KR101951572B1 - 출력 스윙이 향상된 연속 시간 델타 시그마 아날로그 디지털 컨버터에 사용되는 알씨 적분기 - Google Patents

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박상규
조인환
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

출력 스윙이 향상된 연속 시간 델타 시그마 아날로그 디지털 컨버터에 사용되는 RC 적분기가 개시된다. 상기 RC 적분기는 차동연산증폭기, 상기 차동연산증폭기의 출력단들에 각기 연결된 스위치들 및 상기 스위치들의 연결 노드가 입력단들 중 하나로 연결되는 공통 모드 피드백 증폭기를 포함한다. 여기서, 상기 스위치들은 저항으로 동작한다.

Description

출력 스윙이 향상된 연속 시간 델타 시그마 아날로그 디지털 컨버터에 사용되는 알씨 적분기{RC INTEGRATOR USED IN A CONTINUOUS TIME DELTA SIGMA ANALOG-DIGITAL CONVERTER AND HAVING ENHANCED OUTPUT SWING}
본 발명은 출력 스윙이 향상된 연속 시간 델타 시그마 아날로그 디지털 컨버터에 사용되는 RC 적분기에 관한 것이다.
n차 연속 시간 델타 시그마 ADC의 루프 필터는 n개의 RC 적분기들을 사용한다.
상기 RC 적분기들은 연속적으로 연결되어 있는데, 이러한 구조는 RC 적분기의 출력 임피던스를 매우 낮게 만드는 문제점을 발생시킨다. 결과적으로, 상기 RC 적분기의 출력 스윙이 현저히 감소하게 된다.
KR 10-1348662 B
본 발명은 출력 스윙이 향상된 RC 적분기를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 RC 적분기는 차동연산증폭기; 상기 차동연산증폭기의 출력단들에 각기 연결된 스위치들; 및 상기 스위치들의 연결 노드가 입력단들 중 하나로 연결되는 공통 모드 피드백 증폭기를 포함한다. 여기서, 상기 스위치들은 저항으로 동작한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 RC 적분기는 제 1 증폭기; 상기 제 1 증폭기의 출력단들에 각기 연결된 N-MOS 트랜지스터들; 및 제 2 증폭기를 포함한다. 여기서, 상기 제 2 증폭기의 입력단들 중 하나로 상기 제 1 증폭기의 출력단들의 전압이 상기 N-MOS 트랜지스터들을 통하여 입력되며, 상기 N-MOS 트랜지스터들은 동작동안 계속하여 각기 접지에 연결되어 저항으로 동작한다.
본 발명에 따른 RC 적분기는 공통 모드 입력단에 동일한 구조의 N-MOS 스위치들을 사용하되, N-MOS 스위치들을 각기 접지에 연결시킨다. 결과적으로, N-MOS 스위치들은 저항으로만 동작하게 된다. 따라서, 상기 RC 적분기는 작은 사이즈로 큰 저항을 구현할 수 있으며, 그 결과 상기 RC 적분기의 출력 스윙이 증가할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 RC 적분기를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 RC 적분기와 비교되는 RC 적분기를 도시한 도면이다.
도 3은 차동연산증폭기의 DC 특성의 비교 그래프를 도시한 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 발명은 RC 적분기에 관한 것으로서, 특히 연속 시간 델타 시그마 ADC(Analog-Digital convertr)에 사용되는 RC 적분기에 관한 것으로서, 상기 RC 적분기는 간단한 구조 및 작은 사이즈를 가지면서도 출력 스윙을 충분히 크게 유지할 수 있다.
n차 연속 시간 델타 시그마 ADC의 루프 필터는 n개의 RC 적분기들을 사용는데, 상기 RC 적분기들은 연속적으로 연결되어 있다. 즉, RC 적분기의 출력단이 다음 RC 적분기의 입력단에 연결된다. 이 경우, 상기 특정 RC 적분기의 출력 임피던스가 상기 연결 구조로 인하여 매우 낮아진다. 이러한 구조에서, RC 적분기 자체의 임피던스가 낮으면 상기 RC 적분기의 출력 스윙이 현저히 감소하는 문제점이 발생하게 된다.
따라서, 출력 임피던스가 높은 RC 적분기가 요구된다. 다만, 출력 임피던스를 높이기 위하여 RC 적분기의 사이즈가 증가하거나 구조가 복잡하여지면 안되므로, 출력 임피던스를 높이되 사이즈가 작고 구조가 복잡하지 않은 RC 적분기가 요구된다.
일 시예에 따르면, 본 발명의 RC 적분기는 N-MOS 스위치를 이용하여 RC 적분기를 구현하되, 상기 RC 적분기는 공통 모드 피드백 구조를 가질 수 있다.
한편, 상기 RC 적분기는 연속 시간 델타 시그마 ADC로 사용이 제한되는 것은 아니다. 다만, 설명의 편의를 위하여 상기 RC 적분기가 연속 시간 델타 시그마 ADC에 사용되는 것으로 가정하겠다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 RC 적분기를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 RC 적분기와 비교되는 RC 적분기를 도시한 도면이며, 도 3은 차동연산증폭기의 DC 특성의 비교 그래프를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 RC 적분기는 차동연산증폭기(제 1 증폭기, 100), 공통 모드 입력단 및 공통 모드 피드백 증폭기(제 2 증폭기, 102)를 포함한다. 즉, 상기 RC 적분기는 공통 모드 피드백 회로 구조를 가질 수 있다.
차동연산증폭기(100)는 신호를 증폭하는 기능을 수행하며, 입력단들로 전단의 RC 적분기의 출력이 입력 신호(Vinp 및 Vinn)로서 입력되고, 출력단들은 공통 모드 입력단을 통하여 공통 모드 피드백 증폭기(102)의 입력단에 연결될 수 있다.
차동연산증폭기(100)는 입력 신호(Vinp 및 Vinn) 및 공통 모드 피드백 증폭기(102)로부터의 피드백 신호에 따라 출력들(Voutn 및 Voutp)을 발생시킨다.
공통 모드 입력단은 차동연산증폭기(100)의 출력단들과 공통 모드 피드백 증폭기(102)의 입력단들 중 하나, 예를 들어 양의 입력단에 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 차동연산증폭기(100)의 출력단들과 공통 모드 피드백 증폭기(102)의 양의 입력단(+) 사이에 각기 스위치, 바람직하게는 N-MOS 스위치(예를 들어 N-MOS 트랜지스터, SW1 및 SW2)가 형성될 수 있다.
여기서, N-MOS 스위치들(SW1 및 SW2)의 게이트들은 각기 접지에 연결되며, 그 결과 N-MOS 스위치들(SW1 및 SW2)은 항상 오프(Off)되어 있다. 즉, N-MOS 스위치들(SW1 및 SW2)은 스위치로 동작하지 않고 저항으로 동작한다. 이러한 N-MOS 스위치들(SW1 및 SW2)은 작은 사이즈이면서 큰 저항을 가지는 특성을 가지므로, N-MOS 스위치들(SW1 및 SW2)을 저항으로 사용하는 RC 적분기는 작은 사이즈를 가지면서도 큰 임피던스를 실현할 수 있다. 결과적으로, 상기 RC 적분기는 충분히 큰 출력 스윙을 유지할 수 있다.
다만, N-MOS 스위치들(SW1 및 SW2)로 실현되는 저항은 비선형성을 가지지만, 차동연산증폭기(100)의 출력단을 구성하는 트랜지스터들과 병렬로 연결될 수 있기 때문에, N-MOS 스위치들(SW1 및 SW2)의 비선형성은 RC 적분기의 동작에 거의 영향을 미치지 아니한다.
또한, N-MOS 스위치들(SW1 및 SW2)이 작은 사이즈를 가지기 때문에, layout 시 매칭도 비교적 간단하게 구현될 수 있으며, 그 결과 제조 공정 상의 미스매치도 완화 가능할 수 있다.
일 실시예에 따르면, N-MOS 스위치들(SW1 및 SW2)은 동일한 구조를 가지는 소자이며, 대칭적으로 배열될 수 있다.
또한, N-MOS 스위치들(SW1 및 SW2)의 연결 노드는 공통 모드 피드백 증폭기(102)의 입력단들 중 양의 입력단(+)에 연결될 수 있다. 여기서, 상기 연결 노드의 전압은 차동연산증폭기(100)의 출력(Voutn 및 Voutp)에 연동하여 변화될 수 있다.
공통 모드 피드백 증폭기(102)는 N-MOS 스위치들(SW1 및 SW2)의 연결 노드의 전압과 음의 입력단(-)으로 입력되는 기준 전압(VCM)을 비교하며, 비교 결과에 따른 피드백 신호를 차동연산증폭기(100)로 제공한다.
이러한 피드백 동작은 차동연산증폭기(100)의 출력(Voutn 및 Voutp)이 기준 전압(VCM)과 동일하여질 때까지 반복적으로 수행된다.
정리하면, 본 발명의 RC 적분기는 공통 모드 피드백 회로 구조를 가지되, 공통 모드 입력단이 항상 오프되어 저항으로 동작하는 N-MOS 스위치들(SW1 및 SW2)로 이루어질 수 있다. 결과적으로, 상기 RC 적분기는 작은 사이즈를 가지면서 큰 저항을 실현할 수 있으며, 따라서 충분한 출력 스윙을 실현할 수 있다.
한편, 공통 모드 입력단을 도 2에 도시된 바와 같이 일반 저항으로 대체하여 구현할 수도 있다. 이 경우, 본 발명의 RC 적분기의 입력단을 구성하는 차동연산증폭기(100)와 도 2의 RC 적분기의 차동연산증폭기의 DC 특성을 살펴보겠다. 두 RC 적분기들에 동일한 환경을 적용하였으며, 구체적으로는 사용한 차동연산증폭기의 게인이 상당히 크고 차동연산증폭기 사용시 입력 전압이 공통모드(여기에선 0.75 V) 근처이므로, 745 mV부터 755 mV 까지 시뮬레이션을 수행하였다. 또한, 전원전압(VDD) = 1.5 V, Load resistance 300KΩ, Load capacitance = 6pF로 설정하였고, 도 2의 저항은 1MΩ을 사용하였다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 RC 적분기에 사용되는 차동연산증폭기(100)의 출력 스윙(300)은 -1.3V부터 + 1.3V까지이고, 도 2의 RC 적분기의 차동연산증폭기의 출력 스윙이 -1V부터 + 1V까지 임을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 RC 적분기에 사용되는 차동연산증폭기(100)의 출력 스윙이 0.2V만큼 향상된 것을 확인할 수 있다.
한편, 전술된 실시예의 구성 요소는 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 즉, 각각의 구성 요소는 각각의 프로세스로 파악될 수 있다. 또한, 전술된 실시예의 프로세스는 장치의 구성 요소 관점에서 용이하게 파악될 수 있다.
또한, 앞서 설명한 기술적 내용들은 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 실시예들을 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. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100 : 차동연산증폭기 102 : 공통 모드 피드백 증폭기

Claims (6)

  1. 차동연산증폭기;
    상기 차동연산증폭기의 출력단들에 각기 연결된 스위치들; 및
    상기 스위치들의 연결 노드가 입력단들 중 하나로 연결되는 공통 모드 피드백 증폭기를 포함하되,
    상기 스위치들은 저항으로 동작하는 것을 특징으로 하는 RC 적분기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위치들은 각기 N-MOS 트랜지스터이되,
    상기 스위치들의 게이트들은 각기 접지에 연결되어 상기 스위치들이 오프되어 저항으로 동작하고, 상기 연결 노드는 상기 공통 모드 피드백 증폭기의 양의 입력단으로 연결되며, 상기 공통 모드 피드백 증폭기의 음의 입력단으로는 기준 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 RC 적분기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 증폭기;
    상기 제 1 증폭기의 출력단들에 각기 연결된 N-MOS 트랜지스터들; 및
    제 2 증폭기를 포함하되,
    상기 제 2 증폭기의 입력단들 중 하나로 상기 제 1 증폭기의 출력단들의 전압이 상기 N-MOS 트랜지스터들을 통하여 입력되며, 상기 N-MOS 트랜지스터들은 동작동안 계속하여 각기 접지에 연결되어 저항으로 동작하는 것을 특징으로 하는 RC 적분기.






  6. 삭제
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101348662B1 (ko) 2009-07-28 2014-01-08 한국전자통신연구원 이득제어 기능을 갖는 능동형 ｒｃ 적분기 및 연속시간 시그마-델타 변조기
KR20140002368A (ko) * 2012-06-29 2014-01-08 삼성전기주식회사 하이브리드 아날로그 디지털 변환 장치 및 이를 이용한 센싱 장치

Patent Citations (2)

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