KR20010010741A - 온도 변동에 독립하는 바이어스 전류 회로 - Google Patents

온도 변동에 독립하는 바이어스 전류 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도 변동에 독립하는 바이어스 전류 회로에 관한 것으로, 보다 상세히는 일단이 접지된 제1 저항을 포함하여 열 전압(Thermal Voltage)을 이용한 기준 전류를 제공받는 전류 미러부와, 전원 전압을 제공받아 출력 바이어스 전류를 출력하는 제1 전류 미러부와, 상기 출력 바이어스 전류에 응답하여 상기 기준 전류량을 제어하는 스위칭부를 구비한 바이어스 전류 회로에 있어서, 온도 보상부는 전원 전압을 제공받는 소정 레벨의 전류를 출력하는 제2 전류 미러부를 포함하여, 출력 바이어스 전류를 제공받아 제1 전압을 유기하고, 유기된 제1 전압에 응답하여 제2 전류 미러부로부터 출력되는 전류를 싱크하고, 싱크된 전류만큼의 온도 보상 전류를 출력하고, 바이어스부는 온도 보상 전류와 출력 바이어스 전류를 합산하여 온도 보상된 출력 바이어스 전류를 출력한다.
이에 따라 열 전압에 의한 온도 계수의 증감 비율과 저항에 의한 온도 계수의 증감 비율이 상이하여 발생되는 온도에 불안정한 요소를 해결할 수 있어 온도 변동과 무관하게 안정적으로 출력 바이어스 전류를 제공할 수 있다.

Description

온도 변동에 독립하는 바이어스 전류 회로{TEMPERATURE INDEPENDENT BIASING CIRCUIT}
본 발명은 바이어스 전류 회로에 관한 것으로, 보다 상세히는 열 전압(thermal voltage)에 의한 온도 계수와 저항에 의한 온도 계수와의 불일치를 해결하여 온도 변동에 독립적으로 바이어스 전류를 제공할 수 있는 바이어스 전류 회로에 관한 것이다.
집적회로(IC)의 설계에 있어서, 생길 수 있는 오차는 두 분류로 정리될 수 있는데, 그 첫 번째는 공정 변동에 의한 소자 특성의 변동, 즉 칩 내에서의 공정 불균일에 의한 불일치 등의 고정 오차이고, 두 번째는 외부 전압원, 온도 등의 환경 변동과 핫 캐리어 효과(hot carrier)등으로 인한 소자 특성 열화에 의한 가변 오차이다.
바이폴라 트랜지스터(BJT)나 모스 트랜지스터(MOSFET)를 사용한 아날로그 집적회로의 특성은 회로의 내부 바이어스 변동에 매우 민감한 반응을 보이기 때문에 이러한 오차를 줄이는 연구가 계속 진행되어 왔다. 특히, 대부분의 아날로그 집적회로가 전류공급회로를 바탕으로 하는 바이어스 방식을 사용하고 있으므로 공정이나 환경 등의 변동에 무관한 전류원을 사용하는 것이 매우 중요하다.
작업 공정 변화로 인한 바이어스 전류의 오차는 저항의 레이저 트리밍(trimming) 등의 방법을 써서 줄이는 것이 가능하며, 온도 변동에 의한 오차는 밴드갭 레퍼런스(Band-gap Reference)회로 등을 사용함으로써 줄일 수 있다.
도 1은 밴드갭 레퍼런스(Band-Gap Reference)의 동작 원리를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 상기 밴드갭 레퍼런스 회로(Band-Gap Reference Circuit)는 양의 온도 계수를 가지는 열 전압(Thermal Voltage)(Vt)과 음의 온도 계수를 가지는 트랜지스터의 베이스-에미터간 전압(VBE)을 함께 사용함으로써 온도 변동에 따른 오차를 줄인다.
즉, 음의 온도 계수를 가지는 베이스-에미터간 전압(VBE)이 양의 온도 계수를 가지는 열전압에 소정 상수(K)를 곱한 전압을 합산하면 하기한 수학식 1과 같은 출력전압(Vout)을 얻게 된다.
Vout = VBE(ON)+ KVT이때 K는 상수이다.
여기서,는 -2mV/℃이고,는 0.085mV/℃이다. 따라서, K값을 적절히 조절하면=0으로 즉, 온도의 변동에 무관한 출력 전압을 제공할 수 있다.
일반적으로 트랜지스터의 열 전압(Thermal voltage, VT)을 이용한 바이어스 전류 회로를 구성함에 있어서 전원전압에 독립적인 구성이 가능하다.
도 2는 종래의 열 전압을 이용한 바이어스 전류 회로도이다.
도 2를 참조하면, 종래의 열 전압(Thermal voltage)을 이용한 전류 바이어스 회로(100)는 일단이 접지된 제1 저항(R1)을 포함하여 열 전압을 이용한 출력 바이어스 전류(Io)를 제공받는 전류씽킹부(110)와, 전원 전압(Vcc)을 제공받아 온도 변동에 따라 가변되는 출력 바이어스 전류(Io)를 출력하는 제1 전류 미러부(120)와, 제1 전류 미러부(120)로부터 제공되는 출력 바이어스 전류에 응답하여 출력 바이어스 전류(Io)의 양을 제어하는 스위칭부(130)를 구비한다. 이때 사용자는 출력단자(OUT1)(OUT2)를 통해 바이어스 전류를 출력하여 이용한다.
이러한 도 2에 도시된 출력 바이어스 전류의 일반적인 온도 특성은 하기 하는 수학식 3 내지 5와 같이 나타낼 수 있다.
여기서, Io는 출력 바이어스 전류이고, VT는 열전압(Thermal Voltage)이며, A는 전류씽킹부(110)의 제1 트랜지스터(Q1)의 에미터 영역과 제2 트랜지스터(Q2)의 에미터 영역과의 비율이다.
수학식 3를 온도에 대해서 편미분하면, 하기 하는 수학식 4과 같다.
또한 상기한 수학식 4에서, 열 전압(VT)에 대한 온도의 편미분치(TCF(VT))와 저항에 대한 온도의 편미분치(TCF(R))의 항을 간단히 표시하면, 하기 하는 수학식 5와 같다.
상기한 수학식 5에서 알 수 있듯이 출력 바이어스 전류(Io)가 온도의 변동에 무관하게 일정하게 유지되기 위해서는 열 전압의 온도 계수(TCF(VT))와 저항의 온도 계수(TCF(R))가 같은 조건에서만 성립하게 된다.
그러나, 이러한 경우는 이상적인 경우이고, 일반 실리콘을 이용한 공정에서는 트랜지스터의 열 전압에 대한 온도 계수가 저항의 온도 계수와 상이하여 바이어스 전류 변동량은 양, 또는 음의 온도 계수를 갖게되어 온도 변동에 독립적으로 바이어스 전류를 출력한다는 것은 어려움이 있었다.
이에, 본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 트랜지스터와 저항을 이용한 바이어스 전류원에 온도 보상을 하기 위하여 부가 회로를 추가함으로써 온도 변동에 따른 전류 변동량을 최소화하는 전류원을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
도 1은 밴드갭 레퍼런스(Band-Gap Reference)의 동작 원리를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 열 전압을 이용한 바이어스 전류 회로도이다.
도 3은 본 발명에 의한 온도 변동에 독립하는 바이어스 전류회로도이다.
도 4는 본 발명의 바이어스 전류의 온도 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 출력 전류의 온도 보상 결과를 설명하기 위한 파형도이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
100 : 바이어스부 110 : 전류씽킹부
120, 210 : 전류 미러부 130 : 스위칭부
200 : 피드백부 Io : 출력 바이어스 전류
Iref : 열 전압을 이용한 기준 전류 Ic : 보상 전류
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 발명은, 전원전압을 제공받아 출력 바이어스 전류를 출력하는 제1 전류 미러부를 포함하는 바이어스 전류회로에 있어서,
전원전압을 제공받아 소정 레벨의 전류를 출력하는 제2 전류 미러부를 포함하여, 상기 출력 바이어스 전류에 대응되는 제1 전압에 응답하여 온도 보상 전류를 출력하는 온도 보상부; 및
상기 온도 보상 전류와 상기 출력 바이어스 전류를 합산하여 온도 보상된 출력 바이어스 전류를 출력하는 바이어스부를 포함하는 온도 변동에 독립하는 바이어스 전류 회로를 제공한다.
이러한 온도 변동에 독립하는 바이어스 전류 회로에 의하면, 트랜지스터와 저항을 이용한 바이어스 전류 회로에 온도 변동에 따른 보상 전류를 제공함으로써 열 전압에 의한 온도 계수와 저항에 의한 온도 계수가 상이하여 발생되는 온도에 불안정한 요소를 해결할 수 있어 온도 변동과는 무관하게 안정적으로 출력 바이어스 전류를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 의한 온도 변동에 독립하는 바이어스 전류 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 바이어스 전류 회로는 도 2에 언급한 종래의 온도 변동에 가변적인 출력 바이어스 전류를 출력하는 바이어스부(100)와 상기 출력 바이어스 전류치를 온도 보상하는 보상 전류를 제공하는 온도보상부(200)를 포함한다.
바이어스부(100)에 대한 설명은 도 1에 도시한 바와 같으므로 생략하고, 본 발명의 특징부인 온도보상부(200)의 구조 및 작용을 설명한다.
온도보상부(200)는 제1 트랜지스터(Q13), 제2 저항(R2), 제3 저항(R3), 제2 트랜지스터(Q14), 그리고 제2 전류 미러부(210)로 구성되어, 온도 변동을 보상하기 위한 보상 전류(Ic)를 상기 바이어스부(100)에 제공한다.
보다 상세히는 제1 트랜지스터(Q13)의 에미터단은 저항(R27)을 통해 전원전압(Vcc)와 연결되고, 베이스단은 바이어스부(100)의 제1 전류 미러부(120)의 베이스 단과 병렬 연결되어 콜렉터단을 통해 출력 바이어스 전류(Io)와 동일 량의 전류를 제2 저항(R2)에 출력한다.
제2 저항(R2)에 공급되는 전류에 의해 제2 저항(R2)사이에는 전압(VR2=IOR2)이 생긴다.
트랜지스터(Q14)는 에미터가 제3 저항(R3)을 통해 접지점에 연결되며, 베이스를 통해 저항(R2)사이의 전압(VR2)을 제공받아 콜렉터 전류를 씽킹(sinking)한다.
제2 전류 미러부(210)는 전원전압(Vcc)을 제공받고, 상기 제2 트랜지스터(Q14)에 의해 씽킹되는 콜렉터 전류만큼의 보상 전류(Ic)를 바이어스부(100)의 제1 전류 미러부(120)의 출력 측에 피드백시킨다.
보다 상세히는, 제2 전류 미러부(210)의 트랜지스터(Q15, Q16, Q17)는 각각 저항(R34, R37, R39)를 통해 전원전압과 연결되며 각각 전류 미러(current mirror)를 형성한다. 제15 트랜지스터(Q15)의 콜렉터단을 통해 출력되는 보상 전류(Ic)만큼의 전류는 제16 트랜지스터(Q16)와 제17 트랜지스터(Q17)의 콜렉터단자를 통해 바이어스부(100)의 출력단자(OUT1)(OUT2)로 공급된다.
바이어스부(100)의 전류 싱킹부(110)는 바이어스부(100)의 제1 전류 미러부(120)로부터 출력되는 출력 바이어스 전류(Io)와 온도보상부(200)의 제2 전류 미러부(210)로부터 출력되는 온도 보상 전류(Ic)와의 합 전류인 온도 보상된 출력 바이어스 전류(Iref)를 씽킹한다.
이하 도 3에 도시한 바이어스 전류 회로를 보다 상세히 설명한다. 설명의 편의를 위해 도시된 Iref는 온도 보상된 출력 바이어스 전류이며, Ic는 출력 바이어스 전류(Io)의 온도 보상을 위한 온도 보상 전류라 정의한다.
먼저, 온도 보상된 출력 바이어스 전류(Iref)는 열 전압(Thermal Voltage)과 저항의 온도 특성으로 상기한 도 4에서와 같이 온도에 따라 일정 기울기를 갖고서 변동한다고 가정할 때 수학식 6와 같이 나타낼 수 있고, 보상 전류(Ic)의 특성 또한 하기 하는 수학식 7과 같이 정의한다.
Iref(T)=TCF(Iref)*Iref0*ΔT+Iref0
여기서, Iref(T)는 특정 온도에서 온도 보상된 출력 바이어스 전류치이고, TCF(Iref)는 온도 보상된 출력 바이어스 전류에 대한 온도의 편미분치이고, Iref0은 초기 온도 보상된 출력 바이어스 전류치이고, ΔT는 온도 변동분이다.
Ic(T)=TCF(Iref)*Iref0*ΔT+Ic0
여기서, 어느 특정 온도에서의 온도 보상된 출력 바이어스 전류와 보상 전류의 차(Iref(T)-Ic(T))는 도 4에 도시된 바와 같이 항상 일정해야 한다.
즉, Iref(T)-Ic(T)=ΔT*[TCF(Iref)*Iref0-TCF(Iref)*Iref0]+[Iref0-Ic0]에서 ICF(T)-Ic(T)=I0=Iref0-Ic0으로 일정해야 하므로, TCF(Iref)*Iref0-TCF(Iref)*Iref0=0이므로 하기 하는 수학식 8과 같다.
TCF(Iref) : TCF(Ic) = Ic0 : Iref0
상기한 도 3으로부터 하기 하는 수학식 9을 확인할 수 있다.
Ic * R3 = I0 * R2 - Vbe
위의 수학식 9을 온도에 대해서 편미분하면 하기 하는 수학식 10를 얻을 수 있다.
상기한 수학식 10에서 출력 바이어스 전류(Io)는 상수라 가정했으므로, 출력 바이어스 전류의 편미분항을 삭제하고, 양변을 Ic * R3으로 제산하면, 하기 하는 수학식 11을 얻는다.
상기한 수학식 11에서, Io * R2 = VR2, Ic *R3 = VR3으로 정의하면,
VR2,= VR3+Vbe 이다.
또한 제2 저항(R2)과 제3 저항(R3)이 동일 타입의 저항으로 온도 계수가 같다고 가정하면, 하기 하는 수학식 12과 같이 나타낼 수 있다.
여기서,이다.
상기한 수학식 12에서 알 수 있듯이 제3 저항(R3)의 의해 발생되는 전압과 제2 저항(R2)에 의해 발생되는 전압을 적정 설계함으로써 온도 보상 전류에 대한 온도의 편미분치(TCF(Ic))의 값을 조정할 수 있다.
또한, 도 3에서이므로, 이를 온도 보상을 위한 보상 전류로 표기하면, 하기 하는 수학식 13와 같다.
상기한 수학식 13에서 출력 바이어스 전류(Io)와 보상 전류의 초기치(Ic0)를 설정한 후 상기한 수학식 8과 수학식 12로부터 열 전압(Thermal voltage)을 이용한 온도 보상된 출력 바이어스 전류의 초기치(Iref0)와 보상 전류의 초기치(Ico)의 크기에 의한 TCF(Ic)를 조정해주고, 그 결과로부터 제3 저항(R3)의 양단간의 전압(VR3)을 구한 후 상기한 수학식 13로부터 제2 저항(R2)과 제3 저항(R3)을 설정한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 출력 전류의 온도 보상 결과를 설명하기 위한 파형도이다.
이때 TCF(VT) = 3300ppm/℃, TCF(R) = 1350ppm/℃, ∂Vbe/∂T = -2mV/℃을 적용하였고, 측정 장비로는 미국의 메타(META)사의 시뮬레이션 소프트웨어인 에이치스파이스(HSPICE)를 사용하였다.
도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 바이어스 전류 회로에 의한 출력 바이어스 전류는 온도 변동에 따라 일정 경사각을 갖고서 증가하고 있으나, 본 발명의 바이어스 전류 회로에 의한 출력 바이어스 전류는 온도 변동에 거의 무관하게 일정 레벨의 출력 바이어스 전류를 출력함을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이상, 설명한 바와 같이 본 발명에 따라 기존의 바이어스 전류 회로에 상기 바이어스 전류 회로 내에 구성된 트랜지스터의 열 전압에 의한 온도 계수와 저항의 온도 계수가 상이함으로 인하여 발생되는 온도에 따라 변동되는 바이어스 전류를 보상하기 위해 온도 보상을 위한 커런트 소스인 피드백 회로를 구성하므로써 온도에 따른 전류 변동량을 최소화시킬 수 있다.

Claims (2)

  1. 전원전압을 제공받아 출력 바이어스 전류를 출력하는 제1 전류 미러부를 포함하는 바이어스 전류회로에 있어서,
    전원전압을 제공받아 소정 레벨의 전류를 출력하는 제2 전류 미러부를 포함하여, 상기 출력 바이어스 전류에 대응되는 제1 전압에 응답하여 온도 보상 전류를 출력하는 온도 보상 수단; 및
    상기 온도 보상 전류와 상기 출력 바이어스 전류를 합산하여 온도 보상된 출력 바이어스 전류를 출력하는 바이어스 수단을 포함하는 바이어스 전류 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 온도보상수단이
    에미터가 저항을 통해 연결되고, 베이스단이 상기 제1 전류 미러부의 트랜지스터의 베이스에 연결되어 콜렉터를 통해 상기 제1 전류 미러부의 출력 바이어스 전류와 동일 량의 전류를 출력하는 제1 트랜지스터;
    상기 제1 트랜지스터의 상기 콜렉터에 연결되어 출력 바이어스 전류에 따른 상기 제1 전압을 유기하는 제2 저항;
    에미터단이 제3 저항을 통해 접지점에 연결되며, 베이스를 통해 상기 유기된 제1 전압을 제공받아 콜렉터를 통해 상기 제2 전류 미러부로부터 온도 보상 전류를 싱크하는 제2 트랜지스터; 및
    전원 전압을 제공받고, 상기 제2 트랜지스터에 의해 씽크되는 콜렉터 전류만큼의 보상 전류를 상기 바이어스부에 피드백시키는 제2 전류 미러부를 포함하는 바이어스 전류 회로.
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