저전압 고정밀 멀티웨이브 전류형 정류기 회로

초록

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본 논문은 0.5 µm CMOS 공정을 이용해 ±1.5 V 전원에서 동작하는 고정밀 멀티웨이브 전류형 정류기 회로를 제안한다. 고속 전류 비교기, 전류 미러, CMOS 인버터를 결합한 구조로 입력 전류를 400 µA pp까지, 200 MHz까지 처리하며, 낮은 전력 소모와 제로‑크로싱 왜곡 최소화를 구현한다. 회로 성능은 PSpice 시뮬레이션으로 검증하였다.

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상세 요약

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제안된 회로는 전류 모드 정류라는 특수한 동작 방식을 채택함으로써 전압‑기반 정류기에 비해 스위칭 손실과 온‑오프 전압 강하를 크게 감소시킨다. 핵심 블록인 고속 전류 비교기는 입력 전류의 부호를 실시간으로 판단하여 전류 미러에 전달하고, 전류 미러는 부호에 따라 적절한 복제 전류를 생성한다. 이때 CMOS 인버터는 출력 전류를 전압 신호로 변환하는 동시에 레벨 쉬프팅 역할을 수행한다. 0.5 µm CMOS 트랜지스터를 사용함에도 불구하고, 최소 전원 전압 ±1.5 V에서 정상 동작하도록 설계된 점이 눈에 띈다. 이는 트랜지스터의 임계 전압(Vth)을 고려한 소스‑바이어스와 바이어스 전류 최적화를 통해 가능했으며, 결과적으로 전력 소모는 수십 마이크로와트 수준에 머문다. 주파수 응답 측면에서는 200 MHz까지의 입력 신호를 왜곡 없이 처리할 수 있는데, 이는 전류 비교기의 전이 시간과 전류 미러의 복제 지연을 최소화한 설계 덕분이다. 또한, 제로‑크로싱 시 발생하는 비정밀(Non‑precision) 오차를 억제하기 위해 회로 내부에 작은 오프셋 보정 회로를 삽입했으며, 시뮬레이션 결과 출력 파형이 거의 이상적인 사각파 형태를 보였다. 한계점으로는 0.5 µm 공정의 트랜지스터 매칭 오차가 전류 미러 정확도에 영향을 줄 수 있으며, 고주파에서의 기생 인덕턴스와 커패시턴스가 최종 성능을 제한할 가능성이 있다. 향후 65 nm 이하의 고급 공정으로 스케일링하거나, 온‑칩 온도 보상 회로를 추가하면 더욱 높은 정밀도와 주파수 대역을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.

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