VCO 위상 잡음, 링 발진기와 LC VCO 비교

그네를 떠올려 보죠. 한 번 밀어 주면 그네는 제 길이에 맞는 고유한 박자로 흔들립니다. 짧은 그네는 빠르게, 긴 그네는 느리게 오가죠. 흔들림을 계속 유지하려면 박자에 맞춰 살짝씩 힘을 보태 주기만 하면 됩니다.

칩 안에서 주파수를 만들어 내는 발진기도 이 그네와 같습니다. 그런데 그네마다 흔들림이 얼마나 반듯한지가 다르듯, 발진기도 흔들림의 깨끗함이 저마다 다르죠. 그 흔들림이 미세하게 떨리는 정도를 VCO 위상 잡음이라고 부릅니다.

발진기가 스스로 흔들림을 유지하는 방식

제어 전압으로 주파수를 바꿀 수 있는 발진기를 전압 제어 발진기(VCO, Voltage-Controlled Oscillator)라고 합니다. 입력 전압을 올리면 발진 주파수가 올라가는 식이죠.

발진이 꺼지지 않으려면 매 주기 잃는 에너지만큼을 능동 회로가 채워 줘야 합니다. 그네를 박자에 맞춰 밀어 주는 손과 같은 역할이죠.

이 손을 어떻게 구성하느냐에 따라 발진기는 크게 둘로 나뉩니다. 인버터의 지연을 고리로 엮는 방식과, LC 공진을 이용하는 방식입니다.

링 발진기, 인버터를 고리로 이어 만드는 발진

링 발진기(ring oscillator)는 인버터 여러 개를 홀수로 고리처럼 이어 붙여 만듭니다. 신호가 한 바퀴 돌 때마다 값이 뒤집히므로, 끊임없이 올라갔다 내려가는 발진이 생기죠.

발진 주파수는 인버터 한 단이 신호를 넘기는 데 걸리는 지연으로 정해집니다. 각 단에 흐르는 전류를 조절해 지연을 바꾸면 주파수가 달라지므로 제어가 쉽죠.

인덕터가 필요 없어 작게 집적되고, 넓은 범위에서 주파수를 조절할 수 있는 점이 큰 장점입니다. 다만 흔들림을 붙잡아 줄 공진기가 없어 잡음에 약한 편입니다.

LC VCO, 공진 탱크로 깨끗하게 흔드는 발진

LC VCO는 인덕터와 커패시터로 이루어진 LC 탱크(LC tank)를 공진시켜 발진합니다. 발진 주파수는 인덕터와 용량 값으로 정해지고, 용량을 전압으로 바꾸는 버랙터(varactor)로 주파수를 조절하죠.

LC 탱크는 에너지를 전기장과 자기장 사이로 주고받으며 흔들림을 오래 유지합니다. 이 끈질김의 정도를 품질 계수(Q, Quality factor)라고 하는데, Q가 높을수록 흔들림이 반듯해집니다.

무거운 추가 달린 긴 진자가 작은 떨림에 잘 흔들리지 않듯, 높은 Q를 가진 LC 탱크는 잡음에 강합니다. 대신 칩 위에 인덕터를 올려야 해 면적이 크고, 주파수를 넓게 조절하기는 어렵습니다.

VCO 위상 잡음은 왜 생기고 무엇이 좌우하는가

발진기의 소자들은 늘 작은 잡음을 냅니다. 이 잡음이 흔들림의 박자를 매 주기 조금씩 앞당기거나 늦추는데, 그 결과 주파수가 미세하게 번지는 현상이 위상 잡음(phase noise)입니다.

주파수 영역에서 보면 깨끗해야 할 발진 봉우리의 양옆으로 잡음이 치마처럼 퍼집니다. 그래서 VCO 위상 잡음은 중심에서 얼마나 떨어진 지점에서 얼마나 낮은지를 dBc/Hz 단위로 표기하죠.

이 잡음을 좌우하는 가장 큰 변수가 바로 Q와 신호 세기입니다. Q가 높고 신호가 클수록 잡음이 줄어드는데, 공진기가 없는 링 발진기는 Q가 낮아 VCO 위상 잡음이 크고, LC VCO는 높은 Q 덕분에 훨씬 깨끗합니다.

흔히 발진기는 주파수만 맞으면 되지 잡음은 크게 중요하지 않다고 생각하기 쉽습니다. 하지만 위상 잡음은 통신에서 옆 채널과의 간섭을, 데이터 전송에서 타이밍 흔들림을 좌우해 성능을 직접 깎습니다.

링 발진기와 LC VCO 비교

두 발진기가 어디서 갈리는지 정리하면 쓰임이 분명해집니다.

구분	링 발진기	LC VCO
발진 원리	인버터 지연 고리	LC 탱크 공진
주파수 결정	단 지연 시간	인덕터와 용량
품질 계수 Q	낮음	높음
위상 잡음	큼	작음
튜닝 범위	넓음	좁음
면적과 집적	작고 인덕터 불필요	인덕터로 면적 큼
주 용도	디지털 클럭, 넓은 범위	RF, 깨끗한 신호

핵심 정리

그네의 흔들림이 얼마나 반듯한지가 그네마다 다르듯, 발진기도 흔들림의 깨끗함이 구조에 따라 갈립니다. 링 발진기는 인버터 지연으로 발진해 작고 넓게 조절되지만 VCO 위상 잡음이 크고, LC VCO는 높은 Q의 공진으로 잡음은 작지만 면적이 크고 조절 범위가 좁습니다.

결국 선택은 쓰임에 달렸습니다. 넓은 조절 범위와 작은 면적이 필요하면 링 발진기를, 깨끗한 신호가 생명인 RF 회로라면 LC VCO를 고르면 되죠. 위상 잡음을 좌우하는 열쇠는 늘 공진기의 Q라는 점을 기억하면 됩니다.

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