KR100310550B1 - 적응 출력 임피던스를 구비한 라인구동기 - Google Patents

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Abstract

입력 신호를 수신하는 입력 단자(2)와, 부하(8)를 연결하기 위한 출력 단자(10)와, 실제적으로 동일한 상호 콘덕턴스를 가진 제 1 및 제 2 상호 콘덕턴스 제어형 트랜스 콘덕터(12, 22)와, 제 1 및 제 2 트랜스콘덕터(12, 22)의 입력 단자(2), 출력 단자(10), 및 공통 제어 입력(20)에 각각 연결된 비반전 입력(34), 반전 입력(36) 및 출력(38)을 가진 증폭기(32)를 구비한 라인 구동기로, 상기 상호 콘덕턴스는 공통 제어 입력(20)에 인가된 제어 신호에 의하여 제어 가능하며, 상기 트랜스콘덕터는 비반전 입력(14; 24)과, 반전 입력(16; 26)과 출력(18; 28)을 구비하며, 상기 제 1 및 제 2 트랜스 콘덕터(12, 22)의 반전 입력(16; 26)은 입력 단자(2)에 접속되고, 상기 제 1 및 제 2 트랜스콘덕터(12, 22)의 출력 (18; 28)은 상기 출력 단자(10)에 접속되며, 상기 제 1 트랜스콘덕터(12)의 비반전 입력(14)은 기준 전위점(6)에 접속되고, 상기 제 2 트랜스콘덕터(22)의 비반전 입력(24)은 상기 출력 단자(10)에 접속된다.

Description

적응 출력 임피던스를 구비한 라인 구동기
본 발명은 라인 구동기(드라이버)에 관한 것이다. 라인 구동기(line driver)는 전송 라인(선로)의 특성 임피던스에 정합된 출력 임피던스를 갖도록 설계된 전자적 버퍼 증폭기이다. 전송 라인은 전기 신호를 전달하기 위해 광범위하게 사용된다. 전송 라인의 소스 및 부하 임피던스는 반사를 최소화하기 위해서는 전송 라인의 특성 임피던스와 동일해야 만 한다. 비디오 어플리케이션을 위한 임피던스의 표준값은 75 오옴이다. 반사를 최소화하기 위해서는 75 오옴 전송라인을 구동하도록 설계된 버퍼 증폭기는 75 오옴의 출력 임피던스를 가져야 한다. 버퍼는 75 오옴의 부하 임피던스, 즉, 종단 전송 라인의 임피던스를 본다.
상기와 같은 버퍼를 구현하기 위한 간단한 점근은 전송 라인의 특성 임피던스와 등일한 값을 가진 직렬 저항을 저임피던스 출력단에 제공하는 것이다. 이러한 접근은 몇가지 단점이 있다. 첫째, 직렬 저항의 저항값은 허용오차, 특히 버퍼가 반도체 칩상에 집적되어 임피던스 부정합이 발생되는 프로세스 변동(process variation)이 있게 된다는 것이고, 둘째, 출력단의 임피던스는 더 이상 낮지 않으며 버퍼의 출력 임피던스는 고주파수에서 증대하고, 전송 라인 반사의 영향은 이러한 고주파에서 최대로 반영된다는 것이고, 세째, 직렬 저항 양단간 전압 강하는 낮은 공급 전압이 응용되는 분야에서는 바람직하지 않은 손실로서 고려되어야만 한다는 것이다. 이러한 전압 강하는 버퍼의 출력 전압과 같으며, 비디오 신호에 대해 통상 1V 이다.
미국 특허 제 5,121,080 호는 비반전 입력 및 반전 입력 사이의 전압차에 따라서 전류를 공급하는 비반전 및 반전 입력과 제 1 및 제 2 전류 출력을 가진 연산 상호 콘덕턴스 증폭기(operational transconductance amplifier : OTA)를 포함하는 라인 구동기를 개시하고 있다. 제 1 전류 출력은 반전 입력에 접속되며, 라인 구동기의 출력을 형성하는 제 2 전류 출력은 피드백 콘덕턴스를 통해 반전 입력에 접속된다. 입력 콘덕턴스가 반전 입력에서 접지로 연결되며, 입력 신호는 비반전 입력에 접속된다. 제 1 및 제 2 전류 출력에 의해서 공급되는 전류는 소정비율로 서로 비례한다. 이러한 소정 비율과, 피드백 및 입력 콘덕턴스를 적절히 선택함으로써 소정 부하 임피던스에서 라인 구동기의 전체 이득과 소망 출력 임피던스가 성취된다. 이러한 공지의 라인 구동기는 직렬 저항의 전압 증폭 손실없이 규정 출력 임피던스를 가진 라인 구동기이다. 그러나, 이러한 공지의 라인 구동기의 출력 임피던스는 선택된 출력 전류비의 변동과, 선택된 입력 및 피드백 상호 콘덕턴스 값의 변동에 종속한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 상기 변동에 둔감한 출력 임피던스를 가지며 전압 손실이 없는 라인 구동기를 제공하는 것이다. 본 발명에 따르면,
- 입력 신호를 수신하는 입력 단자와,
- 부하를 연결하기 위한 출력 단자와,
- 실제적으로 동일한 상호 콘덕턴스를 가진 제 1 및 제 2 상호 콘덕턴스 제어형 트랜스콘덕터와,
- 비반전 입력, 반전 입력 및 출력을 가진 증폭기를 구비한 라인 구동기가 제공되며,
상호 콘덕턴스는 공통 제어 입력에 인가된 제어 신호에 의하여 제어 가능하며, 트랜스콘덕터는 비반전 입력과, 반전 입력과 출력을 구비하며, 제 1 트랜스콘덕터의 하나의 입력과 제 2 트랜스콘덕터의 대응 입력은 입력 단자에 접속되고, 제 1 및 제 2 트랜스콘덕터의 출력은 출력 단자에 접속되며, 제 1 트랜스콘덕터의 다른 입력은 기준 전위점에 접속되고, 제 2 트랜스콘덕터의 다른 입력은 출력 단자에 접속되고,
상기 증폭기의 하나의 입력은 입력 단자에 접속되며, 증폭기의 다른 입력은 출력 단자에 접속되고, 증폭기의 출력은 공통 제어 입력에 결합되어 제어신호를 공급한다.
본 발명에 따른 라인 구동기는 그의 출력 임피던스를 부하의 임피던스에 자동 적응시켜 대부분의 프로세스 변동을 없앤다. 게다가. 라인 구등기의 아키텍쳐는 어느 전압 손실을 발생하지 않도록 구성되어 있다.
이후, 본 발명의 보다 상세한 설명을 위해 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
제 1 도는 본 발명에 따른 라인 구동기의 제 1 실시예의 블럭도를 도시한다.
제 2 도는 본 발명에 따른 라인 구동기의 제 2 실시예의 블록도를 도시한다.
제 3 도는 제 2 도의 제 2 실시예의 회로도를 도시한다.
도면에 있어서 대응 요소는 동일한 참조부호를 가진다.
제 1 도는 본 발명에 따른 적응형 라인 구동기의 기본 원리를 도시한다. 라인 구동기는 기준 전위점(6)에 대해서 입력 전압원(4)으로부터 입력 전압 Vin을 수신하기 위한 입력 단자(2)를 가지고 있으며, 기준 전위점은 신호 접지에 연결된다. 부하(8)는 출력 단자(10)와 접지에 접속된 특성 임피던스 RL을 가진 종단 전송 라인을 나타낸다. 출력 단자(10)에서 출력 전압 및 출력 전류는 Vout및 Iout이다. 라인 구동기는 비반전 입력(14), 반전 입력(16) 및 출력(18)을 가진 제1 트랜스 콘덕턴스 제어형 트랜스콘덕터(12)와, 비반전 입력(24), 반전 입력(12) 및 출력(28)을 가진 제 2 트랜스콘덕턴스 제어형 트랜스콘덕터(22)를 더 구비하고 있다. 제 1 트랜스콘덕터(12)와 제 2 트랜스콘덕터(22)의 상호 콘덕턴스 gm은 실제적으로 동일하며 공통 제어 입력(20)에서 제어 신호에 의해서 제어된다.
제 1 및 제 2 트랜스콘덕터(12, 22)의 비반전 입력(14, 24)은 입력 단자(2)에 결합되어 입력 전압 Vin을 수신한다. 제 1 및 제 2 트랜스콘덕터(12, 22)의 출력(18, 28)은 출력 단자(10)에 연결된다. 제 1 트랜스콘덕터(12)의 반전 입력(16)은 접지에 연결되고, 제 2 트랜스콘덕터(22)의 반전 입력(26)은 출력 단자(10)에 연결된다. 입력 단자(2)에서 출력 단자(10)로의 전압 전달은 비반전 상태로 이루어진다. 또한, 입력 단자에 연결된 비반전 입력(34)을 가진 증폭기(32)와, 출력 단자(10)에 연결된 반전 입력(36)과, 제 1 및 제 2 트랜스콘덕터(12, 22)의 제어 입력(20)에 연결된 출력(38)을 가진 증폭기(32)가 제공된다. 제어 입력(20)에서 제어 신호가 증가하면 제 1 및 제 2 트랜스콘덕터(12, 22)의 상호 콘덕턴스 gm 을 증가시킨다고 판단할 수 있다. 상호 콘덕턴스가 증가하지 않으면, 증폭기(32)의 비반전 입력(34)과 반전 입력(36)은 교체되어야 한다.
우선, 회로가 증폭기(32)를 구비하고 있지 않은 경우를 생각해 보기로 한다. 이 증폭기의 영향은 나중에 설명하기로 한다. 트랜스콘덕터(12, 22)는 집적 회로로 손쉽게 달성될 수 있는 동일한 상호 콘덕턴스 gm 를 가지고 있다. 이 상호 콘덕턴스는 제어 입력(20)에서 제어 신호에 의해서 전자적으로 가변 가능하다. Vim에서 Vout으로의 전압 전달은 다음과 같다.
라인 구동기의 출력 임피던스 Rout은 다음과 같다.
식(2)로부터 라인 구동기의 출력 임피던스 Rout은 전자적으로 가변 될 수 있는 상호 콘덕턴스 gm 에 의해서 결정됨을 알 수 있다. gm 은 출력 임피던스 Rout가 부하(8)의 임피던스 RL와 동일하도록 동조된다. 최적의 임피던스 정합을 위한 최적의 상호 콘덕턴스 gmopt는 다음과 같다.
식(1)과 (3)을 결합하면 Vout은 Vin과 같게 된다. 이때 라인 구동기의 전압 이득은 1 이다. 이것은 gm 을 gmopt로 동조하는데 이용된다.
이제, 증폭기(32)를 고려하기로 한다. 증폭기(32)는 비반전 입력(34)과 반전 입력(36) 사이의 전압차가 가상적으로 0 이 되도록 제 1 및 제 2 트랜스콘덕터(12, 22)의 상호 콘덕턴스를 제어하면 Vout은 Vin과 같게 되고 이에 따라 gm 은 gmopt와 같게 된다. 이 경우, 상호 콘덕턴스 gm 은 저주파수에 대해 gmopt에만 동조된다. 고주파수에 대해, 제어 루프는 동작하지 않으나 식(2)는 유효하며 트랜스콘덕터의 대역폭이 허용하는 한 정확한 출력 임피던스가 유지된다.
Vin이 Vout과 동일하는 한, 라인 구동기에서 전압 손실은 없으며, 제 2 트랜스콘덕터(22)의 차동 입력 전압은 0 이다. 이때 제 2 트랜스콘덕터(22)는 어느 출력 전류를 발생할 필요가 없으며, 단지 영입력 전력(quiescent power)만을 소모한다.
트랜스콘덕터에서 전력을 절감하기 위해 제 1 및 제 2 트랜스콘덕터(12, 22)의 출력 전류는 제 2 도에 도시한 바와 같이 전류 미러에 의해서 증배될 수 있다. 여기서, 출력 단자(10)는 전류 미러(42)의 전류 출력 단자(40)에 접속된다. 전류 미러(42)의 전류 입력 단자(44)는 트랜스큰덕터(12, 22)의 출력(18, 28)에 접속된다. 전류 미러(42)는 증폭기(32)의 출력(38)에 접속된 공통 제어 입력(20)에서의 제어 신호에 의해 제어되는 전류 이득 k 를 가진다. 증폭기(32)의 비반전 입력(34)과 반전 입력(36)은 제어 입력(20)에서 제어 신호가 증가하여 전류 이득 k 를 감소한다면 교체되어야 한다. 전류 미러(42)에 의해서 공통 출력(18, 28)에서 출력 단자(10)로의 전류 전달의 위상 반전이 초래된다. 이 때문에 트랜스콘덕터(22, 12)의 비반전 입력(14, 24)과 반전 입력(16, 26)은 또한 입력 단자(2)에서 출력 단자(10)로의 비반전 전압 전달을 유지하기 위해 교체되어야 한다.
트랜스콘덕터(12, 22)는 전류 미러(42)의 제어 가능 계수 k 에 의해 증배되는 동일한 고정 상호 콘덕턴스 gm 을 가진다. 전반적인 효과는 제 1 도의 라인 구등기에서 설명한 것과 동일하다. 대안으로 트랜스콘덕터(12, 22)는 제 1 도에 도시한 바와 같이 증폭기(32)의 출력(38)에 접속되는 공통 제어 입력을 가질 수 있다.
상호 콘덕턴스 제어형 트랜스콘덕터(12, 22)와 증폭기(32)는 공지의 소자이며 시판되고 있다. 본 발명이 의도하고 있는 응용 분야에서 어느 트랜스콘덕터 또는 연산 상호 콘덕턴스 증폭기(OTA)와, 어느 차등 증폭기의 사용이 적합하다. 제 3 도는 전류 미러의 예를 도시한다. 전류 미러(42)의 출력 분기(브랜치)는 전류 출력 단자(40)와 포지티브 전원 공급 단자(54) 사이에서 PMOS 트랜지스터(50)와 저항(52)의 직렬 배열로 형성된다. 트랜지스터(50)의 드레인은 전류 출력 단자(40)에 접속되며, 소스는 저항(52)을 통해 포지티브 전원 공급 단자(54)에 연결된다. 입력 분기는 저항(56)과 PMOS 트랜지스터(58)의 병렬 배일로 형성되며, 병렬 배열은 전류 입력 단자(44)와 포지티브 전원 공급 단자(54) 사이에 접속된다. 트랜지스터(58)의 게이트는 PMOS 트랜지스터의 저항을 제어하도록 제어 입력(20)에 결합된다. 비교기(60)는 병렬 저항(56, 58) 양단간 전압 강하와 저항(52) 양단간 전압 강하를 비교하여 전압 강하를 등화(이퀄라이징)하도록 트랜지스터(50)의 게이트를 구동한다. 트랜지스터(58)의 저항을 바꿈으로써, 전류 입력 단자(44)에서의 전류와 전류 출력 단자(40)에서의 전류 사이의 비율 k 가 가변된다.
본 발명에 따른 라인 구동기는 컴퓨터 시스템, 비디오, 버퍼, 오디오 라인 구동기, 전화 통신망등을 위한 근거리 지역 통신망(LAN)에서 채용될 수 있다.

Claims (2)

  1. 라인 구동기에 있어서,
    - 입력 신호를 수신하는 입력 단자(2)와,
    - 부하(8)를 연결하기 위한 출력 단자(10)와,
    - 실제적으로 동일한 상호 콘덕턴스를 가진 제 1 및 제 2 상호 콘덕턴스 제어형 트랜스콘덕터(12, 22)와,
    - 비반전 입력(34), 반전 입력(36) 및 출력(38)을 가진 증폭기(32)를 구비하며,
    상호 콘덕턴스는 공통 제어 입력(20)에 인가된 제어 신호에 의하여 제어 가능하며, 상기 트랜스콘덕터 각각은 비반전 입력(14; 24)과, 반전 입력(16; 26)과 출력(18; 28)을 구비하며, 상기 제 1 트랜스콘덕터(12)의 한 입력(16)과 상기 제 2 트랜스콘덕터(22)의 대응 입력(26)은 입력 단자(2)에 접속되고, 상기 제 1 및 제 2 트랜스콘덕터(12, 22)의 출력(18; 28)은 상기 출력 단자(10)에 접속되며, 상기 제 1 트랜스콘덕터(12)의 다른 입력(14)은 기준 전위점(6)에 접속되고, 상기 제 2 트랜스콘덕터(22)의 다른 입력(24)은 상기 출력 단자(10)에 접속되며,
    상기 증폭기(32)의 입력(34; 36)증 한 입력(34)은 입력 단자(2)에 접속되며, 상기 증폭기(32)의 다른 입력(36)은 출력 단자(10)에 접속되고, 상기 증폭기(32)의 출력(38)은 제어신호를 공급하는 공통 제어 입력(20)에 결합되는 라인 구동기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 트랜스콘덕터(12, 22)의 출력(18; 28)에 접속된 전류 입력 단자(44)와 상기 출력 단자(10)에 접속된 전류 출력 단자(40)를 가진 전류 미러(42)를 더 구비하며, 상기 전류 미러(42)의 전류 출력 단자(40)와 전류 입력 단자(44) 사이의 전류 이득은 공통 제어 입력(20)에서의 제어 신호에 따라 제어 가능한 것을 특징으로 하는 라인 구동기.
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