KR20090088669A - Operational transconductance amplifier circuit of being bulk-driven - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 오티에이(OTA)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저전압 설계시에도 입력 및 출력 스윙의 제한이 없는 오티에이 회로에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to OTAs and, more particularly, to OTI circuits that do not limit input and output swing even in low voltage designs.
오티에이는 Operational Transconductance Amplifier의 약자로서 일종의 연산 증폭기이다. 특히, 오티에이는 전압을 전류로 변환하고, 이를 증폭하는 회로이다. 이는 출력단에 나타나는 출력이 전류를 의미하기 보다는, 입력에서 전압의 변화가 있을 경우, 출력에서는 전류의 변화로 나타나는 양상을 의미함이 정확한 표현이다.OTI is short for Operational Transconductance Amplifier. In particular, OTI is a circuit that converts voltage into current and amplifies it. This is an accurate expression that means that the output appearing in the output stage does not mean current, but when there is a change in voltage at the input, the appearance appears as a change in current at the output.
도 1은 기존에 사용되고 있는 오티에이 회로를 도시한 회로도이다.1 is a circuit diagram illustrating an OTI circuit that is conventionally used.
도 1을 참조하면, 오티에이 회로는 폴디드 캐스코드(folded cascode) 구조를 가진다. 캐스코드 구조는 원칙적으로 공통 소스와 공통 게이트가 직렬로 연결된 구조를 지칭한다. 즉, 트랜지스터 M1 및 M2는 공통 소스 구조를 가지고, 트랜지스터 M5 및 M6은 공통 게이트 구조를 가진다.Referring to FIG. 1, the OTI circuit has a folded cascode structure. In general, the cascode structure refers to a structure in which a common source and a common gate are connected in series. That is, transistors M1 and M2 have a common source structure, and transistors M5 and M6 have a common gate structure.
이러한 캐스코드 구조는 높은 전압 이득을 얻을 수 있으며, 뛰어난 주파수 특성을 확보할 수 있다. 즉, 캐스코드 구조의 경우, 하나의 극을 가지는 one pole system으로서 고속 동작에 적절하다는 장점을 가진다.This cascode structure can achieve high voltage gain and excellent frequency characteristics. That is, the cascode structure has an advantage that it is suitable for high speed operation as a one pole system having one pole.
또한, 상기 도 1에 도시된 오티에이 회로의 트랜스컨덕턴스는 입력단 트랜지스터들인 M1 및 M2의 gm1 ,2가 된다. 이때 출력저항 rout은 캐스코드 구성으로 인해 하기의 수학식 1로 표현된다.In addition, the transconductance of the OTC circuit shown in FIG. 1 becomes g m1 , 2 of M1 and M2, which are input terminal transistors. At this time, the output resistance r out is represented by the following
[수학식 1][Equation 1]
상기 수학식 1에서 gm3은 트랜지스터 M3의 트랜스컨덕턴스, gmb3은 트랜지스터 M3의 바디의 영향에 따른 트랜스컨덕턴스, ro5는 트랜지스터 M5의 출력저항, ro3은 트랜지스터 M3의 출력저항, gm9는 트랜지스터 M9의 트랜스컨덕턴스, gmb9는 트랜지스터 M9의 바디에 따른 트랜스컨덕턴스, ro7은 트랜지스터 M7의 출력저항, ro9는 트랜지스터 M9의 출력저항을 나타낸다.In
또한, 상기 수학식 1에서 [(gm3+gmb3)ro5ro3]은 출력단에서 트랜지스터 M5쪽을 바라본 출력저항이며, [(gm9+gmb9)ro7ro9]는 출력단에서 트랜지스터 M7쪽을 바라본 출력저항이다.In addition, in
출력저항을 평가해볼 때, 비교적 큰 값을 가짐을 알 수 있다. 이는 오티에이 회로가 높은 DC 이득을 가짐을 나타낸다. 전체의 전압 이득은 하기의 수학식 2에 따른다.When evaluating the output resistance, it can be seen that it has a relatively large value. This indicates that the OTI circuit has a high DC gain. The overall voltage gain is based on Equation 2 below.
[수학식 2][Equation 2]
상기 수학식 2에서 gm, gmb, ro에 대한 기재는 상기 수학식 1에 도시된 바와 동일하다. 즉, gm1은 트랜지스터 M1의 트랜스컨덕턴스를 나타내며, ro7은 트랜지스터 M7의 출력저항을 나타낸다. 나머지 기호의 기재는 동일한 취지로 해석된다.In Equation 2, descriptions for gm, gmb, and ro are the same as shown in
상기 도 1에 개시된 회로의 동작은 다음과 같다.The operation of the circuit disclosed in FIG. 1 is as follows.
입력단에 신호 VIP 및 VIN이 인가되면 트랜지스터 M1 및 M2는 포화영역에서 동작하고 공통모드 전류를 형성한다. 2개의 트랜지스터들 M1 및 M2를 흐르는 전류의 합은 Itail이 된다.When the signals V IP and V IN are applied to the input terminal, the transistors M1 and M2 operate in the saturation region and form a common mode current. The sum of the currents flowing through the two transistors M1 and M2 becomes Itail.
트랜지스터 M1에서 발생한 전류는 트랜지스터 M3으로 흐르고, 트랜지스터 M3에는 트랜지스터 M9에서 발생한 전류도 유입된다. 즉, 트랜지스터 M3 및 M4는 전류원이며, 2개의 경로를 통해 발생한 전류가 싱크(sink)되는 전류원으로 동작한다. 이를 위해 트랜지스터 M3 및 M4는 소정의 바이어스 Vb1로 설정된다.The current generated by the transistor M1 flows into the transistor M3, and the current generated by the transistor M9 also flows into the transistor M3. That is, transistors M3 and M4 are current sources and operate as current sources in which currents generated through two paths are sinked. For this purpose, transistors M3 and M4 are set to a predetermined bias Vb1.
또한, 트랜지스터들 M7 내지 M10은 전류원으로 작용하며, 게이트 단자들은 소정의 바이어스 Vb3 및 Vb4로 셋팅된다. 트랜지스터 M9 및 M10에서 발생된 전류는 트랜지스터 M3 및 M4로 흐른다.In addition, transistors M7 to M10 serve as current sources, and the gate terminals are set to predetermined biases Vb3 and Vb4. Current generated in transistors M9 and M10 flows into transistors M3 and M4.
또한, 트랜지스터 M5 및 M6은 각각 입력단의 트랜지스터들 M1 및 M2에 캐스코드 연결된다. In addition, transistors M5 and M6 are cascoded to transistors M1 and M2 at the input stage, respectively.
만일, 입력신호 VIP 또는 VIN에 변화가 발생하는 경우, 트랜지스터 M1 및 M2 에서 발생되는 전류는 변동한다. 이러한 변동은 출력단 Voutn 또는 Voutp에서 유출되거나 유입되는 전류의 변화로 나타난다. 즉, 트랜지스터 M3에는 일정한 전류가 흘러야하므로, 노드 X에서 전류량이 부족한 경우, 출력단자 Voutn을 통해 외부로부터 전류가 유입되어야 한다. 그 반대 상황에서는 출력단자 Voutn을 통해 외부로 전류가 유출된다.If a change occurs in the input signal V IP or V IN , the current generated in the transistors M1 and M2 varies. This fluctuation is represented by a change in current flowing out or flowing in the output terminal Voutn or Voutp. That is, since a constant current must flow through the transistor M3, when the amount of current is insufficient at the node X, a current must flow from the outside through the output terminal Voutn. In the opposite situation, current flows out through the output terminal Voutn.
상술한 기존의 오티에이 회로에서 입력단 트랜지스터들 M1 및 M2가 가지는 문턱전압에 기인한 제한 요인으로 인해 넓은 범위의 입력전압을 가지지 못한다. 또한, 전원전압으로 설정되는 Vdd는 하기의 수학식 3을 만족하여야 한다.In the above-described conventional OTC circuit, due to the limiting factor due to the threshold voltage of the input transistors M1 and M2, the input voltage does not have a wide range of input voltages. In addition, Vdd set as the power supply voltage must satisfy Equation 3 below.
[수학식 3][Equation 3]
Vdd = Vgs + 2VDS , sat Vdd = Vgs + 2V DS , sat
상기 수학식 3에서 Vgs는 트랜지스터 M1 또는 M2의 게이트-소스간 전압차의 절대치를 나타내고, 2VDS , sat는 트랜지스터 M0 및 M3가 포화영역에서의 동작시 드레인-소스간의 전압차의 절대치를 나타낸다.In Equation 3, Vgs represents the absolute value of the gate-source voltage difference of the transistor M1 or M2, and 2V DS and sat represent the absolute value of the voltage difference between the drain-source when the transistors M0 and M3 operate in the saturation region.
또한, 입력단 트랜지스터들 M1 및 M2에서의 공통 모드 범위(common mode range)는 하기의 수학식 4에 따른다.In addition, the common mode range in the input transistors M1 and M2 is according to Equation 4 below.
[수학식 4][Equation 4]
Vin(max) = Vdd - 2VSDsat ( PMOS ) - |VT ( PMOS )|Vin (max) = Vdd-2V SDsat ( PMOS ) -| V T ( PMOS ) |
Vin(min) = Vss - VDSsat ( NMOS ) + VT( NMOS ) Vin (min) = Vss-V DSsat ( NMOS ) + V T ( NMOS )
상기 수학식 4에서 |VT ( PMOS )|는 PMOS의 문턱전압의 절대치를 나타내고, VT ( NMOS )는 NMOS의 문턱전압을 나타낸다.In Equation 4, | V T ( PMOS ) | represents an absolute value of the threshold voltage of the PMOS, and V T ( NMOS ) represents the threshold voltage of the NMOS.
상기 수학식 4에서 Vin(max)는 입력 트랜지스터 M1 또는 M3, 바이어스 트랜지스터 M0이 포화영역에서 동작할 수 있는 최대입력 레벨을 지칭하는 것이다. 또한, Vin(min)은 트랜지스터 M3이 포화영역에서 동작할 수 있는 최소한의 입력레벨을 지칭한 것이다.In Equation 4, Vin (max) refers to the maximum input level at which the input transistor M1 or M3 and the bias transistor M0 can operate in the saturation region. Vin (min) also refers to the minimum input level at which transistor M3 can operate in the saturation region.
또한, 상기 도 1에서 개시된 오티에이 회로의 출력 스윙 범위는 Vdd-2VSDsat(PMOS) 및 Vss+2VDSsat ( NMOS ) 사이가 된다. In addition, the output swing range of the OTI circuit disclosed in FIG. 1 is between Vdd-2V SDsat (PMOS) and Vss + 2V DSsat ( NMOS ) .
이러한 스윙범위는 저전압 구동시에 회로의 동작에 상당한 장애요인이 된다.This swing range is a significant obstacle to the operation of the circuit during low voltage driving.
따라서, 넓은 입력 범위 및 큰 출력 스윙 범위를 가지고, 저전압에서도 원활하게 구동할 수 있는 오티에이 회로가 요청된다 할 것이다.Therefore, there is a need for an OTC circuit having a wide input range and a large output swing range and capable of smoothly driving even at a low voltage.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 넓은 입력 범위와 큰 출력 스윙폭을 가지고, 저전력 구동에 적합한 오티에이 회로를 제공하는데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide an OTC circuit having a wide input range and a large output swing width, suitable for low power driving.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 입력 트랜지스터들의 바디에 입력신호가 인가되고, 문턱전압에 무관하게 전압을 증가시키는 벌크 구동부; 상기 벌크 구동부의 출력신호의 증가 또는 감소를 더욱 가속시키는 정궤환 동작을 수행하는 능동 로드부; 및 약한 반전 영역에서 동작하는 트랜지스터를 통해 높은 출력 저항을 구현하는 셀프 캐스코드 출력부를 포함하는 벌크 구동 오티에이 회로를 제공한다.The present invention for achieving the above object, the input signal is applied to the body of the input transistors, the bulk driver for increasing the voltage regardless of the threshold voltage; An active rod unit configured to perform a positive feedback operation to further accelerate the increase or decrease of the output signal of the bulk driver; And a self-cascode output that implements high output resistance through transistors operating in the weak inversion region.
본 발명에 따를 경우, 오티에이 회로는 벌크 구동을 수행하는 입력단으로 인해 높은 입력 임피던스를 확보할 수 있으며, 문턱 전압의 부담없이 넓은 입력 스윙 범위를 확보할 수 있다. 또한, 출력단에서 바라보는 출력 임피던스는 약한 반전 영역에서 동작하는 트랜지스터에 의해 증가된다. 따라서, 넓은 출력 스윙폭을 얻을 수 있다.According to the present invention, the OTI circuit can secure a high input impedance due to the input stage performing bulk driving, and can secure a wide input swing range without burdening a threshold voltage. Also, the output impedance seen at the output stage is increased by the transistor operating in the weak inversion region. Therefore, a wide output swing width can be obtained.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.As the inventive concept allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the drawings, similar reference numerals are used for similar elements.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
실시예Example
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 벌크-구동 오티에이 회로를 도시한 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating a bulk-driven OTC circuit in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 벌크-구동 오티에이 회로는 벌크 구동부(100), 능동 로드부(120) 및 셀프-캐스코드 출력부(140)를 가진다.Referring to FIG. 2, the bulk-driven OTC circuit has a
벌크 구동부(100)는 정전류원인 트랜지스터 Q1, 공통 소스 연결된 트랜지스터 Q2 및 Q3으로 구성된다. 또한, 상기 벌크 구동부(100)는 양의 전원 전압 Vdd와 능동 로드부(120) 사이에 연결된다.The
먼저, 정전류원인 트랜지스터 Q1의 게이트 단자에는 제1 바이어스 Vb1이 인가된다. 또한, 트랜지스터 Q1은 제1 바이어스 Vb1에 상응하는 바이어스 전류 Itail을 생성한다. 바이어스 전류 Itail은 공통 소스 연결된 트랜지스터 Q2 및 Q3으로 공급된다.First, the first bias Vb1 is applied to the gate terminal of the transistor Q1 which is a constant current source. In addition, transistor Q1 produces a bias current Itail corresponding to first bias Vb1. The bias current Itail is fed to the common source connected transistors Q2 and Q3.
트랜지스터 Q2 및 Q3은 게이트 단자들이 서로 연결되고, 바디를 통해 제1 입력 신호 Vip 및 제2 입력 신호 Vin이 인가되는 구조를 가진다. 즉, 트랜지스터의 벌크(bulk)에 입력 신호가 인가되는 구조이다. 이하, 트랜지스터의 벌크와 바디는 동일한 구성요소를 지칭하는 것으로 동일한 의미로 혼용하여 사용한다. 트랜지스터의 바디에 입력 신호가 인가되는 경우, 해당하는 트랜지스터들 Q2 및 Q3의 문턱 전압의 절대값은 상승한다. 이는 곧, 바디에 인가되는 전압이 상승된 트랜지스터를 흐르는 전류의 감소를 초래한다. 본 발명에서는 2개의 입력단 트랜지스터들 Q2 및 Q3을 활성 영역에서 동작시키기 위해 양 트랜지스터의 게이트 단자에는 PMOS 트랜지스터의 강한 반전(strong inversion)을 일으키기에 적합한 제2 바이어스 Vb2를 인가한다. The transistors Q2 and Q3 have a structure in which gate terminals are connected to each other, and a first input signal Vip and a second input signal Vin are applied through a body. In other words, the input signal is applied to the bulk of the transistor. Hereinafter, the bulk and the body of the transistor refer to the same component and are used interchangeably in the same sense. When an input signal is applied to the body of the transistor, the absolute value of the threshold voltages of the corresponding transistors Q2 and Q3 rises. This results in a decrease in the current flowing through the transistor with the voltage applied to the body increased. In the present invention, in order to operate the two input terminal transistors Q2 and Q3 in the active region, a second bias Vb2 suitable for causing strong inversion of the PMOS transistor is applied to the gate terminal of both transistors.
강한 반전이라 함은 실질적으로 게이트 하부에 채널이 형성된 상태를 지칭한다. 채널을 흐르는 전류는 소스-드레인 사이의 전압차에 기인하게 된다. 이는 게이트 전압이 반전 영역 내의 전하를 제어함을 의미한다. 또한, 채널을 가로질러서 형성되는 전하의 농도는 거의 일정하다. 따라서, 소스-드레인 단자들 사이에 인가되는 전계에 의한 드리프트 전류(drift current)가 주를 이룬다.Strong inversion refers to a state in which a channel is formed substantially below the gate. The current flowing through the channel is due to the voltage difference between the source and the drain. This means that the gate voltage controls the charge in the inversion region. In addition, the concentration of charge formed across the channel is nearly constant. Thus, the drift current due to the electric field applied between the source-drain terminals is dominant.
트랜지스터 Q2 및 Q3의 게이트 단자에 제2 바이어스 Vb2가 인가되고, 입력신호들 Vin 및 Vip는 각각의 트랜지스터의 바디와 소스 단자 사이에 인가된다. 바디에 인가되는 전압 변화에 의해 드레인과 소스 사이에 흐르는 전류는 변화하는데 이는 접합 FET(junction field effect transister)의 동작 특성과 유사하다. 결국, 입력단에서는 높은 입력 임피던스를 가지는 공핍형 소자의 특성을 얻을 수 있다.The second bias Vb2 is applied to the gate terminals of the transistors Q2 and Q3, and the input signals Vin and Vip are applied between the body and the source terminal of each transistor. The current flowing between the drain and the source changes due to the voltage applied to the body, which is similar to the operating characteristics of the junction field effect transister (FET). As a result, the characteristics of the depletion element having a high input impedance can be obtained at the input terminal.
벌크-구동 방식이 가지는 가장 큰 장점은 문턱전압의 제한이 없다는 것인데, 이는 벌크에 신호가 입력되고, 소스 전압을 기준으로 양의 방향과 음의 방향으로 모두 신호를 인가할 수 있기 때문이다.The biggest advantage of the bulk-driven approach is that there is no limit on the threshold voltage, since a signal is input to the bulk and the signal can be applied in both the positive and negative directions with respect to the source voltage.
따라서, 문턱 전압의 제한이 없는 입력 범위를 얻을 수 있다. 즉, 넓은 범위의 입력이 가능해지는 장점을 가진다.Thus, an input range without limiting the threshold voltage can be obtained. That is, a wide range of inputs is possible.
이어서, 벌크 구동부(100)의 하단에는 능동 로드부(120)가 구비된다. 즉, 능동 로드부(120)는 벌크 구동부(100)와 음의 전원 전압 Vss 사이에 연결된다.Subsequently, an
상기 능동 로드부(120)는 제1 입력 신호 Vip 및 제2 입력 신호 Vin의 인가에 의해 발생되는 전류에 상응하는 전압을 형성한다. 또한, 상기 능동 로드부(120)는 정궤환을 통해 벌크 구동부(100)의 출력 전압의 레벨을 빠르게 상승시키는 역할을 수행한다.The
능동 로드부(120)는 제1 로드(121), 제2 로드(123) 및 정궤환부(125)로 구성된다.The
상기 제1 로드(121)는 제4 트랜지스터 Q4가 다이오드 연결된 구조이다. 상기 제1 로드(121)는 제2 트랜지스터 Q2의 드레인 단자와 연결된다. 또한, 제2 로 드(123)는 제5 트랜지스터 Q5가 다이오드 연결된 구조이다. 상기 제2 로드(123)는 제3 트랜지스터 Q3의 드레인 단자에 연결된다.The
정궤환부(125)는 제2 노드 N2와 음의 전원 전압 Vss 사이에 연결되는 제6 트랜지스터 Q6 및 제1 노드 N1과 음의 전원 전압 Vss 사이에 연결되는 제7 트랜지스터 Q7로 구성된다. 또한, 제7 트랜지스터 Q7의 게이트 단자는 다이오드 연결된 Q5의 게이트 단자에 연결된다. 또한, 제6 트랜지스터 Q6의 게이트 단자는 다이오드 연결된 제4 트랜지스터 Q4의 게이트 단자에 연결된다.The
정궤환부(125)의 동작은 제1 노드 N1 또는 제2 노드 N2의 전압이 상승하거나 하강하는 경우, 이를 더욱 빨리 상승시키거나 하강시킨다. 예컨대, 입력 신호 Vin 또는 Vip의 변동에 의해 제1 노드 N1의 전압이 상승하는 경우, 제4 트랜지스터 Q4를 통과하는 전류는 상승한다. 또한, 활성 영역에서 동작하는 제6 트랜지스터 Q6의 게이트-소스 간의 전압이 상승하므로, 제6 트랜지스터 Q6을 흐르는 전류도 증가한다. 이는 다이오드 연결된 제5 트랜지스터 Q5를 흐르는 전류가 감소함을 의미한다. 따라서, 제2 노드 N2의 전압은 감소하게 된다. 즉, 제1 노드 N1의 전압이 상승하는 경우, 제2 노드 N2의 전압은 더욱 빠르게 하강한다. 또한, 제2 노드 N2의 전압이 상승하는 경우, 제1 노드 N1의 전압은 더욱 빠르게 하강한다.When the voltage of the first node N1 or the second node N2 rises or falls, the operation of the
따라서, 제6 트랜지스터 Q6은 제2 노드 N2의 전압에 대한 정궤환 동작을 수행하고, 제7 트랜지스터 Q7은 제1 노드 N1의 전압에 대한 정궤환 동작을 수행함을 알 수 있다.Accordingly, it can be seen that the sixth transistor Q6 performs the positive feedback operation on the voltage of the second node N2, and the seventh transistor Q7 performs the positive feedback operation on the voltage of the first node N1.
계속해서 셀프 캐스코드 출력부(140)는 출력 스테이지(141) 및 전류 미 러(143)로 구성된다.Subsequently, the self
출력 스테이지(141)는 출력 단자 Voutn, Voutp와 음의 전원 전압 Vss 사이에 연결된다. 출력 스테이지(141)는 제8 트랜지스터 Q8 내지 제11 트랜지스터 Q11의 4개의 트랜지스터로 구성된다. 제8 트랜지스터 Q8 및 제10 트랜지스터 Q10은 게이트가 공통 연결되며, 공통 연결된 게이트 단자는 제2 노드 N2에 연결된다. The
또한, 제9 트랜지스터 Q9 및 제11 트랜지스터 Q11은 게이트가 공통 연결되며, 공통 연결된 게이트 단자는 제1 노드 N1에 연결된다.In addition, the gates of the ninth transistor Q9 and the eleventh transistor Q11 are commonly connected to each other, and the commonly connected gate terminal is connected to the first node N1.
상술한 연결관계를 가지는 출력 스테이지(141)의 트랜지스터들 중 일부는 약한 반전 영역에서 동작시킨다. 즉, 제10 트랜지스터 Q10과 제11 트랜지스터 Q11은 약한 반전 영역에서 동작한다. 반면, 제8 트랜지스터 Q8 및 제9 트랜지스터 Q9는 활성 영역에서 동작함이 바람직하다.Some of the transistors of the
약한 반전이라 함은 실질적으로 트랜지스터에서 채널이 형성되지 않으며, 게이트 단자에도 문턱전압 이하의 전압이 인가되는 경우에 발생한다. 또한, 게이트 절연막 하부의 기판 표면이 약하게 반전된 경우를 지칭한다.The weak inversion occurs when a channel is not substantially formed in the transistor, and a voltage below a threshold voltage is also applied to the gate terminal. In addition, it refers to a case where the substrate surface under the gate insulating film is inverted weakly.
약한 반전 영역에서는 드리프트 전류는 거의 미미하며, 채널 내에서의 전하의 농도구배가 발생한다. 따라서, 전하의 확산에 따른 전류가 발생하는데, 이를 서브스레스홀드 전류(subthreshold current)라 지칭한다. 이는 트랜지스터의 동작 양상에서 컷-오프 영역에서 발생되는 케리어의 확산 현상에 기인한다.In the weak inversion region, the drift current is nearly insignificant, resulting in a concentration gradient of charge in the channel. Therefore, a current occurs due to the diffusion of the charge, which is called a subthreshold current. This is due to the diffusion phenomenon of the carrier occurring in the cut-off region in the operating aspect of the transistor.
제10, 11 트랜지스터 Q10 및 Q11은 약한 반전으로 동작시키기 위해서는 해당하는 트랜지스터 Q10 및 Q11의 종횡비(aspect ratio) W/L(W:채널의 폭, L:채널의 길이)를 다른 트랜지스터에 비해 크게 한다. 약한 반전 영역에서의 동작은 이와 연결된 트랜지스터들과 함께 하나의 트랜지스터로 모델링되게 한다. 즉, 트랜지스터 Q8 및 트랜지스터 Q10은 하나의 트랜지스터로 모델링될 수 있으며, 모델링된 트랜지스터는 공통 소스 구조를 가진다. 이는 트랜지스터 Q9 및 Q11에도 동일하게 적용된다.In order to operate with weak inversion, the tenth and eleventh transistors Q10 and Q11 increase the aspect ratio W / L (W: channel width, L: channel length) of the corresponding transistors Q10 and Q11 compared with other transistors. . Operation in the weak inversion region causes the transistors to be modeled as a transistor together. That is, transistor Q8 and transistor Q10 can be modeled as one transistor, and the modeled transistor has a common source structure. The same applies to the transistors Q9 and Q11.
약한 반전 영역에서 동작하는 트랜지스터 Q10 및 Q11에 의해 출력단 Voutn 및 Voutp에서 출력 스테이지(141)를 바라보는 출력저항은 매우 큰 값을 가지게 된다. 이는 약한 반전 영역에서 동작하는 트랜지스터들이 DC적으로는 컷-오프 영역에서 동작하는데 기인하다.Due to transistors Q10 and Q11 operating in the weak inversion region, the output resistance facing the
이어서, 전류 미러(143)는 양의 전원 전압 Vdd 및 출력 단자들 Voutn, Voutp 사이에 연결된다. 상기 전류 미러(143)는 제12 트랜지스터 Q12 내지 제15 트랜지스터 Q15로 구성된다. 제12 트랜지스터 Q12는 제14 트랜지스터 Q14와 연결되고, 게이트 단자는 서로 공통 연결된다. 또한, 제12 트랜지스터 Q12 내지 제15 트랜지스터 Q15의 게이트 단자들은 서로 공통 연결되고, 이는 제3 바이어스 Vb3에 의해 바이어싱된다. 따라서, 제12 트랜지스터 Q12 및 제13 트랜지스터 Q13은 소정의 바이어싱 전류를 생성하며, 양 트랜지스터 Q12 및 Q13을 흐르는 바이어싱 전류는 서로 동일한다.The
상기 전류 미러(143)에서 제14 트랜지스터 Q14 및 제15 트랜지스터 Q15는 약한 반전 영역에서 동작한다. 이를 위해 제14 및 제15 트랜지스터 Q14, Q15의 종횡비인 W/L은 다른 트랜지스터들에 비해 높게 설계한다. 또한, 약한 반전 영역에서 동작하는 트랜지스터에 의해 전류 미러를 구성하는 트랜지스터들 Q12 및 Q14는 하나의 트랜지스터로 모델링될 수 있으며, 이는 트랜지스터들 Q13 및 Q15에도 동일하게 적용된다.In the
약한 반전 영역에서 동작하는 트랜지스터 Q14 및 Q15에 의해 출력단 Voutn, Voutp에서 전류 미러(143)를 바라보는 출력저항은 매우 커진다. 따라서, 전체적으로 출력단에서 회로를 바라보는 출력저항은 매우 큰 값을 가진다.By the transistors Q14 and Q15 operating in the weak inversion region, the output resistance facing the
또한, 출력 신호 Voutn 및 Voutp의 스윙폭은 기존의 도 1에 도시된 오티에이 회로에 비해 상승한다. 즉, Vdd-|VDS ( PMOS )|와 Vss+|VT ( NMOS )| 사이의 스윙 동작을 할 수 있다. In addition, the swing widths of the output signals Voutn and Voutp increase compared with the conventional OTI circuit shown in FIG. That is, Vdd- | V DS ( PMOS ) | and Vss + | V T ( NMOS ) | You can swing between them.
상기 도 2에 도시된 벌크-구동을 활용한 오티에이 회로의 트랜스컨덕턴스는 하기의 수학식 5에 따른다.The transconductance of the OTI circuit using the bulk-drive shown in FIG. 2 is given by Equation 5 below.
[수학식 5][Equation 5]
상기 수학식 5에서 n은 1+gmb/gm이며, 는 몸체효과계수로서 0.2 내지 0.4 V1/2를 가지며, K'는 트랜지스터의 이동도와 게이트 커패시턴스 Cox와의 곱이다. 또한, Vs,tail은 입력단 소스의 전압값이며, Vi는 벌크로 인가되는 입력 전압을 지칭하고, 는 트랜지스터의 페르미 전위를 나타낸다.In Equation 5 n is 1 + g mb / g m , Has a body effect coefficient of 0.2 to 0.4 V 1/2 , and K 'is the product of the transistor mobility and the gate capacitance C ox . In addition, V s, tail is the voltage value of the input terminal source, V i refers to the input voltage applied in bulk, Denotes the Fermi potential of the transistor.
상기 수학식 5에서 얻어진 트랜스컨덕턴스를 이용하여 오티에이 회로의 이득은 하기의 수학식 6에 따른다.The gain of the OTI circuit using the transconductance obtained in Equation 5 is given by Equation 6 below.
[수학식 6][Equation 6]
상기 수학식 6에서 B는 전류 미러의 이득으로 (W/L)8,9/(W/L)5,6이며, rout은 출력단의 전체 출력저항을 나타낸다. 또한, α는 정궤환 인자로서 트랜지스터 Q5와 Q7의 종횡비로 나타낸다. 즉, α는 (W/L)6,7/(W/L)4,5이다.In Equation 6, B is (W / L) 8,9 / (W / L) 5,6 as a gain of the current mirror, and r out represents total output resistance of the output terminal. Denotes the aspect ratio of the transistors Q5 and Q7 as positive feedback factors. That is, α is (W / L) 6,7 / (W / L) 4,5 .
상기 α의 값은 0.5 내지 0.9로 설정된다. 바람직하게는 α는 2/3으로 설정된다. α의 값이 0.9를 상회하는 경우, 높은 이득으로 인해 오티에이 회로는 슈미트리거나 비교기로 작동할 수 있으며, 0.5 미만인 경우에는 낮은 이득으로 인해 증폭기로서의 본연의 동작을 수행하는데 문제가 발생한다.The value of α is set to 0.5 to 0.9. Preferably α is set to 2/3. If the value of α is above 0.9, the high gain allows the OTI circuit to operate as a Schmitter or comparator, and below 0.5 the low gain causes problems in its native operation as an amplifier.
만일, 도 2의 오티에이 회로의 로드 커패시턴스를 CL이라 한다면, 오티에이 회로의 GBW(gain-bandwidth)는 하기의 수학식 7에 따른다.If the load capacitance of the OT circuit of FIG. 2 is C L , the gain-bandwidth (GBW) of the OT circuit is expressed by Equation 7 below.
[수학식 7][Equation 7]
상기 수학식 7에서도 GBW는 α의 영향을 받게 되며, α는 능동 로드부의 정궤환에 의해 영향을 받는다. 따라서, α의 적절한 선택에 의해 GBW는 상승한다. 즉, 상기 수학식 6에 따른 이득을 유지할 수 있는 주파수 대역은 확장됨을 의미한다. 이러한 α값은 능동 로드부의 정궤환 회로에 의해 영향을 받는다. 따라서, 능동 로드부의 정궤환에 의해 오티에이 회로의 주파수 대역은 확장되어, 주파수 특성이 향상됨을 알 수 있다.In Equation 7, GBW is affected by α, and α is affected by the positive feedback of the active rod part. Therefore, GBW rises by appropriate selection of α. That is, the frequency band capable of maintaining the gain according to Equation 6 is expanded. This value of α is affected by the positive feedback circuit of the active rod portion. Accordingly, it can be seen that the frequency band of the OTI circuit is extended by the positive feedback of the active rod part, thereby improving the frequency characteristic.
상술한 바대로, 본 발명에 따른 오티에이 회로는 넓은 입력 범위와 높은 주파수 특성을 얻을 수 있으며, 높은 전압 이득과 넓은 출력 스윙 범위를 획득할 수 있다.As described above, the OTI circuit according to the present invention can obtain a wide input range and a high frequency characteristic, and can obtain a high voltage gain and a wide output swing range.
도 1은 기존에 사용되고 있는 오티에이 회로를 도시한 회로도이다.1 is a circuit diagram illustrating an OTI circuit that is conventionally used.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 벌크-구동 오티에이 회로를 도시한 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating a bulk-driven OTC circuit in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
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