KR102005568B1 - 온도 전압 발생 장치 - Google Patents

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Abstract

본 기술은 기준 전압을 입력 받아 온도에 따라 가변하는 제어 전압을 출력하는 제어 전압 생성부, 제어 전압을 증폭하여 온도에 따라 가변하는 온도 전압을 출력하는 온도 전압 생성부 및 제어 전압 생성부에 연결되어 온도 전압의 선형성을 보상하는 선형 보상부를 포함한다.

Description

온도 전압 발생 장치{TEMPERATURE VOLTAGE GENERATOR}
본 발명은 온도에 따라 가변하는 온도 전압을 생성하는 온도 전압 발생 장치에 관한 것이다.
반도체 장치 내부에서는 온도 보상 등의 목적을 위하여 온도에 따라 가변하는 온도 전압을 생성하고 이를 이용하여 온도를 측정한다.
도 1은 종래 기술에 의한 온도 전압 발생 장치(10)의 회로도이다.
종래의 온도 전압 발생 장치(10)는 기준 전압(VIN))을 입력받아 제어 전압(VC)을 생성하는 제어 전압 생성부(1)와 제어 전압(VC)에 따라 온도 전압(VTEMP)을 출력하는 온도 전압 생성부(2)를 포함한다.
제어 전압 생성부(1)는 게이트에 기준 전압(VIN)이 입력되고 소스가 접지되며 드레인에서 제어 전압(VC)을 출력하는 제 1 NMOS 트랜지스터(M1)와 전원과 제 1 NMOS 트랜지스터(M1)의 드레인 사이에 연결된 저항(R1)을 포함한다.
온도 전압 생성부(2)는 게이트에 제어 전압(VC)이 입력되고 소스와 드레인에 각각 저항(R2, R3)이 연결되며 드레인 단자에서 온도 전압(VTEMP)을 출력하는 제 2 NMOS 트랜지스터(M2)를 포함한다. 저항(R2)은 전원과 제 2 NMOS 트랜지스터(M2)의 드레인 사이에 연결되고, 저항(R3)은 접지 단자와 제 2 NMOS 트랜지스터(M2)의 소스 사이에 연결된다.
도 2는 종래의 온도 전압 발생 장치에서 출력되는 온도 전압을 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이 종래의 온도 전압 발생 장치는 온도에 따라 온도 전압이 비선형적으로 출력된다. 온도 전압이 비선형적으로 출력되는 경우 온도의 변화에 따른 온도 전압의 변화량이 달라져 온도를 정확하게 측정하는데 문제가 발생한다.
본 발명은 온도에 따라 가변하는 온도 전압을 출력하되 그 선형성을 향상시킨 온도 전압 발생 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 온도 전압 발생 장치는 기준 전압을 입력받아 온도에 따라 가변하는 제어 전압을 출력하는 제어 전압 생성부, 제어 전압을 증폭하여 온도에 따라 가변하는 온도 전압을 출력하는 온도 전압 생성부 및 제어 전압 생성부에 연결되어 온도 전압의 선형성을 보상하는 선형 보상부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 온도 전압 발생 장치에서 선형 보상부는 온도 전압의 온도에 대한 2차 성분의 크기를 감소시키는 기능을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 온도 전압 발생 장치에서 선형 보상부는 제어 전압 생성부의 출력단과 접지 단자의 사이에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 온도 전압 발생 장치에서 선형 보상부는 저항, 다이오드 또는 트랜지스터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 온도 전압 발생 장치에서 제어 전압 생성부는 전원 단자에 연결된 제 1 저항 및 제 1 저항 및 접지 단자 사이에 소스와 드레인이 연결되고 게이트에 기준 전압이 인가되는 제 1 트랜지스터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 온도 전압 발생 장치에서 온도 전압 생성부는 전원 단자에 연결된 제 2 저항 및 제 2 저항 및 접지 단자 사이에 소스와 드레인이 연결되고 게이트에 제어 전압이 인가되는 제 2 트랜지스터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 온도 전압 발생 장치에서 온도 전압 생성부는 제 2 트랜지스터와 접지 단자 사이에 연결된 저항을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 온도 전압 발생 장치에서 제어 전압 생성부는 제 1 스위칭 신호에 의해 제 1 저항의 크기를 제어하는 제 1 스위치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 온도 전압 발생 장치에서 온도 전압 생성부는 제 2 스위칭 신호에 의해 제 2 저항의 크기를 제어하는 제 2 스위치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 온도 전압 발생 장치는 제 1 스위칭 신호 또는 제 2 스위칭 신호에 의해 기준 전압의 크기를 조절하여 출력하는 기준 전압 생성부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 온도 전압 발생 장치에서 기준 전압 생성부는 전원 전압을 분배하여 다수의 분배 전압을 출력하는 전압 분배부 및 제 1 스위칭 신호 또는 제 2 스위칭 신호에 따라 다수의 분배 전압 중 어느 하나를 선택하여 기준 전압으로 출력하는 전압 선택부를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 온도 전압 발생 장치는 온도 전압의 선형성을 향상시킴으로써 더욱 정밀한 온도 측정이 가능하다.
도 1은 종래 기술에 의한 온도 전압 발생 장치의 회로도.
도 2는 도 1의 온도 전압 발생 장치에서 출력되는 온도 전압의 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 온도 전압 발생 장치의 회로도.
도 4는 선형 보상부가 저항인 온도 전압 발생 장치의 회로도.
도 5a 내지 도 5d는 도 4의 온도 전압 발생 장치의 효과를 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 온도 전압 발생 장치의 회로도.
도 7은 기준 전압 생성부의 회로도.
도 8a, 8b는 도 6의 온도 전압 발생 장치의 효과를 나타내는 그래프.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 개시한다. 이하에서 동일한 참조 번호는 실질적으로 동일한 구성 요소를 지시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 온도 전압 발생 장치의 회로도이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 온도 전압 발생 장치(100)는 기준 전압(VIN)을 입력받아 제어 전압(VC)을 생성하는 제어 전압 생성부(110)와 제어 전압(VC)에 따라 온도 전압(VTEMP)을 출력하는 온도 전압 생성부(120)와 선형 보상부(130)를 포함한다.
선형 보상부(130)는 제어 전압 생성부(110)에 병렬로 연결될 수 있다. 도 3은 선형 보상부(130)가 제어 전압(VC)이 출력되는 단자와 접지 단자 사이에 연결된 예를 도시한다.
제어 전압 생성부(110)는 게이트에 기준 전압(VIN)이 입력되고 소스가 접지되며 드레인에서 제어 전압(VC)을 출력하는 제 1 NMOS 트랜지스터(M1)와 전원과 제 1 NMOS 트랜지스터(M1)의 드레인 사이에 연결된 저항(R1)을 포함한다.
온도 전압 생성부(120)는 게이트에 제어 전압(VC)이 입력되고 소스와 드레인에 각각 저항(R2, R3)이 연결되며 드레인 단자에서 온도 전압(VTEMP)을 출력하는 제 2 NMOS 트랜지스터(M2)를 포함한다.
저항(R2)은 전원과 제 2 NMOS 트랜지스터(M2)의 드레인 사이에 연결되고, 저항(R3)은 접지 단자와 제 2 NMOS 트랜지스터(M2)의 소스 사이에 연결된다.
선형 보상부(130)는 다양한 회로 소자를 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어 선형 보상부(130)는 도 4와 같이 저항(RP)을 이용하여 구현될 수 있다. 이 외에도 선형 보상부(130)는 저항성 소자 역할을 하는 능동 소자, 수동 소자 또는 능동 소자 및 수동 소자 모두를 이용하여 구현될 수 있다.
이하에서는 수학식을 이용하여 도 4에서 선형 보상부(130)를 통해 온도 전압(VTEMP)의 선형성이 개선되는 원리를 개시한다.
제 1 NMOS 트랜지스터(M1)는 선형 영역(linear region, triod region)에서 동작하도록 설정된다. 이에 따라 제 1 NMOS 트랜지스터(M1)의 소스 드레인간 전류(I1)는 다음 수학식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014056518419-pat00001
제어 전압(VC)은 다음 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure 112014056518419-pat00002
수학식 1, 수학식 2로부터 제어 전압(VC)이 다음과 같이 산출된다.
Figure 112014056518419-pat00003
수학식 3에서 β1은 수학식 4와 같다.
Figure 112014056518419-pat00004
수학식 4에서 β1 및 μ1은 온도에 따라 변하는 값으로서 각각 다음 수학식 5, 수학식 6으로 표시될 수 있다.
Figure 112014056518419-pat00005
Figure 112014056518419-pat00006
수학식 5, 6에서 T0는 기준 온도를 나타내고, T는 임의의 온도를 나타내고, m은 상수이며 β10 및 μ10는 T0에서의 β1 및 μ1값을 나타낸다.
모스 트랜지스터의 문턱 전압은 다음 수학식 7과 같이 온도에 따라 변화되는 값이다. αVTH는 온도 상수이다.
Figure 112014056518419-pat00007
본 발명에서 저항은 다음 수학식 8과 같이 온도에 따른 2차 함수로 모델링된다. αR1, αR2 는 온도 상수이다.
Figure 112014056518419-pat00008
제 2 NMOS 트랜지스터(M2)의 소스 드레인간 전류 I2는 다음 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure 112014056518419-pat00009
수학식 9에서 전압(V3) 및 온도 전압(VTEMP)은 수학식 10, 수학식 11로 표현된다.
Figure 112014056518419-pat00010
Figure 112014056518419-pat00011
수학식 9, 10, 11로부터 온도 전압(VTEMP)은 다음과 같이 산출된다.
Figure 112014056518419-pat00012
도 4에서 선형 보상부(130)가 존재하지 않는 경우 즉 종래 기술에서의 제어 전압(VC)을 수학식으로 표시하면 다음 수학식 13 같다.
Figure 112014056518419-pat00013
본 발명에 의한 온도 전압은 수학식 8을 수학식 12에 대입함으로써 도출되고 종래 기술에 의한 온도 전압은 수학식 13을 수학식 12에 대입함으로써 도출된다. 각각의 경우 저항은 수학식 8을 사용하여 모델링된다.
이렇게 얻어진 온도 전압을 온도에 대한 테일러 급수로 전개하여 표시하는 경우 온도 전압의 비선형성에 영향을 가장 크게 미치는 성분은 2차항의 계수가 된다.
계산 결과 종래 기술에 의한 경우 2차 항의 계수는 수학식 14와 같이 표시되고, 본 발명에 의한 경우 2차 항의 계수는 수학식 15와 같이 표시된다.
Figure 112014056518419-pat00014
Figure 112014056518419-pat00015
수학식 14와 수학식 15에 있어서 분자에 해당하는 상수인 C1과 C2가 동일하지는 않지만 분모 부분에 있어서 수학식 15의 경우가 선형 보상부(130)의 저항 성분(RP0)으로 인하여 수학식 14에서보다 더욱 큰 값을 가지게 되고 상수 부분의 차이에도 불구하고 전체적으로 수학식 15의 값이 수학식 14의 값보다 더 작은 값을 가지게 된다.
이상의 수학식을 이용한 개시는 선형 보상부(130)가 저항인 경우를 가정하고 있으나 선형 보상부(130)는 수학식 8과 같이 온도에 따른 다항식으로 모델링 될 수 있는 다른 형태의 수동 소자 또는 트랜지스터, 다이오드 등의 능동 소자 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다.
또한 도 4에서는 선형 보상부(130)가 제어 전압(VC)의 출력 단자와 접지 단자 사이에 연결되는 실시예를 개시하고 있으나, 온도 전압의 비선형성을 감소시키는 다른 연결 방식이 존재할 수 있으며 이 역시 본 발명의 권리 범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
선형성의 개선 효과에 대해서는 시뮬레이션 그래프를 참조하여 보다 구체적으로 살펴본다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 효과를 나타내는 그래프이다.
도 5a는 본 발명과 종래기술에 있어서 제어 전압(VC)의 선형성을 대비한 것이고, 도 5b는 본 발명과 종래 기술에 있어서 제어 전압(VC)의 온도에 따른 변화율을 대비한 것이다.
도 5a에 도시된 바와 같이 본 발명은 종래기술에 비하여 제어 전압(VC)의 선형성이 향상됨을 알 수 있다. 이는 도 5b를 통해 더욱 명확히 확인된다. 도 5b에 의하면 본 발명의 경우 종래기술에 비하여 제어 전압(VC)의 변화율이 상대적으로 수평에 가까움을 알 수 있다. 이는 제어 전압(VC)의 온도에 대한 2차 항의 계수가 0에 가까워진 것을 의미하며 이에 따라 제어 전압(VC)의 선형성이 향상되었음을 의미한다.
도 5c는 본 발명과 종래기술에 있어서 온도 전압(VTEMP)의 선형성을 대비한 것이고, 도 5d는 본 발명과 종래 기술에 있어서 온도 전압(VTEMP)의 온도에 따른 변화율을 대비한 것이다.
도 5c에 도시된 바와 같이 본 발명은 종래기술에 비하여 온도 전압(VTEMP)의 선형성이 향상됨을 알 수 있다. 이는 도 5d를 통해 더욱 명확히 확인된다. 도 5d에 의하면 본 발명의 경우 종래기술에 비하여 섭씨 100도 이하의 상대적으로 저온의 구간에서 변화율이 상대적으로 수평에 더 가까움을 알 수 있다. 이는 해당 구간에서 온도 전압(VTEMP)의 온도에 대한 2 차항의 계수가 0에 가까워진 것을 의미하며 이에 따라 온도 전압(VTEMP)의 선형성이 향상되었음을 의미한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 온도 전압 발생 장치(100')를 나타내는 회로도이다.
도 6의 온도 전압 발생 장치(100')는 저항(R11)과 스위치(M3)와 스위치 제어부(INV1)를 더 포함하고, 저항(R22)과 스위치(M4)와 스위치 제어부(INV2)를 더 포함하는 점에서 도 3의 온도 전압 발생 장치(100')와 상이하다.
스위치 제어 신호(C1)에 따라 제어 전압 생성부(110')의 저항은 R1 또는 R1+R11로 선택되고, 스위치 제어 신호(C2)에 따라 온도 전압 생성부(120')의 저항은 R2 + R22로 선택된다.
통상의 기술자라면 수학식 12, 13을 참조하여 제어 전압 생성부(110')와 온도 전압 생성부(120')의 저항과 기준 전압(VIN)을 조절함으로써 온도 전압 그래프의 기울기 및 DC 바이어스를 조절할 수 있음을 알 수 있다.
도 6의 온도 전압 발생 장치(100')에서는 스위치 제어 신호(C1, C2)에 따라 제어 전압 생성부(110')와 온도 전압 생성부(120')의 저항을 조절할 수 있다. 또한 도 7에 도시된 바와 같이 스위치 제어 신호(C1, C2)를 이용하여 전원 전압(VDD)을 다수의 저항(R)을 통해 전압 분배함으로써 얻어지는 다수의 분배 전압 중 하나를 선택하고 이를 기준 전압(VIN)으로 출력할 수 있다.
따라서 도 6의 온도 전압 발생 장치(100')는 스위치 제어 신호(C1, C2)를 조절함으로써 다양한 기울기와 DC 바이어스 전압을 가지는 온도 전압 그래프를 생성할 수 있다. 이러한 원리를 응용하면 도 8a와 도 8b에 도시된 바와 같은 온도 구간마다 상이한 모양의 온도 전압 그래프를 생성할 수 있다.
예를 들어 제 1 온도 구간(섭씨 40도 ~ 섭씨 120도)에서 사용하는 스위치 제어 신호(C1, C2)와 제 2 온도 구간(섭씨 -40도 ~ 섭씨 40도)에서 사용하는 스위치 제어 신호(C1, C2)의 값을 달리 설정함으로써 도면과 같이 하나의 연속된 그래프가 아닌 두 개의 불연속된 그래프를 얻을 수 있다. 온도 구간의 개수 및 스위치 제어 신호(C1, C2)의 조합에 따라서는 둘 이상의 불연속된 그래프를 생성할 수도 있다.
도 8a와 도 8b는 도 6의 온도 전압 발생 장치(100')에서 선형 보상부(130)를 포함하는 경우와 그렇지 않은 경우 온도 전압(VTEMP)과 온도 전압(VTEMP)의 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 8a에 도시된 바와 같이 선형 보상부(130)를 포함하는 경우 그렇지 않은 경우에 비하여 선형성이 개선됨을 알 수 있다. 도 8b를 참조하면 선형 보상부(130)를 포함하는 경우 변화율의 상대적으로 수평에 가까운데 이는 온도 전압(VTEMP)의 선형성이 향상됨을 나타낸다.
이상의 상세한 설명에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 구체적으로 개시하였다. 이상의 설명은 본 발명의 설명을 위한 것으로서 이상의 설명에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 후술하는 특허청구범위에 문언적으로 기재된 범위와 그 균등범위에 의해 정해진다.
100: 온도 전압 발생 장치
110: 제어 전압 생성부
120: 온도 전압 생성부
130: 선형 보상부

Claims (11)

  1. 기준 전압을 입력받아 온도에 따라 가변하는 제어 전압을 출력하는 제어 전압 생성부;
    상기 제어 전압을 증폭하여 온도에 따라 가변하는 온도 전압을 출력하는 온도 전압 생성부; 및
    상기 제어 전압 생성부의 출력단에 연결되어 상기 온도 전압의 선형성 및 상기 제어 전압의 선형성을 향상시키는 선형 보상부
    를 포함하는 온도 전압 발생 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 선형 보상부는 상기 온도 전압의 온도에 대한 2차 성분의 크기를 감소시키는 온도 전압 발생 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 선형 보상부는 상기 제어 전압 생성부의 출력단과 접지 단자의 사이에 연결되는 온도 전압 발생 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 선형 보상부는 저항, 다이오드 또는 트랜지스터를 포함하는 온도 전압 발생 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 제어 전압 생성부는
    전원 단자에 연결된 제 1 저항 및
    상기 제 1 저항 및 접지 단자 사이에 소스와 드레인이 연결되고 게이트에 기준 전압이 인가되는 제 1 트랜지스터
    를 포함하는 온도 전압 발생 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 온도 전압 생성부는
    전원 단자에 연결된 제 2 저항 및
    상기 제 2 저항 및 접지 단자 사이에 소스와 드레인이 연결되고 게이트에 상기 제어 전압이 인가되는 제 2 트랜지스터
    를 포함하는 온도 전압 발생 장치
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 온도 전압 생성부는
    상기 제 2 트랜지스터와 접지 단자 사이에 연결된 저항을 더 포함하는 온도 전압 발생 장치.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 제어 전압 생성부는
    제 1 스위칭 신호에 의해 상기 제 1 저항의 크기를 제어하는 제 1 스위치를 더 포함하는 온도 전압 발생 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 온도 전압 생성부는
    제 2 스위칭 신호에 의해 상기 제 2 저항의 크기를 제어하는 제 2 스위치를 더 포함하는 온도 전압 발생 장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 제 1 스위칭 신호 또는 상기 제 2 스위칭 신호에 의해 상기 기준 전압의 크기를 조절하여 출력하는 기준 전압 생성부
    를 더 포함하는 온도 전압 발생 장치.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 기준 전압 생성부는
    전원 전압을 분배하여 다수의 분배 전압을 출력하는 전압 분배부 및
    상기 제 1 스위칭 신호 또는 상기 제 2 스위칭 신호에 따라 상기 다수의 분배 전압 중 어느 하나를 선택하여 상기 기준 전압으로 출력하는 전압 선택부
    를 포함하는 온도 전압 발생 장치.
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