KR100284632B1 - 공통-모드 신호 센서 - Google Patents

공통-모드 신호 센서 Download PDF

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Abstract

[공통-모드 신호 센서]
차(difference) 신호에 응하여 공통-모드 신호를 공급하는 공통-모드 신호 센서는, 차 신호를 수신하는 제1입력 단자(IT1) 및 제2입력 단자(IT2), 공통-모드 신호를 공급하는 출력 단자(OT), 제1절점(N1)에서 제1전류원(CS1)에 접속되고 상기 입력 단자들(IT1,IT2)에 접속된 제어 전극들을 갖는 제1도전형이 제1차동(differential) 쌍(T1,T2), 제2절점(N2)에서 제2전류원(CS2)에 접속되고 상기 입력 단자들(IT1,IT2)에 역시 접속된 제어 전극들을 갖는, 상기 제1도전형에 반대인 제2도전형인 제2차동 쌍(T3,T4), 상기 제1절점(N1)과 출력단자(OT)간에 접속된 상기 제1도전형인 다이오드-접속(diode-connected) 제5트랜지스터(T5) 및 상기 제2절점(N2)과 출력 단자(OT)간에 접속된 상기 제2도전형인 다이오드-접속 제6트랜지스터(T6)를 구비한다.

Description

공통-모드 신호 센서
제1도는 유니폴라(unipolar) 트랜지스터들로 구성되는 실시예에서 본 발명에 따른 공통-모드(common-mode) 신호 센서의 회로도.
제2도는 바이폴라(bipolar) 트랜지스터들로 구성되는 실시예에서 본 발명에 따른 공통-모드 신호 센서의 회로도.
제3도는 본 발명에 따른 공통-모드 신호 센서를 이용하는 공통-모드 리젝션(rejection) 회로를 구비하는 연산 증폭기의 회로도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
IT1 : 제1입력 단자 IT2 : 제2입력 단자
OT : 출력 단자
본 발명은 차(difference) 신호에 응하여 공통-모드(common-mode) 신호를 제공하는 공통-모드 신호 센서에 관한 것으로, 이 공통-모드 신호 센서는 차 신호를 수신하는 제1입력 단자 및 제2입력 단자와, 공통-모드 신호를 제공하는 출력 단자와, 각각 제1주(main) 전극, 제2주 전극 및, 제어 전극을 갖춘 제1 및 제2트랜지스터(제1 및 제2트랜지스터의 제1 주 전극들은 제1절점에서 상호 접속되고 제1트랜지스터의 제어 전극은 제1입력 단자에 결합됨)와, 제1바이어스 전류를 공급하기 위해 제1절점에 결합된 제1전류원와, 각각 제1주 전극, 제2주 전극 및, 제어 전극을 갖는 제3 및 제4트랜지스터(제3 및 제4트랜지스터의 제1주 전극들은 제2절점에서 상호 접속되고 제4트랜지스터의 제어 전극은 제2입력 단자에 결합됨)와, 제2바이어스 전류를 공급하기 위해 제2절점에 결합된 제2전류원을 구비한다.
이러한 공통-모드 신호 센서는 1985년 11월, Vol. CAS-32, No. 11, PP.1097-1104, 제6도에, 회로 및 시스템에 대한 IEEE 보고서인, 논문 “CMOS 전압-전류 변환기”로부터 공지된다. 공통-모드 신호 센서들은 연산 증폭기, 트랜스콘덕터(transconductor) 및, 유사한 전자 회로용의 공통-모드 리젝션 회로에서 이용된다. 차 신호의 공통-모드 신호량을 측정하는 공지된 기술은 그 제어 전극들이 차신호를 수신하도록 배열된, 기준 차동(differential)쌍의 제1주 전극들에 공통인 절점상의 전압을 활용한다. 이러한 배열은 상기 전압이 공통-모드 신호뿐만 아니라 사용 트랜지스터들의 임계 전압을 포함하고 일부 차 신호를 더 포함하는 결점이 있다.
상기 논문으로부터 공지된 공통-모드 신호 센서는 두 개의 차동쌍들을 이용한다. 제1전류원과 함께 제1 및 제2트랜지스터는 제1차동쌍을 구성한다. 제2전류원과 함께 제3 및 제4트랜지스터는 제2차동쌍을 구성한다. 제1 및 제4트랜지스터의 제어 전극들은 제1 및 제2입력 단자에 접속되고 그 공통-모드 전압이 측정되도록 입력 신호를 수신한다. 제3절점에서, 제2 및 제3트랜지스터의 제어전극들과 제2주 전극들은 모두 제1 및 제2전류원의 전류와 같은 전류를 공급하는 제3전류원에 접속된다. 제3절점상의 전압은 입력 신호의 공통-모드 전압의 측정이며 더이상 트랜지스터들의 임계 전압을 포함하지 않는다. 그러나, 이러한 공통-모드 신호 센서는 제한된 차 신호 범위에 대한 결점이 있는데, 제1 및 제2절점상의 전압들이 입력 단자상에 증가하는 차 전압과 대칭적으로 증가하지 않기 때문이다.
본 발명의 목적은 큰 차 신호 범위를 갖는 공통-모드 신호 센서를 제공하는 것이다. 이 목적을 위해 전술된 유형의 공통-모드 신호 센서는 제1 및 제2트랜지스터가 제1도전형이고, 제3 및 제4트랜지스터가 제1도전형에 반대인 제2도전형이고, 제3트랜지스터의 제어 전극이 제1입력 단자에 결합되고, 제2트랜지스터의 제어 전극이 제2입력 단자에 결합되는 것에 특징이 있는데, 이 공통-모드 신호 센서는 제1주 전극이 제1절점에 접속되고 제2주 전극 및 제어 전극이 출력 단자에 접속되는 제1도전형인 제5트랜지스터와, 제1주 전극이 제2절점에 접속되고 제2주 전극 및 제어 전극이 출력 단자에 접속되는 제2도전형인 제6트랜지스터를 더 구비한다.
차동쌍들은 반대 도전형이고 모두 입력 단자에 접속된다. 제5 및 제6트랜지스터는 제1 및 제2절점상의 공통-모드 전압들에 대한 분압기로서 기능하는데, 여기서 차동 쌍들의 임계 전압들에 의해 야기된 성분들은 제5 및 제6트랜지스터의 임계 전압들에 의해 소멸된다.
미국 특허 US4,780,688호의 제3도는 본 발명에 따른 공통-모드 신호 센서와 상당한 유사점을 지닌 회로를 개시함이 주목된다. 그러나, 거기에 개시된 회로에서 제2절점은 제2전류원에 접속되고 레지스터를 경유하여 제6트랜지스터의 제1주 전극에 접속된다. 더욱이, 출력 단자는 제5 및 제6트랜지스터의 제어 전극들과 제2주 전극들의 절점에 접속되지 않는다. 사실상, 이 공지된 회로는 공통-모드 신호 센서가 아니라, 제3 및 제4트랜지스터에 의해 형성된 차동 증폭기의 회전율을 증가시키는 회로이다.
본 발명의 이들 다른 양상은 첨부 도면과 관련하여 설명된다.
동일한 기능 또는 목적을 갖는 도면 파트는 동일한 참조를 지닌다.
제1도는 그 소스, 드레인, 게이트가 각각 제1주 전극, 제2주 전극, 제어 전극에 상응하는, 유니폴라 트랜지스터들을 구비하는 본 발명에 따른 공통-모드 신호 센서를 도시한 것이다. NMOS 트랜지스터들(T1,T2)은 제1차동쌍을 형성한다. 트랜지스터들(T1,T2)은 제1절점(N1)에서 상호 접속된 소스 전극들을 갖는다. 제1절점(N1)은 이 제1절점(N1)으로부터 바이어스 전류(IBN)를 얻는 제1전류원(CS1)을 통해 부(negative) 공급 단자에 접속된다. 예를들어, 트랜지스터들(T1,T2)의 드레인들은 정(positive) 공급 단자(STP)에 직접 연결된다. 그러나, 원한다면 드레인들은 전류 미러(mirror)의 입력 분기(branch) 또는 레지스터와 같은 로드를 통해 정 공급 단자(STP)에 변형적으로 접속될 수도 있다.
트랜지스터(T1)의 게이트는 제1입력 단자(IT1)에 접속된다.
트랜지스터(T2)의 게이트는 제2입력 단자(IT2)에 접속된다.
제2차동쌍은 제2절점(N2)에서 상호 접속된 소스들을 갖는 PMOS 트랜지스터들(T3,T4)에 의해 형성된다. 제2절점(N2)은 이 제2절점(N2)으로 바이어스 전류(IBP)를 공급하는 제2전류원(CS2)을 거쳐 정 공급 단자(STP)에 접속된다.
트랜지스터들(T3 및 T4)의 게이트들은 각각 제1입력 단자(IT1)와 제2입력 단자(IT2)에 접속된다. 트랜지스터들(T3,T4)의 드레인들은 부 공급 단자(STN)에 접속되나, 로드를 통해 이 단자에 변형적으로 접속될 수도 있다. 더우기, 제1절점(N1)은 트랜지스터들(T1,T2)과 동일한 임계 전압을 갖는 NMOS 트랜지스터(T5)의 소스에 접속된다. 트랜지스터(T5)의 게이트 및 드레인은 출력 단자(OT)에 모두 접속된다.
제2절점(N2)은 트랜지스터들(T3,T4)과 동일한 임계 전압과, 출력 단자(OT)에 접속된 게이트, 드레인을 갖는 PMOS 트랜지스터(T6)의 소스에 접속된다.
차 신호 Vin 이 입력 단자들에 인가되고, 제1입력 단자(IT1)상의 전압 Vi1과 제2입력 단자(IT2)상의 전압 Vi2 은 다음과 같은 것으로 간주된다.
Vi1 = Vcm + Vin/2 (1)
Vi2 = Vcm + Vin/2 (2)
이 방정식들에서 Vcm 은 차 전압 Vin 의 공통-모드 성분이다.
해석을 간단하게 하기 위해, 모든 트랜지스터들이 포화 모드에서 동작하는 것으로 간주되어, 드레인 전류 I 와 게이트-소스 전압 Vgs 는 다음과 같이 정의된다.
I = K(Vgs-Vt)2(3)
여기서, Vt 는 트랜지스터의 임계 전압이고, K 는 특히 트랜지스터의 폭-길이 이(W/L)에 의존하는 트랜스콘덕턴스 파라미터이다. NMOS 차동쌍(T1,T2)은 차 전류 Ioutn, 즉, 트랜지스터들(T1 과 T2)의 드레인 전류들간의 차를 공급하는데, 이것은 차 전압 Vin 의 함수이다. Gmn 으로 표현된 이 함수는 다음과 같다.
Ioutn= Gmn * Vin (4)
전류 IM 은 트랜지스터들(T5,T6)을 통해 흐르는 것으로 간주되는데, 이 전류는 일정하지 않고 순시 전압 차 Vin 에 의존한다. 이것은 트랜지스터들(T1,T2)을 통하여 전류 IBN-IM 를 야기한다. T1 을 통해 흐르는 전류는 절반의 전류 IBN-IM 와 절반의 전류 Ioutn를합한 것이다. 방정식(3)에 따라서, 트랜지스터(T1)를 흐르는 전류는 다음과 같다.
(Gmn * Vin)/2 + (IBN-IM)/2 = Kn(Vgs1 - Vtn)2(5)
여기서, Vgs1 은 트랜지스터 T1 의 게이트-소스 전압이고, Kn 은 트랜스콘덕턴스 파라미터이며, Vtn 은 NMOS 트랜지스터들의 임계 전압이다. 제1절점 N1 상의 전압 VN1 은 다음과 같다.
VN1 = Vi1 - Vgs1 (6)
방정식(5)으로부터 Vgs1 를 소거하고, 방정식(1)의 우변으로 Vi1 를 대체하여 방정식(6)에 대입하면 다음과 같다.
VN1 = Vcm + Vin/2 - Vtn - SQRT{[(IBN-IM) + Gmn * Vin]/2KN} (7)
출력 단자(OT)는 트랜지스터(T5)의 게이트-소스 전압 Vgs5 과 제1절점(N1)상의 전압 VN1 의 합인 전압 VOT 를 가진다.
VOT = VN1 + Vgs5 (8)
트랜지스터(T5)를 흐르는 전류는 IM 과 같으므로, 방정식(8)은 방정식(3)에 의해 다음과 같이 주어질 수도 있다.
VOT - VN1 = Vtn + SQRT{IM/Kn} (9)
전체적으로 유사한 방식으로 다음 방정식들이 차동쌍(T3,T4) 및 연합된 트랜지스터(T6)에 대해서 얻어질 수 있다.
VN2 = Vcm - Vin/2 + Vtp + SQRT{[(IBP - IM) + Gmp * Vin]/2Kp} (10)
VN2 - VOT = Vtp + SQRT{IM/Kp} (11)
여기서, PMOS 트랜지스터들(T4,T3,T6)의 Vtp, Gmp 및 Kp 는 NMOS 트랜지스터들(T1,T2,T5)의 Vtn, Gmn 및, Kn 을 대신한다. Kp = Kn 을 선택하여, 방정식(9)와 (11)로부터 다음을 얻을 수 있다.
2VOT = (VN1 + VN2) + (Vtn - Vtp) (12)
IBN = IBP 를 선택한 결과로, 차 전류 Ioutn과 Ioutp는 서로 동일하게 되어, Gmn * Vin 과 Gmp * Vin 은 역시 서로 동일하게 된다.
결론적으로, 방정식(7)과 (10)에서 SQRT 항은 서로 동일하다.
방정식(7)과 (10)의 합은 다음과 같다.
VN1 + VN2 = 2Vcm + (Vtp - Vtn) (13)
방정식(12)와 (13)의 조합은 VOT = Vcm 인 결과가 된다. 이것은 출력 단자(OT)상의 전압이 임의의 Vin값에 대해 입력 단자(IT1,IT2)상의 공통-모드 전압과 동일함을 의미한다.
트랜스콘덕턴스 파라미터 Kn 과 Kp 는 NMOS 트랜지스터들의 W/L 비와 PMOS 트랜지스터들의 W/L 비의 적절한 선택에 의해 동일화될 수 있다. 공통-모드 신호 센서는 Kp = Kn 및/또는 IBN = IBP 를 준수하지 않는 경우조차도 기능한다.
제2도는 그 에미터, 콜렉터 및 베이스가 상기 제1주 전극, 제2주 전극 및 제어 전극에 상응하는, 바이폴라 트랜지스터들을 구비한 공통-모드 신호 센서를 나타낸 것이다.
PMOS 트랜지스터들은 PNP 트랜지스터들로 대체되고, NMOS 트랜지스터들은 NPN 트랜지스터들로 대체된다. 그러나, 트랜지스터를 흐르는 전류와 베이스-에미터 전압간의 관계는 방정식(3)에 의해 정의되지 않지만, 결국, 결과는 동일하다.
Kn = Kp 인 요구 대신에, 바이폴라 트랜지스터에 대해 다른 파라미터들이 동일해야 한다. 이러한 경우에 βp = βn 및 Isp = Isn 인 요구들은 충족되어야 하는데, β는 전류 이득 인자이고, Is 는 바이폴라 트랜지스터의 포화 전류이다.
제3도는 본 발명에 따른 공통-모드 신호 센서의 이용을 도시한 것이다. 공통-모드 신호 센서는 참조된 CMSS 이고 제1도에 도시된 내부 구조이다. 입력 단자(IT1,IT2)들은 각각 증폭기 A1 의 출력 단자(O2,O1)에 접속된다. 출력 단자(OT)상의 공통-모드 전압은 증폭기 A2 에서 공통-모드 기준 전압 Vrefcm 과 비교되어, 증폭기 A1 의 트랜지스터들(T7,T8)에 제어 전압 Vctrl 을 공급하는데, 이 트랜지스터들은 제어 가능 전류원으로서 각각 배열된다. 이러한 방식에서 출력(O1,O2)상의 공통-모드 전압은 소정의 기준 전압 Vrefcm 쪽으로 제어된다.

Claims (4)

  1. 차(difference) 신호에 응하여 공통-모드 신호를 공급하는 공통-모드(common-mode) 신호 센서로서, 차 신호를 수신하는 제1입력 단자(IT1) 및 제2입력 단자(IT2), 공통-모드 신호를 공급하는 출력 단자(OT), 각각 제1주(main) 전극, 제2주 전극 및, 제어 전극을 갖는 제1트랜지스터(T1) 및 제2트랜지스터(T2), 제1바이어스 전류(IBN)를 공급하기 위해 제1절점(N1)에 결합된 제1전류원(CS1), 각각 제1주 전극, 제2주 전극 및, 제어 전극을 갖는 제3트랜지스터(T3) 및 제4트랜지스터(T4), 제2바이어스 전류(IBP)를 공급하기 위해 제2절점(N2)에 결합된 제2전류원(CS2)을 구비하며, 제1트랜지스터(T1) 및 제2트랜지스터(T2)의 제1주 전극들은 제1절점(N1)에서 상호 접속되고, 제1트랜지스터(T1)의 제어 전극은 제1입력 단자(IT1)에 결합되고, 제3트랜지스터(T3) 및 제4트랜지스터(T4)의 제1주 전극들은 제2절점(N2)에서 상호 접속되고 제4트랜지스터(T4)의 제어 전극은 제2입력 단자(IT2)에 결합되는 공통-모드 신호 센서에 있어서, 상기 제1트랜지스터(T1) 및 제2트랜지스터(T2)는 제1도전형이고, 상기 제3트랜지스터(T3) 및 제4트랜지스터(T4)는 제1도전형에 반대인 제2도전형이며, 상기 제3트랜지스터(T3)의 제어 전극은 상기 제1입력 단자(IT1)에 결합되고, 상기 제2트랜지스터(T2)의 제어 전극은 상기 제2입력 단자(IT2)에 결합되며, 상기 제1절점(N1)에 접속된 제1주 전극, 상기 출력 단자(OT)에 접속된 제2주 전극 및 제어 전극을 갖춘 제5트랜지스터(T5)와, 상기 제2절점(N2)에 접속된 제1주 전극, 상기 출력 단자(OT)에 접속된 제2주 전극 및 제어 전극을 갖춘 제6트랜지스터(T6)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 공통-모드 신호 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1트랜지스터(T1), 제2트랜지스터(T2) 및 제5트랜지스터(T5)는 사실상 서로 동일하고, 제3트랜지스터(T3), 제4트랜지스터(T4) 및 제6트랜지스터(T6)는 사실상 서로 동일한 것을 특징으로 하는 공통-모드 신호 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1바이어스 전류(IBN)는 상기 제2바이어스 전류(IBP)와 사실상 동일한 것을 특징으로 하는 공통-모드 신호 센서.
  4. 제2항에 있어서, 상기 트랜지스터의 주 전류 경로에서 전류 변화와, 상기 트랜지스터의 제어 전극과 제1주 전극 사이의 전압 변화간의 비례 인자를 정의하는 트랜지스터의 파라미터들을 적절히 선택함으로써, 이 비례 인자가 제1트랜지스터 내지 제6트랜지스터(T1...T6)에 대해 사실상 동일한 것을 특징으로 하는 공통-모드 신호 센서.
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