KR960014199B1 - Analog multiplication circuits - Google Patents
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Abstract
Description
제1도는 종래의 아날로그 곱셈기.1 is a conventional analog multiplier.
제2a도 및 제2b도는 각각 NMOS와 GaAs FET의 전압-전류 동작특성 그래프도.2a and 2b are graphs of voltage-current operating characteristics of NMOS and GaAs FETs, respectively.
제3도는 본 발명의 일실시예시도.3 is an embodiment of the present invention.
제4도는 본 발명의 다른 실시예시도.4 is another exemplary embodiment of the present invention.
제5a도 내지 제5c도는 순수 COMS 공정에서 만들어지는 기생 바이폴라 트랜지스터의 구조도.5A through 5C are structural diagrams of parasitic bipolar transistors made in a pure COMS process.
제6도는 본 발명의 또 다른 실시예시도.6 is another embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
ROUT: 출력저항 Q1 내지 Q4: 제1내지 제4바이폴라 트랜지스터ROUT: output resistance Q1 to Q4: first to fourth bipolar transistors
M1 내지 M4: 제1내지 제4 NMOS FET, G1 내지 G8: 제1내지 제8 GaAs FET IB: 전류원M1 to M4: first to fourth NMOS FETs, G1 to G8: first to eighth GaAs FETs IB: current source
본 발명은 BiCMOS공정 또는 CMOS공정에서 만들어지는 바이폴라 트랜지스터와 CMOS 트랜지스터, 그리고 GaAs FET를 이요하여 구현된 아날로그 곱셈기 회로에 관한 것이다.The present invention relates to an analog multiplier circuit implemented using a bipolar transistor, a CMOS transistor, and a GaAs FET made in a BiCMOS process or a CMOS process.
최근 대규모 집적회로 기술이 발달하면서 많은 복잡한 회로들을 하나의 칩으로 집적화시키게 되었으며, 특히 CMOS 기술이 발달하면서 디지털 회로와 아날로그 회로가 혼재된 신호 처리용 칩들이 생산되게 되었다. 그리고 통신용 회로 또는 신경망회로, 필터, 전압이득제어(Voltage-gain control)회로들을 구현시키는 경우, 아날로그 회로가 들어가게 되는 경우가 있으며, 이때 아날로그 곱셈기를 필요로 하게 된다.Recently, with the development of large-scale integrated circuit technology, many complex circuits have been integrated into one chip. Especially, with the development of CMOS technology, signal processing chips having mixed digital and analog circuits have been produced. In the case of implementing a communication circuit or neural network circuit, a filter, and a voltage-gain control circuit, an analog circuit may enter, and an analog multiplier is required.
지금까지 집적회로상에서 구현되는 아날로그 곱셈기가 많이 제안되어 왔고, 이에 따른 곱셈기 회로의 설계기술은 많은 발전을 해왔으며, 사용되는 소자 또한 바이폴라 트랜지스터에서 CMOS 트랜지스터 회로등 다양한 구조를 갖는 회로들이 제안되어 왔다.Until now, many analog multipliers implemented on integrated circuits have been proposed, and the design technology of the multiplier circuits has developed a lot, and circuits having various structures such as bipolar transistors and CMOS transistor circuits have been proposed.
또한, 현재 고속의 속도를 갖는 회로들에 대한 연구가 진행되고 있으며, 이에 따라 고속의 반도체 소자 개발에 많은 시간과 노력을 기울이고 있다. 특히 고속으로 동작하는 소자인 GaAs FET가 개발되어, 이 소자를 이용한 고속동작 회로들이 무선통신, MMIC(Microwave Monolithic IC)등에 많은 응용이 되고 있다.In addition, research is being conducted on circuits having high speeds. Accordingly, much time and effort has been devoted to the development of high speed semiconductor devices. In particular, GaAs FET, which is a device that operates at high speed, has been developed, and high-speed operation circuits using this device have many applications in wireless communication, MMIC (Microwave Monolithic IC), and the like.
종래의 곱셈기의 구조는 일반적으로 제1도와 같이 Gibert가 제안한 Gibert셀(cell)구조의 아날로그 곱셈기이다. 이 구조는 순수한 바이폴라 트랜지스터를 이용한 것으로 입력측에 인가되는 전압범위가 매우 적다는 결점과 순수 바이폴라 공정만을 이용하므로 CMOS 공정에서는 이용하기가 어렵다는 것이고, 바이폴라 트랜지스터를 이용함으로 인한 처리속도의 한계가 있었다.The structure of the conventional multiplier is generally an analog multiplier of Gibert cell structure proposed by Gibert. This structure uses a pure bipolar transistor, which has a drawback that the voltage range applied to the input side is very small, and it is difficult to use in a CMOS process because only a pure bipolar process is used, and there is a limitation in processing speed due to the use of a bipolar transistor.
따라서, 상기 종래의 곱셈기가 갖는 문제점을 해결하고자 안출된 본 발명은 아날로그 기능과 디지털 기능이 하나의 칩으로 만들어지면서, 전력소모가 작고, 칩내에서 작은 면적으로 구현되며, 고속의 처리 속도를 갖게한 아날로그 곱셈기를 제공함에 그 목적이 있다.Therefore, the present invention devised to solve the problems of the conventional multiplier is made of a single chip analog and digital functions, the power consumption is small, implemented in a small area in the chip, and has a high processing speed The purpose is to provide an analog multiplier.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은; 곱셈출력전압을 출력하도록 출력저항을 통해 양(+) 공급전원에 연결되어 입력전압을 버퍼링하기 위해 승수(피승수)의 신호값을 입력하는 버퍼링 수단과, 상기 버퍼링 수단에 드레인단이 각가 연결되어 버퍼링된 승수(피승수)의 신호값을 전달받고, 제이트단으로는 피승수(승수)의 신호값을 입력받아 곱셈연산을 수행하는 제1내지 4 NMOS FET, 및 상기 제1내지 4 NMOS FET의 각 소오스단에 공통으로 일단이 연결되고 타단은 음(-)공급전원에 연결되어 바이어스 전류를 제공하는 바이어스 전류원을 구비한다.The present invention to achieve the above object; Buffering means for inputting a signal value of a multiplier (multiplier) to output a multiply output voltage through an output resistor and buffering an input voltage, and a drain end connected to the buffering means for buffering A first to four NMOS FETs for receiving a multiplier signal value and a multiplicative operation by receiving a multiplier signal value for the second stage, and each source stage of the first to four NMOS FETs; Has a bias current source connected in common to one end and the other end connected to a negative supply to provide a bias current.
그리고, 상기 버퍼링 수단은, 승수(피승수) 신호값을 베이스단으로 입력받고 컬렉터단은 곱셈 출력전압을 출력하도록 출력저항을 통해 양(+) 공급전원에 연결되고 에미터단은 곱셈연산을 수행하는 제1 내지 제4 NMOS FET의 각 드레인단에 연결되는 제1내지 제4바이폴라 트랜지스터를 구비한다.The buffering means is configured to receive a multiplier (multiplier) signal value at the base end, and the collector end is connected to a positive supply power through an output resistor, and the emitter end performs a multiplication operation. First to fourth bipolar transistors are connected to the respective drain terminals of the first to fourth NMOS FETs.
또한, 상기 버퍼링 수단은, 승수(피승수)신호값을 베이스단으로 입력받고 제1컬렉터단은 곱셈 출력전압을 출력하도록 출력저항을 통해 양(+) 공급전원에 연결되고, 제2컬렉터단은 직접 양(+) 공급전원에 연결되고, 에미터단은 곱셈연산을 수행하는 제1 내지 제4 NMOS FET의 각 드레인단에 연결되는 제1내지 제4바이폴라 트랜지스터를 구비할 수도 있다.In addition, the buffering means, the multiplier (multiplier) signal value is input to the base stage and the first collector stage is connected to the positive supply power supply through the output resistor to output the multiplication output voltage, the second collector stage is directly The emitter stage may be provided with first to fourth bipolar transistors connected to positive supply power and connected to respective drain stages of the first to fourth NMOS FETs to perform multiplication operations.
또한, 본 발명은 다른 실시예로서, 곱셈출력전압을 출력하도록 출력저항을 통해 양(+) 공급전원에 연결되며 입력전압을 버퍼링하기 위해 승수(또는 피승수)의 신호값을 입력하는 버퍼링 수단과, 상기 버퍼링 수단에 드레인단이 각각 연결되어 버퍼링된 승수(또는 피승수)의 신호값을 전달받고, 게이트단으로는 피승수(또는 승수)의 신호값을 입력받아 곱셈연산을 수행하는 제1내지 제4 GaAs FET, 및 상기 제 1내지 제4 GaAs FET의 각 소오스단에 공통으로 일단이 연결되고 타단은 음(-) 공급전원에 연결되어 바이어스 전류를 제공하는 바이어스 전류원을 구비할 수 있다.In another embodiment, the present invention provides a buffering means connected to a positive supply power through an output resistor to output a multiply output voltage, and for inputting a multiplier (or multiplier) signal value to buffer the input voltage. A first to fourth GaAs having a drain terminal connected to the buffering means to receive a buffered multiplier (or multiplier) signal value, and a gate terminal to receive a multiplier (or multiplier) signal value and perform multiplication operation. A FET and a bias current source having one end connected in common to each source terminal of the first to fourth GaAs FETs, and the other end connected to a negative supply, may provide a bias current.
그리고, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 버퍼링 수단은, 승수(피승수) 신호값을 게이트단으로 입력받고 드레인단은 곱셈출력전압을 출력하도록 출력저항을 통해 양(+) 공급전원에 연결되고 소오스단은 곱셈연산을 수행하는 제1 내지 제4 GaAs FET의 각 드레인단에 연결되는 제5 내지 제8 GaAs FET를 구비한다.In another embodiment of the present invention, the buffering means receives a multiplier (multiplier) signal value at the gate terminal and the drain terminal is connected to a positive supply power through an output resistor to output a multiplication output voltage. The source terminal includes fifth to eighth GaAs FETs connected to respective drain terminals of the first to fourth GaAs FETs to perform multiplication operations.
이하, 첨부된 제2도 이하를 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제2a도 및 제2b도는 각각 NMOS FET 및 GaAs FET의 전압-전류 동작 특성 그래프이다.2A and 2B are graphs of voltage-current operating characteristics of NMOS FETs and GaAs FETs, respectively.
본 발명에 따라 아날로그 곱셈기는 제2a도 제2b도와 같은 NMOS FET의 입출력전압-전류 특성 및 GaAs FET의 입출력전압-전류 특성을 이용한 것으로서, 특히 선형영역에 있을 경우의 특성을 이용한 것이다.According to the present invention, the analog multiplier uses the input / output voltage-current characteristics of the NMOS FETs and the input / output voltage-current characteristics of the GaAs FETs, as shown in FIGS.
먼저 NMOS FET 및 GaAs FET의 각 동작영역에서의 동작 특성을 살펴보면 다음과 같다.First, the operation characteristics of each NMOS FET and GaAs FET in the operation region are as follows.
첫째, 차단영역에서는 게이트-소오스간에 인가되는 전압의 크기가 작은 경우이며, 이때 드레인-소오스 사이에 흐르는 전류는 0이 된다.First, in the blocking region, the voltage applied between the gate and the source is small. At this time, the current flowing between the drain and the source becomes zero.
둘째, 선형영역에서는 게이트-소오스간에 인가되는 전압이 크고 드레인-소오스간에 인가되는 전압이 매우 작은 경우이며, 이때 드레인-소오스 사이에 흐르는 전류는 게이트-소오스간의 전압과 드레인-소오스간에 인가되는 전압에 의존하게 되며, 전압제어 저항과 같은 역할을 하게 된다.Second, in the linear region, the voltage applied between the gate and the source is very small and the voltage applied between the drain and the source is very small. At this time, the current flowing between the drain and the source is applied to the voltage applied between the gate and the source and between the drain and the source. It depends, and acts like a voltage control resistor.
셋째, 포화영역에서는 게이트-소오스간에 인가되는 전압이 드레인-소오스간에 인가되는 전압보다 작은 경우이고, 이때 드레인-소오스에 흐르는 전류는 게이트-소오스간에 인가되는 전압에만 의존한다.Third, in the saturation region, the voltage applied between the gate and the source is smaller than the voltage applied between the drain and the source, and the current flowing through the drain and source depends only on the voltage applied between the gate and the source.
그리고 각 동작영역에서의 전압-전류 관계식 및 조건들을 살펴보면 다음과 같다.And the voltage-current relationship and conditions in each operating region are as follows.
차단영역Blocking area
조건:(VGS-VTn)0Condition: (V GS -V Tn ) 0
전류식: IDS=0Current formula: I DS = 0
선형영역Linear region
조건:(VGS-VTn)VDS Condition: (V GS -V Tn ) V DS
전류식: IDS=〔(VGS-VTn)VDS-1/2V2 DS〕Current formula: I DS = ((V GS -V Tn ) V DS -1 / 2V 2 DS )
포화영역Saturation Zone
조건:(VGS-VTn)VDS Condition: (V GS -V Tn ) V DS
전류식: IDS=C(VGS-VTn)2Current formula: I DS = C (V GS -V Tn ) 2
여기서, IDS=드레인-소오스간에 흐르는 전류Where I DS = current flowing between drain and source
=전달 콘덕턴스 파라미터 = Transmission conductance parameter
VGS=게이트-소오스간 인가전압V GS = Gate-source applied voltage
VDS=드레인-소오스간 인가전압V DS = Drain-source applied voltage
VTn=NMOS FET 및 GaAs FET의 스레시홀드(threshold)전압이다.V Tn = threshold voltage of the NMOS FET and GaAs FET.
상기의 전압-전류관계를 제2a도 및 제2b도에서는 VGS와 VDS의 관계로 나타낸 것이다.The voltage-current relationship is shown as the relationship between V GS and V DS in FIGS. 2A and 2B.
본 발명은 각 FET의 선형 영역에서의 동작을 이용하는 것으로, 제3도는 본 발명의 일실시예에 따른 아날로그 곱셈기의 전체구성을 나타낸다.The present invention utilizes operation in the linear region of each FET, and FIG. 3 shows the overall configuration of an analog multiplier according to an embodiment of the present invention.
본 발명에 따른 일실시예에는 제3도에 도시한 바와 같이, 양(+) 공급전원에 연결된 출력저항(ROUT)과, 입력전압을 버퍼링하기 위한 바이폴라 트랜지스터 Q1 내지 Q4와, 곱셈 연산을 위한 NMOS FET M1 내지 M4, 및 전체 회로에 바이어스 전류를 공급하는 바이어스 전류원 IB을 구비한다. 도면에서 미 설명부호 VDD, Vss는 양, 음의 공급전원, V+ X, V- Y는 곱셈에서의 승수(피승수)입력신호, V+ Y, V- Y는 피승수(승수) 입력신호, V+ OUT, V- OUT는 출력 전압신호를 나타내며, V1내지 V5는 각 절점에서의 전압을 나타낸다.According to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, an output resistor R OUT connected to a positive supply power, bipolar transistors Q1 to Q4 for buffering an input voltage, and a multiplication operation NMOS FETs M1 to M4 and a bias current source I B for supplying a bias current to the entire circuit. In the drawing, reference numerals V DD , V ss are positive and negative supply power, V + X and V - Y are multiplier (multiplier) input signals in multiplication, and V + Y and V - Y are multiplier (multiplier) input signals. , V + OUT and V - OUT represent output voltage signals, and V 1 to V 5 represent voltages at each node.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 일실시예의 정상적인 동작은 다음과 같다.Normal operation of the embodiment according to the present invention configured as described above is as follows.
공급전원(VDD,VSS)과 바이어스 전류원(I)에 전류가 흐르게 되면 각 바이폴라 트랜지스터(Q1 내지 Q4)와, NMOS FET (M1 내지 M4)에 전류가 흐르게 되며, 회로에 입력전압인 승수(피승수) 신호전압 VX(V+ X, V- X)와 피승수(승수) 신호전압 VY(V+ Y, V- Y)의 신호가 인가되면, 바이폴라 트랜지스터(Q1내지 Q4)는 입력전압을 버퍼링하게 되는데, 이때 바이폴라 트랜지스터(Q1내지 Q4)의 에미터측은 베이스에 인가되는 승수(피승수)신호전압(V+ X)을 약 0.6 내지 0.7V 정도로 레벨 쉬프트 시키게 되고, 이 전압은 NMOS FET (M1 내지 M4)의 드레인 측으로 인가된다.Supply power (V DD , V SS ) and bias current source (I Current flows through each of the bipolar transistors Q1 through Q4 and the NMOS FETs M1 through M4, and the multiplier (multiplier) signal voltage V X (V + X , V - X ), which is the input voltage to the circuit. ) And the multiplicand (multiplier) signal voltages V Y (V + Y , V - Y ) are applied, the bipolar transistors (Q1 to Q4) buffer the input voltage, where the emi of the bipolar transistors (Q1 to Q4) The terminator level shifts the multiplier (multiplier) signal voltage V + X applied to the base to about 0.6 to 0.7 V, and this voltage is applied to the drain side of the NMOS FETs M1 to M4.
NMOS FET (M1 내지 M4)의 게이트에 피승수(승수) 신호전압(V+ Y, V- Y)이 인가되고, 이 신호의 동상신호가 드레인에 인가되는 전압의 동상신호보다 높게되면 NMOS FET (M1 내지 M4)의 동작영역은 선형영역데 들어가게 되어, 상기에서 기술한 바와 같이 전압-제어 저항과 같은 특성을 갖게 되고, 이때의 출력 전류는 근사적으로 게이트의 입력전압(V+ Y, V- Y)과 드레인에 인가되는 전압의 곱으로 표현되어 입력신호의 곱셈을 가능하게 만든다.When the multiplicative (multiplier) signal voltages (V + Y , V - Y ) are applied to the gates of the NMOS FETs M1 to M4, and the in-phase signal of this signal is higher than the in-phase signal of the voltage applied to the drain, the NMOS FET M1 is applied. To M4), the operating region is placed in the linear region, and has the same characteristics as the voltage-controlled resistor as described above, and the output current at this time is approximately the input voltage of the gate (V + Y , V - Y). ) Is multiplied by the voltage applied to the drain to enable multiplication of the input signal.
결국, 본 회로의 동작 또한 이러한 원리를 이용하여 아날로그 곱셈기를 구현한 것으로 4개의 바이폴라 트랜지스터(Q1 내지 Q4)와 4개의 NMOS FET (M1 내지 M4)를 이용하였다. 바이폴라 트랜지스터(Q1 내지 Q4)를 버퍼 및 레벨 쉬프트기능을 이용하여 두 개의 입력중 하나를 NMOS FET의 드레인에 인가하고 또 다른 입력은 NMOS FET의 게이트에 인가하여, 선형성이 우수한 곱셈기를 구현시킨 것이다.As a result, the operation of the circuit also implements an analog multiplier using this principle, using four bipolar transistors (Q1 to Q4) and four NMOS FETs (M1 to M4). The bipolar transistors Q1 to Q4 are applied to the drain of the NMOS FET using a buffer and a level shift function, and the other input is applied to the gate of the NMOS FET, thereby implementing a multiplier having excellent linearity.
또한, 본 발명에 따른 일실시예의 정량적인 동작을 살펴보면 다음과 같다.In addition, looking at the quantitative operation of an embodiment according to the present invention.
NMOS FET의 동작영역이 선형동작 영역에 있는 경우 입력전압-출력전류의 관계식은 IDS=〔(VGS-VTn)VDS-1/2V2 DS〕이 되며, NMOS FET에서 드레인과 소오스 사이에 흐르는 전류는 VGS와 VDS의 함수로 표현되며 전류관계식에서 V2 DS성분이 없는 경우는 IDS는 VGS와 VDS의 곱으로 표현된다.If the operating area of the NMOS FET is in the linear operating area, the relation between input voltage and output current is I DS = ((V GS -V Tn ) V DS -1 / 2V 2 DS ), and the current flowing between the drain and the source in the NMOS FET is expressed as a function of V GS and V DS and there is no V 2 DS component in the current relationship. In this case, I DS is expressed as the product of V GS and V DS .
제3도에서 승수(피승수)신호전압 VX와 피승수(승수)신호전압 VY의 신호는 차등입력(full differential)신호이며, 회로 구조상 VY의 신호는 VX신호보다 높은 동상신호 성분을 가져야 하며, 이 경우 각 입력신호는 다음과 같다.In FIG. 3, the signal of multiplier (multiplier) signal voltage V X and multiplier (multiplier) signal voltage V Y are full differential signals, and in the circuit structure, the signal of V Y must have higher in phase signal component than V X signal. In this case, each input signal is as follows.
V+ X=―V+ X=1/2VX V + X =-V + X = 1 / 2V X
V+ Y=V+ Y+1/2VY V + Y = V + Y + 1 / 2V Y
V+ Y=VQ―1/2VY V + Y = V Q ― 1 / 2V Y
여기서 VQ는 VY신호의 동상신호 성분이며 그 전압값은 양의 값을 갖는다.Where V Q is the in-phase signal component of the V Y signal and its voltage value is positive.
각각의 소자들에서의 전압―전류 관계식들을 살펴보면, 우선 바이폴라 트랜지스터(Q1 내지 Q4)에 걸리는 베이스-에미터간의 전압은 다음과 같이 표현된다.Looking at the voltage-current relations in the respective devices, first, the voltage between the base-emitter across the bipolar transistors Q1 to Q4 is expressed as follows.
VBE= VTIN(IC/IS) 여기서 VT=KT/q IC=컬렉터 전류 IS=역방향 포화전류이다. 위의 식으로부터 IC의 전류변화가 비록 크더라도 VBE의 변화는 작게 나타남을 알수 있다. 따라서 각 바이폴라 트랜지스터의 VBE의 전압변화가 매우 작다고 가정하면 다음과 같이 된다.V BE = V T IN (I C / I S ) where V T = K T / q I C = collector current I S = reverse saturation current. From the above equation, even though the current change of I C is large, the change of V BE is small. Therefore, assuming that the voltage change of V BE of each bipolar transistor is very small, it is as follows.
VBE=VBE1=VBE2=VBE3=VBE4 V BE = V BE1 = V BE2 = V BE3 = V BE4
여기서 VBE1내지 VBE4는 각 바이폴라 트랜지스터 Q1 내지 Q4의 베이스-에미터간의 전압을 나타낸다. 따라서,Here, V BE1 to V BE4 represent the voltage between the base and the emitter of each bipolar transistor Q1 to Q4. therefore,
V1=V2=V+ X―VBE=1/2VX-VBE V 1 = V 2 = V + X ―V BE = 1 / 2V X -V BE
V3=V4=V- X―VBE=―1/2VX-VBE V 3 = V 4 = V - X ―V BE = ―1 / 2V X -V BE
가 되면, 각각의 NMOS FET에 흐르는 전류는 다음과 같이 표시된다, The current through each NMOS FET is displayed as
IDS1= 1〔 (V― Y―VTN)(V1―V5)-1/2(V1-V5)2〕I DS1 = 1 ((V - Y- V TN ) (V 1 -V 5 ) -1/2 (V 1 -V 5 ) 2 ]
IDS2= 2〔(V+ Y―VTN)(V2V5)-1/2(V2-V5)2〕I DS2 = 2 ((V + Y- V TN ) (V 2 V 5 ) -1/2 (V 2 -V 5 ) 2 ]
IDS3= 3〔(V+ Y―VTN)(V3V5)-1/2(V3-V5)2〕I DS3 = 3 ((V + Y- V TN ) (V 3 V 5 ) -1/2 (V 3 -V 5 ) 2 ]
IDS4= 4〔(V― Y―VTN)(V4V5)-1/2(V4-V5)2〕I DS4 = 4 ((V - Y- V TN ) (V 4 V 5 ) -1/2 (V 4 -V 5 ) 2 ]
또한 출력전압은,The output voltage is
VOUT=V+ OUT―V― OUT=ROUT1(IDS2+IDS4)-ROUT2(IDS1+IDS3)가 된다.V OUT = V + OUT- V - OUT = R OUT1 (I DS2 + I DS4 )-R OUT2 (I DS1 + I DS3 ).
만약 ROUT1= ROUT2=ROUT3이고, 각 NMOS FET의 크기가 모두 같으면 1= 2= 3= 4=가 되고 따라서 출력전압은 다음과 같이 표현된다.If R OUT1 = R OUT2 = R OUT3 and each NMOS FET has the same size 1 = 2 = 3 = 4 = Therefore, the output voltage is expressed as
VOUT=ROUT〔(V+ Y―V― Y)(V1―V5)-(V+ Y―V― Y)(V3-V5)〕V OUT = R OUT ((V + Y- V - Y ) (V 1- V 5 )-(V + Y- V - Y ) (V 3- V 5 )]
=ROUT〔(V+ Y―V― Y)(V+ X―VVE―V5)-(V+ Y―V― Y)(V- X―VVE―V5)〕= R OUT ((V + Y- V - Y ) (V + X- V VE- V 5 )-(V + Y- V - Y ) (V - X- V VE- V 5 )]
=ROUT〔(V+ Y―V― Y) (V+ X―V― X)〕= R OUT ((V + Y- V - Y ) (V + X- V - X ))
=ROUT〔(VXVY〕= R OUT ((V X V Y )
위의 관계식으로부터 출력전압은 승수 및 피승수로서의 입력전압VX와 VY의 곱으로 표현하고 있으며 VX와 VY의 부호에 관계없이 동작하는 4상한 (4 quadrant)동작의 아날로그 곱셈기가 되며 그 특성 또한 매우 선형적인 특성을 가짐을 보여준다.From the above relation, the output voltage is expressed as the product of the input voltages V X and V Y as multipliers and multiplicands, and becomes an analog multiplier of 4 quadrant operation that operates regardless of the sign of V X and V Y. It also shows very linear characteristics.
회로에서의 이득을 결정하는 요소는와 ROUT의 부호에 의존하고 있으며, VQ또는 바이어스 전류 IB, 공급전압등에 관계하지 않으므로 매우 안정된 동작을 하게 된다. 상기와 같은 본발명에 따른 일실시예의 가장 큰 장점은 바이폴라 트랜지스터만을 이용한 곱셈기에 비해 입력전압의 범위가 매우 넓고, 선형성이 좋다는 것이다. 아울러 바이 CMOS공정에서 좁은 면적에 구현되면 저전력 소모를 갖는 장점이 있다.The factor that determines the gain in the circuit It depends on the sign of and R OUT , and it does not depend on V Q or bias current I B , supply voltage, etc. The greatest advantage of the embodiment according to the present invention as described above is that the input voltage range is very wide, and the linearity is good compared to the multiplier using only the bipolar transistor. In addition, when implemented in a small area in the bi-CMOS process has the advantage of low power consumption.
제4도는 본 발명에 따른 다른 실시예의 구성을 도시한 것으로, 바이 CMOS 공정이 아닌 순수 CMOS공정에서 구현되는 바이폴라 트랜지스터를 이용하여 구현시킨 아날로그 곱셈기의 구성도이다.4 is a block diagram of an analog multiplier implemented using a bipolar transistor implemented in a pure CMOS process rather than a bi-MOS process.
도면에 도시한 바와같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 구성은 제3도에 도시한 일실시예의 구성에서 바이폴라 트랜지스터를, 컬렉터가 두 개인 바이폴라 트랜지스터로 대치하여 구현한 것으로, 컬렉터를 두 개 갖는 상기 바이폴라 트랜지스터는 CMOS 공정기술에서 기생으로 생기는 바이폴라 트랜지스터이다. 제4도에 도시한 구성은 일반의 바이 CMOS공정에 몇 개의 공정을 추가하여 구현시킬수 있고, 따라서 일반적인 CMOS공정기술에서는 제공되지 않을 경우도 있다.As shown in the figure, the configuration according to another embodiment of the present invention is implemented by replacing the bipolar transistor in the configuration of the embodiment shown in Figure 3 with a bipolar transistor having two collectors, having two collectors The bipolar transistors are parasitic bipolar transistors in CMOS process technology. The configuration shown in FIG. 4 can be implemented by adding several processes to the general bi-CMOS process, and therefore may not be provided in the general CMOS process technology.
결국, 본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 컬렉터가 두 개인 기생 바이폴라 트랜지스터를 이용하여 구현시켜 제3도에서 상술한 아날로그 곱셈기의 효과를 얻는다.As a result, in another embodiment of the present invention, the parasitic bipolar transistor having two collectors is implemented to obtain the effect of the analog multiplier described in FIG.
제5a도 내지 제5c도는 CMOS공정에서 만들어지는 상기한 기생 바이폴라 트랜지스터의 구조도로서, 제5a도는 수직단면도, 제5b도는 수평단면도, 제5c도는 기호를 도시한 것으로 P-웰(well)공정에서 만들어지는 NPN 트랜지스터의 구조가 된다.(만약 N-웰(well)공정이면 PNP트랜지스터가 만들어진다.)5A to 5C are structural diagrams of the above-mentioned parasitic bipolar transistors made in a CMOS process. FIG. 5A is a vertical cross-sectional view, FIG. 5B is a horizontal cross-sectional view, and FIG. 5C is a symbol, and is made in a P-well process. This becomes the structure of the NPN transistor (if a N-well process, a PNP transistor is created).
여기서 P-웰 내의 n-확산영역(diffusion)은 CMOS 공정에서 NMOS FET의소오스 또는 드레인의 확산영역이며, P-확산영역은 P-웰의 전원접촉(power contact)을 위한 서브스트레이트 확산영역(substrate diffusion)이 된다. 또한 N-서브스트레이트 위에 N-확산영역은 전원접촉을 위한 서브스트레이트 확산영역이 되고 여기에는 항상 공급전압원 VDD가 인가된다.The n-diffusion region in the P-well is a diffusion region of a source or a drain of an NMOS FET in a CMOS process, and the P-diffusion region is a substrate diffusion region for power contact of the P-well. diffusion). In addition, the N-diffusion region on the N-substrate becomes a substrate diffusion region for power contact, and the supply voltage source V DD is always applied thereto.
제5a도에서 N-diff(1)과 N-diff(2)는 바이폴라 트랜지스터의 에미터와 제1콜렉터가 되며 P-웰은 베이스층이 되며 폴리 실리콘(poly-silicon)의 채널길이(channel-length)가 트랜지스터 베이스층의 두께가 되며, 이렇게 구현된 바이폴라 트랜지스터를 가로방향(lateral) 바이폴라 트랜지스터라 하며 여기서의 콜렉터는 임의의 전압을 가질수가 있다.In FIG. 5A, N-diff (1) and N-diff (2) are the emitter and the first collector of the bipolar transistor, the P-well is the base layer, and the channel length of the poly-silicon. length) becomes the thickness of the transistor base layer, and the bipolar transistor thus implemented is called a lateral bipolar transistor, and the collector here may have an arbitrary voltage.
그러나 이렇게 구현되는 경우 N-diff(1)과 P-웰, N-서브스트레이트간에 또 다른 하나의 바이폴라 트랜지스터가 만들어지게 되며 이 트랜지스터의 콜렉터의 전위는 항상 VDD에 연결되는데 이 트랜지스터를 세로방향(vertical)트랜지스터라 한다.However, this implementation creates another bipolar transistor between N-diff (1), P-well, and N-substrate. The collector's potential is always connected to V DD . vertical) is called a transistor.
따라서 CMOS공정상에서 트랜지스터를 구현시키는 경우에는 2개의 콜렉터를 갖는 바이폴라 트랜지스터를 만들 수 있으며 하나의 콜렉터는 임의의 전압값을, 하나의 항상 공급전압원에 연결되는 구조가 된다.Therefore, when implementing a transistor in a CMOS process, a bipolar transistor having two collectors can be made, and one collector has a structure in which an arbitrary voltage value is always connected to one supply voltage source.
제5b도는 CMOS공정에서 바이폴라 트랜지스터를 만들 때 레이아웃의 평면도를 나타낸 것으로, 절단면 A-A'에서 수직으로 본 것이 제5a도에 도시된 것이다.FIG. 5B shows a plan view of the layout when making a bipolar transistor in a CMOS process, and is shown in FIG. 5A as viewed vertically from the cutting plane A-A '.
제5c도는 바이폴라 트랜지스터의 기호를 나타낸 것으로 제1콜렉터는 가로방향(lateral)트랜지스터를 나타낸 것이고, 제2콜렉터는 세로방향(vertical)트랜지스터를 나타낸 것이다.5c shows a symbol of a bipolar transistor, in which the first collector represents a lateral transistor and the second collector represents a vertical transistor.
상기한 바이폴라 트랜지스터를 이용하여 제4도의 회로를 구현시키면 순수 CMOS공정기술을 이용하여도 넓은 입력 전압 영역에서도 선형적으로 동작하는 아날로그 곱셈기를 만들 수 있다.By implementing the circuit of FIG. 4 using the bipolar transistor described above, an analog multiplier that can operate linearly in a wide input voltage range can be made even using pure CMOS process technology.
제6도는 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 구성을 도시한 것으로, 도면에서 G1 내지 G8은 GaAs FET를 각각 나타낸다.6 shows a configuration of another embodiment according to the present invention, in which G1 to G8 represent GaAs FETs, respectively.
도면에 도시한 바와같이 본 발명에 따른 또 다른 실시예는, 승수 또는 피승수 신호 전압을 버퍼링하기 위한 GaAs FET G1 내지 G4와, 피승수 또는 승수 신호 전압을 입력받아 상기 GaAs FET G1 내지 G4로 입력된 승수 또는 피승수 신호와 곱셈연산을 수행하는 GaAs FET G5 내지 G8과, 전체회로에 바이어스 전류를 제공하는 바이어스 전류원(IB)를 구비한다.Another embodiment according to the present invention, as shown in the drawings, the GaAs FETs G1 to G4 for buffering the multiplier or multiplier signal voltage, and the multiplier input to the GaAs FETs G1 to G4 received the multiplier or multiplier signal voltage Or GaAs FETs G5 to G8 for multiplying the multiplicand signals and a bias current source I B for providing a bias current to the entire circuit.
즉, 본 발명에 다른 또 다른 실시예는 제3도와 제4도에 도시된 본 발명의 일실시예 및 다른 실시예의 구성에 있어서, 바이폴라 트랜지스터Q1 내지 Q4와 NMOS FET M1 내지 M4를 모두 GaAs FET로 대치한 구성을 갖는 것이다.That is, another embodiment of the present invention is a bipolar transistor Q1 to Q4 and NMOS FETs M1 to M4 in the configuration of one embodiment and another embodiment of the present invention shown in Figures 3 and 4 as GaAs FET It has an alternative configuration.
이제, 제6도에 도시한 본 발명에 따른 다른 실시예의 세부적인 동작설명을 살펴보면, 제6도에 도시한 구성은 제3도에 도신한 구성과 정성적인 동작과 정량적인 동작은 대부분 동일하므로, 중복되는 동작 설명은 생략하기로 하고, 서로 차이가 있는 사항에 대한 설명만 이하에서 기술한다.Now, looking at the detailed operation description of another embodiment according to the present invention shown in Figure 6, the configuration shown in Figure 6 is the same as the configuration shown in Figure 3 qualitative operation and quantitative operation, Duplicate operation descriptions will be omitted, and only descriptions of differences will be described below.
GaAs FET(G1 내지 G8)의 동작영역이 선형동작 영역에 있는 경우 입력전압-출력정압의 관계식은When the operating region of the GaAs FETs G1 to G8 is in the linear operating region, the relation between the input voltage and the output constant voltage is
IDS=〔(VGS―VTN)(VDS―1/2V)2 DS〕이 되면, GaAs FET에서 드레인과 소오스 사이에 흐르는 전류는 VGS와 VDS의 함수로 표현되며 관계식에서 V2 DS성분이 없는 경우 IDS는 VGS와 VDS의 곱으로 표현된다. 제6도에서 승수 또는 피승수의 신호전압 VX와 VY의 신호는 차등입력(full differential)신호이며, 회로 구조상 VY신호는 VX신호보다 높은 통상신호 성분을 가져야 하며, 이 경우 각 입력신호는 다음과 같다.I DS = [(V GS -V TN) (V DS -1 / 2V) 2 DS ] When the current flowing between the drain and the source in the GaAs FET is V GS and V DS is represented by a function V DS 2 component in the relational expression of the If not present, I DS is expressed as the product of V GS and V DS . In Fig. 6, the signals of the multiplier or multiplier signal voltages V X and V Y are full differential signals, and due to the circuit structure, the V Y signal must have a higher signal component than the V X signal, in which case each input signal Is as follows.
V+ X= -V- X=1/2VX V + X = -V - X = 1 / 2V X
V+ X=1/2VY V + X = 1 / 2V Y
V- Y=-1/2VY V - Y = -1 / 2V Y
여기서 G1 내지 G4가 G5내지 G8보다 물리적인 크기가 매우 커지는 경우 G1 내지 G4는 버퍼와 같이 동작한다.Herein, when G1 to G4 have a larger physical size than G5 to G8, G1 to G4 behave like buffers.
따라서, M1~M4의 게이트-소오스간의 전압은 입력신호전압에 관계없이 거의 일정한 전압을 유지한다.Therefore, the gate-source voltage of M1 to M4 maintains a substantially constant voltage regardless of the input signal voltage.
그리고, 각각의 GaAs FET에 흐르는 전류와 출력전압은 제3도의 구성에서의 NMOS FET에서의 경우와 동일하며, 이와같은 사실로, 제3도에 도시한 본 발명의 일실시예의 구성과 동일하게출력전압은 승수 및 피승수의 신호 전압 VX와 VY의 곱으로 표현되고 있으며 VX와 VY의 부호에 관계없이 동작하는 4상한 동작의 애널로그 주파수 혼합기가 되며 특성 또한 매우 선형적인 특성을 가진 것을 보여준다. 마찬가지로, 회로에서의 이득을 결정하는 요소는 OUT Q B The current and output voltage flowing in each GaAs FET are the same as in the case of the NMOS FET in the configuration of FIG. 3, and in this fact, the output is the same as the configuration of the embodiment of the present invention shown in FIG. The voltage is expressed as the product of multiplier and multiplicative signal voltages V X and V Y , and it is an analog frequency mixer with four quadrants operating regardless of the sign of V X and V Y. Shows. Similarly, the factor that determines the gain in the circuit OUT Q B
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