KR101811413B1

KR101811413B1 - 2세대 전류 컨베이어를 이용한 오디오 수신 장치

Info

Publication number: KR101811413B1
Application number: KR1020160174638A
Authority: KR
Inventors: 한상현
Original assignee: 주식회사 리딩유아이
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2017-12-21
Also published as: WO2018117525A1

Abstract

마이크로폰에서 출력되는 오디오 신호에 대응하는 전류를 전압으로 변환할 수 있고, 기생 캐패시터나 기생 저항에 의한 노이즈 성분을 제거할 수 있는 전류 컨베이어를 이용한 오디오 수신 장치가 개시된다. 오디오 수신 장치는, 인가되는 음향에 응답하여 오디오 신호를 출력하는 마이크로폰 장치; 및 상기 마이크로폰 장치에서 출력되는 오디오 신호에 대응하는 전류를 전압으로 변환하는 2세대 전류 컨베이어를 포함한다.

Description

2세대 전류 컨베이어를 이용한 오디오 수신 장치{AUDIO RECEIVING DEVICE USING A SECOND GENERATION CURRENT CONVEYOR Ⅱ}

본 발명은 전류 컨베이어를 이용한 오디오 수신 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로폰에서 출력되는 오디오 신호에 대응하는 전류를 전압으로 변환할 수 있고, 기생 캐패시터나 기생 저항에 의한 노이즈 성분을 제거할 수 있는 전류 컨베이어를 이용한 오디오 수신 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 2세대 전류 컨베이어(CCⅡ)는 전류-모드 신호 처리의 기본 구성 소자로서 알려져 있다. 2세대 전류 컨베이어는 Y-포트의 전압을 팔로워(follower)하는 X-포트가 전압 팔로워의 기능을 하고, X단자로 유입 및 유출되는 전류를 컨베이어(conveyor)하는 Z단자가 전류 팔로워의 기능을 하고 있다.

따라서 전류-모드 신호 처리의 기본 구성 회로로서 2세대 전류 컨베이어 자체 및 그것의 응용회로의 연구가 활발히 진행되고 있다. 이상적인 2세대 전류 컨베이어의 전압이 입력되는 Y-포트(또는 전압입력단자)는 무한대의 입력 임피던스, 전류가 입력되는 X-포트(또는 전류입력단자)는 영(zero)의 입력 임피던스, 그리고 전류가 출력되는 Z단자(또는 전류출력단자)는 무한대의 출력 임피던스를 갖는다.

한편, 이동통신 단말장치란 휴대폰, 개인 휴대정보 단말기(PDA: personal digital assistant) 등 상대방과 커뮤니케이션을 수행할 수 있는 통신기기를 말한다. 이러한 이동통신 단말장치는 통화음 이외에 외부로부터 또는 내부로부터 발생되는 소음을 제거하거나 감소시킴으로써, 통화 품질을 향상시키고 있다. 소음 제거와 관련된 기술은 모두 기계적 방식의 노이즈 켄슬링(Noise-Canceling) 기법을 사용한다.

그러나, 수신자 측의 주변 환경에서 발생되는 소음은 수신자 측의 이동통신 단말장치에서 출력되는 통화음과 뒤섞여서 수신자의 청각기관으로 수용될 수밖에 없다. 이로 인해, 종래에는 수신자가 소음에 노출될 경우에는 통화음을 알아들을 수 없다는 문제점이 발생된다. 예를 들어 주변환경이 지하철역 또는 도로 등이라고 했을 때, 사람의 청각기관은 송신자로부터 전송된 통화음을 지하철역 또는 도로의 소음으로 인해 효과적으로 알아들을 수 없다. 사람의 청각기관이 이동통신 단말장치의 스피커에서 출력되는 통화음을 수신할 때, 사람의 청각기관은 통화음과 함께 수신되는 소음의 간섭으로 인해 통화음을 제대로 인식할 수 없게 된다.

종래의 기술은 이러한 수신자 측 이동통신 단말장치의 소음을 제거하거나 감소시키는 기술을 제시하는 것이 아니며, 또한, 사람의 청각기관의 특성을 고려한 기술도 제시된 바가 없다.

한국등록특허 제10-1053254호 (2011. 07. 26.) (전류 컨베이어 회로) 한국등록특허 제10-1152601호 (2012. 05. 29.) (2세대 전류 컨베이어를 이용한 단방향 전류 감지회로) 한국등록특허 제10-1058475호 (2011. 08. 16.) (그라핀 멤브레인을 이용한 MEMS 마이크로폰과 그 제조방법)

이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에 착안한 것으로, 본 발명의 목적은 마이크로폰에서 출력되는 오디오 신호에 대응하는 전류를 전압으로 변환할 수 있고, 기생 캐패시터나 기생 저항에 의한 노이즈 성분을 제거할 수 있는 전류 컨베이어를 이용한 오디오 수신 장치를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 오디오 수신 장치는, 인가되는 음향에 응답하여 오디오 신호를 출력하는 마이크로폰 장치; 및 상기 마이크로폰 장치에서 출력되는 오디오 신호에 대응하는 전류를 전압으로 변환하는 2세대 전류 컨베이어를 포함한다.

일실시예에서, 상기 2세대 전류 컨베이어는, Y-포트 및 X-포트에 공통 연결된 상측 차동 입력단 및 하측 차동 입력단을 통해 레일-투-레일 입출력을 구현하고, 바이어스 전압에 의해 인가되는 전류를 상기 Y-포트의 전압과 상기 X-포트의 전압을 근거로 미러링하여 제1 구동전압(P_DRV) 및 제2 구동전압(N_DRV)을 출력하는 코어 블록; 및 상기 제1 구동전압(P_DRV) 및 상기 제2 구동전압(N_DRV)에 응답하여 정상출력전류를 ZP-포트를 통해 출력하고, 상기 정상출력전류에 대해 역상의 위상을 갖는 반전출력전류를 ZN-포트를 통해 출력하는 드라이빙 블록을 포함하는 평형 출력 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(이하, BORRCCⅡ)일 수 있다.

일실시예에서, 상기 마이크로폰 장치는, 전자콘덴서마이크로폰(Electret Condenser Microphone, 이하 ECM); 일단이 전원전압단에 연결되고, 타단이 상기 ECM의 출력단에 연결된 풀업-저항; 및 일단이 상기 ECM의 출력단 및 상기 풀업-저항의 타단에 연결되고, 타단이 상기 X-포트에 연결되어, 상기 ECM로부터 출력되는 DC 오프셋 전압을 제거하고 신호 성분만을 전달하는 제1 캐패시터를 포함할 수 있다.

일실시예에서, 상기 Y-포트에 공통모드전압이 인가되고, 상기 오디오 수신 장치는, 일단이 상기 공통모드전압에 연결되고 타단이 상기 ZP-포트에 연결된 ZP-저항; 및 일단이 상기 공통모드전압에 연결되고 타단이 상기 ZN-포트에 연결된 ZN-저항을 더 포함할 수 있다.

일실시예에서, 상기 마이크로폰 장치는, 미세전자기계시스템(Micro Electro Mechanical System, 이하, MEMS) 마이크로폰 모듈; 및 일단이 상기 MEMS 마이크로폰의 출력단에 연결되고, 타단이 상기 X-포트에 연결된 제1 캐패시터를 포함할 수 있다.

일실시예에서, 상기 2세대 전류 컨베이어는, 제1 평형 출력 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(이하, 제1 BORRCCⅡ); 및 제2 평형 출력 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(이하, 제2 BORRCCⅡ)를 포함하는 완전 평형 차동 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(이하, FBDRRCCⅡ)일 수 있다. 여기서, 상기 제1 BORRCCⅡ 및 상기 제2 BORRCCⅡ 각각은, Y-포트 및 X-포트에 공통 연결된 상측 차동 입력단 및 하측 차동 입력단을 통해 레일-투-레일 입출력을 구현하고, 바이어스 전압에 의해 인가되는 전류를 상기 Y-포트의 전압과 상기 X-포트의 전압을 근거로 미러링하여 제1 구동전압(P_DRV) 및 제2 구동전압(N_DRV)을 출력하는 코어 블록; 및 상기 제1 구동전압(P_DRV) 및 상기 제2 구동전압(N_DRV)에 응답하여 정상출력전류를 ZP-포트를 통해 출력하고, 상기 정상출력전류에 대해 역상의 위상을 갖는 반전출력전류를 ZN-포트를 통해 출력하는 드라이빙 블록을 포함하고, 상기 제1 BORRCCⅡ의 상기 Y-포트 및 X-포트는 각각 YP-포트 및 XP-포트를 정의하고, 상기 제2 BORRCCⅡ의 상기 Y-포트 및 X-포트는 각각 YN-포트 및 XN-포트를 정의하고, 상기 제1 BORRCCⅡ의 상기 ZP-포트와 상기 제2 BORRCCⅡ의 상기 ZN-포트는 서로 연결되어 ZPF-포트를 정의하고, 상기 제1 BORRCCⅡ의 상기 ZN-포트와 상기 제2 BORRCCⅡ의 상기 ZP-포트는 서로 연결되어 ZNF-포트를 정의할 수 있다.

일실시예에서, 상기 마이크로폰 장치는, 전자콘덴서마이크로폰(Electret Condenser Microphone, 이하 ECM); 일단이 전원전압단에 연결되고, 타단이 상기 ECM의 제1 출력단에 연결된 풀업-저항; 일단이 상기 ECM의 제1 출력단에 연결되고, 타단이 상기 XP-포트에 연결된 제1 캐패시터; 및 일단이 상기 ECM의 제2 출력단에 연결되고, 타단이 상기 XN-포트에 연결된 제2 캐패시터를 포함할 수 있다.

일실시예에서, 상기 YP-포트 및 상기 YN-포트에 공통모드전압이 인가되고, 상기 오디오 수신 장치는, 일단이 상기 공통모드전압에 연결되고 타단이 상기 ZP-포트에 연결된 ZP-저항; 및 일단이 상기 공통모드전압에 연결되고 타단이 상기 ZN-포트에 연결된 ZN-저항을 더 포함할 수 있다.

일실시예에서, 상기 마이크로폰 장치는, MEMS 마이크로폰; 일단이 상기 MEMS 마이크로폰의 제1 출력단에 연결되고, 타단이 상기 XP-포트에 연결된 제1 캐패시터; 및 일단이 상기 MEMS 마이크로폰의 제2 출력단에 연결되고, 타단이 상기 XN-포트에 연결된 제2 캐패시터를 포함할 수 있다.

상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 오디오 수신 장치는, 바이어스 전압과 인가되는 음향에 응답하여 오디오 신호에 대응하는 오디오 전류를 출력하는 MEMS 마이크로폰 센서; 본딩 와이어를 통해 상기 MEMS 마이크로폰 센서에 전기적으로 연결되고, 상기 오디오 전류를 오디오 전압으로 변환하는 리드-아웃 인터페이스 기능을 수행하는 2세대 전류 컨베이어; 및 상기 2세대 전류 컨베이어를 통해 노이즈를 서로 상쇄시켜 상기 오디오 신호에서 노이즈를 제거하기 위해, 상기 MEMS 마이크로폰 센서를 전기적으로 모델링한 센서 모델링 블록의 캐패시턴스 성분과 동일하게 설계된 캐패시턴스 성분을 포함하는 노이즈 상쇄 블록을 포함한다.

일실시예에서, 상기 2세대 전류 컨베이어는 제1 평형 출력 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(이하, 제1 BORRCCⅡ); 및 제2 평형 출력 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(이하, 제2 BORRCCⅡ)를 포함하는 완전 평형 차동 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(이하, FBDRRCCⅡ)일 수 있다. 여기서, 상기 제1 BORRCCⅡ 및 상기 제2 BORRCCⅡ 각각은, Y-포트 및 X-포트에 공통 연결된 상측 차동 입력단 및 하측 차동 입력단을 통해 레일-투-레일 입출력을 구현하고, 바이어스 전압에 의해 인가되는 전류를 상기 Y-포트의 전압과 상기 X-포트의 전압을 근거로 미러링하여 제1 구동전압(P_DRV) 및 제2 구동전압(N_DRV)을 출력하는 코어 블록; 및 상기 제1 구동전압(P_DRV) 및 상기 제2 구동전압(N_DRV)에 응답하여 정상출력전류를 ZP-포트를 통해 출력하고, 상기 정상출력전류에 대해 역상의 위상을 갖는 반전출력전류를 ZN-포트를 통해 출력하는 드라이빙 블록을 포함하고, 상기 제1 BORRCCⅡ의 상기 Y-포트 및 X-포트는 각각 YP-포트 및 XP-포트를 정의하고, 상기 제2 BORRCCⅡ의 상기 Y-포트 및 X-포트는 각각 YN-포트 및 XN-포트를 정의하고, 상기 제1 BORRCCⅡ의 상기 ZP-포트와 상기 제2 BORRCCⅡ의 상기 ZN-포트는 서로 연결되어 ZPF-포트를 정의하고, 상기 제1 BORRCCⅡ의 상기 ZN-포트와 상기 제2 BORRCCⅡ의 상기 ZP-포트는 서로 연결되어 ZNF-포트를 정의한다.

일실시예에서, 상기 노이즈 상쇄 블록은, 제1 상쇄 캐패시터; 상기 제1 상쇄 캐패시터의 일단에 제1 노드를 통해 연결된 일단과, 접지단에 연결된 타단을 갖는 제2 상쇄 캐패시터; 및 상기 제1 상쇄 캐패시터의 타단에 제2 노드를 통해 연결된 일단과, 접지단에 연결된 타단을 갖는 제3 상쇄 캐패시터를 포함할 수 있다.

일실시예에서, 상기 노이즈 상쇄 블록은 상기 FBDRRCCⅡ가 내장된 리드-아웃 반도체칩의 외부에 배치되고, 상기 제1 노드는 상기 바이어스 전압에 연결되고, 상기 제2 노드는 리드-아웃 반도체칩에 내장된 상기 FBDRRCCⅡ의 XN-포트에 연결될 수 있다.

일실시예에서, 상기 노이즈 상쇄 블록은 상기 FBDRRCCⅡ가 내장된 리드-아웃 반도체칩의 내부에 배치되고, 상기 제1 노드는 상기 리드-아웃 반도체칩의 패드에 연결되고, 상기 제2 노드는 상기 FBDRRCCⅡ의 XN-포트에 연결될 수 있다.

일실시예에서, 상기 노이즈 상쇄 블록은 상기 FBDRRCCⅡ가 내장된 리드-아웃 반도체칩의 내부에 배치되고, 상기 제1 노드는 상기 리드-아웃 반도체칩의 제1 패드에 연결되고, 상기 제2 노드는 상기 리드-아웃 반도체칩의 제2 패드에 연결되고, 상기 제2 패드는 외부의 본딩 와이어를 통해 상기 FBDRRCCⅡ의 XN-포트에 연결될 수 있다.

이러한 2세대 전류 컨베이어를 이용한 오디오 수신 장치에 의하면, 외부에서 인가되는 음향에 응답하여 오디오 신호를 출력하는 마이크로폰 장치의 출력단, 예를들어 ECM이나 MEMS 마이크로폰의 출력단에 증폭회로로서 2세대 전류 컨베이어를 구성하므로써, 오디오 신호에 대응하는 전류를 전압으로 변환할 수 있다. 또한, MEMS 마이크로폰용 차동 리드-아웃 회로로서 2세대 전류 컨베이어, 예를들어 FBDRRCCⅡ를 구성함으로써, FBDRRCCⅡ의 로우 임피던스 입력 포트를 사용할 수 있어 기생 캐패시터에 의한 노이즈 성분이나 기생 저항에 의한 노이즈 성분을 제거할 수 있다. 또한, 노이즈 성분에 의한 출력 전압의 노이즈 특성을 개선할 수 있다.

도 1은 바이어스 회로 블록을 나타내는 심볼이다.
도 2는 바이어스 회로 블록의 회로도이다.
도 3은 바이어스 회로 블록에서 생성된 정상바이어스전압들을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 바이어스 회로 블록에서 생성된 반전바이어스전압들을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 코어 블록을 나타내는 심볼이다.
도 6은 2세대 전류 컨베이어의 드라이버들 중 제1 출력 드라이버를 나타내는 심볼이다.
도 7은 제1 출력 드라이버의 회로도이다.
도 8은 전류 컨베이어의 드라이버들 중 제2 출력 드라이버를 나타내는 심볼이다.
도 9는 전류 컨베이어의 드라이버들 중 제2 출력 드라이버의 회로도이다.
도 10은 전류 컨베이어의 드라이버들 중 드라이빙 블록을 나타내는 심볼이다.
도 11은 드라이빙 블록의 회로도이다.
도 12는 평형 출력 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(이하, BORRCCⅡ)를 나타내는 심볼이다.
도 13은 공통모드전압 공급기를 설명하기 위한 구성도이다.
도 14는 완전 평형 차동 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(이하, FBDRRCCⅡ)의 구현을 설명하기 위한 심볼이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 평형 출력 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어를 설명하기 위한 회로도이다.
도 16은 레일-투-레일 입력을 설명하기 위한 그래프이다.
도 17은 전류 미러들에 대응하는 드레인-소스간 전압 대비 드레인 전류 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 18은 도 15에 도시된 평형 출력 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어의 입출력 파형을 설명하기 위한 그래프이다.
도 19는 제1 드라이버에 구비되는 MP10 및 MN10의 전류 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 20은 2세대 전류 컨베이어의 특징을 설명하기 위한 등가 회로도이다.
도 21은 본 발명에 따른 BORRCCⅡ를 이용하여 전압-전류 변환기를 구성한 구성도이다.
도 22는 도 21에 도시된 전압-전류 변환기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 23은 본 발명에 따른 BORRCCⅡ를 이용하여 전압 증폭기를 구성한 구성도이다.
도 24는 도 23에 도시된 전압 증폭기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 25는 본 발명에 따른 BORRCCⅡ를 이용하여 전류-전압 변환기를 구성한 구성도이다.
도 26은 도 25에 도시된 전류-전압 변환기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 27은 본 발명에 따른 BORRCCⅡ를 이용하여 전류 증폭기를 구성한 구성도이다.
도 28은 도 27에 도시된 전류 증폭기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 29는 2개의 본 발명에 따른 BORRCCⅡ를 이용하여 FBDRRCCⅡ를 구성한 구성도이다.
도 30은 FBDRRCCⅡ의 심볼을 나타낸다.
도 31은 본 발명에 따른 FBDRRCCⅡ를 이용하여 완전 차동 전압-전류 변환기를 구성한 구성도이다.
도 32는 도 31에 도시된 완전 차동 전압-전류 변환기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 33은 본 발명에 따른 FBDRRCCⅡⅡ를 이용하여 완전 차동 전압 증폭기를 구성한 구성도이다.
도 34는 도 33에 도시된 완전 차동 전압 증폭기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 35는 본 발명에 따른 FBDRRCCⅡ를 이용하여 완전 차동 전류-전압 변환기를 구성한 구성도이다.
도 36은 도 35에 도시된 완전 차동 전류-전압 변환기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 37은 본 발명에 따른 FBDRRCCⅡ를 이용하여 완전 차동 전류 증폭기를 구성한 구성도이다.
도 38은 도 37에 도시된 완전 차동 전류 증폭기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 39는 본 발명의 일실시예에 따른 오디오 수신 장치를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 40은 도 39에 도시된 ECM의 내부 등가 회로도이다.
도 41은 본 발명의 다른 실시예에 따른 오디오 수신 장치를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 42는 도 41에 도시된 MEMS 마이크로폰 센서의 구조를 개략적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 43은 도 42의 MEMS 마이크로폰 센서를 갖는 MEMS 마이크로폰의 구조를 개략적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 44는 도 43에 도시된 MEMS 마이크로폰을 전기적으로 모델링한 회로도이다.
도 45는 본 발명의 다른 실시예에 따른 오디오 수신 장치를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 46은 본 발명의 다른 실시예에 따른 오디오 수신 장치를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 47은 본 발명의 다른 실시예에 따른 오디오 수신 장치를 개략적으로 설명하기 위한 회로도이다.
도 48은 도 47의 차동 리드-아웃 회로에서 노이즈 상쇄 블록의 제1 구현예를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 49는 도 47의 차동 리드-아웃 회로에서 노이즈 상쇄 블록의 제2 구현예를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 50은 도 47의 차동 리드-아웃 회로에서 노이즈 상쇄 블록의 제3 구현예를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

먼저, 본 명세서에서 언급되는 회로들의 명칭이나 심볼에 대해서 설명한다.

도 1은 바이어스 회로 블록을 나타내는 심볼이다. 도 2는 바이어스 회로 블록의 회로도이다. 도 3은 바이어스 회로 블록에서 생성된 정상바이어스전압들을 설명하기 위한 그래프이다. 도 4는 바이어스 회로 블록에서 생성된 반전바이어스전압들을 설명하기 위한 그래프이다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 바이어스 회로 블록(BIAS)은 복수의 PMOS들과 복수의 NMOS들로 구성되고, 외부로부터 기준 전류(IREF)를 공급받아 PMOS에 바이어스 전압으로 공급되는 제1 정상바이어스전압(VBP0), 제2 정상바이어스전압(VBP1) 및 제3 정상바이어스전압(VBP2)를 생성하고, NMOS에 바이어스 전류로 공급되는 제1 반전바이어스전압(VBN0), 제2 반전바이어스전압(VBN1) 및 제3 반전바이어스전압(VBN2)를 생성한다.

본 실시예에서, 상대적으로 높은 전원전압인 VDD는 PMOS들에 인가되고, 상대적으로 낮은 전원전압인 VSS는 NMOS들에 인가된다. PMOS에서, 상대적으로 높은 전압에 연결된 단자를 소스, 제어전압이 인가되는 단자를 게이트, 나머지 단자를 드레인으로 칭한다. 또한, NMOS에서 상대적으로 낮은 전압에 연결된 단자를 소스, 제어전압이 인가되는 단자를 게이트, 나머지 단자를 드레인으로 칭한다.

MN0의 소스는 VSS에 연결되고, 게이트 및 드레인은 공통 연결되어 MN1의 소스에 연결된다. MN1의 소스는 MN0의 드레인에 연결되고, 게이트 및 드레인은 공통 연결되어 기준전류(IREF)가 인가되는 단자에 연결된다. MN2의 소스는 VSS에 연결되고, 게이트는 MN0의 게이트에 연결되고, 드레인은 MN3의 소스에 연결된다. MN3의 소스는 MN2의 드레인에 연결되고, 게이트는 MN1의 게이트에 연결되고, 드레인은 MP2의 드레인에 연결된다. MN4의 소스는 VSS에 연결되고, 게이트는 MN0 및 MN2 각각의 게이트에 연결되고, 드레인은 MN5의 소스에 연결된다. MN5의 소스는 MN4의 드레인에 연결되고, 게이트는 MN1 및 MN3 각각의 게이트에 연결되고, 드레인은 MP3의 드레인에 연결된다.

MP0의 소스는 VDD에 연결되고, 게이트는 MP1의 드레인에 연결되고, 드레인은 MP1의 소스에 연결된다. MP1의 소스는 MP0의 드레인에 연결되고, 게이트는 MP3의 게이트에 연결되고, 드레인은 MP2의 소스에 연결된다. MP2의 소스는 MP1의 드레인 및 MP0의 게이트에 연결되고, 게이트 및 드레인은 공통 연결되어 MN3의 드레인에 연결된다. MP3의 소스는 VDD에 연결되고, 게이트는 MP1의 게이트에 연결되고, 드레인은 MN5의 드레인에 연결된다. MP4의 소스는 VDD에 연결되고, 게이트는 MP0의 게이트에 연결되고, 드레인은 MP5의 소스에 연결된다. MP5의 소스는 MP4의 드레인에 연결되고, 게이트는 MP3의 게이트에 연결되고, 드레인은 MN8의 드레인에 연결된다. MP6의 소스는 VDD에 연결되고, 게이트는 MP0 및 MP4 각각의 게이트에 연결되고, 드레인은 MP7의 소스에 연결된다. MP7의 소스는 MP6의 드레인에 연결되고, 게이트는 MP3 및 MP5 각각의 게이트에 연결되고, 드레인은 MN9의 드레인에 연결된다.

여기서, MP0, MP4, MP6 각각의 게이트를 통해 제1 정상바이어스전압(VBP0)이 생성되고, MP1, MP3, MP5 및 MP7 각각의 게이트를 통해 제2 정상바이어스전압(VBP1)이 생성되고, MP2의 게이트를 통해 제3 정상바이어스전압(VBP2)이 생성된다.

MN6의 소스는 VSS에 연결되고, 게이트는 MN7의 드레인에 연결되고, 드레인은 MN7의 소스에 연결된다. MN7의 소스는 MN6의 드레인에 연결되고, 게이트는 MN9의 게이트에 연결되고, 드레인은 MN8의 소스 및 MN6의 게이트에 연결된다. MN8의 드레인 및 게이트는 공통 연결되어 MP5의 드레인에 연결되고, 소스는 MN7의 드레인에 연결된다. MN9의 소스는 VSS에 연결되고, 게이트는 MN7의 게이트에 연결되고, 드레인은 MP7의 드레인에 연결된다.

여기서, MN6의 게이트를 통해 제1 반전바이어스전압(VBN0)이 생성되고, MN7 및 MN9의 게이트를 통해 제2 반전바이어스전압(VBN1)이 생성되고, MN8의 게이트를 통해 제3 반전바이어스전압(VBN2)이 생성된다.

PMOS의 바이어스 전압으로 인가되는 정상바이어스전압(VBP), 즉 제1 정상바이어스전압(VBP0), 제2 정상바이어스전압(VBP1) 및 제3 정상바이어스전압(VBP2)은 실제 회로 설계에서는 정밀하게 설정되지만, 아래와 같은 수식 1에 의해 개략적으로 생성될 수 있다.

[수식 1]

VBP0 = VDD - (Vthp * 1)

VBP1 = VDD - (Vthp * 2)

VBP2 = VDD - (Vthp * 3)

여기서, Vthp는 PMOS의 문턱전압(threshold voltage)으로 0.5V ~ 0.8V정도로 가정한다.

바이어스 회로 블록(BIAS)에서 생성된 제1 정상바이어스전압(VBP0), 제2 정상바이어스전압(VBP1) 및 제3 정상바이어스전압(VBP2)은 도 3에 도시된 바와 같다.

한편, NMOS의 바이어스 전압으로 인가되는 반전바이어스전압(VBN), 즉 제1 반전바이어스전압(VBN0), 제2 반전바이어스전압(VBN1) 및 제3 반전바이어스전압(VBN2)은 실제 회로 설계에서는 정밀하게 설정되지만, 아래와 같은 수식 2에 의해 개략적으로 생성될 수 있다.

[수식 2]

VBN0 = VSS(0V) + (Vthn * 1)

VBN1 = VSS(0V) + (Vthn * 2)

VBN2 = VSS(0V) + (Vthn * 3)

여기서, Vthn은 NMOS의 문턱전압(threshold voltage)으로 0.4V ~ 0.7V정도로 가정한다.

바이어스 회로 블록(BIAS)에서 생성된 제1 반전바이어스전압(VBN0), 제2 반전바이어스전압(VBN1) 및 제3 반전바이어스전압(VBN2)은 도 4에 도시된 바와 같다.

도 3에 도시된 바와 같이, 제1 정상바이어스전압(VBP0), 제2 정상바이어스전압(VBP1) 및 제3 정상바이어스전압(VBP2)의 순으로 전압의 크기는 작아지고, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 반전바이어스전압(VBN0), 제2 반전바이어스전압(VBN1) 및 제3 반전바이어스전압(VBN2)의 순으로 전압의 크기는 커진다.

본 실시예에서, 기준전류(IREF)의 크기는 수 uA ~ 수십 uA정도를 사용하고, 모든 PMOS의 게이트 면적을 생성하는 채널 폭 및 채널 길이는 동일하고, 모든 NMOS의 게이트 면적을 생성하는 채널 폭 및 채널 길이는 동일하다. 통상적으로 PMOS와 NMOS의 채널 길이를 동일하게 할 경우, PMOS의 채널 폭은 NMOS의 채널 폭보다 약 3배 이상을 선정한다. 나머지 PMOS 게이트 면적에 비해서 MP3의 채널 길이가 약 4배 내지 6배 정도 길다. 나머지 NMOS 게이트 면적에 비해서 MN9의 채널 길이가 약 4배 내지 6배 정도 길다.

도 5는 코어 블록을 나타내는 심볼이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 코어 블록(CORE)은 레일-투-레일(Rail-to-rail) 입력 스테이지와 AB급 드라이버(AB class driver)의 게이트 전압을 출력하는 기능을 갖는다.

코어 블록(CORE)은 OTA(operational transconductance amplifier) 또는 연산 증폭기(Op-Amp)로 설계될 수도 있다. 두 증폭 회로 모두 입력의 차이를 증폭하여 출력하는 회로로서, 큰 전압 이득(예를 들어, 수천 내지 수만)과 높은 입력 저항값(resistance)을 갖는다.

OTA의 경우, 용량성 부하(capacitive load)를 구동할 때 이상적인 전압 제어된 전류원(ideal voltage controlled current source)에 가까운 형태가 되므로 높은 출력저항이 바람직한 특성이 된다.

한편, Op-Amp는 저항성 부하(resistive load)를 구동하기 위해서는 출력 저항값이 낮아야만 부하 효과(loading effect)를 피할 수 있다. 이러한 출력 저항값을 매우 낮게 설계하여 전압 제어된 전압원(voltage controlled voltage source)와 같이 동작하도록 한 회로이다.

도 6은 2세대 전류 컨베이어의 드라이버들 중 제1 출력 드라이버(D0)를 나타내는 심볼이다. 도 7은 제1 출력 드라이버(D0)의 회로도이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 제1 출력 드라이버(D0)는 전압 피드백용 정상출력 전압 버퍼를 갖는다.

제1 출력 드라이버(D0)는 직렬 연결된 MP10 및 MN10으로 구성된다. MP10는 VDD가 인가되는 소스, 제1 구동전압(P_DRV)이 인가되는 게이트, MN10의 드레인 및 X-포트에 연결된 드레인을 갖는다. MN10는 VSS가 인가되는 소스, 제2 구동전압(N_DRV)이 인가되는 게이트, 및 MP10의 드레인 및 X-포트에 연결된 드레인을 갖는다.

도 8은 전류 컨베이어의 드라이버들 중 제2 출력 드라이버(D1)를 나타내는 심볼이다. 도 9은 제2 출력 드라이버(D1)의 회로도이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 제2 출력 드라이버(D1)는 전압 피드백용 정상출력 전압 버퍼 및 ZP-포트를 갖는다.

제2 출력 드라이버(D1)는 직렬 연결된 MP10 및 MN10 및 직렬 연결된 MP11 및 MN11를 구성된다.

MP10는 VDD가 인가되는 소스, 제1 구동전압(P_DRV)이 인가되는 게이트, MN10의 소스 및 X-포트에 연결된 드레인을 갖는다. MN10는 VSS가 인가되는 소스, 제2 구동전압(N_DRV)이 인가되는 게이트, 및 MP10의 드레인 및 X-포트에 연결된 드레인을 갖는다.

MP11는 VDD가 인가되는 소스, MP10의 게이트에 공통 연결되어 제1 구동전압(P_DRV)이 인가되는 게이트, MN11의 소스 및 ZP-포트에 연결된 드레인을 갖는다. MN11는 VSS가 인가되는 소스, MN10의 게이트에 공통 연결되어 제2 구동전압(N_DRV)이 인가되는 게이트, 및 MP11의 드레인 및 ZP-포트에 연결된 드레인을 갖는다.

도 10은 전류 컨베이어의 드라이버들 중 드라이빙 블록(D2)를 나타내는 심볼이다. 도 11은 드라이빙 블록(D2)의 회로도이다.

도 10 및 도 11을 참조하면, 드라이빙 블록(D2)는 전압 피드백용 정상출력 전압 버퍼, ZP-포트 및 ZN-포트를 갖는다.

드라이빙 블록(D2)은 MP10, MN10, MP11, MN11, MP12, MN12, MP13, MN13, MP14 및 MN14로 구성된다.

MP12는 VDD가 인가되는 소스, MP10의 게이트에 공통 연결되어 제1 구동전압(P_DRV)이 인가되는 게이트, MN13의 소스에 연결된 드레인을 갖는다. MN12는 VSS가 인가되는 소스, MN10의 게이트에 공통 연결되어 제2 구동전압(N_DRV)이 인가되는 게이트, 및 MP13의 드레인에 연결된 소스를 갖는다.

MP13은 VDD가 인가되는 소스, 공통 연결되어 MN12의 소스에 연결된 게이트 및 드레인을 갖는다. MN13은 VSS가 인가되는 소스, 공통 연결되어 MP12의 드레인에 연결된 소스 및 게이트를 갖는다.

MP14는 VDD가 인가되는 소스, MP13의 게이트에 연결된 게이트 및 ZN-포트에 연결된 드레인을 갖는다. MN14는 VSS가 인가되는 소스, MN13의 게이트에 연결된 게이트, ZN-포트에 연결된 드레인을 갖는다.

도 12는 평형 출력 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(Balanced Output Rail-to-rail Current Conveyor )(이하, BORRCCⅡ)를 나타내는 심볼이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 코어 블록(CORE)과 드라이빙 블록(D2)을 직렬 연결하는 방식으로 평형 출력 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(BORRCCⅡ)를 구현한다.

도 13은 공통모드전압 공급기를 설명하기 위한 구성도이다.

도 13에 도시된 바와 같이, 공통모드전압 공급기(Common Mode Voltage Generator, VCM Generator)는 코어 블록(CORE)과 제1 출력 드라이버(D0)가 조합된 형태의 기능 블록을 포함한다.

VDD와 GND 사이에 직렬로 연결된 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)의 비율로 기준전압(Vref)이 생성되어 코어 블록(CORE)의 Y-포트에 인가된다. 코어 블록(CORE)의 Y-포트에 기준전압(Vref)이 인가되면, 해당 전압과 동일한 전압을 출력하는 X-포트를 통해 출력 임피던스가 매우 낮은 이상적인 공통모드전압(common mode voltage, VCM)이 생성된다.

도 14는 완전 평형 차동 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(Fully Balanced Differential Rail-to-rail Current conveyor )(이하, FBDRRCCⅡ)의 구현을 설명하기 위한 심볼이다.

도 14를 참조하면, 두 개의 BORRCCⅡ가 상측 및 하측에 배치되어 완전 평형 차동 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(이하, FBDRRCCⅡ)를 정의한다.

상측에 배치된 BORRCCⅡ의 Y-포트는 FBDRRCCⅡ의 YP-포트를 정의하고, 상측에 배치된 BORRCCⅡ의 X-포트는 FBDRRCCⅡ의 XP-포트를 정의하고, 하측에 배치된 BORRCCⅡ의 Y-포트는 FBDRRCCⅡ의 YN-포트를 정의하고, 하측에 배치된 BORRCCⅡ의 X-포트는 FBDRRCCⅡ의 XN-포트를 정의한다.

상측에 배치된 BORRCCⅡ의 ZP-포트과 하측에 배치된 BORRCCⅡ의 ZN-포트는 서로 연결되어 FBDRRCCⅡ의 ZP-포트를 정의한다. 상측에 배치된 BORRCCⅡ의 ZN-포트와 하측에 배치된 BORRCCⅡ의 ZP-포트는 서로 연결되어 FBDRRCCⅡ의 ZN-포트를 정의한다.

FBDRRCCⅡ의 ZP-포트와 ZN-포트는 상측 BORRCCⅡ와 하측 BORRCCⅡ 각각의 입력 포트의 전압 또는 전류에 대한 차동 성분만을 출력한다.

도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 평형 출력 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어를 설명하기 위한 회로도이다.

도 15를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 평형 출력 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(Balanced Output Rail-to-rail Current Conveyor )는 코어 블록(CORE) 및 드라이빙 블록(D2)를 포함한다.

코어 블록(CORE)은 상측 차동 입력단(110), 하측 차동 입력단(120), 상측 전류 미러단(130), 하측 전류 미러단(140), 스위칭단(150), 제1 캐패시터(C1) 및 제2 캐패시터(C2)를 포함하고, 바이어스 회로 블록(도 1 및 도 2에 도시됨)으로부터 PMOS 소자들의 바이어스 전압으로서 VBP0, VBP1 및 VBP2를 인가받고, NMOS 소자들의 바이어스 전압으로서 VBN0, VBN1 및 VBN2를 인가받는다. 도 15에 도시된 평형 출력 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어에서 바이어스 회로 블록에 대한 도시는 생략되었다.

코어 블록(CORE)은 Y-포트 및 X-포트에 공통 연결된 상측 차동 입력단(110) 및 하측 차동 입력단(120)을 통해 레일-투-레일 입출력을 구현하고, Y-포트의 전압과 X-포트의 전압을 근거로 바이어스 전압에 의해 인가되는 전류를 미러링하여 제1 구동전압(P_DRV) 및 제2 구동전압(N_DRV)을 드라이빙 블록(D2)에 출력한다.

상측 차동 입력단(110)은 직렬 연결된 MP0 및 MP1와 병렬 연결된 MP2 및 MP3로 구성된다. MP0은 VDD가 인가되는 소스, VBP0가 인가되는 게이트, MP1의 소스에 연결된 드레인을 갖는다. MP1은 MP0의 드레인에 연결된 소스, VBP1가 인가되는 게이트, MP2의 소스 및 MP3의 소스에 연결된 드레인을 갖는다. MP2은 MP1의 드레인에 연결된 소스, Y-포트에 연결된 게이트, 하측 전류 미러단(140)에 연결된 드레인을 갖는다. MP3은 MP1의 드레인에 연결된 소스, X-포트에 연결된 게이트, 하측 전류 미러단(140)에 연결된 드레인을 갖는다. MP2 및 MP3가 입력을 담당하며 Y-포트의 전압과 X-포트의 전압을 비교하여 보다 낮은 전압이 입력된 게이트쪽으로 바이어스 전압에 의해 인가되는 전류(tail current)(Ip)를 흘려 주는 역할을 수행한다. 여기서, 동작 가능한 입력 신호 전압(Common mode voltage)의 범위는, VDD를 약 3.3V로 가정할 경우, 2.5V 내지 0V 정도이다.

하측 차동 입력단(120)은 직렬 연결된 MN0 및 MN1와 병렬 연결된 MN2 및 MN3로 구성된다. MN0은 MN1의 소스에 연결된 드레인, VBN0가 인가되는 게이트, VSS가 인가되는 소스를 갖는다. MN1은 MN2의 소스 및 MN3의 소스에 연결된 드레인, VBN1가 인가되는 게이트, MN0의 드레인에 연결된 소스를 갖는다. MN2은 상측 전류 미러단(130)에 연결된 드레인, Y-포트에 연결된 게이트, MN1의 드레인에 연결된 소스를 갖는다. MN3은 상측 전류 미러단(130)에 연결된 드레인, X-포트에 연결된 게이트, MN1의 드레인에 연결된 소스를 갖는다. MN2 및 MN3가 입력을 담당하며 Y-포트의 전압과 X-포트의 전압을 비교하여 보다 높은 전압이 입력된 게이트쪽으로 바이어스 전압에 의해 인가되는 전류(In)를 흘려 주는 역할을 수행한다. 여기서, 동작 가능한 입력 신호 전압(Common mode voltage)의 범위는, VDD를 약 3.3V로 가정할 경우, 0.7V 내지 3.3V 정도가 된다.

전류 컨베이어의 입력 스테이지로서 상측 차동 입력단(110) 및 하측 차동 입력단(120)이 배치되므로 레일-투-레일 입력(rail-to-rail input)을 구현할 수 있다. 즉, 전원이 3.3V일 때 입력 전압(Common Mode Voltage)의 범위가 전원 전압(VDD)의 범위 모두를 커버하도록 전류(tail current)(Ip, In)을 흘려 줄 수 있다. 이러한 입력 전압의 범위를 표현하면 도 16과 같다.

도 16은 레일-투-레일 입력을 설명하기 위한 그래프이다.

도 16에 도시된 바와 같이, 레일-투-레일 입력은 입력되는 신호의 범위를 0V~VDD를 모두 커버하게 됨으로 기존의 회로가 상측의 입력 또는 하측의 입력을 받는 경우에 비해서 보다 넓은 범위의 입력 전압에 대해서 동작하는 장점을 갖는다.

도 15를 다시 참조하면, 상측 전류 미러단(130)는 MP4, MP5, MP6 및 MP7로 구성되어 전류 미러를 정의한다. MP4는 VDD가 인가되는 소스, MP5의 드레인 및 MP6의 게이트에 연결된 게이트, MP5의 소스에 연결된 드레인을 갖는다. 또한, MP4의 드레인은 하측 차동 입력단(120)의 MN3의 소스에 연결된다. MP5는 MP4의 드레인에 연결된 소스, MP7의 게이트에 연결된 게이트, MP4의 게이트에 연결된 드레인을 갖는다. 또한, MP5의 소스는 하측 차동 입력단(120)의 MN3의 소스에 연결된다. MP6은 VDD가 인가되는 소스, MP5의 드레인 및 MP4의 게이트에 연결된 게이트, MP7의 소스에 연결된 드레인을 갖는다. 또한, MP6의 드레인은 하측 차동 입력단(120)의 MN2의 소스에 연결된다. MP7은 MP6의 드레인에 연결된 소스, MP5의 게이트에 연결된 게이트, 드라이빙 블록(D2) 및 스위칭단(150)에 연결된 드레인을 갖는다. 여기서, VBP1 전압으로 MP5 및 MP7이 바이어싱되며, MP4와 MP6의 바이어스 전압은 MP5의 드레인 전압이 인가되는 회로적 특징을 갖는다.

MP4의 게이트 면적과 MP6의 게이트 면적이 같고, MP5의 게이트 면적과 MP7의 게이트 면적이 같다면, MP6 및 MP7을 통해 흐르는 전류는 MP4 및 MP5을 통해 흐르는 전류와 같다. 이때, MP5의 포화전압(saturation voltage)은 MP4의 문턱전압(Threshold voltage, Vth)보다 높아지고, 이로 인하여 MP7의 드레인에 전류가 공급된다. 따라서, 동작 가능한 전압의 범위가 일반적인 구조의 전류 미러 보다 넓어지는 특징을 갖는다.

이때, 하측 차동 입력단(120)의 입력 전압의 차이에 의해 전류가 각각 MP4 및 MP6의 드레인에 서로 다른 값으로 인가되면, MP7를 통해 흐르는 최종 출력전류(I(MP7))는 VBP1에 의한 바이어스 전류±@IN의 전류로 결정된다. 여기서, @는 전류 컨베이어의 입력 스테이지인 상측 차동 입력단(110) 및 하측 차동 입력단(120)으로부터 구해지는 입력 전압의 차이값에 대한 전류(In)의 비율이다.

하측 전류 미러단(140)는 MN4, MN5, MN6 및 MN7로 구성되어 전류 미러를 정의한다. MN4는 MN5의 소스에 연결된 드레인, MN6의 게이트에 연결된 게이트, VSS가 인가되는 소스를 갖는다. 또한, MN4의 드레인은 상측 차동 입력단(110)의 MP3의 소스에 연결된다. MN5는 스위칭단(150)에 연결된 드레인, MN7의 게이트에 연결된 게이트, MN4의 드레인에 연결된 소스를 갖는다. 또한, MN5의 소스는 상측 차동 입력단(110)의 MP2의 소스에 연결된다. MN6은 MN7의 소스에 연결된 드레인, MN4의 게이트에 연결된 게이트, VSS가 인가되는 소스를 갖는다. MN7은 스위칭단(150)에 연결된 드레인, MN5의 게이트에 연결된 게이트, MN6의 드레인에 연결된 소스를 갖는다. 또한, MN7의 드레인은 상측 차동 입력단(110)의 MP2의 소스에 연결된다. 여기서, VBN1 전압으로 MN5 및 MN7이 바이어싱되며, MN4와 MN6의 바이어스 전압은 MN5의 소스 전압이 인가되는 회로적 특징을 갖는다.

MN4의 게이트 면적과 MN6의 게이트 면적이 같고, MN5의 게이트 면적과 MN7의 게이트 면적이 같다면, MN6 및 MN7을 통해 흐르는 전류는 MN4 및 MN5을 통해 흐르는 전류와 같다. 이때, MN5의 포화전압은 MN4의 문턱전압(Vth)보다 높아지고, 이로 인하여 MN7의 소스에 전류가 공급된다. 따라서, 동작 가능한 전압의 범위가 일반적인 구조의 전류 미러 보다 넓어지는 특징을 갖는다.

이때, 상측 차동 입력단(110)의 입력 전압의 차이에 의해 전류가 각각 MN4 및 MN6의 소스에 서로 다른 값으로 인가되면, MN7을 통해 흐르는 최종 출력전류(I(MN7))는 VBN1에 의한 바이어스 전류±@IP의 전류로 결정된다. 여기서, @는 전류 컨베이어의 입력 스테이지인 상측 차동 입력단(110) 및 하측 차동 입력단(120)으로부터 구해지는 입력 전압의 차이값에 대한 전류(Ip)의 비율이다.

본 실시예에서, 상측 전류 미러단(130) 및 하측 전류 미러단(140)은 하이-컴플리언스(High-compliance) 전류 미러를 채용한다.

도 17은 전류 미러들에 대응하는 드레인-소스간 전압 대비 드레인 전류 특성을 설명하기 위한 그래프이다.

도 17을 참조하면, 하이-컴플라이언스 전류 미러는 기존의 트리플 캐소드(Triple Cascode), 레귤레이티드 캐소드(Regulated Cascode), 윌슨 캐소드(Willson) 방식 등에 비해서 Vds(드레인-소스간 전압)의 폭이 넓다. 따라서, 커런트 소스로 폭넓은 전압 스윙(wide voltage swing)이 가능하다.

또한, 하이-컴플라이언스 전류 미러는 종래의 구조인 단순한 방식에 비해 Vds에 대한 Id(드레인 전류)의 변화량이 작다.

도 15를 다시 참조하면, 제1 캐패시터(C1)의 일단은 상측 전류 미러단(130)의 MP6과 MP7간의 노드에 연결되고, 제2 캐패시터(C2)의 일단은 하측 전류 미러단(140)의 MN6과 MN7간의 노드에 연결된다. 제1 캐패시터(C1)의 타단과 제2 캐패시터(C2)의 타단은 공통 연결되어 X-포트에 연결된다.

제1 캐패시터(C1) 및 제2 캐패시터(C2)는, 코어 블록(CORE)이 OTA AMP로 동작되는 경우에 대비하여, 위상(Phase) 마진을 제공하기 위해 삽입된 주파수 안정화 캐패시터이다.

스위칭단(150)은 MP8 및 MN8로 구성된 CMOS 트랜스미션 게이트(transmission gate)와 MP9 및 MN9로 구성된 CMOS 트랜스미션 게이트를 포함하고, 상측 전류 미러단(130) 및 하측 전류 미러단(140) 사이에 배치된다. VBN2, VBP2로 바이어싱된 MP8, MN8, MP9 및 MN9의 소스와 드레인간의 전압차로 인하여, 스위칭단(150)은 Class- AB 증폭 구조를 갖는 드라이버 형태를 갖는다.

상측 전류 미러단(130)과 하측 전류 미러단(140)의 전류 미러 구조로 인하여, 스위칭단(150)은 출력 전압의 폭이 공급 전압 모두를 커버할 수 있게 되는 레일-투-레일 출력(rail-to-rail output) 구조를 갖는다.

도 18은 도 15에 도시된 평형 출력 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어의 입출력 파형을 설명하기 위한 그래프이다. 특히, Y-포트에 인가되는 전압 입력 신호 또는 ZP-포트를 통해 출력되는 전압 출력 신호, 제1 구동전압(P_DRV) 및 제2 구동전압(N_DRV)에 대한 개략적인 파형이 도시된다.

도 18에 도시된 바와 같이, A구간에서, 제2 구동전압(N_DRV)에 의해 도 15에 도시된 NMOS인 MN10, MN11 및 MN12는 약하게 구동되지만 거의 차단(cut-off) 상태로 유지된다. 하지만, 제1 구동전압(P_DRV)은 도 15에 도시된 PMOS인 MP10, MP11 및 MP12를 구동하여 ZP-포트의 전압을 제어한다.

B구간에서, 제1 구동전압(P_DRV)에 의해 도 15에 도시된 PMOS인 MP10, MP11 및 MP12는 약하게 구동되지만 거의 차단(cut-off) 상태로 유지된다. 하지만, 제2 구동전압(N_DRV)은 도 15에 도시된 NMOS인 MN10, MN11 및 MN12를 구동하여 ZP-포트의 전압을 제어한다.

상기한 A구간의 신호 구동이나 B구간의 신호 구동은 Class-AB 드라이버의 전형적인 구동 전압 파형이다.

도 15를 다시 참조하면, 드라이빙 블록(D2)는 제1 드라이버(210), 제2 드라이버(220), 제3 드라이버(230), 제4 드라이버(240) 및 제5 드라이버(250)를 포함하고, 상기 제1 구동전압(P_DRV) 및 상기 제2 구동전압(N_DRV)에 응답하여 정상출력전류를 ZP-포트를 통해 출력하고, 반전출력전류를 ZN-포트를 통해 출력한다.

제1 드라이버(210)는 직렬 연결된 MP10 및 MN10으로 구성된다. MP10는 VDD가 인가되는 소스, 상측 전류 미러단(130)에 연결된 게이트, 및 MN10의 드레인 및 X-포트에 연결된 드레인을 갖는다. MN10는 VSS가 인가되는 소스, 하측 전류 미러단(140)에 연결된 게이트, 및 MP10의 드레인 및 X-포트에 연결된 드레인을 갖는다. 제1 드라이버(210)는 2세대 전류 컨베이어의 구조에 맞도록 입력 스테이지의 X-포트에 출력을 연결해 주는 역할을 수행한다.

도 19는 제1 드라이버에 구비되는 MP10 및 MN10의 전류 특성을 설명하기 위한 그래프이다.

도 19에 도시된 바와 같이, MP10의 출력전류(I_MP)는 상측 전류 미러단(130)의 출력인 제1 구동전압(P_DRV)에 의해서 제어된다. 출력전류(I_MP)가 +4J보다 큰 구간에서 MP10는 선형 모드(linear mode)로 동작하고, +4J보다 작은 구간에서 MP10는 비선형적 특징을 가지며, -4J 이하의 구간에서 MP10는 컷-오프(cut-off)되어 더 이상 전류 구동을 하지 못하는 특성을 갖는다. 여기서, J는 구동하는 MOSFET의 영입력전류(Quiescent Current)로서 대기 모드 전류(즉, 대기 상태에서 동작 전에 흐르는 전류의 값)을 의미한다. 각각 드라이버 MOS의 게이트 전압이 문턱 전압을 지나 선형 동작 모드에 도달하기 전까지의 바이어스 전압에 대한 구간을 ±4J 정도의 구간으로 정의하여 AB급 드라이버(Class AB driver)를 설계한다.

한편, MN10의 출력전류(I_MN)는 하측 전류 미러단(140)의 출력인 제2 구동전압(N_DRV)에 의해서 제어된다. 출력전류(I_MN)가 -4J보다 작은 구간에서 MN10는 선형 모드(linear mode)로 동작하고, -4J보다 큰 구간에서 MN10는 비선형적 특징을 가지며, +4J 이상의 구간에서 MN10는 컷-오프(cut-off)되어 더 이상 전류 구동을 하지 못하는 특성을 갖는다.

따라서, 신호가 없는 0전류 구간(즉, 무신호 구간)에서 MP10과 MN10의 전류값은 존재하지만 동작 모드에서 가장 작은 전류값을 갖게 되므로 이러한 출력 버퍼 스테이지(output buffer stage)를 AB급 스테이지(class AB stage)라고 한다. 이러한 기능을 갖는 드라이버를 AB급 드라이버(Class AB driver)라 한다. 또한 이러한 AB급 드라이버를 갖는 전류 컨베이어를 사용하여 무신호시의 소비 전류를 낮추고, 출력 드라이버의 크기를 응용에 맞도록 적절하게 조정하여 사용하며, 저전력 동작 특성 및 큰 전류의 구동을 가능하게 하는 장점을 갖게 된다.

도 15를 다시 참조하면, 제2 드라이버(220)는 제1 드라이버(210)의 구조와 동일하게 직렬 연결된 MP11 및 MN11으로 구성된다. MP11은 VDD가 인가되는 소스, 제1 드라이버(210)의 MP10의 게이트에 연결된 게이트, MN11의 드레인 및 ZP-포트에 연결된 드레인을 갖는다. MN11은 VSS가 인가되는 소스, 하측 전류 미러단(140) 및 MN10의 게이트에 연결된 게이트, 및 MP11의 드레인 및 ZP-포트에 연결된 드레인을 갖는다. 제1 드라이버(210)가 상측 차동 입력단(110) 및 하측 차동 입력단(120)의 차동 입력 스테이지의 X-포트에 연결되는 것과 달리, 제2 드라이버(220)는 출력 구동을 위한 ZP-포트에 연결된다.

제3 드라이버(230)는 MP12 및 MN12로 구성된다. MP12의 게이트는 MP11의 게이트에 연결되고, MN12의 게이트는 MN11의 게이트에 연결된다. MP12의 소스에는 VDD가 인가되고, MN12의 소스에는 VSS가 인가된다.

제4 드라이버(240)는 MP13 및 MN13으로 구성된다. MP13의 드레인은 제3 드라이버(230)의 MN12의 드레인에 연결되고, MN13의 드레인은 제3 드라이버(203)의 MP12의 드레인에 연결된다. MP13의 소스에는 VDD가 인가되고, MN13의 소스에는 VSS가 인가된다.

제5 드라이버(250)는 MP14 및 MN14로 구성된다. MP14의 게이트는 MP13의 게이트, MP13의 드레인, 제3 드라이버(230)의 MN12의 드레인에 연결되고, MN14의 게이트는 MN13의 게이트, MN13의 드레인, 제3 드라이버(230)의 MP12의 드레인에 연결된다. MP14 소스에는 VDD가 인가되고, MN14 소스에는 VSS가 인가된다. MP14의 드레인 및 MN14의 드레인은 ZN-포트에 공통적으로 연결된다.

제3 드라이버(230) 및 제4 드라이버(240)은 제5 드라이버(250)의 ZN-포트를 구동하기 위한 반전 전류 미러(reverse current mirror) 구조를 갖는다.

ZP-포트를 구동하는데 동작했던 PMOS와 동일한 전류를 MP12에 흐르게 하며, 이러한 전류가 MN13에 미러링되어 MN14를 구동한다.

또한, ZP-포트를 구동하는데 동작했던 NMOS와 동일한 전류를 MN12에 흐르게 하며, 이러한 전류가 MP13에 미러링되어 MP14를 구동한다.

이러한 반전 전류 미러를 통해 제5 드라이버(250)의 ZN-포트는 ZP-포트와 완전히 역상관계를 갖는 출력전류 또는 출력전압을 갖는다.

상기한 동작을 위해, 제1 드라이버(210)), 제2 드라이버(220), 제3 드라이버(230), 제4 드라이버(240) 및 제5 드라이버(250)의 모든 PMOS는 동일한 게이트 면적을 갖도록 설계되고, NMOS 또한 동일한 게이트 면적을 갖도록 설계된다. 특히, 전류 미러의 정확한 동작을 위해서 PMOS들과 NMOS들 각각은 게이트 면적을 생성하는 채널의 폭과 길이를 모두 동일한 값을 사용하도록 설정될 수 있다.

상기 상측 차동 입력단(110) 내지 제5 드라이버(250)까지의 구성으로 완성된 블록은 'Balanced Output Rail-to-rail Current Conveyor '(BORRCCⅡ) 라고 정의한다.

상기한 BORRCCⅡ는 2세대 전류 컨베이어(CCⅡ)의 특징을 만족한다.

도 20은 2세대 전류 컨베이어의 특징을 설명하기 위한 등가 회로도이다.

도 20을 참조하면, 2세대 전류 컨베이어(CCⅡ)는 X-포트의 로우 임피던스 입력과 Y-포트의 하이 임피던스 입력, 그리고 X-포트로 흐르는 전류(i0)가 100% 미러링되어, ZP-포트(또는 Z+ 포트))를 통한 정상전류출력과 ZN-포트(또는 Z- 포트)를 통한 반전전류출력을 모두 갖는다.

즉, 2세대 전류 컨베이어는 임피던스 특성에 따라 Y-포트로부터 X-포트로 전압을 팔로워하고, 정극성인 경우 Z-포트는 X-포트의 전류 흐름 방향과 같은 방향으로 전류를 팔로워한다. 한편, 부극성인 경우 Z-포트는 X-포트의 전류 흐름 방향과 반대 방향으로 전류를 팔로워한다.

또한, 2세대 전류 컨베이어는 아래의 표 1에서와 같이 임피던스 특성에 따라 Y-포트로부터 X―포트로 전압을 팔로워한다.

[표 1]

따라서, Y-포트의 전류(I_Y), X-포트의 전압(V_X), Z-포트의 전류(I_Z)는 다음의 수식 3과 같이 나타낼 수 있다.

[수식 3]

이하에서, 본 발명의 일실시예에 따른 BORRCCⅡ를 이용한 다양한 응용 회로들에 대해서 설명한다.

도 21은 본 발명에 따른 BORRCCⅡ를 이용하여 전압-전류 변환기를 구성한 구성도이고, 도 22는 도 21에 도시된 전압-전류 변환기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.

도 21 및 도 22에 도시된 바와 같이, 전압을 전류로 변환하는 전압-전류 변환기를 구현하기 위해, BORRCCⅡ의 X-포트에 공통모드전압(VCM)과 직렬로 X-저항(RX)을 연결한다.

Y-포트로 입력전압(VIN)이 공급되면, 공급되는 입력전압(VIN)과 동일한 전압이 2세대 전류 커런트(CCⅡ) 공식에 의해서 X-포트로 출력된다. 즉, V(VIN)=V(X)과 같은 관계식으로 정의될 수 있다.

공통모드전압(VCM)과 X-포트의 전압 차이가 X-저항(RX)에 의해 전류(ix)가 생성된다. 이러한 전류(ix)는 ZP-포트로는 iZPO의 전류가 미러링되며, ZN-포트로는 iZNO의 전류가 미러링된다. 따라서 입력전압(VIN)이 ZPO 및 ZNO와 같은 전류 출력으로 변환이 되는 회로가 된다.

즉, 아래 수식 4와 같은 관계식으로 전압이 전류로 전환된다.

[수식 4]

I(ZPO) = VIN * (1/RX)

I(ZNO) = -VIN * (1/RX)

입력전압(VIN)이 전류로 변환이 되는 값은 X-저항(RX)의 역수(1/RX)에 비례하는 관계식을 갖는다. 이러한 전압 입력과 전류 출력의 관계를 도시화하면 도 22와 같다.

도 23은 본 발명에 따른 BORRCCⅡ를 이용하여 전압 증폭기를 구성한 구성도이고, 도 24는 도 23에 도시된 전압 증폭기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.

도 23 및 도 24에 도시된 바와 같이, 전압을 증폭하는 전압 증폭기를 구현하기 위해, BORRCCⅡ의 Y-포트는 입력전압(VIN)이 인가되는 단자와 연결되고, BORRCCⅡ의 X-포트와 공통모드전압(VCM)이 인가되는 단자 사이에 X-저항(RX)이 배치되고, BORRCCⅡ의 ZP-포트와 공통모드전압(VCM)이 인가되는 단자 사이에 ZP-저항(RZP)이 배치되고 BORRCCⅡ의 ZN-포트와 공통모드전압(VCM)이 인가되는 단자 사이에 ZN-저항(RZN)이 배치된다.

전압입력포트인 Y-포트로 입력전압(VIN)이 공급되고, 공급되는 입력전압(VIN)과 동일한 전압이 전류로 전환되는 상기 전압-전류 변환기(Voltage to Current converter)의 특성을 이용하여 BORRCCⅡ의 ZP-포트 및 ZN-포트에 전압 이득(Voltage Gain)을 설정할 수 있는 ZP-저항(RZP) 및 ZN-저항(RZN)을 공통모드전압(VCM)이 인가되는 단자 사이에 연결하면 전압 증폭기의 특성을 갖게 된다.

ZPO 단자와 공통모드전압(VCM)이 인가되는 단자간에 ZP-저항(RZP)를 연결하고, ZNO 단자와 공통모드전압(VCM)간에 ZN-저항(RZN)을 연결하면 ZPO 단자와 ZNO 단자의 출력 전압은 아래의 수식 5와 같은 관계식을 갖는다.

[수식 5]

V(ZPO) = VIN * (RZP/RX)

V(ZNO) = -VIN * (RZN/RX)

따라서 ZPO 단자를 통한 출력 전압(V(ZPO))과 ZNO 단자를 통한 출력 전압(V(ZNO))는 입력전압(VIN)에 대해서 X-저항(RX)과 ZP-저항(RZP), X-저항(RX)과 ZN-저항(RZN)의 각각의 비율에 따라 전압 이득(또는 증폭율)이 설정됨을 알 수 있다. 이러한 특징을 도식화하면 도 24와 같다.

도 25는 본 발명에 따른 BORRCCⅡ를 이용하여 전류-전압 변환기를 구성한 구성도이고, 도 26은 도 25에 도시된 전류-전압 변환기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.

도 25 및 도 26에 도시된 바와 같이, 전류를 전압으로 변환하는 전류-전압 변환기를 구현하기 위해, BORRCCⅡ의 Y-포트는 공통모드전압(VCM)이 인가되는 단자와 연결되고, BORRCCⅡ의 X-포트는 입력전류(IIN)가 인가되는 단자와 연결되고, BORRCCⅡ의 ZP-포트와 공통모드전압(VCM)이 인가되는 단자 사이에 ZP-저항(RZP)이 배치되고 BORRCCⅡ의 ZN-포트와 공통모드전압(VCM)이 인가되는 단자 사이에 ZN-저항(RZN)이 배치된다.

BORRCCⅡ의 Y-포트에 공통모드전압(VCM)이 연결된 상태에서 BORRCCⅡ의 X-포트로 입력전류(IIN)가 공급되면, 공급되는 입력전류(IIN)와 동일한 전류가 2세대 전류 컨베이어(CCⅡ) 공식에 의해서 ZP-포트 및 ZN-포트로 출력된다. 즉, I(ZPO) = I(X), I(ZNO) = -I(X)와 같은 관계식으로 정의될 수 있다.

이때, ZPO 단자와 공통모드전압(VCM)가 인가되는 단자 사이에 ZP-저항(RZP)를 연결하면, V(ZPO)는 I(ZPO)와 RZP의 곱의 값을 갖는다. 반대로 ZNO 단자와 공통모드전압(VCM)이 인가되는 단자 사이에 ZN-저항(RZN)을 연결하면, V(ZNO)는 I(ZNO)와 RZN의 곱의 값을 갖는다. 이때, I(ZNO)와 I(ZPO)는 값은 갖지만 부호가 다른 역상의 전류값을 갖는다.

따라서 입력전류(IIN)가 ZPO 단자를 통한 출력 전압(V(ZPO)) 및 ZNO 단자를 통한 출력 전압(V(ZNO))와 같은 전압의 출력으로 변환되는 회로가 된다. 즉, 아래 수식 6과 같은 관계식으로 전압이 전류로 전환된다.

[수식 6]

V(ZPO) = IIN * RZP

V(ZNO) = -IIN * RZN

이러한 특징을 도식화하면 도 26과 같다.

도 27은 본 발명에 따른 BORRCCⅡ를 이용하여 전류 증폭기(Current Amplifier)를 구성한 구성도이고, 도 28은 도 27에 도시된 전류 증폭기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.

도 27 및 도 28에 도시된 바와 같이, 전류를 증폭하는 전류 증폭기를 구현하기 위해, BORRCCⅡ의 Y-포트에 입력전류(IIN)가 인가되는 단자를 연결하고, Y-포트와 공통모드전압(VCM)이 인가되는 단자 사이에 Y-저항(RY)을 연결하고, BORRCCⅡ의 X-포트와 공통모드전압(VCM)이 인가되는 단자 사이에 직렬로 X-저항(RX)를 연결하게 되면 Y-포트의 전압(V(Y))는 IIN*RY와 같은 관계식의 전압이 생성된다.

이러한 정도의 전압이 X-포트에 발생되고, 이러한 전압(V(X))은 X-저항(RX)에 의해 iX = V(X)/RX와 같은 전류 관계식이 형성된다. 이러한 전류(iX)는 iZPO와 iZNO로 각각 정상과 역상의 값으로 출력이 된다.

이때, X-포트의 전류(i(X))는 IIN * RY / RX와 같은 관계식으로 정의된다.

따라서, 전류 출력 I(ZPO)와 I(ZNO)는 수식 7과 같은 관계식으로 정의된다.

[수식 7]

I(ZPO) = IIN * (RY/RX)

I(ZNO) = -IIN * (RY/RX)

이러한 특징을 도식화하면 도 28와 같다.

도 29는 2개의 본 발명에 따른 BORRCCⅡ를 이용하여 FBDRRCCⅡ를 구성한 구성도이고, 도 30은 FBDRRCCⅡ의 심볼을 나타낸다.

도 29 및 도 30을 참조하면, 두 개의 BORRCCⅡ가 배치되어 FBDRRCCⅡ를 정의한다. 즉, 상측 BORRCCⅡ의 ZP-포트와 하측 BORRCCⅡ의 ZN-포트가 서로 연결되어 FBDRRCCⅡ의 ZPF-포트를 정의한다. 또한, 상측 BORRCCⅡ의 ZN-포트와 하측 BORRCCⅡ의 ZP-포트가 서로 연결되어 FBDRRCCⅡ의 ZNF-포트를 정의한다.

FBDRRCCⅡ의 ZPF-포트와 ZNF-포트는 상측 BORRCCⅡ와 하측 BORRCCⅡ의 입력 포트의 전압 또는 전류에 대한 차동 성분만을 출력하는 기능을 갖는다.

YP-포트 및 YN-포트에 공통모드전압(VCM)이 인가되는 단자를 연결하고 XP-포트 및 XN-포트에 전류 입력을 연결하였을 경우, 다음과 같은 수식 8로 정리된다.

[수식 8]

Izppo = Ixp

Izpno = -Ixp

Iznpo = Ixn

Iznno = -Ixn

Izpo = Izppo + Iznno

Izno = Izpno + Iznpo

Izpo = Ixp - Izn

Izno = -(Izp - Izn)

ZPF-포트를 통해 출력되는 최종 출력전류는 XP-XN이고, ZNF-포트를 통해 출력되는 최종 출력전류는 -(XP-XN)이 된다.

따라서 입력전류의 차이 성분만을 출력하는 전류 컨베이어(current conveyor) 구조가 된다.

도 31은 본 발명에 따른 FBDRRCCⅡ를 이용하여 완전 차동 전압-전류 변환기(Fully Differential voltage to current converter)를 구성한 구성도이고, 도 32는 도 31에 도시된 완전 차동 전압-전류 변환기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.

도 31 및 도 32에 도시된 바와 같이, FBDRRCCⅡ의 XP-포트와 XN-포트 사이에 X-저항(RX)을 연결하여 완전 차동 전압-전류 변환기를 구현한다.

YP-포트로 입력전압(VINP)이 공급되고 YN-포트로 입력전압(VINN)이 공급되면, 입력전압(VINP)과 입력전압(VINN)의 차전압이 2세대 전류 커런트(CCⅡ) 공식에 의해서 XP-포트로 출력되고, 입력전압(VINN)과 입력전압(VINP)의 차전압이 2세대 전류 커런트(CCⅡ) 공식에 의해서 XN-포트로 출력된다. 즉, V(VINP-VINN)=V(XP)과 같은 관계식 및 V(VINN-VINP)=V(XN)과 같은 관계식으로 정의될 수 있다.

XP-포트의 전압과 XN-포트의 전압 차이가 X-저항(RX)에 의해 전류(XP) 또는 전류(XN)가 생성된다. 이러한 전류(XP)는 ZPF-포트로 iZPO 만큼의 전류가 미러딩되며, ZNF-포트로 iZNO 만큼의 전류가 미러링된다. 따라서 입력전압(VINP) 및 입력전압(VINN)의 차전압이 ZPO 및 ZNO와 같은 전류 출력으로 변환이 되는 회로가 된다.

도 33은 본 발명에 따른 FBDRRCCⅡ를 이용하여 완전 차동 전압 증폭기(Fully Differential Voltage Amplifier)를 구성한 구성도이고, 도 34는 도 33에 도시된 완전 차동 전압 증폭기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.

도 33 및 도 34에 도시된 바와 같이, FBDRRCCⅡ의 XP-포트와 XN-포트 사이에 X-저항(RX)을 연결하고, ZPF-포트와 공통모드전압(VCM)이 인가되는 단자 사이에 ZP-저항(RZP)를 연결하고, ZNF-포트와 공통모드전압(VCM)이 인가되는 단자 사이에 ZN-저항(RZN)을 연결하여 완전 차동 전압 증폭기를 구현한다.

도 35는 본 발명에 따른 FBDRRCCⅡ를 이용하여 완전 차동 전류-전압 변환기(Fully Differential Current to voltage converter)를 구성한 구성도이고, 도 36은 도 35에 도시된 완전 차동 전류-전압 변환기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.

도 35 및 도 36에 도시된 바와 같이, FBDRRCCⅡ의 YP-포트 및 YN-포트 각각에 공통모드전압(VCM)을 인가하고, 공통모드전압(VCM)이 인가되는 단자와 ZPF-포트 사이에 ZP-저항(RZP)를 연결하고, 공통모드전압(VCM)이 인가되는 단자와 ZNF-포트 사이에 ZN-저항(RZN)을 연결하여 완전 차동 전류-전압 변환기를 구현한다.

도 37은 본 발명에 따른 FBDRRCCⅡ를 이용하여 완전 차동 전류 증폭기(Fully Differential Current Amplifier)를 구성한 구성도이고, 도 38은 도 37에 도시된 완전 차동 전류 증폭기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.

도 37 및 도 38에 도시된 바와 같이, FBDRRCCⅡ의 YP-포트에 입력전류(IINP)를 인가하는 단자와 XN-포트에 공통모드전압(VCM)을 인가하는 단자 사이에 YP-저항(RYP)을 연결하고, FBDRRCCⅡ의 YN-포트에 입력전류(IINN)를 인가하는 단자와 XN-포트에 공통모드전압(VCM)을 인가하는 단자 사이에 YN-저항(RYN)을 연결하고, FBDRRCCⅡ의 XP-포트와 공통모드전압(VCM)이 인가되는 단자 사이에 XP-저항(RXP)을 연결하고, FBDRRCCⅡ의 XN-포트와 공통모드전압(VCM)이 인가되는 단자 사이에 XN-저항(RXN)을 연결하여 완전 차동 전류 증폭기를 구현한다.

이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 평형 출력 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(BORRCCⅡ)의 블록을 구성하고, 두 개의 BORRCCⅡ를 이용하여 완전 평형 차동 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(FBDRRCCⅡ)를 구성한다.

상기한 FBDRRCCⅡ 회로는 다음과 같은 특징을 갖는다.

본 실시예에 따른 FBDRRCCⅡ 회로는 단일 전원(single supply)으로 동작된다.

또한, 본 실시예에 따른 FBDRRCCⅡ 회로는 전압 입력 또는 전류 입력을 갖는다.

또한, 본 실시예에 따른 FBDRRCCⅡ 회로는 전압 출력 또는 전류 출력을 갖는다.

또한, 본 실시예에 따른 FBDRRCCⅡ 회로는 전압 또는 전류에 대하여 완전 차동(Fully differential) 입력과 출력을 갖는다.

또한, 본 실시예에 따른 FBDRRCCⅡ 회로에서, 차동 전압 또는 차동 전류의 입력에 대한 공통모드전압(VCM)의 범위를 일반적으로 1/2VDD(여기서, VDD는 공급 전압(supply voltage))를 사용할 수 있으며, 응용에 따라 0V~VDD까지 다양하게 설정할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 FBDRRCCⅡ 회로는 전압 입력, 전압 출력에 대하여 레일-투-레일 입출력((rail-to-rail input/output) 기능을 갖는다.

또한, 본 실시예에 따른 FBDRRCCⅡ 회로는 차동 전압을 증폭하거나 차동 전류를 증폭하는 기능을 갖는다.

또한, 본 실시예에 따른 FBDRRCCⅡ 회로는 차동 전압을 전류로 변환하거나 차동 전류를 전압으로 변환하는 기능을 갖는다.

또한, 본 실시예에 따른 FBDRRCCⅡ 회로는, 전압 또는 전류의 출력의 경우, 1/2VDD를 기준으로 ZP-포트와 ZP-포트가 서로 대칭적인 구조로 역상(reverse phase)의 출력을 갖는 균형된 출력(balanced output) 기능을 갖는다.

또한, 본 실시예에 따른 FBDRRCCⅡ 회로는 공통모드 피드백(Common Mode Feed Back, CMFB) 회로를 별도로 사용하지 않고도 공통모드전압(VCM)을 기준으로 정확하게 역상 관계의 차동 전압과 전류 출력을 얻을 수 있는 장점이 있다.

도 39는 본 발명의 일실시예에 따른 오디오 수신 장치를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다. 특히, ECM(Electret Condenser Microphone)의 싱글 엔디드 증폭회로가 도시된다.

도 39를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 오디오 수신 장치는 인가되는 음향에 응답하여 오디오 신호를 출력하는 마이크로폰 장치 및 상기 마이크로폰 장치에서 출력되는 오디오 신호에 대응하는 전류를 전압으로 변환하는 2세대 전류 컨베이어를 포함한다. 상기 2세대 전류 컨베이어는 평형 출력 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(이하, BORRCCⅡ)로서, 상술된 도면들, 특히 도 15 및 도 25에서 설명되었으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

마이크로폰 장치는 ECM 및 풀업-저항(R0)을 포함한다.

도 40은 도 39에 도시된 ECM의 내부 등가 회로도이다. 도 40에 도시된 바와 같이, ECM은 JFET, 상기 JFET의 게이트와 소스에 연결된 가변 캐패시터를 포함한다. 외부의 소리에 따라 가변 캐패시터의 캐패시턴스가 변화하여 JFET의 게이트 전압이 변화한다. JFET의 게이트 전압이 변화함에 따라 JFET의 전류가 제어되어 출력단자(out)를 통한 전류량이 제어된다.

도 39를 다시 참조하면, 풀업-저항(R0)은 수 KΩ정도를 사용한다.

ECM과 2세대 전류 컨베이어(CCⅡ)의 연결을 위해 사용하는 제1 시리얼 캐패시터(C0)는 ECM으로부터 출력되는 DC 오프셋 전압을 제거하고 신호 성분만을 2세대 전류 컨베이어(CCⅡ)로 전달하는 역할을 수행한다. 이에 따라, 캐패시터를 통과하는 신호는 전류 성분을 갖는다.

BORRCCⅡ의 Y-포트에는 공통모드전압(VCM)이 인가되고, ZP-포트는 ZP-저항(RZP)을 경유하여 공통모드전압(VCM)에 연결되고, ZN-포트는 ZN-저항(RZN)을 경유하여 공통모드전압(VCM)에 연결된다.

동작시, BORRCCⅡ의 Y-포트에 공통모드전압(VCM)이 연결된 상태에서 BORRCCⅡ의 X-포트로 입력전류(i_x)가 공급되면, 공급되는 입력전류(ix)와 동일한 전류가 2세대 전류 컨베이어(CCⅡ) 공식에 의해서 ZP-포트 및 ZN-포트로 출력된다. 즉, i_ZPO = i_x, i_ZNO = -i_x와 같은 관계식으로 정의될 수 있다.

따라서 입력전류(i_x)가 ZPO 단자를 통한 출력 전압(V(ZPO)) 및 ZNO 단자를 통한 출력 전압(V(ZNO))와 같은 전압의 출력으로 변환되는 회로가 된다. 즉, 아래 수식 9와 같은 관계식으로 전압이 전류로 전환된다.

[수식 9]

V(ZPO) = i_x * RZP

V(ZNO) = -i_x * RZN

즉, ZPO 단자의 출력전압은 ZP-저항(RZP)에 비례하여 증폭되고, ZNO 단자의 출력전압은 ZN-저항(RZN)에 비례하는 증폭되는 것을 확인할 수 있다.

도 39에서 풀업-저항(R0)을 제거하면 MEMS 마이크로폰의 싱글 엔디드 증폭회로이다. 즉, ECM의 경우 풀업-저항(R0)이 사용되고, MEMS 마이크로폰의 경우 풀업-저항(R0)은 사용되지 않는다.

이하에서, BORRCCⅡ를 이용하여 MEMS 마이크로폰의 싱글 엔디드(single-ended) 증폭회로를 구성한 실시예를 설명한다.

도 41은 본 발명의 다른 실시예에 따른 오디오 수신 장치를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다. 특히, MEMS 마이크로폰의 싱글 엔디드 증폭회로가 도시된다.

도 41을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 오디오 수신 장치는 인가되는 음향에 응답하여 오디오 신호를 출력하는 마이크로폰 장치 및 상기 마이크로폰 장치에서 출력되는 오디오 신호에 대응하는 전류를 전압으로 변환하는 2세대 전류 컨베이어를 포함한다. 상기 2세대 전류 컨베이어는 BORRCCⅡ이다.

마이크로폰 장치는 MEMS 마이크로폰을 포함한다.

도 42는 도 41에 도시된 MEMS 마이크로폰 센서의 구조를 개략적으로 설명하기 위한 단면도이다. 도 43는 도 42의 MEMS 마이크로폰 센서를 갖는 MEMS 마이크로폰의 구조를 개략적으로 설명하기 위한 단면도이다.

도 42 및 도 43을 참조하면, MEMS 마이크로폰은 MEMS 마이크로폰 센서 및 리드-아웃 ASIC를 포함한다.

MEMS 마이크로폰 센서는 바닥부가 개구된 백커버, 백커버의 바닥부에 대응하여 배치되고 소리 유입을 위해 개구가 형성된 기판, 개구에 대응하여 배치된 무빙 멤브레인(moving membrane)(MM), 무빙 멤브레인으로부터 일정 간격 이격 배치된 다공 배면 전극(perforated back electrode)(BP)을 포함한다. 무빙 멤브레인은 기판 상에 형성된 각종 전자 소자와 스프링을 통해 전기적으로 연결된다.

외부로부터 소리가 유입되지 않으면, 무빙 멤브레인(MM)과 다공 배면 전극(BP)은 일정 간격으로 이격된 상태를 유지한다.

외부로부터 소리가 유입되면, 다공 배면 전극(BP)으로 무빙 멤브레인(MM)은 이동된다. 이에 따라, 다공 배면 전극(BP)과 무빙 멤브레인(MM)간에는 소정의 전위차가 발생된다.

리드-아웃 ASIC은 MEMS 마이크로폰 센서에서 검출된 오디오 신호를 리드-아웃하여 외부의 코덱 칩과 같은 오디오 처리 칩에 제공한다.

도 44는 도 43에 도시된 MEMS 마이크로폰을 전기적으로 모델링한 회로도이다.

도 43 및 도 44을 참조하여, 각 도면부호에 대한 설명은 아래와 같다.

도면부호

는 MEMS 마이크로폰 센서의 공급 전압이다. 일반적으로 챠징 펌프(Charge pump)(미도시)를 사용하여 공급전압(VDD)(미도시)을 승압하여 MEMS 마이크로폰 센서로 전압을 공급한다.

가 높을수록 감도가 좋아지는 특성이 있다.

도면부호

는 다공 배면 전극(Perforated back electrode)와 무빙 멤브레인(Moving Membrane) 간의 기생 저항으로서 통상적으로는 수 Ω 정도의 매우 큰 저항 값을 갖는다.

도면부호

은 음압의 입력에 의해서 변화되는 다공 배면 전극과 무빙 멤브레인 간의 캐패시턴스 성분이다.

값의 변화량이 마이크로폰의 출력 신호를 만들어 낸다. 다른 기생 캐패시터(

,

)에 비해서 약 1/200 ~ 1/50 정도의 매우 작은 값이다.

도면부호

은 다공 배면 전극과 무빙 멤브레인 간의 기생 캐패시터다. 이 값이 작을수록 감도 형성에 유리하나, MEMS의 구조적인 특성으로 인해 작게 만들기 어렵다.

도면부호

은 다공 배면 전극과 접지단(GND) 간의 기생 캐패시터다. MEMS 실리콘으로 형성되는 면적이 가장 넓어 기생 캐패시턴스 중에 가장 큰 값을 갖고 있지만 센서의 센싱 감도와 주파수 특성에는 영향이 미미하거나 거의 없다.

도면부호

는 무빙 멤브레인과 접지단(GND) 간의 기생 캐패시터다. 센서의 센싱 감도와 주파수 특성에는 영향을 미치는 기생 성분이다.

도면부호

은 리드-아웃 반도체칩의 입력 패드와 접지단(GND) 간의 기생 캐패시터다. 본딩 와이어의 캐패시턴스 성분과 리드-아웃 반도체칩의 입력 캐패시턴스 성분이다.

도면부호

는 리드-아웃 반도체칩의 입력 패드와 접지단(GND) 간의 기생 저항(resistance) 성분이다. 매우 큰 저항값을 가지며, 통상적으로는 수백 MΩ ~ 수 GΩ 정도의 매우 큰 저항 값을 갖는다.

이하에서, FBDRRCCⅡ를 이용하여 ECM의 차동 증폭회로를 구성한 실시예를 설명한다.

도 45는 본 발명의 다른 실시예에 따른 오디오 수신 장치를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다. 특히, ECM의 차동 증폭회로가 도시된다.

도 45를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 오디오 수신 장치는 인가되는 음향에 응답하여 오디오 신호를 출력하는 마이크로폰 장치 및 상기 마이크로폰 장치에서 출력되는 오디오 신호에 대응하는 전류를 전압으로 변환하는 2세대 전류 컨베이어를 포함한다. 상기 2세대 전류 컨베이어는 FBDRRCCⅡ를 포함한다. 상기 2세대 전류 컨베이어는 완전 평형 차동 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(이하, FBDRRCCⅡ)로서, 상술된 도면들, 특히 도 14, 도 29, 도 30에서 설명되었으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

마이크로폰 장치는 ECM 및 풀업-저항을 포함한다. 풀업-저항(R0)은 수 KΩ이다.

마이크로폰 모듈과 2세대 전류 컨베이어(CCⅡ)의 연결을 위해 사용하는 제1 시리얼 캐패시터(C0) 및 제2 시리얼 캐패시터(C1)는 마이크로폰 모듈로부터 출력되는 DC 오프셋 전압을 제거하고 신호 성분만을 2세대 전류 컨베이어(CCⅡ)로 전달하는 역할을 수행한다. 이에 따라, 캐패시터를 통과하는 신호는 전류 성분을 갖는다.

도 45에서 풀업-저항(R0)을 제거하면 MEMS 마이크로폰의 모델이 된다.

이하에서, FBDRRCCⅡ를 이용하여 MEMS 마이크로폰의 차동 증폭회로를 구성한 실시예를 설명한다.

도 46은 본 발명의 다른 실시예에 따른 오디오 수신 장치를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다. 특히, MEMS 마이크로폰의 차동 증폭회로가 도시된다.

도 46을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 오디오 수신 장치는 인가되는 음향에 응답하여 오디오 신호를 출력하는 마이크로폰 장치 및 상기 마이크로폰 장치에서 출력되는 오디오 신호에 대응하는 전류를 전압으로 변환하는 2세대 전류 컨베이어를 포함한다. 상기 2세대 전류 컨베이어는 FBDRRCCⅡ이다.

마이크로폰 장치는 MEMS 마이크로폰을 포함한다.

마이크로폰으로부터 출력되는 전압신호에서 DC성분을 차단하기 위하여 AC 커플링 동작을 하는 제1 시리얼 캐패시터(C0) 및 제2 시리얼 캐패시터(C1)가 사용된다. 즉, 마이크로폰의 DC성분은 차단되고 소리 신호인 AC성분만 각각 제1 시리얼 캐패시터(C0)을 지나 FBDRRCCⅡ에 입력되고, 제2 시리얼 캐패시터(C1)은 접지단(GND)와 연결된다.

마이크로폰과 전원 시스템에 노이즈가 없다고 가정하면, 제2 시리얼 캐패시터(C1)를 통해 입력되는 전류는 0(zero)이므로 FBDRRCCⅡ는 싱글 엔디드 증폭회로와 동일한 회로 구성을 갖는다.

이하에서, FBDRRCCⅡ를 이용하여 MEMS 마이크로폰의 리드-아웃 회로를 구성한 실시예를 설명한다. 여기서, 리드-아웃 회로는 예비-증폭기(Pre-AMP)로 칭한다.

도 47은 본 발명의 다른 실시예에 따른 오디오 수신 장치를 개략적으로 설명하기 위한 회로도이다. 특히, FBDRRCCⅡ를 이용하여 구현한 차동 리드-아웃 회로가 도시된다.

도 47을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 오디오 수신 장치는 센서 모델링 블록(510), 제1 기생 부하 블록(520), 노이즈 상쇄 블록(530), 제2 기생 부하 블록(530), FBDRRCCⅡ, ZP-저항, ZN-저항을 포함한다. 본 실시예에서, 센서 모델링 블록(510)은 MEMS 마이크로폰 센서를 전기적으로 모델링한 블록으로서 무빙 멤브레인(MM)과 다공 배면 전극(BP)간의 캐패시턴스 성분과 기생 캐패시턴스 성분를 의미한다.

제1 기생 부하 블록(520)은, FBDRRCCⅡ가 내장된 리드-아웃 반도체칩이 MEMS 마이크로폰 센서에 제1 본딩 와이어에 의해 연결될 때, 상기 제1 본딩 와이어와 상기 리드-아웃 반도체칩의 제1 입력단(XP-포트)에 발생되는 기생 부하를 의미한다.

노이즈 상쇄 블록(530)은 MEMS 마이크로폰 센서와 리드-아웃 반도체칩이 제2 본딩 와이어에 의해 연결될 때, 노이즈 상쇄를 위해 상기 MEMS 마이크로폰 센서의 출력단과 제2 본딩 와이어 사이에 배치된 캐패시터들의 조합을 의미한다.

제2 기생 부하 블록(530)은, FBDRRCCⅡ가 내장된 리드-아웃 반도체칩이 MEMS 마이크로폰 센서에 제2 본딩 와이어에 의해 연결될 때, 상기 제2 본딩 와이어와 상기 리드-아웃 반도체칩의 제2 입력단(XN-포트)에 발생되는 기생 부하를 의미한다.

각 전류들에 대한 설명은 아래와 같다.

도면부호

는 다공 배면 전극(Perforated back electrode)(BP)과 무빙 멤브레인(MM) 간의 기생 저항(

)에 흐르는 전류이다. 해당 기생 저항(

)이 GΩ 정도의 매우 큰 저항 값을 가지므로, 해당 전류(

)는 통상적으로 무시할 만큼 작다.

도면부호

은 음압에 의해 변화하는 무빙 멤브레인(MM)과 다공 배면 전극(BP) 간의 캐패시터(

)의 캐패시턴스 변화에 의해서 발생하는 전류이다. 해당 전류의 변화량은 마이크로폰의 출력 신호를 생성한다.

도면부호

은 다공 배면 전극(BP)과 무빙 멤브레인(MM) 간의 기생 캐패시터(

)에 흐르는 전류이다.

도면부호

은 다공 배면 전극(BP)과 접지단(GND) 간의 기생 캐패시터(

)에 흐르는 전류이다.

도면부호

는 무빙 멤브레인(MM)과 접지단(GND) 간의 기생 캐패시터(

)에 흐르는 전류이다.

도면부호

은 리드-아웃 반도체칩의 제1 입력 패드(즉, FBDRRCCⅡ의 XP-포트)와 접지단(GND) 사이의 기생 캐패시터(

)에 흐르는 전류이다.

도면부호

는 리드-아웃 반도체칩의 제1 입력 패드(즉, FBDRRCCⅡ의 XP-포트)와 접지단(GND) 사이의 기생 저항(

)에 의해서 흐르는 전류이다.

도면부호

는 다공 배면 전극과 무빙 멤브레인 간의 기생 캐패시터(

)에 흐르는 전류이다.

도면부호

는 다공 배면 전극과 접지단(GND) 간의 기생 캐패시터(

)에 흐르는 전류이다.

도면부호

는 무빙 멤브레인과 접지단(GND) 간의 기생 캐패시터(

)에 흐르는 전류이다.

도면부호

는 리드-아웃 반도체칩의 제2 입력 패드(즉, FBDRRCCⅡ의 XN-포트)와 접지단(GND) 사이의 기생 캐패시터(

)에 흐르는 전류이다.

도면부호

는 리드-아웃 반도체칩의 제2 입력 패드(즉, FBDRRCCⅡ의 XN-포트)와 접지단(GND) 사이의 기생 저항(

)에 흐르는 전류이다.

도면부호

는 리드-아웃 반도체칩의 제1 입력 패드, 즉, FBDRRCCⅡ의 XP-포트에 대응하는 입력 전류이다.

도면부호

는 리드-아웃 반도체칩의 제2 입력 패드, 즉, FBDRRCCⅡ의 XN-포트 에 대응하는 입력 전류이다.

이하에서, 노이즈(

)를 무시한 차동 증폭회로의 전류 특성을 설명한다.

먼저, 센서 모델링 블록(510)에서 흐르는 전류에 대해 설명한다.

다공 배면 전극(BP)과 무빙 멤브레인(MM) 간의 기생 저항에 흐르는 전류는

와 같다. 여기서, 상기 기생 저항(

)이 수백 GΩ 이상 고저항이기 때문에

이다.

음압의 입력에 의해 변화되는 다공 배면 전극(BP)과 무빙 멤브레인(MM) 간의 기생 캐패시터에 흐르는 전류(

)는 외부 소리에 의한 무빙 멤브레인(MM)의 진동에 의해 발생하는 전류이므로 그 값은 유치(attract)된다.

다공 배면 전극(BP)과 무빙 멤브레인(MM) 간의 기생 캐패시터에 흐르는 전류는

와 같다. FBDRRCCⅡ의 XP-포트는 로우 임피던스 포트이고 공통모드전압(VCM)으로 고정되어 있으므로, XP-포트와 본딩 와이어로 연결된 무빙 멤브레인 전압(V(MM))은 공통모드전압(VCM)이 된다. MEMS 마이크로폰 센서의 공급전압(

)은 고정되어 있고, 이와 연결된 다공 배면 전극(BP)의 전압(V(BP))도 고정이 된다. 따라서 양 노드간의 차전압은 거의 0이므로(

),

이다.

다공 배면 전극(BP)과 접지단(GND) 간의 기생 캐패시터에 흐르는 전류는

와 같다. FBDRRCCⅡ의 XP-포트는 로우 임피던스 포트이고 공통모드전압(VCM)으로 고정되어 있으므로, XP-포트와 본딩 와이어로 연결된 무빙 멤브레인 전압(V(MM))은 공통모드전압(VCM)이 된다. 따라서 다공 배면 전극(BP) 전압과 접지 전압간의 차전압은 거의 0이므로(

),

이다.

무빙 멤브레인(MM)과 접지단(GND) 간의 기생 캐패시터에 흐르는 전류는

와 같다. FBDRRCCⅡ의 XP-포트는 로우 임피던스 포트이고 공통모드전압(VCM)으로 고정되어 있으므로, XP-포트와 제1 본딩 와이어로 연결된 무빙 멤브레인 전압(V(MM))은 공통모드전압(VCM)이 된다. 따라서 무빙 멤브레인 전압과 접지 전압간의 차전압은 거의 0이므로(

),

이다.

제1 기생 부하 블록(520)에 흐르는 전류에 대해서 설명한다.

FBDRRCCⅡ의 XP-포트와 접지단(GND) 간의 기생 캐패시터에 흐르는 전류는

와 같다. FBDRRCCⅡ의 XP-포트는 로우 임피던스 포트이고 공통모드전압(VCM)으로 고정되어 있으므로, XP-포트와 제1 본딩 와이어로 연결된 무빙 멤브레인 전압(V(MM))은 공통모드전압(VCM)이 된다. 따라서 무빙 멤브레인 전압(V(MM))과 접지 전압간의 차전압은 거의 0(

)이므로,

이 된다.

FBDRRCCⅡ의 XP-포트와 접지단(GND) 간의 기생 저항에 흐르는 전류는

와 같다. 다공 배면 전극(BP)과 무빙 멤브레인(MM) 간의 기생 저항(

)이 수백 GΩ 이상의 고저항이므로,

이다.

노이즈 상쇄 블록(530)에 흐르는 전류에 대해서 설명한다.

다공 배면 전극(BP)과 제2 본딩 와이어 간의 제1 노이즈 상쇄용 캐패시터에 흐르는 전류는

와 같다. FBDRRCCⅡ의 XN-포트는 로우 임피던스 포트이고 공통모드전압(VCM)으로 고정되어 있으므로, XN-포트와 제2 본딩 와이어로 연결된 노드전압(V(MMx))은 공통모드전압(VCM)이 된다. MEMS 마이크로폰 센서의 공급전압(

)은 고정되어 있고, 이와 연결된 V(BPx)도 고정이 된다. 따라서

이므로,

이다.

다공 배면 전극(BP)과 접지단(GND) 간의 제2 노이즈 상쇄용 캐패시터에 흐르는 전류는

와 같다. FBDRRCCⅡ의 XN-포트는 로우 임피던스 포트이고 공통모드전압(VCM)으로 고정되어 있어 XN-포트와 제2 본딩 와이어로 연결된 노드전압(V(MMx))은 공통모드전압(VCM)이 된다. 따라서

이므로,

이다.

무빙 멤브레인(MM)과 접지단(GND) 간의 제3 노이즈 상쇄용 캐패시터에 흐르는 전류는

이므로,

이다.

제2 기생 부하 블록(530)에 흐르는 전류에 대해서 설명한다.

제2 본딩 와이어와 FBDRRCCⅡ의 XN-포트 간의 기생 캐패시터에 흐르는 전류는

와 같다. FBDRRCCⅡ의 XN-포트는 로우 임피던스 포트이고 공통모드전압(VCM)으로 고정되어 있으므로, XN-포트와 본딩 와이어로 연결된 전압 V(MMx)은 공통모드전압(VCM)이 된다. 따라서

이므로,

이다.

FBDRRCCⅡ의 XN-포트와 접지단(GND) 간의 기생 저항에 흐르는 전류는

와 같다.

가 수백 GΩ 이상 고저항이기 때문에

이 된다.

따라서 이러한 경우의 ZPO-단자 및 ZNO-단자의 전류식은 아래의 수식 10과 같다.

[수식 10]

,

따라서, 이러한 경우의 ZPO, ZNO의 전압식은 아래의 수식 11과 같다.

[수식 11]

한편, 접지 노이즈 또는 VDD 전원 노이즈를 칭해지는 노이즈가 생성된 경우, 노이즈 전류값을

라고 가정한다. 즉, 다공 배면 전극(BP)과 무빙 멤브레인(MM) 간의 기생 캐패시터(

)를 통해 신호가 마이크로폰에서 2세대 전류 컨베이어(CCⅡ)쪽으로 인가됨으로 통상적으로 노이즈 전류(신호)가 발생했다고 가정한다.

X-포트의 입력 전류는

와 같이 정리될 수 있다.

노이즈가 포함된 입력 신호 전류는

와 같이 정리될 수 있다.

노이즈가 포함된 ZPO-단자의 출력 신호 전류는

와 같이 정리될 수 있다. 여기서,

는 2세대 전류 컨베이어(CCⅡ)의 수식에 의해 입력 전류가 그대로 출력으로 미러링된다.

한편, 노이즈가 포함된 ZNO-단자의 출력 신호 전류는

와 같이 정리될 수 있다. 여기서,

는 2세대 전류 컨베이어(CCⅡ)의 수식에 입력 전류가 반전되어 출력으로 미러링된다.

노이즈가 포함된 ZPO-단자의 출력 전압은

와 같이 정리될 수 있다.

노이즈가 포함된 ZNO-단자의 출력 전압은

와 같이 정리될 수 있다.

ZPO-단자의 출력 전압과 ZNO-단자의 출력 전압의 차전압은

와 같다. 이를 다시 정리하면,

와 같다.

이때 저항이

와 같은 관계식으로 정의된다면, 싱글 엔디드 증폭회로(BORRCCⅡ)의 차동 출력 전압은 아래의 수식 12와 같다.

[수식 12]

즉, ZPO-단자의 출력 전압(

), ZNO-단자의 출력 전압(

), 및 입력신호(

)뿐만 아니라, 노이즈 신호(

)도 각각 ZP-저항(RZP) 및 ZN-저항(RZN)에 의해서 증폭된다.

따라서, 싱글 엔디드 증폭회로의 경우, 전원 노이즈에 취약한 특성을 갖는다.

한편, 노이즈(

)를 고려한 차동 증폭회로의 전류 특성을 설명한다.

FBDRRCCⅡ의 XP-포트에 대응하는 입력 전류는

와 같이 정리될 수 있고, FBDRRCCⅡ의 XN-포트에 대응하는 입력 전류는

와 같이 정리될 수 있다.

통상적으로 노이즈의 원인은 접지단(GND)나 VDD전원의 리플(ripple)에서 기인되므로 XP-포트와 XN-포트에 입력되는 각각의 노이즈 전류는 동일한 값을 가지므로

로서 아래의 수식 13과 같이 표현한다.

[수식 13]

XN-포트의 전류(

)는 접지단(GND)에 의한 무신호 전류이므로 거의 0인 신호 값을 갖는다(

)

FBDRRCCⅡ의 XP-포트에 인가되는 노이즈가 포함된 신호 전류는

와 같이 정리될 수 있고, FBDRRCCⅡ의 XN-포트에 인가되는 노이즈가 포함된 신호 전류는

와 같이 정리될 수 있다.

FBDRRCCⅡ의 전류 규칙에 의한 ZPO-단자의 전류, 즉 노이즈가 포함된 ZPO-단자의 전류는 아래의 수식 14와 같이 표현된다.

[수식 14]

한편, FBDRRCCⅡ의 전류 규칙에 의한 ZNO-단자의 전류, 즉 노이즈가 포함된 ZNO-단자의 전류는 아래의 수식 15와 같이 표현된다.

[수식 15]

결국 차동 증폭회로에서 ZPO-단자 및 ZNO-단자로 출력되는 전류는 노이즈(

)의 입력에도 불구하고 서로 상쇄되어 노이즈가 제거된 전류 출력을 얻을 수 있다.

노이즈가 포함된 ZPO-단자의 출력 전압은

와 같이 정리될 수 있고, 노이즈가 포함된 ZPO-단자의 출력 전압은

와 같이 정리될 수 있다. ZPO-단자의 출력 전압과 ZPO-단자의 출력 전압의 차전압은 아래의 수식 16과 같이 정리될 수 있다.

[수식 16]

이때 저항이

와 같은 관계식으로 정의된다면, 차동 증폭회로(FBRRCCⅡ)의 차동 출력 전압은 아래의 수식 17과 같다.

[수식 17]

즉, ZPO-단자의 출력 전압(

), ZNO-단자의 출력 전압(

), 입력신호(

), 및 입력 노이즈 신호(

)에도 불구하고, FBRRCCⅡ의 차동 증폭회로에 의해서 노이즈 신호는 제거되고 각각 ZP-저항(RZP) 및 ZN-저항(RZN)에 의해서 증폭되는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 설명된 바와 같이, MEMS 마이크로폰용 차동 리드-아웃 회로로서 2세대 전류 컨베이어, 예를들어 FBDRRCCⅡ를 구성함으로써, FBDRRCCⅡ의 로우 임피던스 입력 포트를 사용할 수 있어 기생 캐패시터에 의한 노이즈 성분이나 기생 저항에 의한 노이즈 성분을 제거할 수 있다. 또한, 노이즈 성분에 의한 출력 전압의 노이즈 특성을 개선할 수 있다.

제1 기생 부하 블록(520)과 제2 기생 부하 블록(530)은 리드-아웃 반도체칩의 입력 포트, 즉 FBDRRCCⅡ의 XP-포트 및 XN-포트이므로 기생 캐패시터의 크기나 기생 저항의 크기는 서로 동일하게 구현될 수 있다.

한편, 센서 모델링 블록(510)의 기생 캐패시턴스 성분(C_o, C_p1, C_p2)과 동일하게 노이즈 상쇄 블록(530)의 캐패시턴스 성분(C_ox, C_p1x, C_p2x)을 리드-아웃 반도체칩의 내부에 구현하거나 리드-아웃 반도체칩의 외부에 개별 부품으로 구현한다. 이에 따라, 전원(VB, GND) 등의 노이즈에 기인하여 인가되는 노이즈 전류(i_Noise) 성분이 MEMS 마이크로폰용 차동 리드-아웃 회로로서 사용되는 FBDRRCCⅡ의 XP-포트와 XN-포트로 동일하게 유입된다. 따라서, FBDRRCCⅡ를 통해 노이즈가 서로 상쇄되도록 설계할 수 있어 오디오 신호에서 노이즈를 제거할 수 있다.

도 48은 도 47의 차동 리드-아웃 회로에서 노이즈 상쇄 블록(530)의 제1 구현예를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.

도 47 및 도 48을 참조하면, 제1 구현예에 따른 노이즈 상쇄 블록(530)은 제1 상쇄 캐패시터(Cox), 제2 상쇄 캐패시터(Cp1x) 및 제3 상쇄 캐패시터(Cp2x)를 포함하고, 상기 FBDRRCCⅡ가 내장된 리드-아웃 반도체칩의 외부에 배치된다.

제2 상쇄 캐패시터(Cp1x)는 상기 제1 상쇄 캐패시터(Cox)의 일단에 제1 노드(ND1)를 통해 연결된 일단과, 접지단에 연결된 타단을 갖는다.

제3 상쇄 캐패시터(Cp2x)는 상기 제1 상쇄 캐패시터(Cox)의 타단에 제2 노드(ND2)를 통해 연결된 일단과, 접지단에 연결된 타단을 갖는다.

상기 제1 노드(ND1)는 상기 바이어스 전압(V_B)에 연결되고, 상기 제2 노드(ND2)는 리드-아웃 반도체칩에 내장된 상기 FBDRRCCⅡ의 XN-포트에 연결된다.

도 49는 도 47의 차동 리드-아웃 회로에서 노이즈 상쇄 블록(530)의 제2 구현예를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.

도 47 및 도 49를 참조하면, 제2 구현예에 따른 노이즈 상쇄 블록(530)은 제1 상쇄 캐패시터(Cox), 제2 상쇄 캐패시터(Cp1x) 및 제3 상쇄 캐패시터(Cp2x)를 포함하고, 상기 FBDRRCCⅡ가 내장된 리드-아웃 반도체칩의 내부에 배치된다.

상기 제1 노드(ND1)는 상기 리드-아웃 반도체칩의 제1 패드(PD1)에 연결되고, 상기 제2 노드(ND2)는 리드-아웃 반도체칩의 내부에서 상기 FBDRRCCⅡ의 XN-포트에 연결된다.

도 50은 도 47의 차동 리드-아웃 회로에서 노이즈 상쇄 블록(530)의 제3 구현예를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.

도 47 및 도 50을 참조하면, 제3 구현예에 따른 노이즈 상쇄 블록(530)은 제1 상쇄 캐패시터(Cox), 제2 상쇄 캐패시터(Cp1x) 및 제3 상쇄 캐패시터(Cp2x)를 포함하고, 상기 FBDRRCCⅡ가 내장된 리드-아웃 반도체칩의 내부에 배치된다.

상기 제1 노드(ND1)는 상기 리드-아웃 반도체칩의 제1 패드(PD1)에 연결되고, 상기 제2 노드(ND2)는 상기 리드-아웃 반도체칩의 제2 패드(PD2)에 연결되고, 상기 제2 패드(PD2)는 외부의 본딩 와이어를 통해 상기 FBDRRCCⅡ의 XN-포트에 연결된다.

이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

CORE : 코어 블록 110 : 상측 차동 입력단
120 : 하측 차동 입력단 130 : 상측 전류 미러단
140 : 하측 전류 미러단 150 : 스위칭단
D2 : 드라이빙 블록 210 : 제1 드라이버
220 : 제2 드라이버 230 : 제3 드라이버
240 : 제4 드라이버 250 : 제5 드라이버
C1 : 제1 캐패시터 C2 : 제2 캐패시터
RX : X-저항 RY : Y-저항
RZP : ZP-저항 RZN : ZN-저항
RXP : XP-저항 RXN : XN-저항
RZP : ZP-저항 RZN : ZN-저항

Claims

삭제
인가되는 음향에 응답하여 오디오 신호를 출력하는 마이크로폰 장치;
상기 마이크로폰 장치에서 출력되는 오디오 신호에 대응하는 전류를 전압으로 변환하는 2세대 전류 컨베이어를 포함하되, 상기 2세대 전류 컨베이어는,
Y-포트 및 X-포트에 공통 연결된 상측 차동 입력단 및 하측 차동 입력단을 통해 레일-투-레일 입출력을 구현하고, 바이어스 전압에 의해 인가되는 전류를 상기 Y-포트의 전압과 상기 X-포트의 전압을 근거로 미러링하여 제1 구동전압(P_DRV) 및 제2 구동전압(N_DRV)을 출력하는 코어 블록; 및
상기 제1 구동전압(P_DRV) 및 상기 제2 구동전압(N_DRV)에 응답하여 정상출력전류를 ZP-포트를 통해 출력하고, 상기 정상출력전류에 대해 역상의 위상을 갖는 반전출력전류를 ZN-포트를 통해 출력하는 드라이빙 블록을 포함하는 평형 출력 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(이하, BORRCCⅡ)인 것을 특징으로 하는 오디오 수신 장치.
제2항에 있어서, 상기 마이크로폰 장치는,
전자콘덴서마이크로폰(Electret Condenser Microphone, 이하 ECM);
일단이 전원전압단에 연결되고, 타단이 상기 ECM의 출력단에 연결된 풀업-저항; 및
일단이 상기 ECM의 출력단 및 상기 풀업-저항의 타단에 연결되고, 타단이 상기 X-포트에 연결되어, 상기 ECM로부터 출력되는 DC 오프셋 전압을 제거하고 신호 성분만을 전달하는 제1 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 오디오 수신 장치.
제3항에 있어서, 상기 Y-포트에 공통모드전압이 인가되고,
일단이 상기 공통모드전압에 연결되고 타단이 상기 ZP-포트에 연결된 ZP-저항; 및
일단이 상기 공통모드전압에 연결되고 타단이 상기 ZN-포트에 연결된 ZN-저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오디오 수신 장치.
제2항에 있어서, 상기 마이크로폰 장치는,
미세전자기계시스템(Micro Electro Mechanical System, 이하, MEMS) 마이크로폰 모듈; 및
일단이 상기 MEMS 마이크로폰의 출력단에 연결되고, 타단이 상기 X-포트에 연결된 제1 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 오디오 수신 장치.
제5항에 있어서, 상기 Y-포트에 공통모드전압이 인가되고,
일단이 상기 공통모드전압에 연결되고 타단이 상기 ZP-포트에 연결된 ZP-저항; 및
일단이 상기 공통모드전압에 연결되고 타단이 상기 ZN-포트에 연결된 ZN-저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오디오 수신 장치.
인가되는 음향에 응답하여 오디오 신호를 출력하는 마이크로폰 장치;
상기 마이크로폰 장치에서 출력되는 오디오 신호에 대응하는 전류를 전압으로 변환하는 2세대 전류 컨베이어를 포함하되, 상기 2세대 전류 컨베이어는,
제1 평형 출력 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(이하, 제1 BORRCCⅡ); 및
제2 평형 출력 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(이하, 제2 BORRCCⅡ)를 포함하는 완전 평형 차동 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(이하, FBDRRCCⅡ)이고, 상기 제1 BORRCCⅡ 및 상기 제2 BORRCCⅡ 각각은,
Y-포트 및 X-포트에 공통 연결된 상측 차동 입력단 및 하측 차동 입력단을 통해 레일-투-레일 입출력을 구현하고, 바이어스 전압에 의해 인가되는 전류를 상기 Y-포트의 전압과 상기 X-포트의 전압을 근거로 미러링하여 제1 구동전압(P_DRV) 및 제2 구동전압(N_DRV)을 출력하는 코어 블록; 및
상기 제1 구동전압(P_DRV) 및 상기 제2 구동전압(N_DRV)에 응답하여 정상출력전류를 ZP-포트를 통해 출력하고, 상기 정상출력전류에 대해 역상의 위상을 갖는 반전출력전류를 ZN-포트를 통해 출력하는 드라이빙 블록을 포함하고,
상기 제1 BORRCCⅡ의 상기 Y-포트 및 X-포트는 각각 YP-포트 및 XP-포트를 정의하고, 상기 제2 BORRCCⅡ의 상기 Y-포트 및 X-포트는 각각 YN-포트 및 XN-포트를 정의하고, 상기 제1 BORRCCⅡ의 상기 ZP-포트와 상기 제2 BORRCCⅡ의 상기 ZN-포트는 서로 연결되어 ZPF-포트를 정의하고, 상기 제1 BORRCCⅡ의 상기 ZN-포트와 상기 제2 BORRCCⅡ의 상기 ZP-포트는 서로 연결되어 ZNF-포트를 정의하는 것을 특징으로 하는 오디오 수신 장치.
제7항에 있어서, 상기 마이크로폰 장치는,
전자콘덴서마이크로폰(Electret Condenser Microphone, 이하 ECM);
일단이 전원전압단에 연결되고, 타단이 상기 ECM의 제1 출력단에 연결된 풀업-저항;
일단이 상기 ECM의 제1 출력단에 연결되고, 타단이 상기 XP-포트에 연결된 제1 캐패시터; 및
일단이 상기 ECM의 제2 출력단에 연결되고, 타단이 상기 XN-포트에 연결된 제2 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 오디오 수신 장치.
제8항에 있어서, 상기 YP-포트 및 상기 YN-포트에 공통모드전압이 인가되고,
일단이 상기 공통모드전압에 연결되고 타단이 상기 ZP-포트에 연결된 ZP-저항; 및
일단이 상기 공통모드전압에 연결되고 타단이 상기 ZN-포트에 연결된 ZN-저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오디오 수신 장치.
제7항에 있어서, 상기 마이크로폰 장치는,
MEMS 마이크로폰;
일단이 상기 MEMS 마이크로폰의 제1 출력단에 연결되고, 타단이 상기 XP-포트에 연결된 제1 캐패시터; 및
일단이 상기 MEMS 마이크로폰의 제2 출력단에 연결되고, 타단이 상기 XN-포트에 연결된 제2 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 오디오 수신 장치.
제10항에 있어서, 상기 YP-포트 및 상기 YN-포트에 공통모드전압이 인가되고,
일단이 상기 공통모드전압에 연결되고 타단이 상기 ZP-포트에 연결된 ZP-저항; 및
일단이 상기 공통모드전압에 연결되고 타단이 상기 ZN-포트에 연결된 ZN-저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오디오 수신 장치.
삭제
바이어스 전압과 인가되는 음향에 응답하여 오디오 신호에 대응하는 오디오 전류를 출력하는 MEMS 마이크로폰 센서;
본딩 와이어를 통해 상기 MEMS 마이크로폰 센서에 전기적으로 연결되고, 상기 오디오 전류를 오디오 전압으로 변환하는 리드-아웃 인터페이스 기능을 수행하는 2세대 전류 컨베이어; 및
상기 2세대 전류 컨베이어를 통해 노이즈를 서로 상쇄시켜 상기 오디오 신호에서 노이즈를 제거하기 위해, 상기 MEMS 마이크로폰 센서를 전기적으로 모델링한 센서 모델링 블록의 캐패시턴스 성분과 동일하게 설계된 캐패시턴스 성분을 포함하는 노이즈 상쇄 블록을 포함하되, 상기 2세대 전류 컨베이어는 제1 평형 출력 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(이하, 제1 BORRCCⅡ); 및
제2 평형 출력 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(이하, 제2 BORRCCⅡ)를 포함하는 완전 평형 차동 레일-투-레일 2세대 전류 컨베이어(이하, FBDRRCCⅡ)이고, 상기 제1 BORRCCⅡ 및 상기 제2 BORRCCⅡ 각각은,
Y-포트 및 X-포트에 공통 연결된 상측 차동 입력단 및 하측 차동 입력단을 통해 레일-투-레일 입출력을 구현하고, 바이어스 전압에 의해 인가되는 전류를 상기 Y-포트의 전압과 상기 X-포트의 전압을 근거로 미러링하여 제1 구동전압(P_DRV) 및 제2 구동전압(N_DRV)을 출력하는 코어 블록; 및
상기 제1 구동전압(P_DRV) 및 상기 제2 구동전압(N_DRV)에 응답하여 정상출력전류를 ZP-포트를 통해 출력하고, 상기 정상출력전류에 대해 역상의 위상을 갖는 반전출력전류를 ZN-포트를 통해 출력하는 드라이빙 블록을 포함하고,
상기 제1 BORRCCⅡ의 상기 Y-포트 및 X-포트는 각각 YP-포트 및 XP-포트를 정의하고, 상기 제2 BORRCCⅡ의 상기 Y-포트 및 X-포트는 각각 YN-포트 및 XN-포트를 정의하고, 상기 제1 BORRCCⅡ의 상기 ZP-포트와 상기 제2 BORRCCⅡ의 상기 ZN-포트는 서로 연결되어 ZPF-포트를 정의하고, 상기 제1 BORRCCⅡ의 상기 ZN-포트와 상기 제2 BORRCCⅡ의 상기 ZP-포트는 서로 연결되어 ZNF-포트를 정의하는 것을 특징으로 하는 오디오 수신 장치.
제13항에 있어서, 상기 노이즈 상쇄 블록은
제1 상쇄 캐패시터;
상기 제1 상쇄 캐패시터의 일단에 제1 노드를 통해 연결된 일단과, 접지단에 연결된 타단을 갖는 제2 상쇄 캐패시터; 및
상기 제1 상쇄 캐패시터의 타단에 제2 노드를 통해 연결된 일단과, 접지단에 연결된 타단을 갖는 제3 상쇄 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 오디오 수신 장치.
제14항에 있어서, 상기 노이즈 상쇄 블록은 상기 FBDRRCCⅡ가 내장된 리드-아웃 반도체칩의 외부에 배치되고,
상기 제1 노드는 상기 바이어스 전압에 연결되고,
상기 제2 노드는 리드-아웃 반도체칩에 내장된 상기 FBDRRCCⅡ의 XN-포트에 연결된 것을 특징으로 하는 오디오 수신 장치.
제14항에 있어서, 상기 노이즈 상쇄 블록은 상기 FBDRRCCⅡ가 내장된 리드-아웃 반도체칩의 내부에 배치되고,
상기 제1 노드는 상기 리드-아웃 반도체칩의 패드에 연결되고,
상기 제2 노드는 상기 FBDRRCCⅡ의 XN-포트에 연결된 것을 특징으로 하는 오디오 수신 장치.
제14항에 있어서, 상기 노이즈 상쇄 블록은 상기 FBDRRCCⅡ가 내장된 리드-아웃 반도체칩의 내부에 배치되고,
상기 제1 노드는 상기 리드-아웃 반도체칩의 제1 패드에 연결되고,
상기 제2 노드는 상기 리드-아웃 반도체칩의 제2 패드에 연결되고,
상기 제2 패드는 외부의 본딩 와이어를 통해 상기 FBDRRCCⅡ의 XN-포트에 연결된 것을 특징으로 하는 오디오 수신 장치.