개요: 45MHz ~ 650MHz의 주파수를 커버하는 IF VCO (전압 제어 발진기) 제품군을 소개한다. 이 제품들은 6핀 SOT23 패키지로 되어 있다. 위상 잡음은 300MHz ~ 500MHz에서 MAX2608에 대해 -100dBc/Hz이다. 외부 인덕터로 동작 주파수를 결정한다. 출력단은 저항 또는 무손실 테크닉을 사용하여 매칭할 수 있다.
새로운 집적회로 제품군으로 IF 애플리케이션을 위한 컴팩트형 고정 주파수 전압 제어식 발진기(VCO)의 개발을 보다 용이하게 할 수 있다.
고정 중간 주파수(IF)를 사용하기 위해 VCO를 설계하는 작업은 매우 고달픈 일이 될 수 있다. 다행히도 Maxim의 VCO IC(MAX2605–MAX2609)는 이 작업을 보다 간단하게 해줄 수 있다. 일반적인 개별 소자 솔루션에 비해 Maxim의 소자들은 원가 절감 효과와 함께 보드 면적의 절약 효과도 갖고 있다.
기존의 IF VCO 설계에서, 발진기 코어와 출력 버퍼단은 개별 트랜지스터, 저항, 커패시터 및 인덕터로 구성되어 있다(그림 1). 탱크는 주파수 설정 인덕터, 배랙터, 커플링 커패시터 및 피드백 커패시터로 구성되는 네트워크로 이루어져 있다. 출력단은 출력 임피던스를 특정 부하 임피던스에 매칭하기 위해 리액턴스를 갖는 소자를 사용한다.
그림 1. 개별 소자를 사용하여 구현한 IF VCO 회로도
성공적인 설계를 위해서는 각 소자의 값이 원하는 공칭 발진 주파수를 만족시키는 것 외에도 충분한 튜닝 범위, 적절한 바이어싱, 모든 상황에서의 발진기 기동성 및 적절한 출력단 성능을 보증할 수 있어야 한다. 소비전류, 회로 기동 마진, 주파수 튜닝 범위 및 위상 잡음 등에 의해 성능 절충이 일어나게 되면 일차 특성이 좋은 설계의 경우에도 문제가 발생할 수 있다.
개별 소자를 사용한 IF VCO 설계의 주된 단점은 인쇄 기판의 면적을 많이 차지한다는 것이다. 레이아웃의 크기를 6mm x 10mm 이하의 수준으로 최적화하려면 상당한 노력이 필요하다. 또한 PCB의 레이아웃은 VCO의 성능과 설계의 정확성에 매우 큰 영향을 미친다.기생 성분으로 인해 명목상의 발진 주파수에 원치 않는 변동이 발생할 수 있고, 이로 인해 설계 중심의 오류가 더욱 커지게 되며 결과적으로 이러한 오차를 보상하기 위해 더욱 더 큰 튜닝 범위가 필요하게 된다.
MAX2605–MAX2609 IF VCO 제품군은 이러한 문제에 대해 보다 나은 대책을 제공한다. 이 다섯 가지의 제품은 45MHz ~ 650MHz의 IF 주파수를 사용하는 저전력, 고정 주파수 및 단일 주파수 휴대용 무선 애플리케이션을 위해 설계되었다. 필요한 상당부분의 회로 요소가 온 칩으로 구현되어 있어 탱크 인덕터(발진 주파수의 결정에 사용)만 외장형으로 구현하면 된다.
올바른 외부 인덕턴스 값을 선택하면, IC가 튜닝 전압 범위 (+0.4VDC ~ +2.4VDC) 내의 특정 전압 레벨에 의해 해당 주파수를 얻을 수 있도록 보증해준다. IC의 튜닝 전압 입력은 PLL 단 이후의 루프 필터로부터 직접 구동이 가능하다. MAX2605–MAX2609 IC는 +2.7VDC~+5.5VDC의 전원 전압 범위에서 동작하도록 설계되었으며, 적절한 동작을 위한 전원 전압 연결을 위해 특별한 레귤레이션이 필요없다. 각 IC는 초소형 6핀 플라스틱 SOT23 패키지로 되어 있다(그림 2).
그림 2. MAX2605–MAX2609 IF VCO IC는 6핀 표면 실장 SOT23 패키지로 되어 있어 PCB 면적의 소비를최소화할 수 있도록 설계되어 있다.
MAX2605는 45MHz ~ 70MHz 범위에서 튜닝 가능하며 반송파로부터 100kHz에서 -117dBc/Hz의 위상 잡음을 갖는다. 다른 소자의 경우 이러한 파라미터들은 70MHz ~ 150MHz 튜닝에 반송파로부터 100kHz일 때 위상 잡음 -112dBc/Hz(MAX2606), 150MHz ~ 300MHz 튜닝에 반송파로부터 100kHz일 때 위상 잡음 -107dBc/Hz(MAX2607), 300MHz ~ 500MHz 튜닝에 반송파로부터 100kHz일 때 위상 잡음 -100dBc/Hz(MAX2608), 그리고 500MHz ~ 650MHz 튜닝에 반송파로부터 100kHz일 때 위상 잡음 -93dBc/Hz (MAX2609) 등이다.
주파수 튜닝 범위, 바이어싱, 회로 기동 및 기타 발진기 특성은 모두 IC 내부에서 관리되어 일반적으로 VCO 설계에 관련된 설계애로점이 없어진다. 온칩 배랙터 및 커패시터로 인해 외부 튜닝 부품을 사용할 필요가 없으므로 IF VCO 설계가 단순화된다. 인덕턴스와 발진 주파수 간의 그래프(MAX2605–MAX2609 데이터 시트 참고)가 있어 외부 인덕터의 선택 작업이 한결 간단해졌다.
MAX2605 제품군은 RF 설계자를 위한 여러 가지 중요한 신기능을 제공한다. 이 소자들은 외부 조정이 필요 없는 조정작업이 불필요한 VCO를 제작할 수 있도록 설계되어 있다. 듀얼 변환 시스템에서 사용되는 시스템 IF의 활용이 가능하도록 이 소자들은 광범위한 애플리케이션 주파수를 처리할 수 있도록 되어 있으며, IF VCO의 구성 비용을 절감하고 최종 설계의 크기를 줄일 수 있는 유연한 출력 인터페이스를 갖추고 있다.
MAX2605–MAX2609는 새로운 VCO의 컨셉을 갖고 있었기에, 근본적으로 새로운 회로 접근을 통한 제품 목표 구현 방법을 필요로했다. Maxim은 신뢰성과 유연성이 높은 Colpitts 발진기 구조를 기반으로 한 발진 회로를 만들어냈다. 이 토폴로지는 모든 발진기 구성 요소(인덕터 제외)가 IC 안에 내장될 수 있도록 사용되었다. 발진기에 필요한 거의 모든 요소를 칩 상에 집적함으로써, 적절한 발진기 회로 기동, 넓은 주파수 범위, 조정작업이 불필요한 작동을 위한 튜닝 특성, 전류 소모의 억제, 온도와 전원 전압 변화에 독립적인 바이어싱 등 훌륭한 VCO가 갖추어야 하는 모든 필요 동작 특성이 구현되었다.
칩 외부 인덕터는 VCO가 매우 넓은 동작 주파수에 대응할 수 있도록 해준다. 온 칩 커패시턴스는 변하지 않으나, 외부 인덕턴스를 변경함으로써 발진기 탱크 회로의 공진 주파수를 변경하게 된다. 인덕터가 최소의 Q값을 갖게 되면 위상 잡음과 기동 특성을 보증할 수 있게 된다(그림3).
그림 3. MAX2605–MAX2609 VCO IC의 간략한 회로도. 한 개의 외부 인덕터만 있으면 발진 주파수를 설정하는 완벽한공진 회로의 구현이 가능하다.
이 새로운 접근 방법을 구현하기 위해, 발진기의 구조를 지원하는 모든 능동 및 수동 소자의 공정 내 구현이 요구되었다. 특히 공정기술 측면에서 고주파 트랜지스터, 높은 Q값을 갖는 커패시터와 높은 커패시턴스 비율을 갖는 배랙터 다이오드, 그리고 PNP 및 PMOS소자 등을 제공할 수 있어야 했다.
MAX2605–MAX2609는 모놀리식 및 발진기 구조를 포함하는 RF IC를 위해 특별히 개발된 실리콘 BiCMOS 공정으로 제조된다. 이 공정에는 PNP, NMOS 및 PMOS 소자, 25GHz의 천이 주파수 (fT)를갖는 NPN 트랜지스터, 0.4V ~ 2.4V의 튜닝 전압 범위를 갖기 위해 2:1 이상의 커패시턴스율을 갖는 저 직렬 저항 배랙터 다이오드, 매우 높은 Q값을 갖는 MIM RF 커패시터, 정밀 박막 저항, 그리고 3개의 메탈 레이어 등이 포함되어있다.
이렇게 총망라된 소자 요소들로 인해 완벽한 IC의 구현이 가능해졌다. VCO 설계는 신중하고 폭 넓은 컴퓨터 시뮬레이션을필요로 했으며, 여기에는 모든 동작 조건에서 각 사양과 요구사항들이 만족될 수 있도록 다양한 성능 측면에 대한 설계 변경이포함되었다.
최종적으로, 주변 소자 오차에 의한 동작 주파수 변동을 커버할 수 있도록 충분한 주파수 튜닝 범위를 확보하기 위해 Maxim은 소자의 양산 시험과 다양한 주파수 한계를 보증할 수 있도록 하는 작업을 시작했다. 이러한 한계의 설정으로 인해 MAX2605–MAX2609 사용자들은 튜닝 주파수 범위(fMAX 및 fMIN)에 대한 보증을 받을 수 있고 0.4V의 튜닝 전압(VTUNE)에서 (fOSC) < fMIN, 그리고 VTUNE = 2.4V에서 fOSC< fMAX의 특성을 얻을 수 있게 되었다. 외부 인덕터의 오차 허용도가 온도 변동을 포함하여 ±2%이고 설계 중심치 오차가 0.5% 미만이라 할 때, 이 검사로 인해 외부 인덕턴스 값을 변경하지 않아도 VCO가 인덕터에 의해 선택된 동작 주파수에 항상 튜닝될 수 있다는 보증이 가능하게 된다. 그 결과 트림리스 VCO 설계가 가능해진 것이다.
MAX2605–MAX2609 애플리케이션은 매우 간소화되고 이해하기 쉽도록 되어 있다. 다음의 두 가지 단계를 밟으면 된다.
외부 인덕턴스를 선택하고 구현함으로써 원하는 발진기 주파수를 설정한다.
출력단 저항 또는 리액턴스를 부하와 매칭한다(그림 4).
그림 4. MAX2605–MAX2609 VCO IC의 전형적인 애플리케이션을 나타내는 회로도
VCO에 대해 요구되는 공칭 동작 주파수(fNOM)는 그림 5의 곡선에의해 IND(핀1)에서의 유효 외부 인덕턴스에 의해서만 결정된다.
그림 5. 이 곡선은 MAX2607 VCO IC에 대해 원하는 발진 주파수(150MHz ~ 300MHz)의 함수로 나타낸원하는 전체 튜닝 인덕턴스 (LF)값을 표시한 것이다.
원하는 동작 주파수에 대해 필요한 인덕턴스 값(LF)은 표면 실장 (SMT) 인덕터의 표준 값들과 반드시 일치하지만은 않을 것이므로, 이로 인해 보통 약 1.2 정도의 값만큼 차이가 발생하게 된다. 이러한 경우 원하는 값을 얻기 위해서는, 인덕턴스를 LF1와 LF2의 두 개의 인덕터로부터 만들어내어야 한다. LF1 은 원하는 값보다 작 은것 중에서 가장 가까운 표준 값으로 선택해야 한다. 그 다음 LF2를 LF - LF1보다 아주 약간만 작은 표준 값으로 선택한다. LF1은 최소의 Q 요구사항을 만족시킬수 있도록 해야 하지만, LF2 는 저가형 박막 SMT 형으로 구현해도 된다LF2의 값이 전체 값의 20%보다 작으므로, Q값이 더 작아 전체 Q에는 작은 영향만을 미치게 된다.
PCB의 도선을 만드는 방법으로 전체 인덕턴스의 값을 조정하는 방법도 있다. MAX2608/MAX2609 회로에 대해서 LF2의 인덕턴스 값을 PC 기판의 도선 형태(그라운드에 접지된 형태)로 구현하는 것이 SMT 인덕터의 경우보다 더욱 정밀한 경우가있다. 원하는 인덕턴스 값은 핀 IND에서 결정되므로, VCO는 모든 부품의 변화, 동작 온도 및 전원 전압에 대해 이 주파수로 반드시 튜닝되게 된다.
MAX2605–MAX2609 VCO는 발진기 코어 이후에 서로 다른 출력 증폭 회로를 사용하고 있다. 증폭단은 충분한 절연성을 제공하며 믹서나 PLL 프리스케일러와 같이 IF 기능으로의 유연한 인터페이스가 가능하도록 해준다. 출력은 단일단 또는 차동 형식으로 가능하지만, 최대 출력 및 최저 고조파 출력은 차동 출력 모드에서 얻어진다. 오픈 콜렉터 출력(OUT- 및 OUT+)은 둘 다 콜렉터 전압(VCC)으로의 풀업 소자를 필요로 한다. 출력단은 풀업 저항 또는 인덕터를 적용할 수 있다. 풀업 저항이 출력으로의 인터페이스를 구현하는 가장 간단명료한 방법이며 주파수가 상대적으로 낮거나 전압 스윙이 그다지 크지 않은 경우 잘 동작한다.
부하 저항/커패시턴스 네트워크의 대역폭보다 3dB 이상 되는 동작 주파수나 보다 큰 전압 스윙 또는 출력이 필요한 경우에는 무효 전력 매칭이 필요하다. 매칭 네트워크는 병렬 저항과 직렬 커패시터로 이루어진 간단한 구조이다. 출력단에 DC 바이어스를 제공하기 위해 인덕터가 OUT- 및 OUT+로부터 VCC로 연결되고, 직렬 커패시터가 OUT- 및 OUT+로부터 부하로 연결된다. 인덕터와 커패시터의 값은 동작 주파수와 부하 임피던스에 따라 선택된다. 출력은 기존의 차동 출력과 마찬가지로 인가된다. 유일한 제약점은 VCC로의 풀업과 OUT- 및 OUT+에서의 전압 스윙 한계이다.
각 방법에 적용하기 위해 필요한 설계 시간은 극적으로 달라진다. 기존의 개별 소자를 이용한 접근 방법은 매우 설계 집약적인 방법이며 개별 소자를 이용한 IF VCO의 개발에는 몇 주씩이나 소요될 수 있다. 강인하고 양산 체제에 적용할 수 있는 설계에 이르기까지는 다수의 설계 개정 작업이 필요하게 되는 것이 보통이다. 반면에 MAX2605–MAX2609를 사용하면 단 몇 분만에 VCO를 구성할 수 있고반나절이면 테스트가 끝나게 된다!
MAX2605–MAX2609의 경우 주파수 튜닝 범위, 회로 기동의 문제를 해결함으로써 일반적으로 VCO 설계에 관련된 난점을 완벽히 해결하게 된다. 원하는 발진 주파수와 출력 부하에 맞춰 외부 인덕턴스 값을 선택하면 된다. 이 작업은 MAX2605–MAX2609 데이터 시트에 있는 그래프의 인덕턴스 값을 읽는 것으로 끝난다.
자재 명세와 비용 면에서도 MAX2605–MAX2609는 전통적인 개별 소자 IF VCO와 비교된다. 제조 편의성 면에 있어서도 Maxim의 부품으로 IF VCO를 구성할 경우 부품 수가 적어지고 부품 당 $0.03의 절약 효과에 의해 원가가 더욱 절감될 수 있다.
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