KR0151397B1 - 집적 회로화된 필터 및 필터셀 - Google Patents
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Abstract
제어 가능 주파수 응답을 갖는 집적 회로화된 필터는 한쌍의직렬 접속된 차동 트랜스콘덕턴스 증폭기를 구비하는데, 상기 쌍의 증폭기중 제 1 증폭기의 차동 출력이 커플링 저항을 거쳐서 상기 제 2 증폭기의 차동 입력에 결합되고, 상기 제 1 증폭기의 차동 입력이 입력 커플링 저항을 걸쳐서 상기 필터의 입력에 결합되어 있다. 상기 제 2 트랜스콘덕턴스 증폭기의 차동 출력이 상기 필터의 양쪽의 출력에 결합되고 상기 2 개의 증폭기의 각각의 차동 입력에 피드백되어 다수의 입력을 제공하며, 그로써 상기필터의 감쇠계수는 상기 커플링 저항값 대 상기 피드백 저항값의 비를 변화시킴으로써 상기 필터 주파수 전달함수를 조정하기 위해 제어가능하며, 한편, 상기 감쇠계수는 상기 필터의 고유 공진 주파수에 의존하지 않는다. 양쪽의 쌍의 증폭기의 차동 출력 양단에는 직렬 결합된 적분 커패시터가 결합되고, 상기 커패시터 간의 상호 접속은 접지에 또한 접속되어 있다.
Description
제1도는 본 발명의 차동적분 필터를 설명하는 부분개략선도.
제2도는 제1도의 필터에 대한 필터셀(filter cell)를 설명하는 개략선도.
제3도는 본 발명의 등가 필터셀 입력 회로에 대한 간이화 개략선도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 필터 12, 14 : 차동 트랜스콘덕턴스 증폭기
16, 18 : 입력 20, 22 : 입력 저항
26, 28 : 커패시터 30, 34, 42, 44 : 버퍼 증폭기
46, 48 : 필터 출력 50, 52, 54, 556 : 피드백 저항
60 : 광 대역 트랜스콘덕턴스 증폭기
62,64 : 트랜지스터 68, 70 : 전류원
[발명의 배경]
본 발명은 필터에 관한 것으로서, 특히, 차동트랜스콘덕턴스 증폭기(differential transconductance amplifiers)를 이용하는 직접 회로형태로 실현시키는데 적합한 필터에 관한 것이다.
미국 특허 제 3,692,650 호에서 개시된 형의 이득을 가변시킬 수 있는 트랜스콘덕턴스 증폭기를 이용하는 종래 기술의 필터가 공지되어 있다.
이들 필터는 단일 종단형태로 트랜스콘덕턴스 증폭기를 이용하고 일반적으로 그 출력양단에 결합된 적분 커패시터(anintegrating capacitor)를 구비하여 필터 셀을 형성한다. 필터 셀을 직렬 접속하여, 예컨대, 비디오 신호 필터링을 제공하도록 사용될 수 있는 복수의 필터가 유도될 수 있다. 예를 들면, 직렬로 접속된 한쌍의 단일 종단 트랜스콘덕턴스 증폭기를 포함하는 2-극 필터가 IEEE Transaction On Consumer Electronics의 1986년 8월호 판, 제 CE-32 권, 제 3 호에 밝혀져 있다. 2-극 필터의 출력으로부터 개별필터 셀 피드백이 제공되어 있다.
통과 대역을 제어하기 위하여 상기 형의 필터에 대한 감쇠계수를 제어할 수 있고 그에 대한 다른 특성중에서 필터의 대역 컷-오프를 배제할 수 있는 것이 바람직하다. 상기 소망은 단일 종단 형태로된 트랜스콘덕턴스 증폭기를 사용하는 종래의 필터에 의해서 제한된다. 이들 형의 필터에서는, 감쇠계수를 변화시키기 위하여, 그 감쇠계수가 필터에 대한 함수이므로, 증폭기의 gm 의 비 또는 적분 커패시터의 커패시터비 중 어느 한쪽이 변화되어야 한다. 그와 같은 종래 기술의 필터들의 대부분에 있어서, 트랜스콘덕턴스 증폭기의 각각의 gm 은 서로 동등하게 되며, 이것은 그 감쇠계수를 제어하기 위해서, 적분 커패시터의 비가 변화되어야 한다는 것을 의미한다. 종래기술에 직면된 문제점은 ½ 의 값과 현저히 상이한 감쇠계수를 얻기 위해서, 커패시터 비의 큰 변화를 필요로 하며, 이것은 만약 이들형의 필터가 직적 회로 형태로 제조되어지는 경우에 달성 불가능하다. 대안적으로, gm 값의 비율 변경은 gm 이 변화됨에 따라 상기 비율에 대하여 불충분한 제어를 일으키는 경향이 있다.
따라서, 감쇠계수가 커패시터 비의 큰 값을 필요로 함이 없이 제어될 수 있는 직렬 접속된 트랜스콘덕턴스 증폭기단을 이용하는 적어도 2-극 필터를 집적 회로 형태로 실현시킬 필요성이 생긴다.
[발명의 개요]
따라서, 본 발명의 목적은 개선된 집적화가능한 필터를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 차동 트랜스 콘덕턴스 증폭기단으로 구성된 차동적분 필터를 제공하는데 있다.
본 발명의 지금까지와는 또다른 목적은 차동적분 필터를 위한 필터 셀을 제공하는데 있다.
상기 및 다른 목적에 따라서, 한쌍의 직렬 접속된 차동트랜스 콘덕턴스 증폭기로 구성된 집적 회로화된 필터가 제공되며, 상기 한쌍의 증폭기중 제 1 의 증폭기의 차동 출력은 커플링 저항을 걸쳐서 제 2 의 증폭기의 차동 입력에 결합되고, 상기 제 1 의 증폭기의 차동 입력은 입력 커플링 저항을 걸쳐서 상기 필터의 입력에 결합되어 있다. 제 2 의 트랜스콘덕턴스 증폭기의 차동 출력은 상기 필터의 출력의 양쪽에 결합되고 2개의 증폭기의 차동 입력에 피드백되어 복수의 입력을 제공하며, 그로써 상기 필터의 감쇠 계수가 입력 저항값 대 피드백 저항값의 비를 변화시킴으로써 필터 주파수 전달함수의 정형(shape)을 조정하기 위해 제어가능하며, 이 경우, 상기 감쇠 계수는 상기 필터의 고유 공진 주파수에 무관하다.
[양호한 실시예에 대한 상세한 설명]
제1도를 참조하면, 본 발명에 대한 2 극 필터(10)가 도시되어 있으며, 이 필터는 직렬 접속된 차동 트랜스콘덕턴스 증폭기 단(12 및 14)을 사용하고, 이들의 증폭기단의 각각은 이하에 보다 상세히 설명되어 있는 바와 같이, 개개의 필터 셀 (an individual filter cell)을 형성한다. 필터(10)는 이해된 바와 같이, 고유 공진주파수(Wn) 및 감쇠계수(Z)를 가진 하나의 필터 응답을 가지며, 이들중 후자는 필터 응답을 제어한다. z 의 진폭을 제어함으로써, 상기 필터는 보다 잘 이해되어진 바와 같이 소정의 통과 대역 및 컷 오프 주파수(cut off frequincy)를 갖도록 구성될 수 있다. 필터(10)는 입력(16 및 18)에 있는 차동 입력 전압 신호(Vin 및)을 수신하며, 이들의 신호는 입력 저항(20 및 22)을 걸쳐서 트랜스콘덕턴스 증폭기(12)의 비반전 및 반전 입력에 제각기 결합되어 있다. 증폭기(12)로 구성된 제 1 의 필터셀의 적분 커패시터는 커패시터(26 및 28)로 구성되며, 이들 커패시터는 증폭기(12)의 출력 양단간에 직렬 접속되어 있고, 그들 커패시터간의 상호 접속점은 접지 기준점에 접속되어 있다. 증폭기(12)의 상보 출력은 버퍼 증폭기(30 및 34)와 입력 저항(32 및 36)을 걸쳐 트랜스콘덕턴스 증폭기(14)의 각각의 차동 입력에 결합되어 있다. 유사하게, 한쌍의 직렬 결합된 커패시터(38 및 40)는 증폭기(14)의 상보 출력 양단간에 결합되고, 상기 커패시터간의 상호 접속점은 접지쪽에도 결합되어 있다. 증폭기(14)의 출력도 또한 버퍼 증폭기(42 및 44)를 걸쳐서 각각의 필터 출력(46 및 48)에 결합되어 있다. 증폭기(14)의 출력도 또한 버퍼 증폭기 (42 및 44)를 걸쳐서 각각의 필터 출력(46 및 48)에 결합되어 있다. 필터(10)의 출력은 피드백 저항(50, 52 및 54, 56)를 걸쳐서 개개의 필터 셀에 피드백되고 있다. 트랜스 콘덕턴스 증폭기(12 및 14)는 관련된 트랜스콘덕턴스(gm1 및 gm2)를 갖는다.
인가된 입력 신호Vin 및에 응답하여, 출력 신호 (Vout 및)가 필터 응답에 따라서 출력(46 및 48)에서 발생되며, 상기 필터 응답은 필터의 공진 주파수 및 감쇠 계수의 함수이다. 후술되어 있는 바와 같이, 필터(10)를 형성하기 위해서 복수의 입력(입력 저항 및 피드백 저항을 걸쳐서)을 가진 차동 트랜스 콘덕턴스 증폭기를 사용함으로써, 상기 2 극 필터는 변화될 수 있는 주파수 전달함수를 제공한다. 주파수 전달함수는 고유 공진주파수 및 감쇠계수를 변화시켜 제어될 수 있다.
제2도를 참조하면, 필터(10)의 각 필터 셀이 차동적으로 접속된 트랜지스터(62 및 64)로 이루어진 광대역 트랜스콘덕턴스증폭기(60)를 구비하는 것으로서 도시되어 있으며, 상기 트랜지스터의 에미터들은 테일(tail) 전류 IT를 흡인하는 전류원(66)에 결합되어 있다. 상기 두 트랜지스터의 베이스 전극은 증폭기의 반전 및 비반전 입력에 결합되어 있는데 반해, 그 콜렉터는 전류원(68 및 70)을 걸쳐서(72)에 있어서의 Vcc 에도 결합되어 있으며, 전류원(68 및 70)의 각각은 IT의 ½ 과 동등한 전류를 공급한다. 전류 ID 를 공급하는 전류원(80)은 도체(72)와 한쌍의 다이오드(74 및 76)의 애노드 간에 결합되어 있으며, 이들 다이오드의 캐소드는 트랜지스터(62)의 베이스 및 트랜지스터(64)의 베이스에도 제각기 결합되어져 있다. 각각의 다이오드(74 및 76)는 각각의 전류원(82 및 84)에 결합되어 이들 전류원의 양쪽은 전류원(80)에 의해서 공급된 전류원의 ½, 즉, ID/2 인 전류를 흡인한다. 개별 필터셀의 각 증폭기(60)로의 다수의 입력은 관련된 입력 저항(20, 22 또는 32, 36) 및 관련된 피드백 저항(50,54 또는 52, 56)를 통하여 공급된다.
직렬 접속된 단일 종단 트랜스콘덕턴스 증폭기를 사용하는 종래 기술의 필터를 고려하면, 감쇠계수 Z 는
의 함수인 것으로 나타낼 수 있고, 고유 공진주파수는
이다.
따라서, 필터 전달함수는 적분 커패시터 C1, C2 의 비율 또는 트랜스 콘덕턴스 gm1, gm2 의 비율중 어느한쪽을 조절함으로서, 감쇠계수를 제어하여 변화될 수 있다. 그러나, 1 보다 큰 감쇠계수를 얻기 위해서는, 요구된 커패시터 비는 직접 회로 형식으로 필터를 제조하기에는 적합하지 않을 수 있다. 게다가, 식(1)과 (2)로부터 감쇠계수가 필터의 고유 공진주파수에 무관하지 않다는 것을 보이게 된다. 따라서, 감쇠계수가 필터 응답을 제어하도록 변화된다면, 필터의 공진주파수도 역시 영향을 받는다.
제1도 및 제2도로 되돌아가, 간이화를 위해 트랜스콘덕턴스 증폭기(14)의 출력으로부터 그에 대한 입력으로의 피드백을 보면, 다음식이 유도될 수 있다. 일반적으로, 트랜스콘덕턴스 증폭기의 트랜스콘덕턴스 gm 은 다음과 같다. 즉,
여기서 : Io 는 증폭기의 콜렉터 전류, Vin 및 Vo 는 증폭기의 입력 출력
전압이다.
식(3)을 다시 정리하여 s 주파수 영역에서의 식을 쓰면, 증폭기(12 및 14)의 트랜스콘덕턴스는 다음과 같이 표시될 수 있다. 즉,
및
여기서, Vo1및 Vo₂증폭기(12 및 14)의 출력에서 나타나는 출력 전압이고, io₁ 및 io₂는 출력 전류이며, C1 및 C2는 2개의 증폭기 출력상의 등가 적분 커패시터이고, K2는 피드백 계수이다.
식(4)를 식(5)에 대입하여 재정리하면, 즉,
이 산출된다.
따라서, 식(6)으로부터, 본 발명의 필터(10)의 고유 공진주파수 및 감쇠계수는,
및
이다.
따라서, 본 발명의 필터(10)에 대해서는, 계수 K2 에 의해서 감쇠계수가 제어될 수 있고 필터의 고유 공진주파수에 무관하다. 그러므로, 필터 전달함수는 개별 필터 셀의 gm's 및 적분 커패시터의 비율에 무관계로 변화될 수 있다. 상기는 단일 종단 트랜스콘덕턴스 증폭기를 사용하는 종래의 필터 설계에 대하여 대단한 개선책이다.
이제 제3도를 참조하면, 필터 셀(60)의 입력의 간이화된 등가회로가 도시되어 있으며, 이 회로에 있어서, Rin 는 트랜스콘덕턴스 증폭기의 반전 및 비반전 입력으로의 입력 저항이고, Rfb 는 그에 대한 피드백 저항이며, rd 는 다이오드 (74 및 76)의 등가 저항이다. 다이오드 저항은 반전 및 비반전 입력으로부터 접지에 결합되어 도시되어 있다. 상기는 차동 증폭기의 대칭에 기인하여 다이오드의 등가 저항의 상호 접속점에서의 가상 접지라고 가정하자.
제3도로부터, 즉,
및
Rin 및 Rfbrd라고 가정하고, i₁및 i₂에 대하여 식(9) 및 (10)을 풀면, 다음 값이 주어진다. 즉,
및
트랜스콘덕턴스 증폭기의 실제의 전류이득은 다이오드 전류의 평균값 X 이득계수또는,
로서 정의될 수 있다. 따라서,
io 는 증폭기로부터의 출력 전류와 같으면, io 및 io₂는 동등하게 될 수 있으며, 그로써, 다음식이 주어진다. 즉,
또는
및
식(16) 및 (17)로부터,
이 된다.
따라서, 필터(10)의 필터 전달함수를 제어하는 감쇠계수는 입력 저항 및 피드백 저항의 저항비를 조정함으로써 제어될 수 있다.
따라서, 상술한 것은 직렬 접속된 차동 동작 트랜스콘덕턴스 증폭기를 사용하는 새로운 필터이며, 상기 트랜스 콘덕턴스 증폭기에는 1 극 이상의 극(poles)을 가진 주파수 전달 함수를 제공할 수 있는 필터를 형성하기 위해 다수의 입력(Rin 및 Rfb)이 부여되어 있다. 고유 공진 주파수는 필터 셀의 증폭기의 트랜스콘덕턴스를 설정하는 전류를 변화시킴으로써 동조 가능하며, 감쇠계수는 고유 공진주파수에 의존하지 않고 증폭기의 비율 뿐만 아니라 입력 및 피드백 저항의 저항 비를 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 더우기, 모든 용량성 감지노드가 가상의 접지점에 있으므로, 그 점에서의 전류를 공급하는 전류원은 임계점이 아니다. 그결과, 필터의 주파수 응답은 단일 종단 형태의 트랜스콘덕턴스 증폭기를 사용하는 종래 기술의 필터에 대하여 개선된다.
Claims (3)
- 한쌍의 직렬 접속된 트랜스콘덕턴스 증폭기를 구비하는 직접 회로화된 필터에 있어서, 차동 모드로 동작되고 제 1 및 제 2 의 입.출력을 각각 갖는 상기 쌍의 직렬 접속된 증폭기와, 상기 필터의 제 1 및 제 2 입력과, 상기 쌍의 증폭기중 제 1 증폭기의 상기 제 1 및 제 2 입력간에 제각기 결합된 제 1 및 제 2 저항과, 상기 쌍의 증폭기중 상기 제 1 증폭기의 상기 제 1 및 제 2 출력간에 결합된 제 1 적분수단과, 상기 쌍의 증폭기중 상기 제 1 증폭기의 상기 제 1 및 제 2 출력과, 상기 쌍의 증폭기중 상기 제 2 증폭기의 상기 제 1 및 제 2 입력간에 제각기 결합된 제 3 및 제 4 저항과, 상기 쌍의 증폭기중 상기 제 2 증폭기의 상기 제 1 및 제 2 출력간에 결합되어 있는데, 상기 제 1 및 제 2 출력이 상기 필터의 제 1 및 제 2 출력에 제각기 결합되는 제 2 적분수단과, 상기 필터의 상기 제 1 출력과 상기 쌍의 증폭기의 상기 제 1 입력간에 결합된 제 1 피드백 회로와, 상기 필터의 상기 제 2 출력과 상기 쌍의 증폭기의 상기 제 2 입력간에 결합된 제 2 피드백 회로를 포함하는 집적회로화된 필터.
- 집적회로화된 필터에서 사용하기 위한 필터 셀에 있어서, 상기 필터 셀은, 제 1 및 제 2 차동 입력 및 출력을 가지며, 상기 제 1 및 제 2 차동 출력이 제각기 상기 필터 셀의 제 1 및 제 2 출력에 결합되어 있는 트랜스콘덕턴스 증폭기와, 상기 제 1 차동 입력과 상기 필터 셀의 제 1 입력간에 결합된 제 1 저항과, 상기 제 2 차동 입력과 상기 셀의 제 2 입력간에 결합된 제 2 저항과, 상기 제 1 및 제 2 차동 출력간에 결합된 적분 용량 수단을 포함하는 필터 셀.
- 제어가능 필터 전달함수를 갖고 제 1 및 제 2 입.출력을 갖는 직접 회로화된 필터에 있어서, 제 1 및 제 2 차동 입.출력을 각각 갖는 제 1 및 제 2 차동 트랜스콘덕턴스 증폭기와, 상기 필터의 제 1 및 제 2 입력을 상기 제 1 트랜스콘덕턴스 증폭기의 상기 제 1 및 제 2 차동 입력에 제각기 결합하기 위한 제 1 저항수단과, 상기 제 1 및 제 2 차동 트랜스콘덕턴스 증폭기의 상기 제 1 및 제 2 차동 출력간에 제각기 결합된 제 1 및 제 2 적분 용량 수단과, 상기 제 1 트랜스콘덕턴스 증폭기의 상기 제 1 및 제 2 차동 출력을 상기 제 2 트랜스콘덕턴스 증폭기의 상기 제 1 및 제 2 차동 입력에 결합하기 위한 저항 회로수단과, 상기 제 2 트랜스콘덕턴스 증폭기의 상기 제 1 및 제 2 차동 출력을 상기 필터의 상기 제 1 및 제 2 출력에 결합하기 위한 회로 수단과, 상기 제 2 트랜스콘덕턴스 증폭기의 상기 제 1 및 제 2 차동 출력을 그의 제 1 및 제 2 차동 입력에 제각기 결합하기 위한 저항 피드백을 수단을 포함하는 집적 회로화된 필터.
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