[논문]전압 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기를 사용한 새로운 플로팅 인덕터

방준호; 이종열

doi:10.5370/kiee.2015.64.1.143

전압 차동 트랜스컨덕턴스 증폭기를 사용한 새로운 플로팅 인덕터
A New Floating Inductor Using A Voltage Differencing Transconductance Amplifier 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.64 no.1, 2015년, pp.143 - 148

방준호 (Dept. of IT Applied System Engineering, Chonbuk National University) , 이종열 (Dept. of Electronic Engineering, Chonbuk National University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper a new method is proposed for realizing active floating inductors from voltage differencing transconductance amplifier(VDTA) which is being studied nowadays. This proposed method employs only one VDTA and one transconductance for designing an active inductor from a passive floating inductor and implementing it to integrated circuits. The number of CMOS transistors can be considerably reduced from 6~18 as 1~3 gm circuits can be eliminated and even without R the design can be made, which can help in reducing the size of the circuit and power consumption. The proposed VDTA floating inductor was successfully used in constructing 1 MHz second order biquad active bandpass filter and bandwidth could be adjusted from 77kHz~1.59MHz by the changes made in gm from 6uS~20uS.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 VDTA를 이용하여 플로팅 인덕터의 구현하기 위한 새로운 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 [10]에서 사용하고 있는 방법을 개선하여 더 적은 수의 회로를 이용하여 플로팅 인덕터를 구현함으로써 변환방법이 용이하고 회로의 면적과 소비전력을 줄일 수 있는 방법이다.
본 논문에서는 회로크기 축소 및 저소비전력 아날로그 회로설계를 위해 최근 활발하게 연구되고 있는 VDTA를 이용하여 능동 플로팅 인덕터를 구현하기 위한 새로운 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 오직 한 개의 VDTA와 한 개의 트랜스컨덕턴스를 이용하여 수동 인덕터 회로를 집적회로로 실현이 가능한 능동 플로팅 인덕터로의 변환하는 방법으로써 최근 연구된 기존의 방법과 그 특성을 비교 분석하였다.
이 장에서는 제안된 VDTA 플로팅 인덕터를 이용하여 능동 대역통과 필터를 설계하고 그 특성을 검증함으로써 제안된 VDTA 플로팅 인덕터의 유용성을 확인하고자 한다. 능동 대역통과 필터를 설계하는 방법은 먼저 수동소자로만 구성된 수동 대역통과필터를 설계한 후, 수동 인덕터를 능동 인턱터로 변환한다.
이 절에서는 그림 3의 기존 VDTA 플로팅 인덕터에 비하여 더욱 크기를 줄일 수 있는 새로운 구조의 VDTA 플로팅 인덕터를 제안한다. 제안된 VDTA 플로팅 인덕터를 그림 4(a)에 나타내었다.

제안 방법

제안된 VDTA 플로팅 인덕터를 그림 4(a)에 나타내었다. 두 개의 VDTA를 이용하여 플로팅 인덕터를 구성한 기존의 구조에 비하여 그림 4의 제안된 구조는 오직 한 개의 VDTA를 사용하여 플로팅 인덕터를 구성하였고 다만 트랜스컨덕터, g_ma를 Z단자와 접지단자 사이에 연결하였다. 또한 기존 플로팅 인덕터의 양쪽 두 단자가 각 VDTA의 Z단자에 연결되었으나 제안된 구조에서는 VDTA의 두 개의 입력단자를 플로팅 인덕터의 두 단자로 구성하였다.
두 개의 VDTA를 이용하여 플로팅 인덕터를 구성한 기존의 구조에 비하여 그림 4의 제안된 구조는 오직 한 개의 VDTA를 사용하여 플로팅 인덕터를 구성하였고 다만 트랜스컨덕터, g_ma를 Z단자와 접지단자 사이에 연결하였다. 또한 기존 플로팅 인덕터의 양쪽 두 단자가 각 VDTA의 Z단자에 연결되었으나 제안된 구조에서는 VDTA의 두 개의 입력단자를 플로팅 인덕터의 두 단자로 구성하였다. 제안된 VDTA 플로팅 인덕터의 등가회로를 그림 4(b)에 나타내었으며 이 등가회로로부터 플로팅 인덕터의 양단자 전류 I₁과 I₂를 다음과 같이 유도할 수 있다.
3장에서는 본 논문에서 제안한 VDTA 플로팅 인덕터를 구현하는 방법을 수식적인 회로 해석방법과 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 보이고 기존에 연구되었던 방법들과 비교 분석한 후, 제안된 방법의 개선점을 보였다. 또한 제안된 능동 인덕터를 이용하여 2차 1MHz의 중간주파수를 갖는 대역필터를 설계하고 그 유용성을 확인하였다.
이와 같이 제안된 VDTA 플로팅 인덕터를 이용하여 중간주파수의 조정이 가능한 능동대역통과 필터의 설계 및 그 특성이 시뮬레이션 결과로 통하여 확인되었다. 본 논문에서는 대역통과 필터의 설계 예를 제시하였으나, 제안된 VDTA 플로팅 인덕터를 이용하여 저역통과 필터와 고역통과 필터의 설계에도 활용할 수 있으며 다양한 주파수 대역이 필터 설계가 가능하다.
본 논문에서는 VDTA를 이용하여 플로팅 인덕터의 구현하기 위한 새로운 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 [10]에서 사용하고 있는 방법을 개선하여 더 적은 수의 회로를 이용하여 플로팅 인덕터를 구현함으로써 변환방법이 용이하고 회로의 면적과 소비전력을 줄일 수 있는 방법이다. 2장에서 VDTA에 대한 기본적인 특성과 기존의 플로팅 인덕터를 구현하는 방법에 대하여 소개한다.
본 논문에서는 회로크기 축소 및 저소비전력 아날로그 회로설계를 위해 최근 활발하게 연구되고 있는 VDTA를 이용하여 능동 플로팅 인덕터를 구현하기 위한 새로운 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 오직 한 개의 VDTA와 한 개의 트랜스컨덕턴스를 이용하여 수동 인덕터 회로를 집적회로로 실현이 가능한 능동 플로팅 인덕터로의 변환하는 방법으로써 최근 연구된 기존의 방법과 그 특성을 비교 분석하였다. 기존의 방법들과 비교한 결과, 제안된 VDTA 플로팅 인덕터는 g_m을 1∼3개 생략할 수 있음으로 CMOS 트랜지스터 개수를 6∼18개 정도를 줄일 수 있으며, R을 사용하지 않고 설계할 수 있어, 회로의 크기와 소비전력을 줄일 수 있음을 확인하였다.

성능/효과

gm을 6μS에서부터 20μS까지 변화하였을 때 능동대역통과 필터의 중간주파수가 477kHz에서 1.59MHz까지 변화될 수 있음을 확인하였다.
59MHz까지 주파수 대역의 조정 특성을 확인하였다. 결과적으로 본 논문에서 제안한 VDTA 플로팅 인덕터가 회로의 크기를 줄이고 중간주파수 대역의 조정이 가능한 대역필터 설계에 매우 유용하게 활용할 수 있음을 확인하였다. 제안된 VDTA 플로팅 인덕터는 그라운딩 인덕터로 수정없이 사용할 수 있어서 설계의 편리성을 제공하고, 저역통과와 고역통과 필터설계에도 활용할 수 있어서 향후 다양한 형태의 저소비전력용 아날로그 집적회로 설계에 활용될 것으로 기대한다.
계산된 능동필터의 소자 값을 활용하여 HSPICE 시뮬레이션 결과로부터 1MHz의 중간 주파수를 갖는 대역통과 필터의 특성이 예측대로 얻어 졌음을 확인하였다.
제안된 회로의 경우, 한 개의 전압을 기준으로 다른 전압을 0으로 취하게 되면, 즉 전압 V₁을 기준으로 할 때 V₂는 0으로(V₂을 기준으로 할때 V₁는 0으로)취하게 되면 그림 2과 같은 기존의 그라운딩 인덕터와 같은 결과가 얻어진다. 그러므로 제안된 VDTA 플로팅 인덕터는 양쪽 전압이 존재 할 때는 플로팅 인덕터로 사용하며, 한쪽이 접지된 경우는 그라운딩 인덕터의 기능도 동시에 할 수 있음을 보여준다. 식 (9)에 제안된 VDTA의 인덕턴스 값을 나타내었다.
기존의 방법들과 비교한 결과, 제안된 VDTA 플로팅 인덕터는 gm을 1∼3개 생략할 수 있음으로 CMOS 트랜지스터 개수를 6∼18개 정도를 줄일 수 있으며, R을 사용하지 않고 설계할 수 있어, 회로의 크기와 소비전력을 줄일 수 있음을 확인하였다.
둘째, 앞서 수식유도 과정에서 언급한 것처럼, 제안된 VDTA 인덕터의 경우, 인덕터의 양쪽단자의 값의 유무에 따라 플로팅 인덕터 뿐아니라 그라운딩 인덕터로도 사용될 수 있어 회로설계자들에게 편리성을 제공할 수 있다. 그리고 집적회로 공정에서 발생하는 잡음 특성에 강한 회로를 설계하기 위해서 회로내의 사용되고 있는 수동회로의 한 쪽을 접지된 소자로 구성하는 방법을 사용하는데, 기존의 VDTA 플로팅 인덕터와 마찬가지로 제안된 VDTA 플로팅 인덕터의 Z단자에 연결된 수동소자 CL가 접지되도록 구성됨으로서 공정잡음에 강한 특성을 갖을 수 있다.
또한 제안한 VDTA 플로팅 인턱터를 1MHz대역의 2차 바이쿼드 능동 대역통과필터 설계에 응용할 수 있음을 HSPICE 시뮬레이션을 통하여 확인하였고, 6μS∼20μS의 gm 변환에 따라 77kHz∼1.59MHz까지 주파수 대역의 조정 특성을 확인하였다.
59MHz까지 변화될 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 설계자가 원하는 특정한 주파수 대역의 필터를 g_m의 변화를 이용하여 매우 용이하게 설계할 수 있음을 보여준다. 이와 같이 제안된 VDTA 플로팅 인덕터를 이용하여 중간주파수의 조정이 가능한 능동대역통과 필터의 설계 및 그 특성이 시뮬레이션 결과로 통하여 확인되었다.
[10]의 경우는 4개의 g_m이 사용되었지만 저항을 사용하지 않고 오직 1개의 캐패시터만을 사용하여 플로팅 인덕터를 구성하였다. 이러한 기존의 회로들에 비하여 본 논문에서 제안한 방법은 3개의 g_m과 1개의 캐패시터만을 사용함으로써 가장 적은 개수의 회로를 이용하여 플로팅 인덕터를 구성할 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 다른 회로들에 비하여 1∼3개의 g_m개수를 제거함으로써 g_m들을 구성하는데 필요한 CMOS 개수도 줄일 수 있다.
이러한 결과는 설계자가 원하는 특정한 주파수 대역의 필터를 g_m의 변화를 이용하여 매우 용이하게 설계할 수 있음을 보여준다. 이와 같이 제안된 VDTA 플로팅 인덕터를 이용하여 중간주파수의 조정이 가능한 능동대역통과 필터의 설계 및 그 특성이 시뮬레이션 결과로 통하여 확인되었다. 본 논문에서는 대역통과 필터의 설계 예를 제시하였으나, 제안된 VDTA 플로팅 인덕터를 이용하여 저역통과 필터와 고역통과 필터의 설계에도 활용할 수 있으며 다양한 주파수 대역이 필터 설계가 가능하다.
즉, 다른 회로들에 비하여 1∼3개의 gm개수를 제거함으로써 gm들을 구성하는데 필요한 CMOS 개수도 줄일 수 있다.

후속연구

결과적으로 본 논문에서 제안한 VDTA 플로팅 인덕터가 회로의 크기를 줄이고 중간주파수 대역의 조정이 가능한 대역필터 설계에 매우 유용하게 활용할 수 있음을 확인하였다. 제안된 VDTA 플로팅 인덕터는 그라운딩 인덕터로 수정없이 사용할 수 있어서 설계의 편리성을 제공하고, 저역통과와 고역통과 필터설계에도 활용할 수 있어서 향후 다양한 형태의 저소비전력용 아날로그 집적회로 설계에 활용될 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저항(R), 인덕터(L)와 캐패시터(C)로 구성된 수동회로를 능동회로로 변환하여 칩으로 제작하는데 있어서 가장 핵심적인 소자는 무엇인가?	CMOS 아날로그 및 디지털 혼성모드 집적회로의 시스템온칩화에 따라 저전압, 저전력 CMOS 아날로그 회로를 설계하기 위한 연구가 지난 수년 내지 수십 년 동안 계속되어 왔다. 특히 저항(R), 인덕터(L)와 캐패시터(C)로 구성된 수동회로를 능동회로로 변환하여 칩으로 제작하는데 있어서 가장 핵심적인 소자는 수동 인덕터(L)인데 이 수동인덕터를 능동 인턱터로 변환하는 연구가 CMOS 연산증폭기가 출연한 이후 계속되어 왔다. 연산증폭기를 이용하여 수동 인덕터를 능동 인덕터로 변환하는 방법으로 FDNR(Frequency-dependent negative resistance)와 자이레이터(Gyrator)를 이용한 방법이 널리 사용되어 왔다.
	VDTA를 이용하여 플로팅 인덕터의 구현하기 위한 새로운 방법에는 어떤 것이 있는가?	본 논문에서는 VDTA를 이용하여 플로팅 인덕터의 구현하기 위한 새로운 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 [10]에서 사용하고 있는 방법을 개선하여 더 적은 수의 회로를 이용하여 플로팅 인덕터를 구현함으로써 변환방법이 용이하고 회로의 면적과 소비 전력을 줄일 수 있는 방법이다. 2장에서 VDTA에 대한 기본적인 특성과 기존의 플로팅 인덕터를 구현하는 방법에 대하여 소개한다.
	연산증폭기를 이용하여 수동 인덕터를 능동 인덕터로 변환하는 방법으로는 어떤 것들이 있는가?	특히 저항(R), 인덕터(L)와 캐패시터(C)로 구성된 수동회로를 능동회로로 변환하여 칩으로 제작하는데 있어서 가장 핵심적인 소자는 수동 인덕터(L)인데 이 수동인덕터를 능동 인턱터로 변환하는 연구가 CMOS 연산증폭기가 출연한 이후 계속되어 왔다. 연산증폭기를 이용하여 수동 인덕터를 능동 인덕터로 변환하는 방법으로 FDNR(Frequency-dependent negative resistance)와 자이레이터(Gyrator)를 이용한 방법이 널리 사용되어 왔다. 또한 전압연산증폭기, 전류컨베이어, 전류제어 컨베이어, 전류궤환 연산증폭기, 차동전압 전류컨베이어, 전류차동 버퍼링 증폭기, 전류차동 트랜스 컨덕턴스 증폭기, 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기등은 능동회로를 구성하기 위하여 사용된 회로들이다[1-3].

참고문헌 (11)

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상세보기
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A. Yesil, F. Kacar and H. Kuntman, “New Simple CMOS Realization of Voltage Differencing Transconductance Amplifier and Its RF Filter Application,” Radioengineering, Vol. 20, No. 3, pp. 632-637, 2011.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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