KR960011406B1 - 연산트랜스콘덕턴스증폭기(ota) - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

연산 트랜스콘덕턴스 증포기(OTA)

제1도는 종래의 연산 트랜스콘덕턴스 증폭기(OTA)를 도시한 회로도이다.

제2도는 본 발명에 의한 연산 트랜스콘덕턴스 증폭기(OTA)를 도시한 회로도이다.

제3도는 본 발명에 의한 OTA의 출력임피던스와 종래의 OTA의 출력임피던스를 도시한 그래피이다.

제4도는 전원전압의 변동에 따른 본 발명 및 종래의 OTA의 출력전류의 변동을 도시한 그래프이다.

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.

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.

여기서 트랜스콘덕턴스, gm은 다음 식1과 같이 입력전압 변동에 대한 출력전류의 변동비로 정의된다.

여기서, △Io는 출력전류의 변동이고, △Vi는 입력전류의 변동이다.

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.

제1도는 종래의 OTA를 도시한 회로도이다. 종래의 OTA는 에미터가 공통 접속된 트랜지스터쌍으로 된 차동증폭기(Q1,Q2)와, 에미터의 공통접속점과 접지사이에 연결되는 정전류원(I_EE)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.

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 I_EE과 트랜지스터 Q3, Q4의 에미터를 V_cc에 연결하는 저항 R1, R2로 구성된다.

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.

Rout=Rout_Q2//Rout_Q3=ro_Q2/ro_Q3(1+R2) 1

여기서, Rout_Q2=ro_outQ2이고, Rout_Q3=ro_outQ3(1+R2) 이며, ro_outQ2는 NPN트랜지스터 Q2의 콜랙터 자체 출력저항이고, ro_outQ3는 NPN트랜지스터 Q3의 콜랙터 자체 출력저항이다.

또한, 각 트랜지스터의 콜랙터 자체 출력저항은 각 출력저항은 각 트랜지스터의 얼리전압(early voltage)을 각 트랜지스터의 콜랙터 전류로 나눈값이다.

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.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 출력임피던스를 높힌 연산 트랜스콘덕턴스 증폭기(OTA)를 제공하는데 있다.

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(V_cc)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.

이어서, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

제2도는 본 발명에 의한 OTA를 도시한 회로도이다.

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.

본 발명에 의한 부궤환을 갖는 능동부하는 각각의 에미터가 저항 R1과 저항 R2를 통해 V_cc에 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.

제2도에 있어서, 궤환이득 G_FB는 근사식으로 다음 식2와 같이 구할 수 있다.

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 식2는

로 나타내며라면, 궤환이득은

가 된다.

이와 같이 본 발명의 부궤환에 의해 제3트랜지스터 Q3의 콜랙터 자체 출력저항 Rout_Q3를 궤환이득 만큼 증가시키는 효과를 가져오며, 이를 식으로 표현하면 다음 식5와 같다.

따라서, 본 발명에 의한 OTA의 출력임피던스는 다음 식6과 같다.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (1)

1. 에미터가 공통 접속된 트랜지스터쌍을 갖는 차동증폭기와, 상기 에미터와 접시사이에 연결되는 정전류원과, 상기 트랜지스터쌍의한 트랜지스터의 콜랙터와 접지사이에 연결되는 정전압원과, 상기 트랜지스터쌍의 타 트랜지스터의 콜랙터와 전원(Vcc) 사이에 연결되는 능동부하수단과, 상기 능동부하수단과 접지사이에 연결되는 바이어스 저항을 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 하는 연산 트랜스콘덕턴스 증폭기(OTA).