KR20090032921A - Highly linear transconductance amplifier - Google Patents

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이상근
강호석
박철순
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Abstract

A highly linear transconductance amplifier using source degeneration is provided to improve linearity by obtaining transconductance from a source degeneration differential amplifier. Loaders(514, 516) are composed of a first load terminal and a second load terminal having predetermined resistance. Main differential amplifiers(510,512) are connected between the loader and the voltage-dependent resistor, and the first input voltage and the second input voltage differentially are amplified and outputted. A bias current source(500) biases the main differential amplifier, and the source degeneration resistor and non- linear-resistors(506,508) are connected between the main differential amplifier and the bias current source.

Description

고 선형성 트랜스컨덕턴스 증폭기{HIGHLY LINEAR TRANSCONDUCTANCE AMPLIFIER}High Linearity Transconductance Amplifiers {HIGHLY LINEAR TRANSCONDUCTANCE AMPLIFIER}

본 발명은 트랜스컨덕턴스 증폭기(Transconductance Amplifier)에 관한 것으로서, 특히 소스축퇴(source degeneration)를 사용하여 차동증폭기의 트랜스컨덕턴스를 선형화함으로써 선형성을 향상시키는데 적합한 고 선형성 트랜스컨덕턴스 증폭기에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to transconductance amplifiers and, more particularly, to high linearity transconductance amplifiers suitable for improving linearity by linearizing the transconductance of differential amplifiers 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 증폭기 에 의해 좌우되기 때문에, 트랜스컨덕턴스 증폭기의 선형성을 향상시키려는 노력이 현재까지 진행되어 왔다.Transconductance amplifiers have been used mainly in transconductance-capacitor filters. As the transconductance-capacitor filter has a 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 사용하는 것으로서, 하기 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.The easiest way to increase the linearity of the transconductance amplifier is to use source degeneration, which will be described in detail with reference to the following drawings.

도 1은 두 개의 소스축퇴 저항(R/2)(100, 102)을 사용한 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기를 도시한 도면이며, 도 2는 소스축퇴 저항(R)(200)을 사용한 의사 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기를 도시한 도면이다.FIG. 1 shows a differential transconductance amplifier using two source degeneracy resistors (R / 2) 100, 102. FIG. 2 shows a pseudo differential transconductance amplifier using source degeneracy resistors (R) 200. Figure is shown.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 차동 증폭기에 두 가지 형태로 소스축퇴를 적용할 수 있으며, 특히 도 2의 의사 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기의 축퇴저항은 도 3과 같이 변형된 형태로 구현 될 수 있다. 즉, 참고문헌[1]에 제안된 도 3은 도 2의 소스축퇴 저항(R)(200)을 두 개의 NMOS 트랜지스터(M2,M2')(302, 304)로 구현한 것이다. As shown in FIGS. 1 and 2, the source degeneracy may be applied to the differential amplifier in two forms. 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. . That is, FIG. 3 proposed in Ref. [1] implements the source degeneracy resistor R 200 of FIG. 2 with two NMOS transistors M2 and M2 ′ 302 and 304.

도 1의 트랜스컨덕턴스 증폭기는 의사 차동 증폭기와는 달리 하나의 전류원(M3)(108)을 사용하여 구현한 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기로서, 전류원(M3)(108)의 잡음이 두 트랜지스터(M1,M1')(104, 106)에 공통모드로 나뉘어 출력에서 공통모드 잡음으로 나타나기 때문에 차동출력에서는 전류원의 잡음이 제거되는 장점을 가지고 있다. Unlike the pseudo differential amplifier, the transconductance amplifier of FIG. 1 is a differential transconductance amplifier implemented using one current source (M3) 108, and the noise of the current source (M3) 108 has two transistors (M1, M1 '). ), It is divided into the common mode and the common mode noise at the output shows that the noise of the current source is eliminated in the differential output.

반면, 도 2와 도 3의 트랜스컨덕턴스 증폭기는 도 2의 전류원(M3,M3')(202, 204)과 도 3의 전류원(M4,M4')(306, 38)의 잡음이 각각 출력에 더해지는 단점이 있다. 또한 도 1의 트랜스컨덕턴스 증폭기는 두 입력트랜지스터(M1,M1')(104, 106)에 가해지는 공통모드 입력에 따른 출력의 변화가 둔감하지만, 도 2, 3의 증폭기는 다소 민감한 특징이 있다. 아울러 참고문헌[1]에 제안된 축퇴저항은 하나의 전류원을 사용하는 차동 쌍에는 적용될 수 없고, 단지 의사 차동 증폭기에 적용될 수 있는 소스축퇴기술이다.On the other hand, in the transconductance amplifiers of FIGS. 2 and 3, the noises of the current sources M3 and M3 ′ 202 and 204 of FIG. 2 and the current sources M4 and M4 ′ 306 and 38 of FIG. 3 are respectively added to the output. There are disadvantages. 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 '(104 and 106), the amplifiers of FIGS. In addition, the degeneracy resistor proposed in Ref. [1] is a source degeneracy technique that can not be applied to a differential pair using one current source, but only to a pseudo differential amplifier.

도 1의 트랜스컨덕턴스 증폭기는 소스축퇴 저항(R/2)(100, 102)에 전압강하가 있기 때문에, 저전압 설계에 적절하지 않은 구조이다. 그리고 도 1 혹은 도 2의 트랜스컨덕턴스 증폭기는 도 9에 도시한 그래프에 나타난 바와 같이 트랜스컨덕턴스가 트랜스컨덕턴스 증폭기의 입력전압에 따라 완만한 특징을 갖지만, 평평한 구간이 없는 것이 한계라 할 수 있다. The transconductance amplifier of FIG. 1 has a voltage drop in the source degeneracy resistors R / 2 100 and 102, which is not suitable for low voltage designs. The transconductance amplifier of FIG. 1 or FIG. 2 has a characteristic that the transconductance is gentle according to the input voltage of the transconductance amplifier, as shown in the graph of FIG. 9, but it can be said that there is no flat section.

또한, 도 3의 트랜스컨덕턴스 증폭기는 트랜스컨덕턴스의 변동범위가 다소 크다는 단점이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여, 도 1의 소스축퇴 트랜스컨덕턴스 증폭기에 비선형저항을 첨가하여 트랜스컨덕턴스의 선형성을 증가시킨 도 4의 트랜스컨덕턴스 증폭기 구조가 참고문헌 [2]에 제안되기도 했다. 여기서, 도 4에 도시된 트랜스컨덕턴스 증폭기는 도 1의 증폭기에 두 개의 PMOS 트랜지스터(M4,M4')(402, 404)와 하나의 전류원(M5)(400)으로 구성된 비선형저항을 삽입한 증폭기이다.In addition, 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, the transconductance amplifier structure of FIG. 4 in which a nonlinear resistance is added to the source degenerate transconductance amplifier of FIG. 1 to increase the linearity of the transconductance has been proposed in Ref. [2]. Here, the transconductance amplifier shown in FIG. 4 is an amplifier in which a nonlinear resistor composed of two PMOS transistors (M4, M4 ') 402, 404 and one current source M5 (400) is inserted into the amplifier of FIG. .

상기한 바와 같이 동작하는 종래 기술에 의한 도 4의 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기 구조에 있어서는, 사용된 비선형소자에 그 양이 적지만, 전류소모가 있고, 그 전류가 전류원으로 흘러들어가 자칫 출력의 공통모드 전압을 흐트러트릴 수 있는 위험이 있었다. 또한 비선형소자에 흐르는 전류가 전류원의 잡음을 증가시키게 되는 문제점이 있었다.In the differential transconductance amplifier structure of Fig. 4 according to the prior art operating as described above, although the amount of the nonlinear element used is small, the current is consumed, and the current flows into the current source, resulting in a common mode voltage of the output. There was a danger of distracting. In addition, there is a problem that the current flowing through the nonlinear element increases the noise of the current source.

이에 본 발명은, 소스축퇴를 사용하여, 차동증폭기의 트랜스컨덕턴스를 선형화함으로써 선형성을 향상시킬 수 있는 고 선형성 트랜스컨덕턴스 증폭기를 제공한다.Accordingly, the present invention provides a high linearity transconductance amplifier that can improve linearity by linearizing the transconductance of a differential amplifier using source degeneration.

또한 본 발명은, 소스 축퇴저항을 기본적인 소스축퇴 차동증폭기에 변형하여 적용시킴으로써, 소스축퇴 차동쌍의 장점을 살리면서 입력신호 크기에 따라 동적으로 축퇴율이 변하여 평평한 트랜스컨덕턴스를 얻을 수 있는 고 선형성 트랜스컨덕턴스 증폭기를 제공한다.In addition, the present invention, by applying the source degenerate resistance to the basic source degenerate differential amplifier, a high linearity transformer that can obtain a flat transconductance by dynamically changing the degeneracy rate according to the input signal size while taking advantage of the source degenerate differential pair Provide a conductance amplifier.

또한 본 발명은, 하나의 전류원으로 구성된 차동쌍을 기본 트랜스컨덕턴스 증폭기 구조로 하여 두개의 소스축퇴 저항을 사용하며, 두 개의 트랜지스터로 구성된 비선형 저항을 증폭기의 입력단 소스사이에 첨가하여 구현할 수 있는 고 선형성 트랜스컨덕턴스 증폭기를 제공한다.In addition, the present invention uses a two pairs of degenerate resistors with a differential pair consisting of one current source as a basic transconductance amplifier structure, and high linearity that can be realized by adding a non-linear resistor composed of two transistors between the input terminals of the amplifier. Provides a transconductance amplifier.

본 발명의 일 실시예 증폭기는, 하나의 전류원으로 구성된 차동 트랜스컨덕 턴스 증폭기에 상기 전류원과 연결되는 두개의 소스축퇴 저항과, 상기 증폭기의 입력단 소스 사이에 연결되는 두 개의 트랜지스터로 구성된 비선형 저항을 포함한다.An embodiment of the present invention includes a differential transconductance amplifier composed of one current source, two source degeneracy resistors connected to the current source, and a nonlinear resistor composed of two transistors connected between the input source of the amplifier. do.

본 발명의 다른 실시예 증폭기는, 기설정된 저항값을 갖는 제1 부하단 및 제2 부하단으로 구성된 부하부와, 상기 부하부와, 비선형 저항 사이에 접속되고, 제1 입력전압과 제2 입력전압을 차동 증폭하여 출력하는 메인 차동 증폭부와, 상기 메인 차동 증폭부를 바이어싱하는 바이어스 전류원과, 상기 메인 차동 증폭부와 상기 바이어스 전류원 사이에 접속되는 소스축퇴 저항 및 비선형 저항을 포함한다.Another embodiment of the present invention, an amplifier is connected between a load portion composed of a first load stage and a second load stage having a predetermined resistance value, the load portion and a nonlinear resistor, and a first input voltage and a second input. And a main differential amplifier for differentially amplifying and outputting a voltage, a bias current source biasing the main differential amplifier, and a source degeneracy resistor and a nonlinear resistor connected between the main differential amplifier and the bias current source.

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 발명은, 기본적인 소스축퇴 차동증폭기에 적용하여 평평한 트랜스컨덕턴스를 얻을 수 있도록 선형화된 소스축퇴 트랜스컨덕턴스 차동 증폭기를 구현함으로써, 선형성을 개선시킬 수 있으며, 기존 트랜스컨덕턴스 증폭기들에 비해 소모되는 전류가 없으며, 전류원에 잡음을 더하지 않는다는 효과가 있다.The present invention can improve linearity by implementing a linearized source degenerate transconductance differential amplifier to obtain a flat transconductance by applying a basic source degenerate differential amplifier, and there is no current consumption compared to conventional transconductance amplifiers. This has the effect of not adding noise 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.

즉, 하나의 전류원으로 구성된 차동쌍을 기본 트랜스컨덕턴스 증폭기 구조로 하여 두개의 소스축퇴 저항을 사용하며, 두 개의 트랜지스터로 구성된 비선형 저항을 증폭기의 입력단 소스사이에 첨가하여 구현하는 것이다. 이를 통해, 트랜스컨덕턴스를 선형화할 수 있으며, 성형성이 향상되는 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기를 구현하는 것이 가능하다.That is, two source degeneracy resistors are used as a basic transconductance amplifier structure using a differential pair composed of one current source, and a nonlinear resistor composed of two transistors is added between the input terminal sources of the amplifier. This makes it possible to linearize the transconductance and to implement a differential transconductance amplifier with improved formability.

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.

Figure 112008022530228-PAT00001
Figure 112008022530228-PAT00001

여기서, Gm은 소스축퇴저항이 첨가되기 전 차동증폭기(입력트랜지스터)의 트랜스컨덕턴스 값이며, R은 소스축퇴저항의 값이다.   Here, Gm is the transconductance value of the differential amplifier (input transistor) before the source degeneration resistor is added, and R is the value of the source degeneration resistor.

이러한 축퇴율(Nr)을 입력신호의 크기에 따라 동적으로 변화시키면, 다시 말해 축퇴저항 값(R)을 변화시키면, 트랜스컨덕턴스 곡선이 입력신호의 크기에 따라 변화하여 평평한 트랜스컨덕턴스 곡선을 얻을 수 있다. If the degeneracy rate Nr is changed dynamically according to the magnitude of the input signal, that is, if the degeneracy resistance value R is changed, the transconductance curve changes according to the magnitude of the input signal, thereby obtaining a flat transconductance curve. .

즉, 소스축퇴가 적용되면 그 차동 증폭기의 트랜스컨덕턴스 값(Gsd)은 하기 <수학식 2>를 통해 변화된 값이 산출되고, 그 값은 소스축퇴율(Nr)에 의하여 결정되는 것이다.That is, when the source degeneracy is applied, the transconductance value Gsd of the differential amplifier is calculated by Equation 2 below, and the value is determined by the source degeneracy rate Nr.

Figure 112008022530228-PAT00002
Figure 112008022530228-PAT00002

한편, 참고문헌[2]에서 사용한 방법은 도 4에 도시한 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기와 같이, 하나의 PMOS 전류원(400)과 두 개의 PMOS 소자(402, 404)를 사용하여, 비선형소자를 만들어 두 입력트랜지스터의 소스 사이에 삽입하는 것이다.On the other hand, the method used in Ref. [2] uses a single PMOS current source 400 and two PMOS devices 402 and 404, like the differential transconductance amplifier shown in FIG. It is inserted between the source of the transistor.

참고문헌[1]에 제안된 트랜스컨덕턴스 증폭기(도 3)의 소스축퇴저항 M2, M2'(304, 306)의 동작영역은 차동입력전압의 크기에 따라 변하게 된다. 차동 입력전압이 크지 않을 경우 M2'(304)과 M2(306)는 선형구간에서 동작하고, 차동입력전압이 일정 크기보다 커지면, 포화영역에서 동작한다.The operating regions of the source degenerate resistors M2 and M2 '(304, 306) of the transconductance amplifier (Fig. 3) proposed in Ref. [1] are changed according to the magnitude of the differential input voltage. When the differential input voltage is not large, M2'304 and M2 306 operate in a linear section, and when the differential input voltage is larger than a predetermined size, it operates in a saturation region.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선형화된 차동쌍의 트랜스컨덕턴스 증폭기 구조를 도시한 도면이다.5 illustrates a structure of a transconductance amplifier of a linearized differential pair according to a preferred embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 선형화된 트랜스컨덕턴스 증폭기는 부하부와, 메인차동 증폭부, 바이어스 전류원과, 소스축퇴 저항 및 비선형 저항을 포함한다.Referring to FIG. 5, the linearized transconductance amplifier includes a load portion, a main differential amplifier, a bias current source, a source degeneracy resistor, and a nonlinear resistor.

부하부(M3, M3')(514, 516)는 기설정된 저항값을 갖는 제1 부하단 및 제2 부하단으로 구성되며, 메인 차동 증폭부는 부하부(M3, M3')(514, 516)와 비선형저항 사이에 접속되어, 제1 입력전압과 제2 입력전압을 차동 증폭하여 출력하는 것으로서, M1, M1'(510, 512)를 포함한다. 또한, 바이어스 전류원(M4)(500)은 하나로 구 성되어 메인 차동 증폭부(M1, M1')(510, 512)를 바이어싱 한다.The load units M3 and M3 '514 and 516 are composed of a first load stage and a second load stage having a predetermined resistance value, and the main differential amplifier unit load units M3 and M3' 514 and 516. And M1 and M1 '(510 and 512), which are connected between and a nonlinear resistor and differentially amplify and output the first input voltage and the second input voltage. In addition, the bias current sources M4 500 are configured as one to bias the main differential amplifiers M1 and M1 ′ 510 and 512.

소스축퇴저항 및 비선형 저항은 메인 차동 증폭부(M1, M1')(510, 512)와 바이어스 전류원(M4)(500) 사이에 접속되도록 구성되는 것으로서, 특히 소스축퇴저항은 비선형 저항과 바이어스 전류원(M4)(500) 사이에 접속되며, 두개의 저항(R/2)(502, 504)을 사용하고, 비선형 저항은 트랜지스터(M2,M2')(506, 508)를 포함한다. 여기서, 트랜지스터(M2,M2')(506, 508)는 각각 제1, 제2 입력 신호를 게이트 입력하는 MOS트랜지스터이다.The source degeneracy resistor and the nonlinear resistor are configured to be connected between the main differential amplifiers M1 and M1 ′ 510 and 512 and the bias current source M4 500. In particular, the source degenerate resistor is a non-linear resistor and a bias current source ( Connected between M4 and 500, two resistors (R / 2) 502 and 504 are used, and the nonlinear resistor includes transistors M2 and M2 '506 and 508. Here, the transistors M2 and M2 '506 and 508 are MOS transistors which gate-in first and second input signals, respectively.

즉, 선형화된 트랜스컨덕턴스 증폭기는 하나의 전류원(M4)(500)으로 구성된 차동쌍을 기본 구조로 한다. 이 차동 증폭기에 소스축퇴 저항(R/2)(502, 504)을 사용하고, 두 개의 트랜지스터(M2,M2')(506, 508)로 구성된 비선형 저항을 증폭기의 입력단(M1,M1')(510, 512) 소스사이에 첨가한다. 이때 사용된 비선형저항 트랜지스터(M2,M2')(506, 508)는 참고문헌[1]에서 소개된 소스축퇴저항과는 동작영역이 다르다. That is, the linearized transconductance amplifier has a basic structure of a differential pair composed of one current source M4 500. Source degeneration resistors (R / 2) 502 and 504 are used for this differential amplifier, and a nonlinear resistor consisting of two transistors (M2, M2 ') 506 and 508 is connected to the input terminals M1 and M1' of the amplifier ( 510, 512) added between the sources. The nonlinear resistance transistors M2 and M2 '506 and 508 used at this time have a different operating range from the source degeneration resistor introduced in Ref. [1].

본 발명의 선형화된 트랜스컨덕턴스 증폭기에 사용된 비선형저항 트랜지스터(M2,M2')(506, 508)는 차동입력이 가해지지 않은 상태에서는 전체 증폭기의 소스축퇴율을 변화시키지 않는다. 즉, 차동입력전압이 없는 상태에서의 비선형 저항값이 무한대에 가깝도록 설계할 수 있다. 차동입력전압이 가해지면, 비선형저항은 선형영역이 아닌 서브쓰레숄드(Subthreshold)영역에서 동작한다. 이렇게 비선형저항이 서브쓰레숄드 영역에서 동작하도록 하려면, 입력단에 사용된 트랜지스터 M1,M1'(510, 512)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 nonlinear resistance transistors (M2, M2 ') 506, 508 used in the linearized transconductance amplifier of the present invention do not change the source degeneracy rate of the entire amplifier without a differential input. That is, it can be designed so that the nonlinear resistance value in the absence of the differential input voltage is close to infinity. 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, the nonlinear resistor must be designed to have a threshold higher than the transistors M1, M1 '(510, 512) used in 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.

선형화된 트랜스컨덕턴스 증폭기는 이미 소스축퇴저항(R/2)(502, 504)에 의하여 기본적인 소스축퇴율이 제공되고 있는 상태에서, 비선형저항(M2,M2')(506, 508)이 입력 전압에 따라 소스축퇴율의 작은 변화를 만들어 내는 것이다. 비선형저항은 대략 330mVpp까지 서브쓰레숄드영역으로 동작하고 그보다 더 큰 입력전압에서는 포화영역으로 동작하게 된다. 즉, 제안된 증폭기는 대략 330mVpp까지 평평한 트랜스컨덕턴스를 제공할 수 있도록 설계 되었다.In the linearized transconductance amplifier, the nonlinear resistors (M2, M2 ') 506, 508 are applied to the input voltage while the basic source degeneracy rate is already provided by the source degeneracy resistors (R / 2) (502, 504). This creates a small change in the source degeneracy rate. Nonlinear resistors operate in the subthreshold region up to approximately 330mVpp and in the saturation region at larger input voltages. In other words, the proposed amplifier is designed to provide flat transconductance up to approximately 330mVpp.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기와 도 1의 소스축퇴 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기의 선형성 차이를 고조파왜율 시뮬레이션으로 비교한 결과를 도시한 그래프이다.6 is a graph illustrating a result of comparing the linearity difference between the differential transconductance amplifier and the source degenerate differential transconductance amplifier of FIG. 1 by harmonic distortion simulation according to a preferred embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 입력신호의 주파수를 고정하고, 그 신호의 크기는 증가시키면서 시뮬레이션 한 결과로서, 기존 도 1의 소스축퇴 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기 결과 값(602)은 입력신호의 크기가 증가함에 따라 고조파왜율(THD: Total harmonic distortion)은 이에 비례하여 점점 증가하고 있으나, 도 5의 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기 결과 값(600)은 입력신호 크기의 증가함에도 고조파왜율에는 별다른 변화를 보이지 않고 있다.Referring to FIG. 6, the frequency of the input signal is fixed, and the amplitude of the signal is increased. As a result of simulation, the source degenerate differential transconductance amplifier result value 602 of FIG. 1 is increased as the magnitude of the input signal increases. The total harmonic distortion (THD) is gradually increasing in proportion to this, but the differential transconductance amplifier result value 600 of FIG. 5 does not show any significant change in the harmonic distortion even with an increase in the magnitude of the input signal.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기와 도 1의 소스축퇴 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기의 선형성 차이를 고조파왜율 시뮬레이션으로 비교한 결과를 도시한 그래프이다.7 is a graph illustrating a result of comparing the linearity difference between the differential transconductance amplifier and the source degenerate differential transconductance amplifier of FIG. 1 by harmonic distortion simulation according to a preferred embodiment of the present invention.

도 7의 그래프를 참조하면, 예를 들어, 입력신호는 0.6Vpp으로 설정하고, 그 설정된 입력신호의 주파수를 일정간격 만큼씩 증가시켜 각 증폭기의 고조파왜율 시뮬레이션을 비교한 것으로서, 기존 도 1의 소스축퇴 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기에 대한 결과값(702)이 주파수가 증가함에도 일정하게 높은 고조파왜율(예컨대, 0.7과 0.8 사이의 값)을 나타내고 있으나, 도 5의 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기에 대한 결과값(702)은 도 1의 소스축퇴 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기에 대한 결과값(702) 보다 일정하게 낮은 고조파왜율(예컨대, 0과 0.1 사이의 값)을 나타내고 있다. Referring to the graph of FIG. 7, for example, the input signal is set to 0.6Vpp, and the harmonic distortion simulation of each amplifier is compared by increasing the frequency of the set input signal by a predetermined interval. Although the result 702 for the degenerate differential transconductance amplifier shows a consistently high harmonic distortion (eg, a value between 0.7 and 0.8) as the frequency increases, the result 702 for the differential transconductance amplifier of FIG. Shows a harmonic distortion that is consistently lower than the result 702 for the source degenerate differential transconductance amplifier of FIG. 1 (eg, a value between 0 and 0.1).

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기의 입력전압에 따른 트랜스컨덕턴스의 변화량을 도시한 그래프이다.8 is a graph showing the amount of change in transconductance according to the input voltage of the differential transconductance amplifier according to a preferred embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 입력 전압의 크기에 따라 동적으로 축퇴율이 변하여 트랜스 컨덕턴스가 평평한 구간(800)을 형성하고 있으며, 이는 도 9와 비교하여 선형성이 크게 증가되었음을 알 수 있다.Referring to FIG. 8, the degeneracy rate is dynamically changed according to the magnitude of the input voltage, thereby forming a section 800 in which the transconductance is flat, which shows that the linearity is greatly increased as compared with FIG. 9.

상기에서 설명한 바와 같이, 도 5의 선형화된 트랜스 컨덕턴스 증폭기는 전류원이 하나인 기본적인 소스축퇴 차동증폭기를 사용함으로써, 공통모드 입력신호에 출력신호가 둔감한 특징과 전류원(M4)(400)의 잡음이 제거 되는 것 등 기본적인 소스축퇴 차동증폭기의 장점을 그대로 살릴 수 있다. 또한, 의사 차동증폭기에만 적용될 수 있었던 소스축퇴 저항(M2,M2')(506, 508)을 그 기능을 변화시켜 기본적인 소스축퇴 차동증폭기에 적용하여 평평한 트랜스컨덕턴스를 얻을 수 있도록 구현된다.As described above, the linearized transconductance amplifier of FIG. 5 uses a basic source degenerate differential amplifier with one current source, thereby reducing the output signal characteristic of the common mode input signal and reducing the noise of the current source M4 400. The benefits of basic source degenerate differential amplifiers, such as being eliminated, are preserved. In addition, the source degeneracy resistor (M2, M2 ') (506, 508), which could be applied only to the pseudo differential amplifier, is changed to apply a basic source degenerate differential amplifier to obtain a flat transconductance.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 소스축퇴 차동쌍의 장점을 살리면서 트랜 스컨덕턴스가 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 종래 기술에 따른 두 개의 소스축퇴 저항(R/2)을 사용한 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기를 도시한 도면,1 illustrates a differential transconductance amplifier using two source degeneracy resistors (R / 2) according to the prior art;

도 2는 종래 기술에 따른 소스축퇴 저항(R)을 사용한 의사 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기를 도시한 도면,2 illustrates a pseudo differential transconductance amplifier using a source degeneracy resistor R according to the prior art;

도 3은 종래 기술에 따른 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 'according to the prior art;

도 4는 종래 기술에 따른 1의 증폭기에 두 개의 PMOS 트랜지스터(M4,M4')와 하나의 전류원(M5)으로 구성된 비선형저항을 삽입한 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기를 도시한 도면,4 illustrates 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 an amplifier of 1 according to the prior art;

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선형화된 차동쌍의 트랜스컨덕턴스 증폭기 구조를 도시한 도면,5 illustrates a structure of a transconductance amplifier of a linearized differential pair according to a preferred embodiment of the present invention;

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기와 도 1의 소스축퇴 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기의 선형성 차이를 고조파왜율 시뮬레이션으로 비교한 결과를 도시한 그래프,6 is a graph illustrating a result of comparing the linearity difference between the differential transconductance amplifier and the source degenerate differential transconductance amplifier of FIG. 1 by harmonic distortion simulation according to a preferred embodiment of the present invention;

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기와 도 1의 소스축퇴 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기의 선형성 차이를 고조파왜율 시뮬레이션으로 비교한 결과를 도시한 그래프, 7 is a graph illustrating a result of comparing the linearity difference between the differential transconductance amplifier and the source degenerate differential transconductance amplifier of FIG. 1 by harmonic distortion simulation according to an embodiment of the present invention;

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기의 입력전압에 따른 트랜스컨덕턴스의 변화량을 도시한 그래프,8 is a graph showing the amount of change in transconductance according to an input voltage of a differential transconductance amplifier according to an embodiment of the present invention;

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 (5)

하나의 전류원으로 구성된 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기에 상기 전류원과 연결되는 두개의 소스축퇴 저항과,A differential transconductance amplifier consisting of one current source, two source degeneracy resistors connected to the current source, 상기 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기의 입력단 소스 사이에 연결되는 두 개의 트랜지스터로 구성된 비선형 저항Nonlinear resistor consisting of two transistors connected between the input source of the differential transconductance amplifier 을 포함하는 고 선형성 트랜스컨덕턴스 증폭기.High linearity transconductance amplifier comprising a. 기설정된 저항값을 갖는 제1 부하단 및 제2 부하단으로 구성된 부하부와,A load unit including a first load end and a second load end having a predetermined resistance value; 상기 부하부와, 비선형 저항 사이에 접속되고, 제1 입력전압과 제2 입력전압을 차동 증폭하여 출력하는 메인 차동 증폭부와,A main differential amplifier connected between the load unit and a nonlinear resistor and differentially amplifying and outputting a first input voltage and a second input voltage; 상기 메인 차동 증폭부를 바이어싱하는 바이어스 전류원과,A bias current source for biasing the main differential amplifier; 상기 메인 차동 증폭부와 상기 바이어스 전류원 사이에 접속되는 소스축퇴 저항 및 비선형 저항A source degeneracy resistor and a nonlinear resistor connected between the main differential amplifier and the bias current source 을 포함하는 고 선형성 트랜스컨덕턴스 증폭기.High linearity transconductance amplifier comprising a. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 비선형 저항은,The nonlinear resistance is, 상기 바이어스 전류원과 상기 메인 차동 증폭부 사이에 접속되며, 제 1 입력신호를 게이트 입력으로 하는 제 1 MOS트랜지스터, 및A 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 상기 바이어스 전류원과 상기 메인 차동 증폭부 사이에 접속되며, 제 2 입력신호를 게이트 입력으로 하는 제 2 MOS트랜지스터A second MOS transistor connected between the bias current source and the main differential amplifier and having a second input signal as a gate input; 를 포함하는 고 선형성 트랜스컨덕턴스 증폭기.High linearity transconductance amplifier comprising a. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 소스축퇴 저항은,The source degeneracy resistance is, 두개의 저항으로 구성되어 상기 비선형 저항과 상기 바이어스 전류원 사이에 접속되는 것을 특징으로 하는 고 선형성 트랜스컨덕턴스 증폭기.A high linearity transconductance amplifier comprising two resistors connected between said nonlinear resistor and said bias current source. 제 1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 증폭기는,The amplifier, 트랜스컨덕턴스-커패시터 필터에 사용되는 것을 특징으로 하는 고 선형성 트랜스컨덕턴스 증폭기.A high linearity transconductance amplifier characterized by being used in a transconductance-capacitor filter.
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US10892717B2 (en) * 2019-03-05 2021-01-12 Realtek Semiconductor Corp. Highly linear transconductance amplifier and method thereof
JP7468889B2 (en) * 2020-03-31 2024-04-16 ザインエレクトロニクス株式会社 Fully Differential Amplifier
US20230327620A1 (en) * 2022-04-08 2023-10-12 Realtek Semiconductor Corp. Transconductance amplifier of high linearity and common-mode rejection

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106899272A (en) * 2017-02-28 2017-06-27 中国科学技术大学 A kind of trsanscondutance amplifier and wave filter
CN106899272B (en) * 2017-02-28 2020-06-26 中国科学技术大学 Transconductance amplifier and filter

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