KR20020002951A - Reference voltage generator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자의 기준전압을 발생시키는 기준전압 발생회로로서, 모스의 프로세스 파라미터에 민감하면서 저항값이 아닌 그 비로 온도를 보상시킴으로써 저항 트리밍이 불필요하고, 모스 프로세스 변화에 따른 속도와 전류소모 변화를 줄이는 방향으로 기준전압을 움직이도록 하는 기준전압 발생기에 관한 것이다.The present invention is a reference voltage generation circuit for generating a reference voltage of a semiconductor device, which is sensitive to a process parameter of MOS and compensates for temperature by a ratio other than a resistance value, which does not require resistance trimming, and changes in speed and current consumption due to changes in a MOS process. It relates to a reference voltage generator for moving the reference voltage in the direction of reducing.
반도체 메모리 소자에서 내부 전원으로 사용하는 내부 전압 발생기(Vint generator)는 높은 외부 전압(External voltage)을 공급받아 낮은 내부 전압(Internal voltage)을 만드는 회로이다.An internal voltage generator (Vint generator) used as an internal power source in a semiconductor memory device is a circuit that receives a high external voltage and generates a low internal voltage.
일반적으로, 메모리 반도체의 최근 추세가 저전압, 저소비 전력화되어 감에 따라 16메가 디램 제품에서도 내부 전압 발생기를 채용하고 있다. 내부 전압 발생기는 높은 외부전압을 가했을 때, 내부적으로 낮은 전압을 만들어 칩을 동작시킴으로써 소비 전력을 줄이고 성능을 향상시키는 것이다.In general, as the recent trend of memory semiconductors becomes low voltage and low power consumption, the internal voltage generator is also adopted in 16-mega DRAM products. The internal voltage generator reduces the power consumption and improves performance by operating the chip by applying a low voltage internally when a high external voltage is applied.
이러한 내부전압 발생기에서 특히 온도나 외부 전압 변동에 대해 안정하게 일정한 전압을 공급해 주는 회로를 기준 전압 발생기라고 한다.In such an internal voltage generator, a circuit that supplies a constant voltage stably against temperature or external voltage fluctuations is called a reference voltage generator.
이러한 종래의 기준전압 발생기를 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명하고자 한다.This conventional reference voltage generator will be described with reference to FIGS. 1 to 5.
도 1은 종래의 VBE기준 전압 발생기에 관한 회로도이다.1 is a circuit diagram of a conventional V BE reference voltage generator.
먼저, VBE기준 전압 발생기(10)는 바이폴라(Bipolar)형 기준전압 발생기로 음의 온도계수 즉, -2㎷/℃의 온도계수를 갖는다. 이 VBE기준 전압 발생기(10)는 저항(12) 및 에미터 접지된 바이폴라 트랜지스터(11)로 구성된다. 바이폴라 트랜지스터(11)는 다이오드형으로 연결되어 그 게이트 단자와 콜렉터 단자가 연결됨으로써 항상 일정한 다이오드 전압이 인가되도록 한다. 즉, 베이스 단자와 콜렉터단자를 연결하여 다이오드화하면 베이스 에미터 간의 전압인 VBE와 일치하는 기준전압(VREF)을 만들 수 있다. 또한, 직렬 연결된 트랜지스터(11)의 갯수에 따라 전압 레벨을 조정할 수 있다.First, the V BE reference voltage generator 10 is a bipolar reference voltage generator and has a negative temperature coefficient, that is, a temperature coefficient of −2 dB / ° C. This V BE reference voltage generator 10 consists of a resistor 12 and an emitter grounded bipolar transistor 11. The bipolar transistor 11 is connected in a diode type so that the gate terminal and the collector terminal are connected so that a constant diode voltage is always applied. That is, if the diode is connected by connecting the base terminal and the collector terminal, a reference voltage V REF corresponding to V BE , which is a voltage between the base emitters, may be made. In addition, the voltage level may be adjusted according to the number of transistors 11 connected in series.
도 2는 종래의 VTHRM기준 전압 발생기에 대한 회로도이다.2 is a circuit diagram of a conventional V THRM reference voltage generator.
도 2 및 도 3을 참조하면, VTHRM(Thermal voltage)기준 전압 발생기(20)는 양의 온도 계수를 갖는다. 이 VTHRM기준 전압 발생기(20)의 VTHRM발생기(21)는 두 바이폴라 트랜지스터(Q1,Q2)의 VBE전압차를 생성하여 kT에 비례하는 전압을 발생한다. 이때, k(22)는 볼츠만 상수이고, T는 절대온도다. 제 1 NMOS트랜지스터(M1)와 제 2 NMOS트랜지스터(M2) 및 제 3 NMOS트랜지스터(M3)와 제 4 NMOS트랜지스터(M4) 사이의 전류 미러(Current mirror)동작에 의해 두 바이폴라 트랜지스터(Q1,Q2)에 흐르는 전류가 일치한다. 또한, 제 1 NMOS트랜지스터(M1)와 제 2 NMOS트랜지스터(M2)의 소스 전압이 일치해야 한다는 조건으로부터2 and 3, the V THRM reference voltage generator 20 has a positive temperature coefficient. The V V THRM generator 21 THRM of the reference voltage generator 20 generates a V BE voltage difference of the two bipolar transistors (Q1, Q2) to generate a voltage proportional to kT. Where k (22) is Boltzmann's constant and T is the absolute temperature. Two bipolar transistors Q1 and Q2 by a current mirror operation between the first NMOS transistor M1, the second NMOS transistor M2, and the third NMOS transistor M3 and the fourth NMOS transistor M4. The current flowing in is consistent. Further, from the condition that the source voltages of the first NMOS transistor M1 and the second NMOS transistor M2 must match.
I=IOUT,IR=VTHRMln(n), I=VTHRMln(n)/R가 되어 저항(R)의 양단에 인가되는 전압은 VTHRM와 바이폴라 트랜지스터(Q1, Q2)의 면적비 n에 의해서만 결정된다.I = I OUT, IR = V THRM ln (n), I = V THRM ln (n) / R, so that the voltage applied across the resistor R is V THRM and the area ratio n of the bipolar transistors Q1 and Q2. Is determined only by
도 3은 종래의 밴드-갭(Band-Gap) 기준전압 발생기에 대한 회로도이다.3 is a circuit diagram of a conventional band-gap reference voltage generator.
기준전압 발생기의 온도 계수는 일반적으로 100ppm/℃이하의 값을 가져야 한다. 이러한 값을 얻는 방법으로 먼저 예상하는 온도 계수를 갖는 회로를 선정한다음 반대 부호의 온도 계수를 갖는 회로를 찾아서 온도와 무관한 스켈링(Scaling) 계수를 곱한 뒤 두 회로를 합치게 된다. 이처럼, 상술된 VBE기준전압 발생기와 VTHRM기준전압 발생기를 합한 VREF=VBE+VTHRM로 온도 계수를 극소화 시킬 수 있는 회로가 바로 밴드-갭 기준전압 발생기이다.The temperature coefficient of the reference generator should generally be less than 100ppm / ° C. The way to get these values is to first select a circuit with the expected temperature coefficients, then find a circuit with the opposite temperature coefficients, multiply the scaling coefficients independent of temperature, and then combine the two circuits. As such, a band-gap reference voltage generator is a circuit capable of minimizing the temperature coefficient with V REF = V BE + V THRM which combines the above-described V BE reference voltage generator and the V THRM reference voltage generator.
도 4는 종래의 문턱(Threshold) 전압형 기준전압 발생기에 대한 회로도이다.4 is a circuit diagram of a conventional threshold voltage reference voltage generator.
도 4에 도시된 바와 같이, 문턱전압형 기준전압 발생기는 저항(40)과 NMOS트랜지스터(41)로 구성된다. NMOS트랜지스터(41)는 그 게이트 단자와 드레인 단자를 다이오드 연결화하여 문턱전압 근처에서 항상 일정한 전압이 유지되도록 한다. 이러한 모스형 문턱전압 기준전압 발생기는 바이폴라형에 비해 감도가 크며 온도계수(TC : Thermal coefficient) TC=-2㎷/℃가 된다.As shown in FIG. 4, the threshold voltage reference voltage generator includes a resistor 40 and an NMOS transistor 41. The NMOS transistor 41 diode-connects its gate terminal and drain terminal so that a constant voltage is always maintained near the threshold voltage. The MOS type threshold voltage reference voltage generator has a higher sensitivity than the bipolar type and has a thermal coefficient TC of -2 dB / ° C.
도 5는 종래의 모스형 기준전압 발생기를 나타낸 회로도이다.5 is a circuit diagram illustrating a conventional MOS type reference voltage generator.
도 5를 보면, 모스형 기준전압 발생기는 2개의 PMOS트랜지스터(P1,P2)와, 2개의 NMOS트랜지스터(N1,N2) 및 저항(R)으로 구성되어 있다. Vdd단에는 제 1 PMOS트랜지스터(P1) 및 제 2 PMOS트랜지스터(P2)가 병렬 연결되어 있다. 그리고, Vdd단과 Vss단 사이에는 제 1 PMOS트랜지스터(P1) 및 제 1 NMOS트랜지스터(N1)가 직렬 연결되어 있고, 제 2 PMOS트랜지스터(P2) 및 제 2 NMOS트랜지스터(N2)가 직렬 연결되어 있다. 또한, 제 1 PMOS트랜지스터(P1) 및 제 2 PMOS트랜지스터(P2)의 공통 게이트 단자는 제 1 PMOS트랜지스터(P1)와 제 1 NMOS트랜지스터(N1) 공통 드레인 단자에 연결되어 있다. 마찬가지로, 제 1 NMOS트랜지스터(N1) 및 제 2 NMOS트랜지스터(N2)의 공통 게이트 단자는 제 2 PMOS트랜지스터(P2)와 제 2 NMOS트랜지스터(N2)의 공통 드레인 단자에 연결되어 있다. 또한, 제 1 NMOS트랜지스터(N1)의 소스 단자와 Vss단 사이에는 저항(R)이 연결된다.Referring to FIG. 5, the MOS type reference voltage generator includes two PMOS transistors P1 and P2, two NMOS transistors N1 and N2, and a resistor R. The first PMOS transistor P1 and the second PMOS transistor P2 are connected in parallel to the Vdd terminal. A first PMOS transistor P1 and a first NMOS transistor N1 are connected in series, and a second PMOS transistor P2 and a second NMOS transistor N2 are connected in series between the Vdd terminal and the Vss terminal. The common gate terminal of the first PMOS transistor P1 and the second PMOS transistor P2 is connected to the common drain terminal of the first PMOS transistor P1 and the first NMOS transistor N1. Similarly, the common gate terminal of the first NMOS transistor N1 and the second NMOS transistor N2 is connected to the common drain terminal of the second PMOS transistor P2 and the second NMOS transistor N2. In addition, a resistor R is connected between the source terminal of the first NMOS transistor N1 and the Vss terminal.
이러한 종래의 모스형 기준전압 발생기는 기준전압(VREF)이 저항(R) 트랜지스터의 사이에 의해서 결정되고 또 온도에 대한 보상을 할 수 있게 된다. 이때, 기준전압(VREF)은 저항(R)에 걸리는 전압과 제 1 NMOS트랜지스터(N1)의 게이트 소스간의 전압인 VGSN1의 합이 된다.In the conventional MOS type reference voltage generator, the reference voltage V REF is determined by the resistor R transistor, and the temperature compensation can be performed. In this case, the reference voltage V REF is the sum of the voltage applied to the resistor R and V GSN1 , which is a voltage between the gate source of the first NMOS transistor N1.
그런데, 상술된 종래의 기준전압 발생기는 프로세스에 따라 저항값으로 인해 변이가 생기기 때문에 기준전압 및 내부전압에 영향을 미치므로 칩의 안정적인 동작에 지장이 있게 되는 문제점이 있다.However, the conventional reference voltage generator described above has a problem in that stable operation of the chip is affected because the reference voltage and the internal voltage are affected because variations occur due to resistance values according to processes.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 저항값에 의존하지 않고 저항의 비에 의존하는 기준전압을 구성함으로써 저항값의 변동에 영향을 받지 않도록 하는 기준전압 발생기를 제공함에 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a reference voltage generator which is not influenced by a change in resistance value by configuring a reference voltage that does not depend on a resistance value and depends on a ratio of resistances. .
도 1은 종래의 VBE기준전압 발생기를 나타낸 회로도,1 is a circuit diagram showing a conventional V BE reference voltage generator,
도 2는 종래의 VTHRM기준전압 발생기를 나타낸 회로도,2 is a circuit diagram showing a conventional V THRM reference voltage generator;
도 3은 종래의 밴드-갭 기준전압 발생기를 나태낸 회로도,3 is a circuit diagram showing a conventional band-gap reference voltage generator;
도 4는 종래의 문턱전압형 기준전압 발생기를 나타낸 회로도,4 is a circuit diagram illustrating a conventional threshold voltage reference voltage generator;
도 5는 종래의 모스형 기준전압 발생기를 나타낸 회로도,5 is a circuit diagram showing a conventional MOS type reference voltage generator,
도 6은 본 발명에 따른 저전압 모스특성 의존형 기준전압 발생기를 나타낸 회로도이다.6 is a circuit diagram illustrating a low voltage Morse characteristic dependent type reference voltage generator according to the present invention.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>
A1 : 앰프 P1,P2,P3 : PMOS트랜지스터A1: Amplifier P1, P2, P3: PMOS transistor
N3 : NMOS트랜지스터 R1,R2 : 저항N3: NMOS transistor R1, R2: resistor
Q1,Q2 : 바이폴라 트랜지스터Q1, Q2: bipolar transistor
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 기준전압 발생기는, Vdd전압과 Vss전압 사이에 각각 병렬 접속된 제 1 PMOS트랜지스터, 제 3 PMOS트랜지스터 및 게이트 단자와 그 드레인 단자가 공통접속된 제 2트랜지스터와, 제 1, 제 2 PMOS트랜지스터의 드레인 단자로부터 입력된 전압의 부궤환 및 정궤환을 통하여 제1, 제 2 및 제 3 PMOS트랜지스터의 게이트에 증폭전압을 제공하는 앰프와, 제 3 PMOS트랜지스터와 직렬 연결되고, 그 게이트 단자와 드레인 단자가 연결된 다이오드형 NMOS트랜지스터와, 제 2 PMOS트랜지스터의 드레인 단자와 Vss단 사이에 연결된 제 1저항 및 NMOS트랜지스터의 소스 단자와 Vss단 사이에 연결된 제 2저항을 구비함을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the reference voltage generator according to the present invention includes a first PMOS transistor, a third PMOS transistor, and a second transistor having a gate terminal and a drain terminal commonly connected in parallel between a Vdd voltage and a Vss voltage, respectively. An amplifier for providing an amplified voltage to the gates of the first, second and third PMOS transistors through negative feedback and positive feedback of the voltage input from the drain terminals of the first and second PMOS transistors, and a third PMOS transistor; A diode-type NMOS transistor connected in series and having a gate terminal and a drain terminal connected thereto; a first resistor connected between the drain terminal of the second PMOS transistor and the Vss terminal; and a second resistor connected between the source terminal of the NMOS transistor and the Vss terminal. Characterized in having.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 기준전압 발생기의 회로도이다.6 is a circuit diagram of a reference voltage generator according to the present invention.
도 6의 기준전압 발생기는 Vdd전압과 Vss전압 사이에 제 1 PMOS트랜지스터(P1), 제 2 PMOS트랜지스터(P2) 및 제 3 PMOS트랜지스터(P3)의 소스 단자가 병렬 접속된다. 그리고, 앰프(A1)의 출력단은 제 1 PMOS트랜지스터(P1), 제 2 PMOS트랜지스터(P2) 및 제 3 PMOS트랜지스터(P3)의 게이트 단자와 연결되는데, 제 1 PMOS트랜지스터(P1) 및 제 2 PMOS트랜지스터(P2)의 드레인 단자를 통하여 입력된 부궤환 및 정궤환을 통하여 제 1 PMOS트랜지스터(P1), 제 2 PMOS트랜지스터(P2) 및 제 3 PMOS트랜지스터(P3)의 게이트에 증폭전압을 제공한다. 또한, 제 2 PMOS트랜지스터(P2)의 게이트 단자와 드레인 단자를 연결하여 확실한 전류 미러(Current mirror) 효과를 나타내도록 한다.In the reference voltage generator of FIG. 6, the source terminals of the first PMOS transistor P1, the second PMOS transistor P2, and the third PMOS transistor P3 are connected in parallel between the Vdd voltage and the Vss voltage. The output terminal of the amplifier A1 is connected to the gate terminals of the first PMOS transistor P1, the second PMOS transistor P2, and the third PMOS transistor P3. The first PMOS transistor P1 and the second PMOS are connected to each other. An amplification voltage is provided to the gates of the first PMOS transistor P1, the second PMOS transistor P2, and the third PMOS transistor P3 through the negative feedback and the positive feedback input through the drain terminal of the transistor P2. In addition, by connecting the gate terminal and the drain terminal of the second PMOS transistor (P2) to ensure a certain current mirror (Current mirror) effect.
그리고, 제 1 PMOS트랜지스터(13) 및 제 2 PMOS트랜지스터(P2)와 Vss단 사이에는 각각 바이폴라 트랜지스터(Q1,Q2)가 연결된다. 이 제 1 바이폴라 트랜지스터(Q1) 및 제 2 바이폴라 트랜지스터(Q2)는 각각 제 1 PMOS트랜지스터(P1)및 제 2 PMOS트랜지스터(P2)의 드레인 단자와 콜렉터 단자가 연결되고, 그 베이스 단자와 에미터 단자는 Vss단과 연결되어 접지된다. 제 2 PMOS트랜지스터(P2)와 제 2 바이폴라 트랜지스터(Q2) 사이에는 제 1 저항(R1)이 연결된다. 또한, NMOS트랜지스터(N3)는 그 드레인 단자가 제 3 PMOS트랜지스터(P3)의 드레인 단자와 연결되고, 게이트 단자가 드레인 단자와 연결된 다이오드형 트랜지스터이다. 그리고, NMOS트랜지스터(N3)와 Vss단 사이에 제 2 저항(R2)이 연결된다. 이러한 구성에 있어서, 제 3 PMOS트랜지스터(P3)의 드레인 단자와 NMOS트랜지스터(N3)의 드레인 단자를 통하여 기준전압(VREF)을 추출하게 된다.Bipolar transistors Q1 and Q2 are connected between the first PMOS transistor 13, the second PMOS transistor P2, and the Vss terminal, respectively. The first bipolar transistor Q1 and the second bipolar transistor Q2 have a drain terminal and a collector terminal of the first PMOS transistor P1 and the second PMOS transistor P2, respectively, and the base terminal and the emitter terminal. Is connected to the Vss terminal and grounded. The first resistor R1 is connected between the second PMOS transistor P2 and the second bipolar transistor Q2. In addition, the NMOS transistor N3 is a diode transistor whose drain terminal is connected to the drain terminal of the third PMOS transistor P3 and the gate terminal is connected to the drain terminal. The second resistor R2 is connected between the NMOS transistor N3 and the Vss terminal. In this configuration, the reference voltage V REF is extracted through the drain terminal of the third PMOS transistor P3 and the drain terminal of the NMOS transistor N3.
본 발명의 기준전압 발생기는 종래의 VTHRM기준전압 발생기와 문턱 전압형 기준전압 발생기를 조합하여 이루어진 형태를 갖는다. 즉, 제 2 PMOS트랜지스터(P2)와 제 3 PMOS트랜지스터(P3)의 특성이 거의 일치할 때만 제 1저항(R1)과 제 2저항(R2)에 흐르는 전류가 같다. 그리고, 앰프(A1)를 통한 정궤환 및 부궤환을 통하여 안정된 증폭 전압을 얻을 수 있으므로, 작은 전압으로도 기준전압 발생기를 작동시킬 수 있게 된다. 또한, 앰프(A1)에 의해서 피드백된 노드 a와 b는 같은 전압을 갖게 된다. 따라서, 제 1 바이폴라 트랜지스터(Q1)와 제 2 바이폴라 트랜지스터(Q2)에 흐르는 전류가 일치하게 된다. 즉, Ib=VT*ln(N)/R1이 된다. 또한, 전류 미러에 의해서 제 2저항(R2)에 흐르는 전류도 Ib와 같고 결국 VREF=VGS1+R2/R1*VT*ln(N)이 된다. 여기서, R2/R1을 온도계수가 최소화 되는 방향으로 잡으면 기준전압이 잡히게 된다.The reference voltage generator of the present invention has a form in which a conventional V THRM reference voltage generator and a threshold voltage type reference voltage generator are combined. That is, the current flowing through the first resistor R1 and the second resistor R2 is equal only when the characteristics of the second PMOS transistor P2 and the third PMOS transistor P3 are substantially identical. Further, since a stable amplification voltage can be obtained through the positive feedback and the negative feedback through the amplifier A1, the reference voltage generator can be operated even with a small voltage. In addition, the nodes a and b fed back by the amplifier A1 have the same voltage. Therefore, the currents flowing through the first bipolar transistor Q1 and the second bipolar transistor Q2 coincide with each other. That is, Ib = V T * ln (N) / R1. The current flowing through the second resistor R2 by the current mirror is also equal to Ib, resulting in V REF = V GS1 + R2 / R1 * V T * ln (N). Here, the reference voltage is obtained by holding R2 / R1 in the direction in which the temperature coefficient is minimized.
또한, 본 발명의 기준전압 발생기는 NMOS트랜지스터(N3)를 다이오드화 함으로써 앞에서 설명한 문턱전압형 기준전압 발생기의 특징을 갖도록 한다. 따라서, VREF=VTHRMln(n)R2/R1+VGS이다. 여기서 VTHRMln(n)의 온도계수는 +0.085㎷/℃이고, VGS의 온도계수는 -2㎷/℃이다. 일반적으로 기준전압 발생기의 온도계수는 100ppmV/℃이하여야 하므로, 문턱전압 근처에서 항상 일정한 전압을 유지할 수 있게 된다. 따라서, R2/R1의 비를 온도계수가 최소로 되도록 조절함으로써 기준전압 조절 과정이 필요없게 된다.In addition, the reference voltage generator of the present invention has the characteristics of the threshold voltage reference voltage generator described above by diodeizing the NMOS transistor N3. Thus, V REF = V THRM ln (n) R 2 / R 1 + V GS . The temperature coefficient of V THRM ln (n) is +0.085 μs / ° C., and the temperature coefficient of V GS is −2 μs / ° C. In general, the temperature coefficient of the reference voltage generator should be less than 100ppmV / ℃, it is possible to always maintain a constant voltage near the threshold voltage. Therefore, by adjusting the ratio of R2 / R1 to the minimum temperature coefficient, the reference voltage adjusting process is not necessary.
본 발명은 문턱전압형 기준전압 발생기와 VTHRM기준전압 발생기를 단순히 조합한 것이 아니라 앰프의 사용을 통하여 저전압으로 구동할 수 있게 하여 온도 보상이 이루어지도록 하고, 모스의 특성에 많이 의존하도록 구성하였다.The present invention is not simply a combination of a threshold voltage reference voltage generator and a V THRM reference voltage generator, but can be driven at a low voltage through the use of an amplifier, so that temperature compensation can be achieved and it is configured to rely heavily on the characteristics of MOS.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 기준전압 발생기는 기존의 기준전압 회로에서 존재하던 저항값의 프로세스 의존도를 없애므로서 저항값의 트리밍 공정이 필요없게 되면서 기존의 회로가 지닌 특성을 그대로 유지할 수 있다.As described above, the reference voltage generator according to the present invention eliminates the process dependency of the resistance value existing in the conventional reference voltage circuit, thereby eliminating the need for trimming the resistance value and maintaining the characteristics of the existing circuit. have.
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