KR100894526B1 - 피드백을 이용한 선형 증폭 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 피드백을 이용한 선형 증폭 회로에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 (1) 입력신호를 공통 이미터 방식으로 증폭하는 공통 이미터 단(Common Emitter Stage); (2) 상기 공통 이미터 단에서 출력된 신호를 입력받아 푸시-풀 방식으로 높은 슬루 레이트(Slew Rate)를 갖는 신호를 출력하는 푸시-풀 단(Push-Pull Stage); 및 (3) 상기 푸시-풀 단(Push-Pull Stage)에서 출력된 신호를 제어하여 상기 공통 이미터 단으로 피드백 시키는 피드백 제어 단(Feedback Stage)을 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 피드백을 이용한 선형 증폭 회로에 따르면, 입력신호를 공통 이미터 방식으로 증폭하는 공통 이미터 단, 공통 이미터 단에서 출력된 신호를 입력받아 푸시-풀 방식으로 높은 슬루 레이트를 갖는 신호를 출력하는 푸시-풀 단, 및 푸시-풀 단에서 출력된 신호를 제어하여 공통 이미터 단으로 피드백 시키는 피드백 제어 단을 포함함으로써, 기존의 고전압 선형 증폭기보다 넓은 범위의 동작영역을 가지면서 동시에 보다 빠르게 동작할 수 있다.
선형 증폭 회로, 피드백, 공통 이미터 단, 푸시-풀 단, 피드백 제어 단, 슬루 레이트(Slew Rate), 동작영역, 고속, 고전압

Description

피드백을 이용한 선형 증폭 회로{omitted}
본 발명은 피드백을 이용한 선형 증폭 회로에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 입력신호를 공통 이미터 방식으로 증폭하는 공통 이미터 단, 공통 이미터 단에서 출력된 신호를 입력받아 푸시-풀 방식으로 높은 슬루 레이트를 갖는 신호를 출력하는 푸시-풀 단, 및 푸시-풀 단에서 출력된 신호를 제어하여 공통 이미터 단으로 피드백 시키는 피드백 제어 단을 포함함으로써, 기존의 고전압 선형 증폭기보다 넓은 범위의 동작영역을 가지면서 동시에 보다 빠르게 동작할 수 있는 선형 증폭 회로에 관한 것이다.
일반적으로 선형 증폭 회로라고 함은, 입력신호의 증가에 따라 출력신호도 일정 비율로 증가하는 방식의 증폭 회로를 말한다.
최근 초미세 전기기계 시스템(Micro-Electro-Mechanical Systems; MEMS) 기술의 사용범위가 확대되면서, 이와 함께 사용될 수 있는 고속 고전압 선형 증폭 회로에 대한 필요성이 크게 대두되고 있다. 즉, 기존의 고전압 선형 연산 증폭기(high voltage operational amp)보다 넓은 범위의 동작영역을 가지면서 동시에 보다 빠르게 동작할 수 있는 선형 증폭기가 요구되고 있다. 구체적으로는, 120V 이상의 동작영역을 가지면서 동시에 12V/uS 이상의 슬루 레이트(Slew Rate)를 갖는 선형 증폭기의 개발이 요구된다.
여기서, 슬루 레이트(Slew Rate)는 전압이나 전류의 일시적인 변화 속도를 말한다. 즉, 슬루 레이트는 어떤 시간 동안 전압이나 전류의 레벨 변화로 정의될 수 있다. 슬루 레이트는 대체로 증폭기에서 사용되는데, 입력 전압에 대한 증폭기의 출력 전압의 최대 변화 비율로 정의한다. 슬루 레이트는 입력 신호에 따른 증폭기의 성능 비율을 나타내며, 측정 단위는 us 당 V(V/us)이다.
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 입력신호를 공통 이미터 방식으로 증폭하는 공통 이미터 단, 공통 이미터 단에서 출력된 신호를 입력받아 푸시-풀 방식으로 높은 슬루 레이트를 갖는 신호를 출력하는 푸시-풀 단, 및 푸시-풀 단에서 출력된 신호를 제어하여 공통 이미터 단으로 피드백 시키는 피드백 제어 단을 포함함으로써, 기존의 고전압 선형 증폭기보다 넓은 범위의 동작영역을 가지면서 동시에 보다 빠르게 동작할 수 있는 선형 증폭 회로를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 피드백을 이용한 선형 증폭 회로는,
(1) 입력신호를 공통 이미터 방식으로 증폭하는 공통 이미터 단(Common Emitter Stage);
(2) 상기 공통 이미터 단에서 출력된 신호를 입력받아 푸시-풀 방식으로 높은 슬루 레이트(Slew Rate)를 갖는 신호를 출력하는 푸시-풀 단(Push-Pull Stage); 및
(3) 상기 푸시-풀 단(Push-Pull Stage)에서 출력된 신호를 제어하여 상기 공통 이미터 단으로 피드백 시키는 피드백 제어 단(Feedback Stage)을 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 전류 거울(Current Mirror)에 의해 바이어스 전류를 제공하는 바이어스 단(Bias Stage)을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 공통 이미터 단에서, 출력 임피던스는 액티브 부하(트랜지스터)와 바이어스 저항으로 구성되며, 상기 출력 임피던스의 크기는 상기 바이어스 저항에 의해 결정된다.
바람직하게는, 상기 피드백 제어 단은, 연산증폭기(OP-Amp)를 포함하며, 상기 연산증폭기를 이용하여 상기 푸시-풀 단(Push-Pull Stage)에서 출력된 신호를 안정화시킨다.
바람직하게는, 상기 피드백 제어 단은, 적어도 하나 이상의 저항을 포함하며, 상기 적어도 하나 이상의 저항에 의해 상기 선형 증폭 회로의 전체 증폭률이 결정된다.
바람직하게는, 상기 선형 증폭 회로는, 초미세 전기기계 시스템(Micro-Electro-Mechanical Systems; MEMS)과 함께 사용될 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는 피드백을 이용한 선형 증폭 회로에 따르면, 입력신호를 공통 이미터 방식으로 증폭하는 공통 이미터 단, 공통 이미터 단에서 출력된 신호를 입력받아 푸시-풀 방식으로 높은 슬루 레이트를 갖는 신호를 출력하는 푸시-풀 단, 및 푸시-풀 단에서 출력된 신호를 제어하여 공통 이미터 단으로 피드백 시키는 피드백 제어 단을 포함함으로써, 기존의 고전압 선형 증폭기보다 넓은 범위의 동작영역을 가지면서 동시에 보다 빠르게 동작할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명에 따른 실시예에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백을 이용한 선형 증폭 회로의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백을 이용한 선형 증폭 회로(100)는, 공통 이미터 단(110), 푸시-풀 단(120), 및 피드백 제어 단(130)을 포함한다. 도 1에 도시되지는 않았지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백을 이용한 선형 증폭 회로(100)는, 전류 거울(Current Mirror)에 의해 바이어스 전류를 제공하는 바이어스 단(Bias Stage)을 더 포함할 수 있다.
공통 이미터 단(110)은, 입력신호를 공통 이미터 방식으로 증폭하는 역할을 한다. 공통 이미터 단(110)에서, 출력 임피던스는 액티브 부하(트랜지스터)와 바이어스 저항으로 구성될 수 있는데, 상기 출력 임피던스의 크기는 바이어스 저항에 의해 결정될 수 있다.
푸시-풀 단(120)은, 공통 이미터 단(110)에서 출력된 신호를 입력받아 푸시-풀 방식으로 높은 슬루 레이트를 갖는 신호를 출력하는 역할을 한다.
피드백 제어 단(130)은, 푸시-풀 단(120)에서 출력된 신호를 제어하여 공통 이미터 단(110)으로 피드백 시키는 역할을 한다. 피드백 제어 단(130)은, 연산증폭기(OP-Amp)를 포함할 수 있는데, 특히 상기 연산증폭기를 이용하여 푸시-풀 단(120)에서 출력된 신호를 안정화시키도록 할 수 있다. 또한, 피드백 제어 단(130)은, 적어도 하나 이상의 저항을 포함할 수 있으며, 상기 적어도 하나 이상의 저항에 의해 선형 증폭 회로의 전체 증폭률이 결정될 수 있다.
상기와 같이 선형 증폭 회로를 구성함으로써, 즉 입력신호를 공통 이미터 방식으로 증폭하는 공통 이미터 단, 공통 이미터 단에서 출력된 신호를 입력받아 푸시-풀 방식으로 높은 슬루 레이트를 갖는 신호를 출력하는 푸시-풀 단, 및 푸시-풀 단에서 출력된 신호를 제어하여 공통 이미터 단으로 피드백 시키는 피드백 제어 단을 포함함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 증폭 회로는 기존의 고전압 선형 증폭기보다 넓은 범위의 동작영역을 가지면서 동시에 보다 빠르게 동작할 수 있다. 특히, 본 발명에서 제안하고 있는 선형 증폭 회로는 초미세 전기기계 시스템(MEMS)과 함께 사용되는 데 적합하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백을 이용한 선형 증폭 회로를 실제 회로로 구성한 것을 나타내는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백을 이용한 선형 증폭 회로는 다수의 트랜지스터, OP-Amp, 및 수동 소자를 구성될 수 있다. 즉, 입력신호는 공통 이미터 방식의 주 트랜지스터(Q5)에 의해 증폭되며, 공통 이미터 단의 출력 임피던스는 액티브 부하(Q2)로 구성되어 그 크기가 바이어스를 결정하는 바이어스 저항 Rbias에 의해 결정된다. 공통 이미터 단의 출력 임피던스는 공통 이미터 단의 증폭률을 결정하는 주요 설계 변수가 된다. 트랜지스터 Q5에 의해 증폭된 신호는 푸시-풀 단(Q3, Q4)에 인가되어 높은 슬루 레이트를 갖는 신호를 출력하게 된다. 푸시-풀 단에서 출력된 신호는 피 드백 제어 단에 의해 피드백 되어 연산 증폭기(OP-AMP)를 이용한 제어 회로에 의해 안정화 된다(voltage sampling & series mixing type). 도 2에서, 선형 증폭 회로에 의해 증폭된 출력신호는 최종적으로 MEMS 마이크로미러로 입력되고 있다. 도 2에 도시된 선형 증폭 회로의 전체 증폭률(Av)은 다음 수학식 1과 같이 결정된다.
Figure 112008028825434-pat00001
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백을 이용한 선형 증폭 회로의 실제 입출력 신호를 나타내는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 0~4V 100KHz 구형파 입력신호가 입력되었을 경우, 0~100V의 출력신호가 12V/us의 슬루 레이트로 출력되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백을 이용한 선형 증폭 회로는, 120V 이상의 동작영역을 가지면서 12V/us 이상의 슬루 레이트를 가짐을 분명하게 확인할 수 있다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백을 이용한 선형 증폭 회로의 구성을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백을 이용한 선형 증폭 회로를 실제 회로로 구성한 것을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백을 이용한 선형 증폭 회로의 실제 입출력 신호를 나타내는 도면.
<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: (본 발명의 일 실시예에 따른) 피드백을 이용한 선형 증폭 회로
110: 공통 이미터 단
120: 푸시-풀 단
130: 피드백 제어 단

Claims (6)

  1. 피드백을 이용한 선형 증폭 회로에 있어서,
    (1) 입력신호를 증폭시키는 공통 에미터 방식의 주 트랜지스터(Q5)와, 출력 임피던스를 구성하는 액티브 부하인 제1 트랜지스터(Q2), 및 상기 출력 임피던스의 크기를 결정하는 바이어스 저항(Rbias)을 포함하며, 상기 출력 임피던스의 크기에 의해 증폭률이 결정되는 공통 이미터 단(Common Emitter Stage);
    (2) 상기 주 트랜지스터(Q5)에 의해 증폭된 신호를 입력받아 푸시-풀 방식으로 구성된 제2 트랜지스터(Q3) 및 제3 트랜지스터(Q4)를 통과한 신호를 출력하는 푸시-풀 단(Push-Pull Stage); 및
    (3) 연산 증폭기(OP-AMP)를 포함하고, 상기 푸시-풀 단(Push-Pull Stage)에서 출력된 신호를 상기 연산 증폭기의 입력 중 하나의 신호로 인가하여 안정화시키며, 상기 연산 증폭기를 통과하여 출력된 신호를 다시 상기 주 트랜지스터(Q5)의 입력으로 인가하여 증폭시키는 피드백 제어 단(Feedback Stage)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 증폭 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    전류 거울(Current Mirror)에 의해 바이어스 전류를 제공하는 바이어스 단(Bias Stage)을 더 포함하는 것을 특징으로 선형 증폭 회로.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 제어 단은, 적어도 하나 이상의 저항을 포함하며, 상기 적어도 하나 이상의 저항에 의해 상기 선형 증폭 회로의 전체 증폭률이 결정되는 것을 특징으로 선형 증폭 회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 선형 증폭 회로는, 초미세 전기기계 시스템(Micro-Electro-Mechanical Systems; MEMS)과 함께 사용되는 것을 특징으로 선형 증폭 회로.
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