위상동기회로(Phase-Locked Loop; PLL)에 대해 설명해보세요.

위상동기회로는 무선회로에서 사용하는 위상잠금 장치를 의미하며, 송신해온 신호의 위상을 동기시키는 위상동기루프회로를 말한다. 위상동기란 기준신호원에 관해 일정한 위상각에서 동작하도록 발진기 또는 주기신호발생기를 제어하는 것을 말하며, 위상동기루프는 디지털 피변조파의 동기복조, 코히어런트 반송파의 추적, 임계의 연장, 비트의 동기, 심벌의 동기 등에 사용된다. 위상동기는 입력과 출력을 독립적으로 수행할 수 있는 엘러스텍 스토어(ES: Elastic stroe)에 의해 전송로의 지연변동이나 흐트러짐에 따른 입력신호의 위상변동을 흡수해 특정한 시간위치에 입력신호의 프레임 위상을 맞추는 것을 말한다.

Analog RF에서 PLL이 하는 일은 아래와 같다. 위상을 고정한다는 개념과 주파수를 고정한다는 개념은 거의 같은 의미이다. 원래 개념적으로 위상은 주파수를 적분한 개념이기 때문이다. 그래서 PLL은 RF에서 주파수를 고정하는 용도로 주로 사용되게 된다. RF시스템이라면 당연히 주파수원이 필요할 것이고, VCO를 통해 주파수원을 끌어오게 된다. 하지만 출력주파수는 대체로 주변상황에 많은 영향을 받게 된다. 구체적으로는 회로적 영향 및 주변 장비의 영향, 온도와 날씨의 영향등에 의해 출력주파수는 미세하게 흔들려서 다른 주파수로 가는 일이 많다. 특히 주파수를 나누어 쓰는 현대의 무선통신 시스템에서, 주파수 안정도는 매우 중요한 항목이 된다.

또한 위상을 고정하는 방법을 그대로 응용하여 주파수가 흔들리는 것을 잡아주는 것 외에도, PLL은 RF에서는 주파수 튜닝의 역할도 함께 하고 있다. PLL을 조절하여 디지털 클럭을 임의의 위상에 맞출 수 있듯이, Analog RF 신호 역시 PLL의 특정 part를 가변하여 출력 주파수를 원하는 주파수로 가변시킬 수 있다. 이러한 가변역할을 겸하게 되는 경우는 Frequency Synthesizer(주파수합성기)라는 용어로 PLL을 표현하기도 한다.

PLL의 각 블럭별 설명은 아래와 같다.

① VCO (Voltage Controlled Oscillator)

입력전압에 따라 특정한 주파수를 내보내는 PLL의 핵심적인 장치이다. 전달해주는 전압에 따라 해당 주파수를 전달한다. 온도나 주변전자파환경 등 주변영향에 민감하기 때문에 PLL같은 복잡한 구조를 만들게 되는 이유이기도 하다.

② Divider (또는 Counter)

VCO의 출력주파수를 가져와서 비교시켜야 하는데, 주파수가 너무 높아서 비교하기 어렵기 때문에 적절한 비율로 나누어 비교하기 좋은 주파수로 만들어주는 구조이다. 디지털 카운터같은 구조로 되어 있으며, 이 분주비를 복잡하게 살짝 비틀어서 PLL 구조의 출력주파수 가변을 할 수 있게 하는 역할도 한다. PLL IC의 핵심적인 구조로서 S/W 적으로 분주비를 교묘하게 틀 수 있게 만든다.

③ TCXO (Temperature Compensated X-tal Oscillator)

온도변화에 대해 안정적인 주파수를 뽑아낼 수 있는 크리스탈 오실레이터로 이 변하지 않는 주파수를 기준주파수로 삼아서 출력주파수가 맞는지 틀린지 비교하게 된다.

④ P/D (Phase Detector, PFD : Phase Frequency Detector)

TCXO의 기준주파수와 divider를 통해 나뉘어져 들어온 출력주파수를 비교하여 그 차이에 해당하는 펄스열을 내보낸다.

⑤ Charge Pump (C/P)

P/D에서 나온 펄스폭에 비례하는 전류를 펄스 부호에 따라 밀거나 당기는 기능이다. 펄스를 전류로 변환해주는 과정에서 전류이득(Icp)가 존재하고, 이 양은 lock time을 비롯한 PLL의 성능에도 큰 영향을 준다. PLL IC에 따라서는 Icp 값을 조정할 수도 있다.

⑥ Loop Filter (LPF)

저역통과여파기(LPF)구조로 구성된 이 필터는 loop 동작중에 발생하는 각종 잡음 주파수들을 걸러내고, capacitor를 이용하여 축적된 전하량 변화를 통해 VCO 조절단자의 전압을 가변하는 역할을 한다. 실제로 PLL IC를 이용하는 경우 외부에서 튜닝 가능한 거의 유일한 소자이기도 하다.