KR20010106856A - 마이크로파워 저항-캐패시터 발진기 - Google Patents

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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/02—Details
    • H03B5/04—Modifications of generator to compensate for variations in physical values, e.g. power supply, load, temperature

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  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
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Abstract

본 발명은 온도변화에 안정적인 주파수특성을 갖는 마이크로파워 RC 발진기를 개시한다. RC 발진회로는 구동전원을 별도로 제공받아 구동되는 직렬 연결된 다수개의 인버터회로와, 최선두 인버터와 최후방 인버터 사이에 개재되어 폐루프를 형성하는 저항 및 최후방 인버터와 최선두 인버터 사이에 개재되는 캐패시터를 포함하는 RC회로를 포함한다. 온도변화에 대하여 서로 상반된 특성을 갖는 P+확산저항과 폴리실리콘저항이 소정의 비율로 조합된 단위저항이 다수개 모여 저항을 구성한다. 저항값조정부는 외부로부터 제공되는 저항값설정데이터를 디코딩하여 발진주파수의 결정에 유효하게 기여하는 단위저항을 선택하므로써 저항의 저항값을 가변적으로 제어한다. 구동전원회로는 온도변화에 대하여 서로 상반된 특성을 갖는 전류원과 부하를 이용하여 온도변화에 대하여 안정적인 전압레벨의 기준신호를 얻고 이의 팬아웃능력을 증대시켜 RC발진회로의 구동전원으로 제공한다. 발진신호의 전압레벨을 피공급처에서 필요로 하는 수준으로 맞추기 위해 출력레벨변환회로를 RC발진회로의 후단에 부가할 수 있다.

Description

마이크로파워 저항-캐패시터 발진기 {micro-power RC oscillator}
본 발명은 발진기 회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저 전력형이고 온도변화에 대해 안정적인 발진주파수 특성을 가지며 저항값을 조절하여 발진주파수를 가변시킬 수 있는 마이크로파워 RC 발진기에 관한 것이다.
일반적으로 발진기 회로는 마이크로 프로세서, 마이크로 제어기, 플립-플롭회로, 래치회로 등과 같은 전자회로에 클럭신호나 타이밍 신호를 제공하기 위해 것으로서 그 전자산업에 있어서 응용분야는 무수히 넓다. 정확하고 안정된 기준 주파수는 수정 발진기회로(crystal oscillator circuit)를 이용하여 얻을 수 있다.
하지만, 많은 응용분야의 경우 그러한 고품질의 기준 주파수를 필요로 하지 않으며 대량생산성을 고려할 필요가 있으므로 RC 발진기회로가 더 저렴한 비용의클럭신호원 내지 타이밍신호원이 된다. 또한, RC 발진기는 통상적으로 저항(R)이나 캐패시턴스(C)를 변경시켜 가변주파수를 발생시킬 수 있다는 점, 그리고 집적회로로 가공하기 힘든 인덕터의 사용을 피할 수 있다는 점 등에서 유리하다.
이동 통신장치나 휴대용 전자장치 등과 같이 배터리를 사용하는 전자회로 응용분야는 전류소모량이 매우 작을 것이 요구된다. 그래서 이와 같은 응용분야에는 일반적으로 전력소모량이 작은 마이크로파워 RC 발진회로가 유리하다. 저전력소모량은 배터리의 사용시간을 길게 하는데 유리하기 때문이다. 마이크로파워 RC 발진회로와 관련된 종래기술로서, "MICROPOWER RC OSCILLATOR HAVING HYSTERESIS PRODUCED BY SWITCHING CURRENT SOURCES TO A TRANSISTOR"라는 제목으로 Stuart B. Shacter에 의해 제안된 미국특허(특허번호 5,570,067)가 있다. 이 특허에 따르면, RC발진기는 RC회로와 충방전회로, 통상의 비교기와 이 비교기의 기준전압을 변경하기 위한 통상의 히스테리시스회로를 사용하지 않는 대신, 히스테리시스를 얻기 위해 복수의 증폭기회로를 채용하고 이들 증폭기회로의 문턱전압을 변경한다. 이러한 구성에 따르면 발진주파수가 내부 지연소자에 의한 영향을 작게 받고, RC발진기가 저전류로 저전력 조건하에서 동작할 수 있으며, 회로를 단순화시킬 수 있는 점을 장점으로 제시한다.
그런데, RC 발진기에 요구되는 또 다른 중요한 점은 온도변화에 대한 동작특성 특히 발진주파수 특성이 안정적이어야 한다는 점이다. 위 특허는 이점에 대하여 구체적인 교시를 하지 않고 있다. RC 발진회로에 있어서 발진주파수의 안정적인 온도특성을 얻는 하나의 방법은 온도변화에 대하여 안정적인 특성을 갖는 기준전원을채용하는 것이다. 이에 관한 종래기술의 예로서는 "ADJUSTABLE TEMPERATURE COEFFICIENT CURRENT REFERENCE"라는 제목으로 Lawrence M. Burns에 의해 제안된 미국특허(특허번호 5,828,329)와 "TEMPERATURE STABILIZED CONSTANT FRACTION VOLTAGE CONTROLLED CURRENT SOURCE"라는 제목으로 David W. Entrikin 등에 의해 제안된 미국특허(특허번호 5,672,961) 등이 알려져있다. 이들 특허는 비록 온도특성이 안정적인 회로구성을 보여주긴 하나 전원회로에만 초점이 맞추어져 있고 이의 RC발진기에의 응용예를 개시하지는 않고 있다.
한편, RC 발진기회로에 있어서, 저항(R)의 값을 조절하여 발진주파수를 가변시킬 수 있다는 점이 잘 알려져 있다. 대부분의 마이크로파워 RC 발진기회로의 경우 단일 칩으로 구현된다. 이때 저항값을 용이하게 조절하고 발진주파수가 칩 제조공정상의 편차에 독립적인 관계를 갖도록 하기 위해, 저항(R)을 칩 외부에 배치하는 구성을 취하는 것이 일반적이었다. 이에 따르면, RC 발진기회로를 만드는 공정이 보다 복잡해지고 회로가 커지는 단점이 있다.
RC 발진기회로는 저항(R)과 캐패시턴스(C)를 기본적으로 포함하는 것 이외에 발진회로에 전원을 공급해주는 기준전원과 발진신호의 전압레벨을 조절하는 회로 등이 더 필요하다. 그런데, 이상에서 언급된 종래기술들은 RC 발진기의 일부 구성에 관련된 것들이다. 이상에서 언급된 저전력소모, 온도변화에 대한 안정적인 발진주파수 특성, 단일칩화의 가능성 그리고 발진주파수 제어용이성 등이 총체적으로 고려된 것으로 평가되는 저전력소모형 RC 발진기의 예가 있다. 이 종래기술은 "LOW POWER RC OSCILLATOR USING A LOW VOLTAGE BIAS CIRCUIT"라는 제목으로 Timothy G.O'Shaughnessy에 의해 제안된 미국특허(특허번호 5,585,765)이다. 이 특허는 전압제어발진기(VCO)와 같은 개별적인 발진기를 채용하여 RC 시정수를 이용하여 발진기-생성 주기(oscillator-generated period)와 비교하고 그 비교결과에 따라 전체 RC 발진기회로의 주파수를 조정하므로써 자기 교정(self-calibrating)이 가능한 발진기 회로를 제안하고 있다. 이 특허는 자기 교정에 의해 정확한 발진주파수를 만들어낼 수 있고 자기 온도보상 기능도 가져 안정적인 발진주파수 특성을 갖는다는 점 등이 장점이라고 언급되어 있다. 그렇지만 이와 같은 장점을 가지기 위해 복잡한 회로구성을 필요로 한다는 점이 문제로 지적될 수 있을 것이다.
이상과 같은 점을 고려하여, 본 발명의 제1 목적은 전력소모량이 작고, 온도변화에 대해 상보적 특성을 갖는 가변 저항(R)을 칩내부에 내장하며 온도변화에 대한 안정적인 발진주파수 특성을 가지면서도 회로의 구성이 비교적 간단한 마이크로파워 RC발진기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 각각이 온도변화에 대하여 상반된 특성을 갖는 저항요소들의 조합인 다수개의 단위저항을 가변적으로 선택함으로써 저항값을 가변시키므로써 온도변화에 대한 안정된 주파수특성을 보임과 동시에 발진주파수의 크기를 외부에서 제어할 수 있는 RC 발진기회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 관한 상세한 설명은 첨부하는 도면을 참조하여 이루어질 것이며, 도면에서 대응되는 부분을 지정하는 번호는 같다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 RC 발진기회로의 구성을 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 온도보상기준전압부의 제 1 실시예에 따른 회로 구성을 도시한다.
도 3은 도 1에 도시된 가변저항부의 바람직한 회로구성을 포함하는 RC발진회로의 구성을 도시한다.
도 4는 도 1에 도시된 출력레벨변환회로의 바람직한 구성을 도시한다.
도 5의 (a),(b),(c)는 각각 도 3의 V1,V2,V3 노드의 전압파형도이다.
도 6a와 6b는 P+확산저항(P+diffusion resistor)과 폴리실리콘저항(Rpoly)의 온도변화에 대한 저항특성을 보여준다.
도 7a 내지 도 7d는 RC 발진기회로의 공급전압 Vdd를 가변시켰을 때 RC발진기회로에서 얻어지는 발진신호의 발진주파수, 총 소비전류 Idd, 발진신호의 듀티비, 그리고 온도보상기준전압부에서 얻어지는 기준전압 Vref의 변화특성을 도시한다.
도 7e 내지 도 7g는 온도변화에 대한 RC 발진기회로의 발진주파수, 총 소비전류 Idd 및 기준전압 Vref의 변화 특성을 도시한다.
도 7h는 디코더의 입력데이터에 대한 발진신호의 발진주파수의 변동특성을 도시한다.
도 8은 MOS트랜지스터 대신에 CMOS공정에 의한 바이폴라트랜지스터를 출력단 트랜지스터로 채용한 온도보상기준전압부의 제 2 실시예에 따른 회로 구성을 도시한다.
도 9는 MOS트랜지스터 대신에 BiCMOS공정에 의한 바이폴라트랜지스터를 출력단 트랜지스터로 채용한 온도보상기준전압부의 제 3 실시예에 따른 회로 구성을 도시한다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 구동전원회로
200: RC 발진회로
300: 출력레벨변환회로
400: 마이크로파워 RC발진기
110: 온도보상기준전압부
112: PTAT전류원
120: 전압증폭부
130: 버퍼증폭부
210, 220, 230: 인버터
240: 저항값(Rv)조정부
250a, 252a, 254a, 256a: 폴리실리콘저항(Rpoly)
250b, 252b, 254b, 256b: P+확산저항
258, 260, 262, 264: 양방향 전송게이트
280: 디코더
310: 레벨쉬프트부
상기 제1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 측면에 의한 마이크로파워 RC 발진기는, 온도변화에 대하여 서로 상반된 특성을 갖는 전류원과 부하를 이용하여 온도변화에 대하여 안정적인 전압레벨의 기준신호를 얻고, 상기 기준신호의 전류 팬아웃(fan-out) 능력을 증대시켜 구동전원을 생성하는 구동전원회로수단; 및
각각이 상기 구동전원회로수단으로부터 상기 구동전원을 제공받아 구동되는 직렬 연결된 다수개의 인버터회로와, 출력단에 연결된 최선두 인버터의 출력단과 최후방 인버터의 입력단 사이에 개재되어 폐루프를 형성하는 저항(R)과 상기 저항(R)과 최후방 인버터의 입력단의 접속노드와 상기 최선두 인버터의 입력단 사이에 개재되는 캐패시터(C)를 포함하는 RC회로를 포함하며, 상기 출력단에는 상기 RC회로의 시정수에 의해 정해지는 주파수로 발진하는 발진신호가 나타나는 RC발진회로수단을 포함한다.
상기 저항(R)은 외부에서 제공되는 저항값데이터에 응하여 그 크기가 가변적으로 설정되는 가변저항으로서, 온도변화에 대하여 서로 상반된 특성을 갖는 저항요소를 소정의 비율로 조합하여 구성된다. 바람직하게는, 상기 저항값데이터를 디코딩하여 발진주파수의 결정에 유효하게 기여하는 저항값을 선택하기 위한 저항값조정부를 더 구비한다.
경우에 따라서는 상기 RC 발진회로수단에서 얻어지는 발진신호의 전압레벨이 피공급처에서 필요로 하는 그것에 맞지 않을 수도 있다. 이와 같은 경우에 대응하기 위해, 바람직하게는 상기 마이크로파워 RC발진기는 상기 RC발진회로수단에서 출력되는 발진신호의 전압레벨을 소정의 레벨로 쉬프팅하여 출력하는 출력레벨변환수단을 부가적으로 포함한다.
위와 같은 구성에 의하면, RC발진회로수단의 구동전원과 RC회로의 저항이 온도변환에 대해 매우 안정적인 특성을 가지므로 발진신호의 주파수 변동폭이 종래에 비해 크게 작아진다. 발진기회로 전체에서 필요로 하는 공급전압이 대략 1.6V~3.6V 정도의 범위이고 전류소모량이 6㎂ 정도로 작게 설계될 수 있으므로, 저전압 저전력형 RC발진기를 구현하는 데 바람직한 회로구성을 갖는다.
한편, 상기 제2 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제2 측면에 의한 RC 발진기회로는, 각각이 구동전원을 독립적으로 제공받아 구동되는 직렬 연결된 다수개의 인버터회로; 및 출력단에 연결된 최선두 인버터의 출력단과 최후방 인버터의 입력단 사이에 개재되어 폐루프를 형성하며 외부에서 제공되는 저항값설정데이터에 따라 그 저항값이 가변되는 가변저항부(R)와 상기 최선두 인버터의 입력단과 상기 최후방 인버터의 입력단 사이에 개재되는 캐패시터(C)를 포함하는 RC회로를 포함하는 구성을 갖는다. 발진신호의 주파수는 상기 RC회로의 시정수에 의해 정해진다.
상기 가변저항부는, 바람직한 구성예로서, 다수개의 단위저항과, 상기 저항값설정데이터에 의거하여 상기 다수개 단위저항들중에서 발진주파수의 결정에 기여하는 유효저항을 선택하기 위한 저항값조정부를 포함한다. 다수개의 단위저항 각각은, 바람직한 구성예로서, 온도변화에 대하여 상반된 특성을 갖는 P+확산저항과 폴리실리콘저항의 조합으로 구성된다. 이들 양자의 조합비율은 온도변화에 대하여 두 저항 아이템이 갖는 주파수변환정도를 상쇄시킬 수 있는 비율이 바람직하며, 이에 의해 각 단위저항은 온도변화에 대하여 안정적인 주파수특성을 가질 수 있다. 상기 저항값조정부는 상기 저항값 설정데이터를 디코딩하여 다수개의 출력포트로 출력하는 디코더와, 상기 디코더의 각 출력포트에 각각 연결되어 상기 각 출력포트의 출력값을 인버팅하기 위한 다수개의 인버터와, 상기 단위저항에 각각 대응하는 다수의 양방향 전송게이트들을 포함하며 상기 양방향 전송게이트들 각각의 일단은 서로 공통 접속되고 타단은 상기 다수개의 단위저항의 일단에 각각 접속되며 상기 양방향 전송게이트들 각각의 제1제어단은 상기 디코더의 대응 출력포트에 연결되고 제2제어단은 상기 대응 출력포트에 연결된 인버터의 출력단에 연결되는 저항선택부를 포함하는 구성을 갖는다.
위와 같은 구성에 의하면, 온도변화에 대한 저항의 특성이 안정적이 되어 온도변화에 대한 발진주파수의 변동폭이 작게 나타나며, 저항을 외부에서 가변제어할 수 있어 발진주파수의 제어가 용이하게 이루어질 수 있다. 나아가, 가변저항부를 다른 구성요소들과 함께 단일 칩에 내장할 수 있다.
본 발명의 다른 특징과 이점은 아래의 상세한 설명과 본 발명의 다양한 실시예의 특징을 예시하는 첨부하는 도면을 참조하면 보다 명확해질 것이다. 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로파워 RC 발진기(400)의 구성을 도시한다. 마이크로파워 RC 발진기(400)는 구동전원회로(100)와 RC 발진회로(200)를 구비한다.
RC 발진회로(200)는 구동전원회로(100)로부터 구동전원을 각각 제공받아 동작하는 직렬 연결된 다수개의 인버터회로와, 저항과 캐패시터로 구성되는 RC회로를이용하여, 캐패시터 C가 상기 RC회로의 시정수에 의해 정해지는 주파수로 충방전을 반복되도록 하므로써 출력단으로 상기 주파수로 발진하는 전압 파형을 만들어낸다. 구체적으로, RC 발진회로(200)는 직렬 연결된 다수개 예컨대 3개의 인버터(210, 220, 230)를 포함한다. 3개의 인버터(210, 220, 230) 각각은 구동전원회로(100)의 출력단에 연결된다. 또한, RC 발진회로(200)는 가변저항 Rv와 캐패시터 C를 포함하는데, 가변저항 Rv는 출력단에 연결된 최선두 인버터(230)의 출력단과 최후방 인버터(210)의 입력단 사이에 개재되어 폐루프를 형성하며, 캐패시터 C는 가변저항 Rv와 최후방 인버터(210)의 입력단의 접속노드와 최선두 인버터(230)의 입력단 사이에 개재된다. RC 발진회로(200)는 또한 가변저항 Rv의 저항값을 가변적으로 선택하기 위한 저항값조정부(240)를 더 포함한다.
구동전원회로(100)는 RC 발진회로(200)의 인버터(210, 220, 230)에 필요한 구동전원 Vdda를 공급하는 것으로서, 온도보상기준전압부(110)와 버퍼증폭부(130)를 기본적으로 포함한다. 나아가, 필요에 따라서는 온도보상기준전압부(110)와 버퍼증폭부(130) 사이에 개재되어, 온도보상기준전압부(110)가 생성한 기준신호 Vref의 전압레벨을 소정의 비율로 증폭시켜 얻은 새로운 기준신호 V'ref를 버퍼증폭(130)부로 제공하는 전압증폭부(120)를 더 구비할 수 있다.
도 1에는 이들 3개의 구성요소를 전부 포함하는 경우를 예시적으로 도시하고 있다. 이 경우에 따르면, 전압증폭부(120)는 연산증폭기(122)와 이 연산증폭기(122)의 출력단과 접지 사이에 직렬로 연결된 전압분배용 저항 R1과 R2를 포함한다. 연산증폭기(122)의 비반전단자는 온도보상기준전압부(110)의 출력단에 연결되고 반전단자는 저항 R1과 저항 R2의 연결노드에 연결된다.
버퍼증폭부(130)는 연산증폭기로 구현할 수 있다. 연산증폭기(130)의 비반전단자는 전압증폭부(120)의 출력단에 연결되며 반전단자는 자신의 출력단과 공통으로 연결되며, 상기 출력단은 RC 발진회로(200)의 3개의 인버터(210, 220, 230)에 각각 연결되는 구성을 갖는다.
마이크로파워 RC 발진기(400)는 필요에 따라 RC 발진회로(200)에서 출력되는 발진신호의 전압레벨을 발진신호의 피공급처에서 필요로 하는 소정의 레벨로 승압하여 출력하는 출력레벨변환회로(300)를 더 구비할 수 있다. 이 출력레벨변환회로(300)는 RC 발진회로(200)의 출력단에 연결되어 RC 발진회로(200)에서 출력되는 발진신호를 승압시켜 출력하는 레벨쉬프트부(310)와 이 레벨쉬프트부(310)의 출력단에 연결되어 승압된 발진신호의 입력을 이용하여 출력단에 나타나는 발진신호의 진폭이 공급전압 Vdd의 레벨에 거의 일치되도록 신호처리를 하는 출력버퍼부(320)를 포함한다. 이 출력버퍼부(320)를 통해 외부의 응용대상에 발진신호가 전달된다.
도 2는 구동전원회로(100)를 구성하는 온도보상기준전압부(110)의 바람직한 일 실시예에 따른 회로 구성을 도시한다. 도 2에서, 구동전원회로(100)는 출력단 N3과 접지 사이에서 직렬 연결된 저항 R4와 MOS트랜지스터(MN7)를 포함하는 출력부(output stage)(114)와, 상기 출력단 N3에 연결되어 온도변화에 정비례하는 특성의 전류를 상기 출력단 지로에 제공하는 PTAT전류원(proportional to absolute temperature current source)(112)을 포함한다. MOS트랜지스터(MN7)는 소스와 게이트를 단락시켜 다이오드로 작용한다.
PTAT전류원(112)은, 도 2에 예시된 것처럼, 제1MOS트랜지스터 MN1과 제1저항 R5가 직렬 연결된 제1지로와 제2저항 R3과 제2MOS트랜지스터 MN4가 직렬 연결된 제2지로, 상기 제1 및 제2 지로에 지로전류 I를 공급하는 전류미러부(MP1, MP2, MN3)를 포함한다. 바람직하게는 제1저항 R5는 MOS트랜지스터(MN2)로 구현한다. 구체적으로, 상기 지로전류 I가 식 I = (Vgs4 - Vgs2)/(R5 + R3) = nVTlnK로 결정되도록 제2저항 R3의 양단은 상기 제1 및 제2 MOS트랜지스터 MN1과 MN2의 게이트에 각각 연결되어 제1 및 제2 지로는 폐루프를 형성한다. 여기서, n은 이상계수(ideality factor)이며, Vgs2와 Vgs3은 각각 약반전영역(weak inversion region)에서의 상기 제1 및 제2 MOS트랜지스터의 게이트-소스전압이며, VT는 상기 제1 및 제2 MOS트랜지스터의 문턱전압이며, K는 상기 제2MOS트랜지스터의 소스-드레인의 채널폭에 대한 상기 제1MOS트랜지스터의 소스-드레인의 채널폭의 크기 비를 나타낸다. PTAT전류원(112)은 또한 다수개의 MOS트랜지스터(MP3, MP4, MP5, MN5, MN6)를 이용하여 구성되는 전류미러링회로를 포함하며, 이러한 구성에 의해 이 전류미러링회로는 상기 제2지로의 지로전류 I를 미러링하여 출력단(114)에 공급해준다.
도 3은 가변저항부(Rv, 240)의 바람직한 회로구성을 포함하는 RC발진회로(200)의 구성을 예시적으로 도시한다. 가변저항부는 가변저항 Rv와 저항값조정부(240)로 구성된다.
가변저항 Rv는 다수개의 단위 가변저항 Rv1, Rv2, Rv3, Rv4를 포함한다. 각각의 단위저항은 절대온도의 변화에 대하여 상반된 저항특성을 갖는 P+확산저항과 폴리실리콘저항이 직렬로 결합되어 자기온도보상(self-temperature compensated) 특성을 갖는다. 도면에서 P+확산층은 250a, 252a, 254a, 256a로 나타내져 있고, Rpoly 영역은 250b, 252b, 254b, 256b로 나타내져 있다.
저항값조정부(240)는 외부로부터 제공되는 저항값 설정데이터에 의거하여 다수개 단위저항들중에서 발진주파수의 결정에 기여하는 유효저항을 선택하는 회로이다. 이와 같은 기능을 위해 저항값조정부(240)는 상기 저항값 설정데이터를 디코딩하여 다수개의 출력포트로 출력하는 디코더(280)와, 디코더(280)의 각 출력포트에 각각 연결되어 상기 각 출력포트의 출력값을 인버팅하기 위한 다수개의 인버터(266, 268, 270, 272), 그리고 상기 단위 가변저항들 Rv1, Rv2, Rv3, Rv4에 각각 대응하는 다수의 양방향 전송게이트(bidirectional transmission gate 또는 bidirectional transducer)(258, 260, 262, 264)들을 포함한다. 양방향 전송게이트들(258, 260, 262, 264) 각각의 일단은 서로 공통으로 접속되고 타단은 다수개의 단위저항들(250a, 250b), (252a, 252b), ..., (256a, 256b)의 일단에 각각 개별적으로 접속되며, 양방향 전송게이트들(258, 260, 262, 264) 각각의 제1제어단은 디코더(280)의 대응 출력포트에 연결되고 제2제어단은 상기 대응 출력포트에 연결된 인버터의 출력단에 연결된다. 이와 같은 구성에 의해 양방향 전송게이트들(258, 260, 262, 264) 은 RC발진회로(200)의 출력단에서 얻어지는 출력전압 V2의 발진주파수의 값을 결정하는 데 유효하게 기여하는 가변저항 Rv의 유효저항값을 선택하는 저항선택부의 역할을 담당하게 된다.
도 4는 도 1에 도시된 출력레벨변환회로(300)의 바람직한 구성을 예시적으로 도시한다. 출력레벨변환회로(300)는 저전압 펄스(V2)를 고전압(Vdd)의 펄스로 승압시켜주는 레벨쉬프트부(310)를 포함한다. 발진신호의 수요처가 레벨쉬프트부(310)에서 출력되는 발진신호의 진폭과는 다른 진폭의 발진신호를 필요로 한 경우에는 레벨쉬프트부(310)의 발진신호의 진폭을 버퍼링하여 상기 수요처가 필요로 하는 진폭의 발진신호로 변환시키는 출력버퍼부(320)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
도 4에서 도시된 레벨쉬프트부(310)는 교차결합형(cross-coupled type)으로서, 게이트가 디스에이블스위치(DS)에 연결되며 일단이 접지단에 연결된 MOS트랜지스터 MN10과, 공급전압 Vdd와 MOS트랜지스터 MN10 사이의 제1지로에 직렬로 연결되는 다수의 MOS트랜지스터 MP6, MP7 및 MN8과, 공급전압 Vdd와 MOS트랜지스터 MN10 사이의 제2지로에 직렬로 연결되는 또 다른 다수의 MOS트랜지스터 MP8, MP9 및 MN9와, 입력단 N4와 MOS트랜지스터 MN9의 베이스단 사이에 개재되어 CLKA의 논리값을 반전시키는 인버터(312)를 포함한다. MOS트랜지스터 MP7과 MP9는 드레인과 게이트를 단락시켜 다이오드로 작용하도록 구성하고, MOS트랜지스터 MP6과 MOS트랜지스터 MP8의 각 게이트는 MOS트랜지스터 MN9와 MOS트랜지스터 MN8에 각각 교차 연결된다.
출력버퍼부(320)는 출력단 N6과 접지단 사이에 직렬로 연결된 MOS트랜지스터 MN11 및 MN12와, 출력단 N6과 공급전압 Vdd 사이에 병렬로 연결된 MOS트랜지스터 MP10 및 MP11을 포함한다. MOS트랜지스터 MP10 및 MN12의 게이트는레벨쉬프트부(310)의 출력단 N5에 접속되며 MOS트랜지스터 MN11과 MP11의 게이트는 마이크로파워 RC 발진기(400) 전체의 작동여부를 제어하는 디스에이블스위치(DS, 비도시)에 접속된다.
이상에서는 도 1 내지 도 4를 참조하면서 마이크로파워 RC 발진기(400)의 구성에 대하여 설명하였다. 이하에서는 이 마이크로파워 RC 발진기(400)의 동작특성을 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 온도보상기준전압부(110)의 특징은 MOS트랜지스터가 갖는 약반전영역(weak inversion region)에서의 절대온도에 대한 상보적인 특성(complementary to absolute temperature; 이하 CTAT라 함)을 이용하여 자기온도보상특성(self-temperature compensating characteristic)이 있는 기준전압회로라는 점이다. 온도보상특성에 대해 구체적으로 기술하면 다음과 같다. 폐루프 L1에 대한 전압식은 아래의 수식 (1)과 같다.
Vgs2 - Vgs3 = IR3 + IR5
이를 지로전류 I에 대하여 정리하면 다음과 같다.
I = (Vgs2 - Vgs3)/(R3 + R5)
한편, 약반전영역에서 부문턱드레인전류(subthreshold drain current) Id는 아래 수식(3)과 같이 표현된다.
Id = Ido (W/L)(eVgs/nVT)
수식(3)을 Vgs에 대하여 다시 정리하면
Vgs = nVTln(IL/IdoW)
과 같이 되므로, Vgs2와 Vgs3은 각각 다음과 같이 쓸 수 있다. 여기서, L은 소스와 드레인 사이에 전류가 흐르는 방향으로의 채널길이이며, W는 L과 직각방향을 이루는 채널폭이다.
Vgs2 = nVTln(IL/IdoW)
Vgs3 = nVTln(IL/IdoKW)
위 두 식으로부터 Vgs2와 Vgs3의 차이는
Vgs2 - Vgs3 = nVTln(IL/IdoW) - Vgs = nVTln(IL/IdoKW)
= nVTlnK
로 된다. 그러므로 출력단 N3에 나타나는 기준전압 Vref은
Vref = IR4 + Vgs7
로 쓸 수 있고, 수식 (7)을 수식 (2)에 대입하여 지로전류를 구한 다음, 그 결과를 수식 (8)에 대입하면 최종적으로 기준전압(Vref)은 아래 수식 (9)와 같다.
Vref = R4(nVTlnK)/(R3 + R5) + Vgs7
여기서, 'Vgs2 - Vgs3'의 온도계수는 절대온도에 대한 비례적(PTAT)인 특성을 가지므로 수식 (2)를 고려하면 지로전류 I도 같은 특성을 가지며 따라서 수식 (9)의 우변 첫째 항은 절대온도의 변화에 비례하여 그 값이 변한다. 이에 반해, MOS트랜지스터 MN7의 약반전영역에서 문턱전압의 온도계수는 CTAT특성을 가지므로 수식 (9)의 우변 둘째 항은 절대온도의 변화에 반비례적으로 변한다. 즉, 절대온도의 변화에 대한 수식 (9)의 우변의 두 항의 변화값은 서로 상쇄관계를 가지므로 온도보상기준전압부(110)에서 출력되는 기준전압 Vref는 온도변화에 무관하게 안정적인 레벨을 유지할 수 있다. 기준전압의 레벨은 공급전압 Vdd의 그것에 비해 낮으므로 RC 발진회로(200)에서의 전력소모량을 크게 줄일 수 있다. 나아가, K값의 조절을 통하여 수식 (9)의 우변 첫째항의 기울기를 조정할 수도 있어 회로설계시 이를 활용하면 유용할 것이다.
이 기준전압 Vref는 전압증폭부(122)의 비반전단자(+)의 기준전압으로 제공되어 그 레벨이 아래 수식 (10)에 따라 증폭된다.
V'ref = (1 + R1/R2) Vref
증폭된 기준전압 V'ref는 다시 버퍼증폭부(130)의 비반전단자로 제공된다. 버퍼증폭부(130)는 RC 발진회로(200) 등과 같이 후단에 연결되는 부하들의 구동에 필요한 충분한 전류량을 버퍼링하는 것에 의해 상기 기준신호의 팬아웃(fan-out) 능력을 증대시켜 구동전원 Vdda를 만들어내고 이를 RC발진회로(200)의 인버터(210, 220, 230)에 각각 공급해준다.
다음으로, RC 발진회로(200)의 회로동작을 도 3과 도 5를 참조하여 설명한다. 최선두 인버터(230)의 입력단에 연결된 캐패시터(C)의 제1전극 전압 V3을 "하이(Vdda)"로 가정할 때, 제2전극의 전압 V1은 Vdda+Vsp로 펌핑되고 출력단 전압 V2는 "로우(GND)"로 강제된다. 여기서, Vsp는 캐패시터 C의 초기전압이다. 전압V1이 방전하기 시작하여 로직 문턱전압(logic threshold voltage)까지 떨어졌을 때, 전압 V3은 "로우"로 반전되고 전압 V1 역시 Vsp-Vdda로 떨어지게 됨과 더불어 출력단 전압 V2는 다시 "하이(Vdda)"로 반전된다. 계속해서, 출력단 전압 V2에 의해 캐패시터 C는 다시 충전이 시작되어 전압 V1이 로직 문턱전압에 이르게 되면, V3은 다시 "하이"로 반전되고 출력단 전압 V2는 다시 "로우(GND)"로 반전된다. 이와 같이 캐패시터 C의 반복적인 충방전동작에 의해 출력단에는 도 5의 (b)에 도시된 구형파 펄스가 나타나게 된다.
도 5의 (a)에서, 방전시간 T1과 충전시간 T2를 구해보면 아래 수식 (11) 및 (12)와 같다.
-Vsp + (Vdda - Vsp)(1 - e-T1/RC) = Vsp
T1 = RvC ln{(Vdda + Vsp)/Vsp}
(Vdda + Vsp) e-T2/RC= Vsp
T2 = RvC ln{(Vdda + Vsp)/Vsp}
출력단 전압 파형 V2의 발진주기 T는 'T1+T2' 이므로 전압 파형 V2의 발진주파수 f_osc는
f_osc = 1/(T1 + T2) = 1/2RvC ln{(Vdda + Vsp)/Vsp}
로 나타내지며, 예컨대 Vsp = Vdda/2인 경우를 가정하면 발진주파수 f_osc는 대략
f_osc = 1/2.2RvC
가 된다.
위 수식 (14)에서 알 수 있듯이, 발진주파수 f_osc의 변화가 저항값 Rv와 정전용량 C의 크기에 의해 좌우되므로, 저항 Rv와 캐패시터 C의 공정허용오차(process tolerance)와 로트(lot)간 분포가 발진주파수 f_osc의 특성에 중요한 요소가 된다.
한편, 발진주파수 f_osc가 온도변화에 민감하게 변동하지 않도록 하기 위해서는 저항과 캐패시터의 온도특성이 안정적일 것이 요구된다. 그런데, 일반적으로 저항은 온도에 민감한 특성을 보인다. 저항의 온도의존성에 관한 식은 다음과 같다.
R(dT) = R25(1.0 + TC1*dT + TC2*dT2)
단, R25는 섭씨 25도에서의 면적저항(square resistance)이고, TC1과 TC2는 온도계수이며, dT는 섭씨 25도와 요소 온도의 차를 각각 나타낸다. 위 식에서 괄호안의 dT2은 무시해도 충분히 정확한 저항값을 얻을 수 있다.
아래 표 1은 0.6μ CMOS공정시에 있어서 각 저항별 온도계수를 보여준다.
저항 아이템 TC1(ppm/℃) TC2(ppm/℃) R25(Ω/?)
P+확산저항 957 3.31 120.74
폴리실리콘저항 -4110 9.21 3519
위 표에서 알 수 있듯이, P+확산저항(P+active)과 폴리실리콘저항(Rpoly)은 온도변화에 대하여 서로 상반된 특성을 갖는다.
도 6a와 6b는 P+확산저항과 폴리실리콘저항의 온도변화에 대한 저항특성을 보여준다. P+확산저항의 저항값은 온도변화에 대하여 비례관계를 가지는데 비해, Rpoly 저항의 저항값은 온도변화에 대하여 반비례관계를 가짐을 알 수 있다.
서로 상반된 온도특성을 갖는 상기 두 가지 저항 아이템을 혼용하여 단위 저항을 구성하면 상쇄효과에 의해 온도특성이 안정적인 저항을 구성할 수 있다는 점을 주목할 필요가 있다. 도 3의 가변저항 Rv는 여러 개의 단위 가변저항 Rv1, Rv2, Rv3, Rv4를 직렬로 결합하여 구성한 예를 보여준다. 그리고, 하나의 단위 가변저항은 위 두 가지 저항 아이템을 직렬로 조합하여 구성한다.
도 6a와 6b의 두 그래프를 비교해 보면, 기울기의 절대값이 서로 다르다는 사실을 알 수 있다. 이 사실은 단위 가변저항을 구성함에 있어서, 두 가지 저항 아이템을 단순히 동일한 비율로 포함해서는 온도변화에 대한 안정적인 저항값을 얻을 수가 없다는 것을 의미한다. 단위 가변저항이 온도변화에 대하여 안정적인 저항값을 갖기 위해서는, P+확산저항과 폴리실리콘저항이 갖는 온도계수 TC1과 TC2를 고려하여 양자를 적절한 비율로 조합해야 할 것이다. 그리고, 이러한 구성에 의해 단위 가변저항은 자기온도보상특성을 갖게 된다. 최적의 조합 비율을 구하는 것은 당업자에게는 비교적 용이할 것이므로 여기서는 더 이상 설명하지 않겠다.
한편, 발진신호의 피공급처 특성에 따라서는 발진주파수 f_osc의 값을 다르게 만들 필요가 있을 수 있다. 이러한 필요에 응하기 위해서는 RC 발진회로(200)의 캐패시터의 정전용량 및/또는 저항의 저항값을 가변시킬 수 있어야 한다. 이와 관련하여 본 발명은 도 3에 예시한 바와 같이 저항값을 가변적으로 설정할 수 있는 가변저항 Rv와 이의 저항값을 조정하는 저항값조정부(240)를 포함하는 RC발진회로를 제안한다.
가변저항 Rv의 저항값은 각 단위 가변저항에 대응하는 양방향전송게이트(258, 260, 262, 264)의 온 또는 오프 상태에 따라 결정된다. 양방향 전송게이트는 두 방향중 어느 방향으로나 동일한 전달특성을 나타내는 소자로서, 캐패시터 C가 충방전을 되풀이하기 때문에 전송게이트도 양방향형을 채용할 필요가 있다. 양방향 전송게이트(258, 260, 262, 264) 각각의 온/오프는 디코더(280)의 대응 출력포트의 로직레벨과 상기 대응출력포트에 연결된 인버터의 출력값의 로직레벨에 의해 결정된다. 도 3에 예시된 것처럼 단위 가변저항과 양방향 전송게이트의 개수를 4개로 한 경우에는 디코더(280)의 입력데이터는 2비트로 구성된다. 이 2비트 입력데이터는 외부수단으로부터 주어진다. 이 외부수단은 가변저항 Rv의 저항값의 가변적 조정을 통해 발진주파수를 선택하는 제어수단일 수 있다.
가변저항부를 위와 같이 구성을 하면 마이크로파워 RC발진기회로(400)를 원-칩(one-chip)으로 구현할 때 가변저항 Rv과 저항값조정부(240)도 그 칩안에 내장할 수 있는 구성이다.
아래 표 2는 디코더(280)의 2비트 입력데이터 s0, s1에 대한 디코더(280)의 출력포트 p0, p1, p2, p3의 로직 상태 및 각 로직 상태에 대응되는 가변저항 Rv의 크기를 나타낸다.
(s0, s1) (p0, p1, p2, p3) Rv
(0, 0) (0, 0, 0, 0) Rv1+Rv2+Rv3+Rv4
(0, 1) (0, 0, 1, 1) Rv1+Rv2+Rv3
(1, 0) (0, 1, 0, 1) Rv1+Rv2
(1, 1) (1, 0, 0, 1) Rv1
위의 표 2에서 알 수 있듯이, 가변저항 Rv의 크기는 디코더(280)의 입력값에 따라 변경되며 궁극적으로 출력전압 V2의 발진주파수 또한 디코더(280)의 입력값을이용하여 가변시킬 수 있게 된다.
다음으로, 도 4를 참조하면서 출력레벨변환회로(300)의 동작을 설명한다. 도 4의 레벨쉬프트부(310)는 입력단 N4를 통해 0~V2의 스윙폭을 갖는 RC발진회로(200)의 출력단에 나타나는 발진신호 V2를 입력받아서 출력단 N5를 통해서는 입력신호의 진폭보다 더 큰 스윙폭을 갖는 발진신호를 출력한다. 레벨쉬프트부(310)로부터 얻어지는 큰 스윙폭의 발진신호는 인버터회로로 기능하는 출력버퍼부(320)를 거치면서 공급전압 Vdd의 스윙폭을 갖는 발진신호로 변환 출력된다.
이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
디스에이블스위치(DS)는 마이크로파워 RC 발진기(400) 전체의 구동을 제어하는 스위칭수단으로서, 마이크로파워 RC 발진기(400)를 작동시키는 동안에는 항상 "하이" 신호가 입력되므로 MOS트랜지스터 MN10과 MN11은 온으로 되고 MP11은 오프로 된다.
레벨쉬프트부(310)의 MOS트랜지스터 MN8과 MN9의 게이트에는 RC발진회로(200)의 발진신호 CLKA(=V2)와 이의 반전신호 CLKB가 각각 입력된다. 외부로부터 제공되는 디스에이블스위치(비도시)의 신호 DS가 "하이"라는 전제하에, 발진신호 CLKA가 "하이"인 경우 MOS트랜지스터 MN8과 MN9는 각각 "온"과 "오프"로 된다. 그 결과 MOS트랜지스터 MP8과 MP6은 각각 "온"과 "오프"로 되어 출력노드 N5에는 거의 공급전압 Vdd에 가까운 전압, 엄밀하게는 Vdd-Vgs가 나타난다. 이와 반대로 발진신호 CLKA가 "로우"인 경우 MOS트랜지스터 MN8과 MN9는 각각 "오프"와 "온"으로 되오 출력노도 N5에는 접지전압이 나타난다.
출력노드 N5의 전압이 Vdd-Vgs로 유지되는 동안에는 MOS트랜지스터 MP10은 오프로 되고 MOS트랜지스터 MN12가 온이 되어 출력노드 N6에는 접지전압이 나타난다. 반대로 출력노드 N5에 접지전압이 걸리면 이번에는 반대로 MOS트랜지스터 MP10이 온이 되고 MOS트랜지스터 MP12는 오프로 되어, 출력노드 N6에는 완전한 레벨(full-level)의 공급전압 Vdd가 나타난다.
이상에 설명한 RC 발진회로는 낮은 전력소모량을 갖도록 하기 위한 고려가 되어 있다. RC 발진회로(200)에서의 전력소모 Pavg 는 다음과 같이 RC 발진회로(200)에 공급되는 전압 Vdda와 전류 Iavg의 곱으로 나타낼 수 있으므로, 아래 식 (16)으로 나타낼 수 있다.
Pavg = Vdda * Iavg = Vdda * (Q/T)
= Vdda * (CVdda)/T = C(Vdda)2/T
= C(Vdda)2f_osc
윗 식에서 RC 발진기회로(200)에서의 소모전력은 구동전원 Vdda의 전압레벨에 가장 크게 좌우됨을 알 수 있다. 그런데, 구동전원회로(100)의 버퍼증폭부(130)를 전압폴로워(voltage follower)로 구성하면 RC 발진기회로(200)에서 필요로 구동전원의 전압레벨은 증대시키지 않으면서 전류구동능력은 충분히 증대시킬 수 있다. 이에 의해 RC 발진기를 저전력형으로 구성할 수 있다.
나아가, 도 4에 예시된 출력레벨변환회로(300)는 전력소모량이 작은 타입이다. 발진신호의 피공급처에서 필요로 하는 레벨로 승압시키기 위해 레벨쉬프트부(310)가 만들어내어야 하는 전압은 단지 MOS트랜지스터 MP10과 MN12의 게이트 온/오프에 필요한 정도의 낮은 전압이므로, 레벨쉬프트부(310)에서의 전력소모량 또한 매우 낮다.
발명자는 이상에서 설명한 마이크로파워 RC 발진기(400)의 개념을 저전압 LDI(LCD driver IC)에 응용하기 위해 20Khz~40Khz 저전압(1.8V~3.6V) 저전력 RC 발진기회로를 설계하고 그 특성을 측정해보았다. 회로사이즈는 0.076mm x 0.032mm 이고, 적용된 제조공정은 0.65㎛ n-well CMOS 제조공정이었다. 특성 측정에 있어서 주관심사항은 공급전압 Vdd에 대한 주파수, 전류, 기준전압 및 듀티의 변화특성과 온도에 대한 주파수, 전류 및 기준전압의 변화이다. 실제로 만든 마이크로파워 RC 발진기(400)에 있어서, 회로의 정상적인 공급전압(normal supply voltage)은 2.4V이고 접지단으로 흐르는 회로의 총 소비전류(current consumption) Idd는 6.3㎂ 정도이다.
도 7a 내지 도 7d는 마이크로파워 RC 발진기(400)의 공급전압(supply voltage) Vdd를 1.8~3.6V 범위에서 가변시켰을 때 마이크로파워 RC 발진기(400)에서 얻어지는 발진신호의 발진주파수(frequency), 상기 총 소비전류 Idd, 상기 발진신호의 듀티비, 그리고 온도보상기준전압부(110)에서 얻어지는 기준전압 Vref의 변화특성을 도시한다. 도면의 그래프를 통해서 알 수 있는 바와 같이, 측정결과에 따르면 상기 발진신호의 발진주파수와 소비 전류 Idd는 대략 200Hz(34.15~34.35Khz)와 270nA(6.28~6.55㎂) 정도의 편차를 보였다. 이로부터 알 수 있듯이, 발진주파수나 소비전류는 공급전압 Vdd의 변동에 대해 무시할 수 있는 정도의 변화만 보여 매우 안정적이다고 평가할 수 있다. 또한, 공급전압에 대한 출력 발진신호의 듀티비와 상기 기준전압 Vref의 변화폭은 각각 대략 0.35% 및 0.015V 정도로 이 또한 큰 변화 없이 안정적인 특성을 보이는 것으로 확인되었다.
도 7e 내지 도 7g는 온도변화에 대한 마이크로파워 RC 발진기(400)의 상기 발진주파수, 상기 총 소비전류 Idd 및 상기 기준전압 Vref의 변화 특성을 도시한다. -45℃~100℃ 정도의 온도변화에 대한 발진주파수의 편차는 대략 1.43Khz 정도이고, 총 소비전류 Idd와 기준전압 Vref는 각각 대략 4㎂와 0.02V 정도의 변화폭을 보였다. 온도범위가 -25℃~75℃ 정도의 동작영역에서의 온도변화에 대하여 소비전류 Idd는 5.16~8.13㎂ 정도의 편차를 나타내고 기준전압 Vref의 편차는 대략 21.3mA 정도를 나타냈다. 본 발명은 저항에 초점을 맞추어 안정적인 온도특성을 얻기 위한 고려를 제안하였지만, 저항에만 국한하지 않고 RC 발진회로(200)의 캐패시터(C)나 양방향 전송게이트들(258~264)의 온도특성까지도 안정화시킬 수 있는 설계상의 고려를 한다면 특성의 편차는 더욱 줄일 수 있을 것이다.
도 7h는 디코더(280)의 입력 데이터에 대한 발진신호의 발진주파수의 변동특성을 보여준다. 디코더(280)의 입력데이터 3비트로 하여(도 3에서는 편의상 2비트인 경우를 예시적으로 설명하였음) 그 값을 1에서 8까지 가변시킨 경우 가변저항 Rv의 저항값이 변화하면서 발진주파수의 크기가 가변되는데, 이 때 발진주파수의 변화폭은 9KHz 정도가 되었다.
한편, 도 2에 도시된 온도보상기준전압부(110)의 출력단(114)의 트랜지스터는 온도에 대한 전압변동특성과 제조공정상의 요건을 충족시킨다면 MOS 트랜지스터가 아니더라도 상관없다. 즉, 출력단의 트랜지스터가 온도변화에 대하여 반비례적인 전압강하특성 즉 CTAT 특성을 가질 것, 그리고 PTAT 전류원(112)을 구성하는 MOS 트랜지스터와 함께 제조될 수 있다면 바이폴라트랜지스터도 가용하다. 예컨대, 도 8과 도 9는 출력단의 트랜지스터를 MOS 트랜지스터 대신 바이폴라트랜지스터로 채용한 경우의 온도보상기준전압부의 회로구성예를 각각 도시한다.
도 8의 출력단(114-1)의 트랜지스터는 CMOS공정에 의해 제조되는 기판 바이폴라트랜지스터(substrate bipolar transistor)(Q1) 이고, 도 9의 출력단(114-2)의 트랜지스터는 BiCMOS공정에 의해 제조되는 바이폴라트랜지스터(Q2)이다. 기판 바이폴라트랜지스터는 구조적으로 에미터가 P형 기판에 연결된 바이폴라트랜지스터로서 CMOS공정에서 제조가능한 바이폴라트랜지스터이다. 도 8과 도 9는 각각 SPNP(substrate PNP)형 바이폴라트랜지스터(Q1)와 NPN형 바이폴라트랜지스터(Q2)를 채용한 경우를 예시하고 있으며, 바이폴라트랜지스터(Q1, Q2) 각각은 컬렉터와 베이스가 단락되어 다이오드로 작용한다.
도 8 또는 도 9에서, 출력노드 N3에서의 기준전압 Vref는 다음과 같이 쓸 수 있다. 잘 알려진바와 같이 바이폴라트랜지스터는 온도변화에 대한 베이스-에미터 전압 VBE의 변화특성이 -2.0mV/℃로서 기본적으로 CTAT특성을 갖는다. 따라서, 아래 식에서 IR4는 PTAT특성을 나타내고 VBE1또는VBE2는 CTAT특성을 나타낸다.
Vref = IR4 + VBE1혹은
= IR4 + VBE2
여기서, VBE1또는VBE2는 바이폴라트랜지스터(Q1 또는 Q2)의 베이스-에미터 전압이다.
RC 발진기회로에 있어서 대표적으로 중요한 문제(issue)는 전력공급량의 축소, 온도에 대한 독립적인 회로구성 그리고 저항과 캐패시터의 공정허용오차(process tolerance)의 최소화 문제 등이다. 회로의 실제 구현과 특성의 측정을 통해 확인할 수 있듯이, 본 발명에 의한 RC 발진기회로는 우선 온도변화에 대하여 안정적인 주파수특성을 가지므로 온도변화에 크게 영향을 받지 않고 정확한 발진신호를 만들어낼 수 있다. 나아가, RC 발진기회로에 제공하는 구동전압의 레벨을 낮게 하고 출력레벨변환회로에서도 저전압을 이용하므로써 발진기회로를 저전력형으로 구성할 수 있어 휴대용 전자장치의 클럭신호원으로서의 응용성이 좋다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구의 범위에 기재된 본발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있다. 예컨대, 도 2나 도 4의 회로를 구성하는 MOS트랜지스터들의 종류를 변경시켜서 예컨대, N형을 P형으로 혹은 반대로 P형을 N형으로 변경시켜 새로운 회로를 구성할 수도 있고 또한, 도 8에서 바이폴라트랜지스터(Q1 또는 Q2)를 PNP형 바이폴라트랜지스터로 변경할 수도 있을 것이다. 이와 같은 변형 예는 본 발명의 특허청구범위의 등가적인 의미나 범위에 속하는 변화예임을 밝혀둔다.

Claims (24)

  1. 온도변화에 대하여 서로 상반된 특성을 갖는 전류원과 부하를 이용하여 온도변화에 대하여 안정적인 전압레벨의 기준신호를 얻고, 상기 기준신호의 전류 팬아웃(fan-out) 능력을 증대시켜 구동전원을 생성하는 구동전원회로수단; 및
    각각이 상기 구동전원회로수단으로부터 상기 구동전원을 제공받아 구동되는 직렬 연결된 다수개의 인버터회로와, 출력단에 연결된 최선두 인버터의 출력단과 최후방 인버터의 입력단 사이에 개재되어 폐루프를 형성하는 가변저항과 최후방 인버터의 입력단과 상기 가변저항의 접속노드와 상기 최선두 인버터의 입력단 사이에 개재되는 캐패시터를 포함하는 RC회로를 포함하여, 상기 가변저항은 외부에서 제공되는 저항값데이터에 응하여 그 크기가 가변적으로 설정되며 온도변화에 대하여 서로 상반된 특성을 갖는 저항요소를 소정의 비율로 조합하여 구성되며, 상기 출력단에는 상기 RC회로의 시정수에 의해 정해지는 주파수로 발진하는 발진신호가 나타나는 RC발진회로수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로파워 RC 발진기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 RC발진회로수단에서 출력되는 발진신호의 전압레벨을 소정의 레벨로 쉬프팅하여 출력하는 출력레벨변환수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로파워 RC 발진기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 가변저항은 온도변화에 대하여 상반된저항특성을 갖는 P+확산저항과 폴리실리콘저항을 소정의 비율로 결합하여 자기온도보상 특성을 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로파워 RC 발진기.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 가변저항은 다수개의 단위저항; 및
    외부로부터 제공되는 저항값 설정데이터에 의거하여 상기 다수개 단위저항들중에서 발진주파수의 결정에 기여하는 유효저항을 선택하기 위한 저항값조정부를 구비하며,
    상기 다수개의 단위저항 각각은 온도변화에 대하여 상반된 저항특성을 갖는 P+확산저항과 폴리실리콘저항이 직렬 결합하여 자기온도보상특성을 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로파워 RC 발진기.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 다수개의 단위저항은 서로 직렬로 연결되고,
    상기 저항값조정부는 상기 저항값 설정데이터를 디코딩하여 다수개의 출력포트로 출력하는 디코더;
    상기 디코더의 각 출력포트에 각각 연결되어 상기 각 출력포트의 출력값을 인버팅하기 위한 다수개의 인버터; 및
    상기 단위저항에 각각 대응하는 다수의 양방향 전송게이트들을 포함하며 상기 양방향 전송게이트들 각각의 일단은 서로 공통 접속되고 타단은 상기 다수개의 단위저항의 일단에 각각 접속되며 상기 양방향 전송게이트들 각각의 제1제어단은상기 디코더의 대응 출력포트에 연결되고 제2제어단은 상기 대응 출력포트에 연결된 인버터의 출력단에 연결되는 저항선택부를 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로파워 RC 발진기.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 출력레벨변환수단은 상기 RC발진회로수단에서 제공되는 상기 발진신호에 응하여 상기 발진신호의 진폭보다 더 큰 진폭을 갖는 승압된 발진신호로 변환시켜 출력하는 레벨쉬프트회로; 및
    상기 승압된 발진신호의 입력에 응하여 출력 발진신호의 진폭을 공급전압의 레벨에 맞추어 출력하는 출력버퍼회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로파워 RC 발진기.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 구동전원회로수단은
    제1저항(R4) 및 상기 제1저항(R4)에 직렬 연결되고 온도변화에 대하여 반비례적인 전압강하특성을 나타내는 제1트랜지스터로 구현된 다이오드를 포함하는 출력단(output stage)과, 상기 출력단에 연결되어 온도변화에 정비례하는 특성의 전류를 상기 출력단 지로에 제공하는 PTAT전류원을 구비하며, 상기 기준신호는 상기 출력단의 양단에 걸리는 전압이 되도록 구성된 온도보상기준전압부; 및
    상기 온도보상기준전압부가 생성한 상기 기준신호의 팬아웃(fan-out) 능력을 증대시키기 위한 버퍼증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파워 RC 발진기.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 제1 트랜지스터는 약반전영역에서 소스-게이트전압이 온도변화에 반비례하는 특성을 나타내는 MOS트랜지스터(MN7)인 것을 특징으로 하는 마이크로파워 RC 발진기.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 제1 트랜지스터는 BiCMOS공정에 의해 제조되는 NPN형 바이폴라트랜지스터인 것을 특징으로 하는 마이크로파워 RC 발진기.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 제1 트랜지스터는 CMOS공정에 의해 제조되는 SNPN(substrate NPN)형 바이폴라트랜지스터인 것을 특징으로 하는 마이크로파워 RC 발진기.
  11. 제 7항에 있어서, 상기 온도보상기준전압부와 상기 버퍼증폭부 사이에 개재되어, 상기 온도보상기준전압부가 생성한 상기 기준신호의 전압레벨을 증폭시켜 상기 버퍼증폭부로 제공하는 전압증폭부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로파워 RC 발진기.
  12. 제 7항에 있어서, 상기 PTAT전류원은 제2MOS트랜지스터(MN1)와 제2저항(R5)이 직렬 연결된 제1지로, 제3저항(R3)과 제3MOS트랜지스터(MN4)가 직렬 연결된 제2지로, 그리고 상기 제2저항(R5) 및 상기 제3저항(R3)에 지로전류(I)를 공급하는 미러전류원을 포함하며, 상기 지로전류(I)가 아래 식
    I = (Vgs4-Vgs2)/(R5+R3) = nVTlnK
    로 결정되도록 상기 제3저항(R3)의 양단은 상기 제2MOS트랜지스터(MN1)와 상기 제2MOS트랜지스터(MN4)의 게이트에 각각 연결되는 구성의 제1회로; 및
    상기 제1회로의 지로전류를 미러링하여 상기 부하에 공급하는 제2회로를 포함하며,
    상기 식에서, n은 이상계수(ideality factor)이고, Vgs2와 Vgs3은 각각 약반전영역에서의 나타나는 상기 제2 및 제3 MOS트랜지스터(MN1, MN4)의 게이트-소스전압이며, VT는 상기 제2 및 제3 MOS트랜지스터(MN1, MN4)의 문턱전압이며, K는 상기 제2 MOS트랜지스터(MN1)와 상기 제3 MOS트랜지스터(MN4) 사이의 소스-드레인 채널폭(W)의 크기 비를 나타내는 것을 특징으로 하는 마이크로파워 RC 발진기.
  13. 출력단자와 접지사이에서 직렬결합된 출력단 저항과 출력단 트랜지스터로 구현된 다이오드를 포함하며 상기 출력단 트랜지스터는 온도변화에 대하여 반비례적인 전압강하특성을 갖는 출력단부(output stage)와, 상기 출력단부에 연결되어 온도변화에 정비례하는 전류특성의 PTAT전류원을 구비하며, 상기 출력단자에 온도변화에 대하여 안정적인 전압레벨의 기준신호가 나타나는 온도보상기준전압수단;
    상기 온도보상기준전압수단이 생성한 상기 기준신호의 전압레벨을 증폭시켜출력하기 위한 전압증폭수단;
    상기 전압증폭수단에 의해 증폭된 기준신호를 전압폴로워 방식으로 버퍼링하여 팬아웃(fan-out) 능력이 증대된 구동전원을 출력하기 위한 버퍼증폭수단;
    버퍼증폭수단으로부터 각각 상기 구동전원을 제공받아 구동되는 직렬 연결된 다수개의 인버터와, 출력단에 연결된 최선두 인버터의 출력단과 최후방 인버터의 입력단 사이에 개재되어 폐루프를 형성하며 외부에서 제공되는 저항값설정데이터에 따라 그 저항값이 가변되는 가변저항부와, 상기 최선두 인버터의 입력단과 상기 최후방 인버터의 입력단 사이에 개재되는 캐패시터를 포함하는 RC회로를 포함하여, 상기 출력단에 상기 RC회로의 시정수에 의해 정해지는 발진주파수의 발진신호를 생성하는 RC발진회로수단; 및
    상기 발진신호를 소정의 레벨로 승압시켜 출력하는 레벨쉬프트회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로파워 RC 발진기.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 출력단 트랜지스터는 약반전영역에서 소스-게이트전압이 온도변화에 반비례하는 특성을 나타내는 MOS트랜지스터(MN7)인 것을 특징으로 하는 마이크로파워 RC 발진기.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 출력단 트랜지스터는 BiCMOS공정에 의해 제조되는 NPN형 바이폴라트랜지스터인 것을 특징으로 하는 마이크로파워 RC 발진기.
  16. 제 13항에 있어서, 상기 출력단 트랜지스터는 CMOS공정에 의해 제조되는 SNPN(substrate NPN)형 바이폴라트랜지스터인 것을 특징으로 하는 마이크로파워 RC 발진기.
  17. 제 13항에 있어서, RC발진회로수단내의 상기 가변저항부는 다수개의 단위저항; 및
    상기 저항값설정데이터에 의거하여 상기 다수개 단위저항들중에서 상기 발진주파수의 결정에 유효하게 기여하는 유효저항을 선택하기 위한 저항값조정부를 구비하며,
    다수개의 단위저항 각각은 온도변화에 대하여 상반된 특성을 갖는 P+확산저항과 폴리실리콘저항을 소정의 비율로 포함하여 안정적인 온도특성을 나타내도록 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로파워 RC 발진기.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 다수개의 단위저항들은 서로 직렬로 연결되고,
    상기 저항값조정부는 상기 저항값 설정데이터를 디코딩하여 다수개의 출력포트로 출력하는 디코더;
    상기 디코더의 각 출력포트에 각각 연결되어 상기 각 출력포트의 출력값을 인버팅하기 위한 다수개의 인버터; 및
    상기 단위저항에 각각 대응하는 다수의 양방향 전송게이트들을 포함하며 상기 양방향 전송게이트들 각각의 일단은 서로 공통 접속되고 타단은 상기 다수개의 단위저항의 일단에 각각 접속되며 상기 양방향 전송게이트들 각각의 제1제어단은 상기 디코더의 대응 출력포트에 연결되고 제2제어단은 상기 대응 출력포트에 연결된 인버터의 출력단에 연결되는 저항값선택부를 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로파워 RC 발진기.
  19. 제 13항에 있어서, 상기 PTAT전류원은 제1MOS트랜지스터(MN1)와 제1저항(R5)이 직렬 연결된 제1지로, 제2저항(R3)과 제2MOS트랜지스터(MN4)가 직렬 연결된 제2지로, 상기 제1 및 제2 저항에 지로전류(I)를 공급하는 전류미러부를 포함하며 상기 지로전류(I)가 아래 식
    I = (Vgs4-Vgs2)/(R5+R3) = nVTlnK로 결정되도록 상기 제2저항(R3)의 양단은 상기 제1 및 제2 MOS트랜지스터(MN1, MN4)의 게이트에 각각 연결되는 구성의 제1회로; 및
    상기 제1회로의 지로전류를 미러링하여 상기 부하에 공급하는 제2회로를 포함하며,
    여기서 Vgs2와 Vgs3은 각각 약반전영역에서의 나타나는 상기 제1 및 제2 MOS트랜지스터의 게이트-소스전압이며, VT는 상기 제1 및 제2 MOS트랜지스터의 문턱전압이며, K는 상기 제2MOS트랜지스터에 대한 상기 제1MOS트랜지스터의 크기 배율을 나타내는 것을 특징으로 하는 마이크로파워 RC 발진기.
  20. 제 13항에 있어서, 상기 승압된 발진신호의 입력에 응하여 출력신호의 레벨이 공급전압에 맞도록 버퍼링하여 출력하는 출력버퍼회로를 더 구비하는 것을 특징으로 마이크로파워 RC 발진기.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 레벨쉬프트회로와 상기 출력버퍼회로는 외부로부터 제공되는 디스에이블신호에 의해 작동이 중단되는 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로파워 RC 발진기.
  22. 각각이 구동전원을 독립적으로 제공받아 구동되는 직렬 연결된 다수개의 인버터회로; 및
    출력단에 연결된 최선두 인버터의 출력단과 최후방 인버터의 입력단 사이에 개재되어 폐루프를 형성하며 외부에서 제공되는 저항값설정데이터에 따라 그 저항값이 가변되는 가변저항부와 상기 최선두 인버터의 입력단과 상기 최후방 인버터의 입력단 사이에 개재되는 캐패시터를 포함하는 RC회로를 구비하며,
    상기 가변저항부는 다수개의 단위저항; 및
    상기 저항값설정데이터에 의거하여 상기 다수개 단위저항들중에서 발진주파수의 결정에 기여하는 유효저항을 선택하기 위한 저항값조정부를 구비하며, 다수개의 단위저항 각각은 온도변화에 대하여 상반된 특성을 갖는 P+확산저항과 폴리실리콘저항을 안정적인 온도특성을 나타내도록 소정의 비율로 포함하여,
    상기 RC회로의 시정수에 의해 정해지는 발진주파수를 갖는 발진신호를 상기 출력단에 생성하는 것을 특징으로 하는 RC 발진회로.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 저항값조정부는
    상기 저항값 설정데이터를 디코딩하여 다수개의 출력포트로 출력하는 디코더;
    상기 디코더의 각 출력포트에 각각 연결되어 상기 각 출력포트의 출력값을 인버팅하기 위한 다수개의 인버터; 및
    상기 단위저항에 각각 대응하는 다수의 양방향 전송게이트들을 포함하며, 상기 양방향 전송게이트들 각각의 일단은 서로 공통 접속되고 타단은 상기 다수개의 단위저항의 일단에 각각 접속되며 상기 양방향 전송게이트들 각각의 제1제어단은 상기 디코더의 대응 출력포트에 연결되고 제2제어단은 상기 대응 출력포트에 연결된 인버터의 출력단에 연결되는 저항값선택부를 구비하는 것을 특징으로 하는 RC 발진회로.
  24. 제 22항에 있어서, 상기 가변저항부와 상기 디코더를 단일 칩에 내장하여 구성되는 것을 특징으로 하는RC 발진회로.
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