KR20010087440A - A low-power current-mode CMOS voltage reference circuit - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A circuit for generating a low power current mode CMOS reference voltage is provided, which performs a temperature compensation by summing a current component proportional to a threshold voltage(VT) and a current component proportional to a thermal voltage(Vt). CONSTITUTION: The circuit for generating a current mode CMOS reference voltage uses only an enhancement-mode transistor and a resistor, in order to generate a stable reference voltage of a wide range with low power consumption. The circuit compensates a temperature by using a current mode addition instead of a voltage mode addition to make it possible to generate a reference voltage of a wide range. According to the circuit, a cascode structure is used instead of a simple structure, in order to reduce a sensitivity as to a supply voltage whiling a current mirror circuit. The circuit comprises circuits(R1,M1,M2,M3,M4) generating a current proportional to a thermal voltage(Vt), circuits(R2,M5,M6,M7,M8) generating a current proportional to a threshold voltage(VT), summing circuits(M9,M10,M11) adding these two currents, and circuits(M11,M12,R3) converting the current to a voltage finally.

Description

저전력 전류모드 CMOS 기준전압 발생 회로{A low-power current-mode CMOS voltage reference circuit}A low-power current-mode CMOS voltage reference circuit

최근 휴대용 시스템들의 보급이 활발히 이루어 지고 있는 추세에 따라, 이들 시스템에 필요한 기준전압 발생회로도 저전력 소모가 필수 사양이 되고 있다. 온도나 공급전원전압에 민감한 시스템들의 경우 기준전압 발생회로가 온도나 공급전원전압의 변화에 얼마나 둔감한가가 시스템의 성능을 좌우한다.With the recent trend of the proliferation of portable systems, low power consumption has become an essential feature for the reference voltage generation circuits required for these systems. For systems that are sensitive to temperature or supply voltage, how insensitive the reference voltage generator circuit is to changes in temperature or supply voltage determines system performance.

기존의 기준전압 발생 회로로는 바이폴라 공정의 BJT나 CMOS 공정에서의 기생(parasitic) BJT를 이용한 밴드갭(bandgap) 기준전압 발생회로와 증식형(enhancement-mode) MOS 트랜지스터와 공핍형(depletion-mode) MOS 트랜지스터의 문턱전압(threshold voltage) 차이를 이용하여 기준전압을 발생하는 회로가 많이 사용되어 왔다. 그러나 BJT의 밴드갭 전압을 이용하는 방법은 낮은 온도 계수를 갖는다는 장점은 있으나, 베이스 전류에 의한 오차 문제와 전력 소모가 크다는 단점이 있다. 또한, 최근 전체 시스템을 하나의 칩(chip)에 집적시키려는 SOC(system on a chip) 추세가 일반화되고 있으며, SOC에는 주로 CMOS 공정이 사용되기 때문에 BJT를 이용한 밴드갭 기준회로는 SOC에 적합하지 않다. CMOS 공정의 기생 BJT를 이용한 밴드갭 기준회로의 경우, CMOS 공정으로는 양질의 BJT를 얻기가 어렵다는 문제점이 있다. 문턱전압의 차이를 이용하는 방법은 공핍형 MOS 트랜지스터를 구현하기 위한 부가적인 공정이 필요하다는 단점이 있다.Conventional reference voltage generator circuits include bandgap reference voltage generator circuits using bipolar BJT or parasitic BJT in CMOS, enhancement-mode MOS transistors and depletion-mode. ) A circuit for generating a reference voltage by using a threshold voltage difference of a MOS transistor has been widely used. However, the method of using the bandgap voltage of the BJT has the advantage of having a low temperature coefficient, but there are disadvantages of error caused by base current and high power consumption. In addition, the trend of system on a chip (SOC) to integrate the entire system on a single chip is becoming more common, and the bandgap reference circuit using BJT is not suitable for SOC because a CMOS process is mainly used for SOC. . In the case of the bandgap reference circuit using the parasitic BJT of the CMOS process, it is difficult to obtain a high quality BJT by the CMOS process. The method using the difference in threshold voltage has a disadvantage of requiring an additional process for implementing a depletion MOS transistor.

따라서, 최근에 증식형 MOS 트랜지스터만을 사용한 기준전압 발생회로에 대한 연구가 시도되고 있다. 온도 보상을 위해 사용되는 변수로는 MOS 트랜지스터의 문턱전압 VT, 열전압(thermal voltage) Vt, 이동도(mobility) μ 그리고 저항 R 등이 있다. VT, Vt, R은 온도 T에 비례하는 특성을 갖지만, 이동도 μ는 대략 T-1.5에 비례하는 특성을 갖는다. 따라서, 이동도 μ보다는 VT, Vt또는 R을 사용하여 온도 보상을 하면 보다 넓은 온도 범위에서 보상이 가능하며 설계가 용이해 진다.Therefore, in recent years, a research on a reference voltage generation circuit using only a growth type MOS transistor has been attempted. Variables used for temperature compensation include threshold voltage V T , thermal voltage V t , mobility μ and resistance R of the MOS transistor. V T , V t , and R have properties that are proportional to temperature T, while mobility μ has properties that are proportional to approximately T -1.5 . Therefore, temperature compensation using V T , V t or R rather than mobility μ enables compensation over a wider temperature range and facilitates design.

최근 VT에 비례하는 전압성분과 Vt에 비례하는 전압성분을 합하여 온도 보상을 얻는 기준전압 회로가 발표되었다. VT는 온도에 따라 비례적으로 감소하는 반면 Vt는 온도에 따라 비례적으로 증가하기 때문에 온도 보상이 가능하다. 이 방법은 기준전압이 소자의 크기나 이동도 등의 공정 패러미터의 변화에 둔감하다는 장점을 갖는다. 그러나 이 회로들은 온도 보상시 전압모드 덧셈을 사용하기 때문에, 발생 가능한 기준전압 범위가 제한이 되며, 특히 낮은 기준 전압을 얻기가 어렵다는 단점이 있다.Recently, a reference voltage circuit has been introduced that obtains temperature compensation by adding a voltage component proportional to V T and a voltage component proportional to V t . V T decreases proportionally with temperature while V t increases proportionally with temperature, allowing for temperature compensation. This method has the advantage that the reference voltage is insensitive to changes in process parameters such as device size and mobility. However, these circuits use voltage mode addition during temperature compensation, which limits the range of reference voltages that can occur, and in particular, makes it difficult to obtain low reference voltages.

본 발명에서는 증식형 MOS 트랜지스터와 저항만을 사용하여 기준전압 발생회로를 구현하고자 한다. 넓은 범위의 기준전압 발생이 가능하도록 하기 위해 전압모드 덧셈 대신에 전류모드 덧셈을 사용하여, 문턱전압 VT에 비례하는 전류 성분과 열전압 Vt에 비례하는 전류 성분을 합하여 온도보상을 하는 CMOS 기준전압 회로를 개발하고자 한다.In the present invention, a reference voltage generation circuit is implemented using only a multiply-type MOS transistor and a resistor. CMOS reference that compensates for the temperature by adding current components proportional to threshold voltage V T and current components proportional to thermal voltage V t using current mode addition instead of voltage mode addition to enable a wide range of reference voltages. We want to develop a voltage circuit.

제안된 기준전압 발생의 원리를 도 1에 나타내었다. 열전압 Vt는 온도에 비례적으로 증가하며 +0.086mV/℃의 온도계수를 갖는다. 반면 문턱전압 VT는 온도에 따라 비례적으로 감소하며, 약 -1.35mV/℃의 온도계수를 갖는다. 따라서 이 두 성분을 합하면 온도에 둔감한 기준전압을 얻을 수 있다. 도 1에서 기준전압 VREF와 VREF의 온도계수는 다음 식으로 주어진다.The principle of the proposed reference voltage generation is shown in FIG. The thermal voltage V t increases in proportion to the temperature and has a temperature coefficient of +0.086 mV / ° C. On the other hand, the threshold voltage V T decreases proportionally with temperature and has a temperature coefficient of about -1.35 mV / ° C. Therefore, the sum of these two components yields a reference voltage that is insensitive to temperature. In Fig. 1, the temperature coefficients of the reference voltages V REF and V REF are given by the following equations.

[수학식 1][Equation 1]

[수학식 2][Equation 2]

따라서, 기준전압이 온도의 영향을 받지 않으려면즉,Therefore, if the reference voltage is not affected by temperature In other words,

[수학식 3][Equation 3]

의 조건을 만족해야 한다.The conditions of

문제는 문턱전압 VT에 비례하는 전류성분과 열전압 Vt에 비례하는 전류성분을 공급전압 VDD에 무관하게 생성시키는데 있다. MOS 트랜지스터를 subthreshold 영역에서 동작하게 함으로써 Vt에 비례하는 전류성분을 얻을 수 있고, VT에 비례하는 전류성분은 threshold reference self-biasing 회로를 이용하여 얻을 수 있다.The problem is to generate a current component proportional to the threshold voltage V T and a current component proportional to the thermal voltage V t regardless of the supply voltage V DD . By operating the MOS transistor in the subthreshold region, a current component proportional to V t can be obtained, and a current component proportional to V T can be obtained using a threshold reference self-biasing circuit.

도 1은 기준전압 발생의 개념도1 is a conceptual diagram of reference voltage generation

도 2는 간략화된 기준전압 발생회로의 구조2 is a simplified structure of a reference voltage generator

도 3은 제안된 기준전압 발생회로3 is a proposed reference voltage generator

도 4는 온도에 따른 기준전압 특성4 is a reference voltage characteristic according to temperature

도 5는 공급전압에 따른 기준전압 특성5 is a reference voltage characteristics according to supply voltage

제안된 기준전압 발생회로의 간략도와 전체 회로도를 도 2와 3에 각각 나타내었다. 도 3에서 보듯이, 도 2의 전류복사(current mirror) 회로 구현시 공급전원 전압에 대한 민감도를 낮추기 위해, 단순 구조 대신에 cascode 구조를 사용하였다. 제안된 기준전압 발생 회로는 열전압 Vt에 비례하는 전류를 발생해 주는 회로(R1, M1, M2, M3, M4)와 문턱전압 VT에 비례하는 전류를 발생해 주는 회로(R2, M5, M6, M7, M8), 이 두 전류를 더해주는 합(summing)회로(M9, M10, M11), 그리고 최종적으로 그 전류를 전압으로 바꿔주는 회로(M11, M12, R3)로 구성되어 있다.The schematic and overall circuit diagram of the proposed reference voltage generator are shown in FIGS. 2 and 3, respectively. As shown in FIG. 3, in order to lower the sensitivity of the power supply voltage when implementing the current mirror circuit of FIG. 2, a cascode structure was used instead of a simple structure. The proposed reference voltage generator is a circuit (R 1 , M 1 , M 2 , M 3 , M 4 ) that generates current proportional to the thermal voltage V t and a circuit that generates current proportional to the threshold voltage V T. (R 2 , M 5 , M 6 , M 7 , M 8 ), a summing circuit (M 9 , M 10 , M 11 ) that adds these two currents, and finally a circuit that converts that current into voltage ( M 11 , M 12 , R 3 ).

Vt에 비례하는 전류를 얻기 위해 M1과 M2는 subthreshold 영역에서 동작하며, M3, M4, M3a, M4a는 cascode 전류복사 회로를 구성하여 M1과 M2에 흐르는 전류를 같게 해 준다. PMOS 트랜지스터가 subthreshold 영역에서 동작할 때 전류 방정식은 다음과 같다.To obtain a current proportional to V t , M 1 and M 2 operate in the subthreshold region, and M 3 , M 4 , M 3a , and M 4a form a cascode current copying circuit to equalize the current flowing through M 1 and M 2 . Do it. When the PMOS transistor operates in the subthreshold region, the current equation is

[수학식 4][Equation 4]

여기서 Z=W/L이고 Vt는 열전압(kT/q), VTP는 문턱전압을 나타내며, n과I D0 은 공정변수이다. M1과 M2에 흐르는 전류는 다음 식으로 주어진다.Where Z = W / L, V t is the thermal voltage (kT / q), V TP is the threshold voltage, and n and I D0 are the process variables. The current flowing through M 1 and M 2 is given by

[수학식 5][Equation 5]

의 조건으로부터 다음 식을 얻을 수 있다. Wow The following formula can be obtained from the following condition.

[수학식 6][Equation 6]

따라서, 열전압 Vt에 비례하는 작은 전류를 얻을 수 있다. 이 전류 발생 회로가 원하는 동작점(operating point)에서 동작하기 위해서는 Z1이 Z2보다 커야한다.Thus, a small current proportional to the thermal voltage V t can be obtained. Z 1 must be greater than Z 2 for this current generation circuit to operate at the desired operating point.

또한, VT에 비례하는 전류를 얻기 위해 M7, M8, M7a, M8a의 cascode 전류 복사 회로에 의해 I5와 I6을 같게 해준다. 여기서 M5의 VSG는 R2양단의 전압과 같아지고 다음과 같은 식으로 주어진다.Also, I 5 and I 6 are equalized by cascode current copying circuits of M 7 , M 8 , M 7a and M 8a to obtain a current proportional to V T. Where V SG of M 5 equals the voltage across R 2 and is given by

[수학식 7][Equation 7]

만일 β5가 I5에 비해 매우 크다면If β 5 is very large compared to I 5

[수학식 8][Equation 8]

이 되어 |VTP|에 비례하는 전류를 얻을 수 있다. M13, M14, M15, M16은 회로에 전원이 처음 인가 될 때, 올바른 동작을 보장하기 위한 시동(start-up) 회로이다.This results in a current proportional to | V TP |. M 13 , M 14 , M 15 and M 16 are start-up circuits to ensure correct operation when power is first applied to the circuit.

Vt에 비례하는 전류 I1과 |VTP|에 비례하는 전류 I6은 M9, M10, M11로 구성된 합회로에 의해 더해진다.The current I 1 proportional to V t and the current I 6 proportional to | V TP | are added by a summation circuit consisting of M 9 , M 10 and M 11 .

[수학식 9][Equation 9]

여기서 얻은 전류를 M11, M12, M11a, M12a의 cascode 전류 복사 회로에 의해 R3에 흘려줌으로써 VREF를 얻을 수 있다.The V REF can be obtained by flowing the current obtained here to R 3 by cascode current copying circuits of M 11 , M 12 , M 11a and M 12a .

[수학식 10][Equation 10]

위 식에서 A와 B가 소자의 크기의 비와 상수로 구성되어 있으므로, 기준전압 VREF는 소자의 크기나 이동도 등의 공정변수 변화에 둔감함을 알 수 있다. 앞에서 언급한 수학식 3의 조건을 만족하도록 A와 B를 조절함으로써 원하는 온도 보상을 할 수 있다. 또한, (Z12/Z11) 또는 R3의 값을 조절하여 기준전압 값을 자유자재로 변화시킬 수 있다.Since A and B are composed of a ratio and a constant of the size of the device, it can be seen that the reference voltage V REF is insensitive to changes in process variables such as the size and mobility of the device. The desired temperature compensation can be achieved by adjusting A and B to satisfy the conditions of Equation 3 mentioned above. In addition, the reference voltage value can be changed freely by adjusting the value of (Z 12 / Z 11 ) or R 3 .

설계된 기준전압 발생회로를 0.65㎛ n-well CMOS 공정변수를 사용하여 HSPICE 모의실험한 결과를 도 4와 5 그리고 표 1과 2에 나타내었다. VDD가 5.0V인 경우 -30℃∼130℃의 온도 범위에서 기준 전압은 838.87mV±0.45mV이고 변화량은 0.9mV로 6.7ppm/℃의 온도 계수에 해당한다. 구간별로는 -30∼0℃ 범위에서 +35.8ppm/℃, 0∼80℃ 범위에서는 -11.9ppm/℃, 그리고 80∼130℃ 범위에서는 +16.1ppm/℃의 온도계수 특성을 보인다. 저온에서 기울기가 다소 큰 것을 알 수 있다. 다른 값의 VDD에 대해서도 거의 유사한 온도 특성을 갖는 것을 표 1과 도 4에서 확인할 수 있다. 표 2에서 보듯이 온도가 30℃인 경우 4.0V∼12.0V의 VDD범위에서 기준전압은 0.074%/V의 변화율을 나타내며, 다른 온도에서도 비슷한 결과를 나타낸다.HSPICE simulation results of the designed reference voltage generator using 0.65㎛ n-well CMOS process variables are shown in FIGS. 4 and 5 and Tables 1 and 2. When V DD is 5.0 V, the reference voltage is 838.87 mV ± 0.45 mV and the change amount is 0.9 mV, corresponding to a temperature coefficient of 6.7 ppm / ° C in the temperature range of -30 ° C to 130 ° C. By section, the temperature coefficient characteristics of + 35.8ppm / ℃ in the range of -30 to 0 ℃, -11.9ppm / ℃ in the range of 0 to 80 ℃, and + 16.1ppm / ℃ in the range of 80 to 130 ℃ are shown. It can be seen that the slope is rather large at low temperatures. It can be seen from Table 1 and FIG. 4 that they have almost similar temperature characteristics for other values of V DD . If, as shown in Table 2, the temperature is 30 ℃ reference voltage V DD in a range of 4.0V~12.0V represents a change rate of 0.074% / V, it shows a similar result in a different temperature.

위의 결과에서 보듯이 설계된 기준전압 회로는 넓은 온도 범위와 넓은 공급전압 범위에서 안정된 기준전압을 발생함을 알 수 있다. -30℃∼130℃의 온도 범위와 4.0V∼12.0V의 VDD범위에서의 기준전압의 온도계수는 40ppm/℃보다 작으며, VDD에 대한 변화율은 0.08%/V보다 작다. 표 2에 다양한 온도와 VDD값에 따른 전력소모를 나타내었다 온도가 감소할수록 VDD가 증가할수록 전력소모가 증가하는 것을 알 수 있다. 30℃의 온도와 5V의 공급전압에서 전력소모는 65㎼로 상당히 작다.As can be seen from the above results, the designed reference circuit generates stable reference voltage over a wide temperature range and a wide supply voltage range. The temperature coefficient of the reference voltage in the temperature range of −30 ° C. to 130 ° C. and the V DD range of 4.0 V to 12.0 V is less than 40 ppm / ° C., and the rate of change for V DD is less than 0.08% / V. Table 2 shows power consumption at various temperatures and V DD values. As the temperature decreases, the power consumption increases as the V DD increases. At a temperature of 30 ° C and a supply voltage of 5V, power dissipation is quite small, at 65kW.

[표 1]TABLE 1

온도에 대한 기준전압(VREF) 변화율Rate of change of reference voltage (V REF ) over temperature

[표 2]TABLE 2

공급전압에 대한 기준전압(VREF) 변화율 및 전력소모Rate of change of reference voltage (V REF ) and power consumption

증식형 MOS 트랜지스터와 저항만을 사용한 간단한 구조의 저전력 전류모드 CMOS 기준전압 발생 회로를 개발하였다. 온도에 따라 비례적으로 증가하는 전류(Vt에 비례하는 항)와 온도에 따라 비례적으로 감소하는 전류(VT에 비례하는 항)를 합하여 온도에 대한 보상을 얻었다. 제안된 기준전압 발생 회로는 구조가 간단하여 설계가 쉽고, 전류모드 동작을 하기 때문에 넓은 범위의 기준전압 발생이 용이하다. 또한 작은 전력소모로 넓은 온도 범위와 공급전원 전압 범위에서 안정된 기준전압을 발생하기 때문에 저전력 응용 분야에 유용하게 사용될 수 있다.A simple low-power current-mode CMOS reference voltage generator circuit using only multiply-type MOS transistors and resistors has been developed. Compensation for temperature was obtained by combining the current proportionally increasing with temperature (term proportional to V t ) and the current proportionally decreasing with temperature (term proportional to V T ). The proposed reference voltage generator has a simple structure and is easy to design, and it is easy to generate a wide range of reference voltages because of the current mode operation. Its small power dissipation generates a stable reference voltage over a wide temperature range and supply voltage range, making it useful for low power applications.

Claims (1)

저전력 소모로 넓은 범위의 안정된 기준전압을 발생하기 위한, 증식형 MOS 트랜지스터와 저항만을 사용한 전류모드 CMOS 기준전압 발생 회로Current-mode CMOS reference voltage generator circuit using only growth type MOS transistors and resistors to generate a wide range of stable reference voltages with low power consumption
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