The continuous-time transconductance-C filter is the best way for high-frequency filtering. Because transconductances and capacitors are the only components required for realizing a filter, it can be readily be implemented in a fully integrated form. Transconductors in continuous-time filters should satisfy the following properties: wide input linear range, must be simple for a wide frequency response, and must be tunable dependent on some dc bias voltage or current. In this dissertation, three new transconductors and its application to 90-degree phase difference network (PDN) are described. All of the above cited circuits have been implemented in a double-poly double-metal CMOS 1.2㎛ process.
The first transconductor consists of the basic source-coupled pair and cross-coupled bias circuits. The cross-coupled bias circuits are composed of a source follower and a transistor operating in the linear region. As the input voltage increases, the effective bias current increases. Due to the bias feedback technique, the THD less than 1% can be obtained for the differential input signal up to 60% of the supply voltages (±5V). The second transconductor is the same as the first one except additional current sources to increase the transconductance of the source follower transistors. Thereby the linearity characteristics are further improved, and the THD less than 1% can be obtained over the differential input signal up to 70% of the supply voltages. The second-order effects are considered in detail. The above transconductors are relatively simple suitable for high-frequency applications and tunable dependent on the dc bias current. The last proposed transconductor uses the triode biased transistors with current-shunt feedback which remains the drain-to-source voltage to a constant independent of the input voltage. The THD less than 1% can be obtained over the differential input signal up to the supply voltages. The triode transconductor is advantageous over previous circuits in linearity and tunability.
We present 90-degree PDN based on the transconductance-C filter as well. The PDN consists of two 2nd-order APF, and it has a fixed low-Q and fixed $ω_0$. The measured results are as follows: phase difference error is within 5-degree and magnitude reduction is within 3dB in 1MHz to 10MHz frequency range. The deviations from the desired specifications are due to the loading effects of test pads. And the deviation of the pole frequencies due to process tolerances, temperature variations, mismatches and aging has been solved using a tuning circuits based on a PLL.
연속시간 트랜스콘덕턴스-커패시터 필터는 고주파 신호처리에 가장 적합한 구조로 알려졌다. 고주파 신호처리에 요구되는 트랜스콘덕터는 입력신호 범위가 넓어야 하고, 구조가 간단하여야하며, 트랜스콘덕턴스의 값을 외부에서 바이어스 전류나 전압으로 조절가능하여야 한다. 본 논문은 새로운 세가지 종류의 CMOS 트랜스콘덕터를 제안하였고, 또한 90도 위상변위기를 트랜스콘덕턴스-커패시터 전역필터로 구성하였다. 모든 회로는 1.2㎛ n-well 공정으로 제작하여 측정, 실험하였다.
첫번째 트랜스콘덕터는, 소오스-커플드 페어의 제한된 바이어스 전류로 인하여 선형 입력영역이 매우 좁은 단점을 극복하기 위해서, 기본적인 소오스-커플드 페어와 크로스-커플드 바이어스부궤환 회로로 구성되어 있다. 크로스-커플드 바이어스 부궤환 회로는 소오스 폴로워와 선형영역에서 동작하는 트랜지스터로 구성되어 있어서, 입력신호의 크기가 커질수록 바이어스 전류를 증가시키는 일종의 적응 바이어스 기술로서 소오스-커플드 페어의 단점을 극복하였다. 1KHz 차등입력 정현전압에 대하여 전원전압(±5V)의 60%까지 THD를 1%이내로 입력범위를 확장하였다. 또한 회로구조가 매우 간단해서 고주파용 회로에 적합하다. 두번째 트랜스콘덕터는 위의 바이어스부궤환 회로에서 MOS 트랜지스터는 트랜스컨덕턴스가 작기 때문에 부가적인 전류원을 공급하여 이상적인 소오스 폴로워로 만들었다. 또한 회로의 2차적인 요소와 주파수에 대한 자세한 해석을 하였고, 칩 측정으로 그의 성능을 검증하였다. 부가적인 전류원으로 1KHz 차등 입력 정현전압에 대하여 전원전압의 70%까지 THD를 1%이내로 더욱 확장할 수 있었다. 또한 바이어스 전류로 트랜스콘덕턴스값을 조정할 수 있어서 트랜스콘덕턴스-커패시터를 쉽게 구현할 수 있다. 마지막 트랜스컨덕터는 선형영역에서는 동작한다. 선형영역에서 동작하는 트랜지스터는 소오스-드레안 전압이 일정하면 트랜스컨덕터로 이용할 수 있는데, 부궤환을 이용하여 소오스-드레안 전압을 일정하게 유지하였다. 선형영역에서 동작하는 트랜스컨덕터는 차등 입력 정현전압에 대하여 전원전압까지 THD가 1%이내이고, 또한 트랜스콘덕턴스의 변환 범위가 위의 트랜스컨덕터보다 훨씬 넓은 장점이 있다.
위상변위기 회로는 전역필터의 pole과 zero가 서로 대칭이어서 신호의 크기는 변하지 않고 각도만 단조 감소하는 성질을 이용하여 구성할 수 있다. 본 논문에서는 90도 위상변위기를 트랜스콘덕턴스-커패시터 필터로 구성하였다. 본 논문은 초음파 진단장치에 사용될 수 있도록 설계되었다. 주파수 범위는 1MHz에서 10MHz이고, 출력신호의 변화는 1dB이내이고, 위상차 차이는 3도 이내인 위상차 회로를 만족하는 최소의 pole수는 4차이기 때문에, 2개의 2차 전역 필터로 이루어졌고, 입력신호에 대하여 두 필터 출력신호의 크기는 입력신호와 같고 상대적으로 90도 위상차를 갖는 회로이다. 각 2차의 전역필터의 pole 위치는 고정되었기 때문에 회로소자의 기생영향을 최소로 하기 위해서 4개의 트랜스컨덕터와 2개의 커패시터로 구성하였다. 각 트랜스컨덕터의 기생성분(입,출력 커패시터와 출력 컨덕턴스)과 주파수에 따라 변하는 트랜스컨덕턴스와 노이즈에 대한 자세한 해석을 하였다.그러나 칩 설계과정에서 전역필터 각 내부노드에 대한 테스트를 위하여 테스트 단자를 두었는데, 이의 영향으로 1MHz에서 10MHz까지의 주파수 영역에서 위상차이는 5도 이내이고, 출력신호의 크기는 3dB의 변화를 보였다. 그리고 공정의 변화와 온도에 대한 영향으로 바이어스 값들이 변하는데, 이를 보상하기 위한 PLL 방식에 기초를 둔 튜닝회로를 구성하여 그의 동작을 확인하였다.
