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문제 정의
- 본 원고는 RF 발진기 동작원리를 이해하고 우수한 위상잡음을 갖는 발진기를 설계하기 위해 습득해야할 주요 개념을 전달하고자 한다. 이해를 높이기 위해 논문적인 양식을 탈피하고, 튜토리얼 형식으로 자유롭게 작성하였다.
- 그럼 왜 발진기에서 진폭잡음이 작게 나타나는지에 대해 살펴보자. 전지에 의해 움직이는 시계추의 운동을 생각해 보자(그림 11).
- 이번에는 위상 문제를 생각해 보자. 외부 변동이 가해질 때 시계추의 위상은 가해진 입력에 의해 달라진다.
- 이제 전기적인 발진기로 돌아와서 발진기에서 위상잡음만 존재하는 이유를 살펴보자. [그림 7]에서 증폭부의 이득은 입력으로 인가되는 전압 V의 함수다.
- 이 함수는 [그림 8]과 같이 포화특성을 갖는다. 발진기가 정상상태에서 동작하고 있을 때 외부 잡음이 인가되는 상황을 상상해 보자. 외부 변동에 의해 증폭부에 인가되는 전압이 커지면(작아지면) 즉, Vo + δv 의 값이 증폭부에 들어오면 이득 포화 곡선에서 δv에 해당하는 만큼 이득은 저하(상승)된다.
- 이제 위상잡음을 생각해 보자. 외부 변동분 δv에 의해 정상상태에서 위상이 점프(jump)하는 경우, 그 위상은 새로운 기준점이 되어 새롭게 바르크하우젠 발진조건을 만족하게 된다.
- IC와 달리 개별소자를 이용한 발진기에서는 능동소자의 개수를 최소화하는 것이 필요하다. 여기서는 개별소자를 이용한 발진기의 구조 중에서 가장 널리 알려진 콜피츠(Colpitts) 구조에 대해 살펴보고자 한다[1].
- 본 원고에서는 발진현상에 대한 기본 개념인 공진현상과 위상잡음, 발진기의 회로적 구조에 대해 살펴보았다. 여기서 다룬 개념들은 발진기의 기초에 해당하지만, 이를 바탕으로 트랜지스터의 1/f 잡음 특성, 공진기의 Q와 위상 잡음 관계, 저주파 잡음의 상향 메커니즘 등을 공부해 나가면 발진기의 지식은 매우 확고해질 것으로 생각된다.
가설 설정
- 이때 증폭부는 인가 진폭(전압 V )만의 함수이고, 공진기는 주파수(ω)만의 함수로 구성된다고 가정한다.
- [그림 16] (a)의 회로를 생각해 보자. 여기서 트랜지스터는 능동영역에서 동작하는 것으로 가정하자. 먼저, 소신호 임피던스 Zin을 구해보자.
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