[논문]대역폭 증가 기법을 사용한 저전력 전압 제어 발진기

이원영; 이계민

doi:10.13067/jkiecs.2021.16.1.69

초록
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본 논문은 저항과 캐패시터로 구성된 필터를 사용한 저전력 전압 제어 발진기를 소개하고 있다. 제안하는 전압 제어 발진기는 5단의 전류모드 버퍼로 구성되어 있으며, 각 버퍼 셀마다 저항-캐패시터 필터가 입력단과 출력단 사이에 연결되어 있다. 필터는 버퍼 셀 회로에 영점을 추가하게 되며, 영점은 회로 발진 조건을 고주파 대역으로 이동시킴으로써 낮은 전력 소모에도 높은 출력 주파수를 낼 수 있게 한다. 제안하는 회로는 0.18 ㎛ CMOS 공정으로 설계되었다. 소모 전력은 2.7 GHz 에서 9.83 mW를 소모한다. 기존 회로와 전력 효율을 비교했을 때, 기존 회로는 4.79 pJ/Hz이고 제안하는 회로는 3.64 pJ/Hz로 기존 회로 대비 전력 소모량을 24 % 감소시켰다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper introduces a low-power voltage-controlled oscillator(VCO) with filters that consist of resistors and capacitors. The proposed VCO contains a 5-stage current mode buffer, and each buffer cell has a resistor-capacitor filter that connects input and output terminals. The filter adds a zero t...

This paper introduces a low-power voltage-controlled oscillator(VCO) with filters that consist of resistors and capacitors. The proposed VCO contains a 5-stage current mode buffer, and each buffer cell has a resistor-capacitor filter that connects input and output terminals. The filter adds a zero to the buffer cell. Because the zero moves the oscillation condition to high frequencies, the proposed VCO can generate a high frequency clock with low power consumption. The proposed circuit has been designed with 0.18 ㎛ CMOS process. The power consumption is 9.83 mW at 2.7 GHz. The proposed VCO shows 3.64 pJ/Hz in our simulation study, whereas the conventional circuit shows 4.79 pJ/Hz, indicating that our VCO achieves 24% reduction in power consumption.

Keyword

표/그림 (8)

그림 그림 1. LC VCO와 Ring VCO의 구조 Fig. 1 Structures of LC VCO and Ring VCO
그림 그림 2. 클록 신호의 주파수 스펙트럼 Fig. 2 Frequency spectrum of a clock signal
그림 그림 3. 발진기의 소신호 모델 Fig. 3 Small-signal model of an oscillator
그림 그림 4. 제안하는 전압제어발진기의 구조 Fig. 4 Structure of the proposed VCO
그림 그림 5. 전압제어발진기 셀의 회로도 Fig. 5 Schematic of the VCO cell
그림 그림 6. 제안하는 전압 제어 발진기의 개방루프 주파수 특성 Fig. 6 Open-loop frequency response of the proposed VCO cell
그림 그림 7. 출력 클록의 신호 파형과 위상 잡음 Fig. 7 Waveform and phase noise of the output clock
그림 그림 8. 기존 회로와의 전력 소모 및 출력 주파수 비교 Fig. 8 Comparison on power dissipation and output frequency between the proposed and conventional circuits

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 낮은 전력 소모에도 높은 주파수 출력을 얻기 위해 수동 소자 필터를 사용한 대역폭 증가 기법을 적용한 전압 제어 발진기의 구조를 제안하고 있다. 높은 공통 모드 제거비 특성과 높은 주파수를 출력할 수 있도록 기본 구조는 전류 모드 로직의차동 신호 회로를 사용하였다.
본 논문은 저항과 캐패시터 필터를 사용한 전압제어발진기 구조를 제안하고 있다. 필터에 의한 영점을 추가함으로써 신호 전달 시 위상 특성을 변화시켜 낮은 전력 소모에도 높은 주파수 대역에서 발진이 일어날 수 있도록 하였으며, 이를 통해 기존 대비 전력 소모량을 24 % 감소시켰다.

제안 방법

있다. 전압 제어 발진기의 기본적인 지터와 듀티싸이클 특성을 확보하기 위해 CMOS 로직 회로 구조 대신 전류모드 회로 구조와 차동 신호 구조를 사용하였다. 총 5단으로 구성된 셀의 동작 주파수는 2.
전압제어발진기 출력 클록의 주기 값은 각 셀의 입력 -출력간 지연시간을 모두 더한 값의 2배이므로 제어전압(V_CONT)을 통해 셀 지연시간을 조정하면 출력 클록 주파수를 변경할 수 있다. 본 회로에서는 출력 주파수를 변경하기 위해 V_CONT가 셀 회로의 로드 저항값을 조정하게 된다. 로드 저항과 로드 캐패시턴스는회로의 –3 dB 주파수를 결정하므로 로드 저항의 변화는 –3 dB 주파수의 변화를 의미한다.
τ_F와τ_L은 각각 R_FC_F, R_OC_L을 의미한다. 기본적인 전류모드 형태의 차동 버퍼 구조는 전달함수가 1개의 극점으로 구성되지만 제안하는 VCO 셀 회로는 R_F와 C_F 직렬 필터로 인해 1 개의 영점와 2개의 극점으로 구성된다. 새롭게 추가된 영점을 통해 위상 특성을 변화시켜 낮은 전력 소모 없이 높은 주파수 대역에서 발진 조건을 만족할 수 있게 된다.

대상 데이터

있다. 높은 공통 모드 제거비 특성과 높은 주파수를 출력할 수 있도록 기본 구조는 전류 모드 로직의차동 신호 회로를 사용하였다. 다음 장에서는 전압 제어 발진기의 동작 원리에 대해서 설명하며, 제 3장에서는 제안하는 회로의 구조에 대해서 설명한다.
전압 제어 발진기의 기본적인 지터와 듀티싸이클 특성을 확보하기 위해 CMOS 로직 회로 구조 대신 전류모드 회로 구조와 차동 신호 구조를 사용하였다. 총 5단으로 구성된 셀의 동작 주파수는 2.7 GHz를 목표로 설계되었다. 생성된 클록 신호가 5단의 셀을 통과했을 때 180도의 위상차이가 발생하므로 각단의 출력부에서는 36도씩의 위상 차를 가지는 클록 신호가 생성된다.
제안하는 전압제어발진기는 0.18 μm CMOS 공정을 사용하여 설계되었다. 공급 전압은 1.
필터에 의한 영점을 추가함으로써 신호 전달 시 위상 특성을 변화시켜 낮은 전력 소모에도 높은 주파수 대역에서 발진이 일어날 수 있도록 하였으며, 이를 통해 기존 대비 전력 소모량을 24 % 감소시켰다. 회로의 구현은 0.18 μm CMOS 공정을 사용하였으며, 소모 전력은 출력 주파수가 2.7 GHz 일 때, 9.83 mW 이다.

성능/효과

생성된 클록 신호가 5단의 셀을 통과했을 때 180도의 위상차이가 발생하므로 각단의 출력부에서는 36도씩의 위상 차를 가지는 클록 신호가 생성된다. 회로의 출력 구조가 차동임을 고려하면 제안하는 발진기는 총 10개의 신호를 출력할 수 있으며, 각각 출력 클록 신호의 위상은 36도 간격으로 0, 36, 72, ..., 252, 288, 324도의 위상을 가진다.
VCO의 루프를 구성할 때 위상을 반대로 연결하므로 개방루프의 입출력 위상차이가 0도가 되는 주파수 지점에서 회로의 출력이 발진하게 된다. 필터를 연결하지 않은 경우 2.304 GHz에서 발진 조건을 만족한 반면, 제안한 회로는 3.027 GHz에서 발진 조건을 만족하였다. 이때 각 단마다 공급되는 바이어스 전류는 0.
2 V로 동일하였다. 기존 회로와 제안하는 회로의 5단 전체 개방루프 전압 이득은 3.0 GHz에서 각각 6.5 V/V와 3.51 V/V로 확인되었다. 필터를 추가함으로써 기존 회로 대비 전압이득이 감소했으나 발진의 기본 조건 1 V/Ve 만족하였다.
51 V/V로 확인되었다. 필터를 추가함으로써 기존 회로 대비 전압이득이 감소했으나 발진의 기본 조건 1 V/Ve 만족하였다.
전압제어발진기 출력 클록의 크기는 2.7 GHz 주파수에서 720 mVpp 이며, 출력 클록의 위상 잡음은 1 MHz 오프셋에서 –89.75 dBc/Hz로 측정되었다. 출력 클록 주파수를 2.
그림 8은 기존 회로와 제안하는 회로의 출력 주파수 영역과 주파수 별 소모 전력을 보여주고 있다. 2.7 GHz를 출력하기 위해 기존 회로는 12.94 mW를 소모하는 반면 제안하는 회로는 9.83 mW를 소모하여 기존 회로 대비 전력 소모량을 24% 감소시켰다. 또한 동일한 전력 소모 범위 내에서 기존 회로는 1.
83 mW를 소모하여 기존 회로 대비 전력 소모량을 24% 감소시켰다. 또한 동일한 전력 소모 범위 내에서 기존 회로는 1.472 GHz에서 2.763 GHz 까지 출력하는 반면, 제안하는 회로는 1.955 GHz에서 3.192 GHz 까지 출력하는 것을 볼 수 있다. 즉, 전력 효율 관점에서 기존 회로는 4.
192 GHz 까지 출력하는 것을 볼 수 있다. 즉, 전력 효율 관점에서 기존 회로는 4.79 pJ/Hz이고 제안하는 회로는 3.64 pJ/Hz로 필터를 사용한 VCO에서 더 높은 전력효율을 보여주고 있음을 확인할 수 있다.
구조를 제안하고 있다. 필터에 의한 영점을 추가함으로써 신호 전달 시 위상 특성을 변화시켜 낮은 전력 소모에도 높은 주파수 대역에서 발진이 일어날 수 있도록 하였으며, 이를 통해 기존 대비 전력 소모량을 24 % 감소시켰다. 회로의 구현은 0.

참고문헌 (10)

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원문보기 상세보기
H. Barkhausen, Lehrbuch der Elektronen-Rohren und ihrer technischen Anwendungen: Ruckkopplung 3rd ed., Leipzig: Hirzel, 1935.

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