전압 제어 발진기(VCO)의 기본 사항과 선택법 및 사용법

대부분의 전자 제품에서 신호의 주파수는 다른 신호의 진폭에 따라 달라져야 합니다. 좋은 예로 변조 소스의 진폭에 따라 캐리어의 주파수가 달라지는 주파수 변조 신호가 있습니다. 위상 고정 루프(PLL)도 고려해보십시오. PLL은 제어 시스템을 사용하여 발진기의 주파수 및/또는 위상을 입력 레퍼런스 신호의 주파수/위상에 맞게 변경합니다.

설계자의 목표는 시간과 온도에 따른 정확성, 신뢰성 및 안정성을 보장하면서 이 기능을 최대한 효과적이고 경제적으로 수행하는 방법을 결정하는 것입니다.

이는 전압 제어 발진기(VCO)의 기능입니다. 이러한 장치는 적절한 주파수 범위에서 입력 신호의 전압 진폭에 따라 주파수가 달라지는 출력 신호를 생성하도록 설계되었으며, PLL, 주파수 및 위상 변조기, 레이더 및 기타 다양한 전자 시스템에서 사용됩니다.

이 기사에서는 VCO가 이 기능을 원하는 설계자에게 최선의 선택인 이유를 설명하고, VCO의 작동 방식과 VCO의 설계(개별 부품 설계부터 모놀리식 VCO IC까지)에 대해 간략하게 설명합니다. 그런 다음 Maxim Integrated, Analog Devices, Infineon Technologies, NXP Semiconductors, Skyworks Solutions, Crystek Corporation 등 다양한 벤더를 실제 사례로 들어 특정 응용 분야에 적합한 VCO를 지정하는 방법을 살펴봅니다.

VCO의 역할

앞서 언급한 대로 대부분의 전자 제품에서 신호의 주파수 또는 위상은 다른 신호의 진폭에 따라 달라지거나 제어되어야 합니다. 일반적인 응용 분야로는 통신 시스템, 레이더의 주파수 처프, PLL의 위상 추적 및 주파수 호핑 응용 분야(예: 원격 무선 도어)가 있습니다(그림 1).

그림 1: 적용된 신호 전압에 의해 제어되는 주파수 또는 위상에 변화가 필요한 응용 분야의 예로 통신 시스템의 주파수 변조(맨 위), 레이더의 주파수 처프(두 번째), 위상 고정 루프의 위상 추적(세 번째), 주파수 호핑 응용 분야(예: 원격 무선 도어 시스템)(맨 아래)가 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

VCO는 적절한 주파수 범위에서 입력 신호의 전압 진폭에 따라 주파수가 달라지는 출력 신호를 생성하도록 특별히 설계되었습니다.

VCO의 작동 방법

VCO는 개별, 모듈식 및 모놀리식 형태로 제공되지만, 개별 VCO의 경우 작동 방식과 특정 사양이 중요한 이유에 대해서만 기본적으로 살펴봅니다. 모듈식 솔루션과 모놀리식 솔루션의 개요는 아래와 같습니다.

설계자는 VCO에 대한 개별 접근 방식을 사용하여 맞춤형 사양을 유연하게 충족할 수 있습니다. 특히, 이 접근 방식은 아마추어 무선 통신 분야의 DIY 프로젝트에서 일반적으로 사용됩니다. 고주파 무선 프로젝트에서 작동하기 위한 설계는 Hartley 및 Colpitts 인덕터-커패시터(LC) 발진기를 비롯한 일반 발진기 토폴로지를 기반으로 합니다(그림 2).

그림 2: Hartley 및 Colpitts LC 발진기를 비롯한 일반 발진기를 VCO 설계의 기반으로 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

모든 발진기는 포지티브 피드백 사용에 기반하여 지속적인 발진을 실현합니다. Hartley 및 Colpitts 발진기는 다양한 방식으로 포지티브 피드백을 생성하는 기본 설계입니다. 포지티브 피드백은 발진기의 출력 신호를 총 위상 변이가 360°인 입력으로 되돌려야 합니다. 증폭기에서 180° 위상 반전을 제공하고, 360° 중 나머지 절반은 공진 탱크 회로의 LC에서 제공됩니다. 탱크 회로에서 공칭 발진 주파수를 결정합니다. 탱크 회로는 Hartley 발진기 회로의 경우 L1, L2 및 Ct로 구성되고, Colpitts 발진기의 경우 L1, Ct1 및 Ct2로 구성됩니다.

Hartley 발진기에서는 유도 커플링을 사용하여 회로에 표시된 이중 인덕터 또는 탭 인덕터(L1 및 L2)를 통해 위상 반전을 실현합니다. Colpitts 발진기는 해당 회로에서 Ct1 및 Ct2로 구성된 정전 용량 전압 분배기를 채택합니다. 기본 설계에서 다양한 설계가 파생되며, 각 설계는 고유한 이름을 가집니다. 파생 설계에서는 부하로 인한 주파수 변이를 방지하기 위해 탱크 회로를 증폭기와 분리하려고 시도합니다. 파생된 설계가 다양하기 때문에 설계자는 원하는 대로 선택할 수 있습니다.

탱크 회로의 공진 주파수를 변경하는 버랙터 다이오드를 채택하여 설계 시 주파수 제어 기능을 추가합니다. 버랙터 다이오드(배리캡 다이오드라고도 함)는 가변 정전 용량을 제공하도록 설계된 접합 다이오드입니다. P-N 접합은 역방향 바이어스이며 인가된 DC 바이어스를 변경하여 다이오드 정전 용량을 변경할 수 있습니다. 버랙터의 정전 용량은 인가된 DC 바이어스에 반비례합니다. 즉, 역방향 바이어스가 높을수록 다이오드 공핍 영역은 넓고 정전 용량은 작습니다. 이 변화는 Skyworks Solutions의 SMV1232_079LF 초계단형 접합 버랙터 다이오드에 대한 정전 용량 및 역전압 비교 그래프에서 확인할 수 있습니다(그림 3). 이 다이오드의 정전 용량은 0V에서 4.15pF이고 8V에서 0.96pF입니다.

그림 3: Skyworks Solution SMV1232 버랙터 다이오드의 전압 정전 용량 그래프에서는 적용된 DC 바이어스에 반비례하는 정전 용량을 명확히 보여줍니다. (이미지 출처: Skyworks Solutions)

버랙터 다이오드의 정전 용량 범위에 따라 VCO의 조정 범위가 결정됩니다. 그림 4와 같이 발진기 전압 제어는 버랙터를 탱크 회로와 병렬로 추가되어 구현됩니다. 그림은 중심 주파수가 1GHz이고 조정 범위가 약 100MHz인 Colpitts 발진기 VCO의 평가 기판 참조 설계를 보여줍니다. 또한 방출기 팔로어 버퍼를 통합하여 VCO를 부하 변화와 분리합니다. 이 설계의 공진 탱크 회로에는 인덕터 L3 및 커패시터 C4, C7 및 C8이 포함되어 있습니다. 버랙터 다이오드 VC1은 탱크와 병렬로 배치되어 있습니다. 커패시터 C4는 주어진 버랙터 선택에 대한 주파수 변화 범위를 제어하고, C7 및 C8은 발진을 유지하는 데 필요한 피드백을 제공합니다.

그림 4: 중심 주파수가 1GHz이고 조정 범위가 약 100MHz인 Colpitts 발진기 VCO의 평가 기판 참조 설계 버랙터 다이오드 VC1(왼쪽 하단)은 탱크와 병렬로 배치되며 인덕터 L3 및 커패시터 C4, C7, C8로 구성됩니다. (이미지 출처: NXP Semiconductors)

발진기의 주파수에 따라 다른 버랙터 및 양극 접합 트랜지스터가 선택됩니다. 공칭 주파수가 1GHz인 경우 NXP Semiconductor의 BFU520WX 또는 Infineon Technologies의 BFP420FH6327XTSA1과 같은 RF 트랜지스터를 사용할 수 있습니다. BFU520WX의 트랜지션 주파수는 10GHz이고 이득은 18.8dB이며, BFP420FH6327XTSA1의 트랜지션 주파수는 25GHz이고 이득은 19.5dB입니다. 두 트랜지스터는 모두 1GHz에서 이 회로에 충분한 이득 대역폭 곱을 가집니다.

요약하면 개별 VCO는 최대 설계 유연성을 제공하지만 모듈식 또는 모놀리식 장치보다 더 크고 더 많은 pc 기판 영역을 차지합니다.

VCO 지정

주요 VCO 사양은 일반적으로 공칭 주파수 범위, 즉 획득 가능한 최소 주파수와 최대 주파수에서 시작됩니다. 또는 공칭 또는 중심 주파수와 조정 범위로 지정할 수 있습니다.

입력 동조 전압 범위는 조정 범위에 대해 VCO를 조정하는 입력 전압 스윙에 해당합니다(그림 5).

그림 5: 입력 동조 전압의 함수로 표시된 출력 주파수의 조정 곡선 그래프는 VCO의 선형성을 선형 고정과 비교하여 보여주는 기본 보기를 제공합니다. 출력 주파수와 동조 전압의 비교 기울기는 동조 감도입니다. (이미지 출처: DigiKey)

동조 이득 또는 감도는 주파수와 전압의 비교 기울기 그래프이며, MHz/V 단위로 측정됩니다. 이 값은 동조 선형성을 측정한 값입니다. VCO가 제어 루프 내에 있는 경우(예: PLL) 동조 감도는 VCO 소자의 이득이며 제어 루프의 역동성과 안정성에 영향을 줄 수 있습니다.

VCO의 출력 전력은 지정된 임피던스의 부하에 제공되는 전력을 지정합니다(RF VCO의 경우 일반적으로 50Ω). 출력 전력은 1mW에 상응하는 dB(dBm)로 지정됩니다. VCO의 주파수 범위에 대한 전력 출력의 평탄도가 중요할 수도 있습니다.

부하 풀링은 MHz pk-pk(피크 간)로 측정되는 부하 임피던스의 변경으로 인한 VCO의 출력 주파수 변경입니다. 그림 4에 표시된 방출기 팔로어와 같은 버퍼 증폭기를 사용하면 일반적으로 부하 분리가 개선됩니다.

전원 공급 장치 푸시는 전원 공급 장치 전압 변화로 인한 VCO 출력 주파수 변화이며, MHz/V로 측정됩니다.

위상 잡음 사양은 VCO의 신호 순도 지표입니다. 이상적인 발진기는 발진기 주파수에서 주파수 스펙트럼의 스펙트럼 라인이 좁습니다. 위상 잡음은 원치 않는 발진기 변조를 나타내며 스펙트럼 응답을 확대합니다. 위상 잡음은 발진기 회로 내에서 열 및 기타 잡음 출처의 결과이며 dBc/Hz로 지정됩니다. 주파수 도메인의 위상 잡음은 시간 도메인에서 타이밍 지터를 발생하여 시간 간격 오류(TIE)로 이어집니다.

모듈식 VCO

모듈식 VCO는 차상위 수준 회로 통합을 나타냅니다. 이 VCO는 소형 모듈식 인클로저 패키지로 제공되며 부품처럼 사용됩니다. 모듈식 VCO는 일반적으로 개별 구현 VCO보다 높은 포장 밀도를 제공합니다. 이 VCO는 다양한 출력 주파수, 조정 범위 및 전력 출력 수준으로 제공됩니다. 예를 들면 Crystek Corporation의 CRBV55BE-0325-0775 VCO가 있습니다(그림 6). 이 장치는 크기가 1.25in x 0.59in (31.75mm x 14.99mm)이고 높이가 1.25인치이며, 입력 전압 범위 0V ~ 12V에서 조정 범위가 325MHz ~ 775MHz입니다. 출력 전력 레벨은 +7dBm(일반)이고 위상 잡음은 캐리어에서 오프셋이 10kHz일 때 -98dBc/Hz이고 100kHz일 때 -118dBc/Hz입니다.

그림 6: Crystek CRBV55BE VCO 윤곽도는 1.25인치 x 1.25인치 x 0.59인치 크기의 콤팩트 폼 팩터를 보여줍니다. (이미지 출처: Crystek Corporation)

제어 역동성과 관련하여 Crystek VCO의 일반 동조 감도는 45MHz/V입니다. 전원 공급 장치 푸시는 0.5MHz/V(일반) 및 1.5MHz/V(최대)로 지정됩니다. 부하 풀링은 최대 5.0MHz pk-pk입니다.

모놀리식 VCO

VCO를 모놀리식 IC로 구현할 수 있습니다. 모놀리식 IC는 가장 높은 볼륨 밀도를 제공합니다. 모듈식 VCO와 마찬가지로 모놀리식 VCO는 특정 작동 대역에 맞게 설계됩니다. 예를 들어 Maxim Integrated의 MAX2623EUA+T를 고려해 보십시오. 이 솔루션은 단일 8핀 mMax 패키지에 통합 발진기와 출력 버퍼가 포함된 자급형 VCO입니다(그림 7).

그림 7: Maxim Integrated의 MAX2623 VCO 제품 구성도 및 핀 구성. 전압 제어용 이중 버랙터 다이오드를 사용하는 기존 LC 기반 VCO이며, 8핀 패키지에 내장된 출력 버퍼가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

설계에는 온칩 탱크 인덕터와 버랙터 다이오드가 포함되어 있습니다. 또한 +2.7V ~ +5.5V 전원 공급 장치로 작동되고 8mA의 전류만 소비합니다. MAX2623은 제품군에 속하는 세 VCO 중 하나이며, 각 VCO는 의도된 작동 주파수로 구별됩니다. MAX2623은 885MHz ~ 950MHz 범위에 맞게 조정되며, 902MHz ~ 928MHz 산업, 과학 및 의료(ISM) 대역을 포함하여 로컬 발진기로 사용될 수 있습니다. 이 VCO의 출력 전력 레벨은 50Ω에서 -3dBm이고, 위상 잡음은 100kHz 오프셋에서 -101dBc/Hz(일반)입니다. 제어 전압 범위는 0.4V ~ 2.4V이고, 부하 풀링은 일반적으로 0.75 MHz, pk-pk입니다. 전원 공급 장치 푸시는 280kHz/V(일반)이고, 패키지 크기는 0.12in x 0.12in x 0.043in (3.03mm x 3.05mm x 1.1mm)입니다.

모놀리식 VCO의 다른 예로는 Analog Devices의 HMC512LP5ETR이 있습니다. 이 VCO는 9.6GHz ~ 10.8GHz의 주파수 범위와 2V ~ 13V 동조 전압을 포함합니다. 이 VCO는 위성 통신, 다중 지점 무선 및 군사 응용 분야를 위한 것입니다(그림 8).

그림 8: Analog Devices의 HMC512LPETR VCO 제품 구성도는 공진기가 통합된 발진기 코어와 통합 버랙터 다이오드를 보여줍니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 모놀리식 극초단파 집적 회로(MMIC) VCO는 GaAs 및 InGaP 이형 접합 양극 트랜지스터를 사용하여 광대역을 구현하고 5V DC 전원을 사용하여 50Ω에서 +9dBm의 출력 전력 레벨을 제공합니다. 위상 잡음은 100kHz 오프셋에서 -110dBc/Hz입니다. 부하 풀링은 일반적으로 5MHz pk-pk(일반)입니다. 전원 공급 장치 푸시는 일반적으로 5V에서 30MHz/V(일반)입니다. 이 장치는 QFN 5mm x 5mm 표면 실장 패키지로 제공됩니다. 그림에서 이 VCO는 1/2 및 1/4 주파수 보조 출력을 포함합니다. 이 부분 주파수 출력은 PLL 합성기를 구동하여 필요에 따라 VCO 기본 출력을 위상 고정하거나 다른 타이밍 체인 신호를 동기화하는 데 사용될 수 있습니다.

두 모놀리식 장치는 이 유형 VCO의 주요 이점인 작은 크기를 특징으로 합니다.

결론

VCO(개별, 모듈식 또는 모놀리식 형태)는 많은 응용 분야에 필요한 전압 기반 주파수 제어 요구 사항을 충족합니다. VCO는 함수 생성기, PLL, 주파수 합성기, 클록 생성기 및 아날로그 음악 합성기에 사용됩니다. VCO는 상대적으로 작은 장치이지만, 적절하게 사용하려면 작동 방식과 주요 사양을 잘 알고 있어야 합니다. 잘 알고 나면 다양한 설계 및 벤더를 선택할 수 있습니다.