KR20070102460A

KR20070102460A - Differential transconductance amplifier which has improved linearity by using source degeneration

Info

Publication number: KR20070102460A
Application number: KR1020070097884A
Authority: KR
Inventors: 이상근; 강호석; 박철순
Original assignee: 한국정보통신대학교 산학협력단
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2007-10-18
Also published as: KR20090032921A

Abstract

A differential transconductance amplifier is provided to improve a linearity of a transconductance of the amplifier by applying source degeneration resistors to the amplifier. A differential transconductance amplifier includes first and second load terminals, a main differential amplifier(M2,M2'), a bias current source(M3), a source degeneration resistor and a non-linear resistor(R/2), and first and second MOS transistors(M1,M1'). The main differential amplifier amplifies a difference between first and second input voltages. The bias current source biases the main differential amplifier. The source degeneration resistor and a non-linear resistor are connected between the main differential amplifier and the bias current source. The first MOS transistor is connected between the bias current source and the main differential amplifier and receives the first input signal as a gate input. The second MOS transistor is connected between the bias current source and the main differential amplifier and receives the second input signal as a gate input.

Description

Differential transconductance amplifier which has improved linearity by using source degeneration

본 발명은 소스축퇴를 사용하여, 차동증폭기의 트랜스컨덕턴스를 선형화함으로써 성형성이 향상되는 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기에 관한 것이다. The present invention relates to a differential transconductance amplifier in which formability is improved by linearizing the transconductance of a differential amplifier using source degeneration.

참고문헌[1] - FRANCOIS KRUMMENACHER AND NORBERT JOEHL, "A 4-MHz CMOS Continuous-Time Filter with On-Chip Automatic Tuning", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 23, No. 3, pp. 750 - 758, Jun. 1988Reference [1]-FRANCOIS KRUMMENACHER AND NORBERT JOEHL, "A 4-MHz CMOS Continuous-Time Filter with On-Chip Automatic Tuning", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 23, No. 3, pp. 750-758, Jun. 1988

참고문헌[2] - Artur J. Lewinski and Jose Silva-Martinez,Senior Member, IEEE, "A 30-MHz Fifth-Order Elliptic Low-Pass CMOS Filter With 65-dB Spurious-Free Dynamic Range", IEEE Trans. Circuits Syst. I, Vol. 54, No. 3, Mar 2007Reference [2]-Artur J. Lewinski and Jose Silva-Martinez, Senior Member, IEEE, "A 30-MHz Fifth-Order Elliptic Low-Pass CMOS Filter With 65-dB Spurious-Free Dynamic Range", IEEE Trans. Circuits Syst. I, Vol. 54, No. 3, Mar 2007

트랜스컨덕턴스 증폭기는 주로 트랜스컨덕턴스-커패시터 필터에 사용되어왔다. 트랜스컨덕턴스-커패시터 필터는 전체 필터의 선형성이 트랜스컨덕턴스 증폭기에 좌우되기 때문에, 트랜스컨덕턴스 증폭기의 선형성을 향상시키려는 노력이 현재 까지 진행되어 왔다.Transconductance amplifiers have been used mainly in transconductance-capacitor filters. Since the transconductance-capacitor filter has the linearity of the entire filter depends on the transconductance amplifier, efforts have been made to improve the linearity of the transconductance amplifier.

트랜스컨덕턴스 증폭기의 선형성을 증가시킬 수 있는 가장 손쉬운 방법은 소스축퇴의 사용이다. 차동 증폭기에 두 가지 형태로 소스축퇴를 적용할 수 있는데, 도 1, 2의 트랜스컨덕턴스 증폭기가 그것이다. 특히 도 2의 의사 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기의 축퇴저항은 도 3과 같이 변형된 형태로 구현 될 수 있다. 도 1의 트랜스컨덕턴스 증폭기는 전류원(M3)의 잡음이 두 트랜지스터(M1,M1')에 공통모드로 나뉘어 출력에서 공통모드 잡음으로 나타나기 때문에 차동출력에서는 전류원의 잡음이 제거되는 장점을 가지고 있다. The easiest way to increase the linearity of a transconductance amplifier is through the use of source degeneration. Source degeneration can be applied to two types of differential amplifiers, the transconductance amplifiers of FIGS. In particular, the degenerate resistance of the pseudo differential transconductance amplifier of FIG. 2 may be implemented in a modified form as shown in FIG. 3. The transconductance amplifier of FIG. 1 has the advantage that the noise of the current source is removed in the differential output because the noise of the current source M3 is divided into the common mode of the two transistors M1 and M1 'and appears as the common mode noise at the output.

반면, 도 2, 3의 트랜스컨덕턴스 증폭기는 전류원(M3,M3')의 잡음이 각각 출력에 더해지는 단점이 있다. 또한 도 1의 트랜스컨덕턴스 증폭기는 두 입력트랜지스터(M1,M1')에 가해지는 공통모드 입력에 따른 출력의 변화가 둔감하지만, 도 2, 3의 증폭기는 다소 민감한 특징이 있다. 참고문헌[1]에 제안된 축퇴저항은 하나의 전류원을 사용하는 차동쌍에 적용될 수 없고, 단지 의사 차동 증폭기에 적용될 수 있는 소스축퇴기술이다.On the other hand, the transconductance amplifier of Figures 2 and 3 has the disadvantage that the noise of the current source (M3, M3 ') is added to the output, respectively. In addition, although the transconductance amplifier of FIG. 1 is insensitive to a change in output according to a common mode input applied to two input transistors M1 and M1 ', the amplifiers of FIGS. 2 and 3 are somewhat sensitive. The degeneracy resistor proposed in Ref. [1] is a source degeneracy technique that cannot be applied to a differential pair using a single current source, but only to a pseudo differential amplifier.

도 1의 트랜스컨덕턴스 증폭기는 소스축퇴 저항(R/2)에 전압강하가 있기 때문에, 저전압 설계에 적절하지 않은 구조이다. 또한 도 1 혹은 2의 트랜스컨덕턴스 증폭기는 도 9에서 나타나는 것과 같이 트랜스컨덕턴스가 입력전압에 따라 완만한 특징을 갖지만, 평평한 구간이 없는 것이 한계라고 할 수 있다. 도 3의 트랜스컨덕턴스 증폭기는 트랜스컨덕턴스의 변동범위가 다소 크다는 단점이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여, 도 1의 소스축퇴 트랜스컨덕턴스 증폭기에 비선형저항을 첨가하여 트랜스컨덕턴스의 선형성을 증가시킨 구조가(도 4) 참고문헌 [2]에 제안되기도 했다.The transconductance amplifier of FIG. 1 has a voltage drop in the source degeneracy resistor R / 2, which is not suitable for low voltage designs. In addition, although the transconductance amplifier of FIG. 1 or 2 has a characteristic that the transconductance is gentle according to the input voltage as shown in FIG. 9, it can be said that there is no flat section. The transconductance amplifier of FIG. 3 has a disadvantage in that the variation range of the transconductance is rather large. In order to overcome this problem, a structure in which the linearity of the transconductance is increased by adding a nonlinear resistance to the source degenerate transconductance amplifier of FIG. 1 has been proposed in Ref. [2].

상기한 바와 같이 동작하는 종래 기술에 의한 도 4의 구조에 있어서는, 여기에 사용된 비선형소자에 그 양이 적지만, 전류소모가 있고, 그 전류가 전류원으로 흘러들어가 자칫 출력의 공통모드 전압을 흐트러트릴 위험이 있다. 또한 비선형소자에 흐르는 전류가 전류원의 잡음을 증가시키는 단점이 있었다.In the structure of Fig. 4 according to the prior art which operates as described above, although the amount is small in the nonlinear element used here, there is a current consumption, and the current flows into the current source to disturb the common mode voltage of the output. There is a risk of tripping. In addition, the current flowing through the nonlinear element has the disadvantage of increasing the noise of the current source.

이에 본 발명은 소스축퇴를 사용하여, 차동증폭기의 트랜스컨덕턴스를 선형화함으로써 성형성이 향상되는 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기에 관한 것이다. Accordingly, the present invention relates to a differential transconductance amplifier in which formability is improved by linearizing the transconductance of a differential amplifier using source degeneration.

본 발명은 소스축퇴 차동쌍의 장점을 살리면서 트랜스컨덕턴스가 평평한 구간을 만들어 선형성을 개선시킨 트랜스컨덕턴스 증폭기를 제공하는 것에 있다. The present invention provides a transconductance amplifier that improves linearity by making the transconductance flat while taking advantage of the source degenerate differential pair.

본 발명의 일 실시예 증폭기는, 소정의 저항값을 갖는 제1 부하단 및 제2 부하단, 제1 입력전압과 제2 입력전압을 차동 증폭하여 출력하는 메인 차동 증폭부; 상기 메인 차동 증폭부를 바이어싱하는 바이어스 전류원; 상기 메인 차동 증폭부 와 바이어스 전류원사이에 접속되는 소스축퇴저항 및 비선형저항; 상기 바이어스 전류원과 상기 메인 차동 증폭부 사이에 접속되며, 제 1 입력신호를 게이트 입력으로 하는 제 1 MOS트랜지스터; 및 상기 바이어스 전류원과 상기 메인 차동 증폭부 사이에 접속되며, 제 2 입력신호를 게이트 입력으로 하는 제 2 MOS트랜지스터를 포함한다.In one embodiment of the present invention, an amplifier includes: a first load stage and a second load stage having a predetermined resistance value, and a main differential amplifier unit for differentially amplifying and outputting a first input voltage and a second input voltage; A bias current source for biasing the main differential amplifier; A source degeneracy resistor and a nonlinear resistor connected between the main differential amplifier and a bias current source; A first MOS transistor connected between the bias current source and the main differential amplifier and having a first input signal as a gate input; And a second MOS transistor connected between the bias current source and the main differential amplifier and having a second input signal as a gate input.

본 발명에 있어서, 개시되는 발명 중 대표적인 것에 의하여 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.In the present invention, the effects obtained by the representative ones of the disclosed inventions will be briefly described as follows.

본 발명에서는 의사 차동 증폭기의 선형성을 개선시키기 위하여 제안된 소스 축퇴저항을 기본적인 소스축퇴 차동증폭기에 변형하여 적용시켜 입력신호 크기에 따라 동적으로 축퇴율이 변하여 평평한 트랜스컨덕턴스를 얻는 방법을 제안하였다. 전류원이 하나인 기본적인 소스축퇴 차동증폭기를 사용함으로 공통모드 입력신호에 출력신호가 둔감한 특징과 전류원(M4)의 잡음이 제거 되는 것 등 기본적인 소스축퇴 차동증폭기의 장점을 그대로 살렸다. 또한, 의사 차동증폭기에만 적용될 수 있었던 소스축퇴 저항(M2,M2')을 그 기능을 변화시켜 기본적인 소스축퇴 차동증폭기에 적용하여 평평한 트랜스컨덕턴스를 얻을 수 있도록 하였다. 제안된 발명은 참고문헌[1]의 기술의 약점을 보완하는 새로운 구조의 소스축퇴 트랜스컨덕턴스 차동 증폭기라고 할 수 있다. 또한 제안된 트랜스컨덕턴스 증폭기를 이미 발표된 기술[2]과 비교하여 볼 때, 전류소모가 없다는 점과 전류원에 잡음을 더하지 않는다는 점을 장점으로 볼 수 있다.In order to improve the linearity of the pseudo-differential amplifier, the proposed method is to apply a proposed source degeneracy resistor to a basic source degenerate differential amplifier and to obtain a flat transconductance by dynamically changing the degeneracy rate according to the input signal size. By using a basic source degenerate differential amplifier with one current source, the advantages of the basic source degenerate differential amplifier are maintained, such as the output signal insensitive to the common mode input signal and the noise of the current source M4 is removed. In addition, the source degenerate resistors (M2, M2 '), which could only be applied to pseudo differential amplifiers, were changed to apply a basic source degenerate differential amplifier to obtain a flat transconductance. The proposed invention can be said to be a novel source-degenerate transconductance differential amplifier that compensates for the weaknesses of the technique in Ref. [1]. In addition, the proposed transconductance amplifier is compared with the already published technique [2], which has the advantage of no current consumption and no noise added to the current source.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러 므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. Hereinafter, the operating principle of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, when it is determined that a detailed description of a known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. Terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, and may be changed according to intentions or customs of users or operators. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the specification.

본 발명은 소스축퇴 차동쌍의 장점을 살리면서 트랜스컨덕턴스가 평평한 구간을 만들어 선형성을 개선시킨 트랜스컨덕턴스 증폭기를 제공하는 것이다.The present invention provides a transconductance amplifier that improves linearity by making the transconductance flat while taking advantage of the source degenerate differential pair.

참고문헌[2]에 발표된 내용에 따르면, 축퇴율(Nr)에 따라 트랜스컨덕턴스 곡선 값이 다르게 나타난다. According to the information published in Ref. [2], the transconductance curve values vary according to the degeneracy rate (Nr).

축퇴율(Nr)은 하기 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.The degeneracy rate (Nr) can be expressed as Equation 1 below.

그 축퇴율(Nr)을 입력신호의 크기에 따라 동적으로 변화시키면, 다시 말해 축퇴저항 값을 변화시키면, 트랜스컨덕턴스 곡선이 입력신호의 크기에 따라 변화하여 평평한 트랜스컨덕턴스 곡선을 얻을 수 있다. 참고문헌[2]에서 사용한 방법은 도 4에 나타난 것과 같이 하나의 PMOS 전류원과 두 개의 PMOS 소자를 사용하여, 비선형소자를 만들어 두 입력트랜지스터의 소스 사이에 삽입하였다 If the degeneracy rate Nr is changed dynamically according to the magnitude of the input signal, that is, if the degeneracy resistance value is changed, the transconductance curve changes according to the magnitude of the input signal to obtain a flat transconductance curve. The method used in Ref. [2] uses a single PMOS current source and two PMOS devices, as shown in Fig. 4, to make a nonlinear device and to insert it between the sources of two input transistors.

참고문헌[1]에 제안된 트랜스컨덕턴스 증폭기(도 3)의 소스축퇴저항 M2', M2의 동작영역은 차동입력전압의 크기에 따라 변하게 된다. 차동 입력전압이 크지 않을 경우 M2'과 M2는 선형구간에서 동작하고, 차동입력전압이 일정 크기보다 커지면, 포화영역에서 동작한다.The operating regions of the source degenerate resistors M2 'and M2 of the transconductance amplifier (Fig. 3) proposed in Ref. [1] are changed depending on the magnitude of the differential input voltage. If the differential input voltage is not large, M2 'and M2 operate in a linear section, and if the differential input voltage is larger than a certain size, it operates in a saturation region.

제안된 트랜스컨덕턴스 증폭기는 다음과 같이 구성된다. 우선 하나의 전류원(M4)으로 구성된 차동쌍을 기본 구조로 한다. 이 차동 증폭기에 소스축퇴 저 항(R/2)을 사용하였고, 두 개의 트랜지스터(M2,M2')로 구성된 비선형 저항을 증폭기의 입력단(M1,M1') 소스사이에 첨가하였다. 이때 사용된 비선형저항 트랜지스터(M2,M2')는 참고문헌[1]에서 소개된 소스축퇴저항과는 동작영역이 다르다. 본 발명에서 제안된 증폭기에 사용된 비선형저항 트랜지스터는 차동입력이 가해지지 않은 상태에서는 전체 증폭기의 소스축퇴율을 변화시키지 않는다. 즉 차동입력전압이 없는 상태에서의 비선형 저항값이 무한대에 가깝도록 설계하였다. 차동입력전압이 가해지면, 비선형저항은 선형영역이 아닌 서브쓰레숄드(Subthreshold)영역에서 동작한다. 이렇게 비선형저항이 서브쓰레숄드 영역에서 동작하도록 하려면, 입력단에 사용된 트랜지스터 M1,M1'보다 높은 임계전압(threshold)을 갖도록 설계하여야 한다. 이는 2V 항복전압(breakdown voltage)트랜지스터보다 임계전압이 높은 3V 항복전압(breakdown voltage)트랜지스터를 사용하여 설계 할 수 있다.The proposed transconductance amplifier is constructed as follows. First, the basic structure is a differential pair composed of one current source M4. A source degenerate resistance (R / 2) was used for this differential amplifier, and a nonlinear resistor consisting of two transistors (M2, M2 ') was added between the amplifier input terminals (M1, M1'). The nonlinear resistance transistors M2 and M2 'used at this time have a different operating range from the source degeneracy resistor introduced in Ref. [1]. The nonlinear resistance transistor used in the amplifier proposed in the present invention does not change the source degeneracy rate of the entire amplifier without a differential input. In other words, it is designed so that nonlinear resistance value is close to infinity without differential input voltage. When a differential input voltage is applied, the nonlinear resistor operates in the subthreshold region rather than the linear region. In order for the nonlinear resistor to operate in the subthreshold region, it must be designed to have a threshold higher than the transistors M1 and M1 'used at the input terminal. This can be designed using a 3V breakdown voltage transistor that has a higher threshold voltage than a 2V breakdown voltage transistor.

제안된 증폭기는 이미 소스축퇴저항(R/2)에 의하여 기본적인 소스축퇴율이 제공되고 있는 상태에서, 비선형저항(M2,M2')이 입력 전압에 따라 소스축퇴율의 작은 변화를 만들어 내는 것이다. 비선형저항은 대략 330mVpp까지 서브쓰레숄드영역으로 동작하고 그보다 더 큰 입력전압에서는 포화영역으로 동작하게 된다. 제안된 증폭기는 대략 330mVpp까지 평평한 트랜스컨덕턴스를 제공할 수 있도록 설계 되었다. The proposed amplifier produces a small change in the source degeneracy rate according to the input voltage while the basic source degeneration rate is already provided by the source degeneracy resistance (R / 2). Nonlinear resistors operate in the subthreshold region up to approximately 330mVpp and in the saturation region at larger input voltages. The proposed amplifier is designed to provide flat transconductance up to approximately 330mVpp.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 소스축퇴 차동쌍의 장점을 살리면서 트랜스컨덕턴스가 평평한 구간을 만들어 선형성을 개선시킨 트랜스컨덕턴스 증폭기를 제공한다.As described above, the present invention provides a transconductance amplifier that improves linearity by making the transconductance flat while taking advantage of the source degenerate differential pair.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. Meanwhile, in the detailed description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined not only by the scope of the following claims, but also by those equivalent to the scope of the claims.

도 1은 두 개의 소스축퇴 저항(R/2)을 사용한 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기 도면으로서, 의사 차동 증폭기와는 달리 하나의 전류원(M3)을 사용한 도면,1 is a diagram of a differential transconductance amplifier using two source degeneracy resistors (R / 2), unlike a pseudo differential amplifier, using one current source (M3),

도 2는 소스축퇴 저항(R)을 사용한 의사 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기의 도면,2 is a diagram of a pseudo differential transconductance amplifier using a source degeneracy resistor (R),

도 3은 도 2의 소스축퇴 저항(R)을 두 개의 NMOS 트랜지스터(M2,M2')로 구현한 의사 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기의 도면,3 is a diagram of a pseudo differential transconductance amplifier in which the source degeneracy resistor R of FIG. 2 is implemented by two NMOS transistors M2 and M2 ';

도 4는 도면 1의 증폭기에 두 개의 PMOS 트랜지스터(M4,M4')와 하나의 전류원(M5)으로 구성된 비선형저항을 삽입한 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기의 도면,4 is a diagram of a differential transconductance amplifier in which a nonlinear resistor composed of two PMOS transistors M4 and M4 'and one current source M5 is inserted into the amplifier of FIG.

도 5는 본 발명의 선형화된 차동쌍의 트랜스컨덕턴스 증폭기를 나타내고 있다. 차동쌍에 소스축퇴 저항(R/2)을 사용하였고, 입력단 트랜지스터(M1,M1') 소스사이에 두 개의 NMOS 트랜지스터(M2,M2')를 병렬로 삽입하여, 비선형저항의 역할을 하도록 한 구조를 도시한 도면,5 illustrates a linearized differential pair transconductance amplifier of the present invention. A source degenerate resistor (R / 2) was used for the differential pair, and two NMOS transistors (M2, M2 ') were inserted in parallel between the input transistor (M1, M1') sources to act as a nonlinear resistor. Drawing,

도 6은 제안된 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기와 도면1의 소스축퇴 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기의 선형성 차이를 고조파왜율(Total harmonic distortion) 시뮬레이션으로 비교한 결과이다. 입력신호의 주파수를 고정하고, 그 신호의 크기는 증가시키면서 시뮬레이션 한 결과를 도시한 도면,6 is a result of comparing the linearity difference between the proposed differential transconductance amplifier and the source degenerate differential transconductance amplifier of FIG. 1 by a total harmonic distortion simulation. A diagram showing a simulation result while fixing the frequency of the input signal and increasing the magnitude of the signal;

도 7은 제안된 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기와 도면1의 소스축퇴 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기의 선형성 차이를 고조파왜율(Total harmonic distortion) 시뮬레이션으로 비교한 결과이다. 이때, 입력신호는 0.6Vpp 이고, 그 신호의 주파수를 증 가시켜 시뮬레이션 한 결과를 도시한 도면,7 is a result of comparing the difference in linearity between the proposed differential transconductance amplifier and the source degenerate differential transconductance amplifier of FIG. 1 by a total harmonic distortion simulation. At this time, the input signal is 0.6Vpp, and shows the result of the simulation by increasing the frequency of the signal,

도 8은 제안된 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기의 입력전압에 따른 트랜스컨덕턴스 변화량을 도시한 그래프,8 is a graph showing the amount of change in transconductance according to the input voltage of the proposed differential transconductance amplifier,

도 9는 도 1의 소스축퇴 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기의 입력전압에 따른 트랜스컨덕턴스 변화량을 도시한 그래프.9 is a graph showing the amount of transconductance change according to the input voltage of the source degenerate differential transconductance amplifier of FIG.

Claims

A first load stage and a second load stage having a predetermined resistance value,

A main differential amplifier for differentially amplifying and outputting the first input voltage and the second input voltage;

A bias current source for biasing the main differential amplifier;

A source degeneracy resistor and a nonlinear resistor connected between the main differential amplifier and a bias current source;

A first MOS transistor connected between the bias current source and the main differential amplifier and having a first input signal as a gate input; And

And a second MOS transistor connected between the bias current source and the main differential amplifier and having a second input signal as a gate input.