KR101398586B1 - 커패시터 충전 시간을 이용한 입력전압에 반비례하는 출력전압 회로 - Google Patents

커패시터 충전 시간을 이용한 입력전압에 반비례하는 출력전압 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 커패시터 충전 시간을 이용한 1/x 회로에 관한 것으로서, 입력전압 또는 리셋신호에 대응하여 생성된 입력 전류를 충방전하는 제1충방전부와, 제1충방전부의 충전에 따른 전압 변화에 대응하여 스위칭이 이루어지는 스위칭부와, 기준전압 또는 리셋신호에 대응하여 생성된 조정 전류를 스위칭부의 스위칭에 따라 충방전하는 제2충방전부와, 제2충방전부의 충전에 따른 샘플링 홀드 전압에 대응하여 출력 전압을 출력하는 출력부를 포함하는 아날로그 방식으로 1/x 회로를 구현함으로써 오차범위 ±0.5% 이내의 정확한 회로를 구현할 수 있을 뿐 아니라, 저항과 커패시터의 비를 이용하여 공정변화에 대한 민감도를 낮출 수 있다.

Description

커패시터 충전 시간을 이용한 입력전압에 반비례하는 출력전압 회로{1/X CIRCUIT USING CAPACITOR CHARGING TIME}
본 발명은 입력전압에 반비례하는 출력전압 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아날로그 방식을 이용하여 디지털 방식의 비선형성과 정확도를 개선하는 커패시터 충전 시간을 이용한 입력전압에 반비례하는 출력전압 회로에 관한 것이다.
입력전압에 반비례하는 출력전압 회로(이하, "1/x 회로"라 함)는 아날로그 회로 설계에서 유용하게 쓰여 진다. 1/x 회로는 아날로그 디바이더, 필터, 보청기, 대수 기능 제너레이터, LED 드라이버 회로 등에 쓰인다. 디지털 방식으로 구현한 1/x 회로는 정확한 1/x 출력 전압을 얻기에 한계가 있다.
기존의 디지털 방식을 이용하여 구현된 1/x 회로는 사용 비트(bit)수에 따라 정확도를 조절 할 수 있다. 즉, 디지털 방식을 이용하여 1/x 회로를 설계하면 비트(bit)수에 따라 해상도가 결정되므로 적은 비트 수를 사용하여서는 정확한 회로를 구성할 수 없다. 이에, 높은 정확도를 가지는 회로를 구성하기 위해서는 많은 비트수가 요구 되고, 비트수가 많아지면 회로가 복잡해지고 칩 면적이 커지는 단점이 있다.
한편, 기존의 아날로그 방식을 이용하여 구현한 1/x 회로는, 온도 변화와 공정 변화에 민감한 파라미터값이 존재하여 정확도가 떨어지는 단점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0051221호(공개일 2011.05.17.)
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 아날로그 방식을 이용하여 면적도 줄이면서 높은 정확도를 얻을 수 있는 커패시터 충전 시간을 이용한 1/x 회로를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 저항과 커패시터의 비율을 이용하여 온도변화 및 공정변화에 대한 민감도를 낮출 수 있도록 설계하여 출력의 오차 범위를 줄이는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 커패시터 충전 시간을 이용한 1/x 회로는, 입력전압 또는 리셋신호에 대응하여 생성된 입력 전류를 충방전하는 제1충방전부; 상기 제1충방전부의 충전에 따른 전압 변화에 대응하여 스위칭이 이루어지는 스위칭부; 기준전압 또는 리셋신호에 대응하여 생성된 조정 전류를 상기 스위칭부의 스위칭에 따라 충방전하는 제2충방전부; 및 상기 제2충방전부의 충전에 따른 샘플링 홀드 전압에 대응하여 출력 전압을 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1충방전부는, MOS 트랜지스터들로 구성된 전류 미러 회로; 상기 전류 미러 회로에 드레인단자가 접속된 MOS 트랜지스터(Mn1); 상기 입력전압이 입력되며, 상기 MOS 트랜지스터(Mn1)의 게이트단자에 출력단이 접속되어 게이트 전압을 조정하는 앰프1; 상기 MOS 트랜지스터(Mn1)의 소스단자에 일단이 접속되고 타단은 접지된 저항(RA); 상기 전류 미러 회로에 드레인단자가 접속되고, 게이트단자에 상기 리셋신호가 입력되고, 소스단자는 접지된 리셋 트랜지스터(MR1); 및 상기 전류 미러 회로로부터 공급되는 전류의 충방전이 이루어지는 커패시터(CA)를 포함한다.
상기 스위칭부는, 상기 리셋 트랜지스터(MR1)의 드레인단자의 노드전압(VA)과 상기 기준전압을 비교하는 앰프2; 상기 앰프2로부터 스위치 펄스를 생성하는 인버터; 및 상기 조정 전류를 통과시키는 MOS 트랜지스터(MS1)와 상기 조정 전류를 차단하는 MOS 트랜지스터(MS2)로 구성된 스위치를 포함한다.
상기 제2충방전부는, MOS 트랜지스터들로 구성된 전류 조정 회로; 상기 전류 조정 회로에 드레인단자가 접속된 MOS 트랜지스터(Mn2); 상기 기준전압이 입력되며, 상기 MOS 트랜지스터(Mn2)의 게이트단자에 출력단이 접속되어 게이트 전압을 조정하는 앰프3; 상기 MOS 트랜지스터(Mn2)의 소스단자에 일단이 접속되고 타단은 접지된 저항(RB); 상기 NMOS 트랜지스터(MS1)의 소스단자에 드레인단자가 접속되고, 게이트단자에 상기 리셋신호가 입력되고, 소스단자는 접지된 리셋 트랜지스터(MR2); 상기 전류 조정 회로 및 상기 스위치를 거쳐 공급되는 상기 조정전류의 충방전이 이루어지는 커패시터(CB)를 포함하며, 상기 MOS 트랜지스터(MS1) 및 상기 MOS 트랜지스터(MS2)는 상기 전류 조정 회로에 드레인단자가 접속되고, 상기 인버터에 게이트단자가 접속된다.
상기 출력부는, 상기 커패시터(CB)를 충전하는 전압(VB)을 샘플링 홀드 신호에 의해 스위칭되는 MOS 트랜지스터(M1, M2)를 통해 커패시터(CSH)에 충전하고, 샘플링 홀드에 의해 최고값을 출력 전압으로 출력하는 샘플링 홀드 회로를 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 커패시터 충전 시간을 이용한 1/x 회로에 따르면, 아날로그 방식으로 1/x 회로를 구현함으로써 오차범위 ±0.5% 이내의 정확한 회로를 구현할 수 있다. 또한, 저항과 커패시터의 비를 이용하여 공정변화에 대한 민감도를 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 커패시터 충전 시간을 이용한 1/x 회로이다.
도 2는 1/x 회로의 기본 동작 파형도이다.
도 3은 1/x 회로의 동작 파형도이다.
이하, 본 발명의 커패시터 충전 시간을 이용한 1/x 회로에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 커패시터 충전 시간을 이용한 1/x 회로이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 1/x 회로는, PMOS 트랜지스터들로 구성된 전류 미러 회로(1)에 드레인단자가 접속된 MOS 트랜지스터(Mn1)와, 입력전압이 입력되며, MOS 트랜지스터(Mn1)의 게이트단자에 출력단이 접속되어 게이트 전압을 조정하는 앰프1(2)과, MOS 트랜지스터(Mn1)의 소스단자에 일단이 접속되고 타단은 접지된 저항(RA)과, 전류 미러 회로(1)에 드레인단자가 접속되고, 게이트단자에 리셋신호가 입력되고, 소스단자는 접지된 리셋 트랜지스터(MR1)와, 전류 미러 회로(1)로부터 공급되는 전류의 충방전이 이루어지는 커패시터(CA)와, 리셋 트랜지스터(MR1)의 드레인단자의 노드전압(VA)과 기준전압(VREF)을 비교하는 앰프2(3)와, 앰프2(3)로부터 스위치 펄스를 생성하는 인버터(4)와, PMOS 트랜지스터들로 구성된 전류 조정 회로(5)에 드레인단자가 접속된 MOS 트랜지스터(Mn2)와, 기준전압이 입력되며, MOS 트랜지스터(Mn2)의 게이트단자에 출력단이 접속되어 게이트 전압을 조정하는 앰프3(6)과, MOS 트랜지스터(Mn2)의 소스단자에 일단이 접속되고 타단은 접지된 저항(RB)과, 전류 조정 회로(5)에 드레인단자가 접속되고, 인버터(4)에 게이트단자가 접속되며, 조정된 전류를 통과시키는 NMOS 트랜지스터(MS1)와 조정된 전류를 차단하는 NMOS 트랜지스터(MS2)로 구성된 스위치(7)와, NMOS 트랜지스터(MS1)의 소스단자에 드레인단자가 접속되고, 게이트단자에 리셋신호가 입력되고, 소스단자는 접지된 리셋 트랜지스터(MR2)와, 전류 조정 회로(5) 및 스위치(7)를 거쳐 공급되는 전류의 충방전이 이루어지는 커패시터(CB)와, 커패시터(CB)를 충전하는 전압(VB)를 샘플링 홀드 신호 SH(Sample and hold)에 의해 스위칭되는 NMOS 트랜지스터(M1, M2)를 통해 커패시터(CSH)에 충전하고, 샘플링 홀드에 의해 최고값을 출력 전압으로 출력하는 샘플링 홀드 회로(8)를 포함한다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예로서, NMOS 트랜지스터(Mn1, Mn2)의 게이트 전압을 조정하는 2개의 앰프(2, 3)와, 기준전압(VREF)과 노드전압(VA)을 비교하는 앰프(6)로 이루어진 총 3개의 앰프를 사용하였고, 전류 미러링 회로(1), 전류값을 조정하여 충전 전류량을 조정하는 전류 조정 회로(5), 저항 RA, RB, 커패시터 CA, CB, 샘플링 홀드 커패시터 CSH를 포함하는 샘플링 홀드 회로(8), 커패시터를 초기에 방전시키기 위한 리셋신호(RST) 및 스위치(7)(MS1, MS2) 제어를 위한 2개의 인버터(4)로 구성하고 있다.
이때, 전류 미러 회로(1), NMOS 트랜지스터(Mn1), 앰프1(2), 저항(RA), 리셋 트랜지스터(MR1) 및 커패시터(CA)는 입력전압 또는 리셋신호에 대응하여 생성된 입력 전류를 충방전하는 제1충방전부로서의 기능을 수행하며, 앰프2(3), 인버터(4) 및 스위치(7)는 제1충방전부의 충전에 따른 전압 변화에 대응하여 스위칭이 이루어지는 스위칭부로서의 기능을 수행하고, 전류 조정 회로(5), NMOS 트랜지스터(Mn2), 앰프3(6), 저항(RB), 리셋 트랜지스터(MR2), 커패시터(CB)는 기준전압 또는 리셋신호에 대응하여 생성된 조정 전류를 스위칭부의 스위칭에 따라 충방전하는 제2충방전부로서의 기능을 수행하며, MOS 트랜지스터(M1, M2) 및 커패시터(CSH)는 제2충방전부의 충전에 따른 샘플링 홀드 전압에 대응하여 출력 전압을 출력하는 출력부로서의 기능을 수행한다.
이와 같이 구성된 1/x 회로는, 앰프1(2)을 통하여 전압을 입력받아 피드백 회로를 통해 저항RA에 입력전압 VIN이 인가 된다. 이로 인해 흐르게 되는 전류 IIN은 전류 미러링을 통해 커패시터 CA에 충전 되게 된다. 커패시터 CA와 CB의 충전량을 초기에 0으로 같게 하기 위해 같은 리셋신호(RST, reset)에 의해 초기화 되어 있다. 커패시터 CA를 충전하는 전압 VA와 기준전압(VREF)를 앰프2(3)를 통해 비교하여 기준전압(VREF)보다 커패시터 CA를 충전하는 전압 VA가 낮을 때 커패시터 CA를 충전하게 되고, 이때 커패시터 CB를 충전하는 스위치신호 SW(스위치, Switch)를 켜주게 되어 커패시터 CB를 충전하게 된다. VA 전압이 기준전압(VREF)보다 높을 때는 SWb(스위치 바, Switch bar) 신호에 의해 커패시터 CB를 충전시키는 전류를 그라운드로 빼주게 된다. 커패시터 CB를 충전하는 전압 VB는 샘플링 홀드 신호 SH(Sample and hold)에 의해 커패시터 CSH를 충전하고, 샘플링 홀드에 의해 최고값을 출력 전압으로 출력하게 된다.
도 2는 커패시터의 충전 시간을 이용한 1/x 회로의 동작 설명이다. 1/x 회로의 기본 동작원리는 다음과 같다. RA에 흐르는 전류 IIN은 네거티브 피드백 에 의해,
Figure 112012105496417-pat00001
--- (1)
식(1)과 같이 되고 커런트 미러링을 통해 CA에 충전되게 된다. CA에 충전되는 충전량 QA값은 VA가 VREF와 같아질 때까지 충전이 되고,
Figure 112012105496417-pat00002
--- (2)
식(2)와 같고, 이를 식(1)과, 커패시터 CA에 충전되는 시간에 대해 정리를 하면,
Figure 112012105496417-pat00003
--- (3)
식(3)과 나타난다. CA의 노드전압(VA)와 기준전압(VREF)를 비교 하여 VREF이 VA보다 크게 되면 앰프의 출력이 High가 되어 SW가 High가 되고 커패시터 CB를 충전하게 된다. VREF가 VA보다 작으면 SWb가 High가 되어 전류 조정 회로(5)에서 나온 전류를 그라운드로 빼준다. RB에 흐르는 전류 IREF는 네거티브 피드백과 전류 조정 회로(5)에 의해,
Figure 112012105496417-pat00004
--- (4)
식(4)와 같다. 커패시터 TSW 시간 동안 CB로 충전되는 충전량 QB값은,
Figure 112012105496417-pat00005
--- (5)
식(5)와 같고, 리셋 펄스 신호(RST)에 의해 커패시터 CA와 CB에 충전되는 시간이 같게 되고, 이를 이용하여 VB에 대해 정리하면,
Figure 112012105496417-pat00006
--- (6)
식(6)과 같이 정리 된다. 샘플링과 홀드에 의해 VOUT의 값은 VB의 최대값과 같게 된다. 결론적으로 M, RA, RB, CA, CB, VREF는 상수이므로 입력전압(VIN)에 반비례 하는 출력 전압(VOUT)을 얻을 수 있다.
도 3은 입력전압을 일정하게 증가 시켰을 때 커패시터의 충전 전압 VA와 VB의 파형을 보여준다. VB의 최고값이 샘플링과 홀드로부터 VOUT 값을 얻는다. 커패시터 CA에 충전되는 전압 VA와 기준전압(VREF)과 비교하여 기준전압(VREF)보다 VA 값이 낮은 구간에서 SW를 켜주어 커패시터 CB로 전류 IB를 흘려 주어 도 3의 VB 파형과 같은 전압을 얻는다.
이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.
1 : 전류 미러 회로 2 : 앰프1
3 : 앰프2 4 : 인버터
5 : 전류 조정 회로 6 : 앰프3
7 : 스위치 8 : 샘플링 홀드 회로

Claims (5)

  1. 입력전압 또는 리셋신호에 대응하여 생성된 입력 전류를 충방전하는 제1충방전부;
    상기 제1충방전부의 충전에 따른 전압 변화에 대응하여 스위칭이 이루어지는 스위칭부;
    기준전압 또는 리셋신호에 대응하여 생성된 조정 전류를 상기 스위칭부의 스위칭에 따라 충방전하는 제2충방전부; 및
    상기 제2충방전부의 충전에 따른 샘플링 홀드 전압에 대응하여 출력 전압을 출력하는 출력부를 포함하는 커패시터 충전 시간을 이용한 입력전압에 반비례하는 출력전압 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1충방전부는,
    MOS 트랜지스터들로 구성된 전류 미러 회로;
    상기 전류 미러 회로에 드레인단자가 접속된 MOS 트랜지스터(Mn1);
    상기 입력전압이 입력되며, 상기 MOS 트랜지스터(Mn1)의 게이트단자에 출력단이 접속되어 게이트 전압을 조정하는 앰프1;
    상기 MOS 트랜지스터(Mn1)의 소스단자에 일단이 접속되고 타단은 접지된 저항(RA);
    상기 전류 미러 회로에 드레인단자가 접속되고, 게이트단자에 상기 리셋신호가 입력되고, 소스단자는 접지된 리셋 트랜지스터(MR1); 및
    상기 전류 미러 회로로부터 공급되는 전류의 충방전이 이루어지는 커패시터(CA)를 포함하는 커패시터 충전 시간을 이용한 입력전압에 반비례하는 출력전압 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스위칭부는,
    상기 리셋 트랜지스터(MR1)의 드레인단자의 노드전압(VA)과 상기 기준전압을 비교하는 앰프2;
    상기 앰프2로부터 스위치 펄스를 생성하는 인버터; 및
    상기 조정 전류를 통과시키는 MOS 트랜지스터(MS1)와 상기 조정 전류를 차단하는 MOS 트랜지스터(MS2)로 구성된 스위치를 포함하는 커패시터 충전 시간을 이용한 입력전압에 반비례하는 출력전압 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2충방전부는,
    MOS 트랜지스터들로 구성된 전류 조정 회로;
    상기 전류 조정 회로에 드레인단자가 접속된 MOS 트랜지스터(Mn2);
    상기 기준전압이 입력되며, 상기 MOS 트랜지스터(Mn2)의 게이트단자에 출력단이 접속되어 게이트 전압을 조정하는 앰프3;
    상기 MOS 트랜지스터(Mn2)의 소스단자에 일단이 접속되고 타단은 접지된 저항(RB);
    상기 NMOS 트랜지스터(MS1)의 소스단자에 드레인단자가 접속되고, 게이트단자에 상기 리셋신호가 입력되고, 소스단자는 접지된 리셋 트랜지스터(MR2);
    상기 전류 조정 회로 및 상기 스위치를 거쳐 공급되는 상기 조정전류의 충방전이 이루어지는 커패시터(CB)를 포함하며,
    상기 MOS 트랜지스터(MS1) 및 상기 MOS 트랜지스터(MS2)는 상기 전류 조정 회로에 드레인단자가 접속되고, 상기 인버터에 게이트단자가 접속되는 커패시터 충전 시간을 이용한 입력전압에 반비례하는 출력전압 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 출력부는,
    상기 커패시터(CB)를 충전하는 전압(VB)을 샘플링 홀드 신호에 의해 스위칭되는 MOS 트랜지스터(M1, M2)를 통해 커패시터(CSH)에 충전하고, 샘플링 홀드에 의해 최고값을 출력 전압으로 출력하는 샘플링 홀드 회로를 포함하는 커패시터 충전 시간을 이용한 입력전압에 반비례하는 출력전압 회로.
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