KR0176089B1 - 저전압 cmos 트랜스컨덕턴스 장치 - Google Patents

저전압 cmos 트랜스컨덕턴스 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저전압 전원에서 동작하며 전력소모가 적고 출력 전압의 스윙 범위가 넓은 CMOS를 사용하여 트랜스컨덕턴스(transconductance)를 얻고자 하는 저전압 CMOS 트랜스컨덕턴스 장치에 관한 것으로서, 저전압에서 사용되고 저전력 소모를 위하여 CMOS를 사용하여 입력전압을 출력전류로 변환하는 트랜스컨덕턴스 장치에 있어서, 한 쌍의 P형 트랜지스터(M1, M2)로 구성되어 각 게이트를 통해 양(Vi+)의 전압신호 및 음(Vi-)의 전압신호를 입력하여 전류신호로 변환한 후, 출력(VD1, VD2)하는 전압-전류 변환 블록과, 한 쌍의 P형 트랜지스터(M3, M4)로 구성되어 게이트로 공통 입력되는 신호(VC)에 의해 상기 전압-전류 변환 블록으로부터 입력된 양 및 음의 전류신호를 조절하여 회로의 트랜스컨덕턴스를 조절하는 트랜스컨덕턴스(gm) 조절 블록과, 한 쌍의 P형 트랜지스터(M5, M6)로 구성되며 게이트로 공통 입력되는 신호(BIAS4)에 의해 트랜스컨덕턴스의 공통 모드(common mode) 출력 전압을 일정하게 유지시켜 주도록 조절하는 공통 모드 조절 블록과, 두 쌍의 N형 트랜지스터(M11, M12 및 M9, M10)와 한 쌍의 P형 트랜지스터(M7, M8)로 구성되며 상기 한 쌍의 N형 트랜지스터(M11, M12)의 드레인과 다른 한 쌍의 N형 트랜지스터(M9, M10)의 소스에 상기 트랜스컨덕턴스 조절 블록에서 출력되는 양 및 음의 전류 신호가 공통으로 입력되고, 상기 N형 트랜지스터 쌍(M9, M10) 및 P형 트랜지스터 쌍(M7, M8)의 드레인이 서로 연결된 단자(Vo-, Vo+)를 통해 상기 입력된 양 및 음의 전류 신호가 출력되도록 하는 출력 블록으로 구성되어, 저전압 전원에서 동작하며 전력소모가 적고 출력 전압의 스윙 범위가 넓어서, 휴대 전화기와 같이 저전압이 요구되는 휴대용 전자 통신기기에 유용하다는 데에 그 효과가 있다.

Description

저전압 CMOS 트랜스컨덕턴스 장치
제1도는 본 발명에 따른 저전압 CMOS 트랜스컨덕턴스 장치의 전체 회로도.
본 발명은 저전압 CMOS 트랜스컨덕턴스 장치에 관한 것으로서, 특히 전압-전류 변환을 트랜지스터 선형 영역에서 수행함으로써, 저전압 전원에서 동작하며 전력소모가 적고 출력 전압의 스윙 범위가 넓은 CMOS를 사용하여 트랜스컨덕턴스(transconductance)를 얻고자 하는 저전압 CMOS 트랜스컨덕턴스 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 트랜스컨덕턴스 회로는 입력 전압을 출력 전류로 변환하는 회로이다.
이상적인 트랜스컨덕턴스 회로는 선형적 특성을 가지고 있으므로 입력 전압 대 출력 전류의 비가 입력 전압의 크기에 관계없이 일정하며, 입력 저항 및 출력 저항이 무한대인 특성을 갖고 있다.
종래의 트랜스컨덕턴스 회로는 대부분 5V용으로 설계되어 있어 휴대 전화기와 같이 저전압이 요구되는 휴대용 전자 통신기기에는 부적합하다는 문제점이 있었다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 저전압 전원에서 동작하며 전력소모가 적고 출력 전압의 스윙 범위가 넓은 CMOS를 사용하여 트랜스컨덕턴스(transconductance)를 얻고자 하는 저전압 CMOS 트랜스컨덕턴스 장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에서 제공하는 저전압 CMOS 트랜스컨덕턴스 장치는 저전압에서 사용되고 저전력 소모를 위하여 CMOS를 사용하여 입력전압을 출력전류로 변환하는 트랜스컨덕턴스 장치에 있어서, 선형 영역에서 동작하며 한 쌍의 P형 트랜지스터(M1, M2)로 구성되어 각 게이트를 통해 양(Vi+)의 전압신호 및 음(Vi-)의 전압신호를 입력하여 전류신호로 변환한 후, 출력(VD1, VD2)하는 전압-전류 변환 블록과, 한 쌍의 P형 트랜지스터(M3, M4)로 구성되어 게이트로 공통 입력되는 신호(VC)에 의해 상기 전압-전류 변환 블록으로부터 입력된 양 및 음의 전류신호를 조절하여 회로의 트랜스컨덕턴스를 조절하는 트랜스컨덕턴스(gm) 조절 블록과, 한 쌍의 P형 트랜지스터(M5,M6)로 구성되며 게이트로 공통 입력되는 신호(BIAS4)에 의해 트랜스컨덕턴스의 공통 모드(common mode) 출력 전압을 일정하게 유지시켜 주도록 조절하는 공통 모드 조절 블록과, 두 쌍의 N형 트랜지스터(M11, M12 및 M9, M10)와 한 쌍의 P형 트랜지스터(M7, M8)로 구성되며 상기 한 쌍의 N형 트랜지스터(M11, M12)의 드레인과 다른 한 쌍의 N형 트랜지스터(M9, M10)의 소스에 상기 트랜스컨덕턴스 조절 블록에서 출력되는 양 및 음의 전류 신호가 공통으로 입력되고, 상기 N형 트랜지스터 쌍(M9, M10) 및 P형 트랜지스터 쌍(M7, M8)의 드레인이 서로 연결된 단자(Vo-, Vo+)를 통해 상기 입력된 양 및 음의 전류 신호가 출력되도록 하는 출력 블록으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 이상적인 특성에 가깝도록 입출력 저항을 크게 하였으며, MOS 트랜지스터를 선형영역에서 동작시켜 선형성이 특히 뛰어나며, 저전압 전원을 사용할 경우에도 넓은 동작 범위에서 gm값이 일정하도록 구성하였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들 중의 하나를 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명에 따른 저전압 CMOS 트랜스컨덕턴스 장치의 전체 회로도이다.
제1도를 참조하여 본 발명에 따른 저전압 CMOS 트랜스컨덕턴스 장치의 전체 회로를 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 회로는 4개의 주요 블록과 이에 속하는 8개의 NMOS(M1 내지 M8) 및 4개의 PMOS(M9 내지 M12) 트랜지스터로 구성되어 있다.
제1트랜지스터(M1)와 제2트랜지스터(M2)가 쌍이 되어 동작하며, 마찬가지로 제3트랜지스터(M3)와 제4트랜지스터(M4)도, 제5트랜지스터(M5)와 제6트랜지스터(M6)도, 제7트랜지스터(M7)와 제8트랜지스터(M8)도, 제9트랜지스터(M9)와 제10트랜지스터(M10)도, 그리고 제11트랜지스터(M11)와 제12트랜지스터(M12)도 각각 쌍이 되어 동작하는 트랜지스터이다.
전압-전류 변환 블록(1)은 전압을 전류로 변환하여 주는 기능을 하며 제1트랜지스터(M1)와 제2트랜지스터(M2)에 의해 이루어진다.
gm조절 블록(2)은 회로의 gm값을 조절하는 기능을 담당하며 제3트랜지스터(M3)와 제4트랜지스터(M4)에 의하여 이루어진다.
그리고, 트랜스컨덕턴스의 공통 모드(common mode) 출력 전압을 일정하게 유지시켜 주는 공통 모드 조절 블록(3)이 있으며 이는 제5트랜지스터(M5)와 제6트랜지스터(M6)가 담당한다.
마지막으로 출력 블록(4)이 있는데, 이 블록은 전압-전류 변환 블록에서 변환된 전류를 외부로 출력시키는 역할을 하며 제7트랜지스터 내지 제12트랜지스터들(M7 내지 M12)이 담당한다.
입력단자는 제1트랜지스터(M1)와 제2트랜지스터(M2)의 게이트로 각각 양(Vi +) 및 음(Vi -)의 신호가 입력되는 신호 입력단자이고, 출력단자는 제8트랜지스터(M8)와 제10트랜지스터(M10)의 드레인과 제7트랜지스터(M7)와 제9트랜지스터(M9)의 드레인으로 각각 양(Vo +)과 음(Vo -)의 전류 신호가 출력되는 출력단자가 된다.
입력단자에 연결된 제1트랜지스터(M1)와 제2트랜지스터(M2)는 gm의 선형특성을 높이기 위하여 선형 영역(linear region)에서 동작되며, 나머지 트랜지스터는 높은 출력 저항을 얻기 위하여 모두 포화 영역(saturation region)에서 동작된다.
단자 BIAS1, BIAS2 및 BIAS3는 회로의 바이어스를 결정하는 입력단자이며, 단자 BIAS4는 공통 모드 출력 전압을 조절하기 위해 사용되는 입력단자이다.
단자 VC는 제1트랜지스터(M1)와 제2트랜지스터(M2)의 게이트 전압을 조절하여 원하는 gm값을 얻기 위한 입력단자이다.
그리고, 전류 I1과 I2는 회로의 바이어스 전류를 나타내며, VD1과 VD2는 제1트랜지스터(M1)와 제2트랜지스터(M2)의 드레인 전압을 나타낸다.
양(Vo +) 및 음(Vo -)의 출력단자에서 보면 제7트랜지스터(M7)와 제5트랜지스터(M5)를 캐스코우드 구조로 연결하며, 제8트랜지스터(M8)와 제6트랜지스터(M6)도, 제9트랜지스터(M9)와 제11트랜지스터(M11)도, 제10트랜지스터(M10)와 제12트랜지스터(M12)도, 제9트랜지스터(M9)와 제3트랜지스터(M3)도, 제10트랜지스터(M10)와 제4트랜지스터(M4)도 캐스코우드 구조로 연결하여 출력 저항을 크게 하였다.
트랜지스터의 포화 경계 전압(트랜지스터가 포화영역 동작에서 선형영역 동작으로 들어가기 직전의 드레인-소스 사이의 전압)을 △V라 하면 출력이 스윙하는 최소 전압(Vmin)과 최대 전압(Vmax)은 각각 다음의 식들(1 내지 2)과 같다.
또한, 제5트랜지스터 내지 제12트랜지스터까지(M5 내지 M12) 8개 트랜지스터 모두의 포화 경계 전압이 비슷할 경우 일반적으로 △V 값은 0.5V를 넘지 않으므로 다음 식(3)에서 알 수 있듯이 3V 정도의 전원 전압에서도 1V 이상의 출력 전압 범위를 얻을 수 있다.
회로의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
선형 영역에서 동작되는 제1트랜지스터(M1)과 제2트랜지스터(M2)의 게이트에 양(Vi +) 및 음(Vi -)의 입력 신호가 입력될 때 제1트랜지스터(M1)와 제2트랜지스터(M2)의 드레인에 흐르는 전류의 차이(2i)는 다음 식(4)과 같이 표현된다.
제1트랜지스터(M1)의 드레인과 제2트랜지스터(M2)의 드레인에 나타난 출력 전류의 차이는 제4트랜지스터(M4)와 제10트랜지스터(M10)를 통하여 양(Vo +)의 출력단자에 흐르는 전류(Iout +)와 제3트랜지스터(M3)와 제9트랜지스터(M9)를 통하여 음(Vo -)의 출력단자에 흐르는 전류(Iout -)의 차(Iout +-Iout -)로 나타난다.
따라서 회로 전체의 gm은 다음 식(5)과 같이 표현되며 gm조절 단자인 VC 단자에 가해지는 전압이 일정할 경우에 입력 전압의 크기에 관계없이 일정한 gm값을 얻을 수 있다.
그러므로, 상술한 바와 같은 본 발명은 저전압 전원에서 동작하며 전력소모가 적고 출력 전압의 스윙 범위가 넓어서, 휴대 전화기와 같이 저전압이 요구되는 휴대용 전자 통신기기에 유용하다는 데에 그 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 저전압에서 사용되고 저전력 소모를 위하여 CMOS를 사용하여 입력전압을 출력전류로 변환하는 트랜스컨덕턴스 장치에 있어서, 선형 영역에서 동작하며 소스가 공통으로 접지에 연결된 한 쌍의 P형 트랜지스터(M1, M2)로 구성되어, 그 트랜지스터들(M1, M2)의 게이트를 통해 양(Vi+)의 전압신호 및 음(Vi-)의 전압신호를 각각 입력하여 양 및 음의 전류신호로 변환한 후, 각각의 드레인으로 출력(VD1, VD2)하는 전압-전류 변환 블록과, 상기 전압-전류 변환 블록을 구성하는 트랜지스터들(M1, M2)의 드레인에 그 소스가 각각 연결된 한 쌍의 P형 트랜지스터(M3, M4)로 구성되어, 그 트랜지스터들(M3, M4)의 게이트로 공통 입력되는 신호(VC)에 의해 상기 전압-전류 변환 블록으로부터 입력된 양 및 음의 전류신호를 조절하여 회로의 트랜스컨덕턴스를 조절하는 트랜스컨덕턴스(gm) 조절 블록과, 소스가 공통으로 접지에 연결된 한 쌍의 P형 트랜지스터(M5, M6)로 구성되며, 그 트랜지스터들(M5, M6)의 게이트로 공통 입력되는 신호(BIAS4)에 의해 트랜스컨덕턴스의 공통 모드(common mode) 출력 전압을 일정하게 유지시켜 주도록 조절하는 공통 모드 조절 블록과, 소스가 공통으로 전원(VDD)에 연결되고 게이트로 공통 입력되는 바이어스 결정 신호(BIAS1)에 의해 동작되는 한 쌍의 N형 트랜지스터(M11, M12)와, 그 트랜지스터들(M11, M12)의 드레인에 소스가 각각 연결되고 게이트로 공통 입력되는 바이어스 결정 신호(BIAS2)에 의해 동작되는 다른 한 쌍의 N형 트랜지스터(M9, M10)와, 상기 공통 모드 조절 블록을 구성하는 트랜지스터들(M5, M6)의 드레인에 그 소스가 각각 연결되고 게이트로 공통 입력되는 바이어스 결정 신호(BIAS3)에 의해 동작되는 한 쌍의 P형 트랜지스터(M7, M8)로 구성되며, 상기 한 쌍의 N형 트랜지스터(M11, M12)의 드레인과 다른 한 쌍의 N형 트랜지스터(M9, M10)의 소스에 상기 트랜스컨덕턴스 조절 블록에서 출력되는 양 및 음의 전류 신호가 공통으로 입력되고, 상기 N형 트랜지스터쌍(M9, M10) 및 P형 트랜지스터 쌍(M7, M8)의 드레인이 서로 연결된 단자(Vo-, Vo+)를 통해 상기 입력된 양 및 음의 전류 신호가 출력되도록 하는 출력 블록으로 구성된 것을 특징으로 하는 저전압 CMOS 트랜스컨덕턴스 장치.
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