.Referring to FIG. 5, a voltage controlled oscillator according to the present invention covers 2-8 GHz, resulting in a 120% tuning range. In addition, the linear oscillation frequency versus V coarse curve shows that voltage controlled
도 6은 4.21 G㎐ 에서 측정된 위상 잡음(phase noise)을 나타낸 것이다.6 shows the phase noise measured at 4.21 GHz.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 전압제어 발전기에서 위상 잡음은 100 K㎐ 에서 -82.7 dBc/㎐, 1 M㎐에서 -101 dBc/㎐을 나타낸다Referring to FIG. 6, in the voltage controlled generator according to the present invention, phase noise exhibits -82.7 dBc / Hz at 100 KHz and -101 dBc / Hz at 1 MHz
도 7은 본 발명에 따른 전압제어 발진기의 출력 주파수를 나타낸 그래프이다. 7 is a graph showing the output frequency of the voltage-controlled oscillator according to the present invention.
도 7에서, Vfine 에 대한 발진 주파수를 Vcoarse에 의해 설정된 세 가지 대역에서 측정하였다. 즉, 7.5 G㎐ 부근의 고대역, 5.0 G㎐ 부근의 중간대역 및 3.5 G㎐의 주위에 낮은 대역이다.In Fig. 7, the oscillation frequency for V fine was measured in three bands set by V coarse . That is, it is a high band around 7.5 GHz, a middle band around 5.0 GHz, and a low band around 3.5 GHz.
도 7에서 알 수 있는 바와 같이, Vfine이 증가적으로 스윕(swwpt)할 때, 발진 주파수는 감소하고, 이는 강한 래치가 빠른 전압제어 발진기의 진동을 방해한다는 분석에 대응한다. As can be seen in FIG. 7, when V fine swwts incrementally, the oscillation frequency decreases, which corresponds to an analysis that the strong latch hinders the oscillation of the fast voltage controlled oscillator.
도 7에서, 더 많은 래치가 Vfine 에 의해 제외되면(더 높은 S<2:0>), 곡선의 기울기는 가파르게 되고, 결과적으로 높은 KVCO 를 유도한다.In Figure 7, if more latches are excluded by V fine (higher S < 2: 0 >), the slope of the curve becomes steep, resulting in a high K VCO .
이러한 경향은, 도 8에서, KVCO 대 S<2:0>의 그래프로 시각화된다. S<2:0>의 변경에 따라 KVCO 필요한만큼 스케일링할 수 있다 .This trend is visualized in FIG. 8 as a graph of K VCO vs. S < 2: 0 >. Depending on the change in S <2: 0>, the K VCO can be scaled as needed.
예를 들어, 도 8에서 회색으로 강조된 영역에서, S<2:0> 가 각 밴드에서 적절하게 설정될 때, KVCO 는 멀티 G㎐의 범위에 걸쳐 일정하게 되어, PLL의 안정성을 보장하게 된다. 전압제어 발진기(VCO)의 활성 영역은 0.038 ㎟ 이며, 전력 소비는 2 ㎓에서 1.7㎽, 8 ㎓ 에서 6.8㎽ 이다.For example, in the region highlighted in gray in FIG. 8, when S <2: 0> is appropriately set in each band, the K VCO becomes constant over the range of multi GHz, ensuring the stability of the PLL . The active region of the voltage controlled oscillator (VCO) is 0.038 ㎟, and the power consumption is 1.7 ㎽ at 2 ㎓ and 6.8 ㎽ at 8 ㎓.
도 9는 본 발명에 따른 전압제어 발진기의 성능을 비교한 표이다.9 is a table comparing the performance of the voltage-controlled oscillator according to the present invention.
도 9의 성능 비교표에서 'This Work'으로 표시한 항목이 본 발명에 따른 전압제어 발진기의 성능을 나타내며, Reference로 나타낸 문헌은 다음과 같다. 9 shows the performance of the voltage-controlled oscillator according to the present invention, and the reference document is as follows.
[1] C. Ta-Shun 등의, “A short-range UWB impulse-radio CMOS sensor forhumanfeaturedetection,”in Proc. IEEE Int. Conf. Solid-State Circuits (ISSCC’11), Feb. 2011, pp. 294.296. [1] C. Ta-Shun et al., &Quot; A short-range UWB impulse-radio CMOS sensor forhumanfeaturedetection, in Proc. IEEE Int. Conf. Solid-State Circuits (ISSCC'11), Feb. 2011, pp. 294.296.
[2] L. HaiQi 등의, "A low-noise multi-GHz CMOS multiloop ring oscil-lator with coarse and fine frequency tuning," IEEE Trans. Very Large Scale Integr. Syst., vol. 17, pp. 571-577, 2009. [2] L. HaiQi et al., "A low-noise multi-GHz CMOS multiloop ring oscilator with coarse and fine frequency tuning," IEEE Trans. Very Large Scale Integr. Syst., Vol. 17, pp. 571-577, 2009.
[3] S. Zhinian 등의, "A 2.4-GHz ring-oscillator-based CMOS frequency synthesizer with a fractional divider dual-PLL architecture," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 39, pp. 452-462, 2004. [3] S. Zhinian et al., "A 2.4-GHz ring-oscillator-based CMOS frequency synthesizer with a fractional divider dual-PLL architecture," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 39, pp. 452-462, 2004.
[4] L. Changzhi 등의, "A 1-9 GHz linear-wide-tuning-range quadrature ring oscillator in 130 nm CMOS for non-contact vital sign radar ap-plication," IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 20, pp. 34-366, 2010. [4] L. Changzhi et al., "A 1-9 GHz linear-wide-tuning-range quadrature ring oscillator in 130 nm CMOS for non-contact vital sign radar ap-plication," IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., Vol. 20, pp. 34-366, 2010.
[5] Y.Wachiet 등의,“A28GHzlow-phase-noiseCMOSVCOusinganamplitude-redistribution technique,” in Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC’08), Feb. 2008, vol. 482, pp. 3.7. [5] Y. Wachiet et al., &Quot; A28 GHzlow-phase-noiseCMOSVCOusinganamplitude-redistribution technique, " in Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC'08), Feb. 2008, vol. 482, pp. 3.7.
[6] J. Liang 등의, "A 6.0-13.5 GHz alias-locked loop frequency synthe-sizer in 130nm CMOS," IEEE Trans. Circuits Syst. I: Regular Papers, , vol. 60, no. 1, p. 108,115, Jan. 2013. [6] J. Liang et al., "A 6.0-13.5 GHz alias-locked loop frequency synthesizer in 130 nm CMOS," IEEE Trans. Circuits Syst. I: Regular Papers, vol. 60, no. 1, p. 108, 115, Jan. 2013.
[7] B.Fahset 등의. " A two-stage ring oscillatorin 0.13-um CMOS for UWB impulse radio," IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 57, no. 5, p. 1074,1082, May 2009. [7] B. Fahset et al. "A two-stage ring oscillator 0.13-um CMOS for UWB impulse radio," IEEE Trans. Microw. Theory Tech., Vol. 57, no. 5, p. 1074, 1082, May 2009.
그리고, 성능 비교표에는, Y.Wachiet 등의 "A 28GHz low-phase-noise CMOS VCO using an am-plitude-redistribution technique," in Proc. IEEE Int. Solid-State Cir-cuits Conf. (ISSCC'08), Feb. 2008, vol. 482, pp. 3-7 에서 정의하고 있는 FTR(frequency-tunning range), FOM(figure of merit) 등의 지표가 포함되어 있다. In addition, a performance comparative table is described in Y. Wachiet et al., "A 28 GHz low-phase-noise CMOS VCO using an amplitude-redistribution technique, IEEE Int. Solid-State Cir-cuits Conf. (ISSCC'08), Feb. 2008, vol. 482, pp. Included are the frequency-tuning range (FTR) and figure of merit (FOM) as defined in paragraphs 3-7.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 전압제어 발진기(100)는 문헌 [2], [3]에 개시된 이중 튜닝 아키텍처에 비해, 훨씬 높은 FTR 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 전압제어 발진기는 문헌 [4], [6], [7]에 개시된 최신 광대역 전압제어 발진기에 비해 좋은 위상 잡음과 넓은 튜닝 범위를 갖는 경쟁력 있는 FOM을 제공함을 알 수 있다. Referring to FIG. 9, the voltage controlled
그리고, 본 발명에 따른 전압제어 발진기는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.The voltage controlled oscillator according to the present invention is not limited in the configuration and the method of the embodiments described above, but the embodiments may be modified so that all or some of the embodiments are selectively As shown in FIG.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It should be understood that various modifications may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the present invention.
110 : DAC부 130 : 전압 레귤레이터부
150 : VCO부 170 : 래치 뱅크 110: DAC unit 130: Voltage regulator unit
150: VCO unit 170: latch bank
Claims (9)
제1 및 제2 지연 셀을 포함하는 두 단계 링 VCO부; 및
상기 DAC부로부터 출력되는 전압을 정전압으로 변환하여, 주파수 대역을 설정하는 설정 전압으로 상기 VCO부에 공급하는 전압 레귤레이터부;를 포함하고,
상기 제1 및 제2 지연 셀은,
소스가 상기 설정 전압에 연결되는 제1 PMOSFET;
소스가 상기 설정 전압에 연결되는 제2 PMOSFET;
드레인은 상기 제1 PMOSFET의 게이트 및 드레인이 연결된 제1 노드에 연결되고, 소스는 접지단에 연결되는 제1 NMOSFET;
드레인은 상기 제2 PMOSFET의 게이트 및 드레인이 연결된 제2 노드에 연결되고, 소스는 접지단에 연결되는 제2 NMOSFET; 및
상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 연결된 래치 뱅크(latch bank)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압제어 발진기.A digital-to-analog converter (DAC) for outputting a voltage corresponding to a selected voltage level among voltage levels obtained by dividing a first voltage and a second voltage lower than the first voltage by a predetermined number;
A two-stage ring VCO unit including first and second delay cells; And
And a voltage regulator unit for converting a voltage output from the DAC unit into a constant voltage and supplying the voltage to the VCO unit at a set voltage for setting a frequency band,
The first and second delay cells may include:
A first PMOSFET having a source connected to the set voltage;
A second PMOSFET whose source is connected to the set voltage;
A drain connected to a first node to which a gate and a drain of the first PMOSFET are connected, and a source connected to a ground terminal;
A second NMOSFET having a drain connected to a second node to which a gate and a drain of the second PMOSFET are connected, and a source connected to a ground terminal; And
And a latch bank coupled between the first node and the second node.
상기 DAC부는, 64개의 저항을 사용하는 6-비트 스트링 구조의 DAC인 것을 특징으로 하는 전압제어 발진기.The method according to claim 1,
Wherein the DAC unit is a 6-bit string DAC using 64 resistors.
상기 DAC부는, 전압 레벨의 선택을 위한 두 개의 3-비트 디코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압제어 발진기.3. The method of claim 2,
Wherein the DAC section comprises two 3-bit decoders for selection of a voltage level.
상기 전압 레귤레이터부는,
(-) 입력단에 상기 DAC부의 출력 전압이 연결되는 연산증폭기; 및
게이트는 상기 연산증폭기의 출력단에 연결되고, 드레인에는 전원 전압이 연결되며, 소스는 상기 연산증폭기의 (+) 입력단에 연결되어 상기 링 VCO부의 발진 주파수 대역을 설정하는 전압을 공급하는 MOSFET를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압제어 발진기.The method according to claim 1,
The voltage regulator unit includes:
An operational amplifier to which an output voltage of the DAC unit is connected to a negative input terminal; And
A gate connected to an output terminal of the operational amplifier, a drain connected to a power supply voltage, and a source connected to a (+) input terminal of the operational amplifier to supply a voltage for setting an oscillation frequency band of the ring VCO section And a voltage controlled oscillator.
상기 래치 뱅크는, 제1 내지 제4 래치부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압제어 발진기.The method according to claim 1,
Wherein the latch bank includes first to fourth latch portions.
상기 제1 내지 제4 래치부 각각은,
소스에는 상기 설정 전압이 연결되고, 드레인에는 상기 제1 노드가 연결되는 제3 PMOSFET;
소스에는 상기 설정 전압이 연결되고, 드레인에는 상기 제2 노드가 연결되는제4 PMOSFET;
소스는 상기 제1 노드가 연결되고, 드레인은 상기 제4 PMOSFET의 게이트에 연결되는 제3 NMOSFET; 및
소스는 상기 제2 노드가 연결되고, 드레인은 상기 제3 PMOSFET의 게이트에 연결되며, 게이트는 상기 제3 NMOSFET의 게이트에 연결되는 제4 NMOSFET를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압제어 발진기.The method according to claim 6,
Each of the first through fourth latch portions includes:
A third PMOSFET having a source connected to the set voltage and a drain connected to the first node;
A fourth PMOSFET having a source connected to the set voltage and a drain connected to the second node;
A third NMOSFET having a source connected to the first node and a drain connected to a gate of the fourth PMOSFET; And
A source coupled to the second node, a drain coupled to a gate of the third PMOSFET, and a gate coupled to a gate of the third NMOSFET.
상기 래치 뱅크는, 상기 제1 내지 제4 래치부 중에서 선택된 래치부에 설정된 전압을 공급하는 스위칭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압제어 발진기. The method according to claim 6,
Wherein the latch bank further comprises a switching unit for supplying a voltage set to the latch unit selected from the first to fourth latch units.
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