KR20190143402A - 제어되는 공급 저전압을 생성하기 위한 회로 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2개의 작동 전압(UE, UA)으로부터 비대칭으로 전압을 공급받는 연산 증폭기(OP)를 위한 제어되는 공급 저전압(UK)을 생성하기 위한 회로 장치에 관한 것이며, 공급 저전압은 작동 전압의 1/10의 크기로 일측 작동 전압(UA)의 일측 극부와 연산 증폭기의 일측 작동 전압 입력단(V-) 사이에 인가되며, 일측 작동 전압(UA)의 일측 극부와 연산 증폭기(OP)의 작동 전압 입력단(V-) 사이에는 기준 전압(UR)을 위한 폐루프 제어식 기준 전압원(Q1 + Qref; DR)이 접속된다.

Description

제어되는 공급 저전압을 생성하기 위한 회로 장치{CIRCUIT ARRANGEMENT FOR GENERATING A CONTROLLED SUPPLY LOW-VOLTAGE}
본 발명은, 2개의 작동 전압으로부터 비대칭으로 전압을 공급받는 연산 증폭기를 위한 제어되는 공급 저전압을 생성하기 위한 회로 장치에 관한 것이며, 공급 저전압은 작동 전압의 1/10의 크기로 연산 증폭기의 작동 전압 입력단들 중 하나에 인가된다.
특히 연산 증폭기 회로들의 경우, 연산 증폭기의 연산 출력단을 영(0) 볼트로도 제어할 수 있도록 하기 위해 음의 전압을 공급할 필요가 있다. 이른바 레일-투-레일 연산 증폭기들(rail-to-rail operation amplifier)에서조차도, 증폭기 출력단에서는 항상 수 밀리 볼트의 전압 오프셋이 지속된다. 또한, 밀리 볼트 범위로 작동이 수행되는 회로들의 경우, 만족스런 출력 제어를 가능하게 하기 위해, 입력 오프셋 전압의 영향이 너무 커지는 위험도 존재한다.
연산 증폭기의 출력단에서 음의 출력 전압 또는 0V가 필요한 경우, 전형적으로 대칭으로 전압을 공급받는 연산 증폭기들이 사용된다. 이는, 예컨대 상기 증폭기들이 ±12볼트를 공급받는다는 것을 의미한다. 그러나 보통, 특별한 적용분야들을 위해, 단지 5V의 차동 전압(difference voltage)의 공급 전압 범위를 갖는 증폭기 유형들만이 가용하다(이른바 고속(high speed), 고정밀(high precision) OP). 이는, 대칭식 전압 공급의 경우, 양 및 음의 공급 전압이 단지 ±2.5V이어야만 한다는 것을 의미할 수도 있다. 이는 다수의 기술 적용 사례들에서, 예컨대 MOSFET의 작동 동안 게이트-소스 임계 전압(Gate-Source threshold voltage)을 극복하기에 충분하지 않을 수 있다.
본 발명의 과제는, 흔히 "고속, 고정밀" 유형들로서도 지칭되고 원칙상 비대칭으로 전압을 공급받지만, 그러나 전형적으로 0.3 내지 0.5볼트만큼 전압 범위의 약간의 확장을 허용하면서 상대적으로 더 낮은 작동 전압을 갖는 연산 증폭기들을 위해서도 적합한 연산 증폭기용 전압 공급을 간단한 수단들을 이용하여 제공하는 것에 있다.
상기 과제는, 최초에 언급한 유형의 회로 장치를 기반으로, 두 작동 전압 중 일측 작동 전압의 일측 극부(pole)와 연산 증폭기의 작동 전압 입력단 사이에 기준 전압을 위한 폐루프 제어식 기준 전압원(closed-loop controlled reference voltage source)이 접속되는 것을 통해 해결된다.
본 발명의 적합한 개선예의 경우, 일측 작동 전압의 일측 극부와 연산 증폭기의 작동 전압 입력단 사이에 트랜지스터의 개루프 제어식 작동 구간(open-loop controlled operating section)이 접속되며, 트랜지스터의 제어 전극 상에는 기준 전압을 위한 폐루프 제어식 기준 전압 다이오드가 위치한다.
이 경우, 바람직하게는, 폐루프 제어식 기준 전압 다이오드에는, 그의 기준 변수의 설정을 위해, 트랜지스터의 작동 구간에 인가되는 분압기의 출력 전압이 공급될 수 있다.
또한, 상기의 경우에 대해 적합하게는, 분압기는, 추가로 보호 저항기를 통해, 곧바로 연산 증폭기의 작동 전압 입력단에 인가된 연산 증폭기의 작동 전압에 연결될 수 있다.
제어되는 공급 저전압의 설정이 필요하지 않은 경우, 폐루프 제어식 기준 전압원이 내적인 고정 기준 변수(internal fixed reference variable)를 보유하는 폐루프 제어식 기준 다이오드인 것인 훨씬 더 비용 효과적인 해결책이 선택될 수 있다.
또 다른 장점들과 함께 본 발명은 하기에서 첨부한 도면들에 분명하게 설명되어 있는 예시의 실시형태들에 따라서 더 상세하게 설명된다.
도 1은 종래 기술에 따른 5볼트 연산 증폭기의 비대칭식 전압 공급을 나타낸 개략도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 5볼트 연산 증폭기의 대칭식 전압 공급을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 회로 장치의 제1 실시예를 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 회로 장치의 제2 실시예를 도시한 회로도이다.
도 1에는, 종래 기술에 따른 5볼트 연산 증폭기(OP)의 비대칭식 전압 공급이 개략적으로 도시되어 있다. 연산 증폭기(OP)는 + 및 -로 표시된 2개의 입력단과, 하나의 출력단(a)과, 자신의 전압 공급을 위한 V+ 및 V-로 표시된 2개의 공급 입력단을 포함한다. 입력 회로(E)는, 자신의 출력단이 출력 회로(A)에 연결되어 있는 연산 증폭기(OP)로 신호들을 공급한다. 이런 비대칭식 전압 공급의 경우, 공급 입력단(V-)은 0볼트(제로 전위)에 연결되고 공급 입력단(V+)은 +5볼트에 연결된다.
도 2에는, 도 1과 완전히 유사하게, 종래 기술에 따른 5볼트 연산 증폭기(OP)의 대칭식 전압 공급이 도시되어 있다. 이런 유형의 전압 공급의 경우, 공급 입력단(V-)은 -2.5볼트에 연결되고 공급 입력단(V+)은 +2.5볼트에 연결된다.
이제 본 발명의 제1 실시형태를 설명하기에 앞서, 상술할 사항은, "폐루프 제어식 기준 다이오드"가 본 발명의 범주에서 시중에서 구입할 수 있고 안정된 고정밀 기준 전압을 공급하는 전자 부품들을 의미한다는 점이다. 그 예로는, 기준 전압이 특별한 제3 입력단을 통해 설정될 수 있는 것인, Texas Instruments 사(社)의 구조 유형 TL431 및 TL432(데이터 시트 http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl432a.pdf 참조), 또는 통상의 제너다이오드처럼 오직 2개의 단자만을 포함하고 내적인 고정 기준 변수를 보유하는 Texas Instruments 사(社)의 구조 유형 LM113, LM313 등(데이터 시트 http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm113.pdf 참조)이 있다. 상기 부품들은 내부 폐루프 제어부를 포함하며, 그리고 통상적인 제너다이오드 대신 사용되지만, 그러나 이미 앞서 언급한 것처럼, 일부 구조 유형의 경우 외부에서부터도 기설정될 수 있으면서 훨씬 더 정확하고 예컨대 부하 전류로부터 사실상 독립된 기준 전압을 공급한다.
이제, 도 3을 참조하여, 연산 증폭기(OP)의 전압 공급을 위한 본 발명에 따른 회로 장치의 일 실시예가 도시되되, 상기 연산 증폭기는 + 및 -로 표시된 2개의 입력단과, 하나의 출력단(a)과, 자신의 전압 공급을 위한 V+ 및 V-로 표시된 2개의 공급 입력단을 포함한다. 입력 회로(E)는, 자신의 출력단이 출력 회로(A)에 연결되어 있는 연산 증폭기(OP)로 신호들을 공급한다. 입력 회로(E)와 출력 회로(A)는 제한되지 않으며, 어느 경우에든 상기 회로들의 특성은 오직 연산 증폭기의 전압 공급에만 관련하는 본 발명에 대해서는 중요하지 않다.
본 발명의 실현을 위해, 연산 증폭기는 비대칭식으로 전압을 받아야 하며, 최초에 언급한 것처럼, 연산 증폭기의 출력단을 적어도 0볼트로, 또는 예컨대 100밀리 볼트와 같은 약간 음의 전압으로도 전환할 수 있어야 하며, 이는, 대개 공급 입력단(V-)이 단순히 제로 전위에 연결되어 있다면 불가능하다.
연산 증폭기의 양의 공급 입력단(V+)에는 본 예의 경우 여기서는 +5볼트인 제1 작동 전압(UE)이 인가된다. 음의 공급 입력단(V-)은 pnp 트랜지스터(Q1)의 이미터-콜렉터 구간(e-c)을 통해 여기서는 -5.1볼트인 제2 음의 작동 전압(UA)의 음의 극부에 연결된다. +/-5볼트의 범위인 상기 유형의 작동 전압들은 안정화된 전원 장치들로부터 표준에 따라서 공급된다.
트랜지스터(Q1)의 베이스(b)와 콜렉터(c) 사이에는 기준 전압(UR)을 위한 폐루프 제어식 기준 다이오드(Qref)가 위치하며, 이 기준 다이오드는 본 예의 경우에 제어되는 기준 전압의 설정을 가능하게 하는 제어 입력단(s)을 포함한다. 이미 상기에서 언급한 것처럼, 상기 유형의 제어 입력단은 예컨대 Texas Instruments 사의 구조 유형들 TL431 및 TL432의 경우 제공되어 있다. 상기 제어 입력단으로는, 저항기(R1 및 R2)들에 의해 형성되어 연산 증폭기(OP)의 음의 공급 입력단(V-)과 음의 작동 전압(UA) 사이에 위치하는 분압기의 중앙 전압이 공급된다. 저항기(R3)는 이미터(e)와 베이스(b) 사이에 위치하며, 그리고 저항기(R4)는 양의 제1 작동 전압(UE)에서부터, 저항기(R1 및 R3)들, 이미터(e) 및 음의 공급 입력단(V-)이 위치하는 지점으로 이어진다.
도 3에 따른 회로의 경우, 연산 증폭기(OP)의 음의 공급 입력단(V-)과 접지(제로 전위) 사이에 인가되는 의도되고 제어되는 공급 저전압(UK)은 하기 공식처럼 계산되며, 하기 공식에서 Uref는 트랜지스터(Q1)의 이미터-콜렉터 구간(e-c)에 인가된 기준 전압이다.
Figure pat00001
보호 저항기(R4)는, 부하 전류가 거의 영(0)이 되고 UK는 더 이상 보정될 수 없는 경우, 폐루프 제어를 보장하기 위해 이용된다. 저항기(R1 및 R2)들은, 측정 변수로서 기준 다이오드(Qref)로 보정 변수(UK)를 반송하기 위해 이용된다.
기준 전압(Uref)이 5볼트로 분압기(R1/R2)를 그에 상응하게 치수 설계하는 것을 통해 설정되고 공급 전압(UA)은 -5.1볼트라면, -0.1볼트의 공급 저전압(UK)이 제제공되고 의도되는 결과가 달성된다.
도 4에 도시된 회로는, 도 3에 따른 회로와 달리, 제어 입력단을 포함하지 않으며, 그에 따라 내적인 고정 기준 변수를 이용하는 폐루프 제어식 기준 다이오드를 이용한다. 더 구체적으로 말하면, 상기 예의 경우, "이극" 기준 다이오드(DR)는 연산 증폭기(OP)의 공급 입력단(V-)과 예시에서-1.3볼트인 제어되는 음의 제2 작동 전압(UA) 사이에 위치하며, 그리고 연산 증폭기의 양의 공급 입력단(V+)은 본 예에서 여기서는 +5볼트인 제1 작동 전압(UE)에 연결된다. 그리고 연산 증폭기의 양의 공급 입력단(V+)에서부터는 예컨대 1kOhm의 값을 갖는 저항기(R5)가 기준 다이오드(DR)의 캐소드로 이어진다. 본 예에서, 기준 다이오드로서는, Texas Instruments 사의 "정밀 기준 다이오드(Precision Reference Diode)" LM113이 이용되며, 이 다이오드에 대한 제원은 상기에서 명시한 링크를 통해 호출할 수 있다. 상기 다이오드에 의해, 여기서도 의도되는 -0.1볼트의 공급 저전압(UK)이 달성된다.
도 3 및 도 4에 따른 두 실시예의 공통점은, 연산 증폭기(OP)의 작동 전압 입력단(V-)과 일측 작동 전압(UA)의 일측 극부 사이에 기준 전압(UR)을 위한 폐루프 제어식 기준 전압원이 접속된다는 점에 있다. 도 3에 따른 실시예의 경우, "삼극" 기준 다이오드(Qref) 및 이 기준 다이오드에 의해 활성화되는 트랜지스터(Q1)가 이용되며, 기준 다이오드는 외부에서부터 제어 입력단(s)을 통해 개루프 모드로 제어될 수 있으며, 그에 반해 도 4에 따른 실시예의 경우에는 오직 고정 기준 변수를 갖는 내부 폐루프 제어부를 포함하는 "이극" 기준 다이오드(DR)만이 이용된다.

Claims (5)

  1. 2개의 작동 전압(UE, UA)으로부터 비대칭으로 전압을 공급받는 연산 증폭기(OP)를 위한 제어되는 공급 저전압(UK)을 생성하기 위한 회로 장치로서, 공급 저전압은 작동 전압의 1/10의 크기로 연산 증폭기의 작동 전압 입력단들 중 하나(V-)에 인가되는 것인, 상기 회로 장치에 있어서,
    두 작동 작업(UE, UA) 중 일측 작동 전압(UA)의 일측 극부와 상기 연산 증폭기(OP)의 작동 전압 입력단(V-) 사이에 기준 전압(UR)을 위한 폐루프 제어식 기준 전압원(Q1 + Qref; DR)이 접속되는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
  2. 제1항에 있어서, 일측 작동 전압(UA)의 상기 일측 극부와 상기 연산 증폭기(OP)의 작동 전압 입력단(V-) 사이에 트랜지스터(Q1)의 개루프 제어식 작동 구간(e-c)이 접속되며, 상기 트랜지스터의 제어 전극(b) 상에는 기준 전압(UR)을 위한 폐루프 제어식 기준 전압 다이오드(Qref)가 위치하는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 폐루프 제어식 기준 전압 다이오드(Qref)에는, 그의 기준 변수의 설정을 위해, 상기 트랜지스터(Q1)의 작동 구간(e-c)에 인가되는 분압기(R1, R2)의 출력 전압이 공급되는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 분압기는, 추가로 보호 저항기(R4)를 통해, 곧바로 상기 연산 증폭기(OP)의 작동 전압 입력단(V+)에 인가된 상기 연산 증폭기(OP)의 작동 전압(UE)에 연결되는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 폐루프 제어식 기준 전압원은 내적인 고정 기준 변수를 보유하는 폐루프 제어식 기준 다이오드(DR)인 것을 특징으로 하는 회로 장치.
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