KR20120085182A - 가변이득증폭 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 가변이득증폭 장치는 전압을 제공받아 전류로 변환하여 출력하는 전압-전류 변환부; 상기 전압-전류 변환기의 출력 전류를 이용해 전달 컨덕턴스(Gm) 조절을 위한 제어전압을 생성하여 출력하는 Gm 컨트롤러; 및 상기 제어전압이 입력되는 스위칭소자를 포함하며, 상기 스위칭소자에 입력되는 입력 전압에 따라 출력 전류를 조절하여 출력하는 Gm 셀부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

가변이득증폭 장치{Variable Gain Amplifying Apparatus}
본 발명의 실시예는 가변이득증폭 장치에 관한 것이다. 더 상세하게는 예컨대 초음파 진단기 등의 아날로그 프론트 엔드(AFE)에는 이득을 가변 증폭하기 가변이득증폭기(VGA)가 사용되는데, 가변이득증폭기의 전달 컨덕턴스(Gm) 특성을 조절하여 아날로그 신호의 동작 범위를 확대하려는 초음파 기기용 영상처리장치에 구비된 가변이득증폭 장치에 관한 것이다.
이하의 부분에서 기술되는 내용은 본 발명의 실시예와 관련되는 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아님을 밝혀둔다.
일반적으로, 초음파 시스템은 초음파 신호를 송신 및 수신하기 위해 다수의 변환소자를 포함하는 프로브를 구비한다. 각 변환소자가 전기적으로 자극되면 초음파 신호가 생성되어 인체로 전달된다. 인체에 전달된 초음파 신호는 인체 내부 조직의 경계에서 반사되고, 인체 조직의 경계로부터 변환소자에 전달되는 초음파 에코신호는 전기적 신호로 변환된다. 변환된 전기적 신호를 증폭 및 신호처리하여 조직의 초음파 영상을 위한 초음파 영상신호가 형성된다.
이와 같이 변환된 전기적 신호를 증폭하기 위하여 종래에는 프로브를 통해 수신한 초음파 에코신호를 프리 앰프부를 통해 증폭시키고 있는데, 프리 앰프부는 AFE로 지칭되기도 한다.
그런데, 종래의 프리 앰프부의 가변이득증폭기는 이득 범위(gain range) 및 입력 범위(input range)가 넓지 않아 초음파 시스템에서 예컨대 다양한 범위의 신호 또는 컬러 영상 등을 처리하는 데에 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 입력 전압 대비 출력 전류의 비, 즉 Gm을 가령 N채널 MOS-FET 등의 스위칭소자를 이용해 조절함으로써 동작 범위를 넓힐 수 있는 초음파 기기용 영상처리장치 및 그 장치의 구동 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 가변이득증폭 장치에 있어서, 전원으로부터 제공되는 제1경로 상의 전류와 제2경로 상의 전류를 미러화하는 제1전류미러; 제1구동전압 및 제2구동전압을 수신하고 상기 제1전류미러에서 출력되는 제1경로 및 상기 제2경로 출력전류를 입력받아 상기 제1구동전압에 의해 바이패스되는 제1경로상의 전류의 크기를 제어하고 상기 제2구동전압에 의해 바이패스되는 제2경로상의 전류의 크기를 제어하되 바이패스되는 전류의 양에서 차이가 발생하도록 제어하여 바이패스되는 각 전류 사이의 차이에 해당하는 차분전류가 상기 제1전류미러로부터 발생하도록 제어하는 전류제어부; 상기 바이패스되는 제1경로 상의 전류와 제2경로 상의 전류를 입력받아 기설정된 크기의 종단전류를 출력하는 종단전류발생부; 제어전압을 입력받아 상기 제1경로 및 상기 제2경로 사이에 흐르는 전류를 보상하여 상기 제1경로 상의 바이패스되는 출력단과 상기 제2경로 상의 바이패스되는 출력단 사이에 보상전류가 흐르도록 제어하여 상기 기설정된 크기의 종단전류가 종단전류발생부로 입력되도록 제어하는 보상전류제어부; 외부기준전압을 수신하여 상기 전류제어부로 소정의 차이를 갖는 상기 제1구동전압 및 상기 제2구동전압을 제공하는 구동전압 발생부; 상기 차분전류 발생 단자로부터 피드백받아 내부기준전압과 비교하여 상기 제어전압을 발생하고 상기 보상전류제어부로 상기 제어전압을 제공하는 제어전압 발생부; 및 상기 차분전류 및 제어전류를 수신하여 상기 차분전류 및 상기 제어전류가 미러화되도록 하는 제2전류미러를 구비하는 Gm 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변이득증폭 장치를 제공한다.
상기 가변이득증폭 장치는, 전압을 제공받아 상기 제어전류로 변환하여 출력하는 전압-전류 변환부; 및 상기 제1전류미러와 동일한 구조의 셀 전류미러, 상기 전류제어부와 동일한 구조의 셀전류 제어부, 상기 종단전류발생부와 동일한 구조의 셀종단전류 발생부 및 상기 보상전류제어부와 동일한 구조의 셀보상전류 제어부를 구비하는 Gm 셀부를 더 포함하되, 상기 셀전류 제어부로 입력되는 제1구동전압 및 제2구동전압은 소정의 차이를 갖는 일정한 값을 갖고, 상기 셀보상전류 제어부로 입력되는 제어전압은 상기 제어전압 발생부로부터 수신할 수 있다.
상기 구동전압 발생부는, 제1비교증폭기, 제1스위칭소자, 제1저항소자, 제2저항소자 및 제3항소자를 포함하되, 상기 제1스위칭소자는 전류입력단으로 전원입력을 공급받아 출력을 발생하고, 상기 제1스위칭소자의 전류출력단에 상기 제1저항소자의 일단이 연결되어 상기 제1스위칭소자의 전류출력단에서 상기 제1구동전압이 발생하고, 상기 제1비교증폭기의 제1입력단에는 외부기준전압이 입력되고, 상기 제1저항소자의 타단에 상기 제2저항소자의 일단 및 상기 제1비교증폭기의 제2입력단이 병렬로 연결되고, 상기 제1비교증폭기는 상기 제1비교증폭기의 제1입력단의 전압 및 제2입력단의 전압 차이에 따른 출력이 발생하되 상기 제1비교증폭기의 출력단에는 상기 제1스위칭소자의 구동단이 연결되고, 상기 제2저항소자의 타단에 상기 제3저항소자의 일단이 연결되어 상기 제2저항소자의 타단에서 상기 제2구동전압이 발생할 수 있다.
상기 제1전류미러는, 제1미러스위칭소자 및 제2미러스위칭소자를 구비하되, 상기 제1미러스위칭소자는 전류입력단이 상기 전원입력에 연결되고 전류출력단이 제1경로 상의 출력(즉, 제11출력)을 형성하고 상기 제1미러스위칭소자의 구동단은 상기 제1미러스위칭소자의 전류출력단에 연결되고, 상기 제2미러스위칭소자는, 전류입력단이 상기 전원입력에 연결되고 상기 제2미러스위칭소자의 구동단은 상기 제1미러스위칭소자의 구동단에 연결되어 전류출력단이 제2경로 상의 출력(즉, 제12출력)을 형성할 수 있다.
상기 전류제어부는 제2스위칭소자 및 제3스위칭소자를 포함하되, 상기 제2스위칭소자는 전류입력단에서 상기 제1미러로부터 상기 제1경로상의 출력을 공급받아 구동단에 입력되는 상기 제1구동전압에 의해 제어되는 출력을 발생하고, 상기 제2스위칭소자의 전류출력단은 상기 종단전류발생부로 입력되고, 상기 제3스위칭소자는 전류입력단에서 상기 제1미러로부터 상기 제2경로상의 출력을 공급받아 구동단에 입력되는 상기 제2구동전압에 의해 제어되는 출력을 발생하고, 상기 제3스위칭소자의 전류출력단은 상기 종단전류발생부로 입력될 수 있다.
상기 종단전류발생부는 제1전류원 및 제2전류원을 포함하고, 상기 제1전류원은 상기 제1경로 상의 상기 전류제어부의 출력에 연결되고, 상기 제2전류원은 상기 제2경로 상의 상기 전류제어부의 출력에 연결되어, 기설정된 크기의 종단전류를 출력할 수 있다.
상기 보상전류제어부는 제4스위칭소자를 포함하고, 제4스위칭소자는 전류입력단이 상기 제1경로 상의 상기 종단전류발생부의 입력단에 연결되고, 전류출력단이 상기 제2경로 상의 상기 종단전류발생부의 입력단에 연결되고, 구동단으로 상기 제어전압을 입력받아 상기 제1경로 및 상기 제2경로 사이에 흐르는 보상전류를 제어할 수 있다.
상기 제4스위칭소자는 MOSFET로 구성되고, 상기 제4스위칭소자의 게이트에 입력되는 상기 제어전압에 의해 상기 제1전류원의 입력단에 연결된 드레인과 상기 제2전류원의 입력단에 연결된 소스 사이 사이에 상기 보상전류가 흐르도록 제어할 수 있다.
상기 제어전압발생부는 제2비교증폭기를 포함하고, 상기 제2비교증폭기의 제1입력단에는 상기 차분전류 발생 단자로부터 피드백받고 제2입력단에는 내부기준전압이 입력되어, 상기 제2비교증폭기는 상기 제2비교증폭기의 제1입력단의 전압 및 제2입력단의 전압 차이에 따른 상기 제어전압을 발생할 수 있다.
상기 제2전류미러는, 제21미러스위칭소자 및 제22미러스위칭소자를 구비하되, 상기 제21미러스위칭소자는 상기 제1전류미러로부터 상기 차분전류를 수신하고, 전류출력단이 상기 차분전류와 같은 크기를 갖는 출력(즉, 제21출력)을 형성하고, 상기 제21미러스위칭소자의 구동단은 상기 제22미러스위칭소자의 구동단에 연결되고, 상기 제22미러스위칭소자는 전류입력단에 상기 제어전류가 입력되고 상기 제어전류와 같은 크기를 갖는 출력(즉, 제22출력)을 형성하고, 상기 제22미러스위칭소자의 구동단은 상기 전류입력단에 연결될 수 있다.
상기 제2전류미러는 상기 제21미러스위칭소자의 용량 대비 상기 제22미러스위칭소자의 용량에 의해 상기 제21출력 및 상기 제22출력이 미러화되어 출력될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 입력 전압 대비 출력 전류의 비, 즉 Gm을 가령 N채널 MOS-FET 등의 스위칭소자를 이용해 조절함으로써 동작 범위를 넓힐 수 있는 초음파 기기용 영상처리장치 및 그 장치의 구동 방법을 제공하는 효과가 있다.
또한, Gm 셀부의 회고구성과 동일한 원리의 회로를 사용하여 Gm 컨트롤러를 구성하여 Gm 셀부를 제어하는 제어전압을 발생함으로써 스위칭소자의 비선형 출력특성을 극복하여 동작범위를 확대하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 기기용 영상처리장치를 도시한 블록도이다.
도 2는 AFE(120) 안에 있는 가변이득증폭기(VGA)의 구조를 나타내는 블록다이어그램이다.
도 3은 도 2에 나타낸 Gm 컨트롤러(210)의 구조를 예시한 도면이다.
도 4는 도 3에 나타낸 Gm 컨트롤러(210)의 회로도를 예시한 도면이다.
도 5는 Gm 셀부(220)의 회로도를 예시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 기기용 영상처리장치를 도시한 블록도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 기기용 영상처리장치(100)는 프로브(110, Probe), 아날로그 프론트 엔드(AFE, 120), 수신 빔 포머(130) 및 영상신호처리부(140)를 포함하여 구성될 수 있다.
프로브(110)는 초음파를 송수신하며, AFE(120)는 프로브(110)로부터 초음파 수신신호를 제공받아 가변이득증폭기(VGA)를 이용하여 증폭하여 출력한다.
AFE(120) 내에 구비된 VGA에 의해 증폭 출력되는 신호는 영상신호처리부(140)로 제공되거나 수신 빔 포머(130)를 경유하여 영상신호처리부(140)로 제공될 수 있다.
도 2는 AFE(120) 안에 있는 가변이득증폭기(VGA)의 구조를 나타내는 블록다이어그램이다.
좀더 구체적으로 살펴보면, AFE의 VGA는 도 2에 도시된 바와 같이, 전압-전류 변환부(200), Gm 컨트롤러(210) 및 Gm 셀부(220)를 포함할 수 있다.
전압-전류 변환부(200)는 초음파 수신신호 전압을 입력받아 전류로 변환하여 출력하며, 가령 비반전전류귀환을 이용하는 전압-전류 변환기가 사용될 수도 있다.
또한, Gm 컨트롤러(210)는 전압-전류 변환부(200)에서 출력되는 출력 전류를 제공받아 Gm 셀부(220) 내의 스위칭소자(예컨대, N-채널 MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor))를 제어하기 위한 제어전압(VGC)을 생성하여 출력한다. Gm 셀부(220) 내의 N채널 MOS FET와 같은 스위칭소자의 게이트 단자로 입력되는 게이트 전압에 따라 전류의 크기가 비선형(non-leaner)의 특성을 보이기 때문에, 초음파 수신신호 전압에 비례하는 전류의 증폭신호가 Gm 셀부(220)에서 발생하도록 Gm 컨트롤러(210)에 의하여 Gm 셀부(220)를 제어하는 제어전압을 생성할 필요가 있다.
Gm 셀부(220)는 제어전압 대비 출력전류를 조절하기 위한 N채널 MOSFET와 같은 스위칭소자를 포함할 수 있으며, 스위칭소자의 구동단으로 입력되는 입력 신호, 즉, 제어전압(VGC)에 따라 출력 전류(Iout)를 조절하여 부하(RL)로 제공하게 된다.
수신 빔 포머(130)는, 예컨대 VGA에 의해 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기, A/D 변환기의 신호의 시간을 지연시켜 출력하는 지연회로 및 지연회로에서 출력되는 신호를 합산하여 영상신호처리부로 제공하는 가산기 등을 포함할 수 있다. 물론 이와 관련해서는 다양한 변경이 가능할 수 있을 것이다.
영상신호처리부(140)는 제어부를 포함할 수 있으며, 제어부의 제어 하에 가령 수신 빔 포머에서 제공되는 신호를 처리하여 디스플레이부에 표시한다. 이를 위하여 예컨대 8비트 데이터를 제공받아 6비트 데이터로 변환하여 출력하거나, 초음파 단층 화상 처리, 도플러 효과를 이용한 정보 처리 및 3차원 영상 처리 등을 기능을 수행할 수 있을 것이다.
도 3은 도 2에 나타낸 Gm 컨트롤러(210)의 구조를 예시한 도면이다.
Gm 컨트롤러(210)는 제1전류미러(310), 전류제어부(320), 종단전류발생부(330), 보상전류제어부(340), 구동전압 발생부(350), 제어전압 발생부(360) 및 제2전류미러(370)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1전류미러(310)는 전원으로부터 제공되는 제1경로 상의 전류와 제2경로 상의 전류를 미러화한다.
전류제어부(320)는 제1구동전압 및 제2구동전압을 수신하고 제1전류미러(310)에서 출력되는 제1경로의 출력전류(a1) 및 제2경로 출력전류(a2)를 입력받아 제1구동전압에 의해 바이패스되는 제1경로상의 전류(b1)의 크기를 제어하고 제2구동전압에 의해 바이패스되는 제2경로상의 전류(b2)의 크기를 제어하되 바이패스되는 전류의 양에서 차이가 발생하도록 제어하여 바이패스되는 각 전류 사이의 차이에 해당하는 차분전류가 제1전류미러(310)로부터 발생하도록 제어한다.
종단전류발생부(330)는 바이패스되는 제1경로 상의 전류(b1)와 제2경로 상의 전류(b2)를 입력받아 기설정된 크기의 종단전류(c1, c2)를 출력한다.
보상전류제어부(340)는 제어전압을 입력받아 제1경로 상의 전류(b1) 및 제2경로 상의 전류(b2) 사이에 흐르는 전류를 보상하여 제1경로 상의 바이패스되는 출력단과 제2경로 상의 바이패스되는 출력단 사이에 보상전류가 흐르도록 제어하여 기설정된 크기의 종단전류가 종단전류발생부(330)로 입력되도록 제어한다.
구동전압 발생부(350)는 외부기준전압을 수신하여 전류제어부(320)로 소정의 차이를 갖는 제1구동전압 및 제2구동전압을 제공한다.
제어전압 발생부(360)는 차분전류 발생 단자로부터 피드백받아 내부기준전압과(Vref2) 비교하여 제어전압을 발생하고 보상전류제어부(340)로 제어전압을 제공한다.
제2전류미러(370)는 차분전류 및 제어전류를 수신하여 차분전류 및 제어전류가 미러화되도록 한다.
도 4는 도 3에 나타낸 Gm 컨트롤러(210)의 회로도를 예시한 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, Gm 컨트롤러(210)는 전압-전류 변환부(200)의 출력 전류(ICONT)를 제공받아 제어전압(VGC)으로 변환하여 Gm 셀부(220)에 제공하기 위한 구성을 가질 수 있다. Gm 컨트롤러(210)는, 가령 저전력이면서 노이즈 특성을 좋게 하기 위하여 복수의 증폭기와 MOSFET 및 BJT(Bipolar junction transistor) 등을 포함할 수 있을 것이다.
Gm 컨트롤러(210)는 제1비교증폭기(Amp1), 제2비교증폭기(Amp2), 제1스위칭소자(Q1), 제2스위칭소자(Q2), 제3스위칭소자(Q3), 제4스위칭소자(Q4), 제1저항소자(R1), 제2저항소자(R2), 제3저항소자(R2), 제1전류원(I1), 제2전류원(I2), 제1전류미러(310) 및 제2전류미러(370)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1스위칭소자(Q1)는 전원입력(VDD)을 전류입력단(드레인, Drain)으로 공급받아 출력을 발생하고, 제1스위칭소자(Q1)의 전류출력단(소스, Source)에 제1저항소자(R1)의 일단 및 제2스위칭소자(Q2)의 구동단(게이트, Gate)이 병렬로 연결된다.
제1비교증폭기(Amp1)의 제1입력단((+) 단자)에는 외부기준전압(Vref)이 입력되고, 제1저항소자(R1)의 타단에 제2저항소자(R2)의 일단 및 제1비교증폭(Amp1)기의 제2입력단((-) 단자)이 병렬로 연결된다.
여기서 제1비교증폭기(Amp1)는 제1비교증폭기(Amp1)의 제1입력단의 전압 및 제2입력단의 전압 차이에 따른 출력전압이 발생하고 제1비교증폭기(Amp1)의 출력단에는 제1스위칭소자(Q1)의 구동단이 연결된다.
제2저항소자(R2)의 타단에 제3저항소자(R3)의 일단 및 제3스위칭소자(Q3)의 구동단이 병렬로 연결된다.
제1전류미러(310)는 전원입력(VDD)을 공급받아 미러화된 제1경로 상의 제11출력전류(a1) 및 제2경로상의 제12출력전류(a2)가 발생한다.
제1전류미러(310)는 제11미러스위칭소자(Q5) 및 제12미러스위칭소자(Q6)를 구비한다. 제11미러스위칭소자(Q5)는 전류입력단(소스)이 전원입력에 연결되고 전류출력단(드레인)에서 제11출력전류가 발생하고 제11미러스위칭소자(Q5)의 구동단(게이트)은 제11미러스위칭소자(Q5)의 전류출력단(드레인)에 연결된다.
제12미러스위칭소자(Q6)는, 전류입력단(소스)이 전원입력(VDD)에 연결되고 제12미러스위칭소자(Q6)의 구동단(게이트)은 제11미러스위칭소자(Q5)의 구동단(게이트)에 연결되어 전류출력단(드레인)에서 제12출력전류가 발생한다.
제2스위칭소자(Q2)는 전류입력단(콜렉터, Collector)으로 제11출력전류를 공급받아 구동단(베이스)의 전압에 의해 제어되는 출력을 발생하고, 제2스위칭소자(Q2)의 전류출력단(에미터)에는 제1전류원(I1)의 입력단 및 제4스위칭소자(Q4)의 전류입력단(소스)이 병렬로 연결된다.
제1전류미러(310)의 제12출력에는 제3스위칭소자(Q3)의 전류입력단(콜렉터), 제2비교증폭기(Amp2)의 제1입력단((+)입력단) 및 제2전류미러(320)의 제1입력단과 병렬 연결된다.
제3스위칭소자(Q3)는 구동단(베이스)의 전압에 의해 제어되는 출력을 발생하고, 제3스위칭소자(Q3)의 전류출력단(에미터)에는 제2전류원(I2)의 전류입력단 및 제4스위칭소자(Q4)의 전류출력단(드레인)이 병렬로 연결된다.
제2비교증폭기(Amp2)의 제2입력단((-) 단자)에는 내부기준전압(Vref2, 예컨대 2 V의 전압)이 입력되고, 제2비교증폭기(Amp2)는 제2비교증폭기(Amp2)의 제1입력단의 전압 및 제2입력단의 전압 차이에 따른 제어전압(VGC)이 발생하고 제2비교증폭기(Amp2)의 출력단에는 제4스위칭소자(Q4)의 구동단(게이트)이 연결된다.
제2전류미러(320)는 제어전류(Icont)와 제12출력으로부터 각각 전류를 수신하고, 외부 제어전류(Icont) 및 제12출력전류 단자로부터 수신된 전류가 미러화되어 제21출력전류 및 제22출력전류를 발생한다.
제2전류미러(320)는 제21미러스위칭소자(Q7) 및 제22미러스위칭소자(Q8)를 구비한다.
제21미러스위칭소자(Q7)는 전류입력단(드레인)이 제2비교증폭기(Amp2)의 제1입력단((+) 입력단)에 연결되고 전류출력단(소스)에서 제21출력전류가 발생하고, 제21미러스위칭소자(Q7)의 구동단(게이트)은 제22미러스위칭소자(Q8)의 구동단(게이트)에 연결된다.
또한, 제22미러스위칭소자(Q8)는 전류입력단(드레인)에 제어전류(Icont)가 입력되고 전류출력단(소스)에서 제22출력전류가 발생하고, 제22미러스위칭소자(Q8)의 구동단(게이트)은 전류입력단(드레인)에 연결된다.
여기서, 제2전류미러는 제21미러스위칭소자(Q7)의 면적 대비 제22미러스위칭소자(Q8)의 면적에 의해 제21출력전류 및 제22출력전류가 미러화되어 출력된다. 만일 제21미러스위칭소자(Q7)의 면적이 제22미러스위칭소자(Q8)의 면적의 2배이면 출력되는 제21출력전류의 크기는 제22출력전류의 크기의 2배가 된다.
제1전류원(I1)의 출력단에는 제2전류원(I2)의 출력단, 제2전류미러(320)의 제21출력전류 단자, 제22출력전류 단자 및 제3저항소자(R3)의 타단이 병렬로 연결된다.
또한, 제4스위칭소자(Q4)는 다른 소자로 구성될 수도 있으나, MOSFET로 구성되는 것이 바람직하며, 제4스위칭소자(Q4)의 게이트에 입력되는 제어전압에 의해 제1전류원(I1)의 입력단과 제2전류원(I2)의 입력단 사이의 양단에 각각 연결된 드레인 및 소스 사이를 흐르는 전류의 양이 제어된다.
도 5는 Gm 셀부(220)의 회로도를 예시한 도면이다.
Gm 셀부(220)는 셀 전류미러(510), 셀전류 제어부(530), 셀종단전류 발생부(540) 및 셀보상전류 제어부(550)를 포함하여 구성할 수 있다.
여기서, 셀 전류미러(510), 셀전류 제어부(530), 셀종단전류 발생부(540) 및 셀보상전류 제어부(550)는 Gm 컨트롤러(210)의 제1전류미러(310), 전류제어부(320), 종단전류발생부(330) 및 보상전류제어부(340)와 각각 동일한 구조를 가질 수 있다.
이때, 셀전류 제어부(530)로 입력되는 제1구동전압 및 제2구동전압은 소정의 차이를 갖는 일정한 값을 갖고, 셀보상전류 제어부(550)로 입력되는 제어전압은 제어전압 발생부(360)로부터 수신한다.
Gm 컨트롤러(210)의 기능을 간략하게 살펴보면, 예컨대 제1구동전압과 제2구동전압의 전위차가 가령 100 mV의 고정된 전압을 갖도록 제1구동전압과 제2구동전압을 인가하고, 제어전류(Icont)를 제2전류미러(370)에 입력시킴으로써 미러작용에 의하여 2*Icont에 해당되는 차분전류가 출력되도록 설정할 수 있다. 전술하였듯이, Gm 셀부(220)의 셀 전류미러(510), 셀전류 제어부(530), 셀종단전류 발생부(540) 및 셀보상전류 제어부(550)가 Gm 컨트롤러(210)의 제1전류미러(310), 전류제어부(320), 종단전류발생부(330) 및 보상전류제어부(340)와 각각 동일한 구조를 가지므로 차분전류(2*Icont)와 동일한 출력전류(Iout)이 출력될 수 있다. 따라서, 차분전류(2*Icont)를 100 [㎂]로 설정하면, 트랜스 컨덕턴스인 Gm은 100 [㎂]/100 [mV]로 계산되어 1 [m mho]의 값을 갖게 되며, 차분전류(Icont)를 200 [㎂]가 되도록 설정하면 Gm은 2 [m mho]이 된다. 물론, 차분전류(2*Icont)의 설정은 제어전류(Icont)에 의해 이루어지게 되며, 이때 Icont는 전압-전류 변환부(200)에 의하여 제어전압(Vcont)로부터 비례적으로 얻어질 수 있다.
도 5에서 Gm 셀부(220)에 또 하나의 전류미러(520)가 추가될 수 있음을 보이고 있으나 이는 생략도 가능하다.
도 5에 도시하듯이, 셀 전류미러(510)는 제9스위칭소자(Q9)와 제10위칭소자(Q10)로 구성될 수 있다. 또한, 추가될 수 있는 또 하나의 전류미러(520)는 제11스위칭소자(Q11)와 제12위칭소자(Q12)로 구성될 수 있다.
전류제어부(320)는 제13스위칭소자(Q13)와 제14위칭소자(Q14)로 구성될 수 있다. 셀종단전류 발생부(540)는 제16스위칭소자(Q16)와 제17위칭소자(Q17)로 구성될 수 있다. 또한 셀보상전류 제어부(550)는 제15위칭소자(Q15)로 구성될 수 있다.
셀 전류미러(510), 셀전류 제어부(530), 셀종단전류 발생부(540) 및 셀보상전류 제어부(550)가 Gm 컨트롤러(210)의 제1전류미러(310), 전류제어부(320), 종단전류발생부(330) 및 보상전류제어부(340)와 각각 동일한 구조를 가지므로 셀 전류미러(510), 셀전류 제어부(530), 셀종단전류 발생부(540) 및 셀보상전류 제어부(550)의 동작도 제1전류미러(310), 전류제어부(320), 종단전류발생부(330) 및 보상전류제어부(340)와 각각 동일한 동작을 할 수 있다.
Gm 셀부(120)는 가변저항 역할을 수행하는 제15스위칭소자(Q15)를 포함할 수 있으며, Gm 컨트롤러(110)의 제어전압(VGC)에 따라 출력 전류(Iout)를 조절하여 부하(RL)에 제공할 수 있다.
셀 전류미러(510)는 전원으로부터 제공되는 제1경로 상의 전류와 제2경로 상의 전류를 미러화한다.
셀전류 제어부(530)는 제1구동전압(INP) 및 제2구동전압(INN)을 수신하고 셀 전류미러(510)에서 출력되는 제1경로의 출력전류(a1) 및 제2경로 출력전류(a2)를 입력받아 제1구동전압에 의해 바이패스되는 제1경로상의 전류(e1)의 크기를 제어하고 제2구동전압에 의해 바이패스되는 제2경로상의 전류(e2)의 크기를 제어하되 바이패스되는 전류의 양에서 차이가 발생하도록 제어하여 바이패스되는 각 전류 사이의 차이에 해당하는 출력전류(Iout)가 셀 전류미러(510)로부터 출력하도록 제어한다.
셀종단전류 발생부(540)는 바이패스되는 제1경로 상의 전류(e1)와 제2경로 상의 전류(e2)를 입력받아 기설정된 크기의 종단전류(f1, f2)를 출력한다. 셀종단전류 발생부(540)는 두개의 전류원으로 구성될 수 있으며, 각각의 전류원은 도 5에 도시한 바와 같이 일정한 바이어스 전압을 게이트 구동단에 인가하고 전류입력단(드레인)으로 전류가 입력되고 전류출력단(소스)로 전류가 출력되도록 n채널 MOSFET를 사용할 수도 있으나 본 발명이 이에 한정되지는 않는다. 또한 Gm 컨트롤러(110)의 제1전류원(I1) 및 제2전류원(I2)도 셀종단전류 발생부(540)는 두개의 전류원과 동일한 방법으로 구성할 수 있다.
셀보상전류 제어부(550)는 제어전압을 입력받아 제1경로 상의 전류(e1) 및 제2경로 상의 전류(e2) 사이에 흐르는 전류를 보상하여 제1경로 상의 바이패스되는 출력단과 제2경로 상의 바이패스되는 출력단 사이에 보상전류가 흐르도록 제어하여 기설정된 크기의 종단전류가 셀종단전류 발생부(540)로 입력되도록 제어한다.
이와 같이, Gm 셀부(120)의 출력전류(Iout)와 동일한 메커니즘으로 차분전류를 발생하도록 Gm 컨트롤러(110)를 구성하고, Gm 컨트롤러(110)는 제어전류(Icont)의 크기에 따라 결정되는 차분전류의 크기에 따라 피드백하여 제어전압을 발생하고, 여기서 발생하는 제어전압에 의하여 동일한 메커니즘으로 Gm 셀부(120)를 제어함으로써 출력전류(Iout)을 증폭할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서 예시한 스위칭소자들(Q1 ~ Q17)은 본 실시예에서 예시된 소자만을 사용하는 것이 아니라 다양한 소자를 사용할 수 있다. 예컨대, MOSFET 또는 FET, BJT(Bipolar Junction Transistor), IGBT(Insulatied Gate Bipolar Transistor), JFET(Junction gate FET) 등의 스위칭소자들 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
그러므로, 예를 들어, FET 계열 소자의 게이트 또는 BJT, IGBT 계열 소자의 베이스는 스위칭소자의 구동단으로 통칭하여 사용될 수 있다.
또한, 여기서 npn형 BJT는 콜렉터를 전류입력단, 에미터를 전류출력단으로 설명하였으나 이를 n채널 MOSFET로 구현하는 경우에는 드레인이 전류입력단, 소스가 전류출력단으로 구현할 수 있다. 반대로 n채널 MOSFET로 예시된 스위칭소자를 npn형 BJT로 구현하는 경우에는 n채널 MOSFET의 드레인을 pnp형 BJT의 콜렉터로, n채널 MOSFET의 소스를 npn형 BJT의 에미터로 하여 구현할 수 있다.
또한, 도 3, 4에 예시된 p채널 MOSFET의 경우에도 이를 다른 스위칭소자(예컨대 pnp형 BJT)로 구현할 수도 있다. 예를 들어, pnp형 BJT로 구현하는 경우 p채널 MOSFET의 소스는 pnp형 BJT의 에미터, p채널 MOSFET의 드레인은 pnp형 BJT의 콜렉터로 구현이 가능하다.
이와 같이, 도 3, 4에 예시된 스위칭 소자는 다양한 스위칭 소자로 대체하여도 비슷한 동작을 하도록 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 저항은 그 저항의 상위 개념인 저항소자로 대체하여 사용될 수 있을 것이다. 즉, 수동형 저항소자가 아니라, 반도체소자를 사용한 능동형 저항소자로 구현될 수도 있을 것이다. 더 나아가, 제1 전류원 및 제2 전류원부 또한 스위칭소자 이외에 다양한 방식으로 변경되어 설계될 수 있을 것이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 입력 전압 대비 출력 전류의 비, 즉 Gm을 가령 N채널 MOS-FET 등의 스위칭소자를 이용해 조절함으로써 동작 범위를 넓힐 수 있는 초음파 기기용 영상처리장치 및 그 장치의 구동 방법을 제공하는 효과를 발생하는 유용한 발명이다.

Claims (11)

  1. 가변이득증폭 장치에 있어서,
    전원으로부터 제공되는 제1경로 상의 전류와 제2경로 상의 전류를 미러화하는 제1전류미러;
    제1구동전압 및 제2구동전압을 수신하고 상기 제1전류미러에서 출력되는 제1경로 및 상기 제2경로 출력전류를 입력받아 상기 제1구동전압에 의해 바이패스되는 제1경로상의 전류의 크기를 제어하고 상기 제2구동전압에 의해 바이패스되는 제2경로상의 전류의 크기를 제어하되 바이패스되는 전류의 양에서 차이가 발생하도록 제어하여 바이패스되는 각 전류 사이의 차이에 해당하는 차분전류가 상기 제1전류미러로부터 발생하도록 제어하는 전류제어부;
    상기 바이패스되는 제1경로 상의 전류와 제2경로 상의 전류를 입력받아 기설정된 크기의 종단전류를 출력하는 종단전류발생부;
    제어전압을 입력받아 상기 제1경로 및 상기 제2경로 사이에 흐르는 전류를 보상하여 상기 제1경로 상의 바이패스되는 출력단과 상기 제2경로 상의 바이패스되는 출력단 사이에 보상전류가 흐르도록 제어하여 상기 기설정된 크기의 종단전류가 종단전류발생부로 입력되도록 제어하는 보상전류제어부;
    외부기준전압을 수신하여 상기 전류제어부로 소정의 차이를 갖는 상기 제1구동전압 및 상기 제2구동전압을 제공하는 구동전압 발생부;
    상기 차분전류 발생 단자로부터 피드백받아 내부기준전압과 비교하여 상기 제어전압을 발생하고 상기 보상전류제어부로 상기 제어전압을 제공하는 제어전압 발생부; 및
    상기 차분전류 및 제어전류를 수신하여 상기 차분전류 및 상기 제어전류가 미러화되도록 하는 제2전류미러
    를 구비하는 Gm 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변이득증폭 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가변이득증폭 장치는,
    전압을 제공받아 상기 제어전류로 변환하여 출력하는 전압-전류 변환부; 및
    상기 제1전류미러와 동일한 구조의 셀 전류미러, 상기 전류제어부와 동일한 구조의 셀전류 제어부, 상기 종단전류발생부와 동일한 구조의 셀종단전류 발생부 및 상기 보상전류제어부와 동일한 구조의 셀보상전류 제어부를 구비하는 Gm 셀부
    를 더 포함하되,
    상기 셀전류 제어부로 입력되는 제1구동전압 및 제2구동전압은 소정의 차이를 갖는 일정한 값을 갖고, 상기 셀보상전류 제어부로 입력되는 제어전압은 상기 제어전압 발생부로부터 수신하는 것을 특징으로 하는 가변이득증폭 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구동전압 발생부는, 제1비교증폭기, 제1스위칭소자, 제1저항소자, 제2저항소자 및 제3항소자를 포함하되,
    상기 제1스위칭소자는 전류입력단으로 전원입력을 공급받아 출력을 발생하고, 상기 제1스위칭소자의 전류출력단에 상기 제1저항소자의 일단이 연결되어 상기 제1스위칭소자의 전류출력단에서 상기 제1구동전압이 발생하고,
    상기 제1비교증폭기의 제1입력단에는 외부기준전압이 입력되고, 상기 제1저항소자의 타단에 상기 제2저항소자의 일단 및 상기 제1비교증폭기의 제2입력단이 병렬로 연결되고,
    상기 제1비교증폭기는 상기 제1비교증폭기의 제1입력단의 전압 및 제2입력단의 전압 차이에 따른 출력이 발생하되 상기 제1비교증폭기의 출력단에는 상기 제1스위칭소자의 구동단이 연결되고,
    상기 제2저항소자의 타단에 상기 제3저항소자의 일단이 연결되어 상기 제2저항소자의 타단에서 상기 제2구동전압이 발생하는 것을 특징으로 하는 가변이득증폭 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1전류미러는, 제11미러스위칭소자 및 제12미러스위칭소자를 구비하되,
    상기 제11미러스위칭소자는 전류입력단이 상기 전원입력에 연결되고 전류출력단이 제1경로 상의 출력(즉, 제11출력)을 형성하고 상기 제11미러스위칭소자의 구동단은 상기 제11미러스위칭소자의 전류출력단에 연결되고,
    상기 제12미러스위칭소자는, 전류입력단이 상기 전원입력에 연결되고 상기 제12미러스위칭소자의 구동단은 상기 제11미러스위칭소자의 구동단에 연결되어 전류출력단이 제2경로 상의 출력(즉, 제12출력)을 형성하는 것을 특징으로 하는 가변이득증폭 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전류제어부는 제2스위칭소자 및 제3스위칭소자를 포함하되,
    상기 제2스위칭소자는 전류입력단에서 상기 제1미러로부터 상기 제1경로상의 출력을 공급받아 구동단에 입력되는 상기 제1구동전압에 의해 제어되는 출력을 발생하고, 상기 제2스위칭소자의 전류출력단은 상기 종단전류발생부로 입력되고,
    상기 제3스위칭소자는 전류입력단에서 상기 제1미러로부터 상기 제2경로상의 출력을 공급받아 구동단에 입력되는 상기 제2구동전압에 의해 제어되는 출력을 발생하고, 상기 제3스위칭소자의 전류출력단은 상기 종단전류발생부로 입력되는 것을 특징으로 하는 가변이득증폭 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 종단전류발생부는 제1전류원 및 제2전류원을 포함하고,
    상기 제1전류원은 상기 제1경로 상의 상기 전류제어부의 출력에 연결되고, 상기 제2전류원은 상기 제2경로 상의 상기 전류제어부의 출력에 연결되어, 기설정된 크기의 종단전류를 출력하는 것을 특징으로 하는 가변이득증폭 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보상전류제어부는 제4스위칭소자를 포함하고,
    제4스위칭소자는 전류입력단이 상기 제1경로 상의 상기 종단전류발생부의 입력단에 연결되고, 전류출력단이 상기 제2경로 상의 상기 종단전류발생부의 입력단에 연결되고, 구동단으로 상기 제어전압을 입력받아 상기 제1경로 및 상기 제2경로 사이에 흐르는 보상전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 가변이득증폭 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제4스위칭소자는 MOSFET로 구성되고,
    상기 제4스위칭소자의 게이트에 입력되는 상기 제어전압에 의해 상기 제1전류원의 입력단에 연결된 드레인과 상기 제2전류원의 입력단에 연결된 소스 사이 사이에 상기 보상전류가 흐르도록 제어하는 것을 특징으로 하는 가변이득증폭 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어전압발생부는 제2비교증폭기를 포함하고,
    상기 제2비교증폭기의 제1입력단에는 상기 차분전류 발생 단자로부터 피드백받고 제2입력단에는 내부기준전압이 입력되어, 상기 제2비교증폭기는 상기 제2비교증폭기의 제1입력단의 전압 및 제2입력단의 전압 차이에 따른 상기 제어전압을 발생하는 것을 특징으로 하는 가변이득증폭 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2전류미러는, 제21미러스위칭소자 및 제22미러스위칭소자를 구비하되,
    상기 제21미러스위칭소자는 상기 제1전류미러로부터 상기 차분전류를 수신하고, 전류출력단이 상기 차분전류와 같은 크기를 갖는 출력(즉, 제21출력)을 형성하고, 상기 제21미러스위칭소자의 구동단은 상기 제22미러스위칭소자의 구동단에 연결되고,
    상기 제22미러스위칭소자는 전류입력단에 상기 제어전류가 입력되고 상기 제어전류와 같은 크기를 갖는 출력(즉, 제22출력)을 형성하고, 상기 제22미러스위칭소자의 구동단은 상기 전류입력단에 연결되는 것을 특징으로 하는 가변이득증폭 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2전류미러는 상기 제21미러스위칭소자의 면적 대비 상기 제22미러스위칭소자의 면적에 의해 상기 제21출력 및 상기 제22출력이 미러화되어 출력되는 것을 특징으로 하는 가변이득증폭 장치.
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