KR19980024303A - 트랜스임피던스 기능을 발생시키기 위한 집적 회로 및 방법 - Google Patents

트랜스임피던스 기능을 발생시키기 위한 집적 회로 및 방법 Download PDF

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KR19980024303A
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윌리엄 이. 메인
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빈센트 비. 인그라시아
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Abstract

본 발명은 주파수 보상된 출력 신호를 발생하기 위한 적분기 회로(10) 및 방법에 관한 것이다. 집적 회로(10)는 캐패시터(13) 및 보상 다이오드(12)를 통해 트랜스컨덕턴스 증폭기(11)에 결합된 입력 스테이지(14)를 포함한다. 보상 다이오드(12)는 트랜스컨덕턴스 증폭기(11)의 출력 임피던스를 무효화시킨다. 적분기 회로(10)의 출력 신호는 캐패시터(13)에 의해 결정된다.

Description

트랜스임피던스 기능을 발생시키기 위한 집적 회로 및 방법
본 발명은 일반적으로 집적 회로에 관한 것이며, 보다 상세하게는 주파수 보상 집적 회로에 관한 것이다.
집적 회로 증폭기는 여러 가지 선형 및 비선형 회로 용도에 사용된다. 예를 들면, 이들 증폭기는 적분기 회로, 미분기 회로, 합산 회로, 차(差) 회로, 임피던스 변환기 회로, 정류기 회로, 피크 검출기 회로 등에 사용된다. 일반적으로, 이들 회로는 큰 그레인을 갖고 큰 주파수 범위에 걸쳐 안정한 것이, 즉 큰 대역폭을 갖는 것이 바람직하다.
전형적으로, 집적 회로 증폭기는 입력 단자 및 출력 단자를 포함한다. 입력 회로 증폭기는 보상 캐패시터를 통해 출력 단자를 입력 단자에 결합시킴으로써 주파수 보상될 수 있다. 보상 캐패시터는 지배적인 낮은 주파수 극성을 출력 반응으로 유도함으로써, 게인이 10의 주파수당 20데시빌(dB/DEC)의 기울기로 롤오프되게 한다. 그러나, 증폭기는 높은 주파수에서 비영(non-zero) 출력 반응을 야기함으로써 극성의 롤오프 효과를 무효화시킨다. 따라서, 위상각이 180˚로 되기 전에 증폭기 회로의 게인이 균일해지지 않는 경우, 증폭기 회로는 안정하지 않고, 진동한다. 또한, 출력 신호는 높은 주파수, 즉 보상 캐패시터의 임피던스가 출력 트랜지스터의 임피던스 미만인 주파수에서 전환되지 않을 수 있고, 그에 따라 높은 주파수에서 집적 회로 증폭기의 유용성을 제한하지 않는다.
따라서, 높은 주파수에서 안정한 전환된 출력 신호를 제공하는 방법 및 회로를 갖는 것이 유리할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 적분기 회로의 일 예의 개략도.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 적분기 회로의 다른 예의 개략도.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 적분기 회로의 개략도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10, 20, 30:적분기 회로
11:트랜스컨덕턴스 증폭기
12, 23, 32:다이오드
13, 53:캐패시터
15:트랜지스터
16, 17, 18:전류원
22, 33:노드
일반적으로, 본 발명은 주파수 보상 출력 신호를 발생하기 위한 적분기 회로 및 방법을 제공한다. 이 적분기 회로는 보상 다이오드, 트랜스컨덕턴스 증폭기 및 캐패시터를 포함한다. 보상 다이오드는 트랜스컨덕턴스 증폭기의 임피던스를 무효화시키는 임피던스를 제공함으로써, 캐패시터의 기능으로 출력 신호를 유발시킨다. 본 발명의 방법에 따라, 트랜스임피던스 기능이 발생된다. 보다 상세하게는, 트랜스컨덕턴스값, 전환 입력 및 출력 단자를 갖는 트랜스컨덕턴스 증폭기가 제공된다. 또한, 제1 및 제2임피던스가 제공되며, 여기서 신호 흐름은 제1임피던스를 통해 흐르고, 제1임피던스를 가로질러 전압을 생성하고, 신호 흐름은 제2임피던스를 통해 흐르고, 제2임피던스를 가로질러 전압을 생성한다. 제2임피던스는 트랜스컨덕턴스 증폭기의 트랜스컨덕턴스 값의 인버스의 함수이다. 제1 및 제2임피던스를 가로지르는 전압과 트랜스컨덕턴스 증폭기의 전환 입력에서 나타나는 전압은 제1임피던스와 입력 흐름의 함수인 전압을 생산하도록 합산된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 적분기 회로(10)의 일 예의 개략도이다. 적분기(10)는 트랜스컨덕턴스 증폭기(11), 보상 다이오드(12), 캐패시터(13), 및 바이어스 스테이지(14)를 포함한다. 예를 들면, 트랜스컨덕턴스 증폭기(11)는 NPN 바이폴라 트랜지스터(15)로 구성되고, 여기서, 트랜지스터(15)의 베이스 단자는 증폭기(11)의 제어 전극으로서 작용하고, 트랜지스터(15)의 콜렉터 및 이미터 단자는 증폭기(11)의 전류 운반 전극으로서 작용한다. 트랜지스터(15)의 이미터는 예를 들면 접지 등의 작동 전위의 소스 또는 전력 공급 전압을 수신하도록 결합된다. 트랜지스터(15)의 베이스 단자는 보상 다이오드(12)의 음극에 접속된다. 보상 다이오드(12)의 양극은 캐패시터(13)를 통해 트랜지스터(15)의 콜렉터 단자에 결합된다. 달리 말하자면, 캐패시터(13)의 제1단자는 보상 다이오드(12)의 양극에 접속되고, 캐패시터(13)의 제2단자는 트랜지스터(15)의 콜렉터에 접속된다. 예를 들면, 보상 다이오드(12)는 다이오드-접속된 트랜지스터이다.
입력 스테이지(14)는 전류원(16, 17 및 18)을 포함한다. 전류원(16)의 제1단자는 보상 다이오드(12)의 음극에 접속되고, 전류원(16)의 제2단자는 접지 등의 동력 공급 전압을 수신하도록 결합된다. 전류원(16)은 적분기(10)에 대해 전류를 약화시키고, 이를 전류 싱크라고도 칭한다. 전류원(또는 싱크)(16)은 보상 다이오드(12)가 순방향 전도 모드로 작동하도록 보장한다. 전류원(17)의 제1단자는 보상 다이오드(12)의 양극 및 캐패시터(13)의 제1단자에 통상적으로 접속된다. 전류원(177)의 제2단자는 예를 들면 Vcc 등의 작동 전위의 소스 또는 동력 공급 전압을 수신하도록 결합된다. 전류원(18)의 제1단자는 캐패시터(13)의 제2단자 및 트랜지스터(15)의 콜렉터 단자에 통상적으로 접속된다. 전류원(18)의 제2단자는 예를 들면 Vcc 등의 동력 공급 전압을 수신하도록 결합된다. 트랜지스터(15)의 콜렉터 단자, 캐패시터(13)의 제2단자 및 전류원(18)의 제1단자의 공통 접속에 의해 형성된 노드(19)는 출력 신호(VO10)가 나타나는 출력 노드 또는 단자로서 작용한다. 바이어스 단계(14)에 적절한 회로 배치는 전류 코스 및 2개의 트랜지스터 전류 미러일 수 있다. 이는 트랜지스터(15)의 기본 전류를 효율적으로 상쇄시키고, 트랜지스터(15)의 평균 직류(dc) 전류가 전류 미러 트랜지스터의 그것의 두배일 때 그 밸런스를 개선시킨다.
동작 중에, 바이어스 단계(14)는 전류원(16, 17 및 18) 각각을 통해 바이어스 또는 정지 전류(I16, I17및 I18)를 제공한다. 또한, 전류원(16 및 17)은 상이한 작은 신호 전류('id16및 id17) 각각을 제공하도록 협력한다. 바이어스 전류들(I16및 I17)은 동일한 값이고, 바이어스 전류(I18)는 바이어스 전류(I16및 I17)의 값의 두배인 것이 바람직하다. 따라서, 트랜지스터(15)의 이미터 저항은 다이오드 접속된 트랜지스터(12)의 이미터 저항의 1/2이다. 작은 신호 전류(id16및 id17)가 교류 전류(ac) 또는 가상 접지인 노드(33)로 흐르는 상이한 전류임에 유의하여야 한다. 따라서, 캐패시터(13)는 전류(id16및 id17)의 합인 상이한 전류를 수신하도록 결합된다. 본 발명의 제1실시예에 따라, 전류(id16및 id17)는 동일한 값이고, 전형적으로 문자 i로 식별된다. 전류(id16및 id17)를 나타내기 위해 표기법 i를 사용함으로써, 캐패시터(13)를 통해 흐르는 전류는 2*j를 갖고, 보상 다이오드(12)를 통해 흐르는 전류는 i의 값을 갖는다. 따라서, 적분기(10)에 대한 전달함수는 하기 수학식 1(EQT 1)로 주어진다:
Vo10=△Vbe15+△Vbe12-(2*i/s*C13)(EQT. 1)
여기서,
Vo10은 적분기 회로(10)의 출력 전압이고;
△Vbe15는 트랜지스터(15)의 베이스-이미터 전압의 작은 신호 변화이며;
△Vbe12는 다이오드(12)의 작은 신호 전압 변화이고;
2*i는 작은 신호 전류이며;
s는 복잡한 주파수를 나타내는 복소수이고;
C13은 캐패시터(13)의 커패시턴스 값이다.
EQT. 1은 하기 수학식 2로 다시 나타낼 수 있다(EQT. 2):
Vo10=2*i*re15-i*re12-2*i/s*C13(EQT. 2)
여기서,
re15는 트랜지스터(15)의 이미터 저항이고;
re12는 다이오드-접속된 트랜지스터(12)의 이미터 저항이다.
트랜지스터(15)의 이미터 저항은 다이오드 접속된 트랜지스터(12)의 저항의 1/2이기 때문에, EQT. 2는 하기 수학식 3으로 다시 나타낼 수 있다(EQT. 3):
Vo10--2*i/s*C13(EQT. 3)
따라서, 보상 다이오드(12)는 트랜지스터(15)의 이미터 저항을 무효화시키는 임피던스를 제공한다. 보다 상세하게는, 트랜지스터(11) 및 보상 다이오드(12)는 보상 다이오드(12)의 임피던스 및 이들을 통해 흐르는 작은 신호 전류와 조합된 트랜지스터(15)의 이미터 저항이 서로 상쇄되도록 바이어스된다. 따라서, 출력 신호는 캐패시터(13)의 유일한 함수이다. 적분기(10)의 출력 신호는 전환되고, 20dB/DEC의 기울기를 갖는 게인 롤오프를 갖는 것임에 유의하여야 한다. 따라서, 적분기 회로(10)는 피드백 용도에 사용하는데 적합하다.
피드백 소자(13)는 캐패시터로서 나타냈지만, 이는 본 발명을 제한하지 않음에 유의하여야 한다. 피드백 소자(13)는 레지스터, 레지스터와 캐패시터의 시리즈 조합 등의 부하 임피던스일 수 있다. 피드백 소자(13)의 임피던스는 트랜스컨덕턴스 증폭기(11)의 작은 신호 저항의 거의 10배 이하인 바람직하다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 적분기 회로(20)의 다른 예의 개략도이다. 동일한 참조 번호가 도면에서 동일한 소자를 나타내기 위해 사용되었음을 이해해야 한다. 적분기 회로(20)는 전계 효과 트랜지스터가 트랜스컨덕턴스 증폭기(11)로서 작용하고, 다이오드(23)가 다이오드 접속된 전계 효과 트랜지스터로부터 형성되는 것이 바람직한 것을 제외하고는 도 1의 적분기 회로(10)와 유사하다. 따라서, 전계 효과 트랜지스터(21)의 게이트는 트랜스컨덕턴스 증폭기(11)의 제어 전극으로서 작용하고, 드레인 및 소스는 전류 전도 전극으로서 작용한다. 트랜지스터(21)의 드레인은 역시 캐패시터(13)를 통해 보상 다이오드(23)의 양극에 결합된다. 캐패시터(53)의 제2단자, 트랜지스터(21)의 드레인 및 전류원(18)의 제1단자에 공통인 노드(22)는 출력 신호(Vo20)가 나타나는 출력 노드 또는 단자로서 작용한다. 적분기 회로(20)에 대한 전달 함수는 하기 수학식 4(EQT 4)로 주어진다:
Vo20=△Vds21+△Vds23-(2*i/s*C13)(EQT. 1)
여기서,
Vo20은 적분기 회로(20)의 출력 전압이고;
△Vds21은 트랜지스터(21)의 드레인-소스 전압의 작은 신호 변화이며;
△Vds23은 다이오드(23)의 전압의 작은 신호 전압 변화이고;
2*i는 작은 신호 전류이며;
s는 복잡한 주파수를 나타내는 복소수이고;
C13은 캐패시터(13)의 커패시턴스 값이다.
EQT. 4는 하기 수학식 5로 다시 나타낼 수 있다(EQT. 5):
VO20=2*i*rd21-i*rd23-2*i/s*C13(EQT. 5)
여기서,
rd21은 트랜지스터(21)의 이미터 저항이고;
rd23은 다이오드-접속된 트랜지스터(23)의 이미터 저항이다.
트랜지스터(21)의 드레인-소스 저항은 다이오드 접속된 트랜지스터(23)의 저항의 1/2이기 때문에, EQT. 5는 하기 수학식 6으로 다시 나타낼 수 있다(EQT.6):
Vo20=-2*i/s*C13(EQT. 6)
적분기 회로(10)와 마찬가지로, 적분기 회로(20)의 출력은 전환되고, 20dB/DEC의 기울기를 갖는 게인 롤오프를 갖는 것임에 유의하여야 한다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 적분기 회로(30)의 개략도이다. 적분기 회로(30)는 트랜스컨덕턴스 증폭기(11), 캐패시터(13), 보상 다이오드(32) 및 바이어스 스테이지(14)를 포함한다. 동일한 참조 번호는 도면에서 동일한 소자를 나타내기 위해 사용되었음을 이해해야 한다. 예를 들면, 트랜스컨덕턴스 증폭기(11)는 NPN 바이폴라 트랜지스터(15)로 구성되고, 여기서, 트랜지스터(15)의 베이스 단자는 트랜스컨덕턴스 증폭기(11)의 제어 전극으로서 작용하고, 트랜지스터(15)의 콜렉터 및 이미터 단자는 트랜스컨덕턴스 증폭기(11)의 전류 운반 전극으로서 작용한다. 트랜지스터(15)의 이미터는 예를 들면 접지 등의 전력 공급 전압을 수신하도록 결합된다. 트랜지스터(15)의 베이스 단자는 캐패시터(13)의 제1단자에 접속된다. 캐패시터(13)의 제2단자는 캐패시터(13)를 통해 트랜지스터(15)의 콜렉터 단자에 결합된다. 달리 말하자면, 캐패시터(13)의 제1단자는 트랜지스터(15)의 베이스에 접속되고, 캐패시터(13)의 제2단자는 보상 다이오드(32)의 양극에 접속된다.
입력 스테이지(14)는 전류원(16, 17 및 18)을 포함한다. 전류원(16)의 제1단자는 트랜지스터(15)의 베이스 단자에 접속되고, 전류원(16)의 제2단자는 접지 등의 작동 전위의 소스 또는 동력 공급 전압을 수신하도록 결합된다. 전류원(17)의 제1단자는 캐패시터(13)의 제1단자 및 트랜지스터(15)의 베이스 단자에 공통으로 접속된다. 전류원(17)의 제2단자는 예를 들면 Vcc 등의 작동 전위의 소스 또는 동력 공급 전압을 수신하도록 결합된다. 전류원(18)의 제1단자는 캐패시터(13)의 제2단자 및 다이오드-접속된 트랜지스터(32)의 양극에 공통으로 접속된다. 전류원(18)의 제2단자는 예를 들면 Vcc 등의 동력 공급 전압을 수신하도록 결합된다. 트랜지스터(15)의 콜렉터 단자, 보상 다이오드(32)의 양극의 접속에 의해 형성된 노드(34)는 출력 신호(Vo30)가 나타나는 출력 노드 또는 단자로서 작용한다.
동작 중에, 바이어스 단계(14)는 전류원(16, 17 및 18) 각각을 통해 바이어스 또는 정지 전류(I16, I17및 I18)를 제공한다. 또한, 전류원(16 및 17)은 상이한 작은 신호 전류(id16및 id17) 각각을 제공하도록 협력한다. 바이어스 전류들(I16및 I17)은 동일한 값이다. 다이오드-접속된 트랜지스터(32) 및 트랜지스터(15)의 이미터 저항은 동일하다. 작은 신호 전류(id16및 id17)가 교류 전류(ac) 또는 가상 접지인 노드(35)로 흐르는 상이한 전류임에 유의하여야 한다. 따라서, 캐패시터(13)를 통해 흐르는 전류는 전류(id16및 id17)의 합이다. 본 발명의 제2실시예에 따라, 전류(id16및 id17)는 동일한 값이고, 그에 따라 전류는 i값을 갖는 것으로서 역시 나타낸다. 전류(id16및 id17)를 나타내기 위해 표기법 i를 사용함으로써, 캐패시터(13)를 통해 흐르는 전류는 2*i 값을 갖고, 보상 다이오드(32)를 통해 흐르는 전류는 2*i의 값을 갖는다. 따라서, 적분기(10)에 대한 전달 함수는 하기 수학식 7(EQT. 7)로 주어진다:
Vo30=△Vbe15+△Vbe32-(2*i/s*C13)(EQT. 7)
여기서,
Vo30은 적분기 회로(30)의 출력 전압이고;
△Vbe15는 트랜지스터(15)의 베이스-이미터 전압의 작은 신호 변화이며;
△Vbe32는 다이오드(32)의 전압의 작은 신호 전압 변화이고;
2*i는 작은 신호 전류이며;
s는 복잡한 주파수를 나타내는 복소수이고;
C13은 캐패시터(13)의 커패시턴스 값이다.
EQT. 7은 하기 수학식 8로 다시 나타낼 수 있다(EQT. 8):
Vo30=2*i*re15-2*i*re32-2*i/s*C13(EQT. 8)
트랜지스터(15)의 이미터 저항은 다이오드 접속된 트랜지스터(32)의 저항과 동일하기 때문에, EQT. 8은 하기 수학식 9로 다시 나타낼 수 있다(EQT. 9):
Vo30=-2*i/s*C13(EQT. 9)
따라서, 보상 다이오드(32)는 트랜지스터(34)의 이미터 저항을 무효화시키는 임피던스를 제공한다. 보다 상세하게는, 트랜지스터(34) 및 보상 다이오드(32)는 보상 다이오드(32)의 임피던스 및 이들을 통해 흐르는 작은 신호 전류와 조합된 트랜지스터(34)의 이미터 저항이 서로 상쇄되도록 바이어스된다. 따라서, 출력 신호는 캐패시터(13)의 유일한 함수이다. 적분기(30)의 출력 신호는 전환되고, 20dB/DEC의 기울기를 갖는 게인 롤오프를 갖는 것임에 유의하여야 한다. 따라서, 적분기 회로(30)는 피드백 용도에 사용하는데 적합하다.
피드백 소자(13)는 캐패시터로서 나타냈지만, 이는 본 발명을 제한하지 않음에 유의하여야 한다. 피드백 소자(13)는 레지스터, 레지스터와 캐패시터의 시리즈 조합 등의 부하 임피던스일 수 있다.
본 발명에 의해 주파수 보상된 출력 신호를 제공하기 위한 집적 회로 및 방법이 제공되는 것을 인식할 수 있다. 집적 회로는 적분기, 작동성 증폭기 등에 유용하다. 본 발명의 장점은 적분기 회로 용도에서 증가된 적분 범위 및 증폭기 용도에서 증가된 주파수 범위를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 높은 주파수에서 안정된 전환된 출력 신호를 제공하는 방법 및 집적 회로가 제공된다.

Claims (4)

  1. 제어 전극, 제1전류 운반 전극 및 제2전류 운반 전극을 구비하며, 상기 제1전류 운반 전극이 바이어스 전류를 수신하도록 결합되고, 상기 제2전류 운반 전극이 작동 전위의 제1소스를 수신하도록 결합된, 트랜스컨덕턴스 증폭기(11);
    상이한 전류를 수신하기 위해 결합된 제1단자와, 트랜스컨덕턴스 증폭기(11)의 제1전류 운반 전극에 결합되고 집적 회로(10)의 출력으로서 작용하는 제2단자를 구비하는 부하 임피던스(13);
    상기 부하 임피던스(13)의 제1단자에 결합된 제1단자와, 상기 트랜스컨덕턴스 증폭기(11)의 제어 전극에 결합된 제2단자를 구비하는 다이오드(12);
    상기 다이오드(12)의 제1단자에 결합된 전류원(17); 및
    상기 다이오드(12)가 작동의 순방향 도전 모드로 바이어스되도록 다이오드(12)의 제2단자에 결합된 전류 싱크(16);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로(10).
  2. 입력 단자 및 제1 및 제2출력 단자를 갖는 입력 스테이지(14);
    제어 전극이 입력 스테이지(14)의 제1출력 단자에 결합되고, 제1전류 운반 전극이 바이어스 전류를 수신하도록 결합되고, 제2전류 운반 전극이 작동 전위의 제1소스를 수신하도록 결합된, 제어 전극, 제1전류 운반 전극 및 제2전류 운반 전극을 갖는 트랜스컨덕턴스 증폭기(11);
    부하 임피던스(13)의 제1단자가 입력 스테이지(14)의 제2출력 단자에 결합되고, 부하 임피던스(13)의 제2단자가 트랜스컨덕턴스 증폭기(11)의 제1전류 운반 전극에 결합되고, 집적 회로(10)의 출력으로서 작용하는, 제1단자 및 제2단자를 갖는 부하 임피던스(13);
    다이오드(12)의 제1단자가 부하 임피던스(13)의 제1단자에 결합되고, 부하 임피던스(13)의 제2단자가 입력 스테이지(14)의 제1출력 단자에 결합된, 제1단자 및 제2단자를 갖는 다이오드(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로(10).
  3. 제1전류 운반 전극이 작동 전위의 제1소스를 수신하도록 결합된, 제어 전극, 제1전류 운반 전극 및 제2전류 운반 전극을 갖는 트랜스컨덕턴스 증폭기(11);
    제1단자가 바이어스 전류를 수신하기 위해 결합되고, 제2단자가 트랜스컨덕턴스 증폭기(11)의 제2전류 운반 전극에 결합된, 제1단자 및 제2단자를 갖는 다이오드(32); 및
    제1단자가 상이한 전류를 수신하기 위해 트랜스컨덕턴스 증폭기(11)의 제어 전극에 결합되고, 제2단자가 다이오드(32)의 제1단자에 결합된, 제1단자 및 제2단자를 갖는 부하 임피던스(13)를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로(30).
  4. 트랜스컨덕턴스 값, 제어 전극, 전환 입력 및 출력 단자를 갖는 트랜스컨덕턴스 증폭기(11)를 제공하는 단계;
    신호 전류가 제1임피던스(13)를 통해 흐르고, 제1임피던스(13)를 가로질러 전압을 생성하는 경우, 트랜스컨덕턴스 증폭기(11)의 출력 단자와 트랜스컨덕턴스 증폭기(11)의 전환 입력 사이에 제1임피던스(13)를 제공하는 단계;
    신호 전류가 제2임피던스(12)를 통해 흐르고, 제2임피던스(12)를 가로질러 전압을 생성하는 경우, 트랜스컨덕턴스 증폭기(11)의 트랜스컨덕턴스 값의 인버스의 함수인 값을 갖는 제2임피던스(12)를 제공하는 단계; 및
    제1임피던스(13) 및 제2임피던스(12)를 가로지른 전압과 제1임피던스(13)와 입력 전류의 함수인 전압을 생성하기 위해 트랜스컨덕턴스 증폭기(11)의 전환 입력에서 나타나는 전압을 합산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스임피던스 기능을 발생하는 방법.
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