KR101937677B1 - 신호 증폭 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

입력 신호를 증폭하여 출력할 수 있는 신호 증폭 장치 및 신호 증폭 방법이 개시된다. 상기 신호 증폭 장치는 입력 신호를 증폭하여 출력하는 증폭부; 및 상기 증폭부에 주기적으로 변화하는 전류를 공급하는 전류 공급부를 포함할 수 있다.

Description

신호 증폭 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR AMPLIFYING SIGNAL}
아래의 설명은 입력 신호를 증폭하여 출력하는 신호 증폭 장치 및 신호 증폭 방법에 관한 것이다.
계측 증폭기(Instrumentation Amplifier, IA)는 다양한 신호를 측정하기 위해 사용된다. 예를 들어, 계측 증폭기는 의료 분야에서 심전도(ECG)나 근전도(EMG), 뇌파(EEG), 압력, 체저항 또는 움직임 신호 등과 같은 생체 신호를 측정하는데 이용될 수 있다.
일반적으로, 계측 증폭기는 낮은 오프셋(offset), 적은 소음, 높은 동상 신호 제거(high common mode rejection), 높은 루프 이득, 높은 입력 저항을 나타내는 차동 증폭기(differential amplifier)로 구성될 수 있다. 계측 증폭기는 이산 신호 표본을 획득하기 위해 이산 시간 스위치된(discreet time swiched) 캐패시터 구조를 포함할 수 있다.
계측 증폭기는 잡음과 오프셋을 제거하기 위해 신호를 보다 높은 주파수 대역으로 변조하기 위한 초퍼(chopper) 회로를 포함할 수 있다. 계측 증폭기는 초퍼 회로를 이용하여 높은 주파수 대역으로 변조된 신호를 낮은 주파수 대역으로 다시 변조시킬 수 있다.
일실시예에 따른 신호 증폭 장치는, 입력 신호를 증폭하여 출력하는 증폭부; 및 상기 증폭부에 주기적으로 변화하는 전류를 공급하는 전류 공급부를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 신호 증폭 장치에서, 상기 증폭부는, 입력 신호를 입력 저항의 양단에 출력하는 적어도 하나 이상의 입력 버퍼; 및 상기 입력 저항에 흐르는 전류를 미러링하여 출력 저항에 미러링된 전류를 흘리는 전류 미러를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 신호 증폭 장치에서, 상기 증폭부는, 상기 입력 버퍼에 연결되어, 입력 신호의 크기에 따라 상기 입력 버퍼의 특성이 변화되는 것을 방지하기 위한 부트스트랩 회로를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 신호 증폭 장치는 아날로그 신호의 샘플링 단계에서 홀딩 단계로 넘어가는 시점에 인접한 시간 구간에서는 고품질의 아날로그 신호를 생성하고, 나머지 시간 구간에서는 저품질의 아날로그 신호를 생성할 수 있다.
일실시예에 따른 신호 증폭 방법은, 버퍼에 주기적으로 변화하는 전류를 공급하여 상기 버퍼에 입력되는 저주파 대역의 신호를 고주파 대역의 신호로 변조시키는 단계; 상기 고주파 대역의 신호를 증폭시키는 단계; 및 상기 증폭된 고주파 대역의 신호를 샘플링하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 신호 증폭 방법은, 저역 통과 필터를 이용하여 상기 샘플링된 신호를 필터링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 1은 일반적인 신호 증폭 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 신호 증폭 장치의 세부적인 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 신호 증폭 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 5는 일실시예에 따른 신호 증폭 장치를 구현하기 위한 제1 회로 및 제2 회로를 도시한 도면이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 신호 증폭 장치를 구현하기 위한 회로를 도시한 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 신호 증폭 장치의 입력 신호와 출력 신호를 나타내는 그래프이다.
도 8은 일실시예에 따른 신호 증폭 장치의 소비 전류를 나타내는 그래프이다.
도 9는 일실시예에 따른 신호 증폭 방법의 동작을 도시한 흐름도이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 아래의 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 발명의 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 발명의 범위가 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 일실시예에 따른 신호 증폭 방법은 신호 증폭 장치에 의해 수행될 수 있으며, 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일반적인 신호 증폭 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 신호 증폭 장치(100)는 입력 초퍼(110), 입력 버퍼(120), 전류 미러(130), 출력 버퍼(140), 출력 초퍼(150) 및 필터링부(160)를 포함할 수 있다.
입력 초퍼(110)는 잡음과 오프셋을 제거하기 위해 입력 신호를 보다 높은 주파수 대역으로 변조할 수 있다. 높은 주파수 대역으로 변조된 입력 신호는 버퍼를 지나 전류 미러(130)에 전달되게 된다. 전류 미러(130)는 입력된 신호를 미러링(mirroring)하여 출력 저항에 미러링된 신호를 생성할 수 있다. 미러링된 신호는 출력 버퍼(140)를 지나 출력 초퍼(150)에 전달되어, 저주파수 대역의 신호로 변조된다. 그 후, 필터링부(160)에 의한 신호의 필터링 과정이 수행될 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 신호 증폭 장치의 세부적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 신호 증폭 장치(210)는 전류 공급부(220) 및 증폭부(230)를 포함할 수 있다. 신호 증폭 장치(210)는 입력 신호를 증폭하여 출력할 수 있다. 예를 들어, 신호 증폭 장치(210)는 아날로그 프론트 엔드(analogue front-end, AFE)에서, 심전도(ECG), 근전도(EMG), 뇌파(EEG), 압력, 체저항 또는 움직임 신호 등의 생체 신호를 증폭하여 출력하는 계측 증폭기(Instrumentation Amplifier, IA)일 수 있다.
신호 증폭 장치(210)는 입력 신호를 증폭시키기 전에, 트랜지스터와 같은 능동 소자(active device)에서 발생하는 플리커 노이즈(flicker noise) 또는 1/f 노이즈의 영향을 최소화하기 위해, 입력된 신호를 고주파 대역의 신호로 변조(modulation)시킬 수 있다.
신호 증폭 장치(210)는 가변적인 전류의 공급을 통해 저주파 대역의 입력 신호를 고주파 대역의 입력 신호로 변조시킬 수 있다. 예를 들어, 신호 증폭 장치(210)는 서로 다른 크기를 가지는 전류들을 내부 회로에 교대로 공급하여 저주파 대역의 입력 신호를 고주파 대역의 입력 신호로 변조시킬 수 있다.
신호 증폭 장치(210)는 초퍼(chopper)와 같은 특정 회로를 이용하지 않아도, 내부 회로에 공급되는 전류를 조절함으로써 저주파 대역의 입력 신호를 고주파 대역의 입력 신호로 변조시킬 수 있다. 따라서, 신호 증폭 장치(210)는 초퍼에 의해 유발되는 노이즈의 영향을 받지 않으므로 보다 고품질의 출력 신호를 생성할 수 있다.
구체적으로, 신호 증폭 장치(210)는 정상(normal) 크기의 전류를 내부 회로에 항상 공급하는 것이 아니라, 일정 시간 구간에서는 정상 크기의 전류를 공급하고, 다른 시간 구간에서는 정상 전류보다 낮은 크기의 전류를 공급하거나 또는 전류의 공급을 차단할 수 있다.
신호 증폭 장치(210)는 아날로그 신호의 샘플링 단계에서 홀딩 단계로 넘어가는 시점에 인접한 시간 구간에서는 고품질의 아날로그 신호를 생성하고, 나머지 시간 구간에서는 저품질의 아날로그 신호를 생성할 수 있다. 신호 증폭 장치(210)는 증폭된 입력 신호가 샘플링되는 샘플링 시점 부근에서만 고품질의 신호를 형성하고, 그 외에는 저품질의 신호를 형성함으로써, 출력 신호의 열화를 발생시키지 않으면서도 신호 증폭 장치(210)가 소비하는 평균 전력을 저감시킬 수 있다.
신호 증폭 장치(210)는 입력 신호의 증폭 과정이 종료되면, 고주파 대역의 신호를 다시 저주파 대역의 신호로 변조하여 출력할 수 있다. 고주파 대역의 신호와 저주파 대역의 신호 간의 구별은 주파수 크기에 대한 신호들 간의 상대적인 비교에 의해 결정될 수 있다.
전류 공급부(220)는 증폭부(230)에 가변적인 전류를 공급할 수 있다. 구체적으로, 전류 공급부(220)는 증폭부(230)에 주기적으로 변화하는 전류를 공급할 수 있다. 전류 공급부(220)는 서로 다른 크기를 가지는 전류들을 증폭부(230)에 교대로 공급하여 저주파 대역의 입력 신호를 고주파 대역의 입력 신호로 변조시킬 수 있다.
예를 들어, 전류 공급부(220)는 서로 다른 특성을 가지는 복수의 트랜지스터들을 이용하여 서로 다른 크기를 가지는 전류들을 증폭부(230)에 교대로 공급할 수 있다. 전류 공급부(220)는 서로 다른 특성을 가지는 복수의 트랜지스터들을 포함할 수 있고, 트랜지스터들의 on/off를 제어하여 주기적으로 변화하는 전류를 생성할 수 있다.
구체적으로, 전류 공급부(220)는 증폭부(230)에 크기가 서로 다른 제1 전류 및 제2 전류를 교대로 공급할 수 있다. 제1 전류는 증폭부(230)가 고품질의 신호를 형성하기 위해 필요로 하는 전류를 나타낼 수 있다. 제2 전류의 크기는 0 이거나, 또는 제1 전류의 크기보다 작을 수 있다. 제2 전류의 크기가 0 이라는 것은, 전류 공급부(220)가 특정 시간 구간에서 증폭부(230)에 전류를 공급하지 않는다는 것을 나타낸다.
전류 공급부(220)는 증폭부(230)의 기동 시간, 증폭된 신호를 샘플링하는 샘플링 주기, 공급되는 전류 크기에 따른 증폭부(230)의 동작 성능 등을 고려하여 제2 전류의 크기를 조절할 수 있다.
전류 공급부(220)는 증폭부(230)에 제1 전류를 공급하는 시간과 증폭부(230)에 제2 전류를 공급하는 시간 간의 비율을 조절하여 증폭부(230)에 공급되는 전류량을 제어할 수 있다. 또는, 전류 공급부(220)는 제2 전류의 크기를 조절하여 증폭부(230)에 공급되는 전류량을 제어할 수 있다. 전류 공급부(220)는 증폭부(230)에 제1 전류를 공급하는 시간과 제2 전류를 공급하는 시간 간의 비율을 조절하거나, 또는 제2 전류의 크기를 조절함으로써 증폭부(230)가 소비하는 소비 전력을 제어할 수 있다.
전류 공급부(220)는 증폭된 입력 신호에 대한 샘플링 주기에 기초하여 증폭부(230)에 공급하는 전류의 변화 주기를 결정할 수 있다. 예를 들어, 전류 공급부(220)는 샘플링 주기에 기초하여, 제1 전류와 제2 전류가 증폭부(230)에 공급되는 시간 구간을 결정할 수 있다. 또는, 증폭부(230)가 증폭부(230)에 공급되는 전류의 변화 주기에 기초하여 샘플링 주기를 결정할 수도 있다.
전류의 변화 주기는 전류 공급부(220)가 서로 다른 크기의 전류들을 증폭부(230)에 공급하는 시간 단위를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 전류 공급부(220)가 처음 0.25 msec 동안에는 11 uA의 전류를 공급하고, 그 뒤 0.25 msec 동안은 3 uA의 전류를 공급하는 것을 반복적으로 수행하는 경우, 전류의 변화 주기는 0.5 msec를 나타낼 수 있다.
증폭된 입력 신호가 아날로그 디지털 변환(Analog-to-Digital Conversion, ADC) 등의 과정에서 샘플링되는 경우, 샘플링되는 시점에서의 신호 품질은 출력 신호의 품질에 영향을 미칠 수 있다. 이와는 반대로, 샘플링되는 시점이 아닌 다른 시점에서의 신호 품질은 출력 신호의 생성과는 무관할 수 있다.
전류 공급부(220)는 샘플링되는 시점의 주변 구간에서는 높은 크기의 전류를 증폭부(230)에 공급하여 고품질의 신호를 유지하고, 나머지 구간에서는 상대적으로 낮은 크기의 전류를 증폭부(230)에 공급하여 증폭부(230)가 소비하는 평균 소비 전류를 감소시킬 수 있다.
증폭부(230)는 입력 신호를 증폭하여 출력할 수 있다. 증폭부(230)는 전류 공급부(220)의 가변적인 전류 공급에 의해 변조된 입력 신호를 증폭하고, 증폭된 입력 신호를 일정한 샘플링 주기로 샘플링하여 출력할 수 있다. 샘플링 주기는 미리 결정된 값을 가지거나, 또는 전류 공급부(220)가 증폭부(230)에 공급하는 전류의 변화 주기에 기초하여 결정될 수 있다. 샘플링 주기는 전류의 변화 주기와 동일할 수 있다.
증폭부(230)는 샘플링 과정을 통해 고주파 대역의 신호로 변조된 신호를 저주파 대역의 신호로 변조시킬 수 있다. 또한, 증폭부(230)는 샘플링 과정을 통해 아날로그 신호인 입력 신호를 디지털 신호로 변환시킬 수 있다. 증폭부(230)는 샘플링 과정에서 발생하는 스위칭 노이즈(switching noise) 등을 제거하기 위해 저역 통과 필터링(low pass filtering) 과정을 선택적으로 수행할 수 있다.
일례에 따르면, 증폭부(230)는 입력 신호를 입력 저항의 양단에 출력하는 적어도 하나 이상의 입력 버퍼(미도시) 및 입력 저항에 흐르는 전류를 미러링(mirroring)하여 출력 저항에 미러링된 전류를 흘리는 전류 미러(current mirror)(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 증폭부(230)는 입력 버퍼에 연결되어, 입력 신호의 크기에 따라 입력 버퍼의 특성이 변화되는 것을 방지하기 위한 부트스트랩(bootstrap) 회로(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 입력 버퍼, 전류 미러 및 부트스트랩 회로에 대한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
도 3은 일실시예에 따른 신호 증폭 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 신호 증폭 장치(300)는 증폭부(310) 및 전류 공급부(320)를 포함할 수 있다. 증폭부(310)는 입력 버퍼(330), 전류 미러(340) 및 필터링부(350)를 포함할 수 있다. 또한, 증폭부(310)는 입력 신호의 크기에 따라 입력 버퍼(330)의 특성이 변화되는 것을 방지하기 위한 부트스트랩 회로(미도시)를 추가적으로 포함할 수 있다. 또한, 전류 미러(340)와 필터링부(350) 사이에는 버퍼(미도시)가 삽입될 수도 있다.
입력 버퍼(330)는 입력 신호(Vinn, Vinp)를 입력 저항(Ri) 양단에 출력할 수 있다. 전류 공급부(320)는 증폭부(310)의 내부 회로에 주기적으로 변화하는 전류를 공급할 수 있다. 구체적으로, 전류 공급부(320)는 서로 다른 크기를 가지는 전류들을 증폭부(310)의 내부 회로에 일정한 주기를 가지고 교대로 공급할 수 있다.
예를 들어, 한 세트의 전류 변화 주기를 0.5 msec라 가정하면, 전류 공급부(320)는 처음 0.25 msec 동안 11 uA의 전류를 증폭부(310)에 공급하고, 나머지 0.25 msec 동안 3 uA의 전류를 증폭부(310)에 공급할 수 있다.
전류 공급부(320)가 주기적으로 변화하는 전류를 증폭부(310)의 내부 회로에 공급함으로써, 입력 버퍼(330)에 입력된 저주파 대역의 입력 신호(Vinn, Vipp)는 고주파 대역의 입력 신호로 변조되어 입력 저항(Ri) 양단에 출력될 수 있다. 가변적인 전류를 공급하는 전류 공급부(320)에 의해 입력 신호(Vinn, Vinp)를 수신하여 처리하는 입력 버퍼(330)는 가변적으로 전류를 소비하게 된다.
고주파 대역의 입력 신호는 입력 저항(Ri) 양단에 입력 전류(iin)를 형성할 수 있다. 전류 미러(340)는 입력 전류(iin)를 미러링하여 출력 저항(Ro)에 미러링된 출력 전류(iout)를 흘릴 수 있다. 전류 미러(340)가 입력 전류(iin)와 동일한 크기의 출력 전류(iout)를 출력 저항(Ro)의 양단에 형성하는 경우, 출력 저항(Ro) 양단에는 입력 저항(Ri)에 대한 출력 저항(Ro)의 비율만큼 증폭된 출력 신호(Von, Vop)가 형성될 수 있다.
또한, 전류 미러(340)는 내부 회로 구성 또는 트랜지스터의 특성에 따라 입력 전류(iin)와 동일하지 않는 크기의 출력 전류(iout)를 출력 저항(Ro) 양단에 형성할 수도 있다. 전류 미러(340)가 입력 전류(iin)와 동일하지 않은 크기의 출력 전류(iout)을 출력 저항(Ro) 양단에 형성하는 경우에는, 입력 저항(Ri)에 대한 출력 저항(Ro)의 비율 및 입력 전류(iin)에 대한 출력 전류(iout)의 비율에 기초하여 출력 신호의 크기가 결정될 수 있다.
증폭된 출력 신호(Von, Vop)는 일정한 샘플링 주기로 샘플링되어, 저주파 대역의 신호로 변조될 수 있다. 입력 신호는 가변적인 전류를 공급하는 전류 공급부(320)에 의해 고주파 대역의 신호로 변조되고, 출력단에서 수행되는 샘플링 과정을 통해 저주파 대역의 신호로 변조될 수 있다.
가변적인 전류에 의해 입력 신호가 고주파수 대역으로 변조(modulation)되므로 전류 공급부(320)가 출력하는 전류의 변동 주파수는 입력 신호의 대역폭(bandwidth)보다 높아야 한다.
샘플링 주기는 미리 결정된 값을 가지거나, 또는 전류 공급부(320)가 증폭부(310)에 공급하는 전류의 변화 주기에 기초하여 결정될 수 있다. 샘플링 주기는 전류 공급부(320)가 서로 다른 크기의 전류들을 공급하는 전류의 변화 주기와 동일할 수 있다. 예를 들어, 전류의 변화 주기가 0.5 msec라고 가정하면, 샘플링 주기도 0.5 msec로 결정될 수 있다.
또는, 전류 공급부(320)가 가지는 전류의 변화 주기는 미리 결정된 샘플링 주기에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 증폭부(310)의 출력단에서 수행되는 샘플링의 주기가 0.5 msec라고 가정하면, 전류 공급부(320)는 전류의 변화 주기를 0.5 msec로 결정할 수 있다.
증폭부(310)는 샘플링 과정에서 발생하는 스위칭 노이즈를 제거하기 위해, 저역 통과 필터를 이용하여 샘플링된 출력 신호를 필터링하는 필터링부(350)를 포함할 수 있다. 필터링 과정을 통해, 노이즈가 제거된 고품질의 출력 신호(VLPFp, VLPFn)가 생성될 수 있다.
도 4 내지 도 5는 일실시예에 따른 신호 증폭 장치를 구현하기 위한 제1 회로 및 제2 회로를 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 제1 회로와 도 5에 도시된 제2 회로는 서로 연결되어 동작할 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 신호 증폭 장치를 구현하기 위한 제1 회로(400)를 도시한 도면이다. 입력 신호는 제1 회로(400)의 입력 노드들(410, 415)에 입력될 수 있다. 입력 버퍼(420)는 입력 신호를 입력 저항(425)의 양단에 출력할 수 있다.
입력 버퍼(420)에 연결된 부트스트랩 회로(430)는 입력 신호의 크기에 따라 입력 버퍼(420)의 특성이 변화되는 것을 방지할 수 있다. 입력 버퍼(420)는 입력 신호의 크기에 따라 비선형적으로 동작할 수 있는데, 부트스트랩 회로(330)가 입력 버퍼(420)에 연결되어 입력 버퍼(420)가 선형적으로 동작하도록 제어할 수 있다. 더욱 구체적으로, 부트스트랩 회로(430)는 입력 버퍼(420)의 입력 전압의 변화에 대한 출력 전화의 비율을 나타내는 트랜스컨덕턴스(transconductance) 특성을 일정하게 유지시킬 수 있다.
부트스트랩 회로(430)는 입력 버퍼(420)의 역할을 하는 PMOS(P타입 MOSFET)의 드레인 노드에 입력 노드에 입력되는 입력 신호의 변동을 반영시킬 수 있다. 부트스트랩 회로(430)에 의해 입력 버퍼(420)의 게이트 노드, 소스 노드 및 드레인 노드에서의 AC 변동(교류 성분의 변동)이 모두 동일하게 되어, 기생 커패시턴스(parasitic capacitance)에 의한 영향을 제거할 수 있다.
회로 상에서, 전류 공급부는 입력 버퍼(420)에 서로 다른 크기의 전류들이 교대로 흐르도록 트랜지스터(440)를 제어하는 가변적인 전류원(current source)(450)으로 나타낼 수 있다. 전류 공급부에 의해 입력 신호가 고주파 대역의 신호로 변조될 수 있다. 변조된 신호는 입력 버퍼(420)에 의해 입력 저항(425) 양단에 그대로 출력될 수 있다. 레벨 쉬프터(level shifter) 회로(460)는 직류 성분인 DC 레벨을 조절할 수 있다.
입력 저항(425)을 흐르는 전류는 제1 회로(400)의 출력 노드들(470, 475)에서 전압의 형태로 출력될 수 있다. 제1 회로(400)의 출력 노드들(470, 475)은 각각 도 5의 입력 노드들(510, 515)에 연결될 수 있다. 따라서, 입력 저항(425) 양단에 걸렸던 전압 차이의 변화는 도 5에 도시된 제2 회로(500)의 출력 저항(520) 양단에 나타낼 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 신호 증폭 장치를 구현하기 위한 제2 회로(500)를 도시한 도면이다. 제2 회로(500)의 입력 노드들(510, 515)은 각각 도 4의 제1 회로(400)의 출력 노드들(470, 475)에 연결될 수 있다. 제2 회로(500)에서, 출력 저항(520)이 연결된 양 가지(branch)로 도 4의 입력 저항(425)에 흐르는 전류가 미러링되어 흐를 수 있고, 이에 따라 출력 저항(520) 양단에 증폭된 신호가 형성될 수 있다. 증폭된 신호는 제2 회로(500)의 출력 노드들(530, 535)을 통해 출력될 수 있다.
도 6은 다른 실시예에 따른 신호 증폭 장치를 구현하기 위한 회로를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 입력 트랜지스터 Np 및 Nn에 의해 입력 신호 Vip 및 Vin 의 차이 값이 증폭될 수 있고, 증폭된 신호는 Vop에 출력될 수 있다. 이 때, 신호의 증폭도 및 노이즈 정도는 가변 전류 소스인 is에 의해 결정될 수 있다. 가변 전류 소스가 흘리는 전류가 클 때에는 고품질의 신호가 생성될 수 있고, 가변 전류 소스가 흘리는 전류가 상대적으로 작을 때에는 저품질의 신호가 생성될 수 있다.
도 7은 일실시예에 따른 신호 증폭 장치의 입력 신호와 출력 신호를 나타내는 그래프이다.
도 7에서, 그래프(710)은 신호 증폭 장치에 입력된 입력 신호의 일례로서, 1 mVpp의 10 Hz 사인파 신호로 나타내고 있다. 구체적으로, 그래프(710)은 신호 증폭 장치 양단에 입력된 입력 신호들 간의 차이(differential)를 나타낸다.
그래프(720)는 그래프(710)에 나타난 입력 신호의 증폭 과정이 수행된 뒤에, 신호 증폭 장치의 양단에서 출력되는 출력 신호의 일례를 나타낸다. 그래프(720)는 신호 증폭 장치의 음의 출력 단자에 대한 양의 출력 단자의 전압 신호가 어떠한지를 나타낸다. 구체적으로, 그래프(720)는 이득(gain) 특성이 100인 신호 증폭 장치의 양단에서 출력되는 출력 신호들 간의 차이(차동 신호)를 나타낸다. 출력 신호들 간의 차이는 100 mVpp의 10 Hz 사인파 신호를 나타내고 있다. 신호 증폭 장치는 출력 신호에서 나타나는 고주파 노이즈를 저역 통과 필터링 과정을 통해 저감시킬 수 있다.
도 8은 일실시예에 따른 신호 증폭 장치의 소비 전류를 나타내는 그래프이다.
도 8에서, 그래프(800)은 신호 증폭 장치의 내부 회로에 공급되는 전류의 크기를 시간에 따라 나타낸 시뮬레이션 결과의 일례이다. 그래프(800)에서, 신호 증폭 장치는 "정상 구간(810)"과 "소비 전류 저감 구간(820)"을 설정하여, 각 구간에서 내부 회로에 서로 다른 크기의 전류를 공급하고 있음을 확인할 수 있다.
그래프(800)으로부터 신호 증폭 장치는 0.5 msec의 전류의 변화 주기를 가지며, 0.25 msec의 정상 구간(810)에서는 내부 회로에 11 uA의 전류를 공급하고, 나머지 0.25 msec의 소비 전력 저감 구간(820)에서는 3 uA의 전류를 내부 회로에 공급함을 알 수 있다.
신호 증폭 장치는 증폭된 입력 신호가 샘플링되는 샘플링 시점 부근(정상 구간(810))에서만 고품질의 신호를 유지하고, 그 외 구간(소비 전류 저감 구간(820))에는 저품질의 신호를 출력함으로써, 출력 신호의 열화를 발생시키지 않으면서도 신호 증폭 장치가 소비하는 평균 전력을 저감시킬 수 있다.
결과적으로, 그래프(800)에서 신호 증폭 장치는 전체 시간 구간에서 7 uA의 평균 전류(830)를 소비함을 알 수 있다. 이는, 전체 시간 구간에서 항상 11 uA의 전류를 공급하는 경우보다, 평균 소비 전류가 4 uA 감소(840)되었음을 나타낸다. 신호 증폭 장치는 평균 소비 전류가 감소됨에 따라 신호 증폭 장치에서 소비되는 전력을 저감시킬 수 있다.
추가적으로, 신호 증폭 장치는 전류의 변화 주기 내에서, 정상 구간(810)과 소비 전류 저감 구간(820)의 비율을 조절하거나, 또는 소비 전류 저감 구간(820)에서의 크기를 조절하여 신호 증폭 장치가 소비하는 소비 전력을 제어할 수 있다.
도 9는 일실시예에 따른 신호 증폭 방법의 동작을 도시한 흐름도이다.
단계(910)에서, 신호 증폭 장치는 버퍼에 주기적으로 변화하는 전류를 공급하여 버퍼에 입력되는 저주파 대역의 신호를 고주파 대역의 신호로 변조시킬 수 있다. 예를 들어, 신호 증폭 장치는 서로 다른 크기를 가지는 전류들을 버퍼에 교대로 공급하여 저주파 대역의 신호를 고주파 대역의 신호로 변조시킬 수 있다.
신호 증폭 장치는 정상 크기의 전류를 내부 회로에 항상 공급하는 것이 아니라, 일정 시간 구간에서는 정상 크기의 전류를 공급하고, 다른 시간 구간에서는 정상 전류보다 낮은 크기의 전류를 공급하거나 또는 전류의 공급을 차단할 수 있다.
예를 들어, 신호 증폭 장치는 버퍼에 크기가 서로 다른 제1 전류 및 제2 전류를 교대로 공급할 수 있다. 제2 전류의 크기는 0 이거나, 또는 제1 전류의 크기보다 작을 수 있다. 제2 전류의 크기가 0 이라는 것은, 특정 시간 구간에서 버퍼에 전류가 공급되지 않는다는 것을 나타낸다.
신호 증폭 장치는 기동 시간, 증폭된 신호를 샘플링하는 샘플링 주기, 공급되는 전류의 크기에 따른 동작 성능 등을 고려하여 제2 전류의 크기를 조절할 수 있다.
신호 증폭 장치는 버퍼에 제1 전류를 공급하는 시간과 버퍼에 제2 전류를 공급하는 시간 간의 비율을 조절하여 버퍼에 공급되는 전류량을 제어할 수 있다. 또는, 신호 증폭 장치는 제2 전류의 크기를 조절하여 버퍼에 공급되는 전류량을 제어할 수 있다. 신호 증폭 장치는 버퍼에 제1 전류를 공급하는 시간과 제2 전류를 공급하는 시간 간의 비율을 조절하거나, 또는 제2 전류의 크기를 조절함으로써 신호 증폭 장치의 소비 전력을 제어할 수 있다.
신호 증폭 장치는 증폭된 입력 신호에 대한 샘플링 주기에 기초하여 버퍼에 공급하는 전류의 변화 주기를 결정할 수 있다. 예를 들어, 신호 증폭 장치는 샘플링 주기에 기초하여, 제1 전류와 제2 전류가 버퍼에 공급되는 시간 구간을 결정할 수 있다. 또는, 신호 증폭 장치는 버퍼에 공급하는 전류의 변화 주기에 기초하여 샘플링 주기를 결정할 수도 있다.
신호 증폭 장치는 일정한 변화 주기로 서로 다른 크기를 가지는 전류들을 버퍼에 공급할 수 있다. 전류의 변화 주기는, 고주파 대역의 신호에 대한 샘플링 주기에 기초하여 결정될 수 있다.
신호 증폭 장치는 증폭된 입력 신호가 샘플링되는 샘플링 시점 부근에서만 고품질의 신호를 유지하고, 그 외에는 저품질의 신호를 출력함으로써, 출력 신호의 열화를 발생시키지 않으면서도 신호 증폭 장치가 소비하는 평균 전력을 저감시킬 수 있다.
신호 증폭 장치는 서로 다른 특성을 가지는 복수의 트랜지스터들을 이용하여 버퍼에 서로 다른 크기를 가지는 전류들을 공급할 수 있다. 예를 들어, 신호 증폭 장치는 서로 다른 특성을 가지는 복수의 트랜지스터들을 포함할 수 있고, 트랜지스터들의 on/off를 제어하여 주기적으로 변화하는 전류를 생성할 수 있다.
단계(920)에서, 신호 증폭 장치는 변조된 고주파 대역의 신호를 증폭시킬 수 있다.
신호 증폭 장치는 미러링된 전류를 생성하는 전류 미러를 이용하여 고주파 대역의 신호를 증폭시킬 수 있다. 예를 들어, 전류 미러는 입력 저항에 흐르는 고주파 대역의 입력 전류를 미러링하여 출력 저항에 미러링된 출력 전류를 흘릴 수 있다. 전류 미러가 입력 전류와 동일한 크기의 출력 전류를 출력 저항의 양단에 형성하는 경우, 출력 저항 양단에는 입력 저항에 대한 출력 저항의 비율만큼 증폭된 출력 신호가 형성될 수 있다.
단계(930)에서, 신호 증폭 장치는 증폭된 고주파 대역의 신호를 샘플링할 수 있다.
신호 증폭 장치는 일정한 샘플링 주기에 따라 증폭된 고주파 대역의 신호를 샘플링할 수 있다. 샘플링 주기는 미리 결정된 값을 가지거나, 또는 버퍼에 공급되는 전류의 변화 주기에 기초하여 결정될 수 있다. 샘플링 주기는 전류의 변화 주기와 동일할 수 있다.
신호 증폭 장치는 샘플링 과정을 통해 고주파 대역의 신호로 변조된 신호를 저주파 대역의 신호로 변조시킬 수 있다.
단계(940)에서, 신호 증폭 장치는 저역 통과 필터를 이용하여 샘플링된 신호를 필터링할 수 있다. 신호 증폭 장치는 샘플링 과정에서 발생하는 스위칭 노이즈 등을 제거하기 위해 저역 통과 필터링을 선택적으로 수행할 수 있다. 필터링 과정을 통해, 노이즈가 제거된 고품질의 출력 신호가 생성될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 단계(930) 및 단계(940)은 다음과 같이 변형되어 수행될 수 있다.
먼저, 단계(920)에서의 출력 신호는 저역 통과 필터를 통과하면서 단계(910)에서의 주기적으로 변화하는 전류에 의해 발생하는 고차 하모닉(harmonic) 주파수 성분이 제거될 수 있다. 또는, 고역 통과 필터를 이용하여 단계(920)에서의 출력 신호에 포함된 DC 성분이나 저주파 노이즈 성분을 제거할 수도 있다.
그 후, 샘플 및 홀드(sample and hold) 과정을 통해 고주파수 대역으로 변조된 신호를 저주파수 대역으로 복조시킬 수 있다. 저역 통과 필터를 이용하여 단계(910)에서의 주기적으로 변화하는 전류에 의해 발생하는 캐리어 주파수 성분을 제거한 후, 아날로그-디지털 컨버터(Analog-to-Digital Converter, ADC)를 이용하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (21)

  1. 입력 신호를 증폭하여 출력하는 증폭부; 및
    상기 증폭부에 주기적으로 변화하는 전류를 공급하는 전류 공급부
    를 포함하고,
    상기 전류 공급부는,
    서로 다른 전류 크기를 가지는 전류들을 상기 증폭부에 교대로 공급하여 저주파 대역의 입력 신호를 고주파 대역의 입력 신호로 변조시키는 신호 증폭 장치.

  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전류 공급부는,
    서로 다른 특성을 가지는 복수의 트랜지스터들을 이용하여 서로 다른 전류 크기를 가지는 전류들을 상기 증폭부에 교대로 공급하는 신호 증폭 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전류 공급부는,
    증폭된 입력 신호에 대한 샘플링 주기에 기초하여 상기 증폭부에 공급하는 전류의 변화 주기를 결정하는 신호 증폭 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전류 공급부는,
    상기 증폭부에 전류 크기가 서로 다른 제1 전류 및 제2 전류를 교대로 공급하고,
    상기 제2 전류의 전류 크기는, 0 이거나 또는 상기 제1 전류의 전류 크기보다 작은 신호 증폭 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전류 공급부는,
    상기 증폭부에 상기 제1 전류를 공급하는 시간과 상기 증폭부에 상기 제2 전류를 공급하는 시간 간의 비율을 조절하여 상기 증폭부에 공급되는 전류량을 제어하는 신호 증폭 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전류 공급부는,
    상기 제2 전류의 전류 크기를 조절하여 상기 증폭부에 공급되는 전류량을 제어하는 신호 증폭 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 증폭부는,
    증폭된 입력 신호를 일정한 샘플링 주기로 샘플링하여 출력하고,
    상기 샘플링 주기는, 상기 전류 공급부가 상기 증폭부에 공급하는 전류의 변화 주기에 기초하여 결정되는 신호 증폭 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 증폭부는,
    입력 신호를 입력 저항의 양단에 출력하는 적어도 하나 이상의 입력 버퍼; 및
    상기 입력 저항에 흐르는 전류를 미러링(mirroring)하여 출력 저항에 미러링된 전류를 흘리는 전류 미러(current mirror)
    를 포함하는 신호 증폭 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 증폭부는,
    입력 신호를 상기 입력 저항에 대한 상기 출력 저항의 비율만큼 증폭하여 출력하는 신호 증폭 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 증폭부는,
    상기 입력 버퍼에 연결되어, 입력 신호의 크기에 따라 상기 입력 버퍼의 특성이 변화되는 것을 방지하기 위한 부트스트랩 회로
    를 더 포함하는 신호 증폭 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 주기적으로 변화하는 전류의 주파수는,
    상기 입력 신호의 대역폭(bandwidth)보다 높은 것을 특징으로 하는 신호 증폭 장치.
  13. 삭제
  14. 버퍼에 주기적으로 변화하는 전류를 공급하여 상기 버퍼에 입력되는 저주파 대역의 신호를 고주파 대역의 신호로 변조시키는 단계;
    상기 고주파 대역의 신호를 증폭시키는 단계; 및
    상기 증폭된 고주파 대역의 신호를 샘플링하는 단계
    를 포함하고,
    상기 변조시키는 단계는,
    서로 다른 전류 크기를 가지는 전류들을 상기 버퍼에 교대로 공급하여 저주파 대역의 신호를 고주파 대역의 신호로 변조시키는 신호 증폭 방법.

  15. 삭제
  16. 제14항에 있어서,
    상기 변조시키는 단계는,
    일정한 변화 주기로 서로 다른 전류 크기를 가지는 전류들을 버퍼에 공급하고,
    상기 변화 주기는, 상기 고주파 대역의 신호에 대한 샘플링 주기에 기초하여 결정되는 신호 증폭 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 변조시키는 단계는,
    서로 다른 특성을 가지는 복수의 트랜지스터들을 이용하여 버퍼에 서로 다른 전류 크기를 가지는 전류들을 공급하는 신호 증폭 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 증폭시키는 단계는,
    미러링된 전류를 생성하는 전류 미러를 이용하여 상기 고주파 대역의 신호를 증폭시키는 신호 증폭 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 증폭시키는 단계는,
    상기 고주파 대역의 신호를 입력 저항에 대한 출력 저항의 비율만큼 증폭하여 출력하는 신호 증폭 방법.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 샘플링하는 단계는,
    일정한 샘플링 주기에 따라 상기 증폭된 고주파 대역의 신호를 샘플링하고,
    상기 샘플링 주기는, 상기 버퍼에 공급되는 전류의 변화 주기에 기초하여 결정되는 신호 증폭 방법.
  21. 제14항에 있어서,
    저역 통과 필터를 이용하여 상기 샘플링된 신호를 필터링하는 단계
    를 더 포함하는 신호 증폭 방법.
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