KR100460794B1 - 클락신호에 의하여 제어되는 공통 모드 궤환 회로 - Google Patents

클락신호에 의하여 제어되는 공통 모드 궤환 회로 Download PDF

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KR100460794B1
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Abstract

클락신호에 의하여 제어되는 공통 모드 궤환 회로가 게시된다. 본 발명의 공통 모드 궤환 회로는 양극출력신호의 전압과 음극출력신호의 전압을 평균하여, 평균전압을 가지는 공통모드신호를 제공하는 평균전압 발생부; 동작기준신호에 응답하여, 양극출력신호 및 음극출력신호를 공통모드신호와 각각 전기적으로 연결시키는 양극 및 음극 스위치; 및 공통모드신호의 전압을 기준전압과 비교하여, 궁극적으로 피드백 신호를 발생시키는 비교신호를 제공하는 비교부를 구비한다. 본 발명의 공통 모드 궤환 회로는 양극출력신호와 음극출력신호의 평균전압을 기준전압에 용이하게 일치시킬 수 있으며, 그 동작범위가 넓고, 소요되는 레이아웃 면적이 작다.

Description

클락신호에 의하여 제어되는 공통 모드 궤환 회로{COMMON MODE FEEDBACK CIRCUIT CONTROLLED BY CLOCK SIGNAL}
본 발명은 전자회로에 관한 것으로서, 특히 연산증폭기(operational amplifier) 등의 공통모드신호의 전압을 일정하게 제어하기 위하여, 상기 연산증폭기 등으로 피드백되는 신호를 제공하는 공통 모드 궤환 회로(common mode feedback circuit)에 관한 것이다.
연산증폭기는 양극입력신호와 음극입력신호를 수신하고, 상기 양극입력신호와 음극입력신호의 전압 차이를 이득만큼 증폭하여 양극출력신호와 음극출력신호를 제공하는 회로이다. 그리고, 전원으로부터 발생하는 잡음 등의 영향을 최소화하기 위하여, 완전 차동 형태의 연산증폭기가 널리 사용된다. 그러나, 완전 차동 형태의 연산증폭기에서는, 동작점 상태에서 내부 노드의 바이어스 전압이 불안정하게 되어, 상기 양극출력신호와 음극출력신호의 평균전압이 설정된 기준전압으로부터 벗어나게 되는 경우가 발생된다. 공통 모드 궤환 회로는, 이러한 연산증폭기의 문제점을 방지하기 위한 것으로, 양극출력신호와 음극출력신호의 평균전압을 기준전압에 일치시키도록 제어하는 피드백 신호를 연산증폭기에 제공한다.
도 1은 종래의 공통 모드 궤환 회로를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시되는 종래의 공통 모드 궤환 회로는, 동일한 이득을 가지는 2개의 차동 증폭기(11, 13)를 이용한다. 왼쪽과 오른쪽의 차동 증폭기(11, 13)는 연산증폭기(미도시)로부터 제공되는 음극출력신호(OUTL)와 양극출력신호(OUTH)의 전압을 각각 기준전압(VREF)과 비교 증폭한다. 그리고, 왼쪽과 오른쪽의 비교증폭기(11, 13)에 의하여 비교 증폭된 출력신호는 서로 결합되어, 피드백 신호(CMFB)로서 연산증폭기에 제공된다.
그런데, 도 1에 도시되는 종래의 공통 모드 궤환 회로에서는, 차동 증폭기(11, 13)의 출력신호의 전압이 음극출력신호(OUTL) 및 양극출력신호(OUTH)의 전압에 대하여 선형성(linearity)를 가지지 못하므로, 음극출력신호(OUTL)와 양극출력신호(OUTH)의 전압이 기준전압(VREF)에 대하여 선형성을 가지지 못한다. 그러므로, 도 1의 공통 모드 궤환 회로는 음극출력신호(OUTL)와 양극출력신호(OUTH)의 평균전압을 상기 기준전압(VCML)에 일치시키도록 제어함에 있어서, 상당한 어려움이 발생한다.
도 2는 다른 종래의 공통 모드 궤환 회로를 나타내는 도면이다. 도 2의 종래의 공통 모드 궤환 회로는, 모스 트랜지스터(M21, M22)에 의하여 각각 문턱전압만큼 강하된 음극출력신호(OUTL)와 양극출력신호(OUTH)의 전압을 동일한 크기의 저항(R1, R2)과 동일한 크기의 커패시터(C1, C2)를 이용하여 평균한다. 그리고, 상기 평균전압을 가지는 공통모드신호(VCM)의 전압은 비교기(21)에서 기준전압(VREF)이 모스 트랜지스터(M23)의 문턱 전압 만큼 강하된 전압(VDR)과 비교된다. 그리고, 상기 비교기(21)의 출력신호는 상기 피드백 신호(CMFB)로서 연산증폭기에 제공된다.
그런데, 도 2의 종래의 공통 모드 궤환 회로에서는, 트랜지스터들(M21, M22, M23)에 의하여 발생되는 전압 강하로 인하여, 상기 비교증폭기(21)의 동작 범위가 좁아지는 단점을 지닌다. 또한, 도 2에 도시된 종래의 공통 모드 궤환 회로는 저항(R1, R2)으로 인하여, 레이아웃 면적이 커지는 단점도 지닌다.
따라서, 본 발명의 목적은 양극출력신호와 음극출력신호의 평균전압을 기준전압에 일치시키는 것이 용이하면서도, 동작범위가 넓고, 레이아웃 면적이 작은 공통 모드 궤환 회로를 제공하는 데 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여, 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 종래의 공통 모드 궤환 회로를 나타내는 도면이다.
도 2는 다른 종래의 공통 모드 궤환 회로를 나타내는 도면이다.
도 3은 연산증폭기와 본 발명의 일실시예에 따른 공통 모드 궤환 회로를 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 연산증폭기의 나타내는 회로도이다.
도 5는 도 3의 공통 모드 궤환 회로를 나타내는 회로도이다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 공통 모드 궤환 회로에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예에 따른 공통 모드 궤환 회로는 소정의 동작기준신호에 의하여 제어되며, 소정의 연산증폭기로부터 제공되는 양극출력신호의 전압과 음극출력신호의 전압의 평균전압을 소정의 기준전압과 비교하여, 상기 평균전압을 상기 기준전압과 일치시키기 위한 피드백 신호를 제공한다. 본 발명의 공통 모드 궤환 회로는 상기 양극출력신호의 전압과 상기 음극출력신호의 전압을 평균하여, 상기 평균전압을 가지는 공통모드신호를 제공하는 평균전압 발생부; 상기 동작기준신호에 응답하여, 상기 양극출력신호를 상기 공통모드신호와 전기적으로 연결시키는 양극 스위치; 상기 동작기준신호에 응답하여, 상기 음극출력신호를 상기 공통모드신호와 전기적으로 연결시키는 음극 스위치; 및 상기 공통모드신호의 전압을 상기 기준전압과 비교하여, 궁극적으로 상기 피드백 신호를 발생시키는 비교신호를 제공하는 비교부를 구비한다. 그리고, 상기 평균전압 발생부는 상기 양극출력신호와 상기 공통모드신호를 커플링시키는 양극 커플링 수단; 및 상기 음극출력신호와 상기 공통모드신호를 커플링시키며, 상기 양극 커플링 수단과 동일한 축전 용량을 가지는 음극 커플링 수단을 구비한다.
바람직하기로는, 상기 공통 모드 궤환 회로는 상기 공통모드신호와 상기 피드백 신호를 커플링시키는 피드백 커플링 수단을 더 구비한다.
더욱 바람직하기로는, 상기 공통 모드 궤환 회로는 상기 동작기준신호에 응답하여, 상기 비교신호와 상기 피드백신호를 전기적으로 연결시키는 피드백 스위치를 더 구비한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 잇점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 대하여, 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
도 3은 연산증폭기와 본 발명의 일실시예에 따른 공통 모드 궤환 회로를 기능을 설명하기 위한 도면이다. 연산증폭기(400)는 수신되는 양극입력신호(INH)와 음극입력신호(INL)의 전압 차이를 이득만큼 증폭하여 양극출력신호(OUTH)와 음극출력신호(OUTL)를 제공한다. 그리고, 공통 모드 궤환 회로(500)으로부터 제공되는 피드백 신호(CMFB)에 의하여, 상기 양극출력신호(OUTH)와 음극출력신호(OUTL)의 평균 전압이 제어된다.
상기 공통 모드 궤환 회로(500)는 상기 연산 증폭기(400)로부터 제공되는 양극출력전압(OUTH)와 음극출력신호(OUTL)의 평균 전압을 소정의 기준전압(VREF)와 비교하여, 상기 평균전압이 상기 기준전압(VREF)와 일치시키도록 제어하는 상기 피드백 신호(CMFB)를 상기 연산증폭기(400)에 제공한다. 그리고, 상기 공통 모드 궤환 회로(500)는 외부로부터 제공되는 클락신호(미도시)에 동기되는 내부 클락 신호(ICLK)에 의하여 동작이 제어된다. 즉, 본 실시예에서의 상기 내부 클락 신호(ICLK)는 소정의 동작기준신호로서 작용한다.
도 4는 도 3의 연산증폭기(400)의 나타내는 회로도이다. 도 4에 도시되는 연산증폭기(400)는 앤모스 트랜지스터들(M401, M402, M403)로 이루어진 앤모스 차동증폭부(410)와 피모스 트랜지스터들(M404, M405, M406)로 이루어진 피모스 차동증폭부(420)가 각각 캐스코드부(430, 440)에 전류를 반영하는 레일-투-레일 폴디드 캐스코드 형태의 연산증폭기(Rail-to-Rail folded-cascode operational amplifier)이다. 도 4에 도시되는 참조부호들(VBN0, VBN1, VBP0, VBP1, VBP2)은 각각 소정의 바이어스 전압들을 나타낸다. 도 4의 연산증폭기(400)에서, 상기 연산증폭기(400)의 출력신호들인 양극출력신호(OUTH)와 음극출력신호(OUTL)의 평균전압은 앤모스 트랜지스터들(M407, M408)을 게이팅하는 피드백 신호(CMFB)에 의하여 제어된다.
도 4의 연산 증폭기에서는, 상기 피드백 신호(CMFB)의 전압이 상승하면, 상기 양극출력신호(OUTH)와 음극출력신호(OUTL)의 평균전압은 하강한다. 반대로, 상기 피드백 신호(CMFB)의 전압이 하강하면, 상기 양극출력신호(OUTH)와 음극출력신호(OUTL)의 평균전압은 상승한다.
도 5는 도 3의 공통 모드 궤환 회로를 나타내는 회로도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 공통 모드 궤환 회로(500)는 평균전압 발생부(510), 양극 스위치(520), 음극 스위치(530) 및 비교부(540)를 포함한다. 상기 평균전압 발생부(510)는 양극출력신호(OUTH)와 음극출력신호(OUTL)를 수신하여, 공통모드신호(VCM)를 발생한다. 상기 공통모드신호(VCM)은 양극출력신호(OUTH)의 전압과 음극출력신호(OUTL)의 전압의 평균전압을 가진다.
바람직하기로는, 상기 평균전압 발생부(510)는 양극 커플링 수단(511)과 음극 커플링 수단(513)을 포함한다. 상기 양극 커플링 수단(511)은 상기 양극출력신호(OUTH)와 상기 공통모드신호(VCM)를 커플링시키며, 상기 음극 커플링 수단(513)은 상기 음극출력신호(OUTL)와 상기 공통모드신호(VCM)를 커플링시킨다. 그리고, 상기 양극 커플링 수단(511)과 상기 음극 커플링 수단(513)의 축전 용량은 동일하다. 더욱 바람직하기로는, 상기 양극 커플링 수단(511)은 양단에 상기 양극출력신호(OUTH)와 상기 공통모드신호(VCM)가 인가되는 커패시터이며, 상기 음극 커플링 수단(513)은 양단에 상기 음극출력신호(OUTL)와 상기 공통모드신호(VCM)가 인가되는 커패시터이다.
상기 양극 스위치(520)는 상기 내부 클락 신호(ICLK)에 응답하여, 양극출력신호(OUTH)를 상기 공통모드신호(VCM)와 전기적으로 연결시킨다. 그리고, 상기 음극 스위치(530)는 상기 내부 클락 신호(ICLK)에 응답하여, 음극출력신호(OUTL)를 상기 공통모드신호(VCM)와 전기적으로 연결시킨다. 바람직하기로는, 상기 양극 스위치(520), 음극 스위치(530)는 상기 내부 클락 신호(ICLK)에 의하여 게이팅되는 앤모스 트랜지스터들이다.
상기 비교부(540)는 상기 공통모드신호(VCM)의 전압을 상기 기준전압(VREF)과 비교하여, 비교신호(VMIR)를 발생한다. 바람직하기로는, 상기 비교부(540)는 전류 미러로 구현된다. 상기 비교신호(VMIR)는 궁극적으로 상기 연산증폭기(400)에 피드백되는 피드백 신호(CMFB)를 생성시킨다.
바람직한 실시예의 공통 모드 궤환 회로에서는, 상기 공통모드신호(VCM)와 상기 피드백 신호(CMFB)를 커플링하는 피드백 커플링 수단(550)이 더 구비된다. 바람직하기로는, 상기 피드백 커플링 수단(550)은 양단에 상기 공통모드신호(VCM)와 상기 피드백 신호(CMFB)가 공통모드신호(VCM)가 인가되는 커패시터이다.
더욱 바람직한 실시예의 공통 모드 궤환 회로에서는, 내부클락신호(ICLK)에 응답하여 상기 비교신호(VMIR)와 상기 피드백 신호(CMFB)를 전기적으로 연결시키는 피드백 스위치(560)가 더 구비된다. 바람직하기로는, 상기 피드백 스위치(560)는 상기 내부클락신호(ICLK)에 게이팅되는 앤모스 트랜지스터이다.
다시 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 공통 모드 궤환 회로의 작용효과가 구체적으로 기술된다. 먼저, 내부클락신호(ICLK)가 "하이(high)"인 구간에서, 양극 스위치(520), 음극 스위치(530)가 "턴온"되어, 공통모드신호(VCM)의 전압은 양극출력신호(OUTH) 및 음극출력신호(OUTL)의 전압과 일치된다. 공통모드신호(VCM)의 전압은 상기 비교부(540)에서 상기 기준 전압(VREF)와 비교된다. 예를 들어, 공통모드신호(VCM)의 전압이 상기 기준 전압(VREF)보다 높으면, 상기 비교부(540)의 출력신호인 상기 비교신호(VMIR)의 전압은 상승된다. 이때, 상기 피드백 스위치(560)도 "턴온"되어 있으므로, 상기 피드백 신호(CMFB)의 전압도 상승된다. 이와 같이, 전압이 상승되는 상기 피드백 신호(CMFB)는 도 4의 앤모스 트랜지스터들(M407, M408)의 컨덕턴스를 증가시켜, 궁극적으로 상기 양극출력신호(OUTH) 및 음극출력신호(OUTL)의 전압을 하강시킨다.
반대로, 공통모드신호(VCM)의 전압이 상기 기준 전압(VREF)보다 낮으며, 상기 피드백 신호(CMFB)의 전압도 하강된다. 그리고, 전압이 하강되는 상기 피드백 신호(CMFB)는 도 4의 앤모스 트랜지스터들(M407, M408)의 컨덕턴스를 감소시켜, 궁극적으로 상기 양극출력신호(OUTH) 및 음극출력신호(OUTL)의 전압을 상승시킨다.
이와 같은 방법으로, 상기 양극출력신호(OUTH), 음극출력신호(OUTL) 및 상기공통모드신호(VCM)의 전압은 상기 기준전압(VREF)와 일치된다.
본 발명의 공통 모드 궤환 회로에서는 다음과 같은 부가적인 잇점도 발생한다. 일반적으로 반도체 장치의 타이밍상에서는, 내부클락신호(ICLK)가 "하이"인 구간일 때, 연산증폭기는 프리차아지 구간이다. 즉, 프리차아지 구간에서는, 상기 양극 스위치(520) 및 음극 스위치(530)가 "턴온"됨으로 인하여, 상기 양극출력신호(OUTH) 및 음극출력신호(OUTL)의 전압과 일치된다.
한편, 상기 내부클락신호(ICLK)가 "로우(low)"로 되면, 상기 양극, 음극, 및 피드백 스위치(520, 530, 560)가 "턴오프"된다. 그러면, 상기 공통모드신호(VCM)의 전압은, 동일한 축전 용량을 가지는 양극 커플링 수단(511)과 음극 커플링 수단(513)에 의하여, 상기 양극출력신호(OUTH)와 상기 음극출력신호(OUTL)의 평균전압으로 된다. 만약, 상기 기준전압(VREF)와 일치되었던 상기 공통모드신호(VCM)의 전압이 상승하게 되면, 피드백 커플링 수단(550)에 의하여, 상기 피드백 신호(CMFB)의 전압도 상승된다. 그러면, 도 4의 앤모스 트랜지스터들(M407, M408)의 컨덕턴스가 상승되어, 상기 양극출력신호(OUTH) 및 음극출력신호(OUTL)의 전압은 하강되고, 상기 공통모드신호(VCM)의 전압도 다시 하강한다. 반대로, 상기 공통모드신호(VCM)의 전압이 하강하게 되면, 상기 피드백 신호(CMFB)의 전압도 하강하게 된다. 계속하여, 상기 양극출력신호(OUTH) 및 음극출력신호(OUTL)의 전압은 상승되고, 상기 공통모드신호(VCM)의 전압도 다시 상승한다.
도 5에 도시되는 실시예에서, 커플링 커패시터(550)과 피드백 스위치(560)이 제게되고, 상기 비교신호(VMIR)과 상기 피드백 신호(CMFB)가 동일한 신호로서 구현되는 실시예로도 공통 모드 궤환 회로가 구현될 수 있음은 당업자에게는 자명하므로, 그에 대한 구체적인 기술은 생략된다.
한편, 본 발명의 공통 모드 궤환 회로에 의하면, 커패시터와 모스 트랜지스터를 이용하여 양극출력신호와 음극출력신호의 평균전압을 가지는 공통모드신호의 생성이 가능하다. 따라서, 저항을 사용하는 공통 모드 궤환 회로에 비하여, 소요되는 레이아웃 면적이 작다. 또한, 양극출력신호와 음극출력신호의 전압 자체가 분압되어 공통모드신호로 생성되므로, 양극출력신호의 전압과 음극출력신호의 전압 및 공통모드신호 사이에는 선형성이 확보된다. 따라서, 양극출력신호와 음극출력신호의 평균전압을 기준전압에 일치시키는 것이 용이하고, 공통 모드 궤환 회로의 동작범위가 넓다.
또한, 본 발명의 공통 모드 궤환 회로에 의하면, 내부클락신호에 응답하여 그 동작이 제어되는데, 내부클락신호가 "하이"인 구간과 "로우"인 구간 모두에서 공통모드신호의 전압이 기준전압과 일치되도록 제어된다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예를 들면, 본 명세서에서는, 공통 모드 궤환 회로에서 제공되는 피드백 신호는 공통모스신호의 전압 변화와 동일한 방향으로 변화하는 예가 기술되었다. 그러나, 피드백 신호가 공통모스신호의 전압 변화와 반대 방향으로 변화되며, 상기 피드백 신호는 연산증폭기의 풀업 트랜지스터를 게이팅하는 다른 실시예에 의해서도 본 발명의 기술적 사상이 구현될수 있음은 당업자에게는 자명한 사실이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
상기와 같은 본 발명의 공통 모드 궤환 회로는 양극출력신호와 음극출력신호의 평균전압을 기준전압에 용이하게 일치시킬 수 있으며, 그 동작범위가 넓고, 소요되는 레이아웃 면적이 작다.

Claims (7)

  1. 소정의 동작기준신호에 의하여 제어되는 공통 모드 궤환 회로로서, 소정의 연산증폭기로부터 제공되는 양극출력신호의 전압과 음극출력신호의 전압의 평균전압을 소정의 기준전압과 비교하여, 상기 평균전압을 상기 기준전압과 일치시키기 위한 피드백 신호를 제공하는 상기 공통 모드 궤환 회로에 있어서,
    상기 양극출력신호의 전압과 상기 음극출력신호의 전압을 평균하여, 상기 평균전압을 가지는 공통모드신호를 제공하는 평균전압 발생부;
    상기 동작기준신호에 응답하여, 상기 양극출력신호를 상기 공통모드신호와 전기적으로 연결시키는 양극 스위치;
    상기 동작기준신호에 응답하여, 상기 음극출력신호를 상기 공통모드신호와 전기적으로 연결시키는 음극 스위치; 및
    상기 공통모드신호의 전압을 상기 기준전압과 비교하여, 궁극적으로 상기 피드백 신호를 발생시키는 비교신호를 제공하는 비교부를 구비하며,
    상기 평균전압 발생부는
    상기 양극출력신호와 상기 공통모드신호를 커플링시키는 양극 커플링 수단; 및
    상기 음극출력신호와 상기 공통모드신호를 커플링시키며, 상기 양극 커플링 수단과 동일한 축전 용량을 가지는 음극 커플링 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 공통 모드 궤환 회로.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 공통 모드 궤환 회로는
    상기 공통모드신호와 상기 피드백 신호를 커플링시키는 피드백 커플링 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 공통 모드 궤환 회로.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 공통 모드 궤환 회로는
    상기 동작기준신호에 응답하여, 상기 비교신호와 상기 피드백신호를 전기적으로 연결시키는 피드백 스위치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 공통 모드 궤환 회로.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 양극 스위치, 상기 음극 스위치 및 상기 피드백 스위치 각각은
    상기 동작기준신호에 의하여 게이팅되는 앤모스 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 공통 모드 궤환 회로.
  5. 삭제
  6. 제5 항에 있어서, 상기 커플링 수단들은
    커패시터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 공통 모드 궤환 회로.
  7. 제1 항 내지 제4 항 중의 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 동작기준신호는
    외부로부터 제공되는 클락신호에 동기되는 내부클락신호인 것을 특징으로 하는 공통 모드 궤환 회로.
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