KR20090081562A - 가변부성저항회로 - Google Patents

Abstract

가변부성저항회로를 제공한다. 가변부성저항회로는 포토 다이오드가 수신한 광(光)의 세기와 입력 전압을 이용하여 출력전류를 생성하는 범프전류생성회로 및 상기 범프전류생성회로의 출력전류를 입력으로 받고 상기 출력전류에 따라 가변되는 부성저항을 생성하는 상호콘덕턴스 증폭회로를 포함한다.

　　부성저항, 범프전류, NMOS, PMOS, 포토다이오드

Description

가변부성저항회로{Variable negative resistor circuit}

　본 발명은 가변부성저항회로에 관한 것으로, 범프전류를 생성하는 범프전류생성회로와 범프전류생성회로에 정귀환 형태로 연결된 상호콘덕턴스 증폭회로를 PMOS 트랜지스터와 NMOS 트랜지스터, 포토다이오드로 구현하고, 이를 이용하여 제어전압 및 외부 광의 특성에 따라 가변성을 지닌 부성저항을 생성하는 가변부성저항회로에 관한 것이다.

반도체 집적회로에서 가장 많이 사용되는 구조는, MOS(Metal Oxide Semiconductor) 구조의 전계효과 트랜지스터, 즉 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)이다. MOS는 금속 산화막 반도체의 약자로서 반도체 표면에 산화막을 형성하고 절연물로 그 산화막 위에 금속을 부착한 구조를 의미한다. MOS 트랜지스터는 산화막에 의해 전류 통로로부터 절연된 게이트(gate) 단자에 전압을 인가하여 소스(source) 단자와 드레인(drain) 단자 간에 전류 통로를 제어함으로써 동작하는 트랜지스터를 의미한다. 이와 같이 MOS는 MOS 트랜지스터나 MOS형 집적 회로 등에 널리 이용되고 있다. 그리고, 반도체 안에서 움직이고 있는 자유전자나, 자유전자가 튀어나온 뒤의 정공에 의해 전하가 운반되 는 트랜지스터에 있어서, 전하의 운반이 자유전자에 의해 이루어지는 것을 NMOS(Negative MOS), 정공에 의해 이루어지는 것을 PMOS(Positive MOS), 양자를 조합하여 동작 속도를 향상시킨 것을 CMOS(Complementary MOS)라고 한다. 즉, 소스와 드레인이 P형 반도체 이고 표면이 N형 반도체일 경우 MOS 트랜지스터는 P 채널 MOSFET 또는 PMOS라고 하며, 소스와 드레인이 N형 반도체 이고 표면이 P형 반도체일 경우 N 채널 MOSFET 또는 NMOS라고 한다. 　MOS 트랜지스터는 디지털 회로에 광범위하게 쓰이는데 스위칭 기능이 매우 뛰어나고, 이는 산화막에 의해 채널로부터 절연되어 있기 때문에 게이트 단에는 전류 소모가 없고 채널의 전도성은 게이트에 전압 변화에 따라 작동 되기 때문이다.

한편, 능동 전하 공급 특성을 갖는 부성저항(negative resistance)은 터널 다이오드에서 잘 알려져 있으며,　카오스 신호 생성회로라든지 신경망에 쓰이는 뉴럴 오실레이터(neural oscillator)나 각종 발진기, 또는 마이크로파 증폭기 등 그 응용범위가 다양하다. 　부성저항(또는 부저항)이란 일반적으로 저항기의 전압변화와 전류변화의 비가 음수를 지니는 경우로 터널 다이오드 등의 특별한 소자에서 나타나는 현상이다.

종래 이러한 부성저항의 구현 방법으로는, 주로 연산 증폭기와 수동 저항 및 콘덴서 등의 혼성회로 형태로 이루어져 혼성 부품들로 인한 크기 문제 및 소정 부품에 문제 발생시 그 원인 및 진단에 있어서 어려움이 있다.

따라서, 부성저항 구현에 있어서 보다 효율적인 구현 방법의 제공이 필요한 실정이다.

본 발명은 가변부성저항회로를 제공하여, PMOS 트랜지스터와 NMOS 트랜지스터, 포토다이오드로 이루어지는 CMOS 집적회로를 통해 제어전압 및 외부 광 특성에 따라 가변하는 (가변) 부성저항을 생성하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 가변부성저항회로는 포토 다이오드가 수신한 광(光)의 세기와 입력 전압을 이용하여 출력전류를 생성하는 범프전류생성회로 및 상기 범프전류생성회로의 출력전류를 입력으로 받고 상기 출력전류에 따라 가변되는 부성저항을 생성하는 상호콘덕턴스 증폭회로를 포함한다.

본 발명의 가변부성저항회로에 따르면 제어전압 및 외부 광 특성에 따라 가변하는 가변부성저항을 PMOS 트랜지스터와 NMOS 트랜지스터, 포토다이오드로 이루어지는 CMOS 집적회로로 구현하여, 종래의 복잡한 회로 구성에 따른 부품 소비의 문제점을 해결할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태 로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 범프전류생성회로(100)를 도시한다. 그리고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 범프전류에 대한 SPICE 실험 결과를 도시한다.

도 1에 있어서, 범프(bump)전류생성회로(100)는 PMOS와 NMOS로 구성될 수 있다. PMOS 소자인 Mp1과 Mp2, Mp3와 Mp4, Mp5와 Mp6은 각각 쌍으로 전류미러를 형성하며, NMOS 소자인 Mn1과 Mn2의 게이트를 통하여 두 입력단자가 형성된다.

도 2에 있어서, 상기 두 입력단자(Mn1과 Mn2의 게이트)의 전압차에 따라 나타나는 출력전류는 가우시안(Gaussian) 함수 형태를 나타날 수 있다. 두 입력단자의 전압차가 작을수록 최대의 출력전류를 나타내며, 전압차가 클수록 범프전류의 전류량은 0(zero)으로 수렴하게 된다. 범프전류는 상기 가우시안 함수 형태로 나타나는 출력전류를 의미한다.

한편, 도 1에 있어서, PMOS 트랜지스터(소자)인 Mp7(PMOS 트랜지스터 제1 소자라고도 함)과 NMOS 트랜지스터인 Mn5(NMOS 트랜지스터 제2 소자라고도 함)는 외부 광(光)을 수신하는 포토 다이오드에 직렬로 연결되는 능동부하로서, Mn5의 드레인에서 변환된 전압이 Mn3(NMOS 트랜지스터 제3 소자라고도 함)의 게이트에 연결되어 범프전류의 전류량이 입력되는 광에 비례하여 증가하게 된다.

또한, Mn4 단자(NMOS 트랜지스터 제4 소자라고도 함)는 입력단에서의 입력 전압인 제어전압(Vc)을 이용하여 범프전류의 출력을 마찬가지로 조절하며, 여기서 제어전압(Vc)에 따라 부성저항의 크기가 달라질 수 있다.

상술된 바와 같이, 범프전류생성회로(100)는 광을 수신하는 포토 다이오드에 연결된 능동부하로서, 포토 다이오드가 수신한 광과 상기 제어전압을 이용하여 출력전류(범프전류)를 생성하는 복수개의 PMOS 트랜지스터 및 NMOS 트랜지스터를 포함한다.

이러한, 범프전류생성회로(100)는 정귀환된 후술될 상호콘덕턴스 증폭회로(200)와 연결되어, 광 및 제어전압의 입력에 비례하는 가변부성저항의 특성을 지닌다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 상호콘덕턴스 증폭회로(200)를 도시한다.

상호콘덕턴스 증폭회로(200)는 정귀환(positive feedback) 형태(즉, 출력을 입력으로 귀환시키는 형태)로 범프전류생성회로(100)에 연결된다. 즉, 범프전류생성회로(100)에서 출력전류(범프전류)를 입력으로 받아 범프 전류를 이용하여 가변되는 부성저항을 생성한다. 상호콘덕턴스 증폭회로(200)는 PMOS 트랜지스터인 Mp1’과 Mp2’가 전류미러를 형성하여 정전류를 공급하며, NMOS 트랜지스터인 Mn1’과 Mn2’의 게이트가 입력단자를 형성하여 부성저항의 두 단자가 된다.

도 3에 도시된 바와 같이, Mn5’(NMOS 트랜지스터 제5 소자라고도 함)와 Mn6’(NMOS 트랜지스터 제6 소자라고도 함)은 범프전류생성회로(100)로부터 출력전류 를 입력받아 전압으로 변환하고 상호콘덕턴스 증폭회로(200)의 동작을 가능하게한다. 보다 구체적으로 설명하면, 범프전류생성회로(100)에서 범프전류가 생성되어 나오면 이 전류가 Mn5’의 드레인으로 흐른다. 이때 Mn5’의 게이트와 드레이인 묶여져 있어 게이트 전압이 발생하고, 이는 Mn6’의 게이트 전압이 된다(일종의 전류미러). Mn6’의 게이트 전압은 상호콘덕턴스 증폭회로(200)의 Mn6’에 드레인 전류 즉, 바이어스 전류를 형성하게 된다. 상기 바이어스 전류의 크기와 모양에 따라 상호콘덕턴스 증폭회로(200)의 상호콘덕턴스 값(gm)이 변하게 되며, 가변성을 갖는 부성저항을 생성하게 된다. 즉, 결과적으로 부성저항은 기본적으로 정귀환된 상호콘덕턴스 증폭회로(200)의 구조를 통해 범프전류에 따라 가변성을 갖게 된다.

한편, Mn3’와 Mn4’는 상호콘덕턴스 증폭회로(200)의 두 입력전압(V+과 V-)에 대하여 증가된 선형영역을 가능하도록 한다. 상기 두 입력전압은 두 입력단자(Mn1’과 Mn2’의 게이트)에서 측정되는 전압을 의미한다. 보다 구체적으로 설명하면 증가된 선형영역이란, 두 입력전압 V+와 V- 사이의 입력 전압차이에 따라 출력전류가 나타나는 상호콘덕턴스 증폭회로(200)의 한 형태이다. 여기서, Mn3’와 Mn4’가 없는 경우 일반적인 상호콘덕턴스 증폭회로(200)인데, 종래에는 입력차가 어느정도 초과하면 출력전류가 포화되어 더 이상 비례하지 않는 반면, 본 발명의 실시예에서는 좀 더 큰 입력차이에도 출력전류가 비례해서 나타나게 된다. 즉, 증가된 선형영역이란 출력전류를 비례적으로 생성하는 입력전압의 영역이 증가된다는 것을 의미할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변부성저항회로(300)를 도시한다.

상술된 범프전류생성회로(100)와 상호콘덕턴스 증폭회로(200)로 구성된 전체 가변부성저항회로(300)를 도시한다. 상호콘덕턴스 증폭회로(200)는 (+) 입력단자인 V+ 및 출력전류가 생성되어 나오는 출력단자와 연결되는 정귀환(positive feedback) 형태로 구성되며, 범프전류생성회로(100)에서 출력되는 범프전류(I)에 의해 부성저항 값이 가변된다. 부성저항 R은 다음 수식1과 같이 표현될 수 있다.

(수식 1)

수식 1에 있어서, V+과 V-는 입력단자(Mn1과 Mn1’, Mn1과 Mn3’, Mn2와 Mn2’, Mn2와 Mn4’의 각 게이트)에서 측정되는 전압, I는 범프전류를 나타낸다.

본 발명의 실시예에 따른 전류미러와 차동증폭단을 응용한 가변부성저항회로(300)는, PMOS 트랜지스터와 NMOS 트랜지스터, 포토다이오드로 구성될 수 있다. 가변부성저항회로(300)는 광 입력과 제어전압(Vc)으로 구성되는 입력단과 이를 통해 범프전류(출력전류)를 생성하는 범프전류생성회로(100), 및 범프전류를 수신하여 정귀환 형태로 연결되는 상호콘덕턴스 증폭회로(200)로 구성된다. 이와 같이, 입사광의 세기와 제어전압에 따라서　출력되는 범프전류의 피크값과 폭이 조절되며, 이는 최종적으로 부성저항의 크기에 변화를 가져다 줄 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변부성저항에 대한 SPICE 실험 결과를 도시한다.

x축은 부성저항 전압차, y축은 부성저항 전류를 나타내며, 원점 부근에서 전 류의 기울기가 (-)가 되는 부성저항 영역이 존재함을 알 수 있다. 또한, 제어전압 Vc에 따라 부성저항의 크기가 달라질 수 있다. 즉, 부성저항의 I-V (전류-전압) 특성은 저항이 무한대인 즉, 전류가 0(zero)인 영역과 정 (+)의 저항을 지니는 영역, 그리고 부 (-)의 저항을 지니는 영역으로 구분될 수 있다. 부성저항 영역은 원점을 중심으로 대칭적으로 이루어지며 2개의 브레이크포인트(breakpoint)를 나타낼 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 범프전류생성회로를 도시한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 범프전류에 대한 SPICE 실험 결과를 도시한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 상호콘덕턴스 증폭회로를 도시한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변부성저항회로를 도시한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변부성저항에 대한 SPICE 실험 결과를 도시한다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

100: 범프전류생성회로

200: 상호콘덕턴스 증폭회로

300: 가변부성저항회로

Claims (5)

1. 포토 다이오드가 수신한 광(光)의 세기와 입력 전압을 이용하여 출력전류를 생성하는 범프전류생성회로; 및

   상기 범프전류생성회로의 출력전류를 입력으로 받고 상기 출력전류에 따라 가변되는 부성저항을 생성하는 상호콘덕턴스 증폭회로를 포함하는, 가변부성저항회로.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 포토 다이오드를 포함하는 상기 범프전류생성회로 및 상기 상호콘덕턴스 증폭회로는 복수개의 NMOS 트랜지스터 및 PMOS 트랜지스터로 구성되어 가변되는 상기 부성저항을 생성하는, 가변부성저항회로.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 범프전류생성회로는 상기 포토 다이오드에 연결된 PMOS 트랜지스터 제1 소자와 NMOS 트랜지스터 제2 소자를 포함하고, 상기 제2 소자에서 변환된 전압이 NMOS 트랜지스터 제3 소자의 게이트에 연결되어 상기 출력전류의 전류량을 상기 포토 다이오드가 수신한 광에 비례하여 증가시키는, 가변부성저항회로.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 범프전류생성회로는 상기 입력 전압을 이용하여 상기 출력전류의 전류량을 조절하는 NMOS 트랜지스터 제4 소자를 더 포함하는, 가변부성저항회로.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 상호콘덕턴스 증폭회로는 상기 출력전류를 입력으로 수신하여 전압으로 변환하는 NMOS 트랜지스터 제5 소자 및 상기 제5 소자에 연결되어 상기 변환된 전압의 값을 게이트 전압으로 하는 NMOS 트랜지스터 제6 소자를 포함하고, 상기 제6 소자의 드레인 전류에 따라 가변성을 갖는 부성저항을 생성하는, 가변부성저항회로.

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