KR20150146392A - 전달 임피던스 증폭기 - Google Patents

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Abstract

본 실시예에 따른 전달 임피던스 증폭기는 피드백 저항을 가지며, 입력측으로 제공된 신호를 증폭하는 인버터(inverter) 및 인버터와 캐스케이드(cascade) 연결되어 인버터의 출력을 증폭하는 공통 게이트 증폭기(common gate amplifier)를 포함하되 입력측으로 제공된 신호는 게이트 저항을 개재하여 공통 게이트 증폭기의 게이트로 피드 포워드(feed forward)된다.

Description

전달 임피던스 증폭기{Trans-impedance Amplifier}
본 발명은 전달 임피던스 증폭기에 관한 것이다.
전달 임피던스 증폭기는 증폭기의 전달 임피던스를 이용하여 입력으로 제공된 전류 신호를 전압 신호로 변환하고 증폭하여 출력하는 증폭기를 의미한다. 종래의 전달 임피던스 증폭기에 있어서 높은 이득(gain)을 얻기 위하여 증폭기의 대역폭(bandwidth)을 희생하여야 하고, 넓은 대역폭에서 동작하는 증폭기를 구현하고자 하는 경우에는 이득을 희생하여야 하는 트레이드 오프(trade off) 관계가 존재하였다. 종래의 전달 임피던스 증폭기의 선행 문헌은 한국 공개특허 제2006-0064981호등이 있다.
본 실시예는 상술한 종래의 전달 임피던스 증폭기의 단점을 해결하기 위한 것으로, 고속에서 동작할 수 있도록 충분한 대역폭을 가짐과 동시에 높은 이득을 가지는 전달 임피던스 증폭기를 제공하는 것이 본 발명의 목적 중 하나이다.
본 실시예의 목적 중 하나는, 전원으로부터 유입되는 노이즈에 민감하지 않은 전달 임피던스 증폭기를 제공하는 것이다.
본 실시예의 목적 중 하나는 대역폭의 감소없이 높은 이득을 유지하며 노이즈 특성이 우수한 전달 임피던스 증폭기를 제공하는 것이다.
본 실시예에 따른 전달 임피던스 증폭기는 피드백 저항을 가지며, 입력측으로 제공된 신호를 증폭하는 인버터(inverter) 및 인버터와 캐스케이드(cascade) 연결되어 인버터의 출력을 증폭하는 공통 게이트 증폭기(common gate amplifier)를 포함하되 입력측으로 제공된 신호는 게이트 저항을 개재하여 공통 게이트 증폭기의 게이트로 피드 포워드(feed forward)된다.
본 실시예에 따른 전달 임피던스 증폭기는 피드백 저항을 가지며, 입력 신호를 증폭하는 인버터(inverter) 및 상기 입력 신호를 증폭하는 공통 소스 증폭기(common source amplifier)를 포함하되, 상기 입력 신호는 게이트 저항을 개재하여 상기 공통 소스 증폭기의 게이트로 제공되며, 상기 인버터의 출력 신호와 상기 공통 소스의 출력 신호는 동일 노드에서 더하여진다.
본 실시예에 의하면, 인버터, 공통 게이트 증폭기 및 입력 신호가 피드 포워드 되는 구성에 의하여 인버터의 높은 이득과 공통 게이트 증폭기의 넓은 동작 대역폭의 효과를 모두 얻을 수 있다. 또한, 상술한 구성에 의하여 낮은 노이즈 민감도 특성을 얻을 수 있다.
본 실시예에 의하면 인버터와 공통 소스 증폭기에 의하여 증폭된 신호를 각각 더할 수 있어 높은 이득을 얻을 수 있다는 장점과, 입력 신호에 개입된 노이즈는 출력 신호에서 상쇠되므로 양호한 노이즈 특성을 얻을 수 있다는 장점이 동시에 제공된다.
도 1은 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기의 개요적 회로도이다.
도 2는 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기의 개요를 도시하는 블록도이다.
도 3은 실시예의 인버터와 공통 소스 증폭기의 개요적 회로도이다.
도 4(a)는 본 실시예에 의한 인버터와 공통 소스 증폭기에 제공되는 신호의 성분을 개요적으로 도시한 도면이고, 도 4(b)는 인버터가 입력 신호를 제공받아 출력하는 신호이며, 도 4(c)는 공통 소스 증폭기가 입력 신호를 제공받아 출력하는 신호이고, 도 4(d)는 공통 소스 증폭기와 인버터가 출력한 신호가 합하여져 형성된 출력 신호의 개형을 도시한 도면이다.
도 5는 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기와 기존의 전달 임피던스 증폭기의 주파수 응답을 비교한 도면이다.
도 6은 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기와 기존의 전달 임피던스 증폭기의 노이즈 민감도를 비교한 도면이다.
도 7은 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기와 기존의 전달 임피던스 증폭기의 아이 다이어그램을 비교한 도면이다.
도 8은 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기와 기존의 전달 임피던스 증폭기의 펄스 응답을 비교한 도면이다.
도 9는 종래 기술에 의한 전달 임피던스 증폭기와 제2 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기의 주파수-이득관계 모의실험 결과이다.
도 10은 종래 기술에 의한 전달 임피던스 증폭기와 제2 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기의 노이즈 시뮬레이션 결과이다.
도 11(a)는 제2 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기를 칩으로 구현하여 주파수 응답을 측정한 결과이고, 도 11(b)는 제2 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기를 실제 칩으로 구현하여 노이즈 측정 결과를 도시한 도면이다.
도 12(a)는 동작속도 별로 분류된 칩의 아이 다이어그램 측정결과이고, 도 12(b)는 입력전류 별로 분류된 칩의 아이 다이어그램 측정결과이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "상부에" 또는 "위에"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 바로 위에 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "접촉하여" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "개재하여"와 "바로 ~개재하여", "~사이에"와 "바로 ~ 사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 개시의 실시예들을 설명하기 위하여 참조되는 도면은 설명의 편의 및 이해의 용이를 위하여 의도적으로 크기, 높이, 두께 등이 과장되어 표현되어 있으며, 비율에 따라 확대 또는 축소된 것이 아니다. 또한, 도면에 도시된 어느 구성요소는 의도적으로 축소되어 표현하고, 다른 구성요소는 의도적으로 확대되어 표현될 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
제1 실시예
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제1 실시예를 설명한다. 도 1은 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기의 개요적 회로도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기는 인버터(100)와, 공통 게이트 증폭기(200)를 포함하며, 인버터와 공통 게이트 증폭기는 캐스캐이드되어 연결되며, 인버터에 입력되는 입력 신호(iin)는 게이트 저항(Rg)을 통하여 공통 게이트의 증폭기의 NMOS(Q3)의 게이트로 피드 포워드 된다. 일 예로, 인버터로 입력되는 입력 신호(iin)는 광신호, 레이저 신호를 검출하여 그에 상응하는 전류를 출력하는 포토 다이오드, 레이저 다이오드로부터 제공되는 신호일 수 있다.
인버터(100)는 소스가 공급 전원(Vdd)에 연결된 PMOS 트랜지스터 Q1과 소스가 접지 전원에 연결된 NMOS 트랜지스터 Q2 및 Q1과 Q2의 드레인들이 연결된 출력단에 일단이 연결되고, Q1과 Q2의 게이트가 연결된 입력단에 타단이 연결된 피드백 저항(Rf)를 포함한다.
피드백 저항(Rf)을 포함하지 않는 인버터에 있어서 입력 전압에 대한 출력 전압의 비인 전압이득이 -A라면(A>>1) 피드백 저항(Rf)을 포함하는 인버터에서 입력 전류(iin)에 대한 출력 전압(vo)의 비는 아래의 수학식과 같이 근사된다. 따라서 피드백 저항을 가지는 인버터에 있어서 입력 전류에 대한 출력 전압 이득은 피드백 저항값(Rf)을 조절하여 제어할 수 있다.
Figure pat00001
공통 게이트 증폭기(200)는 인버터(100)와 캐스케이드(cascade)로 연결되어 인버터의 출력 신호를 트랜지스터 Q3의 소스로 인가받아 Q3의 드레인으로 전압 신호(vout)를 출력한다. 또한, 전류 신호(iin)가 게이트 저항 Rg를 통하여 Q3의 게이트로 피드-포워드(feed forward)된다.
게이트 저항 Rg는 입력 전류에 의한 기생 발진(ringing)을 감소시킨다. 즉, Q3의 게이트 커패시턴스와 배선 선로의 인덕턴스에 의하여 기생 발진이 일어날 수 있으며, 기생 발진이 발생하면 트랜지스터는 신속하게 턴 온 또는 턴 오프되지 않아 충분한 동작 속도 확보가 어려우며, 드레인 소스 사이를 흐르는 전류에 의하여 추가적인 전력 소모가 발생한다. 수 옴 내지 수 백옴의 게이트 저항을 두어 기생 발진을 감쇠(damp)시킬 수 있으므로 게이트 저항을 배치하지 않은 경우에 비하여 고속으로 턴온/턴오프 시킬 수 있어 높은 동작 주파수 확보, 큰 대역폭을 얻을 수 있다.
본 실시예에 의한 공통 게이트 증폭기는 고속으로 동작할 수 있어 넓은 대역폭을 가지므로 인버터와 캐스케이드되어 인버터가 가지는 이득과 대역폭 간의 트레이드 오프 문제를 해소하여 게인 증가 및 대역폭 증가의효과를 얻을 수 있다. 아래의 모의시험예에서 알 수 있는 바와 같이 노이즈 민감도도 종래의 인버터 전달 임피던스 증폭기의 수준과 크게 차이나지 않는다.
제2 실시예
도 2는 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기의 개요를 도시하는 블록도이다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 서로 동일하거나 유사한 부분은 간결하고 명확한 설명을 위하여 설명을 생략할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기는 피드백 저항(Rf)을 가지며, 입력 신호를 증폭하는 인버터(inverter, 100)와 입력 신호를 증폭하는 공통 소스 증폭기(common source amplifier, 300)를 포함하되, 입력 신호는 게이트 저항(Rg)를 개재하여 공통 소스 증폭기의 게이트로 제공되고, 상기 인버터의 출력 신호와 공통 소스 증폭기의 출력 신호는 동일 노드(n)에서 더하여진다.
전달 임피던스 증폭기로 제공되는 입력 신호(iin)는 상술한 제1 실시예와 같이 포토 다이오드, 레이저 다이오드가 일정한 파장 대역의 광을 검출하여 제공하는 전류 신호일 수 있다. 인버터(100)는 위에서 설명된 제1 실시예의 인버터와 유사하다. 따라서, 본 실시예의 간결한 설명을 위하여 중복되는 부분에 대한 설명은 생략한다.
전달 임피던스 증폭기는 단일단(single ended) 출력 신호를 제공받고, 단일단(single ended) 출력 신호의 저주파 대역 신호만 통과시키는 저역 통과 필터(LPF)와 단일단(single ended) 출력 신호와 단일단(single ended) 출력 신호를 제공받아 두 신호의 차이를 증폭한 차동 신호(vo+, vo-)를 제공하는 차동 증폭기(differential amplifier, 410)를 포함하는 차동 증폭 스테이지(400)를 더 포함한다.
단일단 출력 신호는 노이즈에 취약하나, 차동 신호는 차동 증폭과정을 통하여 신호에 공통모드로 유입되는 노이즈의 증폭을 억제하고 차동 신호(differential signal) 성분을 증폭할 수 있다. 차동 증폭 스테이지(400)에서 출력된 차동 신호(vo+, vo-)로 후속 신호 처리를 수행하는 것이 노이즈 측면에서 유리하다.
차동 증폭기(400)는 소스가 서로 연결된 공통 소스 증폭기 쌍을 가지는 차동 증폭기, 하나 이상의 연산 증폭기(OP AMP)를 이용한 차동 증폭기등 여러 구성을 활용할 수 있다. 또한, 본 실시예의 차동 증폭 스테이지(400)에 있어서는 예시되지 않은 다른 차동 증폭기들을 사용하는데 제한이 없다.
도 3은 실시예의 인버터(100)와 공통 소스 증폭기(300)의 개요적 회로도이다. 도 3을 참조하면, 인버터(100)의 구성은 도 1로 도시된 바와 동일한 바, 자세한 설명을 생략한다.
공통 소스 증폭기(300)는 공급 전위(Vdd)와 일 단이 연결되고 타단이 NMOS 트랜지스터(Q3)의 드레인에 연결된 부하저항(RL)과, 게이트 저항(Rg)를 통하여 입력 신호(iin)을 제공받는 드레인과, 접지 전위에 전기적으로 연결된 소스를 가지는 NMOS 트랜지스터(Q3)를 가지며, 인버터(100)의 출력 노드와 공통 소스 증폭기(300)의 출력 노드는 전기적으로 연결된다.
공통 소스 증폭기(300)는 위에서 설명된 바와 같이 기생 발진을 억제하기 위하여 게이트 저항(Rg)를 통하여 입력 신호를 제공받는다. 트랜지스터 Q3는 그 게이트로 제공된 신호에 의하여 도통여부가 제어되며 그에 따라 부하 저항 RL을 흐르는 전류가 제어된다. 공통 소스 증폭기(300)는 부하 저항 RL 양단에 형성되는 전압을 출력 전압으로 제공한다. 공통 소스 증폭기(300)의 이득(-A2)은 부하 저항값을 조절하여 설정할 수 있으며, 부하 저항값이 증가함에 따라 이득도 증가한다.
도 4(a)는 본 실시예에 의한 인버터(100)와 공통 소스 증폭기에 제공되는 신호의 성분을 개요적으로 도시한 도면이다. 도 4(a)를 참조하면, 검정색으로 도시된 신호(s)는 증폭의 목적이 되는 신호이다. 회색으로 도시된 신호(n)는 입력 신호(iin)에 포함된 노이즈 성분이다. 본 도면에 도시된 노이즈 성분(n)은 노이즈를 개요적으로 도시하기 위한 것으로 도시된 바와 같이 주기적인 신호가 아니며, 실제 노이즈는 그 진폭과 주파수가 랜덤한 특징을 가진다.
도 4(b)는 인버터(100)가 도 4(a)로 도시된 입력 신호를 제공받아 출력하는 신호이다. 도 4(b)를 참조하면, 피드백 저항(Rf)을 가지는 인버터는 미리 설정된 이득(gain, -A1)으로 입력 신호를 증폭한다. 인버터의 출력 신호(SI)는 입력 신호(s)의 위상과 180도의 위상 차이를 가지므로 이득에 - 부호가 표시된다. 인버터(100)는 입력 신호 중 증폭의 목적이 되는 신호성분(s)을 증폭하여 신호성분(s)와 반대위상을 가지는 SI신호를 형성한다. 그러나, 인버터(100)는 입력 신호에 포함된 노이즈 성분(n)을 증폭하여 NI 신호를 형성하되, NI신호는 위상이 반전되지 않아 입력 신호(iin)의 노이즈 성분(n)과 동상(in phase)인 신호를 형성한다.
도 4(c)는 공통 소스 증폭기(300)가 도 4(a)로 도시된 입력 신호를 제공받아 출력하는 신호이다. 도 4(c)를 참조하면, 공통 소스 증폭기는 미리 설정된 이득(gain, -A2)으로 입력 신호를 증폭한다. 공통 소스 증폭기의 출력 신호는 입력 신호의 위상과 180도의 위상 차이를 가지므로 이득에 - 부호가 표시된다. 따라서, 공통 소스 증폭기(300)는 입력 신호 중 증폭의 목적이 되는 신호성분(s)을 증폭하여 신호성분(s)와 반대위상을 가지는 SS신호를 형성한다. 공통 소스 증폭기(300)는 신호에 포함된 노이즈 성분을 증폭하여 NS 신호를 형성하되, 인버터(100)와 달리 NS신호는 위상이 반전되지 않는다. 따라서, NS 신호의 위상은 입력 신호(iin)의 노이즈 성분(n)의 위상과 180도의 위상 차이가 있다.
도 4(d)는 공통 소스 증폭기(300)와 인버터(100)가 출력한 신호가 합하여져 형성된 출력 신호(Vout)의 개형을 도시한 도면이다. 인버터(100)가 증폭하여 형성한 신호 성분 SI 과 공통 소스 증폭기(300)가 증폭하여 형성한 신호 성분 SS 는 서로 위상 차이가 없다. 따라서, 공통 소스 증폭기(300)의 출력 노드와 인버터(100)의 출력 노드가 단일한 노드로 형성되면 두 신호 성분은 도합되어 S 성분을 형성한다.
인버터(100)가 증폭하여 형성한 노이즈 성분 NI 과 공통 소스 증폭기(300)가 증폭하여 형성한 신호 성분 NS 는 서로 180도 위상 차이로 아웃 오브 페이즈(out of phase)이다. 입력 신호 iin에 포함된 노이즈 성분 n을 동일한 각각 미리 설정된 이득으로 증폭한 후, 이들을 포함하는 출력 신호들을 동일한 노드에서 합하면 NI 과 NS 두 신호는 서로 상쇠된다. 따라서, 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기의 출력 신호에는 도 4(d)에 도시된 개형과 같이 노이즈 성분은 상쇠되고, 신호 성분(s) 만이 증폭되어 존재한다.
위에서 설명된 바와 같이 공통 소스 증폭기(300)의 이득은 부하 저항 RL값을 조절하여 제어할 수 있으며, 인버터(100)의 이득은 수학식 1에서 설명된 바와 같이 피드백 저항(Rf)의 저항값을 조절하여 제어할 수 있다. 이상적인 경우에 공통 소스 증폭기(300)의 이득값과 인버터(100)의 이득값을 동일하게 제어하면 출력 신호(Vout)에 포함되는 노이즈 성분을 제거할 수 있고 인버터(100)와 공통 소스 증폭기(300) 각각의 이득이 합하여져 +6dB 증가된 이득을 얻을 수 있다.
본 실시예에 의하면 도 4에서 도시된 바와 같이 노이즈 성분을 제거할 수 있어 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기가 사용되는 광통신 회로 또는 레이저 레이다의 입력단 에서 노이즈 민감성을 낮출 수 있다는 장점이 제공된다. 나아가, 본 실시예에 의하면 노이즈 성분을 상쇠할 수 있다는 장점 뿐만 아니라 신호 성분도 인버터와 공통 소스 증폭기에서 증폭된 후 출력 노드에서 도합되므로 2배 가량의 이득(+6dB)으로 더욱 증폭된다는 장점도 제공된다.
위에서 설명된 실시예들에 의한 전달 임피던스 증폭기는 종래의 전달 임피던스가 활용되는 광통신, 레이저 레이다 등의 수신단에서 사용될 수 있다.
모의시험 및 실험예
도 5는 제1 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기와 기존의 전달 임피던스 증폭기의 주파수 응답을 비교한 도면이다. 이하, 첨부된 도 5 내지 도 8에서, 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기의 특성은 적색으로 도시되며, 기존 전달 임피던스 증폭기의 특성은 청색으로 도시된다. 도 5에 도시된 바와 같이 적색으로 도시된 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기의 이득은 79.79db로 기존의 전달 임피던스 증폭기의 이득인 75.8db에 비하여 대략 4db증가한 것을 확인할 수 있으며, -3db 차단 주파수도 기존의 892MHz에 비하여 대략 150MHz 증가한 1.04 GHz인 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기는 기존의 전달 임피던스 증폭기에 비하여 향상된 대역폭 특성 및 향상된 이득을 가지는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기와 기존의 전달 임피던스 증폭기의 노이즈 민감도를 비교한 도면이다. 도 6에서 청색으로 표시된 기존 전달 임피던스의 노이즈 민감도 곡선과 적색으로 표시된 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기의 노이즈 민감도 곡선을 도시된 바와 같이 크게 차이나지 않는다. 일정한 주파수 대역에서 종래 전달 임피던스 증폭기의 노이즈 민감도 특성은 -26.2dbm이나, 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기의 노이즈 민감도 특성은 -26.5dbm으로, 그 차이는 0.5dbm에 불과하여 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기의 노이즈 민감도 특성이 크게 열화되지 않는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기와 기존의 전달 임피던스 증폭기의 아이 다이어그램을 비교한 도면이며, 도 8은 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기와 기존의 전달 임피던스 증폭기의 펄스 응답을 비교한 도면으로, 도 8a는 분리기간 2ns, 펄스폭 2ns을 가지는 펄스에 대한 응답을 도시한 도면이며, 도 8b는 분리기간 2ns, 펄스폭 2ns을 가지는 펄스에 대한 응답을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 파란색으로 도시된 기존 전달 임피던스 증폭기의 아이 다이어그램을 살펴보면 데이터 전이시 녹색원으로 도시된 바와 같이 오버슈트(overshoot)가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 적색으로 도시된 아래의 본 실시예에 따른 전달 임피던스 증폭기의 아이 다이어그램에서는 오버슈트는 발생하지 않으며, 종래 전달 임피던스 증폭기의 아이 다이어그램에 비하여 더 큰 개구부 면적을 가지는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이 펄스 입력이 인가되면 종래 전달 임피던스 증폭기는 녹색원으로 도시된 것과 같이 오버슈트가 발생한다. 그러나, 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기는 오버슈트가 현저히 감소된 것을 확인할 수 있다.
위에서 설명된 바와 같이 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기는 종래 기술에 대비하여 유사한 노이즈 민감도를 유지하면서 이득 특성과 대역폭 특성을 향상시킨 것을 확인할 수 있으며, 아이 다이어그램 및 펄스 응답 곡선에서 확인할 수 있는 바와 같이 응답에 대한 오버 슈트를 현저히 감소시킨 것을 확인할 수 있다.
도 9는 종래 기술에 의한 전달 임피던스 증폭기와 제2 실시예에 대한 전달 임피던스 증폭기의 주파수-이득 관계 모의실험 결과를 도시한 도면이다. 종래의 전달 임피던스 증폭기의 주파수 변화에 따른 이득 변화는 백점들이 연결되어 도시되었으며, 본 실시예에 의한 결과는 흑점들을 연결하여 도시하였다. 도시된 바와 같이 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기는 종래 기술에 의한 전달 임피던스 증폭기의 대역폭인 700MHz보다 20MHz 더 넓은 대역폭을 가짐에도 불구하고 종래 기술에 비하여 6dB의 이득 증가가 있음을 확인할 수 있다.
도 10은 종래 기술에 의한 전달 임피던스 증폭기와 제2 실시예에 대한 전달 임피던스 증폭기의 노이즈 시뮬레이션 결과이다. 종래의 전달 임피던스 증폭기의 노이즈 전류의 스펙트럼 밀도는 흑점들이 연결되어 도시되었으며, 본 실시예에 의한 결과는 백색 마름모들을 연결하여 도시하였다. 도시된 바와 같이 본 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기의 노이즈 전류의 스펙트럼 밀도는 모든 주파수 대역에서 종래 기술의 노이즈 전류의 스펙트럼 밀도에 비하여 아래에 있어 종래 기술에 비하여 노이즈 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다.
도 11(a)는 제2 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기를 칩으로 구현하여 주파수 응답을 측정한 결과이고, 도 11(b)는 제2 실시예에 의한 전달 임피던스 증폭기를 실제 칩으로 구현하여 노이즈 측정 결과를 도시한 도면이다. 도 11(a)와 (b)는 시뮬레이션 결과를 증명한다. 특히, 도 11(b)에서 노이즈 스펙트럼 밀도의 측정결과 6.4pA/sqrt(Hz)로 우수한 노이즈 성능있음을 확인할 수 있으며, 이는 10-12 BER 및 0.9A/W의 광소자 반응도를 예상했을 때, -28.7 dBm의 매우 높은 민감도를 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 12(a) 및 도 12(b)는 실제로 구현된 칩을 이용하여 아이 다이어그램(eye-diagram)을 측정한 결과로, 도 12(a)는 동작속도 별로 분류된 칩의 아이 다이어그램 측정결과이고, 도 12(b)는 입력전류 별로 분류된 칩의 아이 다이어그램 측정결과이다. 도 12(a) 및 도 12(b)를 참조하면, 본 실시예에 따라 구현된 칩은 1.3 Gb/s까지 높은 동작속도를 보여주며, 입력전류 5uApp ~100uApp의 광범위한 다이나믹 레인지 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 인버터 200: 공통 게이트 증폭기
300: 공통 소스 증폭기 400: 차동 증폭 스테이지

Claims (15)

  1. 피드백 저항을 가지며, 입력측으로 제공된 신호를 증폭하는 인버터(inverter); 및
    상기 인버터와 캐스케이드(cascade) 연결되어 인버터의 출력을 증폭하는 공통 게이트 증폭기(common gate amplifier)를 포함하되,
    상기 입력측으로 제공된 신호는 게이트 저항을 개재하여 상기 공통 게이트 증폭기의 게이트로 피드 포워드(feed forward)되는 전달 임피던스 증폭기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전달 임피던스 증폭기는,
    광전류를 입력으로 제공받아 전압신호를 출력하는 전달 임피던스 증폭기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 저항은 상기 공통 게이트 증폭기의 게이트에서의 기생 발진을 감쇠하는 전달 임피던스 증폭기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인버터는,
    소스가 공급 전원과 연결된 P타입 MOS FET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)과, 소스가 기준 전원과 연결된 N타입 MOS FET을 포함하며,
    상기 피드백 저항은 P 타입 MOSFET의 드레인 및 N타입 MOSFET의 드레인에 일단이 전기적으로 연결되고, P 타입 MOSFET의 게이트 및 N타입 MOSFET의 게이트에 타단이 전기적으로 연결된 전달 임피던스 증폭기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공통 게이트 증폭기는 NMOS 트랜지스터를 포함하며,
    상기 NMOS 트랜지스터는
    인버터로부터 출력을 제공받는 소스와,
    출력 신호를 제공하는 드레인, 및
    게이트 저항을 통하여 피드 포워드 된 신호를 제공받는 게이트를 포함하는 전달 임피던스 증폭기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전달 임피던스 증폭기는, 광통신 회로의 입력단, 레이저 레이다의 입력단에 배치되는 전달 임피던스 증폭기.
  7. 피드백 저항을 가지며, 입력 신호를 증폭하는 인버터(inverter); 및
    상기 입력 신호를 증폭하는 공통 소스 증폭기(common source 7mplifier)를 포함하되,
    상기 입력 신호는 게이트 저항을 개재하여 상기 공통 소스 증폭기의 게이트로 제공되며, 상기 인버터의 출력 신호와 상기 공통 소스의 출력 신호는 동일 노드에서 더하여지는 전달 임피던스 증폭기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전달 임피던스는
    상기 인버터의 이득과 상기 공통 소스 증폭기의 이득이 더하여진 이득을 가지는 전달 임피던스 증폭기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 인버터의 출력 신호는 :
    상기 입력 신호가 위상 반전되어 증폭된 성분과, 상기 입력 신호에 개입된 노이즈가 위상 반전없이 증폭된 성분을 포함하며,
    상기 공통 소스 증폭기의 출력 신호는 :
    상기 입력 신호가 위상 반전되어 증폭된 성분과, 상기 입력 신호에 개입된 노이즈가 위상 반전되어 증폭된 성분을 포함하는 전달 임피던스 증폭기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전달 임피던스 증폭기는,
    상기 인버터의 출력 신호와 상기 공통 소스 증폭기의 출력 신호가 동일 노드에서 더하여져 상기 노이즈에 의한 성분들은 상호 소거되는 전달 임피던스 증폭기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 전달 임피던스 증폭기는,
    상기 인버터의 출력 신호와 상기 공통 소스 증폭기의 출력 신호가 동일 노드에서 더하여져 상기 입력 신호에 의한 성분들은 서로 더하여지는 전달 임피던스 증폭기.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 인버터의 이득과
    상기 공통 소스 증폭기의 이득은 서로 동일하도록 설정된 전달 임피던스 증폭기.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 공통 소스 증폭기는 공급 전위와 연결된 부하 저항과, 일 전극과 타 전극이 각각 상기 부하 저항 및 접지 전위와 전기적으로 연결된 NMOS 트랜지스터를 포함하고, 상기 공통 소스 증폭기의 이득은 상기 부하 저항의 저항값을 조절하여 설정하고,
    상기 인버터의 이득은 상기 피드백 저항값을 조절하여 설정하는 전달 임피던스 증폭기.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 전달 임피던스 증폭기는 상기 전달 임피던스 증폭기의 출력 신호를 증폭하는 증폭 스테이지를 더 포함하되,
    상기 증폭 스테이지는:
    상기 출력 신호를 제공받아 저주파수대역 성분을 통과시키는 저역 통과 필터(Low Pass Filter)와,
    일 입력으로 상기 전달 임피던스 증폭기의 상기 출력 신호를 제공받고, 타 입력으로 상기 저역 통과 필터의 출력 신호를 제공받아 상기 전달 임피던스 증폭기의 상기 출력 신호와 상기 저역 통과 필터의 상기 출력 신호의 차이를 증폭하는 차동 증폭기를 포함하는 전달 임피던스 증폭기.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 전달 임피던스 증폭기는, 광통신 회로의 입력단, 레이저 레이다의 입력단에 배치되는 전달 임피던스 증폭기.


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