KR20000070664A

KR20000070664A - 온도보상 출력기준전압을 갖는 기준전압소스

Info

Publication number: KR20000070664A
Application number: KR1019997006913A
Authority: KR
Inventors: 앤 제이. 안네마
Original assignee: 요트.게.아. 롤페즈; 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 1997-12-02
Filing date: 1998-11-20
Publication date: 2000-11-25
Also published as: JP2001510609A; EP0983537A1; US6124704A; WO1999028802A1

Abstract

밴드 갭 전압기준회로에서 사용하는 선형온도 보상성을 갖는 기준전압 소스(RFS). 상기 기준전압소스(RFS)는 차동쌍(DF)을 포함하는 전압플로워(VF)를 포함한다. 상기 전압플로워(VF)는 기준전압회로의 온도의존 기준전압과 직렬인 보상전압(V_CMP)을 공급하는 기준 회로(RFCT)와 직렬로 배치된다. 전압플로워(VF)는 전압플로워(VF)의 출력(OUT)과 기준단자(GND)사이에 온도 독립 출력전압(V_OUT)을 전달한다.

Description

온도보상 출력기준전압을 갖는 기준전압소스{Reference voltage source with temperature-compensated output reference voltage}

종래 기술의 일반적 형태에서, 기준 전압 소스로서 소위 밴드 갭 전압기준회로(band gap reference circuit)를 사용하는 것은 통상적인 실행이다. 이때, 기준 전압은 다이오드 전압과 저항 양단간의 전압의 합에 의해 결정된다. 다이오드 전압은 저항 양단간의 전압의 정 온도계수에 의해 보상된 부 온도계수를 갖는다.

종래의 밴드 갭 전압 기준 회로들의 결점은 저항들이 서로 값이 일치해야하는 비교적 큰 값의 저항들을 포함하고 있다는 것이다. 특히,IC처리에 있어서, 정확하고 비교적 높은 저항 값들을 갖는 저항을 제조하는 것은 어렵거나 불가능하다. 상기 결점은 매우 중요한 요소이다. 결과적으로, 다이오드 전압의 부 온도계수의 보상에 필요한 정 온도계수가 다른 방법으로 실현되야 하는, 밴드 갭 전압기준회로들이 필요하다.

본 발명은 기준전압을 공급하는 기준 전압소스에 관한 것이다.

본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 더 상세하게 아래에 설명될 것이다.

도1은 종래의 밴드 갭 전압 기준회로의 일례를 도시한 도면.

도2는 종래의 밴드 갭 전압 기준회로의 다른 일례를 도시한 도면.

도3은 본 발명에 따라 기준전압소스로 사용되는 차동쌍을 갖는 전압 플로워의 일례를 도시한 도면.

도4는 본 발명에 따른 기준전압소스의 제1실시예를 도시한 도면.

도5는 본 발명에 따른 기준전압소스의 제2실시예를 도시한 도면.

도6은 본 발명에 따른 기준전압소스의 제3실시예를 도시한 도면.

도7은 본 발명에 따른 기준전압소스의 제4실시예를 도시한 도면.

본 발명의 목적은 앞에 언급한 결점들을 완화하기 위한 기준 전압 소스를 제공하는 것이다.

이 목적을 위해, 본 발명에 따르면, 서두에서 규정된 타입의 기준 전압소스에 있어서, 상기 기준 전압 소스가 보상된 출력 기준 전압을 얻기 위하여, 기준 전압과 직렬인 보상전압을 공급하도록 기준전압소스에 연결된 적어도 하나의 차동쌍을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 만일 보상전압이 동일하지만 반대 온도계수 를 가지면, 이에 따라 기준 전압과 보상전압의 합인 출력기준전압이 온도에 독립적으로 됨이 성취된다.

본 발명에 따른 기준 전압소스는 또한 적어도 하나의 차동쌍이 서로 일치되지 않는 2개의 트랜지스터들을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이것은 2개의 트랜지스터들이 다른 수치들 및/또는 다른 전류바이어스를 갖는다는 것을 의미한다. 결과적으로, 하나의 트랜지스터의 제어전극과 적어도 하나의 차동쌍의 종지(tail)사이의 전압은 나머지 트랜지스터의 제어전극과 종지사이의 전압과 같지 않고, 이 결과로 두 트랜지스터들의 제어전극들 사이에 전압 차가 나타나며, 이 전압 차는 보상전압을 형성한다. 기준 전압은 일반적으로 부 선형온도의존성을 나타내므로, 최적의 보상은 보상전압이 동일하지만 정 선형온도의존성을 나타낼때 성취된다. 이러한 목적을 위해, 차동쌍인 2개의 트랜지스터들은 지수적인 전압-전류 특성을 가져야 한다. 소위 약반전영역(weak inversion region)에서 동작하는 MOST들 및 DTMOST들 (Dynamic Threshold MOST들), 바이폴라 트랜지스터들과 같은 다양한 형태의 트랜지스터들은 이 목적에 적절하다.

이 도면들에서, 유사한 기능들 또는 목적들을 가지는 부품 또는 소자들은 같은 참조기호로 기재된다. 도 1 및 2에서 보여진 저항들은 다른 요소들로 구성된 저항들과 같은 량으로 표현된 값들을 갖는다.

도1은 종래의 밴드 갭 전압 기준회로(BG₁)의 예를 보여준다. 밴드 갭 전압 기준회로(BG₁)는 출력기준전압단자(RF)와 전원 기준단자(GND)사이에 온도-보상 출력 기준전압(V_RF)을 공급한다. 밴드 갭 전압 기준회로(BG₁)는 베이스-컬렉터 단락회로에 의해 다이오드로 연결된 제1밴드 갭 트랜지스터(Q₁); 제1밴드 갭 트랜지스터(Q₁)의 베이스에 연결된 베이스를 갖는 제2밴드 갭 트랜지스터(Q₂); 제1밴드 갭 트랜지스터(Q₁)의 에미터와 전원기준단자(GND)사이에 연결된 제1저항(R₁); 제2 밴드 갭 트랜지스터(Q₂)의 에미터와 제1밴드 갭 트랜지스터(Q₁)의 에미터사이에 연결된 제2저항(R₂); 및 제1밴드 갭 트랜지스터(Q₁)의 컬렉터와 제2밴드 갭 트랜지스터(Q₂)의 컬렉터에 상호 접속된 입력 및 출력을 가지는 미러 전류(CM_BG)를 각각 포함한다. 출력 기준 전압(V_RF)은 수학식1에 의해 계산될 수 있다.

여기서:

V_BE1는 제1밴드 갭 트랜지스터(Q₁)의 베이스-에미터 전압; k는 볼쯔만 상수; T는 켈빈 온도; q는 소전하(elementary charge); ln은 자연로그; M은 제1 및 제2밴드 갭 트랜지스터들(Q₁,Q₂)사이의 전류밀도비.

도2는 종래의 밴드갭 전압 기준 회로(BG₂)의 다른 예를 보여준다. 이 회로에서, 다이오드 연결 밴드 갭 트랜지스터(Q₁)는 전원기준단자(GND)에 연결된 컬렉터와 베이스 및 증폭기(G)의 제1입력에 연결된 에미터를 갖는다. 제1저항(R₁)은 증폭기 (G)의 제2입력과 증폭기(G)의 출력사이에 연결된다. 제2저항(R₂)은 밴드 갭 트랜지스터(Q₂)의 에미터와 증폭기(G)의 제2입력사이에 연결된다. 밴드 갭 트랜지스터(Q₂)가 전원기준단자(GND)에 연결된 컬렉터와 베이스를 갖는다는 점에서 또한 다이오드 연결된다. 밴드갭 전압기준회로(BG₂)는 또한 제1밴드 갭 트랜지스터(Q₁)의 에미터와 증폭기(G)의 출력사이에 연결된 제3저항(R₃)을 포함한다. 만일 통상적으로 제3저항 (R₃)의 값이 제1저항(R₁)의 값과 같다면, 출력기준전압(V_RF)은 또한 수학식1과 일치한다.

수학식1에서도 명백하지만, 도1 및 2에서 보여준 종래의 밴드 갭 전압회로들의 출력기준전압(V_RF)은 베이스-에미터전압(V_BE1)에 의해 좌우된다. 베이스-에미터 전압(V_BE1)은 부 선형온도 계수를 갖는다. 제2항(덧셈연산자의 오른쪽)은 정 선형온도계수를 갖는다. 따라서 출력기준전압(V_RF)은 서로에 대한 제1저항(R₁)과 제2저 항(R₂)값들의 비율과 전류밀도비(M)의 주어진 수치에 대해 온도에 무관하다. 이 수치는 다음 수학식2에 의해 주어진다.

여기서 C_BE1는 베이스-에미터 전압(V_BE1)의 부 선형온도계수.

도3은 본 발명에 따른 기준 전압소스로 사용되는 차동쌍(DF)을 포함하는 전압플로워(VF)의 예를 보여준다. 전압플로워(VF)는 또한 입력과 출력을 가지는 미러전류(CM), 차동쌍(DF)의 종지(TL)에 전류를 공급하는 종지전류소스(I_TL)를 포함한다. 차동쌍(DF)은 전압플로워(VF)의 출력(OUT)에 연결된 제어전극, 제1주전극, 제2주전극을 가지는 다이오드연결 제1트랜지스터(T₁)와 전압플로워(VF)의 입력(IN)에 연결된 제어전극, 제1주전극, 제2주전극을 가지는 제2트랜지스터(T₂)를 포함한다. 제1트랜지스터(T₁)와 제2트랜지스터(T₂)의 제1주전극들은 함께 차동쌍(DF)의 종지( TL)를 형성한다. 입력(IN)과 전원 기준 단자(GND)사이에 인가된 입력전압(V_IN)에 답하여, 출력전압(V_OUT)은 출력(OUT)과 전원 기준 단자(GND)사이에 생성된다. 제1트랜지스터(T₁)와 제2트랜지스터(T₂)사이의 전류 밀도비(M)는 1(unity)과 같지 않으므로, 출력전압(V_OUT)은 입력전압(V_IN)과 같지 않다. 보상전압(V_CMP)은 수학식3에 의해 규정된다.

만일 제1트랜지스터(T₁)와 제2트랜지스터(T₂)에 대해 지수적인 전압-전류특성을 나타내는 트랜지스터들이 사용되면, 보상전압(V_CMP)은 선형온도계수를 갖는다. 이목적을 위해, 제1트랜지스터(T₁)와 제2트랜지스터(T₂)용으로서, 예로 도 3,4 및 5에서 보여진 소위 DTMOST들(Dynamic Threshold MOST들)을 사용하는 것이 가능하다. 보상전압은 그때 수학식4에 의해 주어진다.

여기서:

W₁는 제1(DTMOST)트랜지스터(T1)의 폭;

W₂는 제2(DTMOST)트랜지스터(T2)의 폭;

L₁는 제1(DTMOST)트랜지스터(T1)의 길이;

L₂는 제2(DTMOST)트랜지스터(T2)의 길이;

I₁는 제1(DTMOST)트랜지스터(T1)를 통해 흐르는 전류;

I₂는 제2(DTMOST)트랜지스터(T2)를 통해 흐르는 전류;

수학식4로부터, 보상전압(V_CMP)이 제1트랜지스터(T₁)와 제2트랜지스터(T₂)의 수치에 의존하는 정 또는 부인 선형온도계수를 갖는다. 이것은 만일 수학식5와 일치하면, 전압 플로워(VF)에 의해, 도1 및2에서 보여진 종래의 밴드 갭 전압기준회로의 제1밴드 갭 트랜지스터(Q₁)에 대한 베이스-에미터전압(V_BE1)의 부 선형온도 계수(C_BE1)를 보상하는 것이 가능함을 의미한다.

수학식5로부터, 종래의 방법들과 반대적으로(수학식2 참조), 저항들은 부 선형온도 계수(C_BE1)를 보상하기 위해 필요하지 않게 된다.

도4는 본 발명에 따른 기준전압소스(RFS)의 제1 실시예를 보여준다. 기준전압소스(RFS)는 부선형 온도계수를 가지며 기준전압(V_RFT)을 공급하는 기준회로 (RF CT)를 포함한다. 기준회로의 가장 간단한 형태로, 상기 기준회로는 전류소스를 사용하여 전류가 가해지는 다이오드를 포함하나, 대안적으로 상기 기술분야의 일반적인 수준으로부터 알려진 다른 기준회로들이 사용될 수 있다. 전압 플로워(VF)는 기준회로(RFCT)와 직렬로 배치되고, 온도의존기준전압(V_RFT)을 온도 보상출력 기준전압(V_RF)으로 변환한다. 서로에 대하여 제1트랜지스터(T₁)와 제2트랜지스터(T₂)의 값은 수학식5를 따른다. 실제상황에서는, 서로에 대한 제1트랜지스터(T₁)와 제2트랜지스터(T₂)의 수치들은 바람직하지 않은 것으로 나타날지도 모른다. 예로, 제1트랜지스터(T₁)의 폭은 제2트랜지스터(T₂)폭에 대해 100,000배정도 커야 된다. 그 경우, 단지 하나의 전압 플로워(VF)뿐 만 아니라 직렬의 다수 전압플로워(VF)의 소망된 보상전압(V_CMP)을 실현시키는 것이 바람직하다. 예로서 도4는 소망된 보상전압(V_CMP)을 실현시키기 위하여, 4개의 직렬연결 전압플로워(VF)들을 보여준다.

도5는 본 발명에 따른 기준전압소스(RFS)의 제2실시예를 보여준다. 도4에서 보여준 제1 실시예와의 관련된 차이는 버퍼(BF)가 기준전압(V_RFT)을 버퍼링하기 위해 기준회로(RFCT)와 전압플로워(VF)의 입력(IN)사이에 배치된다는 점이다. 만일 전압플로워(VF)의 입력(IN)이 충분히 높은 임피던스를 갖지 않으면, 기준전압(V_RFT)에 악영향을 주므로 버퍼는 필요하게 된다. 이것은 예로 바이폴라 트랜지스터들 또는 DTMOST들이 제1트랜지스터(T₁)와 제2트랜지스터(T₂)로 사용될 때의 경우가 된다.

도6은 본발명에 따른 기준전압소스(RFS)의 제3실시예를 보여준다. 도4및5에서 보여준 제1 및 제2실시예와의 관련된 차이는 기준회로(RFCT)와 전압플로워(VF)의 직렬 배열에서, 그들의 위치가 서로 바뀌었다는 것이다. 이 결과로서, 차동쌍(DF)의 종지(TL)에서의 전압은 낮고, 상기 종지에서의 전압은 종지전류 소스(I_TL)양단에 잠재적으로 이용 가능한 전압은 높다는 이점을 갖는다. 이것은 기준전압소스(RFS)가 낮은 공급전압에서 작동되도록 한다. 기준회로(RFCT)를 통하여 흐르는 전류는 도 6에서 가장오른쪽의 전압플로워(VF)설정에 영향을 준다는 것에 주목해야 한다. 그러나, 이것은 기준전압소스(RFS)의 동작에 악영향을 주지 않는다. 하지만 이것은 관련된 전압플로워(VF)의 치수에 대한 적합성을 필요로 한다.

도7은 본 발명에 따른 기준전압소스(RFS)의 제4 실시예을 보여준다. 기준회로(RFCT)를 통해 흐르는 전류가 관련된 전압플로워(VF)의 수치를 복잡하게 하는 전압플로워(VF)(도6에서 보여진 상기 실시예의 경우로서)에 영향을 미치는 것을 방지 하기위하여, 고립버퍼(isolation buffer)(WSBF)는 맨오른쪽 전압플로워(VF)와 기준회로(RFCT)사이에 배치될수 있다. 기준 회로(RFCT)를 통해 흐르는 전류는 그때 고립버퍼의 출력(SBF)을 통하여 흐른다.

도면들에서 보여진 P타입 트랜지스터들 대신에, N타입 트랜지스터들을 사용하는 것이 또한 가능하다. 미러 전류부(CM)는 바이폴라 트랜지스터 뿐만 아니라 전계 효과 트랜지스터들에 의해 구성될 수 있다. 기준전압소스(RFS)는 집적회로에서 뿐만 아니라 이산 소자들에 의해 실현될 수 있다.

Claims

기준전압(V_RFT)을 공급하는 기준전압소스(RFS)에 있어서,

상기 기준전압소스(RFS)는, 보상된 출력 기준전압(V_RF)을 얻기 위해서, 기준전압(V_RFT)과 직렬인 보상전압(V_CMP)을 공급하도록 기준전압소스(RFS)에 연결된 적어도 하나의 차동쌍(DF)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기준전압소스(RFS).
제1항에 있어서,

상기 적어도 하나의 다른 차동쌍(DF)은 서로 일치되지 않는 2개의 트랜지스터들(T₁,T₂)을 포함하는 것을 특징으로 하는 기준 전압 소스(RFS).
제2항에 있어서,

상기 2개의 트랜지스터들(T₁,T₂)은 지수적인 전압-전류특성을 나타내는 것을 특징으로 하는 기준 전압소스(RFS).
제3항에 있어서,

상기 2개의 트랜지스터들(T₁,T₂)은 그들의 약반전영역에서 동작하는 전계 효과 트랜지스터들로 형성되는 것을 특징으로 하는 기준 전압소스(RFS).
제3항에 있어서,

상기 2개의 트랜지스터들(T₁,T₂)은 각각의 전계 효과 트랜지스터들의 게이트들에 연결된 백게이트들(backgates)을 갖는 전계 효과 트랜지스터들로 형성되는 것을 특징으로 하는 기준전압소스(RFS).
제3항에 있어서, 상기 2개의 트랜지스터들(T₁,T₂)은 바이폴라 트랜지스터들로 형성되는 것을 특징으로 하는 기준 전압소스(RFS).