KR100283518B1 - Transconductor with wide input dynamic range and motor drive system M - Google Patents
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Abstract
이 발명은, 넓은 입력 다이내믹 영역을 가지는 트랜스컨덕터 및 그를 갖는 모터 구동 시스템에 관한 것으로, 차동 증폭부가 제1,제2 제어전압과 기준전압을 입력받고, 제1제어전압과 제2제어전압의 차이를 증폭한 값에 기준전압을 시프트 시켜 출력한다. 전압 증폭기는 기준전압을 입력받고, 입력전압 만큼에 해당하는 전압을 출력한다. 제1저항은 기준전압 증폭기와 차동 증폭부 사이에 직렬로 연결된다. 전류출력부는 제1저항에 흐르는 전류를 제1 제어전압과 제2제어전압의 차이에 비례하지만 기준전압에 무관하게 출력한다. 이와 같은 방법으로 트랜스 컨덕터가 서보의 전원전압의 크기에 영향없이 넓은 다이내믹 영역을 가지도록 동작시킬 수 있다.The present invention relates to a transconductor having a wide input dynamic range and a motor driving system having the same. The reference voltage is shifted to the amplified value and output. The voltage amplifier receives a reference voltage and outputs a voltage corresponding to the input voltage. The first resistor is connected in series between the reference voltage amplifier and the differential amplifier. The current output unit outputs a current flowing through the first resistor in proportion to a difference between the first control voltage and the second control voltage, regardless of the reference voltage. In this way, the transconductor can be operated to have a wide dynamic range without affecting the magnitude of the servo's power supply voltage.
Description
이 발명은 넓은 입력 다이내믹 영역을 가지는 트랜스컨덕터 및 그를 갖는 모터 구동 시스템에 관한 것으로 특히, CD-ROM 스핀들 모터 구동에 사용되는 트랜스컨덕터에 관한 것이다.The present invention relates to a transconductor having a wide input dynamic range and a motor drive system having the same, and more particularly to a transconductor used for driving a CD-ROM spindle motor.
일반적으로 CD-ROM 스핀들(spindle) 모터로는 3상 비엘디시(BLDC: brushless direct current) 모터가 이용된다. 비엘디시 모터의 출력 토크(torque)는 모터 부하에 흐르는 전류에 비례한다. 스핀들 모터 구성에서 회전속도를 제어하기 위해 흔히 출력전류를 감지하여 이 전류가 입력 제어전압에 비례하도록 시스템이 구성된다.In general, a three-phase brushless direct current (BLDC) motor is used as a CD-ROM spindle motor. The output torque of the Bildish motor is proportional to the current flowing in the motor load. In spindle motor configurations, the system is often configured to sense the output current to control the rotational speed so that this current is proportional to the input control voltage.
도1은 스핀들 모터의 회전속도를 제어하기 위한 구성도이다.1 is a configuration diagram for controlling the rotational speed of the spindle motor.
제어입력전압(EC, ECR)은 서보(servo)로부터 입력되며 회전속도 제어를 위한 제어 입력전압이고, 이 두 제어 입력 전압의 차의 부호 즉, EC-ECR 전압이 양이냐 음이냐에 따라 스핀들 모터의 회전방향이 결정된다. 이 제어 입력전압은 트랜스 컨덕턴스 증폭기(10)를 통하여 전류로 출력되며, 이 전류는 스핀들 모터의 정방향 역방향에 대해서도 부하 모터(M, 16)에 구동전류를 공급하도록 제어입력전압차의 부호에 무관하게 항상 소오싱 혹은 싱킹 전류를 공급하기 위해 절대값 회로(11)를 거친후 전류/전압 변환기(12)를 거쳐 모터 구동 증폭기(13)의 양의 입력단으로 들어간다. 구동기(13)는 모터(M, 16)의 회전이 최대 토크가 발생하도록 파워 트랜지스터(14)의 3상 출력 U, V, W를 모터(M, 16)에 가한다.The control input voltages EC and ECR are input from the servo and are the control input voltages for the rotational speed control. The spindle motor depends on the sign of the difference between the two control input voltages, that is, the EC-ECR voltage is positive or negative. The direction of rotation of is determined. This control input voltage is output as a current through the transconductance amplifier 10, and this current is irrespective of the sign of the control input voltage difference so as to supply a drive current to the load motors M and 16 even in the forward reverse direction of the spindle motor. It always passes through the absolute value circuit 11 to supply a sourcing or sinking current and then enters the positive input of the motor drive amplifier 13 via the current / voltage converter 12. The driver 13 applies the three-phase outputs U, V, W of the power transistor 14 to the motors M, 16 so that the rotation of the motors M, 16 generates maximum torque.
이때, 모터(M, 16)에 공급되는 전류(U, V, W)는 출력전류감지회로(15)를 거쳐 전압으로 변환되어 구동 증폭기(13)의 부의 입력단으로 입력되어 부궤환루프를 형성한다.At this time, the currents U, V, and W supplied to the motors M and 16 are converted into voltages through the output current sensing circuit 15 to be input to the negative input terminal of the driving amplifier 13 to form a negative feedback loop. .
이 부궤환 루프에 의해 출력단의 모터 구동전류는 제어입력전압(EC, ECR)의 차에 비례하게 되어 모터(M, 16)의 회전속도를 제어하게 된다.By this negative feedback loop, the motor driving current at the output stage is proportional to the difference between the control input voltages EC and ECR to control the rotation speed of the motors M and 16.
도 2a는 이 시스템의 이상적인 전달함수 특성을 나타낸다.2A shows the ideal transfer function characteristics of this system.
도 2a에서와 같이, 모터 구동전류(Io)는 제어입력전압(EC, ECR)의 차에 비례한다.As shown in FIG. 2A, the motor driving current Io is proportional to the difference between the control input voltages EC and ECR.
그러나, 실제의 모터 구동 시스템의 전달함수 특성은 도 2b와 같이 형태가 된다. 이는 두 제어입력전압(EC, ECR)의 차가 영일 때는 실제 모터(M, 16)가 회전하지 않도록 옵셋 전압(Eoff+, Eoff-)을 두어 제어입력전압(EC, ECR)차가 이 옵셋 전압(Eoff+, Eoff-) 이상으로 될 때에만 모터(M, 16)에 전류가 공급되도록 하여 모터(M, 16)가 회전을 하도록 하기 위해서이다.However, the transmission function characteristic of the actual motor drive system is shaped as shown in FIG. 2B. When the difference between the two control input voltages (EC, ECR) is zero, the offset voltages (Eoff +, Eoff-) are set so that the actual motors (M, 16) do not rotate.The difference between the control input voltages (EC, ECR) is the offset voltage (Eoff +, This is to allow the motors M and 16 to rotate by supplying current to the motors M and 16 only when the value is equal to or greater than Eoff−.
또한, 모터(M, 16)에 필요 이상의 과도한 전류가 공급되면, 모터(M, 16)가 손상을 받게되므로 이러한 것을 방지하기 위해 출력전류(Io)의 최대값은 도2b와 같이, Iomax로 제한된다.In addition, if excess current is supplied to the motor M, 16, the motor M, 16 is damaged, so that the maximum value of the output current Io is limited to Iomax as shown in FIG. do.
서보로부터 입력되는 제어입력전압(EC, ECR)의 전압 스윙은 서보의 전원전압에 의존하게 되는데 일반적으로 서보의 전원전압은 5V 혹은 3.3V이므로 제어입력전압(EC, ECR) 각각의 입력 다이내믹 영역(input dynamic range)즉, 전압스윙폭은 서보의 최대 전원전압과 같은 3.3V 또는 5V가 된다.The voltage swing of the control input voltage (EC, ECR) input from the servo depends on the power supply voltage of the servo. Generally, since the power supply voltage of the servo is 5V or 3.3V, the input dynamic range of each of the control input voltages (EC, ECR) That is, the voltage swing width is 3.3V or 5V, which is equal to the servo's maximum supply voltage.
도1의 모터 속도제어 구동 시스템에서 최대의 입력제어전압 범위를 얻기 위해서는 EC 또는 ECR 중 어느 한 입력을 서보 전원전압의 반에 해당하는 전압으로 가하여 기준전압으로 이용하고, 다른 제어입력을 이 기준전압에 대해 크거나 작게 하여 모터의 회전속도와 방향을 제어한다In order to obtain the maximum input control voltage range in the motor speed control driving system of FIG. 1, one of EC or ECR is applied as a voltage corresponding to half of the servo power voltage, and the other control input is used as the reference voltage. Control the motor speed and direction by increasing or decreasing
따라서, 제어입력전압(EC, ECR)의 차는 3.3V 서보의 경우에는 최대 1.675V가 되고, 5V 서보의 경우에는 2.5V가 된다.Therefore, the difference between the control input voltages EC and ECR is 1.675V at maximum for a 3.3V servo and 2.5V at a 5V servo.
그러나, 도1의 모터 구동 시스템에서 트랜스 컨덕턴스 증폭기(10)의 동상입력영역(common mode input range)이나 출력단 최대 출력 스윙의 제한에 의해 제어입력전압(EC, ECR)의 차이 즉, 모터 출력전류를 제어할 수 있는 최대유효 크기는 1.5V가 된다. 동시에 제어입력전압(EC, ECR)의 다이내믹 영역은 3.3V 서보의 경우에는 0.2∼3.3V 정도가 되고, 5V 서보의 경우에는 1∼4V 정도가 된다.However, in the motor driving system of FIG. 1, the difference in the control input voltages EC and ECR, that is, the motor output current, is limited by the common mode input range of the transconductance amplifier 10 or the limit of the output stage maximum output swing. The maximum effective size that can be controlled is 1.5V. At the same time, the dynamic range of the control input voltages EC and ECR is about 0.2 to 3.3V for the 3.3V servo and about 1 to 4V for the 5V servo.
그래서, 종래의 트랜스 컨덕턴스 증폭기(10)는 1.5V의 최대유효 제어입력을 가지고 3.3V 서보와 5V 서보에 겸용으로 적용할 수 없었다. 이런 이유로 인해 종래에는 각각의 서보에 대해 각기 다른 트랜스 컨덕턴스 증폭기를 제작해야 하므로 시간적, 물질적 손해가 큰 단점이 있다.Thus, the conventional transconductance amplifier 10 has a maximum effective control input of 1.5V and cannot be applied to a 3.3V servo and a 5V servo. For this reason, in the related art, different transconductance amplifiers have to be manufactured for each servo, so that there is a big disadvantage in terms of time and material damage.
그러므로 본 발명의 기술적 과제는 종래의 단점을 해결하고자 하는 것으로서, 출력전압이 서보의 전원전압에 무관하도록 하여 3.3V 서보와 5V 서보에 동시에 적용할 수 있는 트랜스 컨덕턴스 증폭기를 구현하는 것이다.Therefore, the technical problem of the present invention is to solve the disadvantages of the prior art, and to implement a transconductance amplifier that can be applied to 3.3V servo and 5V servo simultaneously by making the output voltage independent of the power supply voltage of the servo.
도1은 스핀들 모터의 회전속도를 제어하기 위한 구성도.1 is a configuration diagram for controlling the rotational speed of the spindle motor.
도 2a는 이 시스템의 이상적인 전달함수 특성을 나타낸 도면.2A shows ideal transfer function characteristics of this system.
도 2b는 이 시스템의 실제적인 전달함수 특성을 나타낸 도면.2b illustrates the practical transfer function characteristics of this system.
도3은 이 발명의 실시예에 따른 트랜스컨덕터의 구성 블록도.3 is a block diagram of a transconductor according to an embodiment of the present invention;
도4는 도3의 차동 증폭기를 구현하는 하나의 예시도.4 illustrates one example implementation of the differential amplifier of FIG.
도5는 도3의 차동 증폭기를 구현하는 또 하나의 예시도.5 is another exemplary implementation of the differential amplifier of FIG.
도6은 도3의 블록도를 회로로 구현한 상세 회로도.FIG. 6 is a detailed circuit diagram implementing the block diagram of FIG.
도7은 이 발명의 실시예에 따른 모터 구동 시스템의 블록 구성도.Figure 7 is a block diagram of a motor drive system according to an embodiment of the present invention.
이러한 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 차동 증폭부가 제1,제2 제어전압과 기준전압을 입력받고, 제1제어전압과 제2제어전압의 차이를 증폭한 값에 기준전압을 시프트 시켜 출력한다. 전압 증폭기는 기준전압을 입력받고, 입력전압 만큼에 해당하는 전압을 출력한다. 제1저항은 기준전압 증폭기와 차동 증폭부 사이에 직렬로 연결된다. 전류출력부는 제1저항에 흐르는 전류를 제1 제어전압과 제2제어전압의 차이에 비례하지만 기준전압에 무관하게 출력한다. 이와 같은 방법으로 트랜스 컨덕터가 서보의 전원전압의 크기에 영향없이 넓은 다이내믹 영역을 가지도록 동작시킬 수 있다.In order to accomplish this problem, in the present invention, the differential amplifier receives the first and second control voltages and the reference voltage, shifts the reference voltage to a value obtained by amplifying the difference between the first control voltage and the second control voltage, and outputs the shifted reference voltage. . The voltage amplifier receives a reference voltage and outputs a voltage corresponding to the input voltage. The first resistor is connected in series between the reference voltage amplifier and the differential amplifier. The current output unit outputs a current flowing through the first resistor in proportion to a difference between the first control voltage and the second control voltage, regardless of the reference voltage. In this way, the transconductor can be operated to have a wide dynamic range without affecting the magnitude of the servo's power supply voltage.
그러면, 첨부된 도면을 참조로 하여 이 발명을 실시할 수 있는 실시예에 관하여 설명하기로 한다.Then, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment in which the present invention can be carried out.
도3은 이 발명의 실시예에 따른 트랜스컨덕터의 구성 블록도이다.3 is a block diagram illustrating a transconductor according to an embodiment of the present invention.
도3에서와 같이, 차동 증폭기(40)가 제1,제2 제어전압과 기준전압(Vref)을 입력받는다. 그 출력단은 저항(R)을 통해 전압 증폭기(41)의 출력단에 연결된다. 또한, 전압증폭기는 기준전압(Vref)을 입력받는다. 전류출력부(45)는 제1저항에 흐르는 전류를 출력하도록 전압 증폭기(41)와 연결되어 있다.As shown in FIG. 3, the differential amplifier 40 receives the first and second control voltages and the reference voltage Vref. The output terminal is connected to the output terminal of the voltage amplifier 41 through the resistor (R). In addition, the voltage amplifier receives a reference voltage Vref. The current output unit 45 is connected to the voltage amplifier 41 to output a current flowing through the first resistor.
그러면, 이러한 구조의 트랜스컨덕터의 동작에 관하여 상세히 설명하기로 한다.Next, the operation of the transconductor having such a structure will be described in detail.
차동 증폭기(40)는 제어전압(EC, ECR)의 차이를 증폭하는 동시에 출력의 직류 전압은 다른 하나의 입력인 기준전압(Vref)과 같아지는 직류 레벨 시프트 기능을 수행한다. 즉, 출력 노드(n1)의 전압은 Vn1 = Vref + (EC - ECR) 이 된다. 전압 증폭기(41)는 전압 폴로워로서 전압 증폭기(41)의 출력 노드(n2)의 전압은 입력전압(Vref)이 그대로 나타난다. 즉, Vn2 = Vref 가 된다.The differential amplifier 40 amplifies the difference between the control voltages EC and ECR and performs a DC level shift function in which the DC voltage of the output is equal to the reference voltage Vref which is the other input. That is, the voltage at the output node n1 becomes Vn1 = Vref + (EC-ECR). The voltage amplifier 41 is a voltage follower, and the voltage of the output node n2 of the voltage amplifier 41 is represented by the input voltage Vref. That is, Vn2 = Vref.
또한, 전압 증폭기(41)의 출력전류는 저항(R)에 흐르는 전류와 같으며, 전류 미러(42, 43)를 통해서 전류(Iout)를 출력한다.In addition, the output current of the voltage amplifier 41 is equal to the current flowing through the resistor R, and outputs the current Iout through the current mirrors 42 and 43.
노드(n1, n2)에 걸리는 전압의 차이 즉, 저항(R)의 양단에 걸리는 전압은 Vn1 - Vn2 = EC - ECR 이 되어 저항에 흐르는 전류는 (EC - ECR)/R 이 된다. 기준전압(Vref)의 값은 서보의 전원전압과 무관하게 최대출력스윙을 차동증폭기(40)와 전압증폭기(41)에서 얻을 수 있도록 이 두 증폭기(40, 41)의 전원전압의 반으로 예를 들어 이 두 증폭기의 전원전압이 5V인 경우 2.5V로 한다. 그러면, 차동 증폭기(40)의 출력은 EC - ECR = 0 일 때에 대해서 그 차이가 음으로 갈 때나 양으로 갈 때 대칭적인 출력을 최대로 얻을 수 있다. 그러므로 EC 와 ECR의 직류 레벨에 무관하게 노드(n1)의 직류 레벨을 최대 스윙을 얻을 수 있도록 설정할 수 있게 되어 서보의 전원 전압에 무관하게 넓은 입력다이내믹 영역을 가지는 트랜스컨덕터(44)를 구현할 수 있다.The difference between the voltages across the nodes n1 and n2, that is, the voltage across the resistor R, becomes Vn1-Vn2 = EC-ECR, and the current flowing through the resistor becomes (EC-ECR) / R. The value of the reference voltage (Vref) is half of the power supply voltage of the two amplifiers 40 and 41 so that the maximum output swing can be obtained from the differential amplifier 40 and the voltage amplifier 41 regardless of the servo power supply voltage. For example, if the power supply voltage of these two amplifiers is 5V, it is 2.5V. Then, the output of the differential amplifier 40 can maximize the symmetrical output when the difference is negative or positive when EC-ECR = 0. Therefore, the DC level of the node n1 can be set to obtain the maximum swing irrespective of the DC level of the EC and the ECR, so that the transconductor 44 having a wide input dynamic range can be implemented regardless of the power supply voltage of the servo. .
도4는 도3의 차동 증폭기(40)를 구현하는 하나의 예시도이다.4 is an exemplary diagram for implementing the differential amplifier 40 of FIG.
도4에서와 같이, 연산증폭기(50)는 제어전압(EC, ECR)의 동상입력영역이 3.3V서보와 5V서보를 동시에 만족할 수 있도록 입출력 전압영역이 거의 그라운드로부터 전원전압(VCC)까지 이르는 레일 투 레일(rail-to-rail) 구조를 가지고 있으며, 두 입력 제어전압(EC, ECR)의 전압차를 증폭하는 동시에 출력(Vout)의 직류전압을 기준전압(Vref)으로 만들 수 있다.As shown in FIG. 4, the operational amplifier 50 has a rail in which the input / output voltage region reaches from the ground to the power supply voltage VCC so that the in-phase input region of the control voltages EC and ECR can satisfy the 3.3V servo and the 5V servo at the same time. It has a rail-to-rail structure and can amplify the voltage difference between two input control voltages (EC, ECR) and make the DC voltage of the output (Vout) the reference voltage (Vref).
도4에서 연산증폭기(50)의 출력전압(Vout)은 저항(R1)과 저항(R3)의 저항값이 같고, 저항(R2)과 저항(R4)의 저항값이 같은 경우 즉, R1=R3이고 R2=R4이면 Vout= (EC-ECR)+Vref가 된다. 그러나, 도4의 차동 증폭기(40)에서는 제어전압(EC, ECR)의 입력 임피던스가 각각 R3+R4와 R1으로 차이가 나며, 대개 서보의 출력은 펄스폭변조 신호이므로 두 제어전압(EC, ECR)의 입력단 바로전에는 필터가 있게 되는데, 이때 이 입력 임피던스의 로딩 이펙트(loading effect)에 의해 필터의 컷오프 주파수가 달라질 수가 있다.In FIG. 4, the output voltage Vout of the operational amplifier 50 has the same resistance value between the resistor R1 and the resistor R3, and the resistance values of the resistor R2 and the resistor R4 are the same, that is, R1 = R3. And R2 = R4, Vout = (EC-ECR) + Vref. However, in the differential amplifier 40 of FIG. 4, the input impedances of the control voltages EC and ECR are different from R3 + R4 and R1, respectively, and since the servo output is a pulse width modulated signal, the two control voltages EC and ECR are different. There is a filter just before the input stage of the circuit, where the cutoff frequency of the filter can be changed by the loading effect of the input impedance.
따라서, 이러한 단점을 해결할 수 있는 실시예를 도5에 도시하였다.Therefore, an embodiment that can solve this disadvantage is shown in FIG.
도5는 도3의 차동 증폭기(40)를 구현하는 또 하나의 예시도이다.FIG. 5 is another exemplary implementation of the differential amplifier 40 of FIG.
도5에서, 트랜스 컨덕턴스 증폭기(51, 52)는 차동전압을 입력받아 그 차이에 해당하는 전류를 출력한다. 트랜스임피던스 증폭기(53)는 차동전류를 입력받아 그 차에 해당하는 전압을 출력한다.In FIG. 5, the transconductance amplifiers 51 and 52 receive a differential voltage and output a current corresponding to the difference. The transimpedance amplifier 53 receives a differential current and outputs a voltage corresponding to the difference.
트랜스 컨덕턴스 증폭기(52)의 두 입력단자(Va+, Va-)에는 두 제어전압(EC, ECR)이 각각 입력되고, 그 출력전류(Io+)는 Gm1(EC-ECR)과 같다. 또 하나의 트랜스 컨덕턴스 증폭기(51)의 양의 입력단(vb+)에는 트랜스 임피던스 증폭기(53)의 출력전압(Vout)이 귀환되어 입력되고, 다른 음의 입력단(vb-)에는 출력전압(Vout)의 직류레벨을 결정하는 기준전압(Vref)이 인가된다. 이때, Io- = Gm2(Vout - Vref) 가 된다. 또, 부궤환 루프에 의해 Io+ = Io- 가 되므로 Gm1(EC-ECR) = Gm2(Vout-Vref)이다. 여기서, Gm1과 Gm2를 같게 하면, 출력전압 Vout = (EC-ECR) + Vref 가 되고, 출력(Vout)의 직류레벨은 기준전압(Vref)이고, 그 스윙은 EC-ECR에 비례하게 된다. 따라서, 도4의 실시예와 같은 문제는 발생하지 않는다.Two control voltages EC and ECR are input to the two input terminals Va + and Va- of the transconductance amplifier 52, respectively, and the output current Io + is equal to Gm1 (EC-ECR). The output voltage Vout of the transimpedance amplifier 53 is fed back to the positive input terminal vb + of the other transconductance amplifier 51, and the output voltage Vout is input to the other negative input terminal vb-. The reference voltage Vref for determining the DC level is applied. At this time, Io- = Gm2 (Vout-Vref). In addition, since Io + = Io- by the negative feedback loop, Gm1 (EC-ECR) = Gm2 (Vout-Vref). Here, when Gm1 and Gm2 are equal, the output voltage Vout = (EC-ECR) + Vref is obtained, the DC level of the output Vout is the reference voltage Vref, and the swing is proportional to the EC-ECR. Therefore, the same problem as in the embodiment of FIG. 4 does not occur.
도6은 도3의 블록도를 회로로 구현한 상세 회로도이다.FIG. 6 is a detailed circuit diagram of the block diagram of FIG.
도6에서 40은 도3의 차동증폭기(40) 부분을 구현한 것이고, 41은 도3의 전압증폭기(41)을 구현한 것이며 45는 도3의 전류출력부(45)를 구현한 것이다.In FIG. 6, 40 represents a part of the differential amplifier 40 of FIG. 3, 41 represents the voltage amplifier 41 of FIG. 3, and 45 represents the current output unit 45 of FIG. 3.
도6에서, EC와 ECR의 동상입력전압이 그라운드 레벨에서부터 동작할 수 있도록 하기 위하여 에미터 플로워 단(62)을 두며 이 에미터 플로워의 입력 피엔피 트랜지스터(QP1, QP2)는 출력(피엔피 트랜지스터 에미터)의 직류레벨을 입력에 비해 Vbe만큼 높이도록 한다.In Fig. 6, an emitter follower stage 62 is provided so that the in-phase input voltages of the EC and the ECR can be operated from the ground level, and the input PNP transistors QP1 and QP2 of the emitter follower are output (PNP transistors). Increase the DC level of the emitter by Vbe relative to the input.
도6의 51, 52, 53은 도5의 트랜스 컨덕턴스 증폭기(51, 52)와 트랜스 임피던스 증폭기(53)에 각각 상응한다. 트랜스컨덕터(52)의 출력전류 I1과 I2는 I1=Gm1((EC+Vbe)-(ECR+Vbe))=Gm1(EC-ECR), I2 = Gm1(ECR-EC) = -I1으로 표시되며, 여기서 Gm1=1/(re1+re2+RE)이고, re1=re2=(KT/q)/Ic로써 상온에서 KT/q는 대략 26mV이고, Ic는 트랜지스터의 바이어스 전류이다.51, 52 and 53 of FIG. 6 correspond to the transconductance amplifiers 51 and 52 and the transimpedance amplifier 53 of FIG. 5, respectively. The output currents I1 and I2 of the transconductor 52 are represented by I1 = Gm1 ((EC + Vbe)-(ECR + Vbe)) = Gm1 (EC-ECR), I2 = Gm1 (ECR-EC) = − I1. Where Gm1 = 1 / (re1 + re2 + RE), re1 = re2 = (KT / q) / Ic, and KT / q is approximately 26mV at room temperature, and Ic is the bias current of the transistor.
마찬가지로, 트랜스컨덕터(51)의 출력전류 I3와 I4는 각각 I3=Gm2(Vout-Vref), I4=Gm2(Vref-Vout)이며, Gm2=1/(re3+re4+RE)이다. 그런데 트랜지스터 QN1~QN4의 바이어스 전류가 모두 I로 같으므로 re1=re2=re3=re4이고, 결국 Gm1=Gm2가 된다.Similarly, the output currents I3 and I4 of the transconductor 51 are I3 = Gm2 (Vout-Vref) and I4 = Gm2 (Vref-Vout), respectively, and Gm2 = 1 / (re3 + re4 + RE). However, since the bias currents of the transistors QN1 to QN4 are all equal to I, re1 = re2 = re3 = re4, resulting in Gm1 = Gm2.
트랜스임피던스 증폭기(53)의 두 입력전류(Io+, Io-)는 각각 Io+=-(I1+I3), Io-=-(I2+I4)로 표시된다.The two input currents Io + and Io- of the transimpedance amplifier 53 are represented by Io + = − (I1 + I3) and Io − = − (I2 + I4), respectively.
트랜스임피던스 증폭기(53)의 압력전류 Io+가 증가하고, Io-는 감소하면, 노드(n3)의 전압은 증가하고 노드(n4)의 전압은 감소한다. 이 두 입력전류(Io+, Io-)는 커먼 베이스 트랜지스터(QP3, QP4)를 통하여 전류미러 QN5와 QN6으로 입력된다.If the pressure current Io + of the transimpedance amplifier 53 increases and Io- decreases, the voltage of the node n3 increases and the voltage of the node n4 decreases. These two input currents Io + and Io- are input to current mirrors QN5 and QN6 through common base transistors QP3 and QP4.
Io+가 증가하는 경우 QN6의 전류가 증가하고, 이에 따라 QN5의 전류도 증가한다. 이때, Io-는 감소하고 있으므로 QP3의 전류도 감소하고 결국 QN5 컬렉터( QN7베이스)의 전위도 감소한다. QN7의 전위가 낮아지므로 QN10의 베이스 전위도 낮아져 QN10의 컬렉터 전위가 높아지게 된다. QN10의 컬렉터 전위는 푸쉬풀 출력단(QN8, QN9, QP5, QP6)을 통해 출력(Vout)으로 연결되어 있으므로 Vout의 전위는 높아지게 된다. 결과적으로 Io+가 증가(Io-가 감소)하는 경우 출력전압(Vout)도 증가하게 된다.Increasing Io + increases the current in QN6, which in turn increases the current in QN5. At this time, since Io- is decreasing, the current of QP3 also decreases, and eventually the potential of the QN5 collector (QN7 base) also decreases. Since the potential of QN7 is lowered, the base potential of QN10 is also lowered, thereby increasing the collector potential of QN10. The collector potential of QN10 is connected to the output Vout through the push-pull output terminals QN8, QN9, QP5 and QP6, so that the potential of Vout becomes high. As a result, when Io + increases (Io- decreases), the output voltage Vout also increases.
EC-ECR이 양으로 가는 경우 즉, EC전압 레벨이 ECR보다 큰 경우 I1은 증가하고, I2는 I1의 증가분만큼 감소한다. I1이 증가하고, I2가 감소하므로 Io+는 증가하고 Io-는 감소하게 되어 출력전압(Vout)이 증가하게 된다. 출력전압(Vout)이 증가하므로 I3전류를 증가시키고 I4전류를 감소시켜 결국 Io+가 감소하고, Io-는 증가하는 부궤환이 이루어지며 최종적으로는 Io+와 Io-의 (EC-ECR)에 의한 변화분은 부궤환루프에 의해 I3와 I4의 변화분과 상쇄하게 된다. 즉, 부궤환루프에 의해 Io+와 Io-의 변화분은 0이 되고, 결국 I1=-I4, I2=-I3가 된다. 여기서 I2와 I3는 각각 I2=Gm1(ECR-EC), I3=Gm2(Vout-Vref)이고, Gm1=Gm2이므로 결국 Vout=Vref+(EC-ECR)로 되어 출력전압은 두 입력의 차, EC-ECR을 Vref로 직류레벨 시프트한 값이된다.When the EC-ECR goes positive, that is, when the EC voltage level is greater than the ECR, I1 increases and I2 decreases by an increment of I1. As I1 increases and I2 decreases, Io + increases and Io- decreases, resulting in an increase in output voltage Vout. As the output voltage (Vout) increases, I3 current increases and I4 current decreases, resulting in a decrease in Io +, an increase in negative feedback, and finally the change by (EC-ECR) of Io + and Io-. The minute is offset by the negative feedback loop from the change in I3 and I4. In other words, the negative feedback loop causes the change of Io + and Io- to be zero, resulting in I1 = -I4 and I2 = -I3. Since I2 and I3 are I2 = Gm1 (ECR-EC) and I3 = Gm2 (Vout-Vref), respectively, and Gm1 = Gm2, eventually Vout = Vref + (EC-ECR) .The output voltage is the difference between the two inputs, EC- This is the value obtained by DC level shifting the ECR to Vref.
전압 증폭기(41)은 전압 폴로워의 구성으로 되어 있으므로 QN11의 에미터(QP9의 에미터)전압은 Vref가 된다. 그러므로 저항(R)의 양단에 걸리는 전압은 Vout-Vref=EC-ECR이 되고, 그 전류는 (EC-ECR)/R로 된다. EC-ECR이 양인 경우 차동증폭기의 출력전압(Vout)이 양으로 가므로 QP9의 에미터(QN11의 에미터) 전압이 양으로 가고, 전압증폭기에 의해 QP9의 베이스 전압이 낮아져 QP9는 온되고, QN11은 오프되며 QP9에 흐르는 전류는 저항(R)에 흐르는 전류와 같게 된다. QP9에 흐르는 전류는 전류미러(43)에 의하여 출력전류(Iout)로 나타나며 이때의 전류는 싱킹전류가 되고 그 양은 (EC-ECR)/R이 된다.Since the voltage amplifier 41 is configured as a voltage follower, the emitter (QP9 emitter) voltage of QN11 becomes Vref. Therefore, the voltage across the resistor R becomes Vout-Vref = EC-ECR, and the current becomes (EC-ECR) / R. If the EC-ECR is positive, the output voltage (Vout) of the differential amplifier goes positive, so the emitter voltage of QP9 (emitter of QN11) goes positive, and the voltage amplifier lowers the base voltage of QP9, which turns on QP9. QN11 is off and the current flowing in QP9 becomes equal to the current flowing in resistor R. The current flowing through the QP9 is represented by the current mirror 43 as the output current Iout, and the current at this time becomes the sinking current and the amount is (EC-ECR) / R.
반대로 EC-ECR이 음으로 가는 경우에는 QN11이 온, QP9는 오프되고 QN11에 흐르는 전류는 전류미러(42)를 통하여 소오싱 출력전류(Iout)가 되며 그 크기는 (EC-ECR)/R이 된다. 이 출력전류는 도7의 절대값 회로(11)와 전류/전압 QQUSGHKSRL(12)를 거쳐 구동증폭기(13)으로 입력된다.On the contrary, when the EC-ECR goes negative, QN11 is turned on, QP9 is turned off, and the current flowing in QN11 becomes the sourcing output current (Iout) through the current mirror 42, and its magnitude is (EC-ECR) / R. do. This output current is input to the drive amplifier 13 via the absolute value circuit 11 and the current / voltage QQUSGHKSRL 12 of FIG.
도6의 출력전류는 차동증폭기 출력전압(Vout) 스윙에 비례하므로 이 출력스윙, EC-ECR이 최대가 되기 위해서는 출력전압의 직류레벨이 전원전압(VCC)의 반에 해당하는 값을 가져야 한다. 그런데 이 Vref전압은 EC와 ECR의 직류레벨 즉, 이 두 전압을 입력하는 서보의 전원전압이 3.3V이든 5V이든 관계없이 정할 수 있으므로 (EC-ECR)의 넓은 입력 다이내믹 레인지를 갖도록 Vref=VCC/2로 설정하여 서보의 전원전압과 무관한 넓은 영역을 가지는 트랜스컨덕턴스 증폭기를 구현할 수 있다.Since the output current of FIG. 6 is proportional to the differential amplifier output voltage Vout swing, the DC level of the output voltage must be equal to half of the power supply voltage VCC in order to maximize the output swing and EC-ECR. However, this Vref voltage can be determined regardless of the DC level of EC and ECR, that is, the power supply voltage of the servo inputting these two voltages, 3.3V or 5V, so that Vref = VCC / to have a wide input dynamic range of (EC-ECR). Set to 2 to implement a transconductance amplifier with a wide area independent of the servo's power supply voltage.
또한, 본 발명의 트랜스 컨덕터를 스핀들 모터의 회전 속도를 제어하는 시스템에 적용한 예를 도7에 도시하였다.7 shows an example in which the transconductor of the present invention is applied to a system for controlling the rotational speed of the spindle motor.
도7에서와 같이, 외부의 서보(70)로부터 제어전압(EC, ECR)이 트랜스 컨덕터(44)로 입력된다.As shown in FIG. 7, control voltages EC and ECR are input to the transconductor 44 from an external servo 70.
그러면, 트랜스컨덕터(44)는 전원전압(VCC)의 반을 기준전압(Vref)으로 하여 제어전압(EC, ECR)의 차이에 비례하는 전류를 출력하고, 이 전류는 스핀들 모터의 정방향 역방향에 대해서도 부하 모터(M, 16)에 구동전류를 공급하도록 절대값 회로(11)를 거친후 전류/전압 변환기(12)를 거쳐 모터 구동 증폭기(13)의 양의 입력단으로 들어간다.Then, the transconductor 44 outputs a current proportional to the difference between the control voltages EC and ECR using half of the power supply voltage VCC as the reference voltage Vref, and this current also applies to the forward reverse direction of the spindle motor. After passing through the absolute value circuit 11 to supply the drive current to the load motors M and 16, it enters the positive input terminal of the motor drive amplifier 13 via the current / voltage converter 12.
다음, 구동기(13)는 모터(M, 16)의 회전이 최대 토크가 발생하도록 파워 트랜지스터(14)의 3상 출력 U, V, W를 모터(M, 16)에 가한다.Next, the driver 13 applies the three-phase outputs U, V, and W of the power transistor 14 to the motors M and 16 so that the rotation of the motors M and 16 generates maximum torque.
이때, 모터(M, 16)에 공급되는 전류(U, V, W)는 출력전류감지회로(15)를 거쳐 전압으로 변환되어 구동 증폭기(13)의 부의 입력단으로 입력되어 부궤환루프를 형성한다.At this time, the currents U, V, and W supplied to the motors M and 16 are converted into voltages through the output current sensing circuit 15 to be input to the negative input terminal of the driving amplifier 13 to form a negative feedback loop. .
이 부궤환 루프에 의해 출력단의 모터 구동전류는 제어입력전압(EC, ECR)의 차에 비례하게 되어 모터(M, 16)의 회전속도를 제어하게 된다.By this negative feedback loop, the motor driving current at the output stage is proportional to the difference between the control input voltages EC and ECR to control the rotation speed of the motors M and 16.
이상에서와 같이, 이 발명의 실시예에서, 1.5V의 최대유효입력을 가지는 동시에 3.3V 서보와 5V 서보에 동시에 적용할 수 있는 트랜스 컨덕터 및 그를 갖는 모터 구동 시스템을 제공할 수 있다.As described above, in the embodiment of the present invention, it is possible to provide a transconductor having a maximum effective input of 1.5V and simultaneously applicable to 3.3V servo and 5V servo, and a motor driving system having the same.
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