KR100832887B1 - Ｃｍｏｓ 소자로만 구성된 온도 보상 기능을 갖춘 기준전류 생성기 - Google Patents

Ｃｍｏｓ 소자로만 구성된 온도 보상 기능을 갖춘 기준전류 생성기 Download PDF

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Abstract

CMOS 소자로만 구성된 온도 보상 기능을 갖춘 기준 전류 생성기는 캐스캐이드(cascade) 구조의 2단으로 설계된 CMOS 트랜지스터들로 구현된 전류 미러(current mirror)를 구비하여 일정한 레벨의 소스 전류를 발생하는 소스 전류 발생부; 소스 전류 발생부와 병렬로 연결되고, 소스 전류 발생부에서 발생되는 소스 전류에 비해 n배의 크기를 가지며, 기준 전류로서 제공되는 미러 전류(mirror current)를 발생하는 기준 전류 발생부; 소스 전류 발생부에 병렬로 연결되고, 온도 변화에 따라 소스 전류가 변화되는 것을 보상하는 방향으로 동작하는 피드백 루프; 및 소스 전류 발생부에 연결되고, 전원 인가 시 초기에 안정된 상태에서 회로를 동작시키는 초기 스타트업 회로부를 구비하는 구성을 갖는다. 이러한 구성에 따라 온도 변화에 둔감한 CMOS 소자에 관한 집적 회로를 구현함으로써 공정 변화 및 온도 변화에도 불구하고 일정 레벨의 기준 전류를 발생시킬 수 있는 온도 보상 기능을 갖춘 기준 전류 생성기를 제공할 수 있다.
Figure R1020070013965
전류 미러(current mirror), CMOS, 온도 보상(temperature compensation)

Description

ＣＭＯＳ 소자로만 구성된 온도 보상 기능을 갖춘 기준 전류 생성기 {Fully CMOS reference current generator with temperature compensation}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 보상 기능을 갖춘 기준 전류 생성기 회로도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 전류 생성기의 DC 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1: 소스 전류 생성부
2: 기준 전류 생성부
3: 피드백 루프
4: 초기 스타트업 회로부
본 발명은 기준 전류 생성기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 기술로 제작된 집적 회로에 온도 보상 회로를 구비하여 온도 변화에 무관하게 항상 일정한 안정화된 기준 전류를 공급하는 기술에 관한 것이다.
반도체 메모리 회로와 같은 전자회로에는 일반적으로 일정한 레벨을 가지는 기준 전압이나 기준 전류가 필요하며, 이를 발생하는 회로로서 기준 전압 발생회로나 기준 전류 발생회로를 채용하고 있다. 이 중에서 기준 전류 발생회로는 전압 레벨과는 무관하게 항상 일정한 전류를 발생하여야 하며 설계자가 원하는 경로에 원하는 레벨의 전류를 공급할 수 있어야 한다.
이와 같은 기준 전류 발생회로는 특히, 반도체 소자의 신뢰성을 확보하기 위하여, 외부 전원전압의 변화나 온도 변화, 그리고 공정 변화에 무관하게 항상 일정한 전류 레벨을 유지해야 한다.
그러나, 종래의 일반적인 기준 전류 발생회로는 다수 개의 MOS 트랜지스터를 사용하고 있으며, 이들 MOS 트랜지스터는 공정 변화나 온도 변화에 그 특성이 민감하게 변화된다. 즉, 온도가 증가되면 MOS 트랜지스터의 컨덕턴스 특성에 따라 기준 전류 발생회로를 통해 발생되는 기준 전류는 감소된다. 따라서, 기준 전류를 일정하게 유지하기 위해서는 이를 보상하는 방법이 필요하게 된다.
따라서, 본 발명은 온도 변화에 둔감한 집적 회로를 구현하기 위하여, CMOS 소자로만 구현한 온도 보상 기능을 갖춘 기준 전류 생성기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 기준 전류를 공급하여 전류원을 생성하는 방법에 있어, 공정 변화 및 온도 변화에도 불구하고 일정 레벨의 기준 전류를 발생시킬 수 있는 온도 변화에 둔감한 기준 전류를 생성함으로써 집적 회로 전체의 온도 안정성을 높이는 것을 목적으로 한다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기준 전류 생성기는, 전류 미러(current mirror)를 구비하여 일정한 레벨의 소스 전류를 발생하는 소스 전류 발생부; 소스 전류 발생부와 병렬로 연결되고, 소스 전류 발생부에서 발생되는 소스 전류에 비해 n배의 크기를 가지며, 기준 전류로서 제공되는 미러 전류(mirror current)를 발생하는 기준 전류 발생부; 소스 전류 발생부에 병렬로 연결되고, 온도 변화에 따라 소스 전류가 변화되는 것을 보상하는 방향으로 동작하는 피드백 루프; 및 소스 전류 발생부에 연결되고, 전원 인가 시 초기에 안정된 상태에서 회로를 동작시키는 초기 스타트업 회로부를 구비한다.
위와 같은 본 발명의 기준 전류 생성기를 구성하는 소스 전류 발생부는 캐스캐이드(cascade) 구조의 2단으로 설계된 CMOS 트랜지스터들로 구현된 전류 미러를 구비한다. 즉, 전류 미러를 2단으로 설계함으로써 문턱 전압의 영향을 줄이고 동작 범위를 향상시켜서 출력 전압 범위를 확장시키며, 로드(load)에 둔감하게 일정한 전류를 출력한다.
또한, 피드백 루프는 제 1 CMOS 소자와, 제 1 CMOS 소자에 연결된 제 2 CMOS 소자를 구비하며, 제 1 CMOS 소자의 드레인과 제 2 CMOS 소자의 게이트를 연결하고, 상기 제 2 CMOS 소자의 소스와 상기 제 1 CMOS 소자의 게이트를 연결하여 구성된다. 여기에 제 1 CMOS 소자 및 제 2 CMOS 소자에 연결된 저항을 추가적으로 더 포함하며, 피드백 루프는 저항의 온도 변화를 상쇄시키는 방향으로 동작하게 된다.
따라서, 이러한 구성에 따른 피드백 루프는 온도 변화에 따라 소스 전류가 변화되는 것을 보상하는 방향으로 동작하는 온도 보상 기능을 갖추게 되며, 출력 전류가 온도 변화 및 공정 조건 변화에 둔감하게 되도록 할 수 있다.
한편, 초기 스타트업 회로부는 제 3 CMOS 소자와, 제 3 CMOS 소자의 드레인에 그 소스가 연결된 제 4 CMOS 소자를 포함하며, 제 3 CMOS 소자 및 제 4 CMOS 소자의 게이트가 접지되어 있는 구성을 갖는다. 이러한 구성에 의해 일단 전류가 흐르기 시작하면 전류 흐름이 0인 점으로 빠지지 않고 정상 상태에서 동작하게 된다.
전술한 바와 같은 본 발명의 기준 전류 생성기에 따르면, 온도 변화에 의한 전류 레벨 변화를 보상하는 방향으로 보상 전류가 발생된다. 따라서, 온도 변화에 무관한 소스 전류가 발생되고, 그 결과 n배의 소스 전류 레벨을 가지는 미러 전류를 얻을 수 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 보상 기능을 갖춘 기준 전류 생성기의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 전류 생성기는, 소스 전류 발생부(1), 기준 전류 발생부(2), 피드백 루프(3) 및 초기 스타트업 회로부(4)를 구비한다.
도 1을 참조하면, 소스 전류 발생부(1)는 2단의 캐스케이드(cascade) 구조로 설계된 다수 개의 CMOS 소자들(M5, M6, M8, M9, M12, M13, M15)을 구비한다.
즉, 도 1 에 도시된 바와 같이 M5, M8 및 M12의 각 드레인에 M6, M9 및 M13의 소스가 각각 연결되고, M5 및 M6, M8 및 M9, M12 및 M13, 그리고 M15가 각각 병렬로 연결되는 구성을 갖는다.
이러한 구성에 따라, 소스 전류 발생부(1)는 출력 전압 범위를 확장시키며, 로드에 둔감하게 일정한 레벨의 소스 전류를 발생시킬 수 있게 된다.
또한, 기준 전류 발생부(2)는 전술한 소스 전류 발생부(1)에 병렬로 연결되며, 소스 전류 발생부(1)에서 발생되는 소스 전류에 대해 n배의 크기를 가지는 미러 전류를 발생시킨다. 도 1 에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 전류 발생부(2)는 2개의 CMOS 소자들(M18, M18)이 연결됨으로써 구현된다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 소스 전류 발생부(1)에 병렬로 연결된 피드백 루프(3)는 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 CMOS 소자(M10), 및 제 1 CMOS 소자(M10)에 연결된 제 2 CMOS 소자(M14)를 포함하며, 제 1 CMOS 소자(M10)의 드레인 과 제 2 CMOS 소자(M14)의 게이트를 연결하고, 제 2 CMOS 소자(M14)의 소스와 제 1 CMOS 소자(M10)의 게이트를 연결함으로써 구현되는 구성을 갖는다.
또한, 피드백 루프(3)의 구성에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 CMOS 소자(M10) 및 제 2 CMOS 소자(M14)에 연결된 저항(R1, R2)을 더 포함하며, 이러한 저항(R1, R2)의 온도 변화를 상쇄시킴으로써 온도 변화에 따른 소스 전류의 변화를 보상하는 방향으로 동작하게 되며, 이에 따라 출력 전류가 온도 변화 및 공정 조건 변화에 둔감하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위와 같은 피드백 루프(3)의 동작에 대해 이하 도 1을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
정상 상태에서 제 1 CMOS 소자(M10)에 일정한 소스-드레인 전류가 흐르고 있을 때, 온도가 증가하여 저항(R2)이 증가하면, 제 2 CMOS 소자(M14)의 게이트 전압이 상승한다.
제 2 CMOS 소자(M14)에는 전류 미러에 의하여 M12, M13을 통하여 정전류 부하가 작용하고 있으며, 따라서 제 2 CMOS 소자(M14)의 게이트 전압이 상승하면 제 2 CMOS 소자(M14)의 드레인 전압이 감소하고, 제 1 CMOS 소자(M10)의 게이트 전압이 감소한다.
제 1 CMOS 소자(M10)의 게이트 전압이 감소하면, 제 1 CMOS 소자(M10)의 드레인 전압이 감소하여 저항(R2)의 증가로 인한 영향이 상쇄된다.
또한, 저항(R1)이 증가할 경우 M3의 게이트 전압이 상승하여 VGS3이 증가하고 M3의 소스 전압이 하강한다. 따라서 M7의 게이트 전압이 감소하며, M7의 VSG7 이 증가하고, 로드 전류(load current)가 일정하므로 M7의 드레인 전압이 하강하고, 제 1 CMOS 소자(M10)의 소스-드레인 전류가 감소하여, 저항(R1)의 증가로 인한 영향 역시 상쇄된다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 기준 전류 생성기를 구성하는 초기 스타트업 회로부(4)는 제 3 CNOS 소자(M1), 및 제 3 CMOS 소자(M1)의 드레인에 그 소스가 연결된 제 4 CMOS 소자(M2)를 포함하며, 제 3 CMOS 소자(M1) 및 제 4 CMOS 소자(M2)의 게이트가 접지되어 있는 구성을 갖는다.
위와 같은 초기 스타트업 회로부(4)의 구성에 따라, 제 3 CMOS 소자(M1) 및 제 4 CMOS 소자(M2)는 게이트를 접지하여 마치 저항처럼 동작하며, M3는 파워-온(power-on)시 저항(R1)에 의하여 게이트 전압이 접지에 가까운 전압으로 설정되어 선형(linear) 영역에서 동작하고, M7의 게이트 전압을 vdd에 가까운 전압으로 설정한다. 따라서, 일단 전류가 흐르기 시작하면 전류 흐름이 0인 점으로 빠지지 않고 정상 상태에서 동작한다.
한편, 도 1의 M4, M11, M17은 저전력 모드를 지원하기 위하여 회로를 온/오프(on/off) 시키는 역할을 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 전류 생성기의 DC 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션 결과, 생성된 기준 전류 값은 -45℃ 내지 125℃의 온도 범위에 대하여, 공정 조건에 따라 약 ±3 ~ ±10 %의 오차만을 발생시키는 것을 알 수 있다.
본 발명은 반도체 기술로 제작된 집적 회로에 안정화된 기준 전류를 공급하는 기술에 관한 것으로, 온도 변화에 둔감한 기준 전류를 생성하여 집적 회로 전체의 온도 안정성을 크게 높일 수 있다.
즉, 온도 변화에 둔감한 CMOS 소자에 관한 집적 회로를 구현함으로써 공정 변화 및 온도 변화에도 불구하고 일정 레벨의 기준 전류를 발생시킬 수 있는 온도 보상 기능을 갖춘 기준 전류 생성기를 제공할 수 있다.
PNP 등 바이폴라 소자를 이용하여 밴드갭 (bandgap) 방식 등을 이용하여 온도 보상 된 기준 전류를 생성할 수도 있으나, 이러한 방식은 bipolar 공정, biCMOS 공정, 또는 substrate PNP 를 지원하는 공정에서만 제한적으로 이용이 가능하다.
CMOS 소자로만 회로를 구현할 경우, 공정의 변화에도 둔감하게 설계가 가능하며, 수율 향상 및 생산 원가 절감을 기대할 수 있다.

Claims (4)

  1. CMOS 소자로만 구성된 온도 보상 기능을 갖춘 기준 전류 생성기에 있어서,
    캐스캐이드(cascade) 구조의 2단으로 설계된 CMOS 트랜지스터들로 구현된 전류 미러(current mirror)를 구비하여 일정한 레벨의 소스 전류를 발생하는 소스 전류 발생부;
    상기 소스 전류 발생부와 병렬로 연결되고, 상기 소스 전류 발생부에서 발생되는 소스 전류에 비해 n배의 크기를 가지며, 기준 전류로서 제공되는 미러 전류(mirror current)를 발생하는 기준 전류 발생부;
    상기 소스 전류 발생부에 병렬로 연결되고, 온도 변화에 따라 상기 소스 전류가 변화되는 것을 보상하는 방향으로 동작하는 피드백 루프; 및
    상기 소스 전류 발생부에 연결되고, 전원 인가 시 초기에 안정된 상태에서 회로를 동작시키는 초기 스타트업 회로부를 구비하는 기준 전류 생성기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 피드백 루프는,
    제 1 CMOS 소자; 및
    상기 제 1 CMOS 소자에 연결된 제 2 CMOS 소자를 포함하며,
    상기 제 1 CMOS 소자의 드레인과 상기 제 2 CMOS 소자의 게이트를 연결하고, 상기 제 2 CMOS 소자의 소스와 상기 제 1 CMOS 소자의 게이트를 연결하여 구성하는 것을 특징으로 하는 기준 전류 생성기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 피드백 루프는,
    상기 제 1 CMOS 소자 및 상기 제 2 CMOS 소자에 연결된 저항을 더 포함하며,
    상기 저항의 온도 변화를 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 기준 전류 생성기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 초기 스타트업 회로부는,
    제 3 CNOS 소자; 및
    상기 제 3 CMOS 소자의 드레인에 그 소스가 연결된 제 4 CMOS 소자를 포함하며,
    상기 제 3 CMOS 소자 및 상기 제 4 CMOS 소자의 게이트는 접지된 것을 특징으로 하는 기준 전류 생성기.
KR1020070013965A 2006-12-27 2007-02-09 Ｃｍｏｓ 소자로만 구성된 온도 보상 기능을 갖춘 기준전류 생성기 KR100832887B1 (ko)

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