KR100187200B1 - 트랜스 컨덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치 - Google Patents

트랜스 컨덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정하 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 필터 회로를 직접 회로(Integrated Circuit, 이하 IC)에 내장시 온도, 제조 공정 및 전원 전압의 변동에 관계없이 안정된 주파수 특성을 갖도록 하는 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 집적 회로 내부에 내장된 기설정된 소정 주파수 대역만을 통과시키는 필터부와, 상기 필터부의 트랜스 콘덕턴스를 제어하는 트랜스 콘덕턴스 설정부와, 집적 회로 외부에 설치되어 상기 트랜스 콘덕턴스 설정부의 트랜스 콘덕턴스를 제어하는 제어 수단을 포함하는 본 발명에 의한 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치에 따르면, 스위치 주파수가 불필요하므로 노이즈에 강하며 또한 고주파 필터 회로에 대응할 수 있을 뿐만 아니라 트랜스 콘덕턴스를 이용함으로써 IC 제조 공정, 온도 및 전원 전압에 무관하게 차단 주파수를 안정화시킬 수 있다.

Description

트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치
본 발명은 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 필터 회로를 집적 회로(Integrated Circuit, 이하 IC)에 내장시 온도, 제조 공정 및 전원 전압의 변동에 관계없이 안정된 주파수 특성을 갖도록 하는 트랜스 콘덕턴스(transconductance)를 이용한 차단 주파수 안정화 장치에 관한 것이다.
필터의 집적 회로화에 대한 요구는 전자 공학 분야에 있어서, 매우 중요한 관심사 중의 하나인 데, 그 일환으로 1970년대 말 부터 비상한 관심이 집중된 것이 스위치-캐패시터 필터(SCF ; Switched-Capacitor Filter)로써, 현재는 MOS IC(Metal Oxide Semiconductor Integrated Circuit)기술에 힘입어 이에 대한 상용화가 실현되고 있다.
통상, 능동 소자에 의해 구성되는 능동 필터는 그 제작 특성 상, 최종 단계에서 집적 회로화에 심각한 장애가 되고 있다.
이와 같은 장애를 해결할 수 있는 한 방안으로 고려된 것이 스위치-캐패시터 필터로, 통상 스위치-캐패시터 필터는 스위칭부와 캐패시터 및 연산 증폭기로 구성되는 데, 필터의 동작 특성을 집적 회로화하기에 용이한 캐패시터의 비로써 결정할 수 있는 것이 특징이다.
즉, 능동 필터에 이용되는 저항 성분을 소정의 스위칭 주파수에 의해 스위칭 되는 스위칭부와 캐패시터로 대체할 수 있는 데, 이때, 상기 스위칭부를 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)로 용이하게 구성할 수 있음에 따라 집적화가 가능해졌다.
도 1a는 종래 기술에 따른 스위치(1)와 캐패시터 CR로 저항을 구현한 회로의 개념도이며, 도 1b는 도 1a의 등가 회로도로, 스위치(1)는 소정의 스위칭 주파수에 따라 온/오프되는 스위치를 의미한다.
도 1c는 도 1a에 도시한 개념도를 실제로 구현한 회로도로, 트랜지스터 Q1, Q2의 게이트 단자에 서로 역위상의 클럭 신호를 인가하여 상기 트랜지스터 Q1, Q2를 서로 배태적으로 온/오프시킴으로써 입력 전압 V1을 충방전시켜 필터링된 주파수 전압 V2를 출력하게 된다.
즉, 트랜지스터 Q1이 온되면, 캐패시터 CR은 CR×V1의 전하로 충전되고, 트랜지스터 Q1이 오프되면서, 트랜지스터 Q2가 온되면, CR×V2로 방전된다.
따라서, 입력측에서 출력측으로 전달되는 전하(q)는
q=CR(V1-V2)
수학식 1과 같이 되고, 이것이 스위칭 주기(Tc) 동안에 전달되므로 전류i(t)는 평균적으로
수학식 2와 같음에 따라 이것은 입출력 단자 사이에
에 해당하는 저항이 접속될 때, 흐르는 전류와 전압 강하 사이의 관계가 되므로 입출력 단자 사이에 근사적으로 수학식 3과 같은 등가 저항이 연결되어 있다고 볼 수 있다.
여기서,f c 는 스위칭 주기(T c )의 역수, 즉, 스위칭 주파수를 의미한다.
이와 같은 이론적인 근거에 입각하여 스위치-캐패시터 필터에서 집적화에 장애가 되고 있는 저항 성분을 스위칭부와 캐패시터로 이용하여 대체하고 있다.
도 2a는 저항을 이용하여 구현한 능동 필터 회로로써, 입력 전압V1을 제어하는 저항R c 와, 상기 저항R c 로부터 발생되는 신호를 증폭하여 출력 전압V out 을 출력하는 연산 증폭기(Operational Amplifier, 이하, OP앰프; 2)와, 상기 OP앰프(2)의 출력을 궤환시키는 캐패시터C 1으로 구성되며, 출력 전압V out 은
수학식 4와 같다. 여기서, ω는 입력 신호의 각속도이며,f i 는 입력 신호의 주파수이다.
도 2b는 도 1a를 이용하여 구현한 스위치-캐패시터 필터 회로로써, 입력전압V1을 소정의 주파수로 샘플링하는 스위치(1)와, 상기 스위치(1)에 입력되는 전압을 충방전하는 캐패시터C R 과, 상기 스위치(1)로부터 발생되는 신호를 증폭하여 출력전압V out 을 출력하는 OP앰프(3)와,C 1 로 구성되는 데, 상기 스위치(1)에 입력되는 전압을 충방전하는 캐패시터C R 은 저항R c 와 수학식 3과 같은 관계를 갖고, 출력 전압V out 은
수학식 5와 같다. 여기서 ω는 입력 신호의 각속도이며, fi와 fc는 각각 입력 신호의 주파수와 스위칭 주파수를 의미한다.
상기 도 2a 및 도 2b의 필터 회로를 집적 회로(IC) 내에 내장시키게 되면, 제조 공정상의 오차로 인하여 통상적으로 저항과 캐패시터는 각각 약 ±20%의 오차를 발생하므로 스위칭 주파수f c 를 변화시켜 원하는 필터 회로의 차단 주파수를 얻을 수 있다. 여기서, 상기 스위칭 주파수는 샘플링 이론에 근거할 때, 입력 신호가 갖는 주파수에 대하여 최소 2배 이상이어야 하며, 저항 성분에 충분히 근사시키기 위해서는 통상, 입력 신호의 주파수에 비해 10배 이상의 스위칭 주파수가 요구된다.
그러나, 이와 같은 종래의 집적 회로에 내장된 필터 회로는 스위칭 주파수f c 를 무한정으로 증가시킬 수는 없으므로 그 적용 범위가 저주파 필터로 제한되며 또한 스위칭 주파수f c 에서 필연적으로 발생되는 노이즈로 인하여 회로의 불안정성이 초래되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 감안하여 필터 회로를 집적 회로의 내부에 내장할 시에 클럭 주파수에 의한 노이즈, 온도, 제조 공정 및 전원 전압의 변동에 무관하게 안정된 주파수 특성을 갖도록 하기 위한 것으로, 특히 고주파 등에 주로 사용되고 있는 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치를 제공함에 있다.
제 1a도는 종래 기술에 따른 스위치와 캐패시터로 저항을 구현한 회로의 개념도,
제 2b도는 도 1a의 등가 회로도,
제 1c도는 도 1a를 구현한 회로도,
제 2a도는 일반적인 능동 필터를 나타낸 회로도,
제 2b도는 도 1a를 이용하여 필터를 구현한 회로도,
제 3도는 본 발명에 따른 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치에 대한 바람직한 실시예의 구성을 나타낸 블록도,
제 4도는 도 3의 트랜스 콘덕턴스 설정부 및 외부 제어부의 일실시예를 나타낸 회로도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 트랜스 콘덕턴스부 20,211,231,241 : OP앰프
30 : 캐패시터 100 : 필터부
200 : 트랜스 콘덕턴스 설정부 210 : 바이어스 전압 인가부
220 : 커런트 미러부 230 : 제 1 트랜스 콘덕턴스 제어부
240 : 제 2 트랜스 콘덕턴스 제어부 250 : 트랜스 콘덕턴스 가변부
300 : 외부 제어부 Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, Q9, Q10 : 트랜지스터
R1, R2, R3, R4 : 저항
이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치는 입력되는 제어 전압에 의해 트랜스 콘덕턴스가 변함에 따라 저항값이 가변되는 트랜스 콘덕턴스부와 용량성 리액턴스를 갖는 캐패시터부를 구비하여, 인가되는 입력 신호에서 상기 저항값과 상기 용량성 리액턴스에 의해 결정되는 주파수 대역만을 통과시키는 필터부;
차동 증폭기의 1차측에 접속된 제 1 트랜지스터와 2차측에 접속된 제 2 트랜지스터 간의 트랜스 콘덕턴스의 차에 의해 가변되는 출력을 상기 제어 입력으로 인가함에 따라 상기 트랜스 콘덕턴스부의 트랜스 콘덕턴스가 가변적으로 설정되도록하는 트랜스 콘덕턴스 설정부; 및
차동 증폭기를 구성하는 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터 중 어느 하나의 트랜스 콘덕턴스가 가변되도록 제어하는 제어 수단을 포함하는 것이 특징이다.
여기서, 상기 필터부는 드레인이 저항을 통해 공급 전원에 접속되고 게이트를 통해 상기 입력 신호가 인가되는 입력용 트랜지스터와 드레인이 상기 입력용 트랜지스터의 소오스에 접속되고 게이트를 통해 상기 제어 전압을 입력받으며 소오스가 접지된 트랜스 콘덕턴스 가변용 트랜지스터를 구비하여, 상기 제어 전압이 변함에 따라 상기 트랜스 콘덕턴스 가변용 트랜지스터의 트랜스 콘덕턴스가 가변되는 상기 트랜스 콘덕턴스부;
상기 입력용 트랜지스터의 드레인에 반전 단자가 접속된 필터링용 연산 증폭기; 및
일측이 상기 입력용 트랜지스터의 드레인과 상기 연산 증폭기의 반전 단자에 공동으로 접속되고 타측이 상기 연산 증폭기의 출력 단자에 접속된 상기 캐패시터부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 트랜스 콘덕턴스 설정부는 공급 전원에 접속되어 상기 차동 증폭기의 1차측과 2차측에 흐르는 전류가 동일해지도록 커런트 미러 기능을 수행하는 커런트 미러부;
상기 차동 증폭기를 구성하는 상기 제 1 트랜지스터 및 상기 제 2 트랜지스터에 서로 다른 바이어스 전압인 각각 제 1 바이어스 전압과 제 2 바이어스 전압을 공급하는 바이어스 전압 인가부;
상기 제 1 바이어스 전압에 비례하여 제 1 트랜스 콘덕턴스를 갖는 제 1 트랜지스터와상기 제 2 바이어스 전압에 비례하여 제 2 트랜스 콘덕턴스를 갖는 상기 제 2 트랜지스터를 구비한 트랜스 콘덕턴스 가변부;
상기 커런트 미러부와 상기 트랜스 콘덕턴스 가변부 사이에 접속되어 제 1 트랜스 콘덕턴스와 상기 제 2 트랜스 콘덕턴스의 차에 의해 발생되는 전압을 증폭하여 출력함으로써 커런트 미러 기능을 수행함과 동시에 상기 제어 전압으로 인가하는 제 1 트랜스 콘덕턴스 제어부; 및
상기 트랜스 콘덕턴스 가변부에 접속되어 제 2 트랜지스터의 드레인-소오스 전압을 변동시켜 상기 제 2 트랜스 콘덕턴스를 가변시킴으로써 상기 제 1 트랜스 콘덕턴스 제어부의 출력이 변동되도록 제어하는 제 2 트랜스 콘덕턴스 제어부를 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제어 수단은 설정된 저항값에 따라 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터 중 어느 하나의 트랜스 콘덕턴스를 가변시키는 외부 저항과, 인가되는 조정 전압에 따라 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터 중 어느 하나의 트랜스 콘덕턴스를 가변시키는 외부 전압 인가 단자를 포함하는 것이 바람직하다.
이상에서 언급한 본 발명의 구성 요소에 대한 좀 더 상세한 구성을 살펴 보면, 상기 바이어스 전압 인가부는 반전 단자에는 소정의 직류 전압이 입력되고 비반전 단자는 상호 직렬 연결된 제 1 저항, 제 2 저항, 제 3 저항을 거쳐 접지되는 바이어스용 연산 증폭기; 및
게이트가 상기 바이어스용 연산 증폭기의 출력 단자에 접속되고 소오스가 상기 공급 전원에 접속되며 드레인이 제 4 저항을 거쳐 상기 바이어스용 연산 증폭기의 비반전 단자에 접속되는 바이어스용 트랜지스터로 구성되고, 상기 커런트 미러부는 소오스가 상기 공급 전원에 접속된 제 1 커런트 미러용 트랜지스터와,
게이트가 상기 제 1 커런트 미러용 트랜지스터의 게이트 및 자신의 드레인에 공통 접속되며 소오스가 상기 공급 전원에 접속된 제 2 커런트 미러용 트랜지스터;
소오스가 상기 제 1 커런트 미러용 트랜지스터의 드레인에 접속된 제 3 커런트 미러용 트랜지스터; 및
게이트 단자가 상기 제 3 커런트 미러용 트랜지스터의 게이트 단자 및 자신의 드레인에 접속되며 소오스가 상기 제 2 커런트 미러용 트랜지스터의 드레인에 접속된 제 4 커런트 미러용 트랜지스터로 구성된다.
또한, 상기 제 1 트랜스 콘덕턴스 제어부는 소오스가 상기 제 4 커런트 미러용 트랜지스터의 드레인에 접속되고 드레인이 상기 제어 수단을 통해 접지되는 제어용 트랜지스터;
비반전 단자가 조정 전압을 인가하기 위한 단자인 외부 전압 인가 단자에 접속되고 반전 단자가 상기 제어용 트랜지스터의 소오스에 접속되며 출력 단자가 상기 제어용 트랜지스터의 게이트에 접속되는 제어용 연산 증폭기로 구성되며, 상기 트랜스 콘덕턴스 가변부는 게이트 단자가 상기 바이어스용 트랜지스터의 드레인과 상기 저항 4에 공동 접속되며 드레인이 상기 커런트 미러용 트랜지스터의 소오스에 접속되고 소오스가 접지된 상기 제 1 트랜지스터; 및
게이트 단자가 상기 제 1 저항 및 상기 제 2 저항의 공통 접점에 접속되고 드레인이 상기 커런트 미러용 트랜지스터의 소오스에 접속되며 소오스가 접지된 상기 제 2 트랜지스터로 구성되며, 상기 제 2 트랜스 콘덕턴스 제어부는 드레인이 상기 제 3 커런트 미러용 트랜지스터의 드레인에 접속된 제 5 커런트 미러용 트랜지스터;
드레인이 상기 제 4 커런트 미러용 트랜지스터의 드레인에 접속된 제 6 커런트 미러용 트랜지스터; 및
비반전 단자가 상기 제 3 커런트 미러용 트랜지스터의 드레인과 상기 제 5커런트 미러용 트랜지스터의 드레인에 공통 접속되고 반전 단자가 상기 제 4 커런트 미러용 트랜지스터의 드레인과 상기 제 6 커런트 미러용 트랜지스터의 드레인에 공통 접속되며 출력 단자가 상기 제 5 커런트 미러용 트랜지스터의 게이트와 상기 제 6 커런트 미러용 트랜지스터의 게이트에 공통 접속된 커런트 미러/ 출력용 연산 증폭기로 구성되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치에 대한 바람직한 실시예를 첨부한 도 3을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치에 대한 바람직한 실시예의 구성을 나타낸 블럭도로서, 기설정된 소정 주파수 대역을 갖는 신호만을 통과시키는 필터부(100)와, 상기 필터부(100)의 트랜스 콘덕턴스를 설정하는 트랜스 콘덕턴스 설정부(200)와, 상기 트랜스 콘덕턴스 설정부(200)의 트랜스 콘덕턴스를 제어하는 제어 수단인 외부 제어부(300)로 구성된다.
여기서, 상기 필터부(100)는 흐르는 전류에 따라 저항 성분값이 가변되는 트랜스 콘덕턴스부(10)와, 상기 트랜스 콘덕턴스부(10)로부터 발생되는 신호를 입력받아 증폭하는 OP앰프(20)와, 상기 OP앰프(20)의 출력을 궤한시키는 캐패시터(30)로 구성되며, 상기 트랜스 콘덕턴스부(10)는 MOSFET들(10a, 10b)로 구성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 트랜스 콘덕턴스 설정부(200)는 도 4에 도시한 바와 같이, 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 전압 인가부(210)와, 전원 전압(VDD)을 인가받아 2개의 출력 단자 A, B에 같은 양의 전류를 출력하는 커런트 미러부(current mirror; 220)와, 상기 커런트 미러부(220)의 출력 단자 A, B에 접속되어 2개의 트랜지스터 Q7, Q8의 트랜스 콘덕턴스를 제어하며 상기 필터부(100)의 트랜스 콘덕턴스부(10)에 동작 전압을 인가하는 제 2 트랜스 콘덕턴스 제어부(230)와, 상기 커런트 미러부(220)의 한 출력 단자인 노드 B에 접속되어 흐르는 전류를 분기시켜 제어함으로써 트랜지스터 Q7, Q8의 트랜스 콘덕턴스를 제어하는 제 1 트랜스 콘덕턴스 제어부(240)로 구성된다.
여기서, 상기 바이어스 전압 인가부(210)는 반전 단자(-)에 소정의 직류 전출력 단자는 트랜지스터 Q9의 게이트 단자에 접속되는 OP앰프(211)와, 게이트 단자가 상기 OP앰프(211)의 출력 단자에 접속되고 소오스 단자가 전원 전압(VDD)에 접속되며 드레인 단자가 저항 R4를 거쳐 상기 OP앰프(211)의 비반전 단자와 저항 R1과의 공동 접점에 접속되는 트랜지스터 Q9로 구성한다.
여기서, 상기 커런트 미러부(220)는 소오스 단자가 전원 전압에 접속되고 게이트 단자가 트랜지스터 Q2의 게이트 단자에 접속되며 드레인 단자가 트랜지스터 Q3의 소오스 단자에 접속되는 트랜지스터 Q1과, 게이트 단자가 상기 트랜지스터 Q1의 게이트 단자 및 자신의 드레인 단자에 공통 접속되며 소오스 단자가 전원 전압에 접속되고 드레인 단자가 트랜지스터 Q4의 소오스 단자에 접속되는 트랜지스터 Q2와, 소오스 단자가 상기 트랜지스터 Q1의 드레인 단자에 접속되며 게이트 단자가 트랜지스터 Q4의 게이트 단자에 접속되고 드레인 단자가 OP앰프(231)의 비반전 단자(+)인 노드 A에 접속되는 트랜지스터 Q3와, 게이트 단자가 상기 트랜지스터 Q3의 게이트 단자 및 자신의 드레인 단자에 접속되며 소오스 단자가 상기 트랜지스터 Q2의 드레인 단자에 접속되고 드레인 단자가 OP앰프(231)의 반전 단자(-)인 노드 B에 접속되는 트랜지스터 Q4를 구비함으로써 트랜지스터 Q3의 콜렉터 전류와 트랜지스터 Q4의 콜렉터 전류가 동일하게 흐를 수 있도록 커런트 미러 역할을 수행한다.
여기서, 상기 제 2 트랜스 콘덕턴스 제어부(230)는 비반전 단자(+)가 상기 트랜지스터 Q3의 드레인 단자에 접속되며 반전 단자(-)가 상기 트랜지스터 Q4의 드레인 단자에 접속되고 출력 단자가 상기 필터부(100)의 트랜스 콘덕턴스부(10)에 접속되는 OP앰프(231)와, 드레인 단자가 상기 트랜지스터 Q3의 드레인 단자 및 상기 OP앰프(231)의 비반전 단자에 공통 접속되며 게이트 단자가 상기 OP앰프(231)의 출력 단자 및 트랜지스터 Q6의 게이트 단자에 공통 접속되고 소오스 단자가 트랜지스터 Q7의 드레인 단자에 접속되는 트랜지스터 Q5와, 게이트 단자가 상기 OP앰프(231)의 출력 단자 및 트랜지스터 Q5의 게이트 단자에 공통 접속되며 드레인 단자가 상기 트랜지스터 Q4의 드레인 단자 및 상기 OP앰프(231)의 반전 단자에 공통 접속되고 소오스 단자가 트랜지스터 Q8의 드레인 단자에 접속되는 트랜지스터 Q6로 구성된다.
여기서, 상기 제 1 트랜스 콘덕턴스 제어부(240)는 소오스 단자가 노드 B인 트랜지스터 Q4의 드레인 단자에 접속되며 게이트 단자가 OP앰프(241)의 출력 단자에 접속되고 드레인 단자가 외부 저항 R의 일측에 접속되는 트랜지스터 Q10과, 비반전 단자가 트랜스 콘덕턴스를 제어하기 위한 외부 전압 인가 단자(E)에 접속되고 반전 단자가 상기 트랜지스터 Q10의 드레인 단자에 접속되며 출력 단자가 상기 트랜지스터 Q10의 게이트 단자에 접속되는 OP앰프(241)로 구성된다.
여기서, 상기 트랜스 콘덕턴스 가변부(250)는 게이트 단자가 상기 트랜지스터 Q9의 드레인 단자에 접속되며 드레인 단자가 상기 트랜지스터 Q5의 소오스 단자에 접속되고 소오스 단자가 접지되는 트랜지스터 Q7과, 게이트 단자가 상기 직렬 연결된 저항 R1, R2의 공통 접점인 노드 C에 접속되며 드레인 단자가 상기 트랜지스터 Q6의 소오스 단자에 접속되고 단자가 접지되는 트랜지스터 Q8로 구성한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 본 발명의 작용을 설명하기에 앞서 트랜지스터의 트랜스 콘덕턴스(즉, 전달 콘덕턴스)를 조정함으로써 차단 주파수를 안정화시킬 수 있는 근거를 간략하게 설명하면, 콘덕턴스(conductance)는 저항 성분의 역수에 대응하는 값으로, 설명의 편의상, FET(전계 효과 트랜지스터)를 예로 들어 설명하기로 한다.
FET의 트랜스 콘덕턴스(g m )는
수학식 6과 같다. 여기서 ID는 바이어스 점에서의 드레인 전류이고, VGS는 게이트-소오스 간의 전압이다.
FET의 트랜스 콘덕턴스(gm)는 FET의 전달 특성 곡선 상에서 살펴 볼 때, 동작점(Q)에서의 기울기와 같은 값으로, 회로 상에서 전압을 이용하여 트랜스 콘던턴스를 가변시키는 것은 저항 성분을 가변시키는 것과 유사한 효과를 발생시킬 수 있는 `데, 이러한 효과를 전압 가변 저항(VVR; Voltage-Variable Resistance) 효과 라고 한다.
FET의I D -V DS 출력 특성 곡선(여기서V DS 는 드레인과 소오스 사이의 전압)을 통해서 살펴 보면,V DS 가 적을 때, 상기 출력 특성 곡선이 쌍방향으로 직선에 가깝고, 기울기가 VGS에 따라 다른 것을 확인할 수 있다.
즉, 이것은 FET가 선형 영역에서 동작할 때,V GS 의 가변에 의해 저항 성분을 전자적으로 가변시킬 수 있음을 의미한다.
드레인-소오스 간의 이 직류 저항을R DS 라 하면,
수학식 7에서 확인할 수 있는 바와 같이, 주어진V GS 에 대한 선형 영역이R DS 의 역수가 동일한V GS 선형 영역의 트랜스 콘덕턴스(g m )와 같게 되는 데, 이는V GS 나V DS 의 전압을 가변시킴으로써 저항을 가변시킬 수 있음을 의미하며, 전압 가변 저항(VVR; Voltage-Variable Resistance)효과는 이를 이용하는 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 필터부(100)와 트랜스 콘덕턴스 설정부(200)를 IC내에 내장한 후, 외부 제어부(300)의 외부 저항 R과 외부 전압 인가 단자(E)를 IC외부에 설치하여 트랜스 콘덕턴스를 다음과 같이 제어함으로써 IC내에 필터를 구성할 때 발생되는 온도, 전원 변동 및 제조 공정상의 오차와 무관하게 안정된 원하는 차단 주파수를 얻을 수 있다.
먼저, 바이어스 전압 인가부(210)의 OP앰프(211)의 반전 단자(-)에 2.5볼트를 인가함에 따라, OP앰프의 특성에 의하여 비반전 단자(+)도 2.5볼트가 되므로 서로 직렬 연결된 저항의 각 단의 전압은 각각의 저항비로 분압되어 노드 C는 3볼트가 되고, 노드 D는 2볼트가 된다.
상기 노드 C와 노드 D로부터 발생된 전압은 각각 트랜지스터 Q7과 트랜지스터 Q8의 게이트 단자에 인가된다.
상기 트랜지스터 Q7과 트랜지스터 Q8은 동일 특성의 트랜지스터이고, 각각으 게이트 단자에 인가된 전압이 1볼트의 차이를 가지므로 트랜지스터 Q7에 흐르는 전류인 I2가 트랜지스터 Q8에 흐르는 전류인 I3보다 크게 되어 노드 A의 전압이 노드 B의 전압보다 크게 된다.
여기서, 상기 트랜지스터 Q7과 Q8에 흐르는 전류는 2단으로 구성된 커런트 미러부(220)의 두개의 출력 단자인 노드 A와 노드 B로부터 공급된다.
이때, 상기 노드 A의 전압과 노드 B의 전압차를 보상하기 위하여 노드 A의 전압과 노드 B의 차전압이 OP앰프(231)에 의하여 증폭되어 출력 단자에 출력되므로 상기 출력 단자에 접속된 트랜지스터 Q5,Q6의 게이트 단자의 전압도 증가하게 된다.
즉, 트랜지스터 Q5, Q6의 게이트 단자의 전압이 증가되므로 상기 트랜지스터 Q5, Q6의 소오스 단자의 전압도 문턱 전압만큼의 차이를 가지면서 증가하게 된다.
그러므로 트랜지스터 Q7, Q8의 드레인 단자와 소오스 단자 사이의 전압인 VDS가 증가하게 되어 전류도 증가하게 된다.
다시 말해서, 트랜스 콘덕턴스는 저항의 역수이기 때문에 트랜스 콘덕턴스를 가변시킬 수 있다는 것은 저항값을 원하는 값으로 제어할 수 있다는 것을 의미하므로 트랜스 콘덕턴스 설정부(200)의 출력 단자인 OP앰프(231)의 출력 단자를 필터부(100)의 트랜스 콘덕턴스부(10)의 게이트 단자에 접속함으로써 필터부(100)의 트랜스 콘덕턴스를 원하는 값으로 가변시켜 필터부(100)에 구성된 캐패시터의 용량값이 ±20%로 변화되더라도 안정된 필터 회로를 구성할 수 있다는 것을 의미한다.
여기서, 트랜스 콘덕턴스를 원하는 값으로 가변시키는 방식은 상기 노드 A의 전압과 노드 B의 전압차에 따라 흘러 나가는 전류 I1을 제어함으로써 가능하다.
따라서, IC 외부에 위치된 외부 저항 R을 가변시킴으로써 전류 I1의 크기를 제어할 수 있고 전류 I1의 크기가 제어함으로써 트랜스 콘덕턴스의 크기도 제어할 수 있다.
즉, 외부 저항 R값을 작게 하면 저항 R에 흐르는 전류는 증가하게 되어 Q6의 드레인 전압이 강하되므로 트랜지스터 Q8의 드레인 전압도 강하되어 트랜스 콘덕턴스 가변부(250)의 트랜지스터 Q8의 트랜스 콘덕턴스도 떨어지게 된다.
이때, OP앰프(231)는 발생된 노드 A,B사이의 차전압을 증폭하여 출력단자 (OUT)에 출력하고 상기 출력된 증폭된 전압은 필터부(100)의 트랜스 콘덕턴스(10)의 게이트 단자(미도시)에 인가됨으로써 트랜스 콘덕턴스(10)를 원하는 값으로 제어할 수 있고 이때 외부 저항 R을 1% 오차를 갖는 저항을 사용하면 필터 구성을 1% 오차를 갖도록 설계할 수 있다.
또한, 제 2 트랜스 콘덕턴스 제어부(240)의 외부 전압 인가 단자(E)에 인가되는 전압의 크기를 제어하면, 노드 E의 전압이 가변되므로 외부 저항 R에 흐르는 전류도 가변되어 저항값을 가변시킬 때와 동일하게 트랜지스터 Q8의 트랜스 콘덕턴스를 가변시킬 수 있게 되는 데, 이와 같이 OP앰프(231)의 출력을 제어함으로써 필터부(100)의 트랜스 콘덕턴스부(10)를 가변시켜 원하는 주파수 대역의 필터 구성 및 증폭도를 얻을 수 있다.
즉, OP앰프(231)의 출력이 트랜지스터(10b)의 게이트를 통해 입력됨에 따라 OP앰프(231)의 출력이 가변되면, 게이트 전압이 가변되어 트랜지스터(10b)의 전달 콘덕턴스가 가변되고, 이에 따라 트랜지스터(10a)를 통해 입력되는 입력 신호를 대상으로 원하는 필터 특성을 갖는 필터를 설계할 수 있게 된다.
그리고, 상기 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치는 필터 회로에만 국한되는 것이 아니라 필터 회로(100)의 궤환용 캐패시터(30)를 저항으로
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 입력되는 제어 전압에 의해 트랜스 콘덕턴스가 변함에 따라 저항값이 가변되는 트랜스 콘덕턴스부와 용량성 리액턴스를 갖는 캐패시터부를 구비하여, 인가되는 입력 신호에서 상기 저항값과 상기 용량성 리액턴스에 의해 결정되는 주파수 대역만을 통과시키는 필터부;
차동 증폭기의 1차측에 접속된 제 1 트랜지스터와 2차측에 접속된 제 2 트랜지스터 간의 트랜스 콘덕턴스의 차에 의해 가변되는 출력을 상기 제어 입력으로 인가함에 따라 상기 트랜스 콘덕턴스부의 트랜스 콘덕턴스가 가변적으로 설정되도록 하는 트랜스 콘덕턴스 설정부; 및
차동 증폭기를 구성하는 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터 중 어느 하나의 트랜스 콘덕턴스가 가변되도록 제어하는 제어 수단을 포함하는 본 발명에 의한 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치에 따르면, 스위치 주파수가 불필요하므로 노이즈에 강하며 또한 고주파 필터 회로에 대응할 수 있을 뿐만 아니라 트랜스 콘덕턴스를 이용함으로써 IC 제조 공정, 온도 및 전원 전압에 무관하게 차단 주파수를 안정화시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. (정정)
    입력되는 제어 전압에 의해 트랜스 콘덕턴스가 변함에 따라 저항값이 가변되는 트랜스 콘덕턴스부와 용량성 리액턴스를 갖는 캐패시터부를 구비하여, 인가되는 입력 신호에서 상기 저항값과 상기 저항값과 상기 용량성 리액턴스에 의해 결정되는 주파수 대역을 갖는 신호만을 통과시키는 필터부;
    차동 증폭기의 1차측에 접속된 제 1 트랜지스터와 2차측에 접속된 제 2 트랜지스터 간의 트랜스 콘덕턴스의 차에 의해 가변되는 출력을 상기 제어 입력으로 인가함에 따라 상기 트랜스 콘덕턴스부의 트랜스 콘덕턴스가 가변적으로 설정되도록 하는 트랜스 콘덕턴스 설정부; 및
    차동 증폭기를 구성하는 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터 중 어느 하나의 트랜스 콘덕턴스가 가변되도록 제어하는 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치.
  2. (정정)
    제 1 항에 있어서, 상기 필터부는
    드레인이 저항을 통해 공급 전원에 접속되고 게이트를 통해 상기 입력 신호가 인가되는 입력용 트랜지스터와 드레인이 상기 입력용 트랜지스터의 소오스에 접속되고 게이트를 통해 상기 제어 전압을 입력받으며 소오스가 접지된 트랜스 콘덕턴스 가변용 트랜지스터를 구비하여, 상기 제어 전압이 변함에 따라 상기 트랜스 콘덕턴스 가변용 트랜지스터의 트랜스 콘덕턴스가 가변되는 상기 트랜스 콘덕턴스부;
    상기 입력용 트랜지스터의 드레인에 반전 단자가 접속된 필터링용 연산 증폭기; 및
    일측이 상기 입력용 트랜지스터의 드레인과 상기 연산 증폭기의 반전 단자에 공동으로 접속되고 타측이 상기 연산 증폭기의 출력 단자에 접속된 상기 캐패시터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치.
  3. (정정)
    제 1 항에 있어서, 상기 트랜스 콘덕턴스 설정부는
    공급 전원에 접속되어 상기 차동 증폭기의 1차측과 2차측에 흐르는 전류가 동일해지도록 커런트 미러 기능을 수행하는 커런트 미러부;
    상기 차동 증폭기를 구성하는 상기 제 1 트랜지스터 및 상기 제 2 트랜지스터에 서로 다른 바이어스 전압인 각각 제 1 바이어스 전압과 제 2 바이어스 전압을 공급하는 바이어스 전압 인가부;
    상기 제 1 바이어스 전압에 비례하여 제 1 트랜스 콘덕턴스를 갖는 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 바이어스 전압에 비례하여 제 2 트랜스 콘덕턴스를 갖는 상기 제 2 트랜지스터를 구비한 트랜스 콘덕턴스 가변부;
    상기 커런트 미러부와 상기 트랜스 콘덕턴스 가변부 사이에 접속되어 제 1 트랜스 콘덕턴스와 상기 제 2 트랜스 콘덕턴스의 차에 의해 발생되는 전압을 증폭하여 출력함으로써 커런트 미러 기능을 수행함과 동시에 상기 제어 전압으로 인가하는 제 1 트랜스 콘덕턴스 제어부; 및
    상기 트랜스 콘덕턴스 가변부에 접속되어 제 2 트랜지스터의 드레인-소오스 전압을 변동시켜 상기 제 2 트랜스 콘덕턴스를 가변시킴으로써 상기 제 1 트랜스 콘덕턴스 제어부의 출력이 변동되도록 제어하는 제 2 트랜스 콘덕턴스 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치.
  4. (정정)
    제 1 항에 있어서, 상기 제어 수단은
    설정된 저항값에 따라 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터 중 어느 하나의 트랜스 콘덕턴스를 가벼시키는 외부 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치.
  5. (정정)
    제 1 항에 있어서, 상기 제어 수단은
    인가되는 조정 전압에 따라 상기 제 1 트랜지스터와 상기 제 2 트랜지스터 중 어느 하나의 트랜스 콘덕턴스를 가변시키는 외부 전압 인가 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치.
  6. (정정)
    제 3 항에 있어서, 상기 바이어스 전압 인가부는
    반전 단자에는 소정의 직류 전압이 입력되고 비반전 단자는 상호 직렬 연결된 제 1 저항, 제 2 저항, 제 3 저항을 거쳐 접지되는 바이어스용 연산 증폭기; 및
    게이트가 상기 바이어스용 연산 증폭기의 출력 단자에 접속되고 소오스가 상기 공급전원에 접속되며 드레인이 제 4 저항을 거쳐 상기 바이어스용 연산 증폭기의 비반전 단자에 접속되는 바이어스용 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치.
  7. (정정)
    제 5 항에 있어서, 상기 제 1 저항은 5㏀이고, 상기 제 2 저항 및 상기 제 3 저항은 10㏀이며, 상기 제 4 저항은 5㏀인 것을 특징으로 하는 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치.
  8. (정정)
    제 3 항에 있어서, 상기 커런트 미러부는
    소오스가 상기 공급 전원에 접속된 제 1 커런트 미러용 트랜지스터와,
    게이트가 상기 제 1 커런트 미러용 트랜지스터의 게이트 및 자신의 드레인에 공통 접속되며 소오스가 상기 공급 전원에 접속된 제 2 커런트 미러용 트랜지스터;
    1 커런트 미러부; 및
    소오스가 상기 제 1 커런트 미러용 트랜지스터의 드레인에 접속된 제 3 커런트 미러용 트랜지스터와, 게이트 단자가 상기 제 3 커런트 미러용 트랜지스터의 게이트 단자 및 자신의 드레인에 접속되며 소오스가 상기 제 2 커런트 미러용 트랜지스터의 드레인에 접속된 제 4 커런트 미러용 트랜지스터를 구비한 제 2 커런트 미러부를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치.
  9. (정정)
    제 8항에 있어서, 상기 제 1 트랜스 콘덕턴스 제어부는
    소오스가 상기 제 4 커런트 미러용 트랜지스터의 드레인에 접속되고 드레인이 상기 제어 수단을 통해 접지되는 제어용 트랜지스터; 및
    비반전 단자가 조정 전압을 인가하기 위한 단자인 외부 전압 인가 단자에 접속되고 반전 단자가 상기 제어용 트랜지스터의 소오스에 접속되며 출력 단자가 상기 제어용 트랜지스터의 게이트에 접속되는 제어용 연산 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치.
  10. (정정)
    제 9 항에 있어서, 상기 트랜스 콘덕턴스 가변부는
    게이트 단자가 상기 바이어스용 트랜지스터의 드레인과 상기 저항 4에 공동 접속되며 드레인이 상기 커런트 미러용 트랜지스터의 소오스에 접속되고 소오스가 접지된 상기 제 1 트랜지스터; 및
    게이트 단자가 상기 제 1 저항 및 상기 제 2 저항의 공통 접점에 접속되고 드레인이 상기 커런트 미러용 트랜지스터의 소오스에 접속되며 소오스가 접지된 상기 제 2 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치.
  11. (정정)
    제 8 항에 있어서, 상기 제 2 트랜스 콘덕턴스 제어부는
    드레인이 상기 제 3 커런트 미러용 트랜지스터의 드레인에 접속된 제 5 커런트 미러용 트랜지스터;
    드레인이 상기 제 4 커런트 미러용 트랜지스터의 드레인에 접속된 제 6 커런트 미러용 트랜지스터; 및
    비반전 단자가 상기 제 3 커런트 미러용 트랜지스터의 드레인과 상기 제 5 커런트 미러용 트랜지스터의 드레인에 공통 접속되고 반전 단자가 상기 제 4 커런트 미러용 트랜지스터의 드레인과 상기 제 6 커런트 미러용 트랜지스터의 드레인에 공통 접속되며 출력 단자가 상기 제 5 커런트 미러용 트랜지스터의 게이트와 상기 제 6 커런트 미러용 트랜지스터의 게이트 공통 접속된 커런트 미러/출력용 연산 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스 콘덕턴스를 이용한 차단 주파수 안정화 장치.
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