KR0138953B1 - 인핸스먼트형 cmos 집적회로 가변저항장치 - Google Patents
인핸스먼트형 cmos 집적회로 가변저항장치Info
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Abstract
본 발명은 2개의 인핸스먼트형 CMOS 트랜지스터로 서로 대칭되게 연결하여 간단히 집적화시킴으로 그 크기가 상대적으로 매우 작을 뿐만 아니라 구조도 간단하며 저항값이 상기 트랜지스터의 게이트단 전압에 의해 자유로dl 조정할 수 있는 CMOS 집적회로 가변저항장치에 관한 것으로, 2개의 CMOS 인핸스먼트형 트랜지스터(M1, M2; M1', M2')는 대칭구조를 갖는 크기로 각각의 소스단(S1, S2; S1', S2')과 드레인단(D1, D2; D1', D2')이 서로 연결되고, 그중 한 트랜지스터(M1; M1')의 게이트단(G2; G1')과 드레인단(D1; D1')이 서로연결되고 다른 트랜지스터(M2; M2')의 게이트단(G2; G2')이 저항값을 조절하는 조절전압으로 동작되도록 상기 CMOS 트랜지스터(M1, M2; M1', M2')의 전류방식의 비선형성이 서로 상쇄되어 전체의 전압-전류 특성이 선형 저항소자와 흡사해지는 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치.
Description
제1도는 일반적인 디스크리트 MOS 트랜지스터의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프,
제2도는 본 발명에 관한 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치의 NMOS 연결을 나타낸 회로도,
제3도는 본 발명의 CMOS 집적회로 가변저항장치의 동작원리를 나타낸 동작도,
제4도는 본 발명의 CMOS 집적회로 가변저항장치를 집적회로로 구현하기 위한 레이아웃회로도,
제5도는 본 발명의 CMOS 집적회로 가변저항장치로부터 측정된 검사 파형으로,
(a)는 하나의 집적회로형 트랜지스터의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프,
(b)는 (b)의 트랜지스터 두개로 이루어진 CMOS 집적회로 가변저항장치를 측정한 파형도,
제6도는 본 발명에 관한 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치의 PMOS 연결을 나타낸 회로도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
M1, M2, M1', M2' : CMOS 트랜지스터
D1, D2, D'1, D2' : 드레인단
S1, S2, S1', S2' : 소스단
G1, G2, G1', G2' : 게이트단.
본 발명은 인핸스먼트형(Enhancement Type) CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 집적회로 가변저항장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2개의 인핸스먼트형 CMOS 트랜지스터로 서로 대칭되게 연결하여 간단히 집적화시킴으로 그 크기가 상대적으로 매우 작을 뿐만 아니라 구조도 간단하며 저항값이 상기 트랜지스터의 게이트단 전압에 의해 자유로이 조정할 수 있는 COMS 집적회로 가변저항장치에 관한 것이다.
현재, 집적회로소자중 트랜지스터, 개패시터와 더불어 가장 널리 쓰이는 저항소자는 실리콘결정에 불순물을 주입(doping)한다든지 주사(inplant)하여 제조되어 왔는데, 이는 확산(Diffusion), 폴리실리콘이나 실리사이드 등의 저항물질을 이용하여 한가지로 고정된 값을 갖는 저항소자로서 제조되고 있다.
이때 저항값은 불순물의 농도와 소자의 길이등 물리적인 변수에 의해 결정되고, 그 결과, 한번 제작된 집적회로 저항소자는 한가지로 고정된 저항값만을 가질 수 있는 수동적 소자로 사용되며, 저항값이 클 경우에는 그 길이가 매우 길어짐으로 소형화가 최대목표인 집적회로에서 큰 면적을 차지하게 된다는 결정적인 결점이 된다.
최근, 이런 수동적인 저항소자의 여러 단점을 보완하고자 트랜지스터의 능동소자를 이용한 저항소자의 집적회로에 대한 연구가 진행되고 있고, 하나의 MOS 트랜지스터의 전류-전압 특성은 제1도에 도시된 바와 같이 비선형으로 나타남으로 선형 저항소자로 사용하는 데에 한계가 있었다.
따라서, 트랜지스터를 이용한 집적회로 저항소자를 구현하기 위한 여러가지 방법등이 제시되어 왔는 바, 먼저 한개의 저항소자를 구현하기 위한 트랜지스터의 갯수가 너무 많다든지 부대회로가 필요한 경우로 집적화, 소형화에 역행하게 된다는 결과를 낳았고, 또 디프리션형 트랜지스터를 사용하는 경우로서 일반적으로 모두 인핸스먼트형 트랜지스터만 공급되고 있는 현재의 가장 보편적인 CMOS 집적회로 기술과는 호환성이 없었다.
실제로 현재 가장 보편적인 CMOS 집적회로 기술은 PMOS와 NMOS 두가지 형태의 인핸스먼트형 트랜지스터만 공급되고 있다.
또 비선형성을 상쇄하는 과정에서 불가피하게 저항소자의 동작범위가 제한되는 경우로, 주로 트랜지스터의 문턱전압의 절대값보다 적은 전압에서만 선형성이 보장되어 왔는데, 이는 전술한 바 있는 디프리선형 트랜지스터를 사용할 때의 문제점과 관련된 문제로, 일반적인 디프리션형 트랜지스터의 문턱전압은 그 크기가 4볼트 내지 5볼트 정도로 별 문제가 안되겠지만, 인핸스먼트형 트랜지스터는 그 문턱전압 1볼트 내외로 그 동작 전압범위가 상대적으로 매우 적어진다는심각한 문제점이 발생되었다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같이 종래의 여러문제를 해결하고 개선한 형태의 새로운 동작방식을 갖는 집적회로형 저항소자로서, 두개의 비선형 트랜지스터를 연결하여 서로 비선형성을 상쇄할 수 있다는 데에 착안하여 선형 저항소자로 사용 가능하게 함으로 그 크기가 상대적으로 매우 작고 구조도 간단하며 저항값도 CMOS 트랜지스터의 게이트단의 전압에 의해 자유롭게 조정할 수 있는 간단한 집적회로인 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 CMOS 집적회로 가변저항장치는, 2개의 CMOS 인핸스먼트형 트랜지스터(M1, M2; M1', M2')는 대칭구조를 갖는 크기로 각각의 소스단(S1, S2; S1', S2')과 드레인단(D1, D2; D1', D2')이 서로 연결되고, 그중 한 트랜지스터(M1; M1')의 게이트단(G1; G1')과 드레인단(D1; D1')이 서로 연결되고 다른 트랜지스터(M2; M2')의 게이트단(G2; G2')이 저항값을 조절하는 조절전압으로 동작되도록 상기 CMOS 트랜지스터(M1, M2; M1', M2')의 전류방식의 비선형성이 서로 상쇄되어 전체의 전압-전류 특성이 선형 저항소자와 흡사해진 것을 그 특징으로 한다.
이하 본 발명의 실시예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명에 관한 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치의 NMOS 연결을 나타낸 회로도로서, 본 발명의 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치는 간단히 2개의 CMOS 트랜지스터(M1, M2)의 결합으로 이루어져 다른 부대회로가 필요없게 되는 바, 이는 필요에 따라 NMOS 구조나 PMOS 구조로 구현하여 사용할 수 있게 된다.
먼저 NMOS 형태에 대해서는, 한 CMOS 트랜지스터(M1)의 드레인단(D1)과 다른 CMOS 트랜지스터(M2)의 드레인단(D2)이 서로 연결되어 그 사이에 전류(I)가 흐르는 인가전압(V)의 + 단자가 접속되고, 또 한 CMOS 트랜지스터(M1)의 소스단(S1)과 다른 CMOS 트랜지스터(M2)의 소스단(S2)이 서로 연결되어 그 사이로 - 단자가 각각 접속됨으로 공통소스와 드레인을 형성하게 된다. 이렇게 연결된 상기 CMOS 트랜지스터(M1)는 게이트단(G1)이 드레인단(D1)에 연결되고, 다른 CMOS 트랜지스터(M2)는 게이트단(G2)에 + 단자가 접속되면서 상기 게이트단(G2)과 소스단(S2) 사이에 조절전압(Vc)이 인가되도록 구성된다.
여기서 도면중 부호 Id1는 CMOS 트랜지스터(M1)에 흐르는 전류이고, 부호 Id2는 CMOS 트랜지스터(M2)에 흐르는 전류이다.
따라서, 본 발명의 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치는 CMOS 트랜지스터(M1, M2)의 드레인단(D1, D2)으로 흐르게 될 전류(I)가 인가전압(V)에 비례하여 선형적으로 변화하게 됨으로 상기 CMOS 트랜지스터(M1, M2)가 그 외부신호(V, I)만을 볼 때 마치 저항소자와 같이 동작하도록 되어 있다.
상기 CMOS 트랜지스터(M1, M2)의 서브스트레이트단(SUB)은 모두 공통 소스단에 연결됨으로 벌크와 서브스트레이트단의 전압(VBS)이 항상 0볼트로 유지되어, VBS가 0볼트가 아닐 경우에 발생하는 바디효과(Body Effect)에 의한 문턱전압(Vt)의 변화는 없도록 되어 있다.
이를 수식으로 설명하면, 바디효과에 의한 문턱전압의 변화량(△Vt)은,
△Vt=r[(20ø-VBS)1/2-(2ø)1/2]
(단 ø : 실리콘의 워크함수, r : 바디효과 상수)
로 주어지는데, 이때 서브스트레이트단(SUB)과 소스단(S1, S2)간의 연결에 의하여 VBS=0볼트가 되면 자연히 중괄호안의 값이 서로 상쇄하여 0으로 됨으로 △Vt=0이 된다.
제2도에 도시된 본 발명의 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치의 동작을 설명하면, 인가전압(V)측의 CMOS 트랜지스터(M1)는 게이트-드레인간의 연결선에 의해 드레인-소스단간의 전압(VDS)이 게이트-소스단간의 전압과 같아지고, 그 결과 영역부등식 VDSVGS-Vt을 만족하여 항상 새튜레이션(Saturation) 영역에서 동작한다.
이때 상기 CMOS 트랜지스터(M1)로 흐르는 전류(Id1)는,
이며, 여기서 Vt는 문턱전압, K1는 트랜지스터(M1)의 게인상수이다.
상기 CMOS 트랜지스터(M1)와 서로 대칭되게 연결되는 CMOS 트랜지스터(M2)는, 게이트단(G2)과 소스단(S2) 사이의 조절전압(Vc)이 적절히 클 경우에 영역 부등식 VDSVGS-Vt이 성립되어, 이 경우 드드레인-소스단간의 전압(VDS)은 인가전압(V)과 같고 게이트-소스단간의 전압(VGS)은 조절전압(Vc)과 같으므로,
VVc-Vt
로 성립된다.
따라서, 본 발명의 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치는 리니어(Iinear) 영역에서 동작되고, 이때 CMOS 트랜지스터(M2)를 흐르는 전류(Id2)는,
로 된다. 여기서 K2는 트랜지스터(M2)의 게인상수이다.
상기 ①식과 ②식에서 알 수 있듯이 전류(I)는 인가전압(V)의 2차식으로 표시됨으로 비선형 포물선의 관계를 갖게 되는 바, 이는 각각의 2차 항의 부호가 서로 다르게 된다.
그러므로, 상기 2개의 CMOS 트랜지스터(M1, M2)의 크기가 서로 동일하다면 K=K1=K2이 되고, 이때 전체전류(I)를 구하면,
가 되어 인가전압(V)의 2차항이 서로 상쇄되게 되며, 전류(I)와 전압(V)은 서로 선형 비례관계가 된다.
다만, 구간이 OVVt일 때는 인가전압(V)의 2차항이 그대로 남게 되고, 이때 (V)값은 문턱전압보다 적은 값을 갖게 되고(보통 0.5-0.6Volt) 또 이의 제곱은 더욱 작게 되어 무시할 수 있게 된다.
이상의 결과에서, NMOS인 경우에는 구간 VtVVc-Vt에서 2개의 CMOS 트랜지스터(M1, M2)로 이루어지는 저항소자의 등가 저항(Reg)은,
로 근사적으로 간단히 표시된다.
상기 ④식에서 보는 바와 같이, 이때의 저항값은 외부인가전압의 조절전압(Vc)만에 대한 함수가 되어, Vc를 조절함으로 저항값을 자유로이 조절할 수 있게 된다.
이상과 같이 설명한 발명의 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치의 동작을 제3도에 도신된 바와 같이 식 ①, ②, ③의 관계로 나타난다. 즉 제3도에서 두 곡선은 각각 식 과 식 의 전류(Id1, Id2)를 나타내고, 그 합은 식 ③과 같이 직선형태로 되어 그 기울기는 바로 식의 등가저항(Reg)의 역수와 같다.
한편, 본 발명의 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치는 제4도에 도시된 바와 같이 레이아웃을 통하여 집적회로가 제조되고, 제5도는 케이트레이서(Curve Tracer)를 이용한 측정결과를 나타내게 된다.
즉 제5도(a)는 한개의 트랜지스터의 전류-전압특성을, 제5도(b)는 이런 2개의 트랜지스터를 이용한 NMOS 연결의 저항소자의 전류-전압특성을 각기 나타내고 있다.
상기 제5도(b)에 도시된 바와 같이 게인상수 K=1.5 10-6, 문턱전압 Vt=0.7볼트로 주어질 경우에는, 조절전압(Vc)이 각기 10, 12, 14볼트로 변화할 때 저항값은 각기 86K, 63K, 51K로 측정되는데, 이는 식 ④에서 설명한 대로 조절전압(Vc)에 의하여 저항값이 쉽게 조절될 수 있게 된다.
또 상기 조절전압(Vc)이 예컨데 10볼트 이하로 줄어드는 경우에는 CMOS 트랜지스터(M1)와 서로 대칭되게 연결되는 CMOS 트랜지스터(M2)가 리니어 영역에서 동작하지 않고, 시튜레이션 영역에서 동작되어 비선형 커브가 측정되어진다.
제6도는 본 발명에 관한 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치의 PMOS 연결을 나타낸 회로도로서, 본 발명의 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치는 PMOS 연결형태로서 제2도에 도시된 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치와 마찬가지로 2개의 소스단(S1', S2')과 드레인단(D1', D2')이 서로 연결되어 있고 각각의 서브스트레이트단(SUB')도 소스단(S1', S2')과 연결되어 바디효과에 의한 문턱전압변화는 없게 된다.
PMOS 형태에 대해서는, 한 CMOS 트랜지스터(M1')의 드레인단(D1')과 다른 CMOS 트랜지스터(M2')의 드레인단(D2')이 서로 연결되어 그 사이에 전류(I)가 흐르는 인가전압(V)의 - 단자가 접속되고, 또한 CMOS 트랜지스터(M1')의 소스단(S1')과 다른 CMOS 트랜지스터(M2')의 소스단(S2')이 서로 연결되어 그 사이로 + 단자가 각기 접속됨으로 공통소스와 드레인을 형성하게된다. 이렇게 연결된 상기 CMOS 트랜지스터(M1')는 게이트단(G1')이 드레인단(D1')에 연결되고, 다른 CMOS 트랜지스터(M2')는 게이트단(G2')에 - 단자가 접속되면서 상기 게이트단(G2')과 소스단(S2') 사이에 조절전압(Vc)이 인가되도록 구성된다.
여기서 도면중 부호 Id1는 CMOS 트랜지스터(M1')에 흐르는 전류이고, 부호 Id2는 CMOS 트랜지스터(M2')에 흐르는 전류이다.
따라서, 본 발명의 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치는 CMOS 트랜지스터(M1', M2')의 드레인단(D1', D2')으로 흐르게 될 전류(I)가 인가전압(V)에 비례하여 선형적으로 변화하게 됨으로 상기 CMOS 트랜지스터(M1', M2')가 그 외부신호(V, I)만을 볼때 마치 저항소자와 같이 동작하도록 되어 있다.
또 CMOS 트랜지스터(M1')의 드레인단(D1')과 게이트단(G1')은 서로 연결되어 있어 새튜레이션 영역에서 동작되면, 다른 CMOS 트랜지스터(M2')의 게이트단(G2')과 소스단(S2') 사이에는 조절전압(Vc)이 인가되어, 조절전압이 적당히 클 경우 리니어 영역에서 동작하게 된다.
그러므로, 본 발명의 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치는 제2도에 도시된 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치와 마찬가지로 식 ①, 식 ② 및 식 ③을 만족하게 되는데, 다만 문턱전압값이 음의 값을 갖게 되므로 하기와 같은 식들( ①', ②', ③')로 바뀌게 된다. 즉
이상과 같은 결과에서, 구간 Vt VVc- Vt 에서 2개의 CMOS 트랜지스터(M1', M2')로 이루어지는데 저항소자의 등가저항(Reg)은,
로 근사적으로 간단히 표시된다.
상기 ④식에서 보는 바와 같이, 이때의 저항값은 조절전압(Vc)만에 대한 함수가 되어 Vc를 조절함으로 저항값을 자유로이 조절할 수 있다. 그외의 제4도 및 제5도의 설명은 동일함으로 이에 상세설명을 생략한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 두개의 비선형 트랜지스터를 연결하여 서로의 비선형성을 상쇄할 수 있다는데에 착안하여 선형 저항소자로 사용가능하게 함으로 그 크기가 상대적으로 매우 작고 구조도 간단하며 저항값도 CMOS 트랜지스터의 게이트단의 전압에 의해 자유롭게 조정할 수 있는 간단한 집적회로인 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치를 제공할 수 있다.
본 발명은 상기 내용에 국한하지 않고, 본 발명의 사상과 원리에 벗어남이 없이 특허청구범위의 기재된 내용에 포함되는 모든 수정, 변형 및 개량을 이에 포함하고자 한다.
Claims (7)
- 2개의 CMOS 인핸스먼트형 트랜지스터(M1, M2; M1', M2')는 대칭구조를 갖는 크기로 각각의 소스단(S1, S2; S1', S2')과 드레인단(D1, D2; D1', D2')이 서로 연결되고, 그중 한 트랜지스터(M1; M1')의 게이트단(G1; G1')과 드레인단(D|1; D1')이 서로 연결되고 다른 트랜지스터(M2; M2')의 게이트단(G2; G2')이 저항값을 조절하는 조절전압으로 동작되도록 상기 CMOS 트랜지스터(M1, M2; M1', M2')의 전류방정식의 비선형성이 서로 상쇄되어 전체의 전압-전류 특성이 선형 저항소자와 흡사해진 것을 특징으로 하는 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치.
- 제1항에 있어서, 상기 인핸스먼트형 트랜지스터가 2개의 NMOS형 또는 2개의 PMOS형인 것을 특징으로 하는 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치.
- 제1항에 있어서, 하나의 트랜지스터는 항상 새튜레이션 영역에서 동작하고, 다른 하나의 트랜지스터는 높은 게이트전압에 의하여 리니어 영역에서 동작하여 서로의 2차 비선형 전류특성이 서로 상쇄된 것을 특징으로 하는 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치.
- 제1항에 있어서, 상기 조절전압을 자유로이 조절하여 저항값이 조절된 것을 특징으로 하는 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치.
- 제4항에 있어서, 저항동작의 선형성이 보장되는 동작범위가 상기 조절전압에 의해 조절가능한 것을 특징으로 하는 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치.
- 제4항에 있어서, 상기 저항값(Reg)은,여기서 K는 개인상수, Vt는 문턱전압으로 정의된 것을 특징으로 하는 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치.
- 제1항에 있어서, 2개의 트랜지스터의 서브스트레이트단은 모두 공통소스에 연결되어 바디효과에 의한 문턱전압의 변화가 없는 것을 특징으로 하는 인핸스먼트형 CMOS 집적회로 가변저항장치.
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR20020002638A (ko) * | 2000-06-30 | 2002-01-10 | 박종섭 | 저항회로 |
-
1994
- 1994-06-20 KR KR1019940013943A patent/KR0138953B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20020002638A (ko) * | 2000-06-30 | 2002-01-10 | 박종섭 | 저항회로 |
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| KR960002465A (ko) | 1996-01-26 |
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