KR100617893B1

KR100617893B1 - 밴드 갭 기준 회로

Info

Publication number: KR100617893B1
Application number: KR1020000016421A
Authority: KR
Inventors: 쿠리하라카주오
Original assignee: 소니 가부시끼 가이샤
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2006-09-06
Also published as: KR20010006921A; US6232756B1; JP4314669B2; JP2000284845A

Abstract

본 발명은 구성 요소들의 수를 많이 증가시키지 않고 원하는 정전압을 얻는 밴드 갭 기준 회로에 관한 것이다. 트랜지스터(22)의 베이스-에미터간 전압은 트랜지스터(19)의 베이스-에미터간의 전압과 동일한데, 이는 전류(2I)가 두 개의 NPN들의 병렬 접속을 통해 흐르기 때문이다. 이 전압이 Vbe1 이면, 저항(28)의 저항값은 Re이고, 저항들(29, 30)의 저항값은 2R이며, 트랜지스터(23)의 에미터 전압은 VO'이고, 이 전압 VO'는 다음 공식으로 주어진다.

Vo' = 2 Vbe1 + 2(R/Re)·ln(n)·Vt

두 개의 트랜지스터들의 베이스-에미터간 전압들의 합을 트랜지스터들의 수(2 개)에 비례하는 계수에 의해 곱해진 열전압을 합산함으로써, 전압 Vo의 두 배인 전압이 출력된다.

밴드 갭 기준 회로, 정전압, 열전압, 온도 특성, 네거티브 피드백.

Description

밴드 갭 기준 회로{Band gap reference circuit}

도 1은 종래의 밴드 갭 기준 회로의 실예의 구조를 도시하는 회로도.

도 2는 본 발명에 따른 밴드 갭 기준 회로의 구조를 도시하는 회로도.

도 3은 본 발명에 따른 다른 밴드 갭 기준 회로의 구조를 도시하는 회로도.

* 도면의 주요 부분에 대한 기호의 설명 *

19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26: 트랜지스터

29, 30, 32: 저항 35: 전원

본 발명은 각종 선형 회로들에 사용되는 바이폴라 IC에 관한 것이다. 특히, 간단화된 구조로 양호한 온도 특성들의 임의의 전압들을 출력할 수 있는 밴드 갭 기준 회로에 관한 것이다.

일반적으로, 바이폴라 IC는 가전 제품이나 산업 장비의 전기 신호들을 처리하는데 널리 사용된다. 바이폴라 IC의 정전압원으로서, 양호한 온도 특성들의 밴드 갭 기준 회로가 널리 사용된다. 도 6은 이 밴드 갭 기준 회로의 예를 도시한다.

트랜지스터(101)는 그것의 에미터를 접지시키고, 그것의 베이스는 그 자신의 콜렉터, 저항(110) 및 트랜지스터(102)의 베이스에 접속된다. 트랜지스터(102)는 n 개의 NPN들의 병렬 접속이며, 그 에미터는 저항(109)을 통해 접지되며, 그 콜렉터는 저항(111) 및 트랜지스터(103)의 베이스에 접속된다. 트랜지스터(103)는 그것의 에미터를 접지시키며, 그것의 콜렉터는 트랜지스터(106)의 콜렉터 및 트랜지스터(107)의 콜렉터에 각각 접속시킨다.

트랜지스터(104)는 그것의 에미터가 저항(111) 및 연산 증폭기(117)의 포지티브 입력에 접속시키고, 그것의 콜렉터는 트랜지스터(105)의 베이스 및 트랜지스터(106)의 베이스에 접속시킨다. 트랜지스터(105)는 n 개의 NPN들의 병렬 접속이며, 그것의 에미터는 전원(118)의 포지티브 터미널에 저항(112)을 통해 접속시킨다. 트랜지스터(106)는 그것의 에미터가 트랜지스터(107)의 에미터를 통해 전원(118)의 포지티브 터미널에 접속시킨다. 트랜지스터(107)의 베이스는 트랜지스터(108)의 베이스와 콜렉터에 접속되며, 저항(114)을 통해 접지된다. 트랜지스터(108)는 그것의 에미터를 전원(118)의 포지티브 터미널에 접속시킨다.

연산 증폭기(117)의 네거티브 입력은 저항(115)을 통해 접지되며, 저항(116)을 통해 그 자신의 출력에 접속된다.

이 회로의 동작 원리는 이하에 설명된다. 트랜지스터들의 베이스 전류는 무시된다.

트랜지스터(101)를 통해 흐르는 전류는, Vbe1이 되는 그것의 베이스-에미터 경로를 통해 흐르는 전류를 갖는, I1이라고 가정하자. 또한, 트랜지스터(102)를 통해 흐르는 전류는, Vbe2가 되는 그것의 베이스-에미터 경로를 통해 흐르는 전류를 갖는, I2라고 가정하자. 이러한 전류들(I1, I2)의 총 전류는 2I와 동일하며, 트랜지스터(103)를 통해 흐르는 전류는 트랜지스터들(105, 106) 및 저항들(112, 113)에 의해 구성된 전류 미러 회로에 의해, I가 된다. 트랜지스터(103)의 베이스와 에미터간의 전압이 Vbe3라고 가정하면, 저항(109)의 저항값은 Re이며, 각각의 저항들(110, 111)의 저항값은 R이고, 트랜지스터(104)의 에미터 전압은 Vo이다.

전압 Vo는 다음 공식(1-1)으로 표현되며, 전류 I는 다음 공식(1-2)으로 표현된다.

Vo = Vbe1 + R·I1 = Vbe3 + R·I2 (1-1)

2I = I1 + I2 (1-2)

쇼크레이(Schokley)의 다이오드 공식에 의해, Vbe1 및 Vbe3은 다음 공식들(1-3) 및 (1-4)로 표현된다.

Vbe1 = Vt·ln(I1/Is) (1-3)

Vbe3 = Vt·ln(I/Is) (1-4)

여기서, Vt는 열전압이며, Is는 정비례한다.

공식들(1-2), (1-3) 및 (1-4)를 공식(1-1)에 대입하여 다시 계산하면, 다음과 같은 공식(1-5)을 얻을 수 있다.

I = I1 = I2 (1-5)

트랜지스터들(101, 102, 103)을 통해 흐르는 전류들이 동일함을 알 수 있다.

이 공식에 의해, 전압들 Vbe1 및 Vbe2는 다음 공식(1-6)으로 표현된다.

Vbe1 = Vbe2 + Re·I (1-6)

또한, 쇼크레이의 다이오드 공식으로부터, Vbe2는 다음 공식(1-7)으로 표현된다.

Vbe2 = Vt·ln{I/(n·Is)} (1-7)

공식들(1-3), (1-5) 및 (1-7)을 공식(1-6)에 대입하여 다시 계산하면, 각각의 트랜지스터들(101 내지 103)을 통해 흐르는 전류 I와 다른 상수들 사이의 관계를 나타내는 다음 공식(1-8):

I = (ln(n)/Re)·Vt (1-8)

공식들 (1-3), (1-5) 및 (1-8)을 공식(1-1)에 대입하여 다시 계산하면, 전압 Vo을 나타내는 다음 공식(1-9):

Vo = Vbe1 + (R/Re)·ln(n)·Vt (1-9)
이 얻어진다.

이 전압 Vo가 온도-의존 특성이 없다는 조건하에, 온도에 관하여 미분된 전압 Vo는 0과 같다. 즉, 이것은 다음 공식(1-10)인 경우 만족한다.

dVo/dT = (dVbe1/dT) + (R/Re)·ln(n)·k/q = 0 (1-10)

여기서, k는 볼츠만 상수이며, q는 전하이다.

실리콘 트랜지스터의 베이스와 에미터간의 전압 Vbe가 온도 1℃상승시 1.7 mV 감소한다는 것은 공지된 사실이다. 그러므로, 전압 Vo는, 다음과 같은 공식(1-11)이도록 각각의 상수가 결정된다면, 온도에 의존하지 않는다.

(R/Re)·ln(n) = -(q/k)·(dVb1/dT) = 19.7 (1-11)

실리콘 트랜지스터의 베이스과 에미터간의 전압 Vbe가 실온의 진공 상태에서 대략 0.7 V라는 사실은 이미 공지된 사실이다. 이 값과 공식(1-11)의 값을 상기 공식 (1-9)에 대입하여 계산하면, 밴드 갭 기준 회로에 의해 얻어지는, 양호한 온도 특성들을 갖는 전압 Vo는 1.21 V이다.

달리 설명하면, 전압 Vbe의 네거티브 온도 특성들이 열 전압 Vt의 포지티브 온도 특성들로 상쇄될 때 산출된 전압 Vo는 1.21 V이다.

밴드 갭 기준 회로의 다른 구성 부분들의 동작을 여기에 간단하게 설명된다.

트랜지스터(104)는 전압 Vo 안정용 네거티브 피드백 회로부로 동작한다. 즉, 전압 Vo가 증가하면, 트랜지스터(103)의 베이스 전압은 증가되고, 트랜지스터(104)의 베이스 전압은 감소된다. 그 결과, 전압 Vo는 안정 전압이다.

트래지스터들(107, 108) 및 저항(114)은 상술한 밴드 갭 기준 회로의 전력용 스타트업 회로를 나타낸다. 정상 동작시, 트랜지스터(107)는 오프된다.

상술한 전압 Vo를 임의의 크기로 변화하면, DC 증폭기를 통해 전압 변환이 요구된다.

DC 증폭기는 연산 증폭기(117), 저항(115) 및 저항(116)에 의해 구성될 수 있다. 저항(115)의 저항값이 Ri이고, 저항(116)의 저항값이 Ro이면, DC 증폭율은 Ro/Ri이다. 그러므로, 임의의 정전압 Vo'는 다음 공식(1-12)으로 주어진다.

Vo' = (Ro/Ri)·Vo (1-12)

그러나, DC 증폭기가 바이폴라 IC로 구성될 필요가 있기 때문에, 회로 소자들의 수가 증가되어, 전압 Vo는 저항비 Ro/Ri의 변화들에 따라 정확도가 떨어진다.

즉, 종래의 밴드 갭 기준 회로를 사용하는 정전압원은, 소자들의 수가 증가되거나, 정확도가 저항비에 의해 악화되어, 원하는 전압을 정확히 확보할 수 없는 문제점이 발생한다.

그러므로, 본 발명의 목적은 소자들의 수를 상당하게 증가시키지 않고, 원하는 정전압이 높은 정확도를 실현되게 하는 밴드 갭 기준 회로를 제공하는 것이다.

일 양태에 있어서, 본 발명은 밴드 갭 기준 회로를 제공하는데, 여기서, 모두 합산된 복수의 트랜지스터들의 베이스-에미터간 전압들은 정전압을 출력하기 위해 트랜지스터들의 수에 비례하는 계수에 의해 곱해진 열전압을 합산한다. 즉, 복수의 트랜지스터들의 베이스-에미터간 전압들의 합은 네거티브 온도 특성들을 보이는 반면에, 트랜지스터들의 수에 비례하는 계수에 의해 곱해진 열전압은 포지티브 온도 특성들을 가지므로, 이들을 모두 합산함에 의해, 양호한 온도 특성들을 갖는 정전압 회로가 제공될 수 있다. 또한, 트랜지스터들의 수를 선택함으로써, 원하는 전압이 출력될 수 있다. 즉, 모두 합산된 복수의 트랜지스터들의 베이스-에미터간 전압들은 정전압을 출력하기 위해 트랜지스터들의 수에 비례하는 계수에 의해 곱해진 열전압을 합산하는 기존의 밴드 갭 기준 회로로, 구성 요소들의 수를 증가시키거나 증폭기를 제공할 필요 없이 높은 안정성과 정확도의 정전압이 제공될 수 있다.

다른 양태에 있어서, 본 발명은 전원 전압이 각 트랜지스터의 베이스-에미터간 전압에 의해 나누어지며, 각 저항의 저항값이 정전압을 출력하는 하나 이상의 저항들에 각각 접속된 복수의 트랜지스터들을 포함하는 밴드 갭 기준 회로를 제공한다. 사전 설정(pre-set) 정전압은 사전 설정값에 트랜지스터들의 수와 저항들의 저항값들을 설정시킴으로, 양호한 온도 특성들과 높은 정확도를 가지고 출력될 수 있으므로, 높은 안정성과 정확도의 정전압은 구성 요소들의 수를 증가시키거나 증폭기를 제공할 필요 없이 얻을 수 있다.

도면들을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 예시된 구조에 대해 국한되는 것이 아니며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 적절하게 수정될 수 있다.

본 발명은 도 2에 예로 도시된 바와 같이 구성된 밴드 갭 기준 회로를 제공한다.

도 2에 도시된 밴드 갭 기준 회로에 있어서, 트랜지스터(19)는 그것의 에미터를 접지시키고, 반면에 그것의 베이스는 그 자신의 콜렉터, 저항(29) 및 트랜지스터(20)의 베이스에 접속된다. 트랜지스터(20)는 n 개의 NPN들의 병렬 접속이며, 그것의 에미터는 저항(28)을 통해 접지되며, 그것의 콜렉터는 저항(30)과 트랜지스터(21)의 베이스에 접속된다. 트랜지스터(21)는 그것의 에미터를 접지시키고, 반면에 콜렉터는 트랜지스터(23)의 콜렉터, 트랜지스터(25)의 콜렉터 및 트랜지스터(26)의 콜렉터에 접속된다. 트랜지스터(23)는 그것의 에미터는 저항(31)과 트랜지스터(22)의 베이스에 접속시키며, 반면 그것의 콜렉터는 전원(35)의 포지티브 터미널에 접속시킨다.

트랜지스터(22)는 n 개의 NPN들의 병렬 접속이며, 그 자신의 에미터는 저항들(29, 30)에 접속시키며, 반면 그것의 콜렉터는 트랜지스터(24)의 베이스 및 콜렉터와 트랜지스터(25)의 베이스에 접속시킨다. 트랜지스터(24)는 두 개의 PNP들의 병렬 접속이며, 그것의 에미터는 저항(32)을 통해 전원(35)의 포지티브 터미널에 접속시킨다. 트랜지스터(25)는 그것의 에미터를 트랜지스터(26)의 에미터와 저항(33)을 통해 전원(35)의 포지티브 터미널에 접속된다. 트랜지스터(26)의 베이스는 트랜지스터(27)의 베이스와 콜렉터에 접속됨과 동시에, 저항(34)을 경유하여 접지된다. 트랜지스터(27)의 에미터는 전원(35)의 포지티브 터미널에 접속된다.

이 밴드 갭 기준 회로의 동작 원리를 이하에 설명된다. 또, 트랜지스터들의 베이스 전류는 무시한다.

기존의 밴드 갭 기준 회로와 관련된 기술에 관련하여 설명된 밴드 갭 기준 회로의 차이점은 트랜지스터(22) 및 저항(31)의 추가에 있다.

트랜지스터(23)와 저항(31)은 전압 Vo 안정용 네거티브 피드백 회로부로 동작하며, 또한 저 임피던스에서 전압 Vo'를 출력하는 에미터 팔로워 회로로써 동작한다.

트랜지스터들(19 내지 21)을 통해 흐르는 전류들은 상술한 바와 같이 동일하다. 이 전류 I 는 상술한 공식(108)에 의해 나타낸다.

2I의 전류가 두 개의 NPN들 병렬 접속을 통해 흐르기 때문에, 트랜지스터(22)의 베이스와 에미터간의 전압은 트랜지스터(19)의 베이스와 에미터간의 전압과 동일하다. 이 전압은 Vbe1이다. 저항(28)의 저항값이 Re이면, 저항들(29, 30)의 저항값은 2R이 되며, 트랜지스터(23)의 에미터 전압은 Vo'이고, 이 전압 Vo'는 공식 (2-1)로 표현된다.

Vo' = 2Vbe1 + 2RI

= 2Vbe1 + 2(R/Re)·ln(n)·Vt (2-1)

이 전압 Vo'을 상기 공식(1-9)에 비교하면, 전압 Vo'은 전압 Vo의 2 배가 됨을 알 수 있다. 즉, 밴드 갭 기준 회로는, 전압 Vo의 2 배의 전압을 출력하기 위해, 두 개의 트랜지스터들의 베이스-에미터 간의 전압들의 합과 트랜지스터들의 수(두 개)에 비례하는 계수에 의해 곱해진 열전압을 합산한다. 또한, 각각의 상수가 상기 공식(1-11)이 적용되도록 결정되는 경우, 밴드 갭 기준 회로는 온도에 의존하지 않는 높은 정확도의 정전압 Vo'을 출력할 수 있다.

본 발명에 따른 밴드 갭 기준 회로의 다른 실시예는 도 3을 참조하여 후술한다. 다음 설명에서, 도 2에 도시된 제 1 실시예와 동일한 부분들이나 구성 요소들은 동일 참조 부호들로 기재하였으며, 특별히 설명하지는 않았다.

도 3에 도시된 밴드 갭 기준 회로는 도 2에 도시된 트랜지스터(22) 대신에, (m-1)개의 트랜지스터들(40a,...,40b)을 포함한다. 또한, 저항들(29, 30)의 저항값들은 각각 mR이다. 따라서, 다음 공식(2-2)이 성립한다.

Vo' = mVbe1 + m(R/Re)·ln(n)·Vt (2-2)
즉, 전압Vo의 m 배와 동일한 전압이, m 개의 트랜지스터들의 베이스-에미터간 전압들의 합과, 트랜지스터들의 수에 비례하는 계수에 의해 곱해진 열전압을 합산하여 출력될 수 있다. 다르게 말하면, 원하는 정전압이, 트랜지스터들의 수와 사전-설정값들에 저항값들을 설정함으로써 출력될 수 있다.

본 발명의 목적은 구성요소들의 수를 많이 증가시키지 않고, 원하는 정전압이 높은 정확도를 실현시킬 수 있는 밴드 갭 기준 회로를 제공하는 것이다.

Claims

밴드 갭 기준 회로에 있어서,

서로 합산된 복수의 트랜지스터들의 베이스-에미터간 전압들이 정전압을 출력하기 위해 상기 트랜지스터들의 수에 비례하는 계수에 의해 곱해진 열전압(thermal voltage)으로 합산되는 것을 특징으로 하는, 밴드 갭 기준 회로.
밴드 갭 기준 회로에 있어서,

복수의 트랜지스터들이 하나 이상의 저항들에 각각 접속되고, 전원 전압이 정전압을 출력하기 위해, 상기 각 트랜지스터의 베이스-에미터간 전압과 상기 각 저항의 저항 전압으로 나누어지는 것을 특징으로 하는, 밴드 갭 기준 회로.
제 2 항에 있어서,

상기 정전압의 출력에 기초하여 네거티브 피드백을 수행하기 위한 네거티브 피드백 수단을 포함하는, 밴드 갭 기준 회로.