KR20000061733A

KR20000061733A - 가변이득증폭기

Info

Publication number: KR20000061733A
Application number: KR1019990011009A
Authority: KR
Inventors: 손영순
Original assignee: 김영환; 현대반도체 주식회사
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2000-10-25
Also published as: KR100295680B1

Abstract

본 발명은 가변이득증폭기에 관한 것으로, 종래에는 앰프의 게인을 조절하기 위한 직류전압이 엑스퍼넨셜한 특성을 가지도록 변환시키기 의해 외부에 제어로직을 두어야 하는 불편한 문제점이 있었다. 따라서, 본 발명은 게이트에 제1 직류바이어스전압이 인가되고, 소스에 전원전압이 인가되며, 드레인이 노드A에 접속된 제1 피모스트랜지스터와, 게이트에 제2 직류바이어스전압이 인가되고, 소스에 전원전압이 인가되며,드레인이 노드A에 접속된 제2 피모스트랜지스터와, 상기 노드A에 드레인이 접속되고, 게이트에 양직류전압이 인가된 제1 엔모스트랜지스터와, 게이트에 양입력전압이 인가되고, 드레인에 상기 제1 엔모스트랜지스터의 소스가 접속되며, 소스가 접지된 제2 엔모스트랜지스터와, 게이트에 제2 직류바이어스전압이 인가되고, 소스에 전원전압이 인가되며, 드레인이 노드B에 접속된 제3 피모스트랜지스터와, 게이트에 제1 직류바이어스전압이 인가되고, 소스에 전원전압이 인가되며, 드레인이 상기 노드B에 접속된 제4 피모스트랜지스터와, 게이트에 음직류전압이 인가되고, 드레인이 상기 노드B에 접속된 제3 엔모스트랜지스터와, 게이트에 음입력전압이 인가되고, 드레인이 상기 제3 엔모스트랜지스터의 소스에 접속되며, 소스가 접지된 제4 엔모스트랜지스터와, 상기 노드A,B에서 출력신호를 출력하도록 구성함으로써 파워게인을 필요로 하는 시스템에서 별도의 제어로직없이 외부 직류제어전압에 대해 파워게인을 선형적인 특성을 갖도록 할 수 있는 효과가 있다.

Description

가변이득증폭기{VARIABLE GAIN AMPLIFIER}

본 발명은 가변이득증폭기에 관한 것으로, 특히 외부에 제어로직을 구비하지 않아도 파워 게인이 선형성을 가지도록 제어할 수 있는 가변이득증폭기에 관한 것이다.

일반적으로, 통신시스템의 파워를 조절하는 에이지씨(Automatic Gain Control:이하, 에이지씨)에서 파워게인에 대해 선형성을 가지는 앰프를 구현함에 있어서, 주로 외부 제어신호에 대해 엑스퍼넨셜(Exponential)한 곡선의 블록을 구비하여 구현하는데, 이와같은 종래 장치를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도1은 일반적인 에이지씨의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와같이 입력신호(Vin)를 제어부(10)의 제어신호(Vcont)에 의해 소정 증폭이득을 갖도록 증폭하는 제1 앰프(11)와, 이 제1 앰프(11)의 증폭신호를 입력받아 이를 다시 상기 제어부(10)의 제어신호(Vcont)에 의해 소정 증폭이득을 갖도록 증폭하는 제2 앰프(12)로 구성된다.

도2는 상기 제1, 제2 앰프(11,12)의 구성을 보인 회로도로서, 이에 도시된 바와같이 게이트에 제어전압(Vcont)이 인가되고, 드레인에 전원전압(VDD)이 제1 저항(R1)을 통해 인가된 제1 엔모스트랜지스터(MN1)와, 게이트에 양입력전압(Vin+)이 인가되고, 드레인에 상기 제1 엔모스트랜지스터(MN1)의 소스가 접속되며, 소스가 접지된 제2 엔모스트랜지스터(MN4)와, 게이트에 제어전압(Vcont)이 인가되고, 드레인에 전원전압(VDD)이 제2 저항(R2)을 통해 인가된 제3 엔모스트랜지스터(MN3)와, 게이트에 음입력전압(Vin-)이 인가되고, 드레인에 상기 제3 엔모스트랜지스터(MN3)의 소스가 접속되며, 소스가 접지된 제4 엔모스트랜지스터(MN5)와, 상기 제1,제3 엔모스트랜지스터(MN1,MN3)의 드레인측에서 출력신호(Voutn,Voutp)가 출력되도록 구성되며, 이와같이 구성된 종래장치의 동작을 설명한다.

먼저, 제1,제3 엔모스트랜지스터(MN1,MN3)는 새츄레이션(Saturation) 영역에서 동작하고, 제2,제4 엔모스트랜지스터(MN4),(MN5)는 트리오드(Triode) 영역에서 동작하도록 설정한다.

이때, 도2의 가변이득증폭기의 게인은 제어전압(Vcont)과 제2,제4 엔모스트랜지스터 (MN4),(MN5)의 두께와 길이의 비, 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)의 비에 의해 결정된다.

즉, 전압이득(Av)은 아래의 수식과 같이 나타낼수 있다.

Av=-----------식(1)

여기서,이고,이며,이므로,

Av이다.

이때,이고,이므로,

Av =--------식(2)

따라서, 상기 도2의 전압이득(Av)은 외부의 제어전압(Vcont)에 따라 변화하게 된다.

만약, 전압이득(Av)에 대해 선형성을 가지는 가변이득증폭기를 구현하기 위해서는 제어전압(Vcont)이 엑스퍼넨셜(Exponential) 곡선을 가지면서 변화하도록 하여야 한다.

즉, 제어부(10)가 외부 직류전압(Vdc)이라는 일반 직류전압에 대하여 엑스퍼넬션 (Exponential)한 특성곡선을 가지도록 하기 위하여 도3의 특성곡선과 같이 제어한다.

그리고, 도4는 제어부(10) 없이 가변이득증폭기를 일반직류전압으로 게인을 변화시킬 때 그 일반전압에 대한 파워게인(전압이득:Av)과의 특성곡선으로 로그 특성을 나타내며, 도5는 제어전압(Vcont)으로 가변이득증폭기의 게인을 변화시킬 때에 대한 파워게인(Av)의 변화 특성곡선을 나타낸 예시도이다.

그러나, 상기와 같이 동작하는 종래 장치는 앰프의 게인을 조절하기 위한 직류전압이 엑스퍼넨셜한 특성을 가지도록 변환시키기 의해 외부에 제어로직을 두어야 하므로 구성이 복잡하여 비용이 상승되고 제어가 어려운 문제점이 있었다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 본 발명은 외부 제어신호 없이도 파워 게인이 선형성을 가질 수 있도록 한 가변이득증폭기를 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 일반적인 에이지씨의 구성을 보인 블록도.

도2는 도1에 있어서, 가변이득증폭기에 대한 구성을 보인 회로도.

도3은 도2에 있어서, 직류전압에 대한 제어부의 특성곡선을 보인 예시도.

도4는 도2에 있어서, 제어부가 없을 경우에 직류전압과 파워게인의 특성곡선을 보인 예시도.

도5는 도2에 있어서, 제어전압에 의한 파워게인의 변화 특성곡선을 보인 예시도.

도6은 본 발명 가변이득증폭기에 대한 구성을 보인 회로도.

도7은 도6에 있어서, 서브문턱에서 동작하는 제1~제4 피모스트랜지스터의 특성곡선을 보인 예시도.

도8은 도6에 있어서, 입력되는 직류전압에 따른 출력전압이 액티브로드의 엑스퍼넬셜 저항특성에 변화하는 특성곡선을 보인 예시도.

도9는 도6에 있어서, 출력전압이 입력전압에 대해 로그를 취한 파워게인의 특성곡선을 보인 예시도.

*****도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*****

10:제어부 11,12:앰프

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 게이트에 제1 직류바이어스전압이 인가되고, 소스에 전원전압이 인가되며, 드레인이 노드A에 접속된 제1 피모스트랜지스터와, 게이트에 제2 직류바이어스전압이 인가되고, 소스에 전원전압이 인가되며,드레인이 노드A에 접속된 제2 피모스트랜지스터와, 상기 노드A에 드레인이 접속되고, 게이트에 양직류전압이 인가된 제1 엔모스트랜지스터와, 게이트에 양입력전압이 인가되고, 드레인에 상기 제1 엔모스트랜지스터의 소스가 접속되며, 소스가 접지된 제2 엔모스트랜지스터와, 게이트에 제2 직류바이어스전압이 인가되고, 소스에 전원전압이 인가되며, 드레인이 노드B에 접속된 제3 피모스트랜지스터와, 게이트에 제1 직류바이어스전압이 인가되고, 소스에 전원전압이 인가되며, 드레인이 상기 노드B에 접속된 제4 피모스트랜지스터와, 게이트에 음직류전압이 인가되고, 드레인이 상기 노드B에 접속된 제3 엔모스트랜지스터와, 게이트에 음입력전압이 인가되고, 드레인이 상기 제3 엔모스트랜지스터의 소스에 접속되며, 소스가 접지된 제4 엔모스트랜지스터와, 상기 노드A,B에서 출력신호를 출력하도록 구성한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 가변이득증폭기에 대한 작용 및 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도6은 본 발명 가변이득증폭기에 대한 구성을 보인 회로도로서, 이에 도시한 바와같이 게이트에 제1 직류바이어스전압(Vc1)이 인가되고, 소스에 전원전압(VDD)이 인가되며, 드레인이 노드A에 접속된 제1 피모스트랜지스터(MP1)와, 게이트에 제2 직류바이어스전압(Vc2)이 인가되고, 소스에 전원전압(VDD)이 인가되며,드레인이 노드A에 접속된 제2 피모스트랜지스터(MP2)와, 상기 노드A에 드레인이 접속되고, 게이트에 양직류전압(Vdc+)이 인가된 제1 엔모스트랜지스터(MN5)와, 게이트에 양입력전압(Vin+)이 인가되고, 드레인에 상기 제1 엔모스트랜지스터(MN5)의 소스가 접속되며, 소스가 접지된 제2 엔모스트랜지스터(MN7)와, 게이트에 제2 직류바이어스전압(Vc2)이 인가되고, 소스에 전원전압(VDD)이 인가되며, 드레인이 노드B에 접속된 제3 피모스트랜지스터(MP3)와, 게이트에 제1 직류바이어스전압(Vc1)이 인가되고, 소스에 전원전압(VDD)이 인가되며, 드레인이 상기 노드B에 접속된 제4 피모스트랜지스터(MP4)와, 게이트에 음직류전압(Vdc-)이 인가되고, 드레인이 상기 노드B에 접속된 제3 엔모스트랜지스터(MN6)와, 게이트에 음입력전압(Vin-)이 인가되고, 드레인이 상기 제3 엔모스트랜지스터(MN6)의 소스에 접속되며, 소스가 접지된 제4 엔모스트랜지스터(MN8)와, 상기 노드A,B에서 출력신호(Voutn),(Voutp)가 출력되도록 구성되며, 이와같이 구성한 본 발명의 동작을 설명한다.

먼저, 제1~제4 피모스트랜지스터(MP1~MP4)는 트리오드(Triode) 영역에서 동작하여 가변이득증폭기의 액티브 로드로 동작하게 되고, 제1,제3 엔모스트랜지스터 (MN5),(MN6)는 새츄레이션영역에서 동작하며, 제2,제4 엔모스트랜지스터 (MN7),(MN8)는 트리오드영역에서 동작하여 가변이득증폭기의 게인을 결정한다.

상기 제1~제4 피모스트랜지스터(MP1~MP4)의 게이트에는 트리오드영역에서도 서브문턱(Subthreshold) 영역에서 동작하도록 하기 위해 적당한 제1,제2 직류바이어스전압(Vc1,Vc2)이 인가되고, 상기 제1,제3 엔모스트랜지스터(MN5),(MN6)의 게이트에는 외부에서 직접 걸어주는 직류전압(Vdc)이 인가되는데, 이 직류전압(Vdc)을 가변하여 게인을 변화시킨다.

여기서, 상기 게인이 변화되는 동작을 수식으로 표현하면 아래와 같다.

Av =이고, 이때,이므로

Av이며, 이를 달리 표현하면 아래와 같이,

Av-------식(3)

이때, 도6에 도시된 전류를 구하면,

,이고,

,

그러므로, 전압이득(Av)은 아래의 수식으로 표현된다.

Av =--------식(4)

즉, 전압이득(Av)은 상기 식(3)과 같이 제4 엔모스트랜지스터(MN8)의 gm과 출력저항(R01,R02)으로 결정되는 데, 이 제4 엔모스트랜지스터(MN8)의 gm은 트리오드영역에서 동작하므로 드레인-소스간전압(Vds.MN8)에 비례한다.

상기 드레인-소스간전압(Vds.MN8)은 외부 입력직류전압(Vdc)에서 제3 엔모스트랜지스터(MN6)의 게이트-소스간전압(VGS) 만큼 뺀 전압이 엔모스트랜지스터(MN8)의 드레인-소스간전압(Vds.MN8)으로 걸리게 된다.

따라서,상기 드레인-소스간전압(Vds.MN8)이 증가하면 gm의 증가에 따라 게인이 증가하게 된다.

이때, 파워게인(Av)에 대해 선형적인 가변이득증폭기를 구현하기 위하여 게인을 결정하는 출력의 액티브로드를 도7의 특성도와 같이 서브문턱(Subthreshold)에서 동작하는 제1~제4 피모스트랜지스터(MP1~MP4)로 결정하였는데, 이 제1~제4 피모스트랜지스터(MP1~MP4)의 서브문턱(Subthreshold)에서의 동작은 게이트-소스간전압 (VGS)에 따라 전류는 엑스퍼넨셜(Exponential)한 특성을 가진다.

따라서, 전체 파워게인(Av)은 상기 식(4)와 같이 나타나는데, 이 식(4)에 로그를 취하면 엑스퍼넨셜(Exponential)과 서로 상쇄되어 파워게인(Av)은 입력직류전압 (Vdc)에 따른 선형적인 게인을 얻을 수 있다.

여기서, 도8은 입력되는 직류전압(Vdc)에 따른 출력전압(Vout)이 액티브로드의 엑스퍼넨셜(Exponential) 저항특성에 의한 변화를 나타낸 것이고, 도9는 상기 출력전압(Vout)이 입력전압(Vin)에 대해 로그를 취한 파워게인(Av)으로 나타낸 특성 곡선이다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은 파워게인을 필요로 하는 시스템에서 별도의 제어로직없이 외부 직류제어전압에 대해 파워게인을 선형적인 특성을 갖도록 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims

게이트에 제1 직류바이어스전압이 인가되고, 소스에 전원전압이 인가되며, 드레인이 노드A에 접속된 제1 피모스트랜지스터와, 게이트에 제2 직류바이어스전압이 인가되고, 소스에 전원전압이 인가되며,드레인이 노드A에 접속된 제2 피모스트랜지스터와, 상기 노드A에 드레인이 접속되고, 게이트에 양직류전압이 인가된 제1 엔모스트랜지스터와, 게이트에 양입력전압이 인가되고, 드레인에 상기 제1 엔모스트랜지스터의 소스가 접속되며, 소스가 접지된 제2 엔모스트랜지스터와, 게이트에 제2 직류바이어스전압이 인가되고, 소스에 전원전압이 인가되며, 드레인이 노드B에 접속된 제3 피모스트랜지스터와, 게이트에 제1 직류바이어스전압이 인가되고, 소스에 전원전압이 인가되며, 드레인이 상기 노드B에 접속된 제4 피모스트랜지스터와, 게이트에 음직류전압이 인가되고, 드레인이 상기 노드B에 접속된 제3 엔모스트랜지스터와, 게이트에 음입력전압이 인가되고, 드레인이 상기 제3 엔모스트랜지스터의 소스에 접속되며, 소스가 접지된 제4 엔모스트랜지스터와, 상기 노드A,B에서 출력신호를 출력하도록 구성한 것을 특징으로 하는 가변이득증폭기.
제1 항에 있어서, 제1~제4 피모스트랜지스터는 서브문턱전압 영역에서 동작하는 것을 특징으로 하는 가변이득증폭기.
제1 항에 있어서, 제1,제3 엔모스트랜지스터는 새츄레이션영역에서 동작하는 것을 특징으로 하는 가변이득증폭기.
제1 항에 있어서, 제2,제4 엔모스트랜지스터는 트리오드영역에서 동작하는 것을 특징으로 하는 가변이득증폭기.
제1 항에 있어서, 제1,제2 직류바이어스전압은 파워게인이 선형적인 특성을 가지도록 엑스퍼넨셜하게 비례하는 것을 특징으로 하는 가변이득증폭기.