KR101036925B1 - 밴드갭 회로 및 이를 포함하는 온도 감지회로 - Google Patents

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Abstract

본 기술은 온도감지 회로에 관한 것으로, 본 기술에 따른 온도감지 회로는, 온도에 따라 변하는 온도전압과 일정한 레벨을 유지하는 기준전압을 출력하는 밴드갭부; 및 상기 온도전압과 상기 기준전압을 비교하여 온도정보를 출력하는 비교부를 포함한다.
온도감지, 반도체장치, 밴드갭

Description

밴드갭 회로 및 이를 포함하는 온도 감지회로{BANDGAP CIRCUIT AND TEMPERATURE SENSING CIRCUIT INCLUDING THE SAME}
본 발명은 밴드갭 회로 및 이를 포함하는 온도 감지회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 간단한 회로 구현으로 정확한 온도를 감지하는 기술에 관한 것이다.
집적회로들로 이루어지는 반도체장치에 있어서 온도는 매우 중요한 요소이다. 이는 집적회로의 기본적인 구성요소인 트랜지스터, 저항 캐패시터 등의 특성이 온도에 따라 변하기 때문이다. 따라서 많은 반도체장치들은 온도 감지회로를 칩내에 내장하고 있다.
이하, 온도 감지회로가 반도체장치 중 하나인 디램에 어떻게 응용되고 있는지에 대해 살표본다. 디램의 셀(DRAM cell)은 스위치 역할을 하는 트랜지스터와 전하(데이터)를 저장하는 캐패시터로 구성되어 있다. 메모리 셀 내의 캐패시터에 전하가 있는가 없는가에 따라, 즉 캐패시터의 단자 전압이 높은가 낮은가에 따라 데 이터의 '하이', '로우'를 구분한다.
데이터의 보관은 캐패시터에 전하가 축적된 형태로 되어 있는 것이므로 원리적으로는 전력의 소비가 없다. 그러나 MOS트랜지스터의 PN결합 등에 의한 누설전류가 있어서 저장된 초기의 전하량이 소멸 되므로 데이터가 소실될 수 있다. 이를 방지하기 위해서 데이터를 잃어버리기 전에 메모리 셀 내의 데이터를 읽어서 그 읽어낸 정보에 맞추어 다시금 정상적인 전하량을 재충전해 주어야 한다.
이 동작을 주기적으로 반복해야만 데이터의 기억이 유지된다. 이러한 셀 전하의 재충전 과정을 리프레쉬(refresh) 동작이라 부르며, 그러한 리프레쉬(refresh)동작의 필요에 기인하여 디램에서는 리프레쉬 전력이 소모된다. 보다 저전력을 요구하는 배터리 오퍼레이티드 시스템(battery operated system)에서 전력 소모를 줄이는 것은 매우 중요하며 크리티컬(critical)한 이슈이다.
리프레쉬에 필요한 전력소모를 줄이는 시도중 하나는 리프레쉬 주기를 온도에 따라 변화시키는 것이다. 디램에서의 데이터 보유 타임은 온도가 낮아질수록 길어진다. 따라서, 온도 영역을 여러 영역들로 분할하여 두고 낮은 온도영역에서는 리프레쉬 클럭의 주파수를 상대적으로 낮추어주면 전력의 소모는 줄어들 것임에 틀림없다. 따라서, 디램 내부에 온도를 정확하게 감지하고, 감지한 온도의 정보를 출력해 줄 수 있는 온도 감지회로가 필요하다.
또한, 디램은 그 집적레벨 및 동작속도가 증가함에 따라 디램 자체에서 많은 열을 발생한다. 이렇게 발생한 열은 디램 내부의 온도를 상승시켜 정상적인 동작을 방해하고, 자칫 디램의 불량을 초래한다. 따라서, 디램의 온도를 정확하게 감지하 고, 감지한 온도의 정보를 출력해 줄 수 있는 온도 감지회로가 필요하다.
디램 뿐만이 아니라 상변화메모리(PCRAM)에서도 온도를 정확히 파악하는 것은 중요하다. 상변화 메모리의 온도에 따른 리셋 저항의 변화에 따라서 센스앰프의 레퍼런스 전압을 변화시켜 리드 특성을 개선시켜야 하기 때문이다.
이렇듯, 각종 반도체장치에서는 반도체장치의 온도를 정확히 감지해줄 수 있는 온도 감지회로를 필요로 하고 있다.
본 발명은 각종 반도체장치에서 사용되는 온도 감지회로의 특성을 개선시키기 위한 것으로, 정확한 온도를 감지하고, 간단한 회로로 구현되는 온도 감지회로를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 온도 감지회로는, 온도에 따라 변하는 온도전압과 일정한 레벨을 유지하는 기준전압을 출력하는 밴드갭부; 및 상기 온도전압과 상기 기준전압을 비교하여 온도정보를 출력하는 비교부를 포함한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 밴드갭 회로는, 온도에 따라 전류량이 변하는 온도전류를 생성하는 전류생성부; 상기 온도전류를 미러링하여, 미러링된 전류에 의한 전압강하로 생성되는 온도전압을 생성하는 온도전압 생성부; 및 상기 온도전류를 미러링하고, 미러링된 전류에 의한 전압강하와 제3트랜지스터의 이미터-베이스 전압의 합에 의해 생성되는 기준전압을 생성하는 기준전압 생성부를 포함한다.
본 발명에 따른 온도 감지회로는, 밴드갭 회로에서 출력되는 온도에 따라 변하는 온도전압과 PVT등의 변화에도 항상 일정한 레벨을 유지하는 기준전압을 비교 하는 방법을 사용함으로써 온도정보를 생성한다. 따라서 언제나 정확한 온도정보를 생성할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 밴드갭 회로는, 정확한 온도전압 및 기준전압을 생성하면서도 간단한 회로로 구성된다는 장점이 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 온도 감지회로의 일실시예 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 온도 감지회로는, 온도에 따라 변하는 온도전압(VTEMP)과 일정한 레벨을 유지하는 기준전압(VREF)을 출력하는 밴드갭부(110)와, 온도전압(VTEMP)과 기준전압(VREF)을 비교하여 온도정보(TEMP_EN)를 출력하는 비교부(120)를 포함하여 구성된다.
밴드갭부(110)는 온도에 따라 변하는 온도전압(VTEMP)과 PVT등이 변화하더라도 항상 일정한 레벨을 유지하는 기준전압(VREF)을 생성한다. 또한, 비교부의 바이어스 전압으로 사용하기 위한 바이어스 전압(VBIAS)을 더 생성할 수 있다. 바이어스 전압(VBIAS)은 기준전압(VREF)을 전압분배하여 생성되기 때문에, 바이어스 전압(VBIAS)도 기준전압(VREF)과 마찬가지로 PVT(Process, Voltage, Temperature)등 이 변화하더라도 항상 일정한 레벨을 유지하게 된다.
비교부(120)는 온도전압(VTEMP)과 기준전압(VREF)을 비교하여 온도정보(TEMP_EN)를 출력한다. 온도전압(VTEMP)이 기준전압(VREF)보다 더 높으면 온도정보(TEMP_EN)를 인에이블하여 출력하고, 온도전압(VTEMP)이 기준전압(VREF)보다 더 낮으면 온도정보(TEMP_EN)를 디스에이블하여 출력한다. 기준전압(VREF)은 칩의 조건이 변하더라도 항상 일정한 레벨을 유지하며, 온도전압(VTEMP)만이 온도에 따라 변화되기 때문에, 두 전압을 비교하면 항상 정확한 온도정보(TEMP_EN)를 출력하는 것이 가능해진다. 앞선 설명에서는 온도전압(VTEMP)이 기준전압(VREF)보다 높은 경우에는 온도정보(TEMP_EN)가 인에이블되고, 기준전압(VREF)이 온도전압(VTEMP)보다 높은 경우에는 온도정보(TEMP_EN)가 디스에이블되는 것을 설명하였지만, 그 반대의 경우도 가능함은 당연하다.
비교부(120)는 밴드갭부(110)에서 생성되는 바이어스 전압(VBIAS)을 자신의 바이어스 전압으로 사용할 수 있다. 비교부(120)가 밴드갭부(110)에서 생성되는 바이어스 전압(VBIAS)을 사용하는 경우에는, 항상 비교부(120) 내에 흐르는 전류량을 일정하게 제어할 수 있으므로, 비교부(120)의 특성이 향상될 수 있다는 장점이 있다.
도면에 도시된 실시예에서는 비교부(120)를 하나만 사용하여 하나의 온도정보를 출력하는 것을 도시하였지만, 온도감지회로는 각기 다른 레벨의 기준전압을 온도전압과 비교하는 복수개의 비교부를 포함하여 구성될 수도 있다. 이러한 경우에는 더욱 자세한 온도정보를 출력할 수 있게 된다. 예를 들어, 비교부가 하나일 경우에는 온도를 2개의 범위로 나누게 되지만, 비교부가 3개일 경우에는 각기 다른 온도에서 인에이블되는 온도정보를 이용해 온도를 4개의 범위로 나눌 수 있게 된다.
도 2는 도 1의 밴드갭부(110)의 일실시예 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 밴드갭부(110)는 온도에 따라 전류량이 변하는 온도전류(IPTAT)를 생성하는 전류생성부(210); 온도전류(IPTAT)를 미러링하고, 미러링된 전류(IPTAT)에 의한 전압강하로 생성되는 온도전압(VTEMP)을 생성하는 온도전압 생성부(220); 및 온도전류(IPTAT)를 미러링하고, 미러링된 전류에 의한 전압강하와 트랜지스터(B3)의 이미터-베이스 전압(VEB3)의 합에 의해 생성되는 기준전압(VREF)을 생성하는 기준전압 생성부(230)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 초기동작시 밴드갭부(110)에 전류가 흐르도록 하며, 정상상태 도달시에 밴드갭 부(110)에 흐르는 전류를 제한하기 위한 전류량 제한부(240)를 더 포함할 수 있다.
전류생성부(210)는, 베이스와 콜렉터가 접지된 트랜지스터(B2); 트랜지스터(B2)의 이미터와 제1노드(A) 사이에 접속되는 저항; 베이스와 콜렉터가 접지되며, 이미터가 제2노드(B)에 연결된 트랜지스터(B1); 제1노드(A)와 제2노드(B)를 입력으로 하는 연산증폭기(211); 연산증폭기(211)의 출력에 응답해 제1노드(A)에 전류를 공급하는 트랜지스터(MP3); 및 연산증폭기(211)의 출력에 응답해 제2노드(B)에 전류를 공급하는 트랜지스터(MP2)를 포함할 수 있다.
온도전압 생성부(220)는, 연산증폭기(211)의 출력에 응답해 온도전압 생성 부(220)에 전류를 공급하는 트랜지스터(MP7); 및 트랜지스터(MP7)와 접지단(VSS) 사이에 접속되어 온도전압(VTEMP)을 제공하는 저항(R5)을 포함할 수 있다.
기준전압 생성부(230)는, 연산증폭기(211)의 출력에 응답해 기준전압 생성부(230)에 전류를 공급하는 트랜지스터(MP6); 트랜지스터(MP6)와 기준전압 출력단(VREF) 사이에 연결되는 저항(R2); 베이스와 콜렉터가 접지되며, 이미터가 기준전압 출력단(VREF)에 연결되는 트랜지스터(B3)를 포함할 수 있다.
이제 밴드갭 회로의 동작에 대하여 자세히 알아보기로 한다.
전류생성부(210)에서는 두 트랜지스터(B1, B2)의 이미터-베이스 전압차이(ΔVBE)에 의해 흐르는 온도전류(IPTAT)를 생성한다. 연산증폭기(211)의 가상 단락(virtual short) 원리에 의해 제1노드와 제2노드의 전압은 같아지며, 두 트랜지스터(MP2, MP3)에 흐르는 전류량은 동일하다. 따라서 수학식 1과 같은 관계가 성립한다.
Figure 112008089382147-pat00001
여기서 k는 볼츠만 상수(Boltzmann's constant)이며, q는 전자의 전하량, T는 절대온도, J1과J2는 포워드 바이어스 다이오드(forward biased diode)의 전류 농도(current density)이다.
온도전류(IPTAT)는 ΔVBE에 의해 저항(R1)에 흐르는 전류가 되므로 온도전류는 다음의 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure 112008089382147-pat00002
따라서 온도전류(IPTAT)는 온도에 비례하여 그 크기가 결정되는 전류가 된다.
온도전압 생성부(220)의 트랜지스터(MP7)는 트랜지스터(MP3)와 마찬가지로 연산증폭기(211)의 출력전압을 자신의 게이트에 입력받는다. 따라서 트랜지스터(MP7)에 흐르는 전류는 트랜지스터(MP3)에 흐르는 전류와 동일해진다. 즉, 트랜지스터(MP7)는 온도전류(IPTAT)를 미러링하여 저항(R5)에 흘려준다. 따라서 온도전압(VTEMP)은 VTEMP=IPTAT*R5가 되고, 이는 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure 112008089382147-pat00003
즉, 온도전압(VTEMP)은 온도에 비례하여 그 크기가 커지는 전압이 된다.
기준전압 생성부(230)의 트랜지스터(MP6)는 트랜지스터(MP3)와 마찬가지로 연산증폭기(211)의 출력전압을 자신의 게이트에 입력받는다. 따라서 트랜지스터(MP6)에 흐르는 전류는 트랜지스터(MP3)에 흐르는 전류와 동일해진다. 즉, 트랜지스터(MP6)는 온도전류를 미러링하여 기준전압 출력단(VREF) 측에 흘려준다. 만 약, 저항(R3, R4)가 없다고 가정하면(즉, 밴드갭부가 바이어스 전압(VBIAS)을 생성하지 않는다고 가정하면), 온도전류는 저항(R2)로만 흐르게 되고 저항(R2)에 의한 전압강하는 IPTAT*R2가 된다. 그리고 기준전압은 저항(R2)에 의한 전압강하와 트랜지스터(B3)의 이미터-베이스 전압(VEB3)의 합이므로 다음의 수학식 4와 같이 표현된다.
VREF=R2*IPTAT+VEB3
여기서 온도전류(IPTAT)는 온도에 따라 증가하는 값이며, 이미터-베이스 전압(VEB3)은 온도에 따라 감소하는 값이다. 따라서 저항(R2)의 값을 적절하게 조절해주면 기준전압(VREF)을 온도와 무관하게 항상 일정한 전압으로 만드는 것이 가능해진다.
저항(R3, R4)가 존재할 경우(즉, 밴드갭부가 바이어스 전압(VBIAS)을 생성하는 경우), 온도전류(IPTAT)는 저항(R2)과 저항(R3,R4)으로 나뉘어 흐르게 된다. 따라서 이때의 기준전압(VREF)은 다음의 수학식 5와 같이 표현된다.
Figure 112008089382147-pat00004
이 경우에도 저항(R2)의 값을 적절히 조절해주면, 기준전압(VREF)을 온도와 무관하게 항상 일정한 값을 갖는 전압으로 만드는 것이 가능해진다.
바이어스 전압(VBIAS)은 단지 기준전압(VREF)을 전압분배한 전압으로, 다음의 수학식 7과 같이 표현된다.
Figure 112008089382147-pat00005
즉, 바이어스 전압(VBIAS)도 기준전압(VREF)과 마찬가지로 온도와 무관하게 항상 일정한 레벨을 유지하는 전압이 된다.
전류량 제한부(240)는 밴드갭부의 스타트-업(start-up)회로이다. 초기에 기준전압의 값이 낮아서 트랜지스터(MP8)가 턴온되면, 트랜지스터(MN6)의 게이트 전압이 상승되어 연산증폭기 출력단(211)의 전압 레벨을 낮추어 밴드갭부가 동작을 시작할 수 있도록 한다. 이후 기준전압(VREF)의 레벨이 높아지는 정상상태에 도달하면, 기준전압(VREF)은 트랜지스터(MP8)을 오프시키게 되며, 결국 연산증폭기(211) 출력단의 레벨을 높이게 된다. 따라서 트랜지스터(MP1)가 턴오프되고 이에 의해 연산증폭기(211)의 바이어스 트랜지스터(MN4)의 게이트에 입력되는 전압을 낮추어 밴드갭부(110)에 흐르는 전류량을 줄이게 된다.
즉, 전류량 제한부(240)는 밴드갭부(110)가 초기동작을 시작할 수 있도록 하고, 밴드갭부(110)의 출력전압들(VREF, VTEMP, VBIAS)이 정상상태에 도달하면 밴드갭부(110)의 전류소모를 줄여 대기전류(standby current)를 작은 양으로 만들어준다.
도 3은 도 1의 비교부(120)의 일실시예 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 비교부(120)는, 온도전압(VTEMP)과 기준전압(VREF)을 비교하기 위한 차동증폭부(310); 및 바이어스 전압(VBIAS)에 응답하여 차동증폭부(310)에 흐르는 전류량을 조절하는 전류조절부(320)를 포함하여 구성된다.
전류조절부(320)는 바이어스 전압(VBIAS)을 인가받는 트랜지스터(MN9)로 구성되는데, 바이어스 전압(VBIAS)은 PVT의 변화에 상관없이 항상 일정한 레벨을 유지한다. 따라서 전류조절부(320)는 차동증폭부(310)에 항상 일정한 양의 전류만이 흐르도록 제어하며, 이에 따라 차동증폭부(310)는 항상 우수한 성능을 유지할 수 있게 된다.
차동증폭부(310)는 온도전압(VTEMP)과 기준전압(VREF)의 상대적인 크기를 비교한다. 온도전압(VTEMP)이 기준전압(VREF)보다 높으면 C노드의 논리 레벨은 '로우'가 되고, 인버터(IV1)는 이를 반전하여 '하이'레벨의 온도정보(TEMP_EN)를 출력한다. 또한, 기준전압(VREF)이 온도전압(VTEMP)보다 높으면 C노드의 논리 레벨은 '하이'가 되고, 인버터(IV1)는 이를 반전하여 '로우'레벨의 온도정보(TEMP_EN)를 출력한다.
따라서 온도정보(TEMP_EN)는, 현재의 온도가 소정 온도 이상인지 이하인지를 나타내는 정보가 된다. 물론, 온도정보(TEMP_EN)가 인에이블/디스에이블되는 기준이 되는 소정 온도는 기준전압(VREF)의 레벨을 변경시킴으로써 조절이 가능하다.
도 4는 본 발명에 따른 온도감지 회로(도 1)의 동작을 나타내는 도면이다.
기준전압(VREF)은 온도가 변하더라도 항상 일정한 레벨을 유지한다. 그리고 온도전압(VTEMP)은 온도에 비례하여 변한다. 온도가 상승하여 온도전압(VTEMP)이 기준전압(VREF)의 보다 높아지면(92℃), 이때부터 온도정보(TEMP_EN0는 '하이'로 인에이블된다.
즉, 온도정보(TEMP_EN)는 현재의 온도가 소정온도(92℃) 이상인지, 이하인지를 알려주는 정보가 된다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 온도 감지회로의 일실시예 구성도.
도 2는 도 1의 밴드갭부(110)의 일실시예 구성도.
도 3은 도 1의 비교부(120)의 일실시예 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 온도감지 회로(도 1)의 동작을 나타내는 도면.

Claims (12)

  1. 온도에 따라 변하는 온도전압과 일정한 레벨을 유지하는 기준전압 및 상기 기준전압이 전압분배된 바이어스 전압을 생성하는 밴드갭부;
    상기 온도전압과 상기 기준전압을 비교하여 온도정보를 출력하는 차동증폭부; 및
    상기 바이어스 전압에 응답하여 상기 차동증폭부에 흐르는 전류량을 조절하는 전류조절부를 포함하고,
    상기 밴드갭부는
    초기 동작시에 상기 밴드갭부에 전류가 흐르도록 하며, 정상상태 도달시에 상기 밴드갭부에 흐르는 전류를 제한하기 위한 전류량 제한부를 포함하는
    온도 감지회로.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 밴드갭부는,
    온도에 따라 전류량이 변하는 온도전류를 생성하는 전류생성부;
    상기 온도전류를 미러링하고, 미러링된 전류에 의한 전압강하로 생성되는 상기 온도전압을 생성하는 온도전압 생성부; 및
    상기 온도전류를 미러링하고, 미러링된 전류에 의한 전압강하와 제1트랜지스터의 이미터-베이스 전압의 합에 의해 생성되는 상기 기준전압을 생성하는 기준전압 생성부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 감지회로.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전류생성부는,
    제2트랜지스터와 제3트랜지스터를 포함하며,
    상기 온도전류는 상기 제2트랜지스터의 이미터-베이스 전압과 상기 제3트랜지스터의 이미터-베이스 전압의 차이에 의해 흐르는 전류인 것을 특징으로 하는 온도 감지회로.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 전류생성부는,
    베이스와 콜렉터가 접지된 제2트랜지스터;
    상기 제2트랜지스터의 이미터와 제1노드 사이에 접속되는 저항;
    베이스와 콜렉터가 접지되며, 이미터가 제2노드에 연결된 제3트랜지스터;
    상기 제1노드와 상기 제2노드를 입력으로 하는 연산증폭기;
    상기 연산증폭기의 출력에 응답해 상기 제1노드에 전류를 공급하는 제4트랜지스터; 및
    상기 연산증폭기의 출력에 응답해 상기 제2노드에 전류를 공급하는 제5트랜지스터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 감지회로.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 온도전압 생성부는,
    상기 연산증폭기의 출력에 응답해 상기 온도전압 생성부에 전류를 공급하는 제6트랜지스터; 및
    상기 제6트랜지스터와 접지단 사이에 접속되어 상기 온도전압을 제공하는 저항
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 감지회로.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 기준전압 생성부는,
    상기 연산증폭기의 출력에 응답해 상기 기준전압 생성부에 전류를 공급하는 제7트랜지스터;
    상기 제7트랜지스터와 기준전압 출력단 사이에 연결되는 저항;
    베이스와 콜렉터가 접지되며, 이미터가 상기 기준전압 출력단에 연결되는 상기 제3트랜지스터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 감지회로.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 제2트랜지스터와 상기 제3트랜지스터는 서로 다른 크기인 것을 특징으로 하는 온도 감지회로.
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