KR100821122B1 - CMOS variable gain amplifier - Google Patents
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Abstract
본 발명은 낮은 공급 전압 및 작은 소비 전력에서 조정 전압에 의해서 넓은 범위를 가지는 입력 신호에 대한 가변이득 증폭 기능을 제공하여 안정된 전류 바이어스와 가변 출력 저항에 의한 광대역 동작 특성을 갖는 CMOS형 가변이득 증폭 장치에 관한 것으로, 입력 신호를 고정 이득 값으로 증폭하기 위한 입력수단과, 출력 바이어스 전압을 일정하게 고정시켜 주기 위한 공통 모드 피드백 수단과, 사용 주파수 범위를 증가시키기 위한 부하 수단을 포함하는 CMOS형 가변이득 증폭 장치에 있어서, 크기가 동일하고 부호가 반대인 조정 전압의 값에 따라 상기 입력수단의 이득 값을 가변하는 전압변환수단을 포함하되, 상기 전압변환수단은, 제1 조정 전압이 게이트 단에 연결되고 드레인이 상기 입력수단과 연결된 제1 트랜지스터와, 상기 제1 트랜지스터와 병렬 연결된 제2 트랜지스터와, 상기 제1 조정 전압과 부호가 반대인 제2 조정 전압이 게이트 단에 연결되고 드레인이 상기 입력수단과 연결된 제3 트랜지스터와, 상기 제3 트랜지스터와 병렬 연결된 제4 트랜지스터를 포함하여 상기 제1 및 제2 조정 전압의 값에 따라 상기 입력부의 이득 값을 가변시키는 것을 특징으로 한다.The present invention provides a variable gain amplification function for an input signal having a wide range by a regulated voltage at low supply voltage and small power consumption, and has a stable current bias and a wide band operation characteristic by a variable output resistance. A CMOS type variable gain comprising: an input means for amplifying an input signal to a fixed gain value, a common mode feedback means for constantly fixing an output bias voltage, and a load means for increasing a use frequency range. An amplifying apparatus, comprising: voltage converting means for varying a gain value of the input means according to a value of an adjusting voltage having the same magnitude and opposite sign, wherein the voltage converting means has a first adjusting voltage connected to a gate terminal; A first transistor having a drain connected to the input means and a bottle connected to the first transistor A third transistor connected in series with a second transistor connected to a gate terminal and having a drain connected to the input means; and a fourth transistor connected in parallel with the third transistor. And varying a gain value of the input unit according to values of the first and second adjustment voltages.
CMOS, VGA, 가변 이득, 증폭기, 지수 발생 CMOS, VGA, Variable Gain, Amplifier, Exponential Generation
Description
도 1 은 본 발명에 따른 가변이득 증폭 장치의 일실시예 구성도.1 is a block diagram of an embodiment of a variable gain amplifier according to the present invention.
도 2a 및 2b 는 본 발명에 따른 CMOS형 가변이득 증폭기의 이득 가변을 설명하기 위한 일실시예 설명도.2A and 2B illustrate an embodiment for explaining gain variation of a CMOS type variable gain amplifier according to the present invention;
도 3 은 본 발명에 따른 CMOS형 가변 이득 증폭 장치의 전압변환부를 나타낸 일실시예 설명도.3 is a diagram illustrating an embodiment of a voltage converter of a CMOS type variable gain amplifier according to the present invention;
도 4 는 본 발명에 따른 CMOS형 가변 이득 증폭 장치의 일실시 예시도.Figure 4 is an exemplary view of a CMOS type variable gain amplifier according to the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
110 : 전압변환부 120 : 전압-전류 변환부110: voltage converter 120: voltage-current converter
130 : 입력부 140 : 공통 모드 피드백부130
150 : 부하부150: load part
본 발명은 지수함수 발생기가 필요없는 큰 가변이득이 가능한 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor : 이하, "CMOS"라 함) 형태의 가변이득 증폭 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a variable gain amplification device of a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) type (hereinafter referred to as "CMOS") capable of large variable gain without the need for an exponential function generator.
CMOS 형태의 가변이득 증폭기를 설계할 때 반드시 고려해야만 하는 사항은 저전력 설계, 선형성 보장을 위한 입력 신호의 크기, 조절 전압 및 이득 조절 범위 등이 있다. 또한, 회로에 대한 온도나 전원 전압의 의존성을 배재 할 수 있다. 특히, 조정 전압에 대한 이득 특성 함수는 선형구간이 매우 좁기 때문에 큰 가변 구간을 위해서는 지수 발생기가 필요하다.When designing a CMOS-type variable gain amplifier, considerations include low power design, input signal size to ensure linearity, regulation voltage and gain adjustment range. In addition, the dependence of the temperature and the power supply voltage on the circuit can be excluded. In particular, the gain characteristic function for the regulated voltage requires an exponential generator for a large variable section because the linear section is very narrow.
종래 기술로 "씨모스 가변이득 앰프 및 그 제어방법(대한민국 특허 등록 번호 100356022)"과 "가변이득 증폭기(대한민국 특허 출원 번호 10-2002-0078448)"이 있으며, 상기 특허들은 증폭기 입력에 관계없이 출력 신호를 일정하게 만드는 증폭기 구조로 구성되며, 증폭기의 동작점 이동을 통하여 이득을 변경하는 구조이지만 큰 범위의 신호를 입력으로 받지 못하는 문제점이 있었다. 또한, 지수 함수 발생기가 요구되어 구조가 복잡해지는 문제점이 있었다.Prior arts include CMOS variable gain amplifiers and control methods thereof (Korean Patent Registration No. 100356022) and Variable Gain Amplifiers (Korean Patent Application No. 10-2002-0078448). It consists of an amplifier structure that makes the signal constant, and a structure that changes the gain by moving the operating point of the amplifier, but has a problem that does not receive a large range of signals as input. In addition, there is a problem in that an exponential function generator is required and the structure is complicated.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 낮은 공급 전압 및 작은 소비 전력에서 조절 전압에 의해서 넓은 범위를 가지는 입력 신호에 대한 가변이득 증폭 기능을 제공하여 안정된 전류 바이어스와 가변 출력 저항에 의한 광대역 동작 특성을 갖는 CMOS형 가변이득 증폭 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been proposed to solve the above problems, and provides a variable gain amplification function for an input signal having a wide range by a regulated voltage at low supply voltage and small power consumption. It is an object of the present invention to provide a CMOS type variable gain amplifier having an operating characteristic.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.Other objects and advantages of the present invention can be understood by the following description, and will be more clearly understood by the embodiments of the present invention. Also, it will be readily appreciated that the objects and advantages of the present invention may be realized by the means and combinations thereof indicated in the claims.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 입력 신호를 고정 이득 값으로 증폭하기 위한 입력수단과, 출력 바이어스 전압을 일정하게 고정시켜 주기 위한 공통 모드 피드백 수단과, 사용 주파수 범위를 증가시키기 위한 부하 수단을 포함하는 CMOS형 가변이득 증폭 장치에 있어서, 크기가 동일하고 부호가 반대인 조정 전압의 값에 따라 상기 입력수단의 이득 값을 가변하는 전압변환수단을 포함하되, 상기 전압변환수단은, 제1 조정 전압이 게이트 단에 연결되고 드레인이 상기 입력수단과 연결된 제1 트랜지스터와, 상기 제1 트랜지스터와 병렬 연결된 제2 트랜지스터와, 상기 제1 조정 전압과 부호가 반대인 제2 조정 전압이 게이트 단에 연결되고 드레인이 상기 입력수단과 연결된 제3 트랜지스터와, 상기 제3 트랜지스터와 병렬 연결된 제4 트랜지스터를 포함하여 상기 제1 및 제2 조정 전압의 값에 따라 상기 입력부의 이득 값을 가변시키는 것을 특징으로 한다.The apparatus of the present invention for achieving the above object comprises an input means for amplifying the input signal to a fixed gain value, a common mode feedback means for constantly fixing the output bias voltage, and a load for increasing the use frequency range A CMOS type variable gain amplifier comprising a means, comprising: voltage converting means for varying a gain value of the input means in accordance with a value of a regulated voltage of equal magnitude and opposite sign, wherein the voltage converting means comprises: A first transistor having a first adjustment voltage connected to the gate terminal and a drain connected to the input means, a second transistor connected in parallel with the first transistor, and a second adjustment voltage having a sign opposite to the first adjustment voltage. A third transistor connected to the drain and connected to the input means, and a fourth transistor connected in parallel with the third transistor. It characterized in that to vary the gain value of the input unit in accordance with the value of the first and second adjustment voltage, including.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.The above objects, features and advantages will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, whereby those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. There will be. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 은 본 발명에 따른 가변이득 증폭 장치의 일실시예 구성도이다.1 is a block diagram of an embodiment of a variable gain amplifier according to the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 CMOS형 가변이득 증폭 장치는, 조정 전압을 양의 전압과 음의 전압으로 변동시키는 전압변환부(110), 상기 전압변환부(110)에서 변환된 조정 전압을 전류로 변동시키는 전압-전류 변환부(120), 입력 신호를 고정 이득 값으로 증폭 또는 감소시키는 입력부(130), 출력 바이어스 전압을 일정하게 고정시켜주는 공통 모드 피드백(Common Mode Feedback)부(140), 그리고 사용 주파수 범위를 증가시키는 기능을 포함하는 부하부(150)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the CMOS type variable gain amplifier according to the present invention includes a
CMOS 가변이득 증폭 장치는 넓은 범위의 전압을 입력하여 일정한 크기의 출력 신호를 만드는 것으로 양의 전압에 의해 흐르는 전류와 음의 전압에 의해 흐르는 전류의 비는 이득으로 나타난다.The CMOS variable gain amplifier generates a constant output signal by inputting a wide range of voltages. The ratio of the current flowing by the positive voltage and the current flowing by the negative voltage is shown as a gain.
한편, 본 발명은 큰 가변이 가능한 이득 증폭기(VGA: Variable Gain Amplifier)로서, 특히 지수 발생 장치가 필요 없는 구조로 소모 전력을 줄일 수 있고 이득 가변 구간을 증가시킬 수 있다.On the other hand, the present invention is a variable gain amplifier (VGA) that can be largely variable, and in particular, a structure that does not require an exponential generator can reduce power consumption and increase a gain variable period.
CMOS 가변이득 증폭기를 설계할 때 반드시 고려해야만 하는 사항은 저전력 설계, 선형성 보장을 위한 입력 신호의 크기, 조절 전압 및 이득 조절 범위 등이 있다. 또한, 회로에 대한 온도나 전원 전압의 의존성을 배재 할 수 있다. 특히, 조정 전압에 대한 이득 특성 함수는 선형구간이 매우 좁기 때문에 큰 가변 구간을 위해서는 지수 발생기가 필요하다. 하지만, 본 발명은 입력 신호 대 이득간의 특성 함수의 선형 구간이 매우 넓기 때문에 지수 발생기가 필요하지 않게 된다. 그러므로 회로 자체를 간단하게 구현이 가능하고 또한 저전력 설계가 가능하다.When designing a CMOS variable-gain amplifier, considerations include low power design, input signal size to ensure linearity, regulation voltage, and gain adjustment range. In addition, the dependence of the temperature and the power supply voltage on the circuit can be excluded. In particular, the gain characteristic function for the regulated voltage requires an exponential generator for a large variable section because the linear section is very narrow. However, the present invention eliminates the need for an exponential generator because the linear range of the characteristic function between the input signal and the gain is very wide. Therefore, the circuit itself can be simply implemented and a low power design can be achieved.
도 2a 또는 2b 는 본 발명에 따른 CMOS형 가변이득 증폭기의 이득 가변을 설 명하기 위한 일실시예 설명도이다.2A or 2B is an exemplary diagram for explaining gain variation of a CMOS type variable gain amplifier according to the present invention.
도 2a에 도시된 바와 같이 입력부는 입력된 음과 양의 신호를 증폭하기 위해 트랜지스터 M1, M4, M7, M8로 구성된다. 그리고, 전압변환부는 서로 병렬 연결된 트랜지스터 M2, M3과, 서로 병렬 연결된 트랜지스터 M5, M6으로 구성된다. 여기서, 트랜지스터 M2와 트랜지스터 M5의 게이트단에는 조정 전압이 연결되고, 드레인은 입력부의 트랜지스터들과 각각 연결된다.
입력부의 트랜지스터 M1에 흐르는 전류 Id1은 아래와 같이 전압변환부의 트랜지스터 M2와 트랜지스터 M3로 흐르는 전류로 나눌 수 있다.As shown in FIG. 2A, the input unit is composed of transistors M1, M4, M7, and M8 to amplify the input negative and positive signals. The voltage converting unit is composed of transistors M2 and M3 connected in parallel to each other and transistors M5 and M6 connected in parallel to each other. Here, the regulation voltage is connected to the gate terminals of the transistors M2 and M5, and the drain is connected to the transistors of the input unit, respectively.
The current I d1 flowing in the transistor M1 of the input unit may be divided into the current flowing through the transistors M2 and M3 of the voltage conversion unit as follows.
입력부의 트랜지스터 M4에 흐르는 전류 Id2는 아래와 같이 전압변환부의 트랜지스터 M5와 M6으로 흐르는 전류로 나눌 수 있다.The current I d2 flowing in the transistor M4 of the input unit may be divided into the currents flowing through the transistors M5 and M6 of the voltage converting unit as follows.
이때, 트랜지스터 M2와 트랜지스터 M5의 게이트(Gate)에 걸리는 조정 전압은 크기는 같고 부호가 반대가 된다. 그러므로 Id1과 Id2는 하기 [수학식 1]과 [수학식 2]와 같다.At this time, the adjustment voltages applied to the gates of the transistors M2 and M5 have the same magnitude and the opposite signs. Therefore, I d1 and I d2 are represented by the following [Equation 1] and [Equation 2].
여기서,
공통 소스(Common Source) 구조의 이득은 AV=-gm*Ro과 같이 된다. 이때 출력 저항은 하기 [수학식 3]과 같다.The gain of the common source structure is equal to A V = -g m * R o . At this time, the output resistance is as shown in [Equation 3].
이때, 입력부의 트랜지스터 M1의 출력 저항은 r0, 부하부의 트랜지스터 M9의 출력 저항은 r1, 부하부의 트랜지스터 M11의 출력 저항은 r2, 입력부의 트랜지스터 M4의 출력 저항은 1/gm과 같다. 이것은 회로의 절반이고, 나머지 M4, M10, M12, M8의 경우도 같다.At this time, the output resistance of the transistor M1 of the input part is r 0 , the output resistance of the transistor M9 of the load part is r 1 , the output resistance of the transistor M11 of the load part is r 2 , and the output resistance of the transistor M4 of the input part is equal to 1 / g m . This is half of the circuit, and so on for the remaining M4, M10, M12, M8.
이럴 때 이득은 하기 [수학식 4]와 같고 dB 스케일로 변환 시키면 하기 [수학식 5]와 같다.In this case, the gain is as shown in [Equation 4] and converted to dB scale as shown in [Equation 5].
상기 [수학식 5]를 그래프로 그리면 도 2b와 같다. 도 2b에 도시된 바와 같이 가변 범위가 매우 큼을 알 수 있다.If Equation 5 is graphed, it is as shown in FIG. 2B. As shown in FIG. 2B, it can be seen that the variable range is very large.
도 3 은 본 발명에 따른 CMOS형 가변 이득 증폭 장치의 전압변환부를 나타낸 일실시예 설명도이다.3 is a diagram illustrating an embodiment of a voltage converter of a CMOS type variable gain amplifier according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 전압변환부는 조정 전압을 입력으로 받아 트랜지스터를 거쳐 양의 전압과 음의 전압으로 변동시킨다.As shown in FIG. 3, the voltage converter receives an adjustment voltage as an input and changes the voltage to a positive voltage and a negative voltage through a transistor.
도 4 는 본 발명에 따른 CMOS형 가변 이득 증폭 장치의 일실시 예시도로서, 상기 도 2의 회로에 공통 모드 피드백(Common Mode Feedback)이 포함된 것을 나타낸다.FIG. 4 is an exemplary view illustrating a CMOS type variable gain amplifier according to an exemplary embodiment of the present invention, in which a common mode feedback is included in the circuit of FIG. 2.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.The present invention described above is capable of various substitutions, modifications, and changes without departing from the technical spirit of the present invention for those skilled in the art to which the present invention pertains. It is not limited by the drawings.
상기와 같은 본 발명은, 전류 3가지 이득 조정부를 채택하여 큰 가변이득 구현이 가능한 구조로서, 특히 전류 분리부를 채택하여 소비 전력을 줄이면서 큰 이득 실현이 가능하고, 저 전원 바이어스 시에도 큰 가변이득과 큰 입력 신호를 받을 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention has a structure in which a large variable gain can be implemented by adopting three current gain adjusting units, and in particular, a large gain can be realized while reducing power consumption by adopting a current separating unit, and a large variable gain even at low power supply bias. And it is effective to receive big input signal.
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