전압 제어 발진기
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1. 개요
전압 제어 발진기(VCO)는 생성되는 파형의 주파수를 제어 전압에 따라 변화시키는 발진기이다. VCO는 정현파를 생성하는 선형(고조파) 발진기와 톱니파 또는 삼각파를 생성하는 이완 발진기로 분류된다. 주파수 제어는 전압 제어 커패시터, 링 발진기, 전압 제어 전류원을 통해 커패시터 충전 속도를 변경하는 방법 등으로 이루어진다. VCO의 순간 주파수는 순간 제어 전압과 선형적인 관계를 가지며, 출력 위상은 순간 주파수의 적분으로 표현된다. VCO는 설계 시 조정 범위, 조정 이득, 위상 잡음 등을 고려하며, 클랩 발진기, 콜피츠 발진기, 전압 제어 수정 발진기(VCXO) 등이 널리 사용된다. 통신, 전자 음악, 전압-주파수 변환, 디더링 등의 다양한 분야에 응용되며, 클럭 생성기, 주파수 합성기 등에도 활용된다.
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| 전압 제어 발진기 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 전자 회로 |
| 분야 | 신호 처리 |
| 약어 | VCO |
| 동의어 | 전압-주파수 변환기 (VFC) |
| 상세 정보 | |
| 정의 | 입력 전압에 의해 제어되는 발진 주파수를 갖는 발진기 |
| 제어 전압의 영향 | 제어 전압은 발진기의 주파수를 조절 |
| 주요 구성 요소 | 전압-전류 변환기 적분기 슈미트 트리거 스위치 |
| 응용 분야 | |
| 사용 분야 | 위상 고정 루프 주파수 합성 FM 변조 신호 발생기 전자 악기 |
| 종류 | |
| 종류 | 아날로그 VCO 디지털 VCO |
2. 종류
전압 제어 발진기(VCO)는 생성되는 파형의 유형에 따라 크게 두 가지로 분류할 수 있다.[4]
2. 1. 선형 (고조파) 발진기
선형 또는 고조파 발진기는 정현파 파형을 생성한다. 전자 공학에서 고조파 발진기는 일반적으로 공진기 손실을 대체하는 증폭기(진폭이 감소하는 것을 방지하기 위해)와 출력을 공진기로부터 격리시키는(부하가 공진기에 영향을 미치지 않도록) 공진기로 구성된다.[4] 고조파 발진기의 몇 가지 예로는 LC 발진기와 수정 발진기가 있다.2. 2. 이완 발진기
이완 발진기는 톱니파 또는 삼각파 형태의 파형을 생성한다. 주로 집적 회로(IC) 형태로 제작되며, 적은 수의 외부 부품으로 넓은 범위의 주파수를 제어할 수 있다.[4]3. 주파수 제어
전압 제어 발진기(VCO)의 주파수는 다양한 방법으로 제어할 수 있다. 반도체 다이오드는 역 바이어스될 때 전압에 따라 커패시턴스가 변하는 특성을 보이는데, 이를 이용하여 LC 발진기의 주파수를 제어 전압에 따라 변경할 수 있다.
저주파 VCO에서는 전압 제어 전류원을 통해 커패시터의 충전 속도를 변경하는 방법을 사용하기도 한다.
3. 1. 전압 제어 커패시터
전압 제어 커패시터는 LC 발진기가 제어 전압에 따라 주파수를 변경하는 한 가지 방법이다. 역 바이어스된 모든 반도체 다이오드는 전압 의존적인 커패시턴스를 나타내며, 다이오드에 적용되는 제어 전압을 변경하여 발진기의 주파수를 변경하는 데 사용할 수 있다. 특수 목적의 가변 커패시턴스 바랙터 다이오드(바리캡)는 잘 특성화된 광범위한 커패시턴스 값을 가지며, 바랙터를 사용하여 LC 탱크의 커패시턴스(따라서 주파수)를 변경한다. 또한 바랙터는 수정 공진기의 부하를 변경하고 공진 주파수를 당길 수도 있다.가변 용량 다이오드(바리캡)에 인가되는 전압(제어 전압과 동일)이 변경되면 다이오드의 정전 용량이 변화하기 때문에 공진 주파수가 변동하여 발진 주파수가 변화한다. 이 회로의 경우, 전압이 높아지면 발진 주파수도 높아진다.
3. 2. 링 발진기
링 발진기의 주파수는 공급 전압, 각 인버터 스테이지에 사용 가능한 전류, 또는 각 스테이지의 커패시턴스 부하를 변경하여 제어한다.3. 3. 기타 방법
저주파 VCO는 전압 제어 전류원을 통해 커패시터의 충전 속도를 변경하는 방법을 사용하기도 한다. (함수 발생기 참조).링 발진기의 주파수는 공급 전압, 각 인버터 스테이지에 사용 가능한 전류, 또는 각 스테이지의 커패시턴스 부하를 변경하여 제어한다.
4. 위상 영역 방정식
전압 제어 발진기(Voltage-controlled oscillator|VCO영어)는 주로 위상 영역에서 모델링된다. VCO 모델링은 진폭이나 형태(정현파, 삼각파, 톱니파)가 아닌 순간 위상에 초점을 맞춘다. 이는 시간 영역 신호가 아니라 사인 함수의 인수(위상)에 주목하기 때문이다.
4. 1. 순간 주파수 및 위상
VCO영어의 순간 주파수는 순간 제어 전압과 선형적인 관계를 갖는 것으로 모델링된다. 발진기의 출력 위상은 순간 주파수의 적분으로 표현된다.:
- f(t)영어는 시간 t에서의 발진기 순간 주파수이다(파형 진폭이 아님).
- f는 발진기의 정지 주파수이다(파형 진폭이 아님).
- K는 발진기 감도 또는 이득이라고 하며, 단위는 헤르츠/볼트(Hz/V)이다.
- f(τ)영어는 VCO영어의 주파수이다.
- θ(t)영어는 VCO영어의 출력 위상이다.
- v는 VCO영어의 시간 영역 제어 입력 또는 튜닝 전압이다.
제어 시스템 분석을 위해 위 신호의 라플라스 변환을 사용하면 유용하다.
:
4. 2. 라플라스 변환
전압 제어 발진기의 제어 시스템 분석을 위해 위 신호들의 라플라스 변환이 유용하다.:
5. 설계 및 회로
조정 범위, 조정 이득, 위상 잡음은 전압 제어 발진기(VCO)의 중요한 특성이다. 일반적으로 VCO에서는 낮은 위상 잡음이 선호된다.[5] 제어 신호에 존재하는 조정 이득과 잡음은 위상 잡음에 영향을 미치는데, 높은 잡음이나 높은 조정 이득은 더 많은 위상 잡음을 의미한다. 위상 잡음을 결정하는 다른 중요한 요소는 회로 내 플리커 잡음(1/''f'' 잡음)의 소스, 출력 전력 레벨, 공진기의 부하 Q 팩터이다. (리슨 방정식 참조)[6]
낮은 주파수 플리커 잡음은 능동 소자의 비선형 전달 함수로 인해 플리커 잡음이 발진기 출력 주파수로 헤테로다인되기 때문에 위상 잡음에 영향을 미친다. 플리커 잡음의 영향은 부궤환(예: 이미터 디제너레이션)을 통해 줄일 수 있다.[5]
VCO는 일반적으로 유사한 고정 주파수 발진기에 비해 낮은 Q 팩터를 가지므로 지터가 더 많이 발생한다. 지터는 많은 응용 분야(예: ASIC 구동)에서 충분히 낮게 만들 수 있으며, 이 경우 VCO는 오프칩 부품(고가)이나 온칩 인덕터(일반 CMOS 공정에서 낮은 수율)가 없다는 이점을 누릴 수 있다.[5]
5. 1. LC 발진기
흔히 사용되는 VCO 회로는 클랩 발진기와 콜피츠 발진기가 있다. 둘 중 더 널리 사용되는 발진기는 콜피츠 발진기이며, 이 발진기들은 구성이 매우 유사하다.
무선 전화용 전압 제어 발진기(VCO) 회로를 보면, 가변 용량 다이오드(바리캡)에 인가되는 전압(제어 전압과 동일)이 변경되면 다이오드의 정전 용량이 변화하기 때문에 공진 주파수가 변동하여 발진 주파수가 변화한다. 이 회로의 경우, 전압이 높아지면 발진 주파수도 높아진다.
5. 2. 수정 발진기 (VCXO)
'''전압 제어 수정 발진기''' ('''VCXO''')는 작동 주파수를 미세하게 조정하는 데 사용된다. 수정의 높은 Q 팩터 때문에 주파수 제어가 작은 범위에서만 가능하다. 일반적으로 제어 전압 범위는 0에서 3볼트 사이이며, 주파수는 수백만 분의 몇 십(ppm)만큼 변경될 수 있다.
발진기 주파수를 안정화하는 또 다른 방법은 발진기를 일정하지만 주변 온도보다 높은 수정 오븐에 배치하는 것이다. 고안정성 수정 발진기 레퍼런스는 종종 수정을 오븐에 넣고 미세 제어를 위해 전압 입력을 사용한다.[7] 이때 온도는 '전환 온도', 즉 작은 변화가 공진에 영향을 미치지 않는 온도로 선택된다. 제어 전압은 때때로 NIST 소스에 대한 기준 주파수를 조정하는 데 사용될 수 있으며, 정교한 설계에서는 수정 노화에 대해 보상하기 위해 제어 전압을 시간에 따라 조정하기도 한다.
5. 2. 1. 온도 보상 VCXO (TCVCXO)
'''온도 보상 VCXO''' ('''TCVCXO''')는 수정의 공진 주파수에 대한 온도 의존성을 부분적으로 보정하는 구성 요소를 통합한다. 송신기 내부의 열 축적과 같이 온도 변화가 있는 환경에서 발진기 주파수를 안정화하기 위해 더 작은 범위의 전압 제어로도 충분하다.[7]
5. 3. 클럭 생성기
클럭 생성기는 디지털 회로의 동작을 동기화하기 위해 타이밍 신호를 제공하는 발진기이다. VCXO 클럭 생성기는 디지털 TV, 모뎀, 송신기 및 컴퓨터와 같은 많은 분야에서 사용된다. VCXO 클럭 생성기의 설계 매개변수는 튜닝 전압 범위, 중심 주파수, 주파수 튜닝 범위 및 출력 신호의 타이밍 지터이다. 지터는 라디오 수신기, 송신기 및 측정 장비와 같은 응용 분야에서 최소화해야 하는 위상 잡음의 한 형태이다.더 넓은 범위의 클럭 주파수가 필요한 경우 VCXO 출력을 디지털 분배기 회로를 통과시켜 더 낮은 주파수를 얻거나 위상 고정 루프(PLL)에 공급할 수 있다. VCXO (외부 크리스탈용)와 PLL을 모두 포함하는 IC를 사용할 수 있다. 일반적인 응용 분야는 에서 범위의 클럭 주파수를 오디오 디지털-아날로그 변환기에 제공하는 것이다.
5. 4. 주파수 합성기
주파수 합성기는 안정적인 단일 주파수 클럭을 기반으로 정확하고 조절 가능한 주파수를 생성한다. 디지털 제어 발진기는 주파수 합성기를 기반으로 하며, 아날로그 전압 제어 발진기 회로의 디지털 대안으로 사용될 수 있다.6. 응용 분야
VCO는 여러 분야에서 활용된다.
함수 발생기, 위상 고정 루프와 같은 통신 장비나 신시사이저에서 소리를 만드는 데 사용된다. 전압-주파수 변환기는 느린 아날로그 신호를 장거리 전송에 적합한 신호로 변환한다. 발진기가 무선 주파수 간섭을 일으킬 수 있는 장비를 구동할 때, 제어 입력에 가변 전압을 추가하여 간섭 스펙트럼을 분산시키기도 한다.[8][9][10][11][12][13]
6. 1. 통신 및 전자 공학
VCO는 함수 발생기, 위상 고정 루프(PLL)를 포함한 통신 장비 및 전자 음악 제작에 사용되는 주파수 합성기에서 사용되며, 신시사이저에서 가변적인 음을 생성하는 데 사용된다.함수 발생기는 일반적으로 사인파, 구형파 및 삼각파와 같은 여러 파형을 특징으로 하는 저주파 발진기이다.
아날로그 위상 고정 루프는 일반적으로 VCO를 포함한다. 고주파 VCO는 일반적으로 무선 수신기의 위상 고정 루프에 사용된다. 위상 잡음은 이 응용 분야에서 가장 중요한 사양이다.
전압-주파수 변환기는 적용된 전압과 주파수 사이에 매우 선형적인 관계를 가진 전압 제어 발진기이다. 이들은 느린 아날로그 신호(예: 온도 변환기에서 나오는 신호)를 장거리 전송에 적합한 신호로 변환하는 데 사용된다. 주파수는 드리프트되지 않거나 잡음의 영향을 받지 않기 때문이다.
6. 2. 전자 음악
VCO는 신시사이저에서 가변적인 음을 생성하는 데 사용된다.[8][9][10][11][12][13] 아날로그 음악 신시사이저에 사용되는 오디오 주파수 VCO는 스윕 범위, 선형성, 왜곡 등이 주요 사양이다. 1980년대에는 작동 중 온도 변화에 따른 출력 안정성 문제로 인해 디지털 방식인 디지털 제어 발진기(DCO)로 대체되었다. 1990년대 이후에는 음악 소프트웨어가 주된 소리 생성 방법으로 자리잡았다.
6. 3. 기타 응용
발진기가 무선 주파수 간섭을 발생시킬 수 있는 장비를 구동하는 경우, 제어 입력에 가변 전압을 추가하는 것을 디더링이라고 하며,[8][9][10][11][12][13] 간섭 스펙트럼을 분산시켜 문제를 덜 심각하게 만들 수 있다(확산 스펙트럼 클럭 참조).7. 회로 예시
다음은 무선 전화용 전압 제어 발진기(VCO)의 회로 예시이다.
가변 용량 다이오드(바리캡)에 인가되는 전압(제어 전압과 동일)이 변경되면 다이오드의 정전 용량이 변화하기 때문에 공진 주파수가 변동하여 발진 주파수가 변화한다. 이 회로의 경우, 전압이 높아지면 발진 주파수도 높아진다. 이러한 기술들은 한국에서 핸드폰 등 전자기기에 활발하게 사용되고 있다.
8. 한국의 VCO 기술
한국에서 전압 제어 발진기(VCO)는 시스템 온 칩(System on Chip), RFIC영어(무선 주파수 집적 회로) 등 반도체 분야와 이동 통신과 같은 무선 통신 시스템에서 핵심적인 역할을 한다.
8. 1. 반도체 산업에서의 VCO 기술
반도체 산업에서 전압 제어 발진기(VCO)는 시스템 온 칩(System on Chip)과 RFIC영어(무선 주파수 집적 회로) 등 다양한 분야에 응용되는 핵심 부품이다.8. 1. 1. SoC (System on Chip)
전압 제어 발진기(VCO)는 다양한 시스템 온 칩(System on Chip)에 사용되는 핵심 부품이다.8. 1. 2. RFIC (Radio Frequency Integrated Circuit)
RFIC영어(Radio Frequency Integrated Circuit)는 무선 주파수 집적 회로를 의미하며, 전압 제어 발진기는 이러한 RFIC에 필수적인 구성 요소 중 하나이다.8. 2. 무선 통신 기술 발전과 VCO
무선 통신 기술의 발전은 전압 제어 발진기(VCO)의 개발과 밀접하게 연관되어 있다. VCO는 다양한 무선 통신 시스템에서 핵심적인 역할을 수행한다.VCO는 주파수 변조(FM) 및 위상 변조(PM)와 같은 아날로그 변조 방식에서 반송파를 생성하는 데 사용된다. 또한, VCO는 주파수 합성기에서 중요한 구성 요소로 사용되어, 다양한 주파수를 생성하고 무선 통신 시스템에서 채널 선택 및 주파수 추적과 같은 기능을 수행하는 데 필수적이다.
8. 2. 1. 이동 통신
전압 제어 발진기(VCO)는 이동 통신 시스템에서 중요한 역할을 한다. 송신기에서는 VCO를 사용하여 원하는 주파수의 반송파를 생성하고, 수신기에서는 국부 발진기의 주파수를 제어하여 원하는 채널을 선택한다.8. 2. 2. 무선 인터넷
주어진 원본 소스에는 "무선 인터넷"에 대한 내용이 없으므로, 해당 섹션에 작성할 내용이 없다.8. 3. 관련 연구 개발 동향
주어진 자료에서는 관련 연구 개발 동향에 대한 내용을 찾을 수 없다.참조
[1]
서적
Linear Integrated Circuits And Applications
https://books.google[...]
Technical Publications
2009
[2]
서적
Dealing with Electronics
https://books.google[...]
Walter de Gruyter GmbH
2014
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서적
Linear Integrated Circuits
https://books.google[...]
Tata McGraw-Hill Education
2008
[4]
뉴스
Voltage Controlled Oscillator {{!}} VCO {{!}} Electrical4U
https://www.electric[...]
2021-04-22
[5]
웹사이트
Wideband VCO
http://www.herley.co[...]
Herley - General Microwave
[6]
서적
Oscillator Design & Computer Simulation
McGraw-Hill
[7]
문서
For example, an HP/Agilent 10811 reference oscillator
[8]
웹사이트
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https://www.hpl.hp.c[...]
HP
2020-01-23
[9]
웹사이트
EMI Reduction by Spread-Spectrum Frequency Dithering
https://incompliance[...]
Same Page Publishing
2020-01-23
[10]
웹사이트
Oscillator – spread-spectrum resistor-programmable
https://www.planetan[...]
Planet Analog
2020-01-23
[11]
간행물
Frequency Dithering With the UCC28950 and TLV3201
TI
2012-05
[12]
웹사이트
Dither a power converter's operatingfrequency to reduce peak emissions
https://m.eet.com/me[...]
EE Times
2020-01-23
[13]
웹사이트
PFC Pre-Regulator Frequency Dithering Circuit
http://www.ti.com/li[...]
TI
2020-01-23
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