KR100319009B1 - 데시벨 선형 출력 전압을 갖는 증폭단 - Google Patents

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Abstract

진폭을 조절하기 위한 증배기의 사용은 공지되어 있다. 출력 신호는 제어 신호에 따라 선형으로 조절된다. 본 발명의 목적은 dB 선형 방식으로 제어되는 증배 증폭기를 설계하는 것이다. 이를 위해, 그 수치 분배 계수로 인해 출력 전압이 그 제어 전압에 dB-선형적으로 의존하는 트랜지스터들이 증배기(2)의 입력에 접속된다. 본 발명은 DAB 텔레비젼용 IF 증폭기의 진폭 조절에 특히 적합하다.

Description

데시벨 선형 출력 전압을 갖는 증폭단
이득 제어에 있어서 증배기의 사용은 공지되어 있다. 증배기의 한 입력에는 제어 신호가 인가되고 증배기의 제 2 입력에는 입력 신호가 인가된다. 출력에서는 출력 신호가 제공된다.
공지된 이득 제어의 경우, 출력 신호는 제어 신호에 대해 선형으로 출력된다. 1 볼트의 입력 신호와 0 볼트와 10 볼트 사이의 제어 신호가 제공될 경우 0 과 100 사이의 계수를 갖는 선형 이득 특성을 실현하는 것이 가능하다. 즉, 100 의 이득 계수는 10 볼트의 제어 신호에 대해 발생되고, 5 볼트의 제어 신호에 대해서는 이득 계수가 50 이 된다. 이득 계수를 dB(데시벨)로 표현하면, 100 의 이득 계수는 40dB 값에 대응하고 50 의 이득 계수는 34dB 값에 대응한다. 선형 증폭기는 그 출력 신호의 변화가 하위 제어 범위(lower control range)에서 큰 영향을 주지만, 상위 제어 범위에서는 제어 변수의 변화가 출력 신호에 큰 영향을 주지 않으므로 dB 선형성을 위해서는 부적합하다.
IF 범위에서 이득 계수는 1 과 1000 사이에 존재한다. 이들 이득 계수는 제어 전압에 대해 일정하게 분포되어야 하고 따라서 출력 전압과 제어 신호간의 dB(데시벨) 선형성이 추구되어야 한다.
본 발명의 목적은 dB 선형성을 갖는 제어된 증배 증폭기를 설계하는 것이다. 이 목적은 청구범위 제 1 항에 명기된 본 발명의 특징에 의해 달성된다. 본 발명의양호한 변형은 종속항에 명기된다.
본 발명에 따라, 증배 증폭기의 입력은 구동 목적으로 그들의 상부에 접속된 트랜지스터를 갖는다. 이들 트랜지스터는 칩상의 트랜지스터 면적과 등가가 되어야 한다. 상부(upstream)트랜지스터의 개수 또는 증배기의 각 입력 상부의 트랜지스터 면적이 동일하게 선택될 경우, 증배기는 선형으로 동작한다. 트랜지스터의 개수 또는 입력 상부의 트랜지스터 면적이 다르게 선택될 경우 dB 선형성은 적절한 트랜지스터 분배비 또는 트랜지스터 면적비를 제공함으로써 가능하다.
트랜지스터를 통해 증배기의 입력에 인가되는 전류를 제어함으로써 dB 선형성은 정확하게 설정될 수 있다. 트랜지스터의 적절한 분배비 및 그에 따른 적합한 전류 제어는 직렬 확장(series expansion)에 의해 결정될 수 있다.
한편으로는 제어 전압을 전류로 변환하기 위해, 다른 한편으로는 온도의 영향을 보상하기 위해 제어 유닛이 사용된다. 제어 유닛은 1 의 최소 이득을 보증하는 일정 성분을 갖는다.
1:5 의 트랜지스터 분배비로 최량의 dB 선형성의 제공이 가능하다. 이 회로가 갖는 이점은 저가에서 dB 선형성이 이루어질 수 있다는 것이다.
본 발명은 이하 도면을 참조하여 설명된다.
제 1 도는 본 발명에 따라 구성된 회로의 도시도.
제 2 도는 제 1 도에 따른 회로가 갖는 특성의 도시도.
제 3 도는 본 발명에 따라 구성된 회로의 변형을 도시하는 도시도.
제 4 내지 11 도는 본 발명에 따라 구성된 회로의 변형을 도시하는 도시도.
제 1 도는 dB 선형화된 증폭기를 도시한다. IF 전압 UE 는 트랜지스터 T11, T12 및 저항 RE 로 형성되는 전압/전류 변환기에 의해 전류 IE 로 변환된다. 전류 IE 는 상부의 증배기(2)에 제공된다. 증배기(2)의 입력에는 DC 신호가 존재한다. 출력 전압 VC 는 증배기(2)의 출력에 존재한다. DC U1 은 트랜지스터 T1, T2, T3, T4, T5, T6 의 베이스에 존재한다. DC 신호 U2 는 그 값이 전류 Ia, Ib 에 따라 변한다. 제어 유닛(3)은 제어 전압 VAGC 를 전류 Ia 및 Ib 로 변환한다. 전류 Ia 는 제어 유닛(3)에 의존하여 트랜지스터 T1 로 제공된다. 전류 Ib 는 제어 유닛(3)에 의존하여 트랜지스터 T2, T3, T4, T5, T6 에 제공된다. 전류 Ia, Ib 는 제어 전압 VAGC 에 따라 제어 유닛(3)에 의해 제어된다. 전류 Ia 와 Ib 는 상보적이다. 즉, 한 전류가 증가할때 다른 전류는 감소한다. 제어 유닛(3)은 일정 성분 Iconst 를 가지며, 이것에 의해 1 의 최소 이득이 산출된다. DC 신호 U2 는 전류 Ia, Ib 에 의존하며 전류 IE 가 스위치되어 전류 I1 또는 전류 I2 를 초래하도록 증배기를 구동한다. Ia 대 Ib 는 I1 대 I2 와 같다. 전류 I1 는 저항 RC 양단에서 전압 강하를 초래하며 전압 VC 를 통해 증폭된 신호를 공급한다. 전류 I2 는 저항 RC 양단에서 전압 강하를 초래하지 않으며 전압 VC 를 통해 증폭된 신호를 감소시킨다. 이런 식으로, 신호 분포는 IF 전압 UE 및 제어 전압 VAGC 에 따른 출력 전압 VC 의 dB 선형성이 가능하도록 제어된다.
이하, 증배기(2)의 입력에 대한 동일 형태의 트랜지스터의 분배비 NT 의 효과를 설명한다. 베이스와 에미터간의 전압 강하는 트랜지스터 T1 내지 T6 에 대한 전류 분포를 제어한다. 동일 분포비일 경우, 모든 전류는 동일하게 분배된다. 즉,Ia 대 Ib 는 I1 대 I2 와 같다. 이것은, 이 경우 1:1 의 분배비를 갖는 전류의 고주파 분배를 제어한다. 다르게 선택된 분배비, 예컨대 1:5 를 제공하면 병렬 배열된 5 개의 트랜지스터의 각 트랜지스터를 통해 전류 Ib 의 일부의 전류가 흐르고, 전압 강하는 특정 규정에 따라 감소할 것이다.
이 규칙은 다이오드 특성에 따라 유도되며 식이 제공된다. 여기서 Is 는 다이오드의 역 포화 전류를 나타낸다. 베이스/에미터간 전압은 전류비의 자연 로그 함수에 따라 변한다는 것이 명백하다. 따라서 전압 포화 전류는 트랜지스터 개수에 의존하며 트랜지스터 T2 내지 T6 간에 균일하게 분배된다. 역 포화 전류 Is 는 트랜지스터 T2 내지 T6 으로부터 발생되며, 따라서 베이스/에미터 비는 계수 5 에 의해 감소된다. 선택된 비 1:5 에 대해 전압이 발생된다. 따라서, 이 선택된 비가 로그를 갖는 식에 적응된다. 비 1:5, 즉 T1:T2, T3, T4, T5, T6 은 출력에서 dB 선형성을 보증한다.
제 2 도는 원하는 곡선 형태를 도시한다. 출력 전압 VC[dB] 가 제어 전압 VAGC[V] 에 따라 도시되어 있다. 이 곡선 형태는 선택된 분배비 NT = 1:5 일때의 제어 전압 VAGC 에 대한 dB 선형성을 보증한다.
제 2 도는 원하는 곡선 형태를 도시한다. 출력 전압 VC[dB] 가 제어 전압 VAGC[V]에 따라 도시되어 있다. 이 곡선 형태는 선택된 분배비 NT = 1:5 일때의 제어 전압 VAGC 에 대한 dB 선형 형태를 도시한다. 곡선 형태 b 는 선택된 분배비 NT = 1:3 일때의 거의 곡선인 형태를 도시한다. dB 선형성은 선택된 분배비 NT = 1:5 에서 달성되는 것이 명백하다.
제 3 도는 제 1 도와 비교할때 제어 회로(3)가 구현되는 방법이 다른 변형된 회로를 도시한다. 제어 유닛(3)은, 트랜지스터 T13, T14, T15, T16, T17, T18, 저항 R1, R2, R3, R4, R5, R6, 기준 전압원 Uref 및 정전류원 Iconst 를 포함한다. 제어 유닛(3)은 제어 전압 VAGC 을 전류 Ia 및 Ib 로 변환한다. 상이한 분배비는 상이한 전류에 기인하여 보상될 필요가 있는 온도 반응을 초래한다. 이 회로 장치의 경우, 전류 Ia, Ib 는 이득이 온도에 따라 일정하게 유지되도록 재조절된다.
제 4 도는 평형(balanced) 에미터 면적을 갖는 제어 가능 증폭기를 도시한다. 이 증폭기는 3 개의 결합된 차동 증폭기 n1, n2, nc 를 포함한다. 트랜지스터의 에미터 면적은 상이하다. 중앙의 차동 증폭기 nc 는 에미터 면적 nc * Ae(예컨대 5㎛ * 5㎛)를 갖는데, 여기서 nc 는 정수이고 Ae 는 에미터의 면적 단위이다. 두개의 바깥쪽 차동 증폭기 n1, n2 는 각각 n1 * Ae, n2 * Ae 와 n2 * Ae, n1 * Ae 의 에미터 면적을 갖는다. 차동 증폭기의 제어 전류는 Ia, Ib 및 Ic 이다. 제어 전류 Ic1 은 다음과 같이 표현된다.
전압 이득 Av = va/ve 는로 표현된다.
도함수는 이득의 선형성의 척도이다. 따라서 이득 Av는 변조(modulation)에 의존한다. Ia = Ib 라면,
단, is = ib = io
선형 증폭기 설계의 목적은 전압 이득 Av = 일정인 가장 가능성이 큰 변조 x를 달성하는 것이다. 이제 수학적 최적화 방법을 사용하여, Ia, Ib, Ic, n1, n2 및 nc 는 이것이 달성되도록 결정될 수 있다.
제 5 도는 중간 차동 증폭기 nc 만을 포함하는 증폭기에 대한 전압 이득 Av(x)의 형태를 나타내는 곡선을 도시한다. 곡선 b 는 두개의 바깥쪽 증폭기 n1 만을 포함하는 증폭기를 나타낸다. 곡선 c 는 3 개의 차동증폭기 n1, n2, nc 를 모두 포함하는 증폭기를 나타낸다. 곡선 2c 에 따른 해석은 전 변조범위에서 명백히 향상된 선형성을 나타낸다. 표 1 에는 1% 의 허용 향상에 대한 변조 한계가, 다른 형태의 곡선 a, b 및 c 에 대해 열거되어 있다.
표 1:
새로운 해석인 곡선 c 는 공지된 해석인 곡선 a 및 b에 비해 거의 2 배의 변조 범위를 나타낸다.
제 6 도는 제어 전류가 VT 발생기의 도움으로 온도에 비례하여 증가할때 온도 의존적 이득을 갖는 회로를 도시한다.
제 7 도는 또다른 예시적 실시예이다. 이 증폭기는, 연쇄적으로 접속되어 모놀리식으로(monolithically) 집적된 4개의 증폭기를 포함한다. 왜곡 계수 k ≤ 1% 에 대한 최대 허용 입력 전압 Vin 은 60 mVpp 이다. 그 이득은 0 dB 에서 60 dB 까지 변할 수 있다. 이 증폭기에 관한 잡음 전압 레벨은 5nV/v 이다. 증폭기의 대역폭은 120㎒ 보다 크다.
제 8 도는 변조 범위의 증가(multiplication)를 도시한다. 변조 범위는 차동 증폭기의 에미터 라인에 m 개의 다이오드를 삽입함으로써 m 배 증가된다.
제 9 도는 대역폭을 증가시키는 회로를 도시한다. 캐스코드 회로(cascode circuit)에 의해, 기생 콜렉터/기판 캐패시턴스 Cs 가 무효화될 수 있고 따라서 대역폭이 증가될 수 있다.
제 10 도는 입력 전압에 의존하는 이득을 도시한다.
사실상 임의의 원하는 형태인 이득 곡선이 차동 증폭기 n1, n2, nc, ia, ib 및 ic 의 적절한 선택에 의해 달성될 수 있다. 콜렉터 라인을 교차시킴으로써 또다른 변형이 발생된다.
제 11 도는 다른 차동 증폭기(10)를 도시한다. 증폭기가 선형이 되는 변조 범위는 다른 차동증폭기(10)를 첨가함으로써 확장될 수 있다.

Claims (8)

  1. 제어 전압(VAGC)에 대해 dB 선형인 출력 전압을 가지며 제어 전압(VAGC)에 의해 제어되는 증배기를 갖는 증폭단에 있어서,
    상기 증배기(2)의 입력에는 트랜지스터들(T1, T2, T3, T4, T5, T6)이 접속되고, 이들 트랜지스터는 그 두 입력간의 수치 분배비(NT)에 의해, 제어 전압(VAGC)에 대한 출력 전압(VC)의 dB 선형 의존성을 달성하는 것을 특징으로 하는 증폭단.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제어 전압(VAGC)을 전류(Ia, Ib)로 변환하는 제어 유닛(3)이 제공되는 것을 특징으로 하는 증폭단.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(3)은 이득이 온도에 따라 일정하게 유지되도록 전류(Ia, Ib)를 재조절하는 것을 특징으로 하는 증폭단.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분배비는 예컨대 1:5 의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 증폭단.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜지스터들은 단일 칩상의 대응하는 트랜지스터 면적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 증폭단.
  6. 제 1 항에 있어서,
    일정 전압 이득(Av)이 제공될때, 차동 증폭기(nc)들을 결합함으로써 변조 범위의 증가가 달성되는 것을 특징으로 하는 증폭단.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 변조 범위는 상기 차동 증폭기들의 에미터 라인에 m 개의 다이오드를 삽입함으로써 m 배로 증가되는 것을 특징으로 하는 증폭단.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 대역폭은 캐스코드 회로에 의해 증가되는 것을 특징으로 하는 증폭단.
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