KR19990025509A - 필터의 튜닝 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온도 변화나 공정상의 오차에 기인하는 필터 특성의 변화를 보상하기 위하여 트랜스컨덕터-커패시터(Gm-C)형 필터의 튜닝 회로를 집적 회로 안에 내장할 수 있도록 한 필터의 튜닝 회로에 관한 것이다.
연속 시간 필터(Continuous Time Filter)를 설계할 때 반드시 고려해야만 하는 사항 중의 하나가 바로 튜닝 회로이다. 필터를 구성하고 있는 기본 단위인 적분기의 시정수는 공정의 변화나 온도, 또는 시간에 따라 수시로 바뀌게 된다.
따라서, 본 발명은 정확한 클럭(clock)에 의한 FLL(Frequency Locked Loop)형태를 채택함으로써 외부의 기준 전압 값에 영향을 받지 않으며 정확한 주파수 록킹(locking) 특성을 가지고, 그 구조가 간단하여 전력소모가 적은 집적회로 내장형 트랜스컨덕터-커패시터(Gm-C)형 필터의 튜닝(tuning) 회로를 제공한다.

Description

필터의 튜닝 회로
본 발명은 온도 변화나 공정상의 오차에 기인하는 필터 특성의 변화를 보상하기 위하여 트랜스컨덕터-커패시터(Gm-C)형 필터의 튜닝 회로를 집적 회로 안에 내장할 수 있도록 한 필터의 튜닝 회로에 관한 것이다.
연속 시간 필터(Continuous Time Filter)를 설계할 때 반드시 고려해야만 하는 사항 중의 하나가 바로 튜닝이다. 필터를 구성하고 있는 기본 단위인 적분기의 시정수는 공정의 변화나 온도, 또는 시간에 따라 수시로 바뀌게 된다. 이런 효과에 의해 적분기의 시정수가 50% 내외로 변화하는 것은 아주 흔하다. 적분기의 시정수는 그 적분기가 사용되는 필터의 주파수 특성에 직접적인 영향을 미치기 때문에 만일 이러한 소자의 특성 변화를 바로 잡아 주는 메카니즘이 없는 경우 설계한 필터는 전혀 쓸모가 없게 된다. 그러나 튜닝 기술에 의하여 소자의 절대 값은 변화가 심하지만 그 비율은 1% 이하의 정확도로 맞출 수가 있기 때문에 이 성질을 이용하여 주파수 특성의 변화를 안정화시킬 수가 있다. 필터의 튜닝 기술은 크게 다음과 같이 두 가지로 분류된다. 즉, 직접 방식으로 필터의 파라미터를 측정하여 원하는 성능을 얻을 때까지 제어 신호를 변화시키는 것과 주(master) 필터부와 부(slave) 필터부로 구성된 간접 방식(또는 master-slave tuning방식)이 있다. 이 중 직접 방식은 현재는 거의 사용되지 않는다.
간접 방식은 부 필터부가 동작하는 동안에 주 필터부를 튜닝하는 방법으로 이 때 주 필터부와 부 필터부는 같은 제어 신호에 의하여 조절된다. 튜닝 과정에 의하여 주 필터부의 파라미터는 안정되게 유지되고 이 때 만일 주필터부와 부 필터부가 완벽하게 매칭(matching)되어 있다면 부 필터부의 응답(response)도 원하는 대로 유지되는 것이다. 간접 방식에서는 주 필터부와 부 필터의 소자 값이 일치하도록 하는 것이 좋다. 최근에 널리 이용되는 간접 방식으로는 PLL(Phase Locked Loop)을 이용하는 것과 스위치-커패시터(switch-capacitor)를 이용하는 방법이 있다. PLL을 이용하는 방식은 면적이 늘어나고 전력 소모가 커지는 단점이 있기 때문에 이를 보완하기 위하여 개발된 것이 스위치-커패시터를 이용하는 방식이다. 이 방식은 복잡한 PLL부분을 단순한 저항-커패시터(RC) 시정수(time constant) 매칭 회로로 대치하여 설계가 간단하고 필요한 소자의 수가 적기 때문에 전력 소모가 적어지며 면적도 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나 스위치-커패시터를 이용하는 방식도 외부의 기준 전압 값에 영향을 받는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 정확한 클럭(clock)에 의한 FLL(Frequency Locked Loop)형태를 채택함으로써 외부의 기준 전압 값에 영향을 받지 않으며 정확한 주파수 록킹(locking) 특성을 가지고, 그 구조가 간단하여 전력 소모가 적은 집적회로 내장형 트랜스컨덕터-커패시터(Gm-C)형 필터의 튜닝(tuning) 회로를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 외부로부터 입력되는 기준 전압을 공급하기 위한 기준 전압 공급 수단과, 상기 기준 전압 공급 수단으로부터 공급되는 기준 전압에 비례하는 출력 전류를 발생시키고 스위칭 동작에 의한 커패시터의 충방전 동작에 따라 상기 출력 전류에 비례하는 전압을 출력시키는 트랜스컨덕턴스 제어 수단과, 상기 트랜스컨덕턴스 제어 수단으로부터 공급되는 전압을 스위칭 동작에 의한 커패시터의 충방전 동작에 따라 샘플링된 전압을 출력하는 샘플링 수단과, 상기 기준 전압 공급 수단으로부터 공급되는 기준 전압 및 상기 샘플링 수단으로부터 공급되는 샘플링 전압을 외부로부터 공급되는 일정한 전압에 따라 비교하여 튜닝 전압을 발생시키며 상기 튜닝 전압을 상기 트랜스컨덕턴스 제어 수단으로 궤한시키는 출력 신호 비교 및 튜닝 신호 발생 수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 필터의 튜닝 회로도.
도 2 는 본 발명이 적용되는 필터 회로도.
도 3 은 본 발명에 따른 필터의 튜닝 회로에 사용되는 각 클럭 및 출력 신호에 대한 타이밍 다이어그램.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1: 기준 전압 공급부 2: 트랜스컨덕턴스 제어부
3: 샘플링부 4: 출력 신호 비교 및 튜닝 신호 발생부
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 필터의 튜닝 회로도이며, 도 2는 본 발명이 적용되는 필터 회로이다. 도 3은 본 발명에 사용되는 각 클럭 및 출력 신호에 대한 타이밍 다이어그램을 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명은 크게 기준 전압 공급부(1), 트랜스컨덕턴스 제어부(2), 샘플링부(3)와 출력 신호 비교 및 튜닝 신호 발생부(4)로 구성된다.
기준 전압 공급부(1)는 클럭(Φ1및 Φ1b)의 입력에 따라 동작되는 두 개의 스위치(SW1 및 SW2)로 구성된다. 외부로부터 공급되는 기준 전압(Vref)은 스위치(SW1 및 SW2)의 스위칭 동작에 따라 트랜스컨덕턴스 제어부(2)로 입력되게 된다. 또한, 출력 신호 비교 및 튜닝 신호 발생부(4)로 기준 전압(Vref)을 공급하게 된다.
트랜스컨덕턴스 제어부(2)는 트랜스컨덕터(Gm1)와 클럭(Φ2)에 따라 동작되는 스위치(SW3) 및 충 방전용 커패시터(C)로 구성된다. 트랜스컨덕터(Gm1)에서는 출력 신호 비교 및 튜닝 신호 발생부(4)로부터 궤환되는 튜닝 신호에 따라 기준 전압 공급부(1)로부터 공급되는 전압(Vi)을 전류(i1)로 변환하며, 상기 출력 전류(i1)는 상기 스위치(SW3)의 스위칭 동작에 따라 충방전 동작을 수행하는 커패시터(C)에 의해 다시 전압(V0)으로 변환되어 샘플링부(3)로 입력되게 된다.
상기 샘플링부(3)는 클럭(Φ3)에 따라 동작되는 스위치(SW4) 및 커패시터(Cs)로 구성되며, 상기 스위치(SW4)의 스위칭 동작에 의한 커패시터(Cs)의 충방전으로 인해 공급되는 전압(Vcs)을 일정 시간에 맞춰 샘플링하여 신호 비교 및 튜닝 신호 발생부(4)로 기준 전압과 같은 크기의 신호를 공급하게 된다.
신호비교 및 튜닝 신호 발생부(4)는 두 개의 트랜스컨덕터(Gm2및 Gm3)로 구성되어 있다. 상기 기준 전압 공급부(1)로부터 기준 전압을 공급받아 반전시키고, 상기 샘플링부(3)로부터 공급되는 신호와 비교하여 최종의 튜닝 전압(Vc)을 발생시켜 필터(도시 안됨) 및 상기 트랜스컨덕턴스 제어부(2)로 공급하게 된다.
도 1과 도 3을 통해 본 발명의 동작을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 사용되는 세 개의 클럭 및 출력 신호에 대한 타이밍 다이어그램으로서, 먼저 시점 t0에서 클럭(Φ2)의 하이(high) 상태에 따라 스위치(SW3) 가 닫힘으로써 트랜스컨덕턴스 제어부(2)의 출력 전압(V0)은 접지 전위로 되고 커패시터(C)는 리셋(reset) 된다. 시점 t1에서 스위치(SW1)가 클럭(Φ1)의 하이 상태에 따라 닫히고 클럭(Φ1b)의 로우(low) 상태에 의해 스위치(SW2)가 열리므로 트랜스컨덕턴스 제어부(2)로 기준 전압 공급부(1)로부터 기준 전압(Vref)이 인가되어 입력 전압(Vi)에 비례하는 출력 전류(iO1)가 발생하게 되고 커패시터(C)가 충전된다. 이 때 스위치(SW3)는 다시 클럭(Φ2)의 상태가 로우 상태로 되어 닫히게 된다. 상기 출력 전류(iO1)의 크기는 아래의 [수학식 1]과 같으며, 일정시간 동안(Δt)에 커패시터(C)에 충전되는 전하의 크기는 Qc = ioi·Δt 가 된다.
i01= Gm·Vi
따라서, 트랜스컨덕턴스 제어부(2)의 출력전압(V0)의 크기는 도 3에서와 같이 접지 전위에서 서서히 증가하여 아래의 [수학식 2]와 같이 커패시터(C) 양단에 나타나는 전압(V0)으로 되며 시점 t2에서는 일정 전압이 된다. 이 상태는 시점 t2까지 유지된다.
여기서, Vi= Vref, 또 V0= Vcs이므로
즉, 클럭 Φ3가 시점 t2와 시점 t3사이에서 하이 상태로 되어 샘플링부(3)의 스위치(SW4)가 닫히고 커패시터(Cs)로 샘플링되어 커패시터(Cs) 양단의 전압(VCs)은 [수학식 3]과 같이 된다. 시점 t2에서는 클럭 Φ1및 Φ1b의 상태가 반전되어 시점 t5까지 지속된다. 또한 트랜스컨덕턴스 제어부(2)의 출력 전압(V0)은 시점 t4까지 일정 전압으로 유지된다. 또한 시점 t4에서 클럭 Φ2의 상태가 로우 상태에서 하이 상태로 천이 되면서 스위치(SW3)가 닫히고 커패시터(C)는 다시 리셋 된다. 이 상태는 시점 t5까지 유지된다. 샘플링된 커패시터(Cs) 양단의 전압(VCs)은 출력 신호 비교 및 튜닝 신호 발생부(4)의 트랜스컨덕터(Gm2)로 인가된다. 한편, 기준 전압이 트랜스컨덕터(Gm3)로 인가되어 트랜스컨덕터(Gm3)에 의해 반전된 출력을 발생한다. 트랜스컨덕터(Gm2)의 출력과 트랜스컨덕터(Gm3)의 출력이 비교되면서 튜닝 전압(Vc)를 발생하게 된다. 단, 트랜스컨덕터(Gm1, Gm2및 Gm3)는 동일하며 출력 신호 비교 및 튜닝 신호 발생부(4)를 구성하고 있는 트랜스컨덕터(Gm2및 Gm3)는 일정한 전압(Vconst)에 의해 제어되는 반면, 트랜스컨덕턴스 제어부(2)를 구성하고 있는 트랜스컨덕터(Gm1)는 궤환(feedback)되는 튜닝 전압(Vc)에 의해 제어된다. 결과적으로 튜닝 회로 전체 시스템이 안정 상태에 들어가게 되면 커패시터(Cs)의 충전 전압(VCs)은 기준 전압(Vref)과 같게되며, 다음과 같은 [수학식 4, 5 및 6]들로 커패시터(C) 및 시간 함수로 트랜스컨덕턴스(Gm) 값을 나타낼 수 있다.
여기서, fck 는 외부에서 인가되는 클럭에 의해 결정되는 주파수이므로 정확한 클럭만 인가된다면 외부의 기준 전압(Vref) 값에 영향을 받지 않는 정확한 값을 얻을 수 있다. 따라서 본 발명의 튜닝 회로에서는 Gm-C 값을 정확한 외부 클럭에 [수학식 6]에서와 같이 맞출 수 있으므로 튜닝 전압을 정확하게 조정할 수 있다.
상술한 바와 같이 정확한 클럭(clock)에 의한 FLL(Frequency Locked Loop)형태의 필터의 튜닝 회로를 채택함으로써, 트랜스컨덕터-커패시터(Gm-C)형 필터의 성능을 안정화시킬 수 있는 튜닝 회로를 집적 회로 내에 내장할 수 있고, 집적 회로를 간단히 구현할 수 있으며 면적을 최소화 할 수 있다. 또한, 외부 부품 수를 최소화 할 수 있으며, PLL 형태가 아닌 FLL 형태로 구성함으로써, 주파수 동기(locking)에 어려움이 없으며, 트랜스컨덕터-커패시터(Gm-C) 값을 외부의 정확한 기준 주파수에 맞출 수 있고, 외부에서 공급되는 기준 전압 값에 영향을 받지 않게 되며, 차동 구조로 설계하면 스위치 소자의 영향을 최소화 할 수 있는 등의 탁월한 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 외부로부터 입력되는 기준 전압을 공급하기 위한 기준 전압 공급 수단과,
    상기 기준 전압 공급수단으로부터 공급되는 기준 전압에 비례하는 출력 전류를 발생시키고 스위칭 동작에 의한 커패시터의 충방전 동작에 따라 상기 출력 전류에 비례하는 전압을 출력시키는 트랜스컨덕턴스 제어 수단과,
    상기 트랜스컨덕턴스 제어 수단으로부터 공급되는 전압을 스위칭 동작에 의한 커패시터의 충방전 동작에 따라 샘플링 전압을 출력하는 샘플링 수단과,
    상기 기준 전압 공급 수단으로부터 공급되는 기준 전압 및 상기 샘플링 수단으로부터 공급되는 샘플링 전압을 외부로부터 공급되는 일정한 전압에 따라 비교하여 튜닝 전압을 발생시키며 상기 튜닝 전압을 상기 트랜스컨덕턴스 제어 수단으로 궤한시키는 출력 신호 비교 및 튜닝 신호 발생 수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 필터의 튜닝 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기준 전압 공급 수단은 각각의 클럭에 따라 교호로 스위칭 동작을 하는 두 개의 스위치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 필터의 튜닝 회로.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 트랜스컨덕턴스 제어 수단은 상기 기준 전압 공급 수단으로부터 공급되는 기준 전압을 입력으로 하여 상기 출력 신호 비교 및 튜닝 신호 발생 수단으로부터 궤환되는 튜닝 전압에 따라 상기 기준 전압에 비례하는 출력 전류를 발생하는 트랜스컨덕터와,
    클럭에 따라 스위칭 동작을 수행하는 스위치와,
    상기 스위치의 동작에 따라 충방전 동작을 하여 상기 트랜스컨덕터의 출력 전류에 비례하는 출력 전압을 발생하기 위한 커패시터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 필터의 튜닝 회로.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 샘플링 수단은 클럭에 의한 스위칭 동작을 수행하는 스위치와,
    상기 스위치의 스위칭 동작에 따라 충방전 동작을 수행하여 상기 트랜스컨덕턴스 제어 수단으로부터 공급되는 출력 전압을 일정 시간에 맞춰 샘플링하여 샘플링 전압을 출력하는 케패시터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 필터의 튜닝 회로.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 출력 신호 비교 및 튜닝 신호 발생 수단은 상기 기준 전압 공급 수단으로부터 공급되는 기준 전압 및 상기 샘플링 수단으로부터 공급되는 샘플링 전압을 외부로부터 공급되는 일정한 전압에 따라 비교하여 튜닝 전압을 발생시키며 상기 튜닝 전압을 상기 트랜스컨덕턴스 제어 수단으로 궤한시키는 제 1 및 제 2 트랜스컨덕터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 필터의 튜닝 회로.
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