KR19980043784A - 외부전압에 둔감한 백바이어스전압 레벨 감지기 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 외부전압(VCC)에 둔감한 백바이어스전압 레벨 감지기는 외부전압(VCC)의 변화에 둔감하도록 하기 위해 외부전압(VCC)과 일정한 전압차를 유지하는 기준전압(VRFF)을 발생시키는 기준전압 발생기를 피모스 풀업 트랜지스터의 게이트에 연결하여 바이어싱하므로 백바이어스전압(VBB)을 일정하게 유지하여 엔모스 풀다운 트랜지스터의 문턱전압(VT)의 변화가 없기 때문에 엔모스 풀다운 트랜지스터의 스피드를 유지하고, 입력을 제대로 래치한다.
또한, 높은 전압(VPP)이 인가되어야하는 엔모스 풀다운 트랜지스터의 접합(Junction) 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.
Description
본 발명은 백바이어스전압 레벨 감지기에 관한 것으로, 특히 외부전압 변화에 대하여 일정한 백바이어스전압을 유지하고, 엔모스 풀다운 트랜지스터의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있는 외부전압에 둔감한 백바이어스전압 레벨 감지기에 관한 것이다.
도 1 에 도시된 바와 같이 일반적인 백바이어스전압 발생기는 백바이어스전압(VBB)이 입력되어 발진인에이블신호(OSCEN)가 발생되는 백바이어스전압 레벨 감지기(1)와, 상기 발진인에이블신호(OSCEN)가 입력되어 일정한 주기의 펄스신호(OSC)가 발생되는 백바이어스전압 발진기(Oscillator)(2)와, 상기 펄스신호(OSC)가 입력되어 백바이어스전압(VBB)이 발생되는 백바이어스전압 펌프(Pump)(3)로 구성된다.
이와 같이 구성된 일반적인 백바이서스전압 발생기의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
백바이어스전압 레벨 감지기(1)는 백바이어스전압(VBB)이 원하는 레벨이 될 때까지 발진인에이블신호(OSCEN)를 발생시키고, 백바이서스전압 발진기(2)는 상기 발진인에이블신호(OSCEN)가 입력되어 일정한 주기의 펄스신호(OSC)를 발생시키며, 백바이어스전압 펌프(3)는 상기 백바이어스전압 발진기(2)에서 출력된 펄스신호(OSC)가 입력되어 (-)전하를 기판에 펌핑(Pumping)한다.
도 2 에 도시된 바와 같이 일반적인 백바이어스전압 레벨 감지기는 접지전압(VSS)과 백바이어스전압(VBB) 사이에 직렬로 연결된 저항(R1, R2)과, 외부전압(VCC)과 백바이어스전압(VBB) 사이에 직렬로 연결된 풀업 저항(R3) 및 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)와, 풀업 저항(R3) 및 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)의 드레인에 공통으로 직렬 연결된 인버터(IN1, IN2)로 구성된다.
이때 상기 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)의 게이트는 상기 저항(R1, R2) 사이에 연결된다.
이와 같이 구성된 일반적인 백바이어스전압 레벨 감지기의 동작을 첨부된 도면을 참조해서 설명하면 다음과 같다.
먼저, 직렬 연결된 저항(R1, R2)은 백바이어스전압(VBB)을 배분하여 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)를 바이어싱한다.
만약 백바이어스전압(VBB)이 변하면, 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)의 게이트-소스전압(VGS1)이 변하게 된다.
이때, 풀업 저항(R3)에 흐르는 전류(IR3)는 풀업 저항(R3)과 엔모스 풀다운 트랜지스터(N) 사이의 전압(V21)과 외부전압(VCC)의 전압차에 따라 다음 식과 같이 표현된다.
상기 식에서 보듯이 풀업 저항(R3)에 흐르는 전류(IR3)는 외부전압(VCC)에 따라 변한다.
엔모스 풀다운 트랜지스터(N)의 게이트-소스 전압(VGS1)이 감소해서 전류(IN)가 풀업 저항(R3)에 흐르는 전류(IR3) 보다 작아지면, 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)의 전류 구동 능력이 작아지기 때문에 노드(21)는 고전위가 된다.
이때, 발진인에이블신호(OSCEN)는 고전위가 되기 때문에 도 1 에 도시된 백바이어스전압 발진기(2)는 펄스신호(OSC)를 발생시킨다.
상기 펄스신호(OSC)가 백바이어스전압 펌프(3)에 입력되면 펌핑 작용에 의해 (-)전하를 기판에 공급하기 때문에 결국 백바이어스전압(VBB)의 절대값이 커진다.
따라서, 백바이어스전압(VBB)의 절대값이 커지고, 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)의 게이트-소스 전압(VGS1)이 증가해서 전류(IN)가 풀업 저항(R3)에 흐르는 전류(IR3) 보다 커지게 되어 노드(21)는 저전위가 된다.
이때, 상기 발진인에이블신호(OSCEN)는 저전위가 되기 때문에 백바이어스전압 발진기(2)는 펄스신호(OSC)를 발생시키지 않고, 백바이어스전압 펌프(3) 또한 동작하지 않게 된다.
도 3 에 도시된 바와 같이 종래 기술의 백바이어스전압 레벨 감지기는 도 2에서 도시된 일반적인 백바이어스전압 레벨 감지기의 풀업 저항(R3) 대신에 게이트가 접지전압(VSS)에, 드레인이 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)의 드레인에, 소스가 외부전압(VCC)에 연결된 피모스 풀업 트랜지스터(P)가 사용되어 구성된다.
이와 같이 구성된 종래 기술의 백바이어스전압 레벨 감지기의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 직렬 연결된 2개의 저항(R1, R2)은 백바이어스전압(VBB)을 배분하여 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)를 바이어싱한다.
이때, 백바이어스전압(VBB)이 변하면, 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)의 게이트-소스전압(VGS1)이 변하게 되며, 피모스 풀업 트랜지스터(P)의 드레인 전류(IP)는 다음과 같다.
여기서, VGS2는 피모스 풀업 트랜지스터(P)의 게이트-소스 전압이고, 그 값은 (-VCC)와 같다.
따라서, 피모스 풀업 트랜지스터(P)의 드레인 전류(IP)는 외부전압(VCC)에 따라 변한다.
엔모스 풀다운 트랜지스터(N)의 게이트-소스 전압(VGS1)이 감소해서 전류(IN)가 피모스 풀업 트랜지스터(P)의 드레인 전류(IP)보다 작아지면, 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)의 전류 구동 능력이 작아지기 때문에 노드(31)는 고전위가 된다.
이때, 발진인에이블신호(OSCEN)는 고전위가 되어 도 1 에 도시된 백바이어스전압 발진기(2)는 펄스신호(OSC)를 발생시킨다.
따라서, 상기 펄스신호(OSC)가 백바이어스전압 펌프(3)에 입력되면 펌핑 작용에 의해 (-)전하를 기판에 공급하기 때문에 결국 백바이어스전압(VBB)의 절대값이 커진다.
백바이어스전압(VBB)의 절대값이 커지면, 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)의 게이트-소스 전압(VGS1)이 증가하고, 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)의 전류(IN)가 많이 흐르게 된다.
만약 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)의 전류(IN)가 피모스 풀업 트랜지스터(P)의 드레인 전류(IP)보다 크면, 노드(31)는 저전위가 된다.
이때, 상기 발진인에이블신호(OSCEN)는 저전위가 되어 백바이어스전압 발진기(2)는 펄스신호(OSC)를 발생시키지 않게 되어, 백바이어스전압 펌프(3)가 (-)전하를 기판에 펌핑하지 않는다.
도 4에 도시된 바와 같이 백바이어스전압(VBB)의 절대값이 커지면, 즉 백바이어스전압(VBB)이 마이너스(-)로 더 내려가면, 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)의 문턱전압(VT)이 상승한다.
문턱전압(VT)은 다음 식으로 표현된다.
여기서, VTO는 초기 상태의 문턱전압이고, Vsb는 소스와 기판 사이의 전압이며, γ는 기판의 도핑에 기인한 상수(일반적으로 0.4γ1.2)이다.
문턱전압(VT)의 상승은 종래 기술의 백바이어스전압 레벨 감지기의 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)의 스피드를 떨어지게 한다.
따라서, 종래 기술의 백바이어스전압 레벨 감지기는 입력을 제대로 래치(latch)하지 못하게 되고, 또한 높은 전압(VPP)이 인가되어야 하는 엔모스 풀다운 트랜지스터의 접합(Junction)에 대해 높은 전계가 가해지므로 트랜지스터의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 발생한다.
따라서 본 발명의 목적은 외부전압(VCC)의 변화에 관계없이 피모스 풀업 트랜지스터(P)의 전류를 일정하게 유지시킴으로써 백바이어스전압(VBB)을 일정하게 유지하여 엔모스 풀다운 트랜지스터의 문턱전압(VT)의 변화가 없으므로 압력을 엔모스 풀다운 트랜지스터의 스피드를 유지하고 입력을 제대로 래치하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 높은 전압(VPP)이 인가되어야 하는 엔모스 풀다운 트랜지스터의 접합 신뢰성을 향상시키는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 외부전압(VCC)에 둔감한 백바이어스전압레벨 감지기는 접지전압(VSS)과 백바이어스전압(VBB) 사이에 직렬 연결된 저항(R1, R2)과, 게이트가 상기 저항(R1, R2) 사이에, 소스가 백바이어스전압(VBB)에 연결된 풀다운 트랜지스터(N)와, 게이트가 기준전압 발생기(60)에, 소스가 외부전압(VCC)에, 드레인이 상기 풀다운 트랜지스터(N)의 드레인에 연결된 풀업 트랜지스터(P)와, 상기 풀다운 트랜지스터의 드레인과 풀업 트랜지스터의 드레인에 공통으로 직렬 연결된 인버터(IN1, IN2)로 구성된다.
도 1 은 일반적인 백바이어스전압 발생기의 블럭도.
도 2 는 일반적인 백바이어스전압 레벨 감지기의 회로도.
도 3 은 종래 기술의 백바이어스전압 레벨 감지기의 회로도.
도 4 는 도 3 에 있어서, 백바이어스전압(VBB)에 따른 엔모스 트랜지스터(N)의 문턱전압(VT)의 변화를 나타낸 그래프.
도 5 는 본 발명의 백바이어스전압 레벨 감지기의 회로도.
도 6은 도 5 에 있어서, 기준전압 발생기의 회로도.
도 7 은 도 5 에 있어서, 외부전압(VCC)과 기준전압(VRFF)의 관계를 나타낸 그래프.
도 8 은 도 2, 도 3, 도 5 에 있어서, 외부전압(VCC)에 따른 백바이어스전압 레벨 감지기의 특성도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
60:기준전압 발생기62:엔모스 전류미러
63:피모스 전류미러21, 31, 51, 61:노드
R1, R2, R3, R4:저항IN1, IN2:인버터
N, N1, N2:엔모스 트랜지스터P, P1, P2:피모스 트랜지스터
도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 외부전압에 둔감한 백바이어스전압 레벨 감지기는 도 3 에 도시된 종래 기술의 백바이어스전압 레벨 감지기에서 피모스 풀업 트랜지스터(P)의 게이트에 접지전압(VSS) 대신 기준전압 발생기(60)가 연결되어 구성된다.
상기 본 발명의 외부전압에 둔감한 백바이어스전압 레벨 감지기의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
피모스 풀업 트랜지스터(P)의 게이트에 외부전압(VCC)과 일정한 전압차를 갖는 기준전압(VREF)을 연결함으로써 피모스 풀업 트랜지스터(P)의 게이트-소스 전압(VGS2)이 외부전압(VCC)에 관계없이 일정하게 유지된다.
따라서, 피모스 풀업 트랜지스터(P)의 드레인 전류(IP')가 다음의 식과 같이 표현된다.
여기서, VCC-VREF는 일정하므로 외부전압(VCC)과 무관하게 일정한 전류(IP')가 흐른다.
한편, 직렬 연결된 2 개의 저항(R1, R2)이 백바이어스전압(VBB)을 배분하여 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)를 바이어싱하게 된다.
상기 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)의 게이트-소스 전압(VGS1)이 감소하면, 엔모스 풀다운 트랜지스터의 드레인 전류(IN)가 감소한다.
이때, 엔모스 풀다운 트랜지스터의 드레인 전류(IN)가 감소해서 일정한 전류(IP')보다 작아지면, 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)의 전류 구동 능력이 작아지므로 노드(51)가 고전위가 된다.
따라서, 발진인에이블신호(OSCEN)는 고전위가 되어 도 1 에 도시된 백바이어스전압 발진기(2)는 펄스신호(OSC)를 발생시킨다.
상기 펄스신호(OSC)가 백바이어스전압 펌프(3)에 입력되어 펌핑 작용에 의해 (-)전하를 기판에 공급하기 때문에 결국 백바이어스전압(VBB)의 절대값이 커진다.
백바이어스전압(VBB)의 절대값이 커지면, 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)의 게이트-소스 전압(VGS1)과 엔모스 풀다운 트랜지스터의 드레인 전류(IN)가 증가한다.
만약, 엔모스 풀다운 트랜지스터의 드레인 전류(IN)가 증가해서 일정한 전류(IP')보다 커지면, 노드(51)는 저전위가 된다.
이때, 상기 발진인에이블신호(OSCEN)는 저전위가 되어 백바이어스전압 발진기(2)는 펄스신호(OSC)를 발생시키지 않아 백바이어스전압 펌프(3)가 (-)전하를 기판에 펌핑하지 않게 된다.
상기 기준전압 발생기(60)는 (Analog MOS Integrated Circuits for signal processing, Roubik Gregorian, Gabor Co Temes 공저, p. 127의 바이어스 회로(Bias Circuit) 참조) 도 6에 도시된 바와 같이 2 개의 엔모스 트랜지스터(N1, N2)의 게이트가 공통으로 상기 제 2 엔모스 트랜지스터(N2)의 드레인에, 소스는 접지전압(VSS)에 연결된 엔모스 전류 미러(Current Mirror)(62)와, 2 개의 피모스 트랜지스터(P1, P2)의 게이트가 공통으로 상기 제 1 피모스 트랜지스터(P1)의 드레인에, 제 1 피모스 트랜지스터(P1)의 소스는 외부전압(VCC)에 연결된 피모스 전류 미러(63)와, 제 2 피모스 트랜지스터(P2)의 소스와 외부전압(VCC) 사이에 연결된 저항(R4)으로 구성된다.
이와 같이 구성된 기준전압 발생기(60)의 동작을 도 6 을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
기준전압 발생기(60)에서 2 개의 엔모스 트랜지스터(N1, N2)는 동일한 트랜지스터이다.
즉, WN51=WN52, LN51=LN52이다.
따라서, 기준전압 발생기(60)에서 2 개의 엔모스 트랜지스터(N1, N2)의 게이트-소스 전압은 동일하다.
따라서, 기준전압 발생기(60)에서 2 개의 엔모스 트랜지스터(N1, N2)의 드레인 전류는 바이어스 전류(Ibias)와 같게된다.
제 2 엔모스 트랜지스터로 공급되는 전류가 흐를 수 있는 통로는 제 2 피모스 트랜지스터(P2)를 통한 통로뿐이므로 상기 피모스 트랜지스터(P2)의 드레인 전류가 바이어스 전류(Ibias)가 된다.
상기 바이어스 전류(Ibias)에 의해 노드(61)에서 기준전압(VREF)이 발생된다.
상기 바이어스 전류(Ibias)는 다음의 식으로 표현된다.
여기서, VGS3=-VCC+VREF이므로 외부전압(VCC)이 증가하면, 제 1 피모스 트랜지스터(P1)의 게이트-소스 전압(VGS3)이 증가하고, 바이어스 전류(Ibias)가 증가하므로 기준전압(VRFF)이 증가하게 된다.
반대로, 외부전압(VCC)이 감소하면, 피모스 트랜지스터(P1)의 게이트-소스 전압(VGS3)이 감소하고, 바이어스 전류(Ibias)가 감소하므로 기준전압(VRFF)이 감소하게 된다.
따라서, 기준전압(VRFF)은 도 7 에서 도시된 바와 같이 외부전압(VCC)과 일정한 전압차를 유지한다.
도 8 은 도 2 와 도 3, 그리고 도 5 에 도시된 회로의 시뮬레이션(Simulation) 결과이다.
도 8 에 도시된 바와 같이 본 발명의 회로는 다른 회로의 결과에 비해 외부전압(VCC)의 변화에 대해 더 안정적인 백바이어스전압 레벨을 갖고 있음을 알 수 있다.
외부전압(VCC)과 일정한 전압차를 갖는 기준전압(VRFF)으로 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)를 바이어싱하기 때문에 외부전압(VCC)이 변하여도 백바이어스전압(VBB)이 안정적이므로 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)의 문턱전압(VT)이 일정하게 된다.
따라서, 백바이어스전압(VBB)의 절대값이 증가함에 따라 엔모스 풀다운 트랜지스터(N)의 스피드를 떨어뜨리는 요인이 없어지므로 안정적인 입력 래칭(latching)이 가능하며, 또한 높은 전압(VPP)이 걸리는 엔모스 풀다운 접합에 대해서도 종래 기술 보다 낮은 전계가 가해지므로 트랜지스터의 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.
Claims (3)
- 접지전압(VSS)과 백바이어스전압(VBB) 사이에 직렬 연결된 저항(R1, R2)과, 게이트가 상기 저항(R1, R2) 사이에, 소스가 백바이어스전압(VBB)에 연결된 풀다운 트랜지스터(N)와, 게이트가 기준전압 발생기(60)에, 소스가 외부전압(VCC)에, 드레인이 상기 풀다운 트랜지스터의 드레인에 연결된 풀업 트랜지스터와, 상기 풀다운 트랜지스터의 드레인과 상기 풀업 트랜지스터의 드레인에 공통으로 직렬 연결된 인버터(IN1, IN2)로 구성된 것을 특징으로 하는 백바이어스전압 레벨 감지기.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기준전압 발생기(60)는 2 개의 엔모스 트랜지스터(N1, N2)의 게이트가 공통으로 상기 제 2 엔모스 트랜지스터(N2)의 드레인에, 소스는 접지전압(VSS)에 연결된 엔모스 전류 미러(62)와, 2 개의 피모스 트랜지스터(P1, P2)의 게이트가 공통으로 상기 제 1 피모스 트랜지스터(P1)의 드레인에, 제 1 피모스 트랜지스터(P1)의 소스는 외부전압(VCC)에 연결된 피모스 전류 미러(63)와, 제 2 피모스 트랜지스터(P2)의 소스와 외부전압(VCC) 사이에 연결된 저항(R4)으로 구성된 것을 특징으로 하는 백바이어스전압 레벨 감지기.
- 제 2 항에 있어서, 기준전압(VREF)은 외부전압(VCC)과 일정한 전압차를 유지하는 것을 특징으로 하는 백바이어스전압 레벨 감지기.
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