[논문]적외선 수신 IC에 적합한 저주파 대역통과필터(Band Pass Filter)의 설계

최배근; 류승탁; 홍영욱; 김재협; 이민철; 조규형

적외선 수신 IC에 적합한 저주파 대역통과필터(Band Pass Filter)의 설계
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최배근 (한국과학기술원 전기 및 전자공학과) , 류승탁 (한국과학기술원 전기 및 전자공학과) , 홍영욱 (한국과학기술원 전기 및 전자공학과) , 김재협 (한국과학기술원 전기 및 전자공학과) , 이민철 (한국과학기술원 전기 및 전자공학과) , 조규형 (한국과학기술원 전기 및 전자공학과)

본 논문에서는 광 다이오드에서 들어오는 신호로부터 원하는 대역의 신호를 얻기 위한 적외선 수신 IC에 적합한 대역통과필터를 설계하였다 설계한 대역통과필터는 2차 Biquad gm-C 필터의 구조를 이용하여 중심주파수가 38kHz. Quality factor가 10인 필터를 구현하였다. 구현된 대역통과필터는 필터부분과 중심주파수를 보정해 주는 frequency tuning 부분으로 구성되어 있다. 낮은 transconductance와 높은 선형성을 요구하는 transconductor의 설계를 위해 Gilbert 곱셈기 특성을 이용하여 구현하였고 AMS사의 0.8${\mu}m$ BiCMOS model을 사용하여 +5V로 동작되도록 설계 하였다

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문제 정의

본 논문에서는 외부의 기준 clock 없이 automatic tuning올 혜주는 적외선 수신IC에 적합한 새로운 구조의 automatic tuning 방법을 제안하였다.

제안 방법

(band pass filter)의 구현이다. Band pass filter의 종류에는 passive RLC필터와 Active RC 필터 IC에 적합한 MOSFET C 필터와 gm-C 필터 스위치 Capacitor 필터 등이 있는데, 본 논문에서는 gm - C 를 이용하여 중심주파수가 38kHz이고 Q(Quality factor)7} 10인 band pass filter를 설계하였다
Power와 IC 면적을 줄이기 위해서 기본 transcend- uctor라는 개념을 없애고 모든 transconductor가 입력뿐만 아니라 control signal에도 똑같이 선형적인 특성을 얻을 수 있는 구초를 생각하게 되었다.
설계한 transcondtuctor 는 differential input and differential output을 가지는 구조를 선택했다. 본 논문에서는 band pass filter를 CMOS 와 Bipolar device로 나누어서 2가지로 설계를 했다.
의 gm의 값을 줄이면서 DC gain을 크게 만들기 위해서는 다른 구조의 gm-cell이 필요하게 된다. 설계한 transcondtuctor 는 differential input and differential output을 가지는 구조를 선택했다. 본 논문에서는 band pass filter를 CMOS 와 Bipolar device로 나누어서 2가지로 설계를 했다.
1 절에서는 bipar analog multiplier를 이용한 transconductor를 설계했다. 이번 절에서는 같은 개념을 가지는 근사화 된 MOS multiplier를 이용하여 transconductor 를 설계하고 필터도 구성해 보았다. MOS는 bipolar와는 달리 drain current가 Vgs에 2 차적으로 비례하기 때문에 gm의 값이 bias 전류에 일차적으로 비례하지 않는다.
적외선 통신구조를 살펴보면 디지털 데이터를 38kHz로 ASK Modulation한 후 적외선 다이오드를 통해서 광신호 형태로 데이터를 송신하는 송신부와 이 신호를 Phot다이오드를 통해서 신호를 검출 증폭하는 수신부로 나누어 지는데, 이 수신부를 자세히 살펴보면 적외선 광 신호를 Photo다이오드를 통해서 검출하고 그 미약한 전류 신호를 전치증폭기 에서 증폭하여 전압신호형 태로 만들어 준 다음 band pass filter를 통해서 우리가 원하는 38kHz 신호성분만을 추출해 낸다. 마지막으로 Peak Detector에서 원래 데이터 신호를 복원해 낸 후 마이크로 컨트롤러쪽으로 신호를 보내주게 된다.
회로에서 중요한 부분은 folded cascode 구조의 output 구조인데, 대역통과필터의 Q를 높이기 위해서는 gyrator의 Q가 높아야 한다. 즉 gyrator의 저항 성분 즉 Loss를 줄이기 위해서 transconductor의 Output impedance 를 크게 할 목적으로 folded cascode 구조를 선택하였다.
Bipolar로 구현한 transconductor의 구조의 거의 일치한다. 출력 stage의 impedance도 키우고 gain도 증가시킬 목적으로 bipolar 구조와 같이 folded cascode구조를 사용하였다. 역시 differential 구조를 가지기 때문에 common mode feedback 회로도 부가하였다.

대상 데이터

본 논문에서 다루려는 부분은 38kHz 저주파 대역 통과 필터 (band pass filter)의 구현이다. Band pass filter의 종류에는 passive RLC필터와 Active RC 필터 IC에 적합한 MOSFET C 필터와 gm-C 필터 스위치 Capacitor 필터 등이 있는데, 본 논문에서는 gm - C 를 이용하여 중심주파수가 38kHz이고 Q(Quality factor)7} 10인 band pass filter를 설계하였다
적외선 수신 모듈IC예 필요한 대역통과필터를 Bipolai와 MOS를 각각 여용혜서 설계 및 모의 실혐을 했다. 저주파 대역 통과 필터로 구현하기 떄문예 새로운 구조의 Transcoducntor< 제안하게 되었고 또 실제 중심주파수가 온도나 외부 환경이 변화하기 때문에 그런 변화에 둔감하도록 automatic timin흥 회로를 부과하였다.

이론/모형

4는 제안된 transconductor의 전체 회로이다. 입력 impedance# 키워주기 위해서 입력구조를 darlington 구조를 사용하였다. 출력 impedance도 키워주기 위해서 output stage도 folded cascode 구조를 사용하였다.

성능/효과

저주파 대역 통과 필터로 구현하기 떄문예 새로운 구조의 Transcoducntor< 제안하게 되었고 또 실제 중심주파수가 온도나 외부 환경이 변화하기 때문에 그런 변화에 둔감하도록 automatic timin흥 회로를 부과하였다. 보통 automatic tuning 방법은 PLL을 사용하지만 외부의 신호의 인가 없이 단일 칩 내부에 구현 할 수 있도록 새로운 Tuning 방법을 제안해서 fi를 구현하였고 온도에 대해서도 중심주파수가 38에서 변화하지 않음을 확인하였다.

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