KR101095646B1 - 입력 커먼 모드 피드백과의 배율기-트랜스임피던스 증폭기 조합 - Google Patents

입력 커먼 모드 피드백과의 배율기-트랜스임피던스 증폭기 조합 Download PDF

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Abstract

배율기에 연결된 증폭기를 바이어스하기위해 전류미러를 사용한다.
배율기, 증폭기, 전류 미러, 바이어스

Description

입력 커먼 모드 피드백과의 배율기-트랜스임피던스 증폭기 조합{MULTIPLIER-TRANSIMPEDANCE AMPLIFIER COMBINATION WITH INPUT COMMON MODE FEEDBACK}
우선권 주장
본 출원은 "입력 커먼 모드 피드백과의 배율기-트랜스임피던스 증폭기 조합"을 발명의 명칭으로 하여 2006년 2월 17일자로 출원된 미국 특허출원 제 11/356,597 (리챠드 란드렛 이름으로 출원)[대리인 사건 번호 SIPEX-01001US0]에 기초한 우선권을 주장한다.
저작권 고지
본 특허 문서의 개시내용 일부는 저작권 보호 대상이 되는 내용을 내포하고 있다. 본 저작권자는 미국특허 상표청의 특허 출원 포대 또는 기록에 나타난 특허 문서 및 특허 개시내용에 대한 팩시밀리 복제에 대해 이의를 제기하지 않으나, 그외 모든 행위에 대해서는 저작권법에 저촉됨을 고지하는 바이다.
본 발명은 일반적으로 전기신호 증폭기 회로에 관한 것으로, 보다 특별하게는 보다 특별하게는 포토다이오드를 구비한 전기신호증폭기에 관한것이다.
포토 다이오드를 구비한 전기신호 증폭기는 DVD(Digital Versatile Disk) 플레이어 및 CD(Compact Disk)플레이에서와 같은 많은 어플리케이션, 및 회로 대역 폭을 유지하면서 광범위한 다이내믹 범위의 이득을 필요로하는 기타 많은 어플리케이션들에서 이용될 수 있다. 이는 여러가지 방식들중에서도 특히 통상적인 트랜스임피던스 증폭기 앞에 배율기(multiplier)를 배치함으로써 시도되었다.
본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 배율기/증폭기 회로의 일 예를 보인 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 개선된 배율기/증폭기를 보인 도면.
도 3은 배율기/증폭기 회로의 일 예에 대한 상세도.
도 1은 교차 결합(cross-coupled) 차동 증폭기(120)와 교차-결합 차동 증록기(125)로 구성될 수 있는 6-트랜지스터 길버트 셀 소수 배율기(6-transistor Gilbert cell fractional multifier)와 같은 그러한 배율기를 도시한 것이다. 차동 증폭기(120)는 트랜지스터 (121, 122, 123)로 구성될 수 있다. 차동 증폭기(125(는 트랜지스터(126, 127, 128)로 구성될 수 있다. 차동 증폭기(120)는 균형-차동(balanced-differential) 전류원(135)으로 제어될 수 있으며, 차동 증폭기(125)는 균형-차동 전류원에 의해 제어될 수 있다. 균형-차동 전류원(130, 135)은 외부 전위차계(미도시)에 의해 제어될 수 있다. 전류원(154, 156)은 포토다이오드(140)와 나란히 놓일 수 있다. 증폭기(150)는 피드백 저항기(152, 154)를 포함할 수 있 다.
일 실시예에서, 배율기의 교차 결합으로 인하여, 포토다이오드(140)에 의해 주입된 전류가 제로(0)일때, 비록 균형-차동 전류원이 서로 다른 전류들을 발생한다 하더라도 전류원(154, 156)이 동일한 전류를 발생하는 한 배율기(110)의 출력(146, 148)에서 차동전류의 어떠한 순 변화(net change)도 야기되지 않는다.
역으로, 균형-차동 전류원(130, 135)이 동일한 전류를 발생할 때, 포토다이오드(140)에 의해 주입된 포토전류는 트랜지스터(121, 126) 사이에 동등하게 분배되게된다. 이 포토전류는 배율기(110)의 출력(146, 148) (또한, 증폭기(150)의 입력)에서 커먼-모드 신호로서 나타나게된다. 배율기(110)의 순 출력(net output)은 출력(146)과 출력(148)간의 차이로서 정의된다. 상기 순수 출력 = 포토 다이오드로부터의 포토전류 X 전류원 (154, 156)에 의해 발생된 전류들간의 차이이다.
적합한 바이어싱을 제공하기 위해서, 배율기의 상비 출력전류(standing output current)가 저항기(160, 165)을 통해 제공될 수 있는 바, 이는 상기 커먼 모드 전압을 증폭기(150)의 입력에 설정한다. 배율기(110)의 이득은 대략 1 이다.
여러가지의 문제 및 성능 제한들이 도 1에 도시한 구조에 관계된다. 전술한 바이어싱 제한 때문에, TIA (150)의 피드백 인자(feedback factor)(Beta)가 이상적인 것보다 높아지게되며, 전형적인 값은 대략 1/5이다. 그러므로, 증폭기(150)와 관련된 출력 옵셋 전압, 옵셋 전압 드리프트 및 출력 노이즈는 각각 증폭기(150)의 입력(146, 148)과 관련된 값의 대략 5배가 된다. 개방 루프 이득이 최적보다 낮기때문에, 개방 루프 이득을 허용가능한 레벨로 상승시키기 위해서는 보다 복잡한 증폭기의 사용이 필요로 된다. 그러나, 저항기(160, 165)의 저항을 증가시킴으로써 Beta를 증가시키고자 하는 시도 결과, 1) 입력 커먼 모드 전압에서의 허용불가능한 변위 및 2) 배율기가 낮은 소수 이득으로 설정되었을 때 높은 과도 입력 커먼 모드 전압이 스윙(swing)되게 된다. 도 1의 구조를 이용하여 대략 100MH 보다 높은 폐쇄루프 대역폭을 달성할 수가 없다.
도 2에 보인 본 발명의 회로의 일 실시예는 트랜스임피던스와 같은 증폭기(202)에 동작가능하게 연결된 길버트 셀과 같은 배율기(201)를 포함한다. 이 배율기의 출력 노드(220, 222)가 증폭기(202)에 입력으로서 연결된다. 저항기들을 이용하여 증폭기(202)를 바이어스하기 보다는, 전류 미러(204)가 사용된다. 전류 미러(204)는 증폭기(202)에 대한 바이어스를 설정하기위해 증폭기(202)로부터의 피드백을 사용할 수 있다.
증폭기단에서의 입력 커먼 모드 전압은 전류 미러(304)에 의해 감지될 수 있으며, 입력 커먼 모드 전압을 출력 커먼 모드 전압과 동일하게 설정하기위해 전류가 피드백될 수 있다.
일 실시예에서, 도 1의 저항기(160, 165) 대신에 전류 미러(204)가 사용된다. 이는 증폭기(202)로의 입력에서의 전압 유입을 감소시킬 수 있다. 도 2의 예에서, 전류미러(204)는 3개의 트랜지스터(206, 208, 210)를 구비할 수 있으며, 이들의 베이스는 증폭기(202)의 노드(예컨대, 커먼 모드 피드벡 노드)에 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 트랜지스터(210)의 콜랙터는 트랜지스터(206, 208, 210)의 베이스 및 증폭기(202)의 한 노드에 연결될 수 있는 바, 이는 증폭기의 개선된 동작 을 가능하게하는 피드백을 제공하게된다.
입력 커먼 모드 피드백으로 인하여, 증폭기(202)로의 입력에의 커먼-모드 전압 유입이 100mv 보다 적게 제한될 수 있는 바, 이는 배율기에서의 광범위한 동적 범위의 이득 설정을 가능하게 해준다.
증폭기(202)는 이제 폐쇄-루프 이득 1에서 동작할 수 있으며, 그럼으로써 옵셋 및 옵셋 드리프트 RTO를 최소화시키면서도 루프 이득 및 폐쇄-루프 대역폭을 최대화할 수 있다. 그 결과, 배율기 이득 설정의 모든 범위를 통한 최대 대역폭에서뛰어난 DC 안정성을 확보할 수 있게 된다.
도 3은 일실시예에 따른 회로의 상세도이다. 도 3은 전류 미러(302). 증폭기(304) 및 배율기(306)를 구비한다, 배율기(306)의 출력 노드(308, 310)가 증폭기(304) 및 전류 미러(302)로의 입력으로서 연결된다. 커몬 노드 피드백 노드(312)가 증폭기(304)에 연결되어, 전류 미러(306)로의 피드백을 제공한다.
포토 다이오드(301)로부터의 신호가 없는 경우, 증폭기(304)의 트랜지스터(314, 316)의 베이스는 2.5V로 설정된다. 이 전압은 차동 쌍 드랜지스터(318, 320) 및 에미터 팔로워(322)로 구성되는 입력 커먼 모드 루프에 의해 확립된다. 전류 미러(302, 305) 역시 기준으로서 V2를 사용할 수 있다.
배율기(306)는 통상적인 6-트랜지스터 트랜스컨덕턴스 배율기로 될 수 있다. 만일 전류 (I4, I5)가 동일(0으로 배율)한 경우, 다이오드(301)로부터의 신호 전류는 배율기의 차동 쌍에 의해 동등하게 분할되며, 어떠한 차동 신호도 베이스들에 나타나지 않게된다. 그러나, 증폭기(304)의 트랜지스터(314, 316)의 베이스에 큰 커먼 모드 신호가 나타나게되며, 트랜지스터(314, 316)의 베이스에서 대략 2.5V의 커먼 모드를 유지하도록 조정되게된다. 차이 전류가 트랜지스터 (I4, I5)사이에 확립될 때, 포트다이오드(301)로부터의 신호 전류는 배율기 차동 쌍사이에서 불균일하게 분할되며, 차이전류가 커먼 모드 전류와의 조합으로 트랜지스터(314, 316)의 베이스에 나타나게된다. 상기 차이 전류는 트랜지스터(332, 334)의 에미터에서 차동 출력 전압으로 나타나게된다. 나머지 커먼 모드 전류는 입력 커먼 모드 루프에 의해 취해지며, 커먼 모드 출력 전압은 출력 커먼 모드 루프에 의해 2.5V로 유지되게 된다.
상기 증폭기는 이득 1로 동작할 수 있게 된다. 이는 대역폭을 최대화함과 아울러 노이즈를 최소화하고 출력전압 드리프트를 최소화한다. 입력 커먼 모드 피드백의 사용으로 인해, 증폭기(304)로의 입력에서의 커먼 모드 전압 유입이 대략 200-300V 보다 크지 않은 모든 범위로 제한되게되는 바, 이는 배율기에서의 광범위한 동적 범위의 이득 설정을 가능하게해준다. 증폭기단은 폐쇄-루프 이득 1에서 동작할 수 있으며, 그럼으로써 옵셋 전압 및 옵셋 드리프트 를 최소화시키면서도 루프 이득 및 폐쇄-루프 대역폭을 최대화할 수 있다. 그 결과, 배율기 이득 설정의 모든 범위를 통한 최대 대역폭에서 뛰어난 DC 안정성을 확보할 수 있게 된다.
대역폭은 최대화되고, 노이즈는 최소화되고, 옵셋 및 옵셋 드리프트 역시 최소화된다. 이는 레이저 파워를 제어하기위한 초고속 배율기 이득 제어 디바이스를 제조할 수 있게 해준다.
실시예들에 따르면, 본 발명의 회로는 또한 차동-인/차동-아웃 동작(differential-in/differential-out operation)을 제공하도록 출력 모드 조정 루프(regulation loop)를 포함할 수도 있다.
도 3에 보인 바와같이, 출력 전류 미러 (305)가 증폭기 출력에 연결될 수 있다.
본 발명의 전술한 본 발명의 바람직한 실시예의 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공된 것이다. 따라서, 개시된 특정 형태에 본 발명이 포괄되거나 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 원리 및 그 실제적인 적용을 가장 잘 설명하기 위하여 많은 실시예가 선택되고 설명되었으며, 따라서 이 기술분야의 당업자라면 본 발명의 다양한 실시예를 이해할 수 있고 특정 용도에 적합하도록 본 발명을 다양하게 변형할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 이하에 기재하는 특허청구의 범위 및 그 균등물에 의해 한정된다.

Claims (20)

  1. 전기 신호 증폭 회로로서,
    (a) 증폭기 입력 신호를 생성하기위해 두개의 전기적 입력 신호를 수신 및 배율하는 배율기와 , 여기서 상기 증폭기 입력 신호는 입력 커먼 모드 전압을 포함하며;
    (b) 상기 배율기로 부터 상기 입력 신호을 수신하여 상기 입력 신호를 증폭하는 증폭기와; 그리고
    (c) 상기 증폭기 입력을 바이어스하도록된 전류 미러를 포함하며,
    상기 배율기에 수신되는 상기 두개의 전기 신호들 중 하나의 신호는 포토다이오드로부터 전송되고, 상기 두개의 전기 신호들 중 다른 하나의 신호는 고정된 전류원으로부터 전송되는 것을 특징으로 하는 전기신호 증폭기 회로.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전류 미러는 상기 입력 커먼 모드 전압을 일정한 레벨(constant level)로 유지하는 전기신호 증폭기 회로.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 배율기는 길버트 셀인 전기신호 증폭기 회로.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 증폭기의 이득/피드백 인자/Beta는 1인 전기신호 증폭기 회로.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 배율기는 상기 증폭기와 상기 전류 미러에 연결되는 2개의 출력을 갖는 전기신호 증폭기 회로.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 증폭기는 트랜스임피던스 증폭기인 전기신호 증폭기 회로.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 입력 커먼 모드 전압의 시간에 걸친 전범위 변위는 300mV를 초과하지 않는 전기신호 증폭기 회로.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 배율기에 적어도 하나의 입력을 생성하는 포토다이오드를 더 포함하는 전기신호 증폭기 회로
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 증폭기의 출력은 레이저-기반 디바이스에서 사용되는 전기신호 증폭기 회로.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 레이저-기반 디바이스는 CD 드라이브인 전기신호 증폭기 회로.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 레이저-기반 디바이스는 DVD 드라이브인 전기신호 증폭기 회로.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 전류 미러는 상기 배율기에 연결되는 전기신호 증폭기 회로.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 전류 미러는 상기 증폭기에 연결되는 전기신호 증폭기 회로.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 증폭기의 출력에 연결되는 출력 커먼 모드 조정 루프를 더 포함하며,
    상기 출력 커먼 모드 조정 루프는 상기 출력 커먼 모드 전압과 상기 입력 커먼 모드 전압간 차이의 크기를 감소시키도록 된 전기신호 증폭기 회로.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 전류 미러는 상기 증폭기에 연결된 복수의 트랜지스터를 포함하는 전기신호 증폭기 회로.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 전류 미러의 트랜스터들중 하나의 베이스가 상기 증폭기의 한 노드에 연결된 전기신호 증폭기 회로.
  17. 포토다이오드와;
    상기 포토다이오드에 동작가능하게 연결된 길버트 셀과;
    상기 길버트 셀의 두개의 출력에 동작가능하게 연결된 2-입력 증폭기와; 그리고
    상기 증폭기의 2개의 입력을 바이어스하기위한 피드백 유닛을 포함하여 구성되며, 상기 피드백 유닛은 상기 증폭기의 피드백 노드에 연결되고, 상기 길버트 셀은 고정된 전류원에 연결되는 것을 특징으로 하는 회로.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 피드백 유닛은 전류 미러인 회로.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 피드백 유닛은 상기 입력 커먼 모드 전압을 일정한 레벨(constant level)로 유지하는 회로.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 증폭기의 입력 커먼 모드 전압을 상기 증폭기의 출력 커먼 모드 전압과 동일하게 설정하기위해 전류가 피드백되는 회로.
KR1020087022737A 2006-02-17 2007-02-16 입력 커먼 모드 피드백과의 배율기-트랜스임피던스 증폭기 조합 KR101095646B1 (ko)

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