KR100225489B1 - 자동이득제어 증폭기 - Google Patents

자동이득제어 증폭기

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KR100225489B1
KR100225489B1 KR1019970028846A KR19970028846A KR100225489B1 KR 100225489 B1 KR100225489 B1 KR 100225489B1 KR 1019970028846 A KR1019970028846 A KR 1019970028846A KR 19970028846 A KR19970028846 A KR 19970028846A KR 100225489 B1 KR100225489 B1 KR 100225489B1
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전주범
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Abstract

본 발명은 교류성분의 입력신호를 증가시킬 수 있는 자동이득제어 증폭기에 관한 것으로서, 교류성분과 직류성분을 가지는 입력신호를 증폭시키기 위한 증폭신호 출력부와, 상기 증폭신호 출력부의 출력신호의 이득을 결정하기 위한 이득 조정부와, 상기 이득 조정부의 출력전류량을 조절하여 입력신호의 직류성분의 증폭을 억제시키는 전류 제어부와, 상기 전류제어부의 출력전류를 상기 이득 조정부에 공급하기 위한 전류 전달부를 구비하여서 달성된다.

Description

자동이득제어 증폭기
본 발명은 자동이득제어 증폭기(Automatic Gain Controlling Amplifier)에 관한 것으로서, 특히 이득의 변화에 따라 교류성분의 입력신호를 증폭시키기 위한 자동이득제어 증폭기에 관한 것이다.
일반적인 자동이득제어 증폭기는 도 1에 도시된 바와 같이, 외부로부터 공급되고, 직류성분과 교류성분을 가지는 입력신호(IN)를 증폭시키는 증폭신호 출력부(10)와, 외부로부터 공급된 직류전원(Vagc)에 따라 상기 증폭신호 출력부(10)의 출력전류(IE)량을 가변시켜 상기 증폭신호 출력부(10)의 이득을 가변시키는 이득 조정부(20)로 구비된다.
이러한 종래의 자동이득제어 증폭기의 증폭신호 출력부(10)는 외부로부터 공급되고, 직류성분과 교류성분을 가지는 입력신호(IN)와 외부로부터 공급된 직류전원(Vdc), 예를 들어 약 3.7V 정도, 에 따라 턴온상태를 유지하는 트랜지스터(11)(12)과, 상기 트랜지스터(Q1)(Q2)의 콜렉터측과 직류전원(Vcc) 사이에 각각 연결되어 상기 이득 조정부(20)의 이득에 따라 증폭된 입력신호를 출력시키는 저항(13)(14)으로 이루어진다.
또한, 상기 이득 조정부(20)의 구성을 보다 구체적으로 설명한다. 상기 각 트랜지스터(11)(12)의 에미터측 사이에는 이득을 결정하기 위한 저항(21)을 연결한다. 그리고, 외부로부터 공급된 직류전원(Vagc)의 입력측과 상기 트랜지스터(11)의 에미터측에는 이득을 조정하는 저항(22) 및 다이오드(23)를 직렬로 연결하며, 상기 트랜지스터(11)의 에미터측과 접지사이에는 저항(22) 및 다이오드(23)의 출력전압과 함께 이득을 조정하기 위한 저항(24)이 연결된다. 상기 저항(22)의 출력측과 상기 트랜지스터(12)의 에미터측 사이에는 이득을 조정하기 위한 다이오드(25)가 연결되고, 상기 트랜지스터(12)의 에미터측과 접지사이에는 상기 다이오드(25)의 내부저항치와 이득을 조정하기 위한 저항(26)을 연결한다.
이와같이 이루어진 종래의 자동 이득 제어기의 작용을 설명하면, 우선, 상기 증폭신호 출력부(10)의 트랜지스터(11)(12)의 베이스측에는 입력신호(IN)와 직류전원(Vdc)이 공급되어 트랜지스터(11)(12)은 턴온상태로 유지되며, 트랜지스터(11)(12)의 출력신호(Vo)는 상기 트랜지스터(11)(12)의 콜렉터측에 연결된 저항(13)치와 트랜지스터(11)의 에미터측의 저항치의 비로 결정되고, 여기서 저항(11)치는 고정값이다.
그리고, 상기 트랜지스터(11)의 에미터측 저항치는 상기 이득 조정부(20)의 이득에 따라 결정되며, 상기 이득 조정부(20)의 이득은 상기 저항(21)(22)(24)치와 다이오드(23)의 내부저항치로 이루어진다.
즉, 이득 조정부(20)의 이득은 상기 저항(21)치, 다이오드(23)의 내부저항치, 및 저항(24)치로 이루어지며, 여기서, 저항(21)치, 저항(24)치는 고정된 값이므로, 이득은 다이오드(23)의 내부저항치(rd)에 의해 결정된다.
상기 다이오드(23)의 내부저항치(rd)는 상온에서의 전압(VT), 약 26V 정도, 과 다이오드(23)에 흐르는 전류(ID)의 비로 결정되며, 상기 다이오드(23)의 내부저항치(rd)는 다음 (수학식 1)을 만족한다.
rd = VT/ ID ....
여기서, 상기 다이오드(23)의 내부저항치(rd)은 다이오드(23)의 전류(ID)값을 가변시킴으로써, 가변된다.
그러므로, 상기 이득 조정부(20)의 이득을 결정하는 다이오드(23)의 전류(ID)값은 직류전원(Vagc), 다이오드(23)의 양단의 전위차(Vd), 상기 저항(24)의 전위차(Vq), 및 저항(22)치에 의해 결정되고, 상기 다이오드(23)의 전류(ID)값은 다음 (수학식 2)를 만족한다.
ID = (Vagc-Vd-Vq)/ 2*저항(22)치
여기서, (수학식 1)과 (수학식 2)로부터, 상기 다이오드(23)의 내부저항(rd)치는 저항(22)치, 다이오드(23)의 양단간의 전위차(VT), 직류전원(Vagc) 및 저항(24)의 전위차(Vq)로 결정되며, 다이오드(23)의 내부저항(rd)치는 다음 (수학식 3)을 만족한다.
내부저항(rd)치 = 2저항(22)치 * VT /(Vagc-Vd-Vq),
여기서, 직류전원(Vagc)가 증가하면, 다이오드(23)의 내부저항(rd)치는 감소하게 되고, 이득 조정부(20)의 이득은 감소하게 된다.
즉, 이득을 높이기 위하여 직류전원(Vagc)을 증가시키면, 상기 다이오드(23)의 전류(ID)량은 증가하고, 증가된 전류(ID)에 따라 다이오드(23)의 내부저항(rd)치는 감소하며, 감소된 다이오드(23)의 내부저항(rd)치에 따라 상기 트랜지스터(11)의 에미터측 전류(IE)량이 감소한다. 상기와 같이 감소된 상기 트랜지스터(11)의 에미터측 전류(IE)에 따라 상기 이득 조정부(20)의 이득은 증가하게 된다.
그리고, 상기 트랜지스터(11)의 출력신호(Vo)는 직류전원(Vcc), 상기 트랜지스터(11)의 콜렉터측 전류(IC), 및 저항(13)치로 결정되며, 다음 (수학식 4)를 만족한다.
Vo = Vcc - IC * 저항(13)치
여기서, (수학식 4)로부터, 상기 트랜지스터(11)의 베이스측 전류을 무시하면, 트랜지스터(11)의 콜렉터측 전류(IC)는 트랜지스터(11)의 에미터측 전류(IE)와 동일하며, 상기 트랜지스터(11)의 에미터측 전류(IE)의 감소에 따라 트랜지스터(11)의 출력 전압은 상승하게 된다.
이와같이 이루어진 종래의 자동이득제어 증폭기에 있어서, 직류전원이 증가되면, 이득이 증가하여 입력신호가 증폭된다. 여기서, 이득 제어에 의해 발생하는 직류성분의 변화를 제거하기 위하여 종래의 자동이득 제어기의 출력측에는 직류성분을 블록킹시키기 위한 충분히 큰 캐패시터가 연결되며, 상기와 같은 고가의 캐패시터와 차등증폭기로 인하여 제품의 단가가 상승되고, 집적회로의 구현시 제품의 면적이 커지는 문제점이 발생하였다.
본 발명의 기술적 과제는, 트랜지스터의 에미터측 전류량을 증가시켜, 이득의 변동에도 불구하고 출력의 직류 성분이 변동하지 않는 이득제어 증폭기를 제공하는데 있는 것이다.
상기한 바와같은 기술적 과제는, 교류성분과 직류성분을 가지는 입력신호를 증폭시키기 위한 증폭신호 출력부와, 상기 증폭신호의 이득을 결정하기 위한 이득 조정부와, 상기 이득 조정부의 출력전류량을 조절하여 입력신호의 직류성분의 증폭을 억제시키는 전류 제어부와, 상기 전류제어부의 출력신호를 상기 이득 조정부에 공급하기 위한 전류 전달부를 구비하여서 달성된다.
도 1은 일반적인 자동이득 제어 증폭기의 구성을 보인 도면.
도 2는 본 발명에 따른 자동이득 제어 증폭기의 구성을 보인 도면.
도 3은 제2도에 있어서, 자동이득 제어 증폭기의 구성을 상세하게 보인 도면.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 증폭신호 출력부 100 : 이득 조정부
200 : 전류 제어부 300 : 전류전달부
11, 12, 205, 207, 209, 211, 301-303 : 트랜지스터
13, 14, 101-103, 206, 208, 210, 212 : 저항
104, 105, 201-204 : 다이오드
도 2 및 도 3는 본 발명에 따른 자동이득 제어기의 구성을 보인 도면으로서, 이에 도시된 바와 같이, 외부로부터 공급된 교류성분과 직류성분을 가지는 입력신호(IN)와 직류전원(Vdc), 예를 들어 약 3.7V 정도, 에 따라 작동하여 입력신호(IN)를 증폭시키는 증폭신호 출력부(10)와, 상기 증폭신호 출력부(10)의 이득을 조정하기 위한 이득 조정부(100)와, 외부로부터 공급된 직류전원(Vagc)에 따라 상기 증폭신호 출력부(10)의 전류량을 증가시켜 입력신호의 직류성분의 증폭을 억제시키는 전류제어부(200)와, 상기 전류제어부(200)의 출력전류(2I1)를 상기 이득제어부(100)에 공급시켜 상기 이득 조정부(100)의 이득을 증가시키는 전류전달부(300)로 이루어진다.
여기서, 상기 증폭신호 출력부(10)는 기존의 자동이득 제어 증폭기의 증폭신호 출력부(10)의 트랜지스터(11)(12) 및 저항(13)(14)와 동일하게 구비되고, 상기 이득 조정부(100), 상기 전류제어부(200) 및 전류전달부(300)의 구성을 제3도를 참조하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 증폭신호 출력부(10)의 트랜지스터(11)(12)의 에미터측 사이에 연결되어 이득을 결정하기 위한 저항(101)을 연결하고, 상기 각 트랜지스터(Q1)(Q2)의 에미터측과 접지사이에는 전류원으로서 동작하는 저항(102)(103)을 연결한다. 그리고 저항(102)의 입력측에는 이득을 조정하기 위한 다이오드(104)의 캐소드측이 연결되고, 다이오드(104)의 에노드측은 이득을 조정하기 위한 다이오드(105)의 에노드측이 연결된다. 상기 다이오드(105)의 캐소드측은 상기 트랜지스터(12)의 에미터측과 연결된다.
한편, 외부로부터 공급된 직류전원(Vagc)의 입력측에는 서로 직렬로 연결되고, 입력되는 직류전원(Vagc)을 강하시키는 다수의 다이오드(201-204)가 연결되고, 상기 다이오드(204)의 케소드측에는 상기 다이오드(204)의 출력신호에 따라 턴온상태로 유지되어 상기 트랜지스터(11)의 에미터측 전류(IE)를 증가시키기 위한 트랜지스터(205)의 베이스측이 연결된다. 그리고, 트랜지스터(205)의 에미터측에는 트랜지스터(205)의 출력전압을 강하시키기 위한 저항(206)이 연결되고, 저항(206)의 출력측은 접지된다. 그리고, 상기 다이오드(204)의 캐소드측에는 상기 다이오드(204)의 출력신호에 따라 턴온상태로 유지되어 상기 트랜지스터(12)의 에미터측 전류(IE)를 증가시키기 위한 트랜지스터(207)의 베이스측이 연결된다. 그리고, 트랜지스터(207)의 에미터측에는 트랜지스터(207)의 출력전압을 강하시키는 저항(208)이 연결되고, 저항(208)의 출력측은 접지된다. 상기 다이오드(204)의 캐소드측에는 다이오드(204)의 출력신호에 따라 턴온상태로 유지되는 트랜지스터(209)(211)의 베이스측이 연결되고, 상기 트랜지스터(209)(211)의 콜렉터측은 서로 연결된다. 그리고, 상기 트랜지스터(209)(211)의 에미터측에는 각각 트랜지스터(209)(211)의 출력전압을 강하시키기 위한 저항(210)(212)이 연결되고, 저항(210)(212)의 출력측은 접지된다. 상기 다수의 다이오드(201-204)는 본 발명의 실시예에서는 4개의 다이오드로 구성한다.
또한, 상기 트랜지스터(210)(212)의 콜렉터측에는 상기 전류전달부(300)가 연결되고, 상기 전류전달부(300)는 전류미러로 구비되는데, 상기 전류전달부(300)의 구성을 보다 구체적으로 설명한다.
상기 트랜지스터(210)(212)의 콜렉터측에는 상기 트랜지스터(210)(212)가 턴온상태로 유지될 때 턴온상태로 유지되는 트랜지스터(301)의 베이스측이 연결되고, 트랜지스터(301)의 에미터측에는 상기 트랜지스터(301)가 턴온상태로 스위칭될 때 스위칭하는 트랜지스터(302)(303)의 베이스측이 연결되며, 상기 트랜지스터(302)(303)의 콜렉터측에는 각각 외부로부터 공급된 직류전원(Vcc)이 연결된다. 그리고, 트랜지스터(302)의 콜렉터측은 상기 트랜지스터(301)의 베이스측과 상기 전류 제어부(200)의 트랜지스터(211)의 콜렉터측이 연결된다. 즉, 상기 트랜지스터(302)의 출력전류량과 상기 트랜지스터(303)의 출력전류량이 동일하도록 구비되고, 그리고, 상기 트랜지스터(303)의 출력전류(I2)는 상기 다이오드(104)의 에노드측에 공급하도록 구비된다.
이와같이 이루어진 본 발명에 따른 자동이득제어 증폭기의 작용 및 효과를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
우선, 도 2를 참조하여 설명하면, 우선 입력신호(IN)와 직류전원(Vdc)가 상기 증폭신호 출력부(10)의 트랜지스터(11)(12)에 각각 공급되고, 상기 증폭신호 출력부(10)의 트랜지스터(11)(12)는 턴온상태를 유지한다. 그리고, 트랜지스터(11)(12)의 에미터측 전류(IE)와 외부로부터 공급된 직류전원(Vagc)는 전류 제어부(200)에 공급되고, 상기 전류 제어부(200)는 입력된 직류전원(Vagc)에 따라 상기 트랜지스터(11)(12)의 에미터측 전류(IE)를 증가시키며, 상기 에미터측 전류(IE)의 증가는 입력신호(IN)의 직류성분의 증폭을 억제시킨다.
그리고, 상기 전류 제어부(200)의 출력전류(2I1)는 상기 전류전달부(300)를 통해 상기 이득 조정부(100)에 공급한다. 상기 이득 조정부(100)는 상기 전류전달부(300)의 출력전류(2I1)에 따라 이득이 증가되고, 증가된 이득에 따라 입력신호(IN)의 교류성분을 증폭시킨다. 즉, 직류전원(Vagc)의 증가에 따라 상기 전류전달부(300)의 출력전류(2I1)가 증가되고, 증가된 전류전달부(300)의 출력전류(2I1)는 상기 이득 조정부(100)에 공급된다. 증가된 출력전류(2I1)에 따라 입력신호(IN)의 교류성분이 증폭된다.
상기와 설명한 과정을 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 증폭신호 출력부(10)의 트랜지스터(11)(12)의 베이스측에는 입력신호(IN) 및 직류전원(Vdc)이 각각 공급되고, 상기 트랜지스터(11)(12)는 턴온상태로 유지된다. 여기서, 상기 트랜지스터(11)(12)의 출력신호(Vo)는 상기 저항(13)치와 트랜지스터(11)의 에미터측의 저항치의 비로 결정되고, 여기서 저항(13)치는 고정값이므로, 트랜지스터(11)의 출력신호(Vo)는 상기 트랜지스터(11)의 에미터측 저항치로 결정된다.
그리고, 상기 트랜지스터(11)의 에미터측 저항치는 상기 이득 조정부(100)의 이득으로 결정되며, 상기 이득 조정부(100)의 이득은 병렬로 각각 연결된 저항(101)(102)치와 다이오드(104)의 내부저항치로 이루어지며, 여기서, 저항(101), 저항(104)치는 고정된 값이므로, 상기 이득 조정부(100)의 이득은 다이오드(104)의 내부저항(rd)치에 의해 결정된다.
상기 다이오드(104)의 내부저항치(rd)는 상온에서의 전압(VT), 약 26V 정도, 과 다이오드(104)에 흐르는 전류(ID)의 비로 결정되며, 상기 다이오드(104)의 내부저항치(rd)는 다음 (수학식 5)를 만족한다.
rd = VT/ ID
상기 다이오드(104)의 전류(ID)값의 가변에 따라 다이오드(104)의 내부저항치(rd)는 가변되고, 가변된 다이오드(104)의 내부저항치(rd)에 따라 이득이 가변되며, 가변된 이득에 따라 입력신호(IN)가 증폭된다.
상기 다이오드(104)의 전류(ID)값을 증가시키는 과정을 먼저 설명하면 다음과 같다. 이득을 가변시키기 위하여 외부로부터 공급된 직류전원(Vagc)는 상기 전류 제어부(200)의 다이오드(201-204)에 공급되고, 상기 다이오드(201-204)는 턴온상태로 스위칭되어 상기 교류전원(Vagc)을 통과시킨다.
상기 다이오드(201-204)의 출력신호는 트랜지스터(205, 207, 209, 211)의 베이스측에 공급되고, 트랜지스터(205, 207, 209, 211)는 턴온상태를 유지한다. 여기서, 상기 트랜지스터(205, 207)의 콜렉터측 전류(I1)는 상기 직류전원(Vagc), 다이오드(201-204)의 출력신호(NVd), 및 트랜지스터(205, 207)의 베이스측과 에미터측의 전압차(VBE)에 따라 결정되며, 트랜지스터(205,207)의 콜렉터측 전류(I1)는 다음 (수학식 6)을 만족한다.
I1 = (Vagc-NVd-VBE)/ 저항(206)치 (여기서, N은 정수)
그리고, 상기 트랜지스터(209, 211)의 콜렉터측은 연결되어 있으므로, 트랜지스터(209,211)의 콜렉터측 전류는 2I1이 된다. 그리고, 상기 트랜지스터(209)(211)가 턴온상태이면, 상기 전류전달부(300)의 트랜지스터(301)가 턴온상태로 유지되므로, 상기 트랜지스터(301)의 에미터측에서 콜렉터측으로 전류가 흐른다.
상기 트랜지스터(301)가 턴온상태이면, 트랜지스터(302)(303)가 턴온상태로 유지되고, 따라서, 상기 트랜지스터(302)의 에미터측에서 콜렉터측으로 흐르는 전류량은 트랜지스터(303)의 에미터측에서 콜렉터측으로 흐르는 전류량과 동일하다. 그리고, 상기 트랜지스터(303)의 에미터측에서 콜렉터측으로 흐르는 전류(2I1)는 상기 이득 조정부(100)의 다이오드(104)의 에노드측에 공급된다.
그러므로, 상기 이득 조정부(100)의 이득을 결정하는 다이오드(104)의 전류(ID)값은 상기 트랜지스터(209)(211)의 콜렉터측의 전류(2I1)와 동일하다. 즉, 다이오드(104)의 전류(ID)값은 상기 교류전원(Vagc), 다이오드(201-204)의 출력신호(NVd), 및 트랜지스터(209)(211)의 베이스측과 에미터측의 전류차(VBE)에 따라 결정되고, 다이오드(104)의 전류(ID)는 다음 (수학식 8)을 만족한다.
ID = 2 (Vagc-NVd-VBE)/ 저항(206)치
여기서, 상기 다이오드(201-204)의 출력신호(NVd)는 기존의 저항(14)의 전위차(Vq)와 동일하게 설정하고, 기존의 2 * 저항(22)치를 저항(206)와 동일하게 설정하게 되면, 상기 다이오드(104)의 전류(ID)는 다음 (수학식 9)를 만족한다.
ID = (Vagc-Vd-Vq)/ 2*저항(22)치
그리고, 상기 다이오드(104)의 내부저항(rd)치는 다음 (수학식 10)을 만족한다.
내부저항(rd)치 = 2 * 저항(102)치 * VT /(Vagc-Vd-Vq)
상기 (수학식 10)으로 부터, 상기 직류전원(Vagc)이 증가하면, 다이오드(104)의 내부저항(rd)치는 감소하게 된다.
그리고, 상기 직류전원(Vagc)이 증가하면, 다이오드(13)의 전류(ID)량은 증가하여 상기 증폭신호 출력부(10)의 출력신호(Vo)는 다음 (수학식 11)을 만족한다.
Vo= Vcc- IC * 저항(13)치
상기 (수학식 11)로부터, 상기 트랜지스터(11)의 베이스측 전류을 무시하면, 트랜지스터(11)의 콜렉터측 전류(IC)는 트랜지스터(11)의 에미터측 전류(IE)와 동일하면, 상기 트랜지스터(11)의 에미터측 전류(IE)의 감소에 따라 입력신호(IN)가 증폭된다.
이때 트랜지스터(11)의 에미터측 전류(IE)는 상기 전류제어부(200)의 트랜지스터(205)로 공급되는 전류(I1)만큼 증가하게 되므로, 출력신호의 직류성분은 변하지 않는다.
그러나, 상기 다이오드(104)의 전류(ID)는 상기 전류전달부(300)의 출력전류(2I1)만큼 증가하므로, 입력신호(IN)의 교류성분은 증폭한다.
본 발명은, 이득 제어에도 불구하고 출력의 직류성분이 변화하지 않으므로, 교류 결합을 위한 커패시터가 필요치 않아 제조단가를 낮출수 있고, 집적회로의 집적도를 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 외부로부터 공급되고, 직류성분과 교류성분을 가지는 입력신호(IN)와 외부로부터 공급된 직류전원(Vdc)에 따라 턴온상태를 유지하는 트랜지스터(11)(12);
    상기 트랜지스터(Q1)(Q2)의 콜렉터측과 직류전원(Vcc) 사이에 각각 연결되어 상기 이득 조정부(20)의 이득에 따라 증폭된 입력신호를 출력시키는 저항(13)(14);
    상기 트랜지스터(11)(12)의 에미터측에 연결되어 트랜지스터(11)의 출력신호(Vo)의 이득을 결정하기 위한 이득 조정수단(100);
    상기 이득 조정수단의 출력전류량을 외부로부터 공급된 직류전원(Vagc)에 따라 조절하여 상기 직류 전원의 변화에 따른 출력 전압 변동을 억제시키는 전류 제어수단(200); 및
    상기 전류 제어수단(200)의 출력신호(2I1)를 상기 이득 조정수단(100)에 공급하기 위한 전류 전달수단(300)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동이득제어 증폭기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류 제어수단(200)은 서로 직렬로 연결되고, 직류전원(Vagc)를 강하시키기 위한 다수의 다이오드(201-204);
    상기 다이오드(204)의 출력전압에 따라 턴온상태로 유지되어 상기 트랜지스터(11)의 에미터측 전류(IE)를 증가시키는 다수의 트랜지스터(205, 207, 209, 211); 및
    상기 다수의 트랜지스터(205, 207, 209, 211)의 출력전압을 강하시키는 저항(206, 208, 210, 212)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동이득제어 증폭기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전류전달수단(300)는 상기 전류 제어수단의 출력전류(2I1)를 상기 이득 조정수단(100)에 공급하기 위한 전류 미러로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동이득제어 증폭기.
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