[논문]VCO의 온도 특성 보상을 위한 온도 보상 회로의 설계

김병철; 황계화; 조경래; 이재범

doi:10.5515/kjkiees.2010.21.3.223

VCO의 온도 특성 보상을 위한 온도 보상 회로의 설계
Design of Temperature Compensation Circuit to Compensate Temperature Characteristics of VCO 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.21 no.3=no.154, 2010년, pp.223 - 228

김병철 (금오공과대학교 전자공학부) , 황계화 (금오공과대학교 전자공학부) , 조경래 (금오공과대학교 전자공학부) , 이재범 (금오공과대학교 전자공학부)

초록
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본 논문에서는 온도 센서와 OP-AMP를 이용하여 X-밴드용 전압제어 발진기를 위한 온도 보상 회로를 구현하였다. 온도 변화에 대해 선형적인 특성을 갖는 온도 센서의 출력 전압을 튜닝 전압에 더해서 전압제어 발진기에 인가함으로써 온도에 따른 주파수 이동을 보상할 수 있었다. -30~+$60^{\circ}C$의 온도 범위에서 9.95~10.05 GHz의 대역에 대해 온도 보상을 한 결과, 전체 대역폭에서 출력 주파수는 온도 보상 전 71~73 MHz가 변화했으나, 온도보상 후에는 6.6~4.4 MHz의 변화를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, temperature compensation circuit for the X-band voltage controlled oscillator(VCO) is presented by using the temperature sensor with the OP-AMP circuit. The frequency drifting by the temperature could be compensated by applying the tuning voltage which include the linearly changing output voltage of the temperature sensor. As a result, the frequency variation is reduced to 6.6~4.4 MHzfrom the 71~73 MHz variation with the compensation circuit over -30~+$60^{\circ}C$ range, when VCO is operated in the frequency range of 9.95~10.05 GHz.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

변해야 한다. 따라서 온도에 따라 튜닝 전압이 어떻게 변해야 되는지를 알기 위해서 우선 VCO의 튜닝 전압이 고정되어 있을 때 온도에 따라 VCO의 출력 주파수가 어떻게 변하는지 알아야 한다.
본 논문에서는 온도 센서를 이용하여 주변 온도의 변화에도 VCO가 거의 일정한 출력 주파수를 유지할 수 있도록 해주는 온도 보상 회로를 제안하였다. Hittite사의 X-밴드용 VCO인 HMC₅₁1LP51 사용하여 9.
이와 같은 기존의 온도 보상 방법의 장단점을 감안하여 본 논문에서는 출력 전압이 온도에 대해 거의 선형적인 변화를 보이는 온도 센서를 이용하여 기존의 온도 보상 방법에 비해 구조가 간단하고 데이터 측정량도 적으면서 사용하는 전체 온도 범위에서 좀 더 정확하게 온도 보상을 할 수 있는 온도 보상 방법을 제안하였다可

제안 방법

본 논문에서는 Hittite사의 X-밴드 VCO 인 HMC 511LP5를 사용하여 9.95-10.05 GHz 대역에서 온도에 따른 주파수 변화를 측정하였으며, 그 중 10 GHz 일 때의 온도에 따른 주파수 변화를 그림 1에 제시하였다可
온도 변화에 따라 VC0의 튜닝 전압이 어떤 값을 가져야 일정한 주파수가 유지되는지 알기 위해 주변 온도를 변화시키고 VCO의 출력이 일정한 주파수로 유지되기 위한 튜닝 전압을 측정하였으며, 이를 그림 2에 제시하였다.

성능/효과

Hittite사의 X-밴드용 VCO인 HMC₅₁1LP51 사용하여 9.95~ 10.05 GHz 대역에서 -30~+60 笆의온도 범위에 대해 온도 보상이 되지 않은 VCO의 출력 주파수가 71-73 MHz의 변화를 보였으나, 본 논문에서 제안한 방법으로 설계한 온도 보상 회로를 적용한 결과 주파수에 따라 6.6~4.4 MHz로 주파수 변화폭이 대폭 감소하는 것을 확인하였다. 소자 값의 오차로 인해 온도 보상 회로의 출력 전압 변화가 원하는 변화폭인 596 mV보다 작은 548 mV의 변화폭을 가짐에 따라 출력 주파수가 6.
그림 10과 11에 나타나듯이 본 논문에서 제시한 온도 보상 회로를 적용한 결과, -30~+60 ℃의 온도 범위에서 VCO의 출력 주파수는 10 GHz에 대해 변화폭이 72 MHz에서 5.6 MHz로 감소하는 것을 확인할 수 있었고, 9.95 GHz에 대해서는 변화폭이 71 MHz에서 6.6 MHz로 감소하고, 10.05 GHz에 대해서는 변화폭이 73 MHz에서 4.4 MHz로 감소하였다는 것을 알 수 있다.
기존의 온도 보상 방법 중 써미스터를 사용한 온도 보상 회로를 VCO에 적용한 결과, 40 MHz의 변화를 보여 본 논문에서 제시한 방안이 훨씬 우수함을 확인할 수 있었다.
4 MHz로 주파수 변화폭이 대폭 감소하는 것을 확인하였다. 소자 값의 오차로 인해 온도 보상 회로의 출력 전압 변화가 원하는 변화폭인 596 mV보다 작은 548 mV의 변화폭을 가짐에 따라 출력 주파수가 6.6~4.4 MHz의 변화를 보였으나, 전압의 변화폭을 정확하게 596 mV 로 맞추면 주파수 변화폭을 더 줄일 수 있을 것으로 생각된다.

후속연구

온도 센서를 이용한 온도 보상 회로는 구조가 간단하고 가격도 저렴하면서 기존의 온도 보상 방법보다 훨씬 정확한 특성 제어가 가능하므로 VCO뿐만 아니라 온도의 영향을 받는 다른 소자의 보상에도 응용이 가능할 것으로 본다.

참고문헌 (8)

Huiting Chen, Edward Lee, and Radndall Geiger, "A 2 GHz VCO with process and temperature compensation", Proc. IEEE, vol. 2, pp. 569-572, May 1999.
이재범, "온도 보상 회로를 갖는 ISM Band VCO 설계", 금오공과대학교 석사학위논문, 2008년.
황계화, 조경래, 김병철, "온도 센서를 이용한 X-Band VCO의 온도 보상 회로 설계", 추계마이크로파 및 전파 학술대회, 32(2), 2009년 9월.
Datasheet for HMC511LP5, www.hittite.com
Datasheet for LM35, www.national.com
Datasheet for TMP36, www.analog.com
Florin Udrea, Sumita Santra, and Julian W. Gardver, "COMS temperature sensors-concepts, state-ofthe art and prospects", Proc. IEEE, vol. 1, pp. 31-40, Oct. 2008.
Richard C. Dorf, James A. Svoboda, Introduction to Electric Circuits, 3rd Ed., John ans Wiley Sons Inc., p. 239, 1996.

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