KR20170012803A - 저전압 저전력 ｃｍｏｓ 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기 및 이를 이용한 능동 인덕터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전압을 입력으로 받아서 전류를 출력으로 내보내며, 능동 인덕터나 V/F 컨버터 등의 다양한 회로에 응용이 가능하고, 회로가 저전압 저전력으로 동작하는데 기여하는 저전압 저전력 CMOS 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기 및 이를 이용한 능동 인덕터에 관한 것으로, 저전압 저전력 선형 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(Operational Transconductance Amplifire, OTA)에 있어서, 상기 OTA의 내부회로에서 바이어스 전류원을 구성하는 전류미러를 캐스코드(Cascode) 형식의 전류미러로 대체하여 전류미러 자체의 출력저항을 높임으로써 누설되는 전류를 감소시키는 것을 특징으로 하는 저전압 저전력 CMOS 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기 및 이를 이용한 능동 인덕터를 제공한다.

Description

저전압 저전력 ＣＭＯＳ 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기 및 이를 이용한 능동 인덕터{Low voltage low power complementary metal-oxide semiconductor operational transconductance amplifier and active inductor using the operational transconductance amplifire}

본 발명은 저전압 저전력으로 동작하는 증폭기에 관한 것으로, 특히 전압을 입력으로 받아서 전류를 출력으로 내보내며, 능동 인덕터나 V/F 컨버터 등의 다양한 회로에 응용이 가능하고, 회로가 저전압 저전력으로 동작하는데 기여하는 저전압 저전력 CMOS 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기 및 이를 이용한 능동 인덕터에 관한 것이다.

최근의 전자제품들은 전자산업의 지속적인 발전으로 인하여 성능은 향상되고 크기는 작아졌다. 소비자들의 욕구에 의하여 전자제품들은 기존의 것보다 소형화되며 성능은 날로 발전해 가는 추세이다. 전자제품의 소형화를 위해서는 전자제품에 사용되는 소자의 크기를 줄여야 한다.

전자제품에 사용되는 소자들 중 능동 인덕터나 다양한 컨버터 등은 대부분 연산증폭기(Operational Amplifier, OP Amp)로 구성된다.

최근에 내부회로들이 BJT(Bipolar Junction Transistor)에서 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)으로 바뀌면서, 소자의 크기도 작아지고 성능이 더 향상되었지만, 전자기기들은 더욱더 소형화와 고성능화를 추구하고 있어서 종래기술보다 더욱 좋은 성능의 소자가 필요하다.

전자제품에 사용되는 소자에 대응하는 회로는 저전압 저전력의 동작이 하나의 필수요건이 되고 있으며, 이러한 성능을 충족시키기 위해서는 기존의 수동소자들을 능동소자로 대체하여야 한다. 예를 들어, 기존의 수동소자인 인덕터(Inductor)를 저전압 저전력으로 동작할 수 있는 선형 트랜스컨덕터(Linear Transconductor)를 이용하여 능동형 인덕터(Active Inductor)로 대체한다.

코일(Coil) 형태의 수동형 인덕터(L)는 저항(R) 및 커패시터(C)와 함께 회로망을 구성하는 기본소자로서, 여파기(Filter), 사인파 발진기, 공진회로에 사용되는 등 광범위한 응용 분야를 가지고 있다.

따라서 광범위한 응용분야를 가지고 있는 인덕터를 소형화 및 고성능화할 수 있는 방안이 요망된다.

US 5,635,683 A (1997.06.03)

WALTON, Herrmann. 초고주파 양자 이론. 런던: Sweet와 Maxwell, 1973, Vol.2, ISBN 5-1234-5678-9, 138-192쪽 고성능 컴퓨터 아키텍처에 대한 제3차 국제심포지움 [on-line], 1997.2.

따라서 본 발명자들은 광범위한 응용분야를 가지고 있는 인덕터를 소형화 및 고성능화할 수 있는 방안을 모색하던 중, CMOS로 구현한 저전압 저전력 선형 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(Operational Transconductance Amplifire, OTA)를 개발하고, 이를 이용하여 능동 인덕터를 제공하고자 하였다.

따라서 본 발명의 목적은 CMOS로 구성된 3.3V 이하의 저전압에서 동작하는 저전압 저전력 CMOS 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 저전압 저전력 CMOS 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기를 이용하여 능동 인덕터를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 이득(Gm)과 내부회로 저항(Rs)값을 가변시켜 출력을 조절할 수 있는 저전압 저전력 CMOS 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기를 제공하는데 있다.

이를 위하여, 본 발명은 TSMC사(Taiwan Semiconductor Manufacturing Company)의 0.18μ 공정을 이용한 MOSFET을 사용하여 설계한 저전압 저전력 CMOS 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기를 제공한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저전압 저전력 CMOS 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기는, 저전압 저전력 선형 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(Operational Transconductance Amplifire, OTA)에 있어서, 상기 OTA의 내부회로에서 바이어스 전류원을 구성하는 전류미러를 캐스코드(Cascode) 형식의 전류미러로 대체하여 전류미러 자체의 출력저항을 높임으로써 누설되는 전류를 감소시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저전압 저전력 CMOS 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기를 이용한 능동 인덕터는, 상기 1항의 OTA 2개와 커패시터(Capasitor) 1개를 이용하여 접지된 능동 인덕터를 구성한 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 OTA 2개는 2개의 차동 입-출력형(Differential in-out) 트랜스컨덕터일 수 있다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저전압 저전력 CMOS 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기를 이용한 능동 인덕터는, 상기 1항의 OTA 4개와 커패시터(Capasitor) 1개를 이용하여 플로팅(Floating) 능동 인덕터를 구성한 것을 특징으로 하는 저전압 저전력 CMOS 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기를 이용한 능동 인덕터.

이때, 상기 OTA 4개는 완전-차동형(Fully-differential) 구조의 트랜스컨덕터를 구성할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 전자제품 시장의 소형화 및 고성능화 추세에 따라 저전압 및 소형화된 전자부품을 제공할 수 있으며, 이에 따라 전자제품의 소형화 및 고성능화에 기여할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 저전압 저전력 CMOS OTA의 회로도,
도 2는 본 발명에 따른 OTA를 적용한 접지된 인덕터를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 OTA를 적용한 플로팅(floating)된 인덕터를 나타낸 도면.

이하에서는 본 발명에 따른 저전압 저전력 CMOS 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기에 대한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시 예는 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것으로, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있다.

하기의 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것일 뿐, 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명은 저전압 저전력 CMOS 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(Operational Transcoductance Amplifier, OTA) 및 능동 인덕터에 관한 것으로, 선형 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기를 설계하고, 이를 이용하여 능동 인덕터를 구현하는 것에 특징이 있다.

먼저, 도 1은 본 발명에 따른 저전압 저전력 CMOS OTA의 회로도로서, 도 1의 V_DD와 V_SS는 공급전압으로 각각 1.65V, -1.65V 이다. I_OUT은 OTA의 출력전류를 나타낸다.

본 발명은 저전압 저전력으로 구동하는 TSMC사(Taiwan Semiconductor Manufacturing Company)의 0.18μ 공정을 이용한 MOSFET을 사용하여 레이아웃(Layout)을 설계하였다. 레이아웃은 카덴스 툴(Cadence tool)을 이용하여 설계하였다. 본 발명은 CMOS와 저항 R로 구성되며, OTA의 입력단을 바디효과를 고려하여 PMOS로 대체하였다.

본 발명에 따른 OTA 소자는 3.3V 이하의 저전압으로 동작한다. OTA의 출력 식은 I_O = G_m * Vin 이다. 이때 G_m은 트랜스컨덕턴스, 즉 OTA의 이득을 말한다.

하기에서 설명할 도 2 및 도 3의 능동 인덕터를 구성하는 저전압 저전력 선형 OTA의 내부회로는, 도 1에 도시된 바와 같이 바이어스 전류원을 구성하는 전류미러를 캐스코드 형식의 전류미러로 대체하여 전류미러 자체의 출력저항을 높여 누설되는 전류를 적게 하는데 특징이 있다.

도 2는 본 발명에 따른 OTA를 적용한 접지된 인덕터를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 OTA를 적용한 플로팅(floating)된 인덕터를 나타낸 도면이다.

g_m-C 능동 인덕터를 실현하는 방법에는 두 가지 방법이 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 두 개의 차동-입력 단일-출력(differential-in single-ended)트랜스컨덕터와 한 개의 커패시터를 이용하는 방법과, 도 3에 도시된 바와 같이 네 개의 차동-입력 단일-출력 트랜스컨덕터와 한 개의 커패시터를 이용하는 방법이다.

g_m-C로 구성된 능동 인덕터는 트랜스컨덕터의 트랜스컨덕턴스가 바이어스 전압 또는 전류 등의 회로 파라미터에 의해서만 결정되지 않고, 온도에 민감한 트랜지스터 영향도 받기 때문에 온도 특성이 좋지는 않지만, 전류-모드로 동작하는 트랜스컨덕터를 능동소자로 사용하기 때문에 회로구성이 간단하고 고주파 특성이 좋다는 장점을 갖는다.

본 발명은 두 개의 차동 입-출력형(differential in-out) 또는 완전-차동형(fully-differential) 구조의 저전압 저전력 CMOS 선형 트랜스컨덕터와 한 개의 커패시터를 이용한 능동 플로팅 인덕터 구성을 제안하고, 제안된 인덕터 구성을 우수한 고주파 특성과 온도 특성을 갖는 CMOS선형 트랜스컨덕터를 사용하여 실현한다. 인덕터 구성 방식은 기존의 방식과 같지만 구성되는 OTA의 내부회로에서 차별화 한다.

본 발명의 능동 인덕터의 y파라미터를 구하면 하기의 수학식 1 내지 수학식 5와 같다.

도 2의 g_m1과 g_m2는 각각 제1 선형 트랜스컨덕터와 제2 선형 트랜스컨덕터의 트랜스컨덕턴스이다. 그리고 인덕턴스는

가 된다.

도 3의 g_{m1 ,} g_{m2 ,} g_{m3 ,} g_m4는 각각 제1 선형 트랜스컨덕터, 제2 선형 트랜스컨덕터, 제3 선형 트랜스컨덕터 및 제4 선형 트랜스컨덕터의 트랜스컨덕턴스이다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

Claims (3)

1. 저전압 저전력 선형 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(Operational Transconductance Amplifire, OTA)에 있어서,
   상기 OTA의 내부회로에서 바이어스 전류원을 구성하는 전류미러를 캐스코드(Cascode) 형식의 전류미러로 대체하여 전류미러 자체의 출력저항을 높임으로써 누설되는 전류를 감소시키는 것을 특징으로 하는 저전압 저전력 CMOS 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기.
   
2. 상기 1항의 OTA 2개와 커패시터(Capasitor) 1개를 이용하여 접지된 능동 인덕터를 구성한 것을 특징으로 하는 저전압 저전력 CMOS 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기를 이용한 능동 인덕터.
   
3. 상기 1항의 OTA 4개와 커패시터(Capasitor) 1개를 이용하여 플로팅(Floating) 능동 인덕터를 구성한 것을 특징으로 하는 저전압 저전력 CMOS 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기를 이용한 능동 인덕터.

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