KR960011406B1 - Operational transconductance amp - Google Patents
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Abstract
Description
제1도는 종래의 연산 트랜스콘덕턴스 증폭기(OTA)를 도시한 회로도이다.1 is a circuit diagram showing a conventional operational transconductance amplifier (OTA).
제2도는 본 발명에 의한 연산 트랜스콘덕턴스 증폭기(OTA)를 도시한 회로도이다.2 is a circuit diagram showing an operational transconductance amplifier (OTA) according to the present invention.
제3도는 본 발명에 의한 OTA의 출력임피던스와 종래의 OTA의 출력임피던스를 도시한 그래피이다.3 is a graph showing the output impedance of the OTA according to the present invention and the output impedance of the conventional OTA.
제4도는 전원전압의 변동에 따른 본 발명 및 종래의 OTA의 출력전류의 변동을 도시한 그래프이다.4 is a graph showing the variation of the output current of the present invention and the conventional OTA according to the variation of the power supply voltage.
본 발명은 개선된 연산 트랜스콘덕턴스 증폭기 (OTA : Operational Transconductance Amplifier)에 관한 것으로, 특히 부궤환을 이용하여 출력임피던스를 개선한 연산 트랜스콘덕턴스 증폭기(OTA)에 관한 것이다.The present invention relates to an improved operational transconductance amplifier (OTA), and more particularly to an operational transconductance amplifier (OTA) with improved output impedance using negative feedback.
연산 연산 트랜스콘덕턴스 증폭기(OTA)는 통신 및 각종 신호처리분야 예를 들면, OTA－C필터와 같은 회로에 널리 사용되는 기본회로이다. 이러한 OTA는 입력전압을 수신하여 OTA의 트랜스콘덕턴스로 정의되는 소정 이득의 전류를 제공한다.Operational Operational Transconductance Amplifiers (OTAs) are basic circuits widely used in communications and various signal processing applications, such as, for example, OTA-C filters. This OTA receives the input voltage and provides a current of a certain gain defined by the transconductance of the OTA.
여기서 트랜스콘덕턴스, gm은 다음 식1과 같이 입력전압 변동에 대한 출력전류의 변동비로 정의된다.The transconductance, gm, is defined as the ratio of the variation of the output current to the variation of the input voltage, as shown in Equation 1 below.
여기서, △Io는 출력전류의 변동이고, △Vi는 입력전류의 변동이다.ΔIo is the variation of the output current, and ΔVi is the variation of the input current.
이상적인 OTA는 연산증폭기와 같이 무한대의 입력임피던스와 무한대의 출력임피던스를 가지고 있다. 또한 OTA의 선형성은 전체 고조파 왜곡(THD)에 대한 신호의 비로서 표현되고, 다이나믹 레인지는 주어진 전원전압에서 입력전압의 범위로 나타낸다. 그런데, 실제적인 OTA에서 입력 임피던스와 출력 임피던스는 유한한 값을 갖는다.An ideal OTA has an infinite input impedance and an infinite output impedance like an operational amplifier. The linearity of the OTA is also expressed as the ratio of the signal to the total harmonic distortion (THD), and the dynamic range is expressed as the range of input voltage at a given supply voltage. However, in actual OTA, input impedance and output impedance have finite values.
제1도는 종래의 OTA를 도시한 회로도이다. 종래의 OTA는 에미터가 공통 접속된 트랜지스터쌍으로 된 차동증폭기(Q1,Q2)와, 에미터의 공통접속점과 접지사이에 연결되는 정전류원(IEE)과, 트랜지스터쌍(Q1,Q2)의 한 트랜지스터(Q1)의 콜랙터와 접지사이에 연결되는 정전압원(Vref)과, 트랜지스터쌍(Q1,Q2)의 타 트랜지스터(Q2)의 콜랙터와 전원(Vcc) 사이에 연결되는 능동부하부(Q3,Q4)와, 능동부하부(Q3,Q4)와 접지사이에 연결되는 바이어스저항(R1)을 구비하여 입력전압(Vi)을 전류신호(Io)로 출력한다. 또한, 능동부하부의 트랜지스터의 에미터는 각각 저항(R2,R3)을 통해 전원(Vcc)에 연결된다.1 is a circuit diagram showing a conventional OTA. Conventional OTAs include differential amplifiers (Q1, Q2) of transistor pairs with commonly connected emitters, constant current source (I EE ) connected between the common connection point of the emitter and ground, and transistor pairs (Q1, Q2). A constant voltage source Vref connected between the collector of one transistor Q1 and ground, and an active load unit connected between the collector of the other transistor Q2 of the transistor pair Q1 and Q2 and the power supply Vcc ( Q3 and Q4 and a bias resistor R1 connected between the active load portions Q3 and Q4 and ground output the input voltage Vi as a current signal Io. In addition, the emitters of the transistors of the active load are connected to the power supply Vcc through resistors R2 and R3, respectively.
즉, 종래의 OTA의 입력전압(Vi)을 각각의 베이스로 입력하고 공통 에미터 연결점을 가지는 트랜지스터 Q1, Q2와, 능동부하를 형성하기 위하여 트랜지스터 Q2의 콜랙터와 콜랙터가 접속되는 트랜지스터 Q3와, 트랜지스터 Q3의 공통 베이스 연결점을 가지며 베이스와 콜랙터간에 연결되어 정전류원을 형성하는 트렌지스터 Q4와, 트랜지스터 Q4의 콜랙터와 접지사이에 연결되어 바이어스전류를 결정하는 저항 R1과, 트랜지스터 Q1의 콜랙터와 접지사이에 연결되는 정전압원 Vref과, 에미터 공통 연결점과 접지사이에 연결되는 정전류원 IEE과 트랜지스터 Q3, Q4의 에미터를 Vcc에 연결하는 저항 R1, R2로 구성된다.That is, transistors Q1 and Q2 which input the input voltage Vi of the conventional OTA to each base and have a common emitter connection point, and transistors Q3 to which the collector and the collector of transistor Q2 are connected to form an active load. A transistor Q4 having a common base connection point of the transistor Q3 and connected between the base and the collector to form a constant current source, a resistor R1 connected between the collector and the ground of the transistor Q4 to determine the bias current, and the collector of the transistor Q1. It consists of a constant voltage source Vref connected between and ground, a constant current source I EE connected between the emitter common connection point and ground, and resistors R1 and R2 connecting the emitters of transistors Q3 and Q4 to V cc .
이러한 구성에서 출력전류 io는 트랜지스터 Q4와 트랜지스터 Q3의 공통 콜랙터 연결점을 통해 출력된다. 이때 OTA의 출력임피던스(Rout)는 다음식1과 같이 NPN트랜지스터 Q2와 NPN트랜지스터 Q3의 출력저항의 병렬로 구해진다.In this configuration, the output current io is output through the common collector connection point of transistor Q4 and transistor Q3. At this time, the output impedance Rout of the OTA is obtained in parallel with the output resistance of the NPN transistor Q2 and the NPN transistor Q3 as shown in Equation 1 below.
여기서, RoutQ2=rooutQ2이고, RoutQ3=rooutQ3(1+R2) 이며, rooutQ2는 NPN트랜지스터 Q2의 콜랙터 자체 출력저항이고, rooutQ3는 NPN트랜지스터 Q3의 콜랙터 자체 출력저항이다.Here, Rout Q2 = ro outQ2 , Rout Q3 = ro outQ3 (1 + R2), ro outQ2 is the collector's own output resistance of NPN transistor Q2, and ro outQ3 is the collector's own output resistance of NPN transistor Q3.
또한, 각 트랜지스터의 콜랙터 자체 출력저항은 각 출력저항은 각 트랜지스터의 얼리전압(early voltage)을 각 트랜지스터의 콜랙터 전류로 나눈값이다.In addition, the collector's own output resistance of each transistor is a value obtained by dividing the early voltage of each transistor by the collector current of each transistor.
한편, 이러한 능동부하의 출력저항은 트랜지스터 콜랙터 전류와 에미터에 연결된 저항에 의해서 결정되므로 그 크기에 한계가 있고, 이에 따라 OTA의 출력임피던스도 어느 정도 제한되는 문제점이 있었다.On the other hand, since the output resistance of the active load is determined by the transistor collector current and the resistance connected to the emitter, there is a limit in the size thereof, and thus the output impedance of the OTA is also limited to some extent.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 출력임피던스를 높힌 연산 트랜스콘덕턴스 증폭기(OTA)를 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an operational transconductance amplifier (OTA) with a higher output impedance in order to solve the above problems.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는 에미터가 공통 접속된 트랜지스터쌍을 갖는 차동증폭기와, 상기 에미터와 접지사이에 연결되는 정전류원과, 상기 트랜지스터쌍의 한 트랜지스터의 콜랙터와 접지사이에 연결되는 정전압과, 상기 트랜지스터쌍의 타트랜지스터의 콜랙터와 전원(Vcc)사이에 연결되는 능동부하 수단과, 상기 능동부하수단과 접지사이에 연결되는 바이어스저항을 구비하여 입력전압을 전류신호로 출력하는 연산 트랜스콘덕턴스 증폭기(OTA)에 있어서, 상기 능동부하수단은 다이오드 연결되어 콜랙터－베이스간 전압을 제로로 하는 제1트랜지스터와, 상기 제1트랜지스터와 베이스가 공통 접속되고 콜랙터가 상기 바이어스저항에 연결되는 제2트랜지스터와, 상기 제1트랜지스터와 상기 차동증폭기의 사이에 연결되어 베이스가 상기 바이어스저항과 제2트랜지스터의 연결점에 접속되는 제3트랜지스터를 포함하는 부궤환회로를 구비하여 상기 OTA의 출력저항을 증가시키는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a differential amplifier having a common pair of transistors having an emitter, a constant current source connected between the emitter and ground, a collector of one transistor of the transistor pair, A constant voltage connected between the ground, an active load means connected between the collector and the power supply (V cc ) of the other transistors of the transistor pair, and a bias resistor connected between the active load means and the ground to obtain an input voltage. In an operational transconductance amplifier (OTA) for outputting a current signal, the active load means is diode-connected so that a first transistor having a zero voltage between the collector and the base, and the first transistor and the base are commonly connected, A racter is connected between the second transistor connected to the bias resistor, and between the first transistor and the differential amplifier. The device is provided with a negative feedback circuit including a third transistor connected to said bias resistor and a connection point of the second transistor is characterized in that to increase the output resistance of the OTA.
이어서, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Next, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제2도는 본 발명에 의한 OTA를 도시한 회로도이다.2 is a circuit diagram showing an OTA according to the present invention.
본 발명에 의한 OTA는 종래의 OTA회로에서 능동부하에 부궤환회로를 부가하여 OTA의 출력임피던스를 대폭 향상시킨 것이다. 이를 위하여 본 발명의 구성은 제1도에 도시된 회로구성에서 트랜지스터 Q3와 트랜지스터 Q4로 구성된 능동부하를 제2도에 도시된 바와 같이 트랜지스터 Q3, Q4, Q5로 구성된 부궤환을 갖는 능동부하로 개선한 점에서 종래의 구성과 차이가 있다. 따라서, 본 발명과 종래의 구성에서 동일한 부분은 동일한 참조부호로 표기하여 자세한 설명은 생략하고, 차이점은 새로운 참조부호를 부여하여 상세히 설명한다.OTA according to the present invention significantly improves the output impedance of the OTA by adding a negative feedback circuit to the active load in the conventional OTA circuit. To this end, the configuration of the present invention improves the active load composed of transistors Q3 and Q4 in the circuit configuration shown in FIG. 1 to the active load having negative feedback composed of transistors Q3, Q4, and Q5 as shown in FIG. There is a difference from the conventional configuration in one respect. Therefore, in the present invention and the conventional configuration, the same parts are denoted by the same reference numerals, and thus detailed descriptions are omitted, and differences will be described in detail by giving new reference numerals.
본 발명에 의한 부궤환을 갖는 능동부하는 각각의 에미터가 저항 R1과 저항 R2를 통해 Vcc에 연결되고 베이스가 상호 공통 연결되며, 콜랙터가 저항 R1에 연결되는 제2트랜지스터 Q5 및 다이오드 연결된 제1트랜지스터 Q4와, 제1트랜지스터 Q4의 콜랙터에 에미터가 접속되고 입력단 트랜지스터 Q2의 콜랙터에 콜랙터가 연결되며 베이스가 바이어스 저항 R1과 제2트랜지스터 Q5의 콜랙터 접속점에 연결되는 제3트랜지스터 Q3로 구성되어 부궤환에 의해 제3트랜지스터 Q3의 출력저항이 증가하여 OTA의 출력임피던스를 증가시킨다.The active load with negative feedback according to the present invention is diode-connected with a second transistor Q5 with each emitter connected to V cc via a resistor R1 and a resistor R2, the bases being connected to each other, and a collector connected to a resistor R1. A third emitter connected to the first transistor Q4 and the collector of the first transistor Q4, a collector connected to the collector of the input transistor Q2, and a base connected to the collector connection point of the bias resistor R1 and the second transistor Q5; The output resistance of the third transistor Q3 is increased due to the negative feedback, which increases the output impedance of the OTA.
제2도에 있어서, 궤환이득 GFB는 근사식으로 다음 식2와 같이 구할 수 있다.In FIG. 2, the feedback gain G FB is an approximation equation and can be obtained as shown in Equation 2 below.
여기서, re3는 트랜지스터 Q3의 베이스－에미터간의 다이나믹 저항을 나타내고, rd4는 다이오드 연결된 트랜지스터 Q4의 다이오드 저항을 나타내고, re5는 트랜지스터 Q5의 베이스－에미터간의 다이나믹 저항을 나타내고,는 트랜지스터 Q3의 순방향전류이득을 나타낸다. 만약, rd4=re5, R2=R3라면, 상기 식2는Where re3 represents the base-emitter dynamic resistance of transistor Q3, rd4 represents the diode resistance of diode-connected transistor Q4, re5 represents the base-emitter dynamic resistance of transistor Q5, Denotes the forward current gain of transistor Q3. If rd4 = re5 and R2 = R3, Equation 2 is
로 나타내며라면, 궤환이득은Represented by Ramen, feedback gain
가 된다.Becomes
이와 같이 본 발명의 부궤환에 의해 제3트랜지스터 Q3의 콜랙터 자체 출력저항 RoutQ3를 궤환이득 만큼 증가시키는 효과를 가져오며, 이를 식으로 표현하면 다음 식5와 같다.In this manner it brings an effect of increasing the present invention as by the negative feedback of the third transistor Q3 of gain collector feeds back its output resistance Rout Q3, and can also be represented by the formula shown in the following expression (5).
따라서, 본 발명에 의한 OTA의 출력임피던스는 다음 식6과 같다.Therefore, the output impedance of the OTA according to the present invention is given by the following equation.
상기 식6을 종래의 상기 식1과 비교하면, 제3트랜지스터 Q3에 흐르는 전류가 같은 경우에 출력임피던스가 증가한 것을 알 수 있다. 또한 출력임피던스를 크게 증가하므로써 제3트랜지스터 Q3의 콜랙터와 에미터간의 전압의 변화에 따라 출력되는 전류의 변동이 매우 적은 것을 알 수 있다.Comparing Equation 6 with the conventional Equation 1, it can be seen that the output impedance is increased when the current flowing through the third transistor Q3 is the same. In addition, as the output impedance is greatly increased, it can be seen that the variation of the output current is very small due to the change of the voltage between the collector and the emitter of the third transistor Q3.
제3도는 종래의 OTA 본 발명에 의한 OTA의 출력저항을 비교한 그래프이다. 제3도에 있어서, 횡축은 주파수(Hz)를 나타내고, 종축은 출력임피던스(Zo=Rout)의 크기를 나타낸다. 또한, 그래프 G1은 본 발명에 의한 OTA의 출력임피던스를 나타내고, 그래프 G2는 종래의 OTA의 출력임피던스를 나타낸다. 제4도의 그래프 G1, G2를 비교해 보면, 본 발명에 의해 출력임피던스가 종래에 비해 훨씬 커진 것을 알 수 있다.3 is a graph comparing the output resistance of the OTA according to the present invention. In FIG. 3, the horizontal axis represents frequency (Hz) and the vertical axis represents the magnitude of the output impedance (Zo = Rout). In addition, graph G1 shows the output impedance of the OTA according to the present invention, and graph G2 shows the output impedance of the conventional OTA. Comparing the graphs G1 and G2 of FIG. 4, it can be seen that the output impedance is much larger than the conventional one by the present invention.
제4도는 종래의 OTA의 본 발명에 의한 OTA에서 전원전압(Vcc)에 따른 출력전류(Io)의 변동을 비교한 그래피이다. 제4도에 있어서, 횡축은 전원전압 Vcc의 크기를 나타내고, 종축은 출력전류(Io)의 크기를 나타낸다.4 is a graph comparing the variation of the output current Io according to the power supply voltage Vcc in the OTA according to the present invention of the conventional OTA. In Fig. 4, the horizontal axis represents the magnitude of the power supply voltage Vcc, and the vertical axis represents the magnitude of the output current Io.
또한, 그래프 G3는 궤환을 포함하는 본 발명에 의한 OTA의 출력전류(Io)를 나타내고, 그래프 G4는 종래의 OTA의 출력전류(Io)를 나타낸다. 그래프 G3, G4를 비교해 보면, 종래의 출력전류(Io)는 전원전압에 따라 다소 민감하게 변동하는 반면에, 본 발명에 의한 출력전류(Io)는 전원전압(Vcc)의 변동에 별로 영향을 받지 않아 보다 안정적으로 동작하는 것을 알 수 있다.In addition, graph G3 shows the output current Io of the OTA according to the present invention including feedback, and graph G4 shows the output current Io of the conventional OTA. Comparing the graphs G3 and G4, while the conventional output current Io fluctuates somewhat sensitively according to the power supply voltage, the output current Io according to the present invention is not influenced by the fluctuation of the power supply voltage Vcc. It can be seen that it works more stably.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의해 출력임피던스가 증가한 개선된 OTA를 용이하게 구현할 수 있고 이를 응용하여 필터등을 구현하면 특성을 향상시키는 효과가 있다. 또한 본 발명에 의한 OTA는 전원전압의 변동에도 보다 안정되게 동작하는 효과가 있다.As described above, an improved OTA having an increased output impedance can be easily implemented by the present invention, and by applying the filter, the filter has an effect of improving characteristics. In addition, the OTA according to the present invention has an effect of operating more stably even when the power supply voltage is changed.
Claims (1)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1019940007533A KR960011406B1 (en) | 1994-04-11 | 1994-04-11 | Operational transconductance amp |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1019940007533A KR960011406B1 (en) | 1994-04-11 | 1994-04-11 | Operational transconductance amp |
Publications (2)
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Family
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Family Applications (1)
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Country Status (1)
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| KR (1) | KR960011406B1 (en) |
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- 1994-04-11 KR KR1019940007533A patent/KR960011406B1/en not_active IP Right Cessation
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| KR950030470A (en) | 1995-11-24 |
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