KR0183549B1 - 온도 보상형 정전류원 회로 - Google Patents

온도 보상형 정전류원 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정전류 공급 회로에 관한 것으로서, 온도에 반비례하는 전류(I61)를 공급하는 온도 반비례 정전류원 회로(4)와; 온도에 비례하는 전류(I62)를 공급하는 온도 비례 정전류원 회로(5)와; 상기 온도 반비례 정전류원 회로(4)의 전류(I61)를 출력하는 온도 반비례 전류 공급부(1)와; 상기 온도 비례 정전류원 회로(5)의 전류(I62)를 출력하는 온도 비례 전류 공급부(2)와; 상기 온도 반비례 전류 공급부(1) 및 온도 비례 전류 공급부(2)의 출력 전류(I61, I62)의 이중근의 곱에 비례하는 전류(Io)를 출력하는 이중근 발생 회로(3)를 구비한다.
따라서, 본 발명에 의한 회로는 온도 변화에 무관한 전류를 공급한 수 있는 효과가 있다.

Description

온도 보상형 정전류원 회로
제1도는 종래의 정전류원 회로도.
제2도는 종래의 다른 정전류원 회로도.
제3도는 본 발명에 따른 온도 보상형 정전류원 회로의 개념도.
제4도는 본 발명에 따른 온도 보상형 정전류원 회로에 구성되는 온도 반비례 정전류원 회로도.
제5도는 본 발명에 따른 온도 보상형 정전류원 회로에 구성되는 온도 비례 정전류원 회로도.
제6도는 본 발명에 따른 온도 보상형 정전류원 회로도.
제7도는 본 발명에 따른 온도 보상형 정전류원에 의한 출력 전류의 온도 특성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 온도 반비례 전류 공급부 2 : 온도 비례 전류 공급부
3 : 이중근 발생 회로 4 : 온도 반비례 정전류원 회로
5 : 온도 비례 정전류원 회로
본 발명은 정전류원 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 CMOS를 이용하여 온도 변화에 무관한 전류를 공급하는 온도 보상형 정전류원 회로에 관한 것이다.
제1도에는 바이폴라 트랜지스터를 이용한 정전류원 회로가 도시되어 있다.
이 회로에서 트랜지스터(Q1-Q4)는 P-WELL CMOS 공정의 기판(substrate) NPN 바이폴라 트랜지스터이고, 특히 트랜지스터(Q1, Q3)는 콜렉터와 베이스가 연결되어 있어 PN 다이오드로서 작동한다.
MOS 트랜지스터(M5, M6, M7, M8)는 전류 거울(current mirror) 회로를 구성하는데 트랜지스터(M5, M8)는 채널 폭(W), 채널 길이(L)의 비율이 서로 같고 MOS 트랜지스터들의 출력 저항 값을 무한대로 가정한다면, 전류(I1, I2)는 서로 동일하게 된다.
트랜지스터(M1, M2)는 포화 영역에서 동작하므로 그 전류-전압 특성은 식 1)과 같이 된다.
여기서, μ는 캐리어 이동도, Cox는 게이트 산화층의 두께, W는 채널 폭, L은 채널 길이, Vgs는 게이트-소오스 사이의 전압, Vtp는 PMOS의 문턱 전압(Threshold Voltage)이다.
한편, 트랜지스터(Q2, Q4)의 베이스-에미터 사이의 전압은 식 2)와 같이 된다.
여기서 UT는 kT/q로 표시되는 열 전압(Thermal Voltage), IS는 바이폴라 트랜지스터의 포화 전류이다.
이러한 회로 구성에서는 MOS 트랜지스터(M1, M2)의 게이트 소오스 전압 차이는 트랜지스터(Q2, Q4)의 베이스-에미터 전압 차이와 같으므로 전류(I1)는 식 3)과 같다.
여기서 자연 로그 안의 상수 10은 트랜지스터(Q4)의 에미터 크기가 트랜지스터(Q1)의 에미터 크기보다 10배 큼으로 인해 생기는 상수이다.
식 3)에서 보는 바와 같이 UT는 kT/q이고 μP는 T-1.5에 비례한다고 알려져 있으므로 결국 전류(I1)값은 T0.5에 비례하게 되는 문제가 있다.
제2도에는 MOS 트랜지스터를 이용하는 정전류원 회로가 도시되어 있다.
여기서, MOS 트랜지스터(M21-M24)는 모두 포화 영역에서 동작하고, 트랜지스터(M21, M22)의 게이트 전압 차이가 △V에 해당하므로 전류 I는 식 4와 같다.
여기서 △V는 문턱 전압 이하에서 동작하는 MOS 트랜지스터들의 조합으로 이루어진 회로에서 발생하는 전압으로 열전압(UT)에 비례한다. 이 회로에서는 전류(I)는 T0.5에 비례하게 되는 단점이 있으나, 트랜지스터(M21, M22)의 소오스가 같은 노드에 묶여 있어서 문턱 전압에 대한 기판 바이어스 효과를 없앨 수 있는 장점도 있다.
본 발명은 이와 같이 정전류원 회로에서 전류값이 온도에 따라 변화하는 것을 방지하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 온도의 변화에 상관없이 일정 전류값을 유지하는 온도 보상형 정전류원 회로를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 온도 보상형 정전류원 회로는, 온도에 반비례하는 제1전류를 공급하는 온도 반비례 정전류원 회로와; 온도에 비례하는 제2전류를 공급하는 온도 비례 정전류원 회로와; 상기 온도 반비례 정전류원 회로의 제1전류를 출력하는 온도 반비례 전류 공급부와; 상기 온도 비례 정전류원 회로의 제2전류를 출력하는 온도 비례 전류 공급부와; 상기 온도 반비례 전류 공급부 및 온도 비례 전류 공급부의 제1, 제2출력 전류의 이중근의 곱에 비례하는 전류를 출력하는 이중근 발생 회로를 구비한다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제3도는 본 발명에 따른 온도 보상형 정전류원 회로의 개념 회로도로서, 도시된 바와 같이 전류원(IS31)에 트랜지스터(M32, M33)의 게이트가 연결되어 있고, 트랜지스터(M31)의 드레인단이 연결되어 있다.
또한 트랜지스터(M32)의 소오스단 및 트랜지스터(M31)의 게이트단은 전류원(IS32)에 연결되어 있으며, 트랜지스터(M33)의 소오스단은 다이오드로 작동하는 트랜지스터(M34)에 연결되어 있다.
여기서, 트랜지스터(M31-M34)는 그 게이트 전압들이 약반전 영역(weak inversion region)에서 동작하도록 설계되어서 그 드레인 전류, 전압 특성이 식 5)로 나타난다.
여기서 β는 μCox(W/L)로 표현되는 파라메터이고 전류(IS)는 Vgs가 Vtp와 같을 때의 드레인 전류값이다.
제3도에 도시된 바와 같이 트랜지스터(M31, M32)의 게이트-소오스 전압의 합은 트랜지스터(M33, M34)의 게이트-소오스 전압의 합과 같고(VGS31+VGS32=VGS33+VGS34), 전류(IS32)는 식 5)로 표현될 수 있으므로 출력 전류(IO)는 식 6)와 같다.
상기 식 5)에서 알 수 있는 바와 같이 제3도의 회로에는 그 출력 전류(IO)가 전류원(IS31, IS32)의 이중근(square root)에 비례함을 알 수 있다. 여기서, 전류원(IS31)은 온도(T)에 반비례하고, 전류원(IS32)은 온도에 비례하는 전류원을 의미한다.
제4도에는 전류원(IS31)의 회로가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 트랜지스터(M41, M42), (M43, M44), (M45, M46)는 각각 전류 거울 회로를 형성하여 상호 연결되어 있으며, 이들 트랜지스터들은 포화 영역에서 구동하게 구성되어 있다. 이때, 트랜지스터(M41)에는 트랜지스터(M47)가 연결되어 있으며, 트랜지스터(M47)은 선형 영역에서 구동하게 구성되어 있다.
한편, 트랜지스터(M43, M44), (M45, M46)로 형성된 두 개의 전류 거울 회로는 캐스코드형으로 연결 구성되어 있어서 트랜지스터의 채널 폭 효과에 의한 전류 변화를 줄이도록 되어 있다.
제4도의 회로의 바이어스는 트랜지스터(M41, M42)의 전류 거울 회로와 트랜지스터(M43, M44)의 전류 거울 회로가 정궤환(positive feedback) 루프를 이룬 셀프 바이어스 회로에 의해 정해진다. 이 회로의 구성에서 트랜지스터(M47)의 드레인-소오스 사이의 전압은 트랜지스터 (M41, M42)의 게이트-소오스 전압 차이값과 같게 된다. 이 관계를 식 7), 식 8)으로 표현하였다.
이 때, 트랜지스터(M44, M43)의 (W/L)의 비율이 같아서 전류 거울 회로의 동작으로 인해 전류(I41, I42)는 같아지게 되고, 또한 위의 두 식은 같은 전압이므로 전류(I41)에 대해 풀어보면 식 9)과 같이 된다.
여기서, μn은 N-채널 MOSFET의 이동도이다. 식 8)에서 전류(I41)값은 이동도(μn)에 비례함을 알 수 있다. N 채널 MOSFET의 이동도는 온도의 -1.5제곱(T-1.5)에 비례하므로 제4도에 도시된 전류(I41, I42)는 온도 증가에 반비례한다.
제5도에는 전류원(IS32)의 회로가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 트랜지스터(M51, M52), (M53, M54)는 각각 전류 거울 회로를 구성하고 있으며, 전부 포화 영역에서 동작하도록 구성되어 있다. 이때, 트랜지스터(M51)에는 저항(R)이 연결되어 있다. 트랜지스터(M53, M54), (M55, M56)는 두 개의 전류 거울 회로가 캐스코드로 연결되어 있어서 트랜지스터의 채널 폭 효과에 의한 전류 변화를 줄이도록 구성되어 있다. 이 회로의 바이어스는 트랜지스터(M51, M52)의 전류 거울 회로와 트랜지스(M53, M54)의 전류 거울 회로가 정 궤환(positive feed back) 루프를 이룬 셀프 바이어스 회로에 의해 정해진다.
이 회로의 구성에서 저항 양단의 전압 강하는 트랜지스터(M51, M52)의 게이트-소오스 전압 차이와 같아진다. 이 관계를 수식으로 표현하면 다음과 같다.
여기서
위의 두 식 9, 10)을 정리하면,
따라서, 전류(I52)는 이동도(μn)에 반비례하게 되므로 온도 변화와는 비례 관계가 있게 됨을 알 수 있다.
전류(I41), (I52)는 각각 온도 반비례 전류, 온도 비례 전류이므로 최종 전류(IO)는와 트랜지스터의 크기 비율(W/L)들의 조합에 비례하게 된다. 전술한 바와 같이 최종 전류(IO)에서는 이동도에 의한 온도 변화 효과가 서로 상쇄되고 다만 저항(R)과 문턱 전압(Vth)의 온도 의존성만 남게 된다. 일반적으로 집적회로에서 사용하는 저항은 폴리 저항, 확산 저항 등인데 이들의 온도 의존성은 +수백∼수천 ppm/℃ 정도의 양의 값을 갖는다. 또한, 문턱 전압(Vth)의 온도 의존성은 -1∼2mV/℃ 정도의 음의 값을 가지므로 R 및 Vth의 온도 의존성은 서로 상쇄되는 방향이다.
즉, 최종 전류(IO)의 일차적인 온도 의존성은 전술한 이중근 회로에 의해 이동도의 온도 의존성이 서로 상쇄되므로 인해 없어지고 전류(IO)의 이차적인 의존성 또한 전술한 저항(R)과 임계 전압(Vth)의 온도 의존성 상호 작용에 의해 사라지게 된다.
한편, 전술한 저항(R)과 임계 전압(Vth)의 온도 의존성은 완전히 상쇄되지 않아서 전류(IO)가 온도에 따라 약간 변할 수 있으나 이 또한 공급 전(VCC)의 조절로 없앨 수 있다.
제6도에는 본 발명의 전체 회로를 도시하였다. 도면에서 부호 (4)는 제4도의 온도 반비례 정전류원 회로이며, 부호 (5)는 제5도의 온도 비례 정전류원이다.
여기서, 온도 반비례 전류 공급부(1)는 정전류원 회로(4)의 전류 거울을 형성하는 트랜지스터(M43, M44), (M45, M46)에 연결되는 트랜지스터(M61, M62)로 구성되어 있어 정전류원 회로(4)의 온도 반비례 전류(I61)을 출력하게 된다.
또한, 온도 비례 전류 공급부(2)는 정전류원 회로(5)의 트랜지스터(M53, M54), (M55, M56)에 연결되는 트랜지스터(M63, M64)와, 트랜지스터(M64)에 연결되어 전류 거울 회로를 형성하는 트랜지스터(M65, M66)을 구비하여 정전류원 회로(5)의 온도 비례 전류(I62)를 출력하게 된다.
여기서 상기 회로(1, 2)들은 이중근 발생 회로(3)에 연결되어 있으며, 이중근 회로(3)는 전류(I61)를 게이트로, 전류(I62)를 소오스측으로 입력하는 트랜지스터(M68)와, 전류(I61)를 소오스로 트랜지스터(M68)의 드레인 전류를 게이트로 입력하는 트랜지스터(M67)와, 트랜지스터(M68)와 연결된 트랜지스터(M69) 및 트랜지스터(M69)와 연결된 트랜지스터(M70)을 구비한다. 이때, 트랜지스터(M67, M68, M69, M70)들은 약반전 영역 이하에서 동작하여 최종 출력 전류(IO)가 전류(I61, I62)의 이중근의 곱에 반비례하도록 한다.
제7도에는 본 발명에 따른 출력 전류(IO)가 온도에 따라 변화하는 상태를 측정한 도표가 도시되어 있다. 이 도표는 12개의 샘플을 측정한 평균 값으로서, 도시된 바와 같이 온도가 -15∼125℃ 사이의 범위에서 24ppm/℃ 정도의 변화를 보이고 상용 온도 범위인 0∼70℃ 사이에서는 10ppm/℃ 정도의 극히 미세한 변화를 보이고 있다.
이와 같이 본 발명에 의한 회로는 온도 변화에 무관한 전류를 공급할 수 있는 효과가 있다.

Claims (14)

  1. 온도에 반비례하는 전류(I61)를 공급하는 온도 반비례 정전류원 회로(4)와; 온도에 비례하는 전류(I62)를 공급하는 온도 비례 정전류원 회로(5)와; 상기 온도 반비례 정전류원 회로(4)의 전류(I61)를 출력하는 온도 반비례 전류 공급부(1)와, 상기 온도 비례 정전류원 회로(5)의 전류(I62)를 출력하는 온도 비례 전류 공급부(2)와; 상기 온도 반비례 전류 공급부(1) 및 온도 비례 전류 공급부(2)의 출력 전류(I61, I62)의 이중근의 곱에 비리하는 전류(IO)를 출력하는 이중근 발생 회로(3)를 구비하는 온도 보상형 정전류원 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 온도 반비례 정전류원 회로(4)는, 캐스코드로 연결되어 전류 거울 회로를 각각 형성하는 트랜지스터(M45, M46), (M43, M44)와; 상기 트랜지스터(M45, M46)와 연결되어 전류 거울 회로를 형성하는 트랜지스터(M41, M42)와; 상기 트랜지스터(M41)에 연결되어 있는 트랜지스터(M47)를 구비하는 온도 보상형 정전류원 회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 트랜지스터(M41-M46)은 포화 영역에서 구동하게 구성된 온도 보상형 정전류원 회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 트랜지스터(M47)는 선형 영역에서 구동하게 구성된 온도 보상형 정전류원 회로.
  5. 제2항에 있어서, 상기 온도 비례 정전류원 회로(5)는, 캐스코드로 연결되어 전류 거울 회로를 각각 형성하는 트랜지스터(M53, M54), (M55, M56)와; 상기 트랜지스터(M55, M56)와 연결되어 전류 거울 회로를 형성하는 트랜지스터(M51, M52)와; 상기 트랜지스터(M51)에 연결된 저항(R)을 구비하는 온도 보상형 정전류원 회로.
  6. 제5항에 있어서, 상기 트랜지스터(M51, M52), (M53, M54), (M55, M56)들은 포화 영역에서 동작하도록 구성된 온도 보상형 정전류원 회로.
  7. 제5항에 있어서, 상기 온도 반비례 전류 공급부(1)는, 상기 트랜지스터(M44), (M46)에 각각 연결되는 트랜지스터(M61, M62)로 구성된 온도 보상형 정전류원 회로.
  8. 제7항에 있어서, 상기 온도 비례 전류 공급부(2)는, 상기 트랜지스터(M53, M54), (M55, M56)에 연결되는 트랜지스터(M63, M64)와 트랜지스터(M64)에 연결되어 전류 거울 회로를 형성하는 트랜지스터(M65, M66)을 구비하는 온도 보상형 정전류원 회로.
  9. 제8항에 있어서, 상기 이중근 발생 회로(3)는, 상기 전류(I61)를 게이트로 전류(I62)를 소오스측으로 입력하는 트랜지스터(M68)와; 상기 전류(I61)를 소오스로 트랜지스터(M68)의 드레인 전류를 게이트로 입력하는 트랜지스터(M67)와; 상기 트랜지스터(M68)와 연결된 트랜지스터(M69)와; 상기 트랜지스터(M69)와 연결된 트랜지스터(M70)를 구비하는 온도 보상형 정전류원 회로.
  10. 제9항에 있어서, 트랜지스터(M67, M68, M69, M70)들은 약반전 영역 이하에서 동작하도록 구성한 온도 보상형 정전류원 회로.
  11. 제1항에 있어서, 상기 이중근 회로의 역할이 온도에 비례하는 전류 성분과 온도에 반비례하는 전류 성분을 서로 상쇄시키기 위한 두 전류 성분을 공급하는 것을 특징으로 하는 온도 보상형 정전류원 회로.
  12. 제1항에 있어서, 상기 온도 비례형 전류원 회로와 온도 반비례 정전류원 회로는 그 바이어스가 전류 거울 회로들의 정궤환(Positive feedback)에 의하여 정해지는 온도 보상형 정전류원 회로.
  13. 제1항에 있어서, 상기 온도 비례 전류와 온도 반비례 전류인 두가지 전류(branch current)의 이중근의 곱을 발생시키는 이중근 회로가 MOSFET의 게이트 소오스 전압차들의 합이 또다른 MOSFET의 게이트-소오스 전압차들의 합과 같음으로 인해 전류 이중근 기능을 가지게 되는 것을 특징으로 하는 온도 보상형 정전류원 회로.
  14. 제1항에 있어서, 상기 온도 보상형 정전류원 회로의 온도 의존성을 없애기 위하여 전원 공급 전압을 변화시키는 온도 보상형 정전류원 회로.
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