KR19990051452A

KR19990051452A - 온도에 무관한 전류 공급 회로

Info

Publication number: KR19990051452A
Application number: KR1019970070771A
Authority: KR
Inventors: 이찬희
Original assignee: 전주범; 대우전자 주식회사
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 1999-07-05

Abstract

온도에 무관한 전류 공급 회로가 개시되어 있다. 레퍼런스인 온도 보상 수정 발진기는 레퍼런스 신호를 발생하고, 마스터인 전압 제어 발진기는 발진 주파수의 신호가 인가 전압의 변화와 같이 변화하는 신호를 발생하며, 배타적 논리합 게이트는 온도 보상 수정 발진기 및 전압 제어 발진기로부터 신호를 각각 제공받아 배타적 논리합을 한다. 그후 저역 통과 필터는 배타적 논리합 게이트로부터 배타적 논리합된 신호를 제공받아 저역 필터링하여 저역 필터링된 신호를 마스터인 전압 제어 발진기에 궤환하고 또한 슬래브인 제어 가능한 상호 콘덕턴스 증폭기는 저역 통과 필터의 공진 주파수를 근거로 입력 단자를 통해 전압을 입력받아 출력 단자를 통해 전류를 출력한다. 이때 온도 보상 수정 발진기는 온도에 대하여 거의 일정한 공진 주파수를 갖고 있기 때문에 바이어스 피드백에 의해 전압 제어 발진기의 주파수도 온도에 거의 일정하게 되고, 또한 전압 제어 발진기내의 캐패시터도 온도에 대해 큰 변화가 없으므로, 제어 가능한 상호 컨덕턴스 증폭기의 상호 콘덕턴스 값도 일정해지게 되고 또한 전압 제어 발진기와 같은 바이어스를 제어 가능한 상호 컨덕턴스 증폭기에 인가해주므로써 온도에 대해서 일정한 상호 컨덕턴스 값을 얻을 수 있다.

Description

온도에 무관한 전류 공급 회로

본 발명은 온도에 무관한 전류 공급 회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동 조절 방식을 이용하여 제조 공정 및 온도에 무관한 전류 공급 회로에 관한 것이다.

집적회로의 설계에 있어서, 생길 수 있는 오차는 두 분류로 정리될 수 있다.

첫 번째는 공정 변동에 의한 소자 특성의 변화, 칩내에서의 공정 불균일에 의한 불일치 등의 고정 오차이고, 두 번째는 외부 전압원, 온도 등의 환경 변화와 핫 캐리어 효과(hot carrier)등으로 인한 소자 특성 열화에 의한 가변 오차이다.

바이폴라나 모스(MOS)를 사용한 아날로그 집적회로의 특성은 회로의 내부 바이어스 변화에 매우 민감한 반응을 보이기 때문에 이러한 오차를 줄이는 연구가 계속 진행되어 왔다.

특히 대부분의 아날로그 집적회로가 전류 공급 회로를 바탕으로 하는 바이어스 방식을 사용하고 있으므로 공정이나 환경 등의 변화에 무관한 전류원을 사용하는 것이 매우 중요하다.

공정 변화로 인한 바이어스 전류의 오차는 저항의 레이저 트리밍 등의 방법을 써서 줄이는 것이 가능하며, 온도 변화에 의한 오차는 밴드 갭 레퍼런스(band gap reference) 회로 등을 사용함으로써 줄일 수 있다.

그러나 상기 레이저 트리밍 방법은 쓰루풋(throughput)이 작고 가격이 비싸다는 단점이 있으며, 상기 밴드 갭 레퍼런스는 좁은 온도 범위에서만 유용하다는 단점이 있다.

이에, 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 본 발명의 제1의 목적은 자동 조절 방식을 이용하여 제조 공정 및 온도에 무관한 새로운 전류 공급 회로를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 상기한 마스터(master)와 슬래브(slave)의 블록도를 나타낸다.

도 2는 도 1의 상호 콘덕턴스-캐패시터 루프 필터의 간략화한 블록도이다.

도 3은 도 1의 마스터로 작용하는 전압 제어 발진기(20)의 블록도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 자동 조절을 이용한 온도에 무관한 전류 공급 회로를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

40, 60, 70 : 증폭기 50, 80, 90 : 캐패시터

300 : 배타적 논리합(EX-OR) 400 : 저역 통과 필터(LPF)

200 : 전압 제어 발진기(Voltage Controled Oscillator: VCO)

10, 100 : 온도 보상 수정 발진기(Temperature Compensated Crystal Oscillat-or : TCXO)

30, 500 : 제어 가능한 상호 콘덕턴스 증폭기(Operational Transconductance Amplifier : OTA)

상기한 본 발명의 제1 목적을 실현하기 위하여, 본 발명은 레퍼런스 신호를 발생하기 위한 온도 보상 수정 발진기; 발진 주파수의 신호가 인가 전압의 변화와 같이 변화하는 신호를 발생하기 위한 전압 제어 발진기; 상기 온도 보상 수정 발진기 및 상기 전압 제어 발진기로부터 신호를 제공받아 배타적 논리합을 하기 위한 배타적 논리합 게이트; 상기 배타적 논리합 게이트로부터 배타적 논리합된 신호를 제공받아 저역 필터링한 후 저역 필터링된 신호를 상기 전압 제어 발진기에 궤환하기 위한 저역 통과 필터; 그리고 상기 저역 통과 필터로부터의 공진 주파수를 근거로 전압을 입력받아 전류를 출력하기 위한 제어 가능한 상호 콘덕턴스 증폭기로 이루어진 온도에 무관한 전류 공급 회로를 제공한다.

상기 온도에 무관한 전류 공급 회로에 의하면, 상기 온도 보상 수정 발진기는 온도에 대하여 거의 일정한 공진 주파수를 갖고 있기 때문에 바이어스 피드백에 의해 전압 제어 발진기의 주파수도 온도에 거의 일정하게 되고, 또한 전압 제어 발진기내의 캐패시터도 온도에 대해 큰 변화가 없으므로, 제어 가능한 상호 컨덕턴스 증폭기의 상호 콘덕턴스 값도 일정해지게 되고 또한 전압 제어 발진기와 같은 바이어스를 제어 가능한 상호 컨덕턴스 증폭기에 인가해주므로써 온도에 대해서 일정한 상호 컨덕턴스 값을 얻을 수 있다.

자동 조절 방식(Automatic Tuning)이란 어떤 능동 소자 혹은 회로 블록의 소신호 파라미터값에 무관한 특성을 가지는 마스터(master) 회로를 외부 레퍼런스 회로를 이용하여 바이어스 피드 백시켜 마스터 회로의 소신호 파라미터가 원하는 값을 갖게 한 후, 그때의 바이어스를 슬래브(slave) 회로에 같이 인가해줌으로써 슬래브 회로의 특성을 원하는 값으로 조절해 주는 방식을 말한다.

이 개념을 온도에 무관한 전류원을 도입하면 슬래브는 제어 가능한 상호 콘덕턴스 증폭기(OTA: Operational Transconductance Amplifier), 마스터는 제어 가능한 상호 콘덕턴스 증폭기(OTA)와 캐패시터(C)의 결합을 이용한 전압 제어 발진기, 그리고 레퍼런스는 온도 보상 수정 발진기(TCXO: Temperature Compensated Crystal Oscillator)가 된다.

도 1을 참조하면 상기 마스터와 슬래브의 블록도는 온도 보상 수정 발진기(20), 전압 제어 발진기(20) 및 제어 가능한 상호 콘덕턴스 증폭기(30)로 구성된다.

상기 온도 보상 수정 발진기(TCXO: 10)는 레퍼런스 주파수 신호를 마스터로 동작하는 상기 전압 제어 발진기(20)에 제공한다.

먼저 상기 전압 제어 발진기(20)를 설명하기에 앞서 저역 통과 필터로 작용하는 상호 콘덕턴스(gm)-캐패시터(C) 루프 필터를 설명한다.

도 2는 상기 상호 콘덕턴스-캐패시터 루프 필터의 간략화한 블록도이다.

상기 도 2의 상호 콘덕턴스-캐패시터 루프 필터는 차동 입력 전압 신호를 받아 전류 출력을 내는 제어 가능한 상호콘덕턴스 증폭기(OTA)와 상기 제어 가능한 상호콘덕턴스 증폭기(OTA)의 전류 출력을 전압으로 바꾸어 주어 다음 단 OTA의 입력 전압이 될 수 있도록 하는 커패시터를 결합하므로써 구성할 수 있다.

이를 보다 상세히 설명하면, 상기 상호 콘덕턴스-캐패시터 루프 필터는 양의 입력단을 통해 입력 전압(A)을 제공받고 출력단을 통해 출력 전압(B)을 출력하는 상호 콘덕턴스, gm의 제어 가능한 상호콘덕턴스 증폭기(40), 일단은 상기 제어 가능한 상호콘덕턴스 증폭기(40)의 출력단에 접속되고, 타단은 접지단 및 상기 제어 가능한 상호콘덕턴스 증폭기(40)의 음의 입력단에 궤환되는 캐패시터(50)로 구성된다.

상기 도 2의 상호 콘덕턴스-캐패시터 루프 필터는 하기한 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

상기한 수학식 1에서 A는 입력 전압, B는 출력 전압, gm은 증폭기의 상호 콘덕턴스이고, s는 jω이다.

이를 A와 B에 대해서 정리하면, 수학식 2와 같다.

그러므로, 상기 도 2의 상호 콘덕턴스-캐패시터 루프 필터의 전달 함수는 하기한 수학식 3과 같다.

상기한 수학식 3에서 보인 바와 같이 상호 콘덕턴스-캐패시터 루프 필터는 저역 통과 필터(LPF)의 특성을 나타낸다.

상기한 저역 통과 필터 특성을 갖는 상호 콘덕턴스-캐패시터 루프 필터를 2개 연결하면, 전압 제어 발진기를 구성할 수 있다.

도 3은 마스터(master)로 작용하는 전압 제어 발진기(20)의 블록도이다.

상기 전압 제어 발진기(20)는 제1 증폭기(60), 제2 증폭기(70), 제1 캐패시터(80) 및 제2 캐패시터(90)로 구성된다.

제1의 상호 콘덕턴스(gm1)를 갖는 상기 제1 증폭기(60)는 양의 입력 단자를 통해 상기 제1 캐패시터(80)의 일단 및 상기 제2 증폭기(70)의 출력단에 접속되어 일정 시간 동안 제1 캐패시터(80)에 저장된 제1 증폭기의 출력 신호를 제공받고 또한 상기 제2 증폭기(70)의 궤환된 출력 신호를 제공받는다. 그리고 제1 증폭기(60)의 음의 입력 단자를 통해 상기 제2 캐패시터(90)의 일단 및 상기 제2 증폭기(70)의 음의 입력단에 접속되어, 일정 시간 동안 제2 캐패시터(90)에 저장된 제1 증폭기의 출력 신호를 제공받는다. 그리고 상기한 양의 입력 단자 및 음의 입력 단자를 통해 입력된 신호를 증폭한 후 출력 신호를 상기 제1 캐패시터(80)의 타단에, 제2 캐패시터(90)의 일단에, 그리고 제2 증폭기(70)의 양의 입력단에 제공한다.

제2의 상호 콘덕턴스(gm2)를 갖는 상기 제2 증폭기(70)는 양의 입력 단자는 상기 제1 증폭기(60)의 출력단, 제1 캐패시터(80)의 타단 및 제2 캐패시터의 일단에 접속되어 상기 제1 증폭기(60)의 출력 신호를 제공받고, 음의 입력 단자를 통해 상기 제2 캐패시터(90)의 일단 및 상기 제1 증폭기(60)의 음의 입력단에 접속되어, 일정 시간 동안 제2 캐패시터(90)에 저장된 제1 증폭기의 출력 신호를 제공받는다. 그리고 출력 단자를 통해 출력 신호를 출력하고 또한 상기 제1 증폭기(60)의 양의 입력단 및 상기 제1 캐패시터(80)의 일단에 출력 신호를 궤환한다.

상기 제1 캐패시터(80)의 일단은 상기 제1 증폭기(60)의 양의 입력단 및 상기 제2 증폭기(70)의 출력단에 접속되어 상기 제1 증폭기(60)의 출력 신호를 일정 시간 동안 저장한 후 상기 제1 증폭기(60)의 양의 입력단에 궤환하여 제공하고, 또한 상기 제2 증폭기(70)의 출력 신호를 또 다른 일정 시간 동안 저장한 후 상기 제2 증폭기(70)의 양의 입력단에 궤환하여 제공한다.

상기 제2 캐패시터(90)의 일단은 상기 제1 증폭기(60)의 출력단 및 상기 제2 증폭기(70)의 양의 입력단에 접속되고, 타단은 상기 제1 증폭기(60)의 음의 입력단, 상기 제2 증폭기(70)의 음의 입력단 및 접지단에 접속되어 일정 시간 제1 증폭기(60)의 출력 신호를 저장한 후 제1 증폭기(60)의 음의 입력단 및 제2 증폭기(70)의 음의 입력단에 제공한다.

다시 도 1의 마스터(master)와 슬래브(slave)의 블록도에 있어서, 상기 전압 제어 발진기(20)는 상기 온도 보상 수정 발진기(10)로부터 레퍼런스 주파수 신호를 제공받아 슬래브로 동작하는 상기 제어 가능한 상호 컨덕턴스 증폭기(30)에 제공한다.

상기 제어 가능한 상호 컨덕턴스 증폭기(30)는 상기 전압 제어 발진기(20)로부터 발진 주파수가 인가 전압의 변화와 같이 변화하는 신호를 제공받아 이의 주파수를 근거로 입력단을 통해 차동 입력 전압 신호를 제공받아 출력단을 통해 전류를 출력한다.

상기한 구성에 의하면, 온도 보상 수정 발진기(10)는 온도에 대해서 거의 일정한 공진 주파수를 가지고 있기 때문에 바이어스 피드백에 의해 마스터인 전압 제어 발진기(20)의 주파수도 온도에 거의 일정하게 되고, 또한 마스터(20)의 캐패시터도 온도에 대해 큰 변화가 없으므로 슬래브인 제어 가능한 상호콘덕턴스 증폭기(OTA: 30)의 상호 콘덕턴스, gm도 일정해지게 된다. 이때 마스터(20)와 같은 바이어스를 슬래브(30)에 인가해주면 온도에 일정한 상호 콘덕턴스, gm을 얻을 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 4를 참조하면, 상기 온도에 무관한 전류 공급 회로는 온도 보상 수정 발진기(TCXO: 100), 전압 제어 발진기(VCO: 200), 배타적 논리합 게이트(EX-OR: 300), 저역 통과 필터(LPF: 400) 및 제어 가능한 상호 콘덕턴스 증폭기(OTA: 500)로 구성된다.

상기 온도 보상 수정 발진기(TCXO: 100)는 온도에 대해서 일정한 공진 주파수를 갖는 레퍼런스 신호를 발생한다.

상기 전압 제어 발진기(VCO: 200)는 발진 주파수의 신호가 인가 전압의 변화와 같이 변화하는 신호를 발생한다. 이때 상기 전압 제어 발진기(200)는 외부 레퍼런스 신호를 이용하여 바이어스 피드 백시켜 소신호 파라미터가 원하는 값을 갖게 하는 마스터(master)로 작용한다.

상기 배타적 논리합 게이트(EX-OR: 300)는 상기 온도 보상 수정 발진기(100) 및 상기 전압 제어 발진기(200)로부터 신호를 제공받아 배타적 논리합을 한다.

상기 배타적 논리합(EX-OR)은 입력단이 2개라면 하기한 표 1의 순차적인 실행표로 나타난다.

A	B	A'	B'	AB'	A'B
0	0	1	1	0	0	0
0	1	1	0	0	1	1
1	0	0	1	1	0	1
1	1	0	0	0	0	0

즉, A XOR B= 이다.

상기한 배타적 논리합(EX-OR)의 실행표에 의하면, 입력 단자를 통해 입력되는 두 개의 신호가 같다면 로우(Low)인 '0'을 출력하고, 입력 단자를 통해 입력되는 두 개의 신호가 다르다면 하이(High)인 '1'을 출력하는 것은 공지된 사실이다.

상기 저역 통과 필터(LPF: 400)는 상기 배타적 논리합 게이트(300)로부터 배타적 논리합된 신호를 제공받아 저역 필터링하여 저역 필터링된 신호를 상기 전압 제어 발진기(200)에 궤환한다.

상기 제어 가능한 상호 콘덕턴스 증폭기(OTA: 500)는 상기 저역 통과 필터(400)로부터의 공진 주파수를 근거로 전압을 입력받아 전류를 출력한다. 이때 상기 제어 가능한 상호 콘덕턴스 증폭기(500)는 상기 온도 보상 수정 발진기(100) 및 상기 전압 제어 발진기(200)의 슬래브로 작용한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 온도 보상 수정 발진기(TCXO)는 온도에 대하여 거의 일정한 공진 주파수를 갖고 있으므로 전압 제어 발진기(VCO)의 주파수도 온도에 거의 일정하게 된다.

또한 상기 전압 제어 발진기내의 캐패시터도 온도에 대해 큰 변화가 없으므로, 제어 가능한 상호 컨덕턴스 증폭기(OTA)의 상호 콘덕턴스, gm의 값도 일정해지게 된다.

그러므로 상기 전압 제어 발진기와 같은 바이어스를 상기 제어 가능한 상호 컨덕턴스 증폭기에 인가해주므로써 온도에 대해서 일정한 상호 컨덕턴스, gm의 값을 얻어 온도 변화에 무관한 전류를 공급할 수 있다.

이상, 설명한 바와 같이 본 발명에 따라 온도 보상 수정 발진기(TCXO)는 온도에 대하여 거의 일정한 공진 주파수를 갖고 있기 때문에 바이어스 피드백에 의해 전압 제어 발진기(VCO)의 주파수도 온도에 거의 일정하게 되고, 또한 전압 제어 발진기내의 캐패시터도 온도에 대해 큰 변화가 없으므로, 제어 가능한 상호 컨덕턴스 증폭기(OTA)의 상호 콘덕턴스(gm)도 일정해지게 되고 또한 전압 제어 발진기와 같은 바이어스를 제어 가능한 상호 컨덕턴스 증폭기에 인가해주므로써 온도에 대해서 일정한 상호 컨덕턴스(gm)를 얻어 온도 변화에 무관한 전류를 공급할 수 있다.

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

Claims

레퍼런스 신호를 발생하기 위한 온도 보상 수정 발진기(TCXO: 100);

발진 주파수의 신호가 인가 전압의 변화와 같이 변화하는 신호를 발생하기 위한 전압 제어 발진기(VCO: 200);

상기 온도 보상 수정 발진기(100) 및 상기 전압 제어 발진기(200)로부터 신호를 제공받아 배타적 논리합을 하기 위한 배타적 논리합 게이트(EX-OR: 300);

상기 배타적 논리합 게이트(300)로부터 배타적 논리합된 신호를 제공받아 저역 필터링한 후 저역 필터링된 신호를 상기 전압 제어 발진기(200)에 궤환하기 위한 저역 통과 필터(LPF: 400); 그리고

상기 저역 통과 필터(400)로부터 출력된 출력 신호의 공진 주파수를 근거로 전압을 입력받아 전류로 변환하여 출력하기 위한 제어 가능한 상호 콘덕턴스 증폭기(OTA: 500)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 온도에 무관한 전류 공급 회로.
제1항에 있어서, 상기 온도 보상 수정 발진기(TCXO: 100)는 온도에 대해서 일정한 공진 주파수를 갖는 레퍼런스 신호를 발생하는 레퍼런스로 작용하는 것을 특징으로 하는 온도에 무관한 전류 공급 회로.
제1항에 있어서, 상기 전압 제어 발진기(VCO: 200)는 외부 레퍼런스 신호를 이용하여 바이어스 피드 백시켜 소신호 파라미터가 원하는 값을 갖게 하는 마스터(master)로 작용하는 것을 특징으로 하는 온도에 무관한 전류 공급 회로.
제1항에 있어서, 상기 전압 제어 발진기(VCO: 200)의 주파수는 상기 온도 보상 수정 발진기(TCXO: 100)의 바이어스 피드백에 의해 온도에 일정한 것을 특징으로 하는 온도에 무관한 전류 공급 회로.
제1항에 있어서, 상기 제어 가능한 상호 콘덕턴스 증폭기(OTA: 500)는 상기 온도 보상 수정 발진기(TCXO: 100) 및 상기 전압 제어 발진기(VCO: 200)의 슬래브(slave)로 작용하는 것을 특징으로 하는 온도에 무관한 전류 공급 회로.