KR19980026260A - 온도 특성을 개선한 cmos 회로의 기준전류 발생회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 온도 특성을 개선한 CMOS(Complementary Metal Oxide Semi conductor) 집적회로의 기준전류 발생회로에 관한 것이다.

본 발명에 따른 기준전류 발생회로는 기준전위 발생회로에서 발생되는 기준 전압을 저항소자의 저항값에 비례하여 기준 전류로 변환시켜 주는 기준전류 발생회로에 있어서, 상기 기준전류 변환을 위한 저항소자는 정(+) 온도계수를 갖는 저항소자와 부(-) 온도계수를 갖는 저항소자를 조합하여 구성함으로 온도 변화에 대하여 안정적인 기준 전류가 발생되도록 하는 효과가 있다.

Description

온도 특성을 개선한 CMOS 회로의 기준전류 발생회로

본 발명은 CMOS(Complementary Metal Oxide Semi conductor) 집적회로의 기준전류 발생회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기준 전압을 기준 전류로 변환시켜주기 위한 저항소자를 정 온도계수를 갖는 저항소자와 부 온도계수를 갖는 저항소자를 조합하여 구성함으로 온도 특성을 개선한 기준전류 발생회로에 관한 것이다.

일반적으로 CMOS 아날로그 집적회로에는 회로 내에 바이어스(bias) 전류를 인가해 주기 위하여 전류 미러(current mirror) 회로를 필수적으로 사용한다.

여기서 전류 미러 회로란 입력측 트랜지스터에 입력된 전류와 동일한 크기의 전류가 출력측 트랜지스터에서 출력되도록 하는 회로로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 모스 트랜지스터(MOS Transistor)들로 구성되는 전류 미러 회로(10)는 복수개의 P채널 모스 트랜지스터들(MP1 내지 MP4)의 게이트 단자(gate: G)들과, 입력 전류를 흘려줄 P채널 모스 트랜지스터(MP1)의 소오스 단자(source: S)를 공통으로 연결하여 입력측 P채널 모스 트랜지스터(MP1)의 소오스 단자(S)에 인가되는 전압이 각각의 P채널 모스 트랜지스터(MP1 내지 MP4)의 게이트 단자(G)에도 인가되도록 하므로 입력측 P채널 모스 트랜지스터(MP1)에 흐르는 전류와 동일한 크기의 전류가 출력측 P채널 모스 트랜지스터들(MP2 내지 MP4)에도 흐르도록 해 준다.

따라서, 도 1에 도시된 전류 미러 회로(10)는 전원(V_DD)으로부터 입력측 P채널 모스 트랜지스터(MP1)를 통해 흐르는 기준 전류(I_ref)와 동일한 크기의 바이어스 전류(I_b)가 전원(V_DD)으로부터 출력측의 P채널 모스 트랜지스터들(MP2 내지 MP4)을 통해 집적회로에 공급되도록 한다.

또한 상술한 바와 같이, 전류 미러 회로(10)를 이용하여 집적회로에 바이어스 전류(I_b)를 공급해 주기 위해서는 전류 미러 회로(10)의 입력측 모스 트랜지스터(MP1)에 기준 전류(I_ref)를 흘려줄 필요가 있는데, 이 때 흐르는 기준 전류(I_ref)의 크기는 기준전류 발생회로(20)에 의하여 결정된다.

도 1의 기준전류 발생회로(10)를 보면, 기준전위 발생회로(미도시)에서 발생되는 기준 전압(V_ref)이 연산 증폭기(OP-Amp)로 구성된 전압 버퍼(voltage buffer)와 N채널 모스 트랜지스터(MN1)를 통해 저항소자(R)에 인가되고, 저항소자(R)에 인가된 기준 전압(V_ref)은 옴(Ohm)의 법칙을 나타내는 하기 수학식 1에 기재된 바와 같이 저항소자(R)가 갖는 저항값에 반비례하여 기준 전류(I_ref)로 변환된다.

[수학식 1]

즉, 일반적인 CMOS 집적회로의 기준전류 발생회로(20)에서 발생되는 기준 전류는 기준전위 발생회로(20)에서 발생되는 기준 전압(V_ref)의 크기에 비례하고, 저항소자가 갖는 저항값(R)에 반비례하여 결정된다.

상술한 바와 같이 집적 설계된 전류 미러 회로와 기준전류 발생회로는 집적회로의 특성상 온도 변화에 따른 계수값의 변화율 즉 온도 특성이 매우 중요하다.

특히 기준전류 발생회로에서 발생되는 기준 전류(I_ref)는 온도 변화에 따라 적은 변화율을 나타내는 것이 바람직한 데, 이와 같은 기준전류 발생회로는 그 온도 특성 역시 기준전위 발생회로에서 발생되는 기준 전압(V_ref)과 저항소자가 갖는 저항값(R)의 온도 변화에 따른 변화율에 의하여 영향을 받으며, 이를 수식적으로 표현해 보면, 상기 수학식 1을 온도(T)에 대하여 편미분하여 표시한 하기 수학식 2와 같다.

[수학식 2]

여기서, 기준전위 발생회로는 온도보상회로 등에 의하여 온도 변화에 대하여 매우 안정적인 기준 전압(V_ref)을 발생시키기 때문에 온도 변화에 따른 기준 전압의 변화율은 0이라고 가정하면, 기준전류 발생회로에서 발생되는 기준 전류(I_ref)는 수학식 3에 표현한 바와 같이, 온도 변화에 따른 저항소자의 저항값의 변화율(온도 계수)에 주된 영향을 받는다.

[수학식 3]

따라서, 기준전류 발생회로가 온도 변화에 대하여 일정한 기준 전류(I_ref)를 발생시키기 위해서는 저항소자(R)의 온도 계수가 작아야 하며, 바람직하게는 저항소자(R)의 온도 계수가 0이어야 한다.

그러나 저항소자를 그 온도 계수가 0이 되도록 제조할 수는 없으며, 저항소자의 설계 및 제조방법에 따라 온도계수가 정(+) 또는 부(-)특성을 나타내므로, 그에 따라 기준전류 발생회로에서 발생되는 기준 전류도 온도 변화에 따라 영향을 받게 된다.

따라서 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 보안하여 안출된 것으로서, CMOS 집적회로의 기준 전류를 발생시키는 회로에 있어서, 기준전류 변환을 위한 저항소자로 정(+) 온도계수를 갖는 저항소자와 부(-) 온도계수를 갖는 저항소자를 조합하여 사용함으로 전체 저항소자의 등가적인 온도계수가 작아지도록 설계된 기준전류 발생회로를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 기준전류 발생회로와 전류 미러 회로를 도시한 회로도.

도 2는 본 발명의 기준전류 발생회로와 전류 미러 회로를 도시한 회로도.

도 3은 본 발명의 기준전류 발생회로의 온도 특성을 설명하기 위한 도면.

*도면 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 전류 미러 회로,20: 기준전류 발생회로,

OP-Amp: 연산 증폭기,R: 저항소자,

R_diff: 정(+) 온도계수를 갖는 저항소자,

R_poly: 부(-) 온도계수를 갖는 저항소자,

MP1 내지 MP4: P채널 모스 트랜지스터,

MN1: N채널 모스 트랜지스터,

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기준전위 발생회로에서 발생되는 기준 전압을 저항소자의 저항값에 따라 소정의 기준 전류로 변환시키는 기준전류 발생회로에 있어서, 상기 저항소자는 온도계수가 정특성과 부특성을 나타내는 복수개의 저항소자를 조합하여 구성하는 것으로서, 이하 본 발명에 따른 CMOS 집적회로의 기준전류 발생회로를 일실시예를 들어 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 기준전류 발생회로(20)와 전류 미러 회로(10)를 도시한 도면이다. 도 2를 보면, 도 1에 도시된 기준전류 발생회로(20)에서 기준전류 변환을 위한 저항소자(R)를 직렬 조합된 두 개의 저항소자(R_diff), (R_poly)로 구성한 것을 볼 수 있는 데, 도시된 기준전류 발생회로에서 발생되는 기준 전류(I_ref)는 수학식 4에 표현된 바와 같이, 기준전압 발생회로에서 발생되는 기준 전압(V_ref)에 비례하고, 두 저항소자의 저항값(R_diff), (R_poly)의 합에 반비례한다는 것을 알 수 있다.

[수학식 4]

이와 같이 구성되는 기준전류 발생회로의 온도 특성을 살펴보기 위하여 수학식 4를 온도(T)에 대하여 편미분하면, 수학식 5와 같이 되며, 전술한 바와 같이 온도 변화에 대하여 기준전위 발생회로에서 발생되는 기준 전압(V_ref)이 매우 안정적이어서 그 변화율이 0이라고 가정하면, 그 결과는 수학식 6과 같다.

[수학식 5]

[수학식 6]

즉, 본 발명의 기준전류 발생회로에서 발생되는 기준 전류(I_ref)의 온도 변화에 따른 변화율은 수학식 7에서 표현한 바와 같이, 온도 변화에 따른 두 저항소자의 저항값(R_diff), (R_poly)의 변화율,즉 두 저항소자의 온도계수의 합에 비례한다는 것을 알 수 있다.

[수학식 7]

또한 상기 수학식 7을 보면, 두 저항소자의 온도계수가 서로 크기가 같고 부호가 반대이면 온도 변화에 따른 기준전류의 변화율이 0이 된다는 것을 알 수 있으며, 이것은 온도가 변화해도 기준전류 발생회로에서 발생되는 기준 전류는 일정해짐을 의미한다.

따라서, 본 발명의 기준전류 발생회로(10)는 기준 전압(V_ref)을 기준 전류(I_ref)로 변환시켜주기 위한 저항소자를 각각 정(+) 온도계수와 부(-) 온도계수를 갖는 두 개의 저항소자(R_diff), (R_poly)를 조합하여 구성함으로써, 두 저항소자(R_diff), (R_poly)의 상반된 온도계수가 서로 상쇄되도록 함으로 온도 변화에 따른 기준전류의 변화가 최소화되도록 설계된 것이다.

도 3은 상술한 본 발명의 기준전류 발생회로의 온도 특성을 나타낸 도면으로서, 도 3a는 정 온도계수를 갖는 저항소자의 온도 특성을 도시한 도면이고, 도 3b는 부 온도계수를 갖는 저항소자의 온도 특성을 도시한 도면이며, 도 3c는 본 발명의 기준전류 발생회로에 사용된 저항소자들의 전체 등가 온도 특성을 도시한 도면이다.

도 3a와 도 3b의 그래프를 보면, 정 온도계수를 갖는 저항소자(R_diff)는 온도(T)가 상승함에 따라 저항 계수가 증가하는 특성을 갖기 때문에 그래프 상에서 양(+)의 기울기를 나타내며, 부 온도계수를 갖는 저항소자(R_poly)는 온도(T)가 상승함에 따라 저항값이 감소되는 특성을 갖기 때문에 그래프에서 음(-)의 기울기를 나타낸다.

따라서, 도 3c의 그래프에서와 같이 두 저항소자(R_diff), (R_poly)의 전체 등가 온도계수는 그 기울기가 완만하여 온도 변화에 대하여 저항값이 적은 변화율을 갖는다.

그에 따라 도 3d에 도시된 바와 같이, 두 저항소자들에 의하여 변환되는 기준 전류(I_ref) 역시 온도 변화에 대하여 적은 변화율을 나타냄으로 본 발명의 기준전류 발생회로의 온도 특성이 개선된다.

본 발명의 기준전류 발생회로의 두 저항소자는 반도체 공정에 따른 저항소자 형성방법을 이용하여 상술한 두 특성을 나타내도록 반도체 칩(chip) 내에 집적시키는 데, 여기서 정 온도계수를 갖는 저항소자는 확산(diffusion)에 의해 형성된 확산 저항소자이고, 부 온도계수를 갖는 저항소자는 다결정실리콘(PolySilicon)을 증착하여 패터닝한 다결정실리콘 저항소자로서 기준전류 발생회로를 구성하는 회로소자들과 함께 반도체 칩 내에 집적된다.

이와 같은 방법을 통해 반도체 칩 내에 형성되는 저항소자를 두 저항소자 각각의 온도계수를 합한 등가 온도계수가 0이 되도록 형성시킬 수는 없지만, 제조공정의 특성을 잘 조절하면, 본 발명의 기준전류 발생회로의 온도 특성을 보다 향상시킬 수 있을 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 CMOS 집적회로의 기준전류 발생회로는 기준 전압을 기준 전류로 변환시켜주기 위한 저항소자가 온도 변화에 대하여 적은 변화율을 갖도록 집적 설계됨으로 온도 특성이 개선되며, 그에 따라 온도 변화에도 안정적인 기준 전류를 발생시키는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 기준전위 발생수단에서 발생되는 기준 전압을 저항소자의 저항값에 비례하여 기준 전류로 변환시켜 주는 CMOS 집적회로의 기준전류 발생회로에 있어서,

   상기 기준전류 변환을 위한 저항소자는 정(+) 온도계수를 갖는 저항소자와 부(-) 온도계수를 갖는 저항소자를 직렬 조합하여 구성함으로 온도 특성이 개선되도록 하는 것을 특징으로 하는 CMOS 집적회로의 기준전류 발생회로.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 정(+) 온도계수를 갖는 저항소자는 확산 저항소자인 것을 특징으로 하는 CMOS 집적회로의 기준전류 발생회로.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 부(-) 온도계수를 갖는 저항소자는 다결정실리콘 저항소자인 것을 특징으로 하는 CMOS 집적회로의 기준전류 발생회로.