KR100713773B1

KR100713773B1 - 저전압 밴드갭 기준 발생기 회로

Info

Publication number: KR100713773B1
Application number: KR1020030002181A
Authority: KR
Inventors: 김광현; 김영희
Original assignee: 라드텍주식회사
Priority date: 2003-01-13
Filing date: 2003-01-13
Publication date: 2007-05-02
Also published as: KR20040065326A

Abstract

본 발명은 디램(DRAM), 이미지센서(Image Sensor), 중앙처리장치(CPU), 아날로그-디지탈 컨버터(A/D Convertor) 등 반도체 집적회로 칩에서 전원·전압, 온도 등이 변화하거나 제조공정의 변화가 있어도 시스템이 원하는 안정된 바이어스 전류나 바이어스 전압을 칩 내 여타의 회로에 공급할 수 있도록 하는 밴드갭 기준 발생기(Bandgap Reference Generator)회로에 관한 것으로, 온도에 따라 무관한 기준전류(I_ref)를 종래의 전압 전류 변환기를 거치지 않고 발생시킴으로 해서 회로가 보다 간단해 졌고, 또한, 적절한 저항을 사용함으로써 종래의 회로의 기준전류(I_ref)보다 낮은 전압의 기준전압(V_ref)을 발생시킬 수 있다. 그러므로 해서 1.2V 이하의 낮은 기준전압을 요구하는 시스템에서 효과적으로 적용할 수 있는 장점을 가진다.

밴드갭, 기준전류, 기준전압

Description

저전압 밴드갭 기준 발생기 회로{A BANDGAP REFERENCE GENERATOR CIRCUIT FOR A LOW VOLTAGE}

도 1은 일반적인 밴드갭 기준 발생기의 기본적인 회로 구성도.

도 2는 종래의 밴드갭 기준 전압 발생기의 회로도.

도 3은 종래의 밴드갭 기준 전류 발생기의 회로도.

도 4는 본 발명에 따른 저전압 밴드갭 기준 발생기의 블록도.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 저전압 밴드갭 기준 전압·전류 발생기의 밴드갭 기준 발생부의 회로도.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 시동회로부의 회로도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 시동회로부 200: 밴드갭 기준발생부

본 발명은 반도체 집적회로의 기준 발생기(Reference Generator)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 밴드갭(Band Gap)을 이용하여 집적회로 칩에서 기준발생기이나 온도의 변화, 또는 제조공정의 변화가 있어도 시스템이 원하는 안정된 바이어스 전류나 바이어스 전압을 칩 내 여타의 회로에 공급할 수 있도록 한 저전압 밴드갭기준 발생기 회로에 관한 것이다.

대부분의 전자회로 시스템에서는 시스템에 공급되는 기준발생기이 완벽하게 일정하게 유지되는 것이 아니고 시간에 따라 변한다. 시스템이 동작하는 주변의 온도 역시 계절이나 전자시스템 및 반도체 칩에서의 발열로 인해 변하는 것이 일반적이다.

이러한 변화들은 반도체 칩의 동작 특성에 여러가지 바람직하지 못한 변화를 일으킨다.

따라서, 대부분의 정밀한 반도체 칩 내에서는 이러한 변화들에 무관하게 칩내의 회로들이 동작할 수 있도록 하는 것이 요구된다.

이러한 변화들에 대응하는 좋은 방법 가운데 하나는 변화와 무관하게 동작하는 소위 기준발생기를 만들어 기준발생기로부터 출력되는 전압이나 전류를 여타의 다른 회로에 공급하는 것이다.

도 1에는 이러한 기준발생기 중 대표적인 밴드갭 기준전압 발생기 회로가 도 시되어 있다.

도시된 바와 같이, 상기 밴드갭 기준발생기 회로의 기본동작을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 트랜지스터(Q1)는 베이스와 컬렉터가 모두 접지되어 있으므로 이미터 노드의 전압은 V_EB가 된다. 이 전압은 합산기(30)의 일측 입력으로 들어간다. 열전압 발생기(10)에서 만들어진 열전압 V_T(=kT/q)는 상수 k(20)가 곱해져서 합산기(30)의 다른측 입력으로 들어간다. 상기 합산기(30)는 두 개의 입력전압을 더하는 동작을 하는 회로이므로 회로의 출력은 두개의 입력전압을 서로 더하면,

V_ref=V_EB+kV_T --- (1)

과 같이 된다.

상기 바이폴라 트랜지스터(Q1)의 베이스-이미터 사이의 전압인 V_EB는 온도가 올라 갈수록 감소하는 음의 온도계수를 가진 전압이고, 상기 열전압 발생기(10)로부터 출력되는 열전압 V_T는 온도가 올라 갈수록 증가하는 양의 온도계수를 가진 전압이므로, 상수 k(20)를 적절히 선택할 경우, 이들 두 전압의 온도에 따른 변화는 서로 상쇄되어 출력전압(V_ref)은 온도변화에 영향을 받지 않게 된다.

이와 같이 밴드갭 기준발생기를 CMOS기술로 구현한 종래의 회로가 도 2에 도시되어 있다.

도시된 바와 같이, NMOS트랜지스터(MN1) 및 NMOS트랜지스터(MN2)와, PMOS트랜지스터(MP2) 및 PMOS트랜지스터(MP3)는 전류미러 회로이다. 순방향으로 바이어스된 트랜지스터(Q1)와 트랜지스터(Q2)는 이미터 면적비가 1 : N(=10)으로 설계되어 있고, PMOS 트랜지스터(MP2)와 PMOS트랜지스터(MP3)의 채널 폭/길이의 비율인 W/L이 서로 같도록 설계되어 있으므로 트랜지스터(Q2)와 트랜지스터(Q3)에 흐르는 전 류는 같게 된다.

이 회로의 출력전압인 Vref는 일반적으로 잘 알려진대로

--------- (2)

과 같이 된다.

식(2)를 위의 식(1)과 비교해 보면 기본적으로 같은 식이라는 것을 알 수 있다. 여기서, 저항(R1)과 저항(R2)의 저항값을 적절히 조정하면 이미 설명한 바와 같이 온도에 따른 열전압(V_T)의 변화와 이미터-켈렉터간 전압(V_EB)의 변화를 서로 상쇄 시킬 수 있다.

그러나, 이와 같은 회로는 밴드갭 기준전압 발생기의 전압(V_ref)을 시스템에 따른 임의의 기준전압(V_ref)으로 사용할 수 없다는 단점을 가진다.

또한, 종래의 밴드갭 기준전류 발생기는, 상기 도 2의 기준전압 발생기의 전압(V_ref)을 이용하여 전류 I를 발생시키며, 그 전류는

------(3)

와 같다.

상기 전류(I)는 PMOS 트랜지스터(MP1), PMOS 트랜지스터(MP2)의 전류미러를 통해 기준전류(I_ref)를 발생시키게 되는 것으로, 반드시 기준전류 발생회로가 독립적으로 필요하였다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 반도체 등의 집적회로 칩에서 기준발생기이나 온도의 변화, 또는 제조공정의 변화가 있어도 시스템이 원하는 안정된 바이어스 전류나 바이어스 전압을 칩 내 여타의 회로에 공급할 수 있도록 하되, 저전압(예: 1.2V 이하)의 기준전압을 발생시키고, 전압·전류 변환기가 없이도 기준전류를 발생시킬 수 있도록 한 저전압 밴드갭 기준발생기 회로를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은 밴드갭을 이용하여 저전압 기준 발생회로를 제공하되, 시스템이 원하는 안정한 바이어스 전압과 바이어스 전류를 종래의 회로에 비하여 월등히 간단하게 구현할 수 있도록 한 저전압 밴드갭 기준발생기 회로를 제공하는 것에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 밴드갭을 이용한 기준발생기 회로에 있어서, 회로에 전원·전압이 최초로 인가될 때 미리 설정된 전원·전압에 도달할 때까지 회로의 동작을 금지시키고, 복수개의 바이어스 전압을 일정하게 유지 출력하는 시동회로부; 및 복수개의 MOS트랜지스터로 이루어진 전류미러회로와, 상기 전류미러회로의 MOS트랜지스터에 병렬로 연결되는 복수개의 바이폴라 트랜지스터와, 상기 바이폴라 트랜지스터 및 MOS트랜지스터에 연결되는 제1저항 및 제2저항을 포함하며, 상기 시동회로부의 출력전압을 인가받아 상기 바이폴라 트랜지스터들의 이미터-베이스 사이의 전압들과 상기 제1저항 및 제2저항 사이의 전압을 이용하여 기준전류를 발생시키는 밴드갭 기준발생부가 포함되어 구비되고, 상기 밴드갭 기준발생부(200)는, PMOS 트랜지스터(MP1) 및 PMOS트랜지스터(MP2)와, NMOS트랜지스터(MNO) 및 NMOS트랜지스터(MN1)는 W/L비가 1:N으로 각각 전류미러회로를 형성하며, PMOS트랜지스터(MP3) 및 PMOS트랜지스터(MP4)와, NMOS트랜지스터(MN2) 및 NMOS트랜지스터(MN3)는 W/L비가 1:1로 각각 전류미러회로가 형성되도록 구성하여 된 특징을 가진다.

삭제

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 저전압 밴드갭 기준발생기 회로의 블록도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명 저전압 밴드갭 기준발생기 회로는 회로에 전원·전압이 최초로 인가될 때 미리 설정된 전원·전압에 도달할 때까지 회로의 동작을 금지시키고, 복수개의 바이어스(Bias) 전압(Va)(Vb)(Vpt)(Vipt)을 일정하게 유지 출력하는 시동회로부(100)와, 상기 시동회로부(100)의 출력전압을 인가받아 저전압 기준전압(Vref)과 그에 따른 기준전류(Iref)를 발생하는 밴드갭 기준발생부(200)를 포함한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 저전압 밴드갭 기준 전압·전류 발생기의 밴드갭 기준발생부(200)의 회로도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명 밴드갭 기준발생부(200)는 PMOS 트랜지스터(MP1) 및 PMOS트랜지스터(MP2)와, NMOS트랜지스터(MNO) 및 NMOS트랜지스터(MN1)는 W/L비가 1:N으로 각각 전류미러회로를 형성하고 있고, PMOS트랜지스터(MP3) 및 PMOS트랜지스터(MP4)와, NMOS트랜지스터(MN2) 및 NMOS트랜지스터(MN3)는 W/L비가 1:1로 각각 전류미러회로를 형성하고 있다.

따라서 아래와 같은 관계식이 성립한다.

I₃=NI₁ -----(4)

I₄=I₂ ------(5)

I_ref=I₃+I₄------(6)

또한, 제1저항(R1)을 통해 흐르는 전류 I₁은

V_BE0=V_Tln(I/I_s) ------(7)

V_BE1=V_Tln(I/NI_s) ------(8)

I₁=(1/R1)(V_BE0-V_BE1)=(1/R1)V_TlnN ------(9)

또한, 제2저항(R2)을 통해 흐르는 전류 I₂는

I₂=(1/R2)V_BE2 --------(10)

이고, 밴드갭 기준발생기의 전류 I_ref는

---------(11)

과 같게 된다.

여기서, 제1저항(R1)과 제2저항(R2)의 값을 조정하면 온도에 따른 열전압(V_T)의 변화와 이미터-베이스간 전압(V_EB)의 변화를 서로 상쇄시켜, 온도 변화와 무관한 기준전류(I_ref)를 만들수 있다. 온도와 무관한 기준전류(I_ref)를 통하여 NMOS트랜지스터(MN4) 대신에 원하는 저항을 삽입시킴으로 해서 온도에 관해 영향을 받지 않으면서 시스템이 원하는 1.2V 이하의 기준전압을 발생할 수 있게 된다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 시동발생부(100)의 회로도이다.

도시된 바와 같이, 상기 시동회로부(100)는 상기 밴드갭 기준발생부(200)에 전원·전압이 최초로 정해진 전원·전압에 도달할 때까지 회로의 동작을 금지시키는 것과, Vpt와 Vipt노드의 전압을 일정하게 유지시키는 역할을 한다.

상기 Vpt의 전압이 낮아지면 PMOS트랜지스터(MPO)의 소스-드레인간 V_SG전압이 크게되어 PMOS트랜지스터(MPO)에 전류는 증가하게 되고, 또한 NMOS 트랜지스터(MN1) 및 NMOS트랜지스터(MN2)는 전류미러회로를 형성하고 있으므로 PMOS트랜지스터(MPO)에 전류가 많이 흐르게 되면 NPOS트랜지스터(MN2) 전류도 W/L 비율로 증가하게 된다.

따라서, N1노드에서 볼때 유입되는 전류보다 빠져나가는 전류가 많아지게 되므로 N1노드의 전압은 감소하게 된다.

N1노드의 전압이 감소하게 되면 NMOS트랜지스터(MN3)의 게이트-소스간 V_GS의 전압이 감소하게 되어서 NMOS트랜지스터(MN3)를 통한 전류는 감소하게 된다.

따라서, Vpt노드에서 볼 때 나가는 전류가 감소함으로 전압은 증가하게 된다.

같은 원리로 Vpt전압이 증가하게 되면 다시 NMOS트랜지스터(MN3)로 흐르는 전류가 증가하게 되어 Vpt노드의 전압은 감소하게 된다.

Vipt 노드부분의 회로 동작은 Vpt 노드 부분의 회로 동작과 동일하므로 그 설명을 생략한다.

이상, 본 발명의 일실시예를 통해 밴드갭 기준 발생에 대하여 설명한 것이나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 실시예가 예상됨을 당업자 수준에서 명백하므로 그 구체적인 변형예들에 대해서는 자세히 언급하지 않았다.

이상에서와 같이, 본 발명 밴드갭 기준발생기 회로에서는 온도에 따라 무관한 기준전류(I_ref)를 종래의 전압 전류 변환기를 거치지 않고 발생시킴으로 해서 회로가 보다 간단해 졌고, 또한, 적절한 저항을 사용함으로써 종래의 회로의 기준전류(I_ref)보다 낮은 전압의 기준전압(V_ref)을 발생시킬 수 있다. 그러므로 해서 1.2V 이하의 낮은 기준전압을 요구하는 시스템에서 효과적으로 적용할 수 있다.

Claims

삭제
밴드갭을 이용한 기준발생기 회로에 있어서,

회로에 전원·전압이 최초로 인가될 때 미리 설정된 전원·전압에 도달할 때까지 회로의 동작을 금지시키고, 복수개의 바이어스 전압을 일정하게 유지 출력하는 시동회로부; 및

복수개의 MOS트랜지스터로 이루어진 전류미러회로와, 상기 전류미러회로의 MOS트랜지스터에 병렬로 연결되는 복수개의 바이폴라 트랜지스터와, 상기 바이폴라 트랜지스터 및 MOS트랜지스터에 연결되는 제1저항 및 제2저항을 포함하며, 상기 시동회로부의 출력전압을 인가받아 상기 바이폴라 트랜지스터들의 이미터-베이스 사이의 전압들과 상기 제1저항 및 제2저항 사이의 전압을 이용하여 기준전류를 발생시키는 밴드갭 기준발생부가 포함되어 구비되고,

상기 밴드갭 기준발생부(200)는, PMOS 트랜지스터(MP1) 및 PMOS트랜지스터(MP2)와, NMOS트랜지스터(MNO) 및 NMOS트랜지스터(MN1)는 W/L비가 1:N으로 각각 전류미러회로를 형성하며, PMOS트랜지스터(MP3) 및 PMOS트랜지스터(MP4)와, NMOS트랜지스터(MN2) 및 NMOS트랜지스터(MN3)는 W/L비가 1:1로 각각 전류미러회로가 형성되도록 구성함을 특징으로 하는 저전압 밴드갭 기준발생기 회로.
제 2 항에 있어서,

상기 밴드갭 기준발생부(200)는, 제1저항(R1)과 제2저항(R2)의 값을 조정하여 온도에 따른 열전압(V_T)의 변화와 이미터-베이스간 전압(V_EB)의 변화를 서로 상쇄시켜, 온도 변화와 무관한 기준전류(I_ref)를 만드는 것을 특징으로 하는 저전압 밴드갭 기준발생기 회로.
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