Voltage Controlled Oscillator(VCO) 의 개념 및 동작원리

 

오늘은 회로에서 아날로그 회로에서 가장 중요한 회로 중 하나이자, High-speed 회로가 필수인 요즘 꼭 알아야 하는 회로 중 하나인 VCO 에 대해 다뤄보겠습니다.

 

먼저 VCO 는 Voltage Controlled Oscillator 의 줄임말로, 전압제어 발진기라고 합니다. 간단히 말하면 어떤 전압을 주냐에 따라서 다른 frequency 로 발진하는 형태의 oscillator 입니다. 이 VCO 는 아이러니하게도 이 발진하는 성분 때문에 시스템에 필수적인 회로입니다. 여태까지 우리는 회로를 안정하게 만들기 위해 phase margin 을 분석하며 stability 를 분석하고 열심히 관리해왔기 때문이죠. 그럼 일부러 이렇게 회로를 발진해가며 VCO를 만드는 이유가 뭘까요?

바로 회로에 너무나도 필요한 clock 신호를 만들어야 하기 때문이죠. 우리는 시스템을 동작시키기 위해 너무나도 필수적으로 이 clock 신호를 필요로 합니다. 이 clock signal 의 원천은 바로 VCO 죠. 물론 VCO 하나만으로 clock 을 만드는 경우는 거의 없습니다. Frequency 와 Duty 를 보장하기 위해 일반적으로 VCO로 구성된 PLL 를 사용하죠. (이는 다음에 다뤄보겠습니다)

 

아주 간단한 inverter 로 구성된 VCO 를 만들어보겠습니다.

일반적으로 inverter 는 input 이 L 이면 output 이 H, 그리고 input 이 H면 output 이 L 입니다. 그럼 inverter 3단을 위와 같이 연결하게 되면 어떻게 될까요? Initial state 가 첫번째 inverter 의 input 이 L 라고 가정해봅시다. 그렇게 되면 첫번째 inverter 의 output 이자 2번째 inverter 의 input 은 H 죠. 그러면 2번째 inverter 의 output이자 3번째 inverter 의 input 은 L 입니다. 그러면 3번째 inverter 의 output 은 어떻게 될까요? 네 H 가 되게 됩니다. 결국 위의 회로는 끊임없이 inverter 의 in/output 이 L 와 H 를 번갈아가면서 toggle 하는 발진회로가 됩니다. 이것이 VCO 의 일반적인 원리이죠.

여기서 inverter 의 VDD 전압을 더 올리게 된다면 회로의 tpd 가 빨라지게 되고 결국 이 회로는 더 빨리 발진하게 되겠죠. 그렇기 때문에 전압에 의해 oscillator 의 frequency 가 결정되므로 VCO 라고 할 수 있습니다.

 

따라서 VCO 의 oscillation frequency 그래프를 위와 같이 나타낼 수 있습니다. Control voltage 전압에 따라 output frequency 그래프를 그려본거죠. 당연히 이상적인 VCO 는 control 전압과 Output frequency 가 완벽한 선형 관계를 이룹니다. 이러한 선형적인 관계를 유지하기 위해서 VCO 는 layout technique 도 상당 부분 필요하게 됩니다. 오늘은 간단하게 다뤄본 것이므로 여기까지 하겠습니다. 이상입니다.