KR100475405B1 - A highly accurate variable gain amplifier with compensations - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가변이득 증폭기에 관한 것으로서, 무선 이동통신 시스템에 적합하게 사용할 수 있도록 외부온도와 전원전압이 변화해도 제어전압에 따른 가변이득 증폭기의 이득이 일정하도록 할 뿐만 아니라 전력이득을 조절하는 제어 전압과 전력이득의 특성곡선이 지수함수적으로 선형적으로 변환되도록 함으로써 넓은 동작영역과 정확한 특성곡선 및 고이득, 작은 잡음 특성, 고효율 및 저전력 특성을 지닐 수 있는 이점이 있다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a variable gain amplifier, wherein the gain of the variable gain amplifier according to the control voltage is constant as well as the control voltage for controlling the power gain even when the external temperature and the power supply voltage change so as to be suitable for use in a wireless mobile communication system. The characteristic curve of overpower gain is exponentially linearly transformed to have a wide operating range, accurate characteristic curve, high gain, small noise characteristic, high efficiency and low power characteristic.
Description
본 발명은 가변이득 증폭기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무선 이동통신 시스템에 적합하게 사용할 수 있도록 외부온도와 전원전압이 변화해도 제어전압에 따른 가변이득 증폭기의 이득이 일정하도록 할 뿐만 아니라 전력이득을 조절하는 제어 전압과 전력이득의 특성곡선이 지수함수적으로 선형적으로 변환되도록 함으로써 넓은 동작영역과 정확한 특성곡선을 지니도록 한 보상회로를 갖는 가변이득 증폭기에 관한 것이다. The present invention relates to a variable gain amplifier, and more particularly, to ensure that the gain of the variable gain amplifier according to the control voltage is constant as well as the power gain even if the external temperature and the power supply voltage change so as to be suitable for use in a wireless mobile communication system. The present invention relates to a variable gain amplifier having a compensation circuit which has a wide operating range and an accurate characteristic curve by allowing a control curve to be controlled and a characteristic curve of power gain to be converted exponentially linearly.
무선 이동통신 시스템 및 다른 여러 무선 통신시스템에서 가변 이득증폭기는 넓은 동작 영역을 가지기 위해서 널리 사용되고 있다. Variable gain amplifiers are widely used in wireless mobile communication systems and many other wireless communication systems to have a wide operating range.
일반적으로 사용되는 가변이득 증폭기는 공통 에미터 증폭기의 병렬로 혹은 직렬로 궤환 경로를 형성하여 FET 소자나 PIN 소자로 구현되는 가변 저항에 의해서 궤환되는 양을 조절하여 증폭기의 이득을 가변하거나, 바이어스를 조절하여 증폭기의 이득을 조절하고 있다. A commonly used variable gain amplifier forms a feedback path in parallel or in series with a common emitter amplifier to adjust the amount of feedback returned by a variable resistor implemented as a FET device or a PIN device to vary the gain of the amplifier or to adjust the bias. Adjust the gain of the amplifier.
이러한 가변이득 증폭기들은 간단한 회로로 구현이 가능하게 되고, 좋은 선형적인 특성을 지니지만, 가변 이득 범위가 작은 값으로 제한되고 피할 수 없는 스탠딩 파워(standing power) 특성을 나타내고 있는 문제점이 있다.These variable gain amplifiers can be implemented in a simple circuit and have good linear characteristics, but have a problem in that the variable gain range is limited to a small value and exhibits an inevitable standing power characteristic.
또한 효과적으로 이득을 조절하기 위해서는 이득이 지수함수 형태를 가져야만 지수함수적으로 선형적인 특성곡선을 가질 수 있으나 위와 같은 구조의 가변이득 증폭기에서는 지수함수적으로 선형적인 특성을 얻기 어려운 문제점이 있다. In addition, in order to effectively control gain, gain may have an exponentially linear characteristic curve only when the gain has an exponential form. However, in the variable gain amplifier having the above structure, it is difficult to obtain an exponentially linear characteristic.
따라서, 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 최근에는 도 1에 도시된 바와 같은 2단 적층구조를 가지는 가변이득 증폭기를 사용하고 있다. Therefore, in order to solve such a problem, recently, a variable gain amplifier having a two-stage stacked structure as shown in FIG. 1 is used.
가변이득 증폭기의 아래 부분에서는 공통 에미터 증폭기로 신호를 증폭시키고 있고, 위로 연결되는 부분에서는 차등증폭기 형태로 각각의 바이어스에 따른 신호의 지나가는 경로를 결정함으로써 이득을 가변시키게 된다. In the lower part of the variable gain amplifier, the signal is amplified by a common emitter amplifier, and in the upper part of the variable gain amplifier, the gain is varied by determining a passing path of the signal according to each bias in the form of a differential amplifier.
이렇게 함으로써 한 단으로 30dB 이상의 가변이득범위를 가지며, 효율적으로 증폭기의 이득을 조절할 수 있다. In this way, it has a variable gain range of 30dB or more in one stage, and can effectively adjust the gain of the amplifier.
이와 같이 바이어스를 조절하는 구조의 가변이득 증폭기에 대해서는 [Riihihuhta, H. et al., “A high dynamic range 100 MHz AGC-amplifier with a linear and temperature compensated gain control”, IEEE ISCAS 1994, pp.521-524, vol. 5.], [H. Shin, et al., “Highly linear variable gain amplifiers with programmable temperature compensation for CDMA wireless applications”, IEEE ISCAS 2000, pp.467-470, vol. 3.] 등 여러 보고서에 이미 공개되어 있다. For a variable gain amplifier with such a bias control structure, see Riihuhuhta, H. et al., “A high dynamic range 100 MHz AGC-amplifier with a linear and temperature compensated gain control,” IEEE ISCAS 1994, pp. 521-. 524, vol. 5.], [H. Shin, et al., “Highly linear variable gain amplifiers with programmable temperature compensation for CDMA wireless applications”, IEEE ISCAS 2000, pp. 467-470, vol. 3.] are already published in several reports.
도 2는 하나의 출력을 지닌 전류 분배 형태의 가변이득 증폭기를 개략적으로 나타낸 회로구성도이다. 2 is a circuit diagram schematically showing a variable gain amplifier of a current distribution type having one output.
여기에 도시된 바와 같이 차동쌍 양단(Q1, Q2)을 제어 전압으로 조절해 흐르는 전류 양을 결정할 수 있다. 즉, 트랜지스터 Q1, Q2의 콜렉터 전류 I1, I2 를 조절하게 된다. 조절되는 전류의 크기를 알기 위해 트랜지스터 Q3에 흐르는 전류에 대한 Q2에 흐르는 전류비, 전류 이득 GI은 수학식 1과 같다. Q1, Q2의 베이스-에미터 전압 VBE1, VBE2 >> VT 이라고 가정하면 다음의 관계식이 성립한다.As shown here, the amount of current flowing may be determined by adjusting the ends of the differential pairs Q1 and Q2 with a control voltage. That is, the collector currents I 1 and I 2 of the transistors Q1 and Q2 are adjusted. In order to know the magnitude of the current to be adjusted, the current ratio flowing in Q2 to the current flowing in transistor Q3, and the current gain G I are given by Equation 1. Assuming the base-emitter voltages V BE1 , V BE2 >> V T of Q1 and Q2, the following relation holds.
위에서 VT 는 열전압, VAGC 은 차동쌍 양단의 전압차를 각각 나타낸다.Where V T is the thermal voltage and V AGC is the voltage difference across the differential pair.
이와 같이 수학식 1에서 보는 바와 같이 전류 이득 GI 는 지수함수의 특성을 갖기 때문에 외부 제어전압에 따른 이득이 지수함수적으로 선형적인 특성을 가질 수 있음을 나타낸다. 하지만, 일 경우에는 지수함수 특성을 가질 수 없게 된다.As shown in Equation 1, since the current gain G I has an exponential function, it indicates that the gain according to the external control voltage may have an exponentially linear characteristic. However, In this case, it cannot have an exponential function.
즉, 전압 VAGC 에 따라서 차동쌍 양단에 흐르는 전류가 결정되는데, 차동증폭기가 높은 이득을 가질 때 차동증폭기에서 I1에는 전류가 흐르지 않고, I2 로만 전류가 흐르게 되는데 이럴 경우 지수함수 특성을 가질 수 없는 영역이 존재하게 된다.In other words, the current flowing across the differential pair is determined according to the voltage V AGC . When the differential amplifier has a high gain, no current flows through I 1 in the differential amplifier, but only current flows through I 2 , which has an exponential function. There is an uncountable area.
따라서 이와 같은 회로를 이용할 때에는 이득, 가변이득 범위, 그리고 잡음 특성을 손해 볼 수밖에 없는 문제점이 있다. Therefore, there is a problem in that the gain, variable gain range, and noise characteristics are inevitably lost when using such a circuit.
이와 같은 가변이득 증폭기의 동작범위를 증가시키기 위해서는 효율적인 가변 이득 바이어스가 필요하게 된다. In order to increase the operating range of such a variable gain amplifier, an efficient variable gain bias is required.
그런데, [S. Otaka, et al., “A low-power low-noise accurate linear-in-dB variable-gain amplifier with 500-MHz bandwidth”, IEEE J. solid-state circuits, vol. 35, pp. 1942-1948, Dec. 2000]의 보고서에 의하면 이와 같이 가변 이득 바이어스에 의한 가변이득 증폭기의 경우 높은 동작 범위를 가지게 되지만, 높은 전력 이득을 가지는 영역에서 입력되는 전류가 매우 작을 때이므로 소자레벨에서 왜곡을 가지게 되는 문제점이 있다. By the way, [S. Otaka, et al., “A low-power low-noise accurate linear-in-dB variable-gain amplifier with 500-MHz bandwidth”, IEEE J. solid-state circuits, vol. 35, pp. 1942-1948, Dec. According to the report of 2000], a variable gain amplifier with a variable gain bias has a high operating range, but there is a problem of distortion at the device level because the input current is very small in a region having a high power gain. .
또한, 외부온도에 따른 온도보상회로가 있어 그 효과가 있지만 그 구조가 대단히 복잡할 수 있고, 그 결과 회로의 크기가 커지는 문제점이 있다. In addition, there is a temperature compensation circuit according to the external temperature has the effect, but the structure can be very complicated, as a result there is a problem that the size of the circuit increases.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 무선 이동통신 시스템에 적합하게 사용할 수 있도록 외부온도와 전원전압이 변화해도 제어전압에 따른 가변이득 증폭기의 이득이 일정하도록 할 뿐만 아니라 전력이득을 조절하는 제어 전압과 전력이득의 특성곡선이 지수함수적으로 선형적으로 변환되도록 함으로써 넓은 동작영역과 정확한 특성곡선을 지니도록 한 보상회로를 갖는 가변이득 증폭기를 제공함에 있다. The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to ensure that the gain of the variable gain amplifier according to the control voltage is constant even if the external temperature and the power supply voltage are changed so that it can be suitably used in a wireless mobile communication system. In addition, the present invention provides a variable gain amplifier having a compensation circuit that has a wide operating range and an accurate characteristic curve by allowing the control voltage for controlling the power gain and the characteristic curve of the power gain to be converted exponentially linearly.
본 발명의 또 다른 목적은 최대 동작범위를 얻게 되며 얻고자 하는 동작 영역을 적은 단으로 구성하게 되어 전류 소모를 줄일 수 있는 보상회로를 갖는 가변이득 증폭기를 제공함에 있다. It is still another object of the present invention to provide a variable gain amplifier having a compensation circuit capable of obtaining a maximum operating range and configuring a desired operating area in a small stage to reduce current consumption.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 이득을 결정하는 제어전압신호(VCNT)를 제어전류신호(ICNT)로 변환하여 온도와 전원전압에 대해 보상된 전류신호(Iin)로 출력하는 전압-전류 변환기(voltage to current converter)와, 전압-전류 변환기에서 출력되는 전류신호(Iin)를 입력받아 전력이득이 지수함수적(log-scale)으로 선형적인 특성곡선을 가지도록 제어전압(VAGC)를 공급하는 가변이득 바이어스회로(AGC bias circuit)와, 가변이득 바이어스회로에서 얻은 제어전압을 입력받아 지수함수적으로 선형적인 특성 곡선을 가지는 전류 분배 형태의 가변이득 증폭부로 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is to convert the control voltage signal (V CNT ) for determining the gain to the control current signal (I CNT ) to output a current signal (I in ) compensated for the temperature and power supply voltage- The control voltage (V AGC ) is obtained so that the power gain has a linear characteristic curve in a log-scale by receiving a current signal (I in ) output from a current converter and a voltage-to-current converter. A variable gain amplification circuit (AGC bias circuit) for supplying a) and a current gain type variable gain amplifier having an exponentially linear characteristic curve by receiving a control voltage obtained from the variable gain bias circuit.
또한, 가변이득 바이어스회로는 제어전류신호와 바이어스전류를 입력받는 제 1내지 제 2트랜지스터로 이루어진 이미터결합형 차동증폭기와, 이미터결합형 차동증폭기의 제어전류신호에 대해 지수함수적인 관계를 갖는 전류를 출력하는 전류미러쌍과, 전류미러쌍에 콜렉터가 연결되고 차동쌍 양단 베이스에서 원하는 제어전압을 발생시키는 증폭부로 이루어진 것을 특징으로 한다. In addition, the variable gain bias circuit has an exponential relationship with an emitter coupled differential amplifier comprising a control current signal and a first to second transistors receiving a bias current, and a control current signal of an emitter coupled differential amplifier. A current mirror pair for outputting a current, and a collector is connected to the current mirror pair, characterized in that consisting of an amplifier for generating a desired control voltage at the base of the differential pair.
또한, 전압-전류 변환기는 정전압 발생원인 밴드갭전압원과, 외부의 제어전압신호와 밴드갭전압원을 입력받아 제어전류신호로 변환하는 변환부와, 제어전류신호와 비교하기 위한 비교전류를 발생시키는 비교전류발생부와, 변환부의 출력신호와 비교전류발생부의 출력신호를 합산하여 비교값을 발생시키는 합산부와, 온도변화에 따라 변화하는 바이어스전류를 발생시키는 PTAT전류 생성기와, PTAT전류 생성기의 출력값과 합산부의 출력값을 통해 비례상수로 변환하여 전류신호를 출력하는 비례상수 변환부로 이루어진 것을 특징으로 한다. In addition, the voltage-to-current converter includes a bandgap voltage source that is a constant voltage generator, a converter that receives an external control voltage signal and a bandgap voltage source, converts the control current signal into a control current signal, and generates a comparison current for comparison with the control current signal. A sum unit for generating a comparison value by summing the current generator, the output signal of the converter and the output signal of the comparison current generator, a PTAT current generator for generating a bias current that changes with temperature change, and an output value of the PTAT current generator. Characterized in that consisting of a proportional constant converter for outputting a current signal by converting the proportional constant through the output value of the adder.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이며 종래 구성과 동일한 부분은 동일한 부호 및 명칭을 사용한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, the present embodiment is not intended to limit the scope of the present invention, but is presented by way of example only and the same parts as in the conventional configuration using the same reference numerals and names.
도 3은 본 발명에 의한 가변이득 증폭기의 특성이 지수함수 형태를 가지도록 하기 위한 가변이득 바이어스회로를 개략적으로 나타낸 회로구성도이고, 도 4는 도 3에서의 전압-전류 변환기를 개략적으로 나타낸 회로구성도이다. FIG. 3 is a circuit diagram schematically showing a variable gain bias circuit for the characteristics of the variable gain amplifier according to the present invention to have an exponential form, and FIG. 4 is a circuit diagram schematically showing the voltage-to-current converter in FIG. It is a block diagram.
여기에 도시된 바와 같이 이득을 결정하는 제어전압신호(VCNT)를 제어전류신호(ICNT)로 변환하여 온도와 전원전압에 대해 보상된 전류신호(Iin)로 출력하는 전압-전류 변환기(voltage to current converter)와(501), 전압-전류 변환기(501)에서 출력되는 전류신호(Iin)를 입력받아 제어전압(VAGC)에 따른 전력이득이 지수함수적(log-scale)으로 선형적인 특성곡선을 가지도록 바이어스를 입력받아 차동쌍 양단 베이스에서 원하는 제어전압(VAGC)을 발생시키는 가변이득 바이어스회로(AGC bias circuit)(502)이다.As shown here, the voltage-to-current converter converts the control voltage signal V CNT that determines the gain into the control current signal I CNT and outputs the current signal I in compensated for the temperature and the power supply voltage. The power gain according to the control voltage V AGC is linearly log-scale by receiving the voltage to current converter and the current signal I in output from the voltage-to-current converter 501. The AGC bias circuit 502 generates a desired control voltage V AGC at the base of the differential pair by receiving a bias to have a characteristic curve.
이때, 가변이득 바이어스회로(502)는 제어전류신호(ICNT)와 바이어스전류를 입력받는 제 1내지 제 2트랜지스터(Q1, Q2)로 이루어진 이미터결합형 차동증폭기(310)와, 이미터결합형 차동증폭기(310)의 제어전류신호(ICNT)에 대해 지수함수적인 관계를 갖는 전류를 출력하는 제 1내지 제 5의 모스형트랜지스터(M1∼M5)로 이루어진 전류미러쌍(320)과, 전류미러쌍(320)에 콜렉터가 연결되고 차동쌍 양단 베이스에서 원하는 제어전압(VAGC)을 발생시키는 제 3내지 제 4트랜지스터로 이루어진 증폭부(330)로 구성되며, 제 1내지 제 2트랜지스터(Q1, Q2)의 기판간에는 저항(R)이 매개된다.In this case, the variable gain bias circuit 502 includes an emitter coupled type differential amplifier 310 including a control current signal I CNT and a first to second transistors Q1 and Q2 for receiving a bias current, and an emitter coupling. A current mirror pair 320 including first to fifth MOS transistors M1 to M5 for outputting a current having an exponential function with respect to the control current signal I CNT of the type differential amplifier 310; The collector is connected to the current mirror pair 320 and consists of an amplifying unit 330 consisting of third to fourth transistors for generating a desired control voltage V AGC at the base of the differential pair. The first to second transistors The resistance R is mediated between the substrates of Q1 and Q2.
또한, 전압-전류 변환기(501)는 도 4에 도시된 바와 같이 정전압 발생원인 밴드갭전압원(402)과, 외부의 제어전압신호(VCNT)와 밴드갭전압원(402)을 입력받아 제어전류신호(ICNT)로 변환하는 변환부(404)(405)와, 제어전류신호(ICNT)와 비교하기 위한 비교전류(IT)를 발생시키는 비교전류발생부(407)와, 변환부(404)(405)의 출력신호(ICNT)와 비교전류발생부(407)의 출력신호(IT)를 합산하여 비교값을 발생시키는 합산부(409)와, 온도변화에 따라 변화하는 바이어스전류를 발생시키는 PTAT전류 생성기(410)와, PTAT전류 생성기(410)의 출력값과 합산부(409)의 출력값을 통해 비례상수로 변환하여 비례전류(Iin)를 출력하는 비례상수 변환부(411)로 이루어진다.In addition, the voltage-to-current converter 501 receives the control current signal from the bandgap voltage source 402 which is the constant voltage generation source, the external control voltage signal V CNT and the bandgap voltage source 402 as shown in FIG. 4. and a conversion unit 404, 405 to convert (I CNT), and comparing current generation unit 407 for generating the comparison current (I T) for comparing the control current signal (I CNT), conversion unit (404 A sum unit 409 for generating a comparison value by summing the output signal I CNT of 405 and the output signal I T of the comparison current generator 407, and a bias current that changes according to temperature change. PTAT current generator 410 to generate, to the proportional constant converter 411 to convert the proportional constant through the output value of the PTAT current generator 410 and the output value of the adder 409 to output the proportional current (I in ) Is done.
위와 같이 이루어진 가변이득 증폭기의 작동을 수학적으로 해석하여 설명하면 다음과 같다. Referring to the mathematical analysis of the operation of the variable gain amplifier made as described above are as follows.
본원 발명에 의해 전류이득이 지수함수 특성을 갖도록 변화시켜 주기 위해서는 도 2의 차동쌍 양단인 제어전압 VAGC 의 전압이 수학식 2를 만족해야만 한다.In order to change the current gain to have an exponential function according to the present invention, the voltage of the control voltage V AGC across the differential pair of FIG. 2 must satisfy Equation 2.
상기 수학식2에서 ΔV 는 도 3의 가변이득 바이어스회로의 제 1내지 제 2트랜지스터(Q1, Q2)에 의한 차동쌍의 저항 양단에 걸리는 전압차를 나타낸다. ΔV in Equation 2 represents the voltage difference across the resistance of the differential pair by the first to second transistors Q1 and Q2 of the variable gain bias circuit of FIG.
따라서, 본원 발명에 의한 가변이득 증폭기를 나타낸 도 3에서 비례전류 Iin에 의해서 저항 R 양단에 전압 ΔV 에 의해서 제 1내지 제 2트랜지스터(Q1, Q2)의 콜렉터에 흐르는 전류가 결정된다. 제 1내지 제 2트랜지스터(Q1, Q2)의 콜렉터 전류 I1 과 I2 는 다음의 수학식 3과 수학식 4로 전개된다.Therefore, in FIG. 3 showing the variable gain amplifier according to the present invention, the current flowing through the collector of the first to second transistors Q1 and Q2 is determined by the voltage ΔV across the resistor R by the proportional current I in . The collector currents I 1 and I 2 of the first to second transistors Q1 and Q2 are developed by the following equations (3) and (4).
위의 상기 수학식 3내지 수학식 4에서 IS는 포화(saturation) 전류이며, 제 1내지 제 2트랜지스터(Q1, Q2)의 포화 전류가 동일하다고 가정하였다.In the above Equations 3 to 4, I S is a saturation current, and it is assumed that the saturation currents of the first to second transistors Q1 and Q2 are the same.
따라서, 도 3의 가변이득 바이어스회로(502)의 제 1내지 제 2트랜지스터(Q1, Q2)의 콜렉터 전류 I1 과 I2는 P형 MOSFET에 의해서 전류가 미러링된다. 즉, 제 1모스형트랜지스터(M1)에 흐르는 드레인 전류와 제 4모스형트랜지스터(M4)에 흐르는 드레인 전류가 같게 된다. 또한, 제 3모스형트랜지스터(M3)에 흐르는 드레인 전류와 제 2모스형트랜지스터(M2)와 제 5모스형트랜지스터(M5)에 흐르는 드레인 전류가 같게 된다.Accordingly, the collector currents I 1 and I 2 of the first to second transistors Q1 and Q2 of the variable gain bias circuit 502 of FIG. 3 are mirrored by the P-type MOSFET. That is, the drain current flowing through the first MOS transistor M1 and the drain current flowing through the fourth MOS transistor M4 are the same. In addition, the drain current flowing through the third MOS transistor M3 and the drain current flowing through the second MOS transistor M2 and the fifth MOS transistor M5 are equal to each other.
이때 제 3모스형트랜지스터(M3)에 흐르는 드레인 전류는 I2 가 되고 제 2모스형트랜지스터(M2)에도 같은 전류가 흐르게 된다. 따라서, I1 전류 중에서 I2 에 흐르는 전류를 제외한 전류가 제 1모스형트랜지스터(M1)에 흐르는 드레인 전류가 된다. 즉, I1 - I2 인 전류가 흐른다. 따라서 제 3트랜지스터(Q3)와 제 4트랜지스터(Q4)의 콜렉터 전류는 각각 I1 - I2, I2 가 된다.At this time, the drain current flowing through the third MOS transistor M3 becomes I 2 , and the same current flows through the second MOS transistor M2. Therefore, the current except for the current flowing through I 2 among the I 1 currents becomes a drain current flowing through the first MOS transistor M1. That is, a current of I 1 -I 2 flows. Therefore, the collector currents of the third transistor Q3 and the fourth transistor Q4 become I 1 -I 2 and I 2 , respectively.
제 3내지 제 4트랜지스터(Q3, Q4)의 에미터 전압이 같기 때문에 흐르는 전류차이에 의해서 제어전압 VAGC 전압이 얻어진다. 제 3내지 제 4트랜지스터(Q3, Q4)사이의 에미터-베이스 전압 차이는 수학식 5에 의해서 구해진다.Since the emitter voltages of the third to fourth transistors Q3 and Q4 are the same, the control voltage V AGC voltage is obtained by the current difference flowing. The emitter-base voltage difference between the third and fourth transistors Q3 and Q4 is obtained by Equation 5.
이와 같이 수학식 5는 수학식 2와 같음을 알 수 있다. As such, it is understood that Equation 5 is equal to Equation 2.
따라서, 본원발명의 가변이득 바이어스회로(502)를 이용함으로써 가변이득 증폭기를 높은 이득을 가지는 영역까지 이용할 수 있게 될 뿐만 아니라 최대 이득값과 가변이득 범위와 잡음특성 등을 향상시킬 수 있는 장점을 가지게 된다. Therefore, by using the variable gain bias circuit 502 of the present invention, not only the variable gain amplifier can be used to a region having a high gain, but also have the advantage of improving the maximum gain value, the variable gain range, the noise characteristics, and the like. do.
수학식 5에서 열전압 VT 항을 포함하고 있어 VAGC 전압이 온도에 따라 변화되는 것을 알 수 있다. 아울러 전원전압의 변화에 따라서도 VAGC 전압이 변화하게 된다.Since Equation 5 includes the thermal voltage V T term, it can be seen that the V AGC voltage changes with temperature. In addition, the V AGC voltage changes according to the change of the power supply voltage.
따라서, 온도와 전원전압의 변화에 따른 보상회로를 첨가하여 각각의 제어 전압에 따른 이득이 일정하도록 기능을 첨가해야 한다. Therefore, it is necessary to add a function so that the gain according to each control voltage is constant by adding a compensation circuit according to the change of temperature and power supply voltage.
이와 같이 온도와 전원전압에 상관없이 제어 전압에 따른 이득이 일정해야만 정확하고 능동적으로 전력이득을 조절할 수 있기 때문에 가변이득 바이어스 회로에 원하는 입력이 전류 형태이므로 외부의 제어전압신호(VCNT)을 전류로 변환시켜 주는 전압-전류 변환기(voltage-to-current converter)에 제어전압에 따른 이득이 일정하도록 하는 보상회로를 첨가하였다.In this way, it is possible to adjust the power gain accurately and actively only when the gain according to the control voltage is constant regardless of temperature and power supply voltage. Therefore, since the desired input is a current type in the variable gain bias circuit, an external control voltage signal (V CNT ) is applied. A compensation circuit was added to the voltage-to-current converter to convert the circuit into a voltage-to-current converter.
도 4는 온도와 전원전압 보상회로가 첨가된 전압-전류 변환기를 나타낸다.4 shows a voltage-to-current converter to which temperature and power supply voltage compensation circuits are added.
여기에 도시된 바와 같이 밴드갭 전압(402)을 통해 정전압을 얻는다. 얻어진 밴드갭 전압은 1.183V이고 온도(-30℃ ∼ 80℃)와 전원전압(2.7V ~ 3.3V)의 변화에 따른 변화는 1mV미만으로써 정전압을 얻는다. 밴드갭 전압과 버퍼(402)를 통해 원하는 정전압들[Vmax, Vmin, Vref](403)을 얻는다. 이런 전압과 외부의 제어전압신호(VCNT) (401)을 연산증폭기(operation amplifier)와 버퍼로 이루어진 전압전류변환부(404)(405)를 통해서 제어전류신호(ICNT)(406)를 얻는다. 또한, 제어전류신호(ICNT)와 비교하기 위해서 비교전류(IT)(408)를 얻어야 한다. 이때 정확한 비교전류(IT) 를 얻기 위해서는 대칭적으로 설계된 비교전류발생부(407)가 필요하게 된다. 하지만 복잡성과 칩의 크기를 고려하여 대칭적인 구조에서 일부를 수정할 수도 있다. 이 경우에는 밴드갭 전압(402)에서 버퍼를 통해 바로 비교전류(IT)를 얻어서 제어전류신호(ICNT)(406)와 비교하도록 회로를 구성할 수 있다. 합산기(409)를 통해서 얻어진 값은 온도나 전원전압과 상관없이 일정한 비교값인 (IT - ICNT)/IT 을 얻을 수 있다. 여기에서 ICNT 는 0 ≤ICNT ≤IT 의 범위를 갖는다.As shown here, a constant voltage is obtained through the bandgap voltage 402. The obtained bandgap voltage is 1.183V and the change according to the change of temperature (-30 degreeC-80 degreeC) and power supply voltage (2.7V-3.3V) is less than 1 mV, and a constant voltage is obtained. Through the bandgap voltage and the buffer 402, desired constant voltages [Vmax, Vmin, Vref] 403 are obtained. This voltage and the external control voltage signal (V CNT ) 401 are obtained through a voltage current converter (404) 405 composed of an operation amplifier and a buffer to obtain a control current signal (I CNT ) 406. . In addition, the comparison current I T 408 must be obtained in order to compare with the control current signal I CNT . In this case, in order to obtain an accurate comparison current I T , a symmetrically designed comparison current generator 407 is required. However, some modifications can be made in symmetrical structures, taking into account complexity and chip size. In this case, the circuit may be configured to obtain the comparison current I T directly from the band gap voltage 402 through the buffer and compare it with the control current signal I CNT 406. The value obtained through the summer 409 can obtain (I T -I CNT ) / I T which is a constant comparison value regardless of temperature or power supply voltage. Here I CNT has a range of 0 ≤I CNT ≤I T.
전압-전류 변환기(501)의 전원전압 보상회로(401 ~ 409)에서는 온도에 상관없이 일정한 비교값을 얻게 된다. 하지만, 온도에 따라서는 절대온도에 따라 변화하는 전류가 되어야 이득이 일정하게 유지될 수 있다. 따라서, 온도변화에 따른 보상회로는 기존의 PTAT(proportional to absolute temperature) 전류 생성기(410)에서 얻어진다.In the power supply voltage compensation circuits 401 to 409 of the voltage-to-current converter 501, a constant comparison value is obtained regardless of the temperature. However, depending on the temperature, the gain can be kept constant only when the current changes according to the absolute temperature. Therefore, the compensation circuit according to the temperature change is obtained in the conventional PTAT (proportional to absolute temperature) current generator 410.
즉, PTAT 전류생성기(410)에서 얻어진 전류는 수학식 6처럼 표현 가능하다. That is, the current obtained by the PTAT current generator 410 can be expressed as in Equation 6.
수학식 6에서 a는 PTAT회로에서 결정되는 상수값을 나타낸다.In Equation 6, a represents a constant value determined in the PTAT circuit.
PTAT 전류생성기(410)에서 얻어진 전류는 온도에 비례하게 된다. 따라서, 상기의 온도보상회로에서 얻은 바이어스 전류(IPTAT)를 전원전압의 보상회로에서 얻어진 비교값 (IT - ICNT)/IT 을 비례상수로 변환하는 비레상수 변환부(411)를 통해서 온도 보상까지 된 출력 전류신호를 가변이득 바이어스회로(502)에 입력으로 출력하게 된다. 수학식 7은 이때 얻어진 비례전류(Iin)을 나타낸다.The current obtained by the PTAT current generator 410 is proportional to the temperature. Therefore, through the non-regular constant conversion unit 411, which converts the bias current I PTAT obtained in the temperature compensation circuit to the comparison value I T -I CNT / I T obtained in the power supply voltage compensation circuit into a proportional constant. The output current signal up to the temperature compensation is output to the variable gain bias circuit 502 as an input. Equation 7 shows the proportional current (I in ) obtained at this time.
수학식 7에서 비례전류(Iin)는 온도에는 비례하고, 전원전압에는 상관없는 특성을 가진다. 따라서 이 회로를 이용해서 설계된 본원발명의 가변이득 증폭기는 온도변화와 전원전압의 변화에 상관없이 일정한 이득을 가질 수 있게 된다.In Equation 7, the proportional current I in is proportional to temperature and has no relation to the power supply voltage. Therefore, the variable gain amplifier of the present invention designed using this circuit can have a constant gain irrespective of temperature change and power supply voltage change.
위와 같은 원리에 의한 본원발명의 가변이득 증폭기를 개념적인 블록구성도로 나타낼 경우 도 5와 같이 나타낼 수 있다. When the variable gain amplifier of the present invention according to the above principle is represented in a conceptual block diagram, it may be represented as shown in FIG. 5.
즉, 제어전압신호(VCNT)가 인가될 경우 전압-전류 변환기(501)를 통해 온도보상과 전원전압보상이 이루어진 전류신호로 변환하여 출력하면 가변이득 바이어스회로(502)에서 요구되는 바이어스 제어전압을 발생하여 전류 분배 형태의 가변이득 증폭부(503)로 공급함으로써 온도와 전원전압이 변화해도 제어전압에 따른 가변이득 증폭기의 이득이 일정할 뿐만 아니라 전력이득을 조절하는 제어전압과 전력이득의 특성곡선이 지수함수적으로 정확한 특성곡선을 갖게 된다.That is, when the control voltage signal (V CNT ) is applied and converted into a current signal consisting of temperature compensation and power supply voltage compensation through the voltage-to-current converter 501 and outputs the bias control voltage required by the variable gain bias circuit 502. By supplying to the variable gain amplifier 503 of the current distribution type, even if the temperature and power supply voltage changes, the gain of the variable gain amplifier according to the control voltage is not only constant, but also the characteristics of the control voltage and the power gain controlling the power gain. The curve will have an exponentially accurate characteristic curve.
도 6은 본 발명에 의한 가변이득 증폭기의 제어전압과 전력이득의 특성도를 나타낸 그래프이다. Figure 6 is a graph showing the characteristics of the control voltage and power gain of the variable gain amplifier according to the present invention.
여기에 도시된 바와 같이 정해진 제어전압 범위에서 전력이득은 제어전압의 지수함수를 갖기 때문에 지수함수적으로 선형적인 정확한 특성곡선을 나타내고 있다. 또한, 가변이득 바이어스 회로에 의해서 높은 이득을 가지는 범위까지 선형적인 형태가 나타나기 때문에 선형적으로 동작하는 범위가 36dB 이상이나 된다. As shown here, since the power gain has an exponential function of the control voltage in the predetermined control voltage range, it exhibits an exponentially linear characteristic curve. In addition, since the linear form appears to the range having a high gain by the variable gain bias circuit, the linear operating range is 36 dB or more.
도 7은 본 발명에 의한 가변이득 증폭기의 전원전압 변화에 따른 특성도로써 (a)는 전원전압 보상회로가 첨가되지 않은 상태의 특성도이고, (b)는 전원전압 보상회로가 첨가된 상태의 특성도이다. 7 is a characteristic diagram according to the power supply voltage change of the variable gain amplifier according to the present invention, (a) is a characteristic diagram without the power supply voltage compensation circuit added, and (b) is a state of the power supply voltage compensation circuit added It is a characteristic diagram.
여기에 도시된 특성도는 온도가 25℃일 때 전원전압을 2.7V, 3V, 3.3V로 변화시키면서 얻은 특성도이다. 그래프에서 보는 바와 같이 세 개의 특성도가 최대 0.8dB 차이를 나타내면서 거의 일치함으로 전원전압 보상회로가 정확하게 동작함을 알 수 있다. The characteristic diagram shown here is a characteristic diagram obtained by changing the power supply voltage to 2.7V, 3V, 3.3V when the temperature is 25 ℃. As shown in the graph, the three characteristic diagrams show a maximum difference of 0.8 dB and almost match, indicating that the power supply voltage compensation circuit operates correctly.
도 8은 본 발명에 의한 가변이득 증폭기의 외부온도 변화에 따른 특성도로써 (a)는 온도 보상회로가 첨가되지 않은 상태의 특성도이고, (b)는 온도 보상회로가 첨가된 상태의 특성도이다. 8 is a characteristic diagram according to an external temperature change of a variable gain amplifier according to the present invention, (a) is a characteristic diagram without a temperature compensation circuit added, and (b) is a characteristic diagram with a temperature compensation circuit added to be.
여기에 도시된 특성도는 전원전압이 3V이고 외부온도를 -30℃, 25℃, 80℃로 변화시키면서 얻은 특성도이다. 그래프에서 보는 바와 같이 세 개의 특성도가 최대 0.7dB 차이를 나타내면서 거의 일치함으로 온도보상회로가 정확하게 동작함을 알 수 있다.The characteristic diagram shown here is a characteristic diagram obtained when the power supply voltage is 3V and the external temperature is changed to -30 ° C, 25 ° C or 80 ° C. As shown in the graph, the three characteristic diagrams show a difference of up to 0.7 dB, so that the temperature compensation circuit operates correctly.
상기한 바와 같이 본 발명은 무선 이동통신 시스템에 적합하게 사용할 수 있도록 외부온도와 전원전압이 변화해도 제어전압에 따른 가변이득 증폭기의 이득이 일정하도록 할 뿐만 아니라 전력이득을 조절하는 제어 전압과 전력이득의 특성곡선이 지수함수적으로 선형적으로 변환되도록 함으로써 넓은 동작영역과 정확한 특성곡선 및 고이득, 작은 잡음 특성, 고효율 및 저전력 특성을 지닐 수 있는 이점이 있다. As described above, the present invention not only ensures that the gain of the variable gain amplifier according to the control voltage is constant even when the external temperature and the power supply voltage are changed so that the present invention can be suitably used in a wireless mobile communication system. By having the characteristic curve of is transformed linearly exponentially, it has the advantage of having wide operating range, accurate characteristic curve, high gain, small noise characteristic, high efficiency and low power characteristic.
도 1은 종래 기술에 의한 전류 분배 형태의 가변이득 증폭기(current steering structure VGA)를 개략적으로 나타낸 회로구성도이다. FIG. 1 is a circuit diagram schematically illustrating a current steering structure VGA of a current distribution type according to the related art.
도 2는 하나의 출력을 지닌 전류 분배 형태의 가변이득 증폭기(gain controlled amplifier)를 개략적으로 나타낸 회로구성도이다. FIG. 2 is a circuit diagram schematically illustrating a gain controlled amplifier of a current distribution type having a single output.
도 3은 본 발명에 의한 가변이득 증폭기의 특성이 지수함수 형태를 가지도록 하기 위한 가변이득 바이어스회로를 개략적으로 나타낸 회로구성도이다.FIG. 3 is a circuit diagram schematically illustrating a variable gain bias circuit for allowing the characteristics of the variable gain amplifier according to the present invention to have an exponential function.
도 4는 도 3에서의 전압-전류 변환기를 개략적으로 나타낸 회로구성도이다. 4 is a circuit diagram schematically illustrating the voltage-to-current converter in FIG.
도 5는 본 발명에 의한 가변이득 증폭기를 개념적으로 나타낸 블록구성도이다. 5 is a block diagram conceptually illustrating a variable gain amplifier according to the present invention.
도 6은 본 발명에 의한 가변이득 증폭기의 제어전압과 전력이득의 특성도를 나타낸 그래프이다. Figure 6 is a graph showing the characteristics of the control voltage and power gain of the variable gain amplifier according to the present invention.
도 7은 본 발명에 의한 가변이득 증폭기의 전원전압 변화에 따른 특성도로써 (a)는 전원전압 보상회로가 첨가되지 않은 상태의 특성도이고, (b)는 전원전압 보상회로가 첨가된 상태의 특성도이다. 7 is a characteristic diagram according to the power supply voltage change of the variable gain amplifier according to the present invention, (a) is a characteristic diagram without the power supply voltage compensation circuit added, and (b) is a state of the power supply voltage compensation circuit added It is a characteristic diagram.
도 8은 본 발명에 의한 가변이득 증폭기의 외부온도 변화에 따른 특성도로써 (a)는 온도 보상회로가 첨가되지 않은 상태의 특성도이고, (b)는 온도 보상회로가 첨가된 상태의 특성도이다. 8 is a characteristic diagram according to an external temperature change of a variable gain amplifier according to the present invention, (a) is a characteristic diagram without a temperature compensation circuit added, and (b) is a characteristic diagram with a temperature compensation circuit added to be.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 - -Explanation of symbols for the main parts of the drawings-
310 : 이미터결합형 차동증폭기310: emitter coupled differential amplifier
320 : 전류미러쌍320: current mirror pair
330 : 증폭부330: amplification unit
501 : 전압-전류 변환기501: voltage-to-current converter
502 : 가변이득 바이어스회로 502 variable gain bias circuit
503 : 가변이득 증폭부503: variable gain amplifier
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