[논문]수동 소자를 사용하지 않는 가변 이득 증폭기 설계

조종민; 임신일

doi:10.9723/jksiis.2013.18.5.001

초록
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본 논문은 수동소자를 사용하지 않고 선형성 향상을 얻는 가변이득증폭기(VGA, variable gain amplifier) 설계에 관련된 것이다. 이 제안된 VGA는 전류 귀환 증폭기 구조를 이용하고, 이득은 입력단과 귀환부의 트랜스컨덕턴스(GM) 비로 얻어진다. 선형성과 높은 이득을 얻기 위하여 귀환 트랜스컨덕턴스에 전류 분할 기법과 소스 축퇴(degeneration) 기법을 사용하였다. 이득의 변화는 가변 정류기로 입력 트랜스컨덕턴스의 바이어스 전류를 변화시켜 얻을 수 있다. 이 VGA는 $0.35{\mu}m$ CMOS공정을 사용하여 설계하였고, 저 전력을 위해 sub-threshold 영역에서 동작시키게 하였다. 가변 이득은 23dB~43dB의 결과를 얻도록 하였고, 소모 전류는 3.3V에서 $2.82{\mu}A{\sim}3{\mu}A$ 이다. 이 VGA가 차지하는 칩 면적은 $120{\mu}m{\times}100{\mu}m$이다.

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This paper presents a variable gain amplifier(VGA) without passive devices. This VGA employes the architecture of current feedback amplifier and variable gain can be achieved by using the GM ratios of two trans-conductance(gm) circuits. To obtain linearity and high gain, it uses current division tec...

This paper presents a variable gain amplifier(VGA) without passive devices. This VGA employes the architecture of current feedback amplifier and variable gain can be achieved by using the GM ratios of two trans-conductance(gm) circuits. To obtain linearity and high gain, it uses current division technique and source degeneration in feedback GM circuits. Input trans-conductance(GM) circuit was biased by using a tunable voltage controller to obtain variable gain. The prototype of the VGA is designed in $0.35{\mu}m$ CMOS technology and it is operating in sub-threshold region for low power consumption. The the gain of proposed VGA is varied from 23dB to 43dB, and current consumption is $2.82{\mu}A{\sim}3{\mu}A$ at 3.3V. The area of VGA is 1$120{\mu}m{\times}100{\mu}m$.

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문제 정의

본 논문에서는 수동소자를 사용하지 않는 가변 이득 증폭기를 제안하였다. 전류 분할 기법과 소스 축퇴 기법을 적용하여 귀환 트랜스 컨덕턴스의 크기를 작게 만들어 큰 이득과 큰 이득의 변화 및 선형성 향상을 얻게 되었다.
이제 이러한 현상을 개선하기 위하여 선형성을 보장하면서 큰 이득을 얻을 수 있는 가변이득 증폭기 설계 방법을 제안한다. 수동소자를 사용하지 않아 작은 칩 면적의 장점을 얻을 수 있고, MOS트랜지스터를 sub-threshold 영역에서 동작시켜 저 전력으로 구동하게 하여, 선형성 향상을 얻는 가변 이득 증폭기에 대해 설명한다.

제안 방법

입력과 귀환 트랜스 컨덕턴스에서 전류를 받아 출력으로 전압을 낸다. CMFB (common mode feedback) 회로를 이용하여 차동 출력 전압 레벨을 공통모드 레벨로 고정시키게 설계 하였다. 전체 가변 이득 증폭기의 전체 이득은 대략 식 (7) 같이 얻어지게 된다.
그 이외에 완전 차동 상태의 바이어스 안정화를 위해, 공통모드 전압 귀환(CMFB, common mode feedback) 회로가 사용된다. 가변 이득 증폭기의 구조는 트랜스 레지스턴스(RT) 증폭기를 중심으로 입력단과 귀환 부 경로 상에 차동 쌍으로 구성된 트랜스 컨덕턴스 능동 소자 쌍을 배치하였다. 회로의 동작은 입력 신호로 전압이 인가되면 입력 트랜스 컨덕턴스(GM₁)에서 전류로 바뀐 후 트랜스 레지스턴스 증폭기(RT)로 인가되어 전압으로 바뀌게 된다.
기본적으로는 의 전류 귀환 증폭기 구조를 사용하였고, 완전 차동으로 구현하였다.
본 논문에서 제안하는 가변 이득 증폭기는 0.35㎛ CMOS 공정을 사용하여 설계하였다. 공급 전원 3.
입력단 트랜스 컨덕턴스(GM₁)는 트랜스 레지스턴스 증폭기(RT) 앞에 배치하여 입력 신호를 받아들이기 위해 사용 되었다. 이것은 차동 쌍과 전류거울(current mirror)로 구성되는데 차동 쌍에서는 가변 정류기에 의해 변화되는 트랜스컨덕턴스를 얻게 되고, 전류거울은 트랜스 레지스턴스 증폭기 하단 전류원(MRT_n3, MRT_n4) 에 병렬로 달아 변화되는 바이어스 전류를 흘려줌으로써 출력의 공통 모드 레벨이 흔들리는 것을 방지하도록 설계 하였다. 귀환부 트랜스 컨덕턴스(GM2)는 트랜스 레지스턴스 증폭기 귀환 경로 상에 배치하게 된다.
이제 앞 절에서 기술했던 귀환 단 입력 신호 영역이 좁아져 비선형성이 발생하는 문제를 해결하기 위해, 귀환 단 트랜스컨덕턴스(GM2) 회로를 다음 과 같이 구성하여 제안한다.

대상 데이터

기본적으로는 <그림 4>의 전류 귀환 증폭기 구조를 사용하였고, 완전 차동으로 구현하였다. 두 개의 능동 소자(입력단 GM₁, 귀환부 GM₂)와, 트랜스 레지스턴스 증폭기(RT), 가변 전압 조절기(variable voltage controller) 등 4개의 블록으로 구성된다. 그 이외에 완전 차동 상태의 바이어스 안정화를 위해, 공통모드 전압 귀환(CMFB, common mode feedback) 회로가 사용된다.
신체 신호 측정에 사용하기 위해 설계된 가변이득 조절기의 layout이 에 나타나 있으며 전체 크기는 120um x 100um이다.

성능/효과

<그림 5> (a)의 모의실험 결과는 가변이득을 얻기 위해 바이어스 전류가 증가함에 따라 GM1 트랜스 컨덕턴스가 화살표 방향으로 증가하는 것을 보여준다. 이에 따라 <그림 5> (c)와 같이 전체 이득도 증가하게 된다.
전류 분할 기법과 소스 축퇴 기법을 적용하여 귀환 트랜스 컨덕턴스의 크기를 작게 만들어 큰 이득과 큰 이득의 변화 및 선형성 향상을 얻게 되었다. 설계된 VGA는 sub-threshold 영역에서 설계하여 소모 전류를 최소화 하였고, 수동소자를 사용하지 않고 능동소자를 사용하여 칩 면적을 줄일 수 있었다. <표1>에 기존의 가변 이득 증폭기와 비교한 성능이 요약되어 있다.
<그림 12> 은 가변 이득 증폭기의 변화되는 이득을 확인하는 AC 모의실험 결과이다. 이 모의실험 결과에서 볼 수 있듯이 이득은 23dB에서 43dB의 큰 이득과 큰 이득의 변화를 확인할 수 있다. 이것은 기존의 0dB에서 12dB의 가변 이득에 비해 현저하게 개선된 것이다.
본 논문에서는 수동소자를 사용하지 않는 가변 이득 증폭기를 제안하였다. 전류 분할 기법과 소스 축퇴 기법을 적용하여 귀환 트랜스 컨덕턴스의 크기를 작게 만들어 큰 이득과 큰 이득의 변화 및 선형성 향상을 얻게 되었다. 설계된 VGA는 sub-threshold 영역에서 설계하여 소모 전류를 최소화 하였고, 수동소자를 사용하지 않고 능동소자를 사용하여 칩 면적을 줄일 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	부 귀환을 이용하는 가변 이득 증폭기의 장점은 무엇인가?	이렇게 부 귀환을 이용하는 가변 이득 증폭기의 장점으로는 선형성과 이득의 안정화를 얻을 수 있다는 것이다. 그러나 큰 면적을 차지하는 수동소자 때문에 반도체 칩 내에 구현할 경우 칩 면적을 효율적으로 줄일 수 없다.
	전압 귀환 가변 이득 증폭기에서, 이득이 증가함에 따라 대역폭이 감소하는 이유는?	[1] <그림 3>은 전압 귀환 가변 이득 증폭기(VFA, voltage feedback amplifier)와 전류 귀환 가변 이득 증폭기(CFA, current feedback amplifier)의 특징을 보여주고 있다. 전압 귀환 증폭기는 고정된 GBW(gain band-width product)를 갖기 때문에 이득이 증가되면 그에 따라 대역폭이 감소하게 된다. 반면에 전류 귀환 증폭기는 이득과 상관없이 일정한 대역폭을 가지게 된다.
	가변 이득 증폭기 사용의 일반적인 목적은 무엇인가?	일반적으로 가변 이득 증폭기(VGA, variable gain amplifier)는 통신 시스템이나 센서 시스템 같은 응용에서, 취득한 정보를 상황에 맞도록 적절하게 증폭시키기 위하여 많이 사용되고 있다. <그림 1>과 같은 센서 시스템의 아날로그 전 단부(analog front-end)에서는 일반적으로 세 번째 단에 가변 이득 증폭기를 배치하여 이전 단에서 검출된 신호의 크기를 적절하게 향상시킨다.

참고문헌 (5)

Ivan Koudar, "Variable Gain Differential Current Feedback Amplifier" IEEE 2004 Custom Interated Circuits Conference, pp 659-662.
Alice Wang, "Sub-Treshold Design for Ultra Low Power Systems": ISBN:978-0-387-33515-5, 2006
Benton H.Calhoun, A. Wang, A. Chandrakasan, "Modeling and Sizing for Minimum Energy Operation in Subthreshold Circuit" IEEE J. Solid-State Circuits, vol.40 ,no 9, pp1778-1786, September 2005

상세보기
P. Monsurro, S. Pennisi, "Linearization Technique for Source-Degenerated CMOS Differential Transconductor" IEEE Transaction on Circuits and Systems, vol. 54, no. 10, pp 848-852, October 2007
A. Veeravalli, E. Sanchez-Sinencio, J.Silva_Martinez, "Transconductance Amplifier Structures with very Small Transcondutance: A Comparative Design Approach" IEEE J. Solid-State Circuits, vol.37, no. 6, pp. 770- 775, June 2002

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