KR20030070687A - 저전압 온도감지 회로 - Google Patents

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KR20030070687A KR1020020010189A KR20020010189A KR20030070687A KR 20030070687 A KR20030070687 A KR 20030070687A KR 1020020010189 A KR1020020010189 A KR 1020020010189A KR 20020010189 A KR20020010189 A KR 20020010189A KR 20030070687 A KR20030070687 A KR 20030070687A
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Abstract

본 발명은 저전압에서 동작할 수 있는 온도감지 회로에 관한 것으로, 기준전압 발생회로와 온도감지부를 구비하여 온도를 감지하는 온도감지 회로에 있어서, 기준전압 발생회로는 제 1 연산증폭기를 구비하고 온도감지부는 제 2 연산증폭기를 구비하며 제 1 연산증폭기의 적어도 하나의 입력단자가 제 2 연산증폭기의 적어도 하나의 입력단자와 연결되어 기준전압 발생회로의 기준출력전압과 온도감지부의 감지출력전압이 동일한 전압으로 유지되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 온도감지 회로에 따르면, 저전압 시스템에서도 안전하게 온도를 감지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 온도감지 회로를 사용하면, 전원전압이 낮은 시스템에서도 리프레쉬 주기를 변화시킬 수 있으므로 리프레쉬 동작시 전력소모를 줄일 수 있다.

Description

저전압 온도감지 회로{LOW VOLTAGE TEMPERATURE SENSING CIRCUIT}
본 발명은 온도감지 회로에 관한 것으로, 특히 저전압에서 동작할 수 있는 온도감지 회로에 관한 것이다.
시스템이 슬립모드(sleep mode)에 있을 경우 대부분의 소자는 오프되지만, 반도체 메모리 장치는 데이터를 계속 유지하기 위하여 자체적으로 메모리 셀의 데이터를 리프레쉬해야 한다. 이 동작을 셀프 리프레쉬(self refresh)라 하며, 이 동작으로 인해 메모리 장치내에는 셀프 리프레쉬 전류가 흐르는데, 배터리에 의해 동작하는 저전력 시스템에서는 이 전류에 의해 소모되는 전력을 줄이는 것은 매우 중요하다. 셀프 리프레쉬 동작에 필요한 전류를 줄이는 시도 중 한가지는 메모리 장치의 리프레쉬 주기를 온도에 따라 변화시키는 것이다. 메모리 장치, 특히 DRAM(Dynamic Random Access Memory)의 데이터 유지시간은 온도가 낮아질수록 길어지는 특성이 있으므로, 온도를 소정의 구간으로 나누어 낮은 온도에서는 높은 온도에서보다 리프레쉬 클럭의 주파수를 낮추어 전력소모를 줄일 수 있다.
온도의 변화에 따라 리프레쉬 클럭의 주파수를 변화시키기 위해서는 온도감지 회로가 필요하다. 현재, 여러 가지 종류의 온도감지 회로가 사용되고 있는데, 밴드갭 기준회로(bandgap reference circuit)를 이용한 온도감지 회로의 일례를 도 1에 나타내었다. 도 1에 도시된 밴드갭 기준회로를 이용한 온도감지 회로는, PMOS 트랜지스터들(PM1 내지 PM4), NMOS 트랜지스터들(NM1 내지 NM4), 저항들(Rr1, R1, R2), 및 다이오드들(D1, D2)로 구성되어 있으며, 이 회로는 다음과 같이 동작한다.
저항과 다이오드의 온도의존성을 이용하여 기준전류(Ir)를 결정하고, 저항들(R1 및 R2)의 값을 조절함으로써, 도 3에 도시된 바와 같이 특정온도에서 기준전류(Ir)와 제 1 감지전류(I1), 및 기준전류(Ir)와 제 2 감지전류(I2)가 서로 교차하게 할 수 있다. 기준전류(Ir)와 제 1 감지전류(I1)가 교차하는 점이 제 1 설정온도(T1)가 되고 기준전류(Ir)와 제 2 감지전류(I2)가 교차하는 점이 제 2 설정온도(T2)가 된다. 기준전류(Ir), 제 1 감지전류(I1), 및 제 2 감지전류(I2)는 각각 대응하는 전압들(ORef, OT1, OT2)로 출력되고, 비교기들(COMP1, COMP2)은 이들을 서로 비교하고 디지털 신호들(DOUT1, DOUT2)을 출력한다. 디지털 신호들(DOUT1, DOUT2)은 카운터(미도시)에 입력되어 메모리 장치의 리프레쉬 주기를 변화시킨다.
그런데, 도 1에 도시된 바와 같은 종래의 온도감지 회로가 동작하기 위해서는 최소한 다이오드(D1)에 걸리는 전압(Vd1)과 NMOS 트랜지스터(NM1)의 문턱전압(Vth)과 PMOS 트랜지스터(PM1)의 드레인/소스간 포화전압(Vds, sat)을 합한 값 이상이 되어야 한다. 이 값은 약 1.6 V 가 되는데, 낮은 전원전압에서 동작하는 저전압 시스템에서는 도 1의 온도감지 회로가 동작하지 않을 수 있다.
본 발명의 목적은 저전압에서 동작할 수 있는 온도감지 회로를 제공하는 것이다.
도 1은 밴드갭 기준회로를 이용한 종래의 온도감지 회로이다.
도 2는 밴드갭 기준회로를 이용한 본 발명에 따른 온도감지 회로이다.
도 3은 도 1과 도 2에서 각 전류들 사이의 관계를 나타내는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
20 : 제 2 온도감지부 40 : 제 1 온도감지부
60 : 기준전압 발생회로 80 : 비교회로
본 발명에 따른 저전압 온도감지 회로는 전원전압에 연결된 소스 단자와 제 1 노드에 연결된 게이트 단자와 제 2 노드에 연결된 드레인 단자를 가지는 제 1 트랜지스터, 전원전압에 연결된 소스 단자와 상기 제 1 노드에 연결된 게이트 단자와 제 3 노드에 연결된 드레인 단자를 가지는 제 2 트랜지스터, 상기 제 2 노드에 연결된 일측단을 갖는 기준저항, 상기 기준저항의 타측단에 연결된 애노드와 접지에 연결된 캐소드를 가지는 제 1 다이오드, 상기 제 3 노드에 연결된 애노드와 접지에 연결된 캐소드를 가지는 제 2 다이오드, 및 상기 제 2 노드에 연결된 제 1 입력단자와 상기 제 3 노드에 연결된 제 2 입력단자와 상기 제 1 노드에 연결된 출력단자를 가지고 기준출력전압을 출력하는 제 1 연산증폭기를 구비하는 기준전압 발생회로; 및 전원전압에 연결된 소스 단자와 제 4 노드에 연결된 게이트 단자와 제 5 노드에 연결된 드레인 단자를 가지는 제 3 트랜지스터, 상기 제 5 노드에 연결된 일측단과 접지에 연결된 타측단을 갖는 감지저항, 및 상기 제 5 노드에 연결된 제 1 입력단자와 상기 제 2 노드에 연결된 제 2 입력단자와 상기 제 4 노드에 연결된 출력단자를 가지고 감지출력전압을 출력하는 제 2 연산증폭기를 구비하는 온도감지부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 온도감지 회로에 대해 설명한다.
도 2는 밴드갭 기준회로를 이용한 본 발명에 따른 온도감지 회로이고, 도 3은 도 1과 도 2에서 각 전류들 사이의 관계를 나타내는 도면이다. 도 2에 나타낸 온도감지 회로는 설정온도가 2 개인 경우에 대한 회로로서 2 개의 감지부를 갖는다.
도 2에 도시된 본 발명에 따른 온도감지 회로는 기준출력전압(ORef)을 발생시키는 기준전압 발생회로(60), 제 1 설정온도를 검출하기 위하여 제 1 감지출력전압(OT1)을 발생시키는 제 1 온도감지부(40), 제 2 설정온도를 검출하기 위하여 제 2 감지출력전압(OT2)을 발생시키는 제 2 온도감지부(20), 및 기준출력전압(ORef)과 제 1 감지출력전압(OT1), 및 기준출력전압(ORef)과 제 2 감지출력전압(OT2)을 각각 비교하여 제 1 디지털 출력(DOUT1)과 제 2 디지털 출력(DOUT2)을 발생시키는 비교회로(80)를 구비한다.
기준전압 발생회로(60)는 전원전압(Vcc)에 연결된 소스 단자와 노드(N1)에 연결된 게이트 단자와 노드(N2)에 연결된 드레인 단자를 가지는 PMOS 트랜지스터(PM6), 전원전압(Vcc)에 연결된 소스 단자와 노드(N1)에 연결된 게이트단자와 노드(N3)에 연결된 드레인 단자를 가지는 PMOS 트랜지스터(PM5), 노드(N2)에 연결된 일측단을 갖는 기준저항(Rr2), 기준저항(Rr2)의 타측단에 연결된 애노드와 접지에 연결된 캐소드를 가지는 다이오드(D4), 노드(N3)에 연결된 애노드와 접지에 연결된 캐소드를 가지는 다이오드(D3), 및 노드(N2)에 연결된 제 1 입력단자와 노드(N3)에 연결된 제 2 입력단자와 노드(N1)에 연결된 출력단자를 가지는 연산증폭기(OP1)를 구비한다.
제 1 온도감지부(40)는 전원전압(Vcc)에 연결된 소스 단자와 노드(N4)에 연결된 게이트 단자와 노드(N5)에 연결된 드레인 단자를 가지는 PMOS 트랜지스터(PM7), 노드(N5)에 연결된 일측단과 접지에 연결된 타측단을 갖는 제 1 감지저항(R3), 및 노드(N5)에 연결된 제 1 입력단자와 노드(N2)에 연결된 제 2 입력단자와 노드(N4)에 연결된 출력단자를 가지는 연산증폭기(OP2)를 구비한다.
제 2 온도감지부(20)는 전원전압(Vcc)에 연결된 소스 단자와 노드(N3)에 연결된 게이트 단자와 노드(N7)에 연결된 드레인 단자를 가지는 PMOS 트랜지스터(PM8), 노드(N7)에 연결된 일측단과 접지에 연결된 타측단을 갖는 제 2 감지저항(R4), 및 노드(N7)에 연결된 제 1 입력단자와 노드(N2)에 연결된 제 2 입력단자와 노드(N6)에 연결된 출력단자를 가지는 연산증폭기(OP3)를 구비한다.
비교회로(80)는 기준출력전압(ORef)과 제 1 감지출력전압(OT1)을 비교하여 제 1 디지털 출력(DOUT1)을 발생시키는 제 1 비교기(COMP3)와 기준출력전압(ORef)과 제 2 감지출력전압(OT2)을 비교하여 제 2 디지털 출력(DOUT2)을 발생시키는 제 2 비교기(COMP4)를 구비한다.
이하, 도 2와 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 온도감지 회로의 동작에 대하여 설명한다.
다이오드(D3)와 다이오드(D4)는 동일한 접합 다이오드라 하고, PMOS 트랜지스터들(PM5, PM6, PM7, PM8)의 W/L(폭/길이)은 PM5 : PM6 : PM7 : PM8 = M : 1 : M : M 이라 가정하자. 연산증폭기들의 입력단자로 흐르는 전류는 무시할 수 있으므로 PMOS 트랜지스터(PM5)의 드레인 단자로 흐르는 전류는 다이오드(D3)를 따라 흐르는 전류와 같고, PMOS 트랜지스터(PM6)의 드레인 단자로 흐르는 전류는 기준저항(Rr2)을 따라 흐르는 전류와 같고, PMOS 트랜지스터(PM7)의 드레인 단자로 흐르는 전류는 제 1 감지저항(R3)을 따라 흐르는 전류와 같고, PMOS 트랜지스터(PM8)의 드레인 단자로 흐르는 전류는 제 2 감지저항(R4)을 따라 흐르는 전류와 같다. 그리고, 노드(N2), 노드(N3), 노드(N5), 및 노드(N7)는 모두 연산증폭기의 입력단자에 연결되어 있으므로 이들 노드의 전위는 모두 같다고 볼 수 있다. PMOS 트랜지스터들(PM5, PM6, PM7, PM8)의 W/L(폭/길이)은 PM5 : PM6 : PM7 : PM8 = M : 1 : M : M 이기 때문에 이들 트랜지스터들의 드레인 단자를 따라 흐르는 전류의 비도 M : 1 : M : M 이 된다.
턴온 되었을 때, 다이오드에 흐르는 전류는 수학식 1과 같이 된다.
I = Is(e(VD/VT)- 1) ≒ Is ×e(VD/VT)
여기서, Is는 다이오드의 역방향 포화전류이고, VD는 다이오드 양단간의 전압이고, VT는 열전압(thermal voltage)으로서 (k ×T)/q 의 값을 가진다.
노드(N2)과 노드(N3)의 전압(V(N2), V(N3))은 동일한 값을 가지며, 수학식 2와 같이 된다.
V(N2) = V(N3) = VD3 = VD4 + Ir ×Rr2
여기서, VD3는 다이오드(D3) 양단간에 걸리는 전압이며 VD4는 다이오드(D4) 양단간에 걸리는 전압이다. Io = Is ×e(VD3/VT)이므로 VD3 = VT ×ln(Io/Is)가 되고, Ir = Is ×e(VD4/VT)이므로 VD4 = VT ×ln(Ir/Is) = VT ×ln((Io/M)/Is) 이 된다. 수학식 2에서, VD3 = VD4 + Ir ×Rr2 이므로 전류(Ir)은 다음식으로 표현된다.
Ir = (VT ×ln(M))/Rr2
따라서, 온도에 비례하는 전류가 저항(Rr2)을 통하여 흐르게 된다.
상기와 같이, 노드(N2), 노드(N3), 노드(N5), 및 노드(N7)는 모두 연산증폭기의 입력단자에 연결되어 있으므로 노드(N5)의 전위(V(N5))와 노드(N7)의 전위(V(N7))는 V(N3)와 거의 같게 된다. V(N3)는 다이오드(D3) 양단간의 전압과 같고, VT ×ln(Io/Is)의 값을 가진다. 일반적으로, 온도가 증가함에 따라 VT가 증가하지만, Is가 훨씬 더 큰 비율로 증가하므로 다이오드 양단간의 전압은 온도의 증가에 따라 감소하게 된다. 온도가 증가함에 따라, V(N5)와 V(N7)는 감소하므로 제 1 감지저항(R3)을 통해 흐르는 제 1 감지전류(I1)와 제 2 감지저항(R4)을 통해 흐르는 제 2 감지전류(I2)는 모두 온도증가에 따라 감소하는 특성을 가진다.
온도가 증가함에 따라, 기준저항(Rr2)을 통해 흐르는 기준전류(Ir)은 증가하고 제 1 감지저항(R3)을 통해 흐르는 전류(I1)와 제 2 감지저항(R4)을 통해 흐르는 전류(I2)는 모두 온도증가에 따라 감소하므로 이 특성을 이용하여 특정온도를 감지할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 특정온도에서 기준전류(Ir)와 제 1 감지전류(I1), 및 기준전류(Ir)와 제 2 감지전류(I2)가 서로 교차하게 할 수 있다. 기준전류(Ir)와 제 1 감지전류(I1)가 교차하는 점이 제 1 설정온도(T1)가 되고 기준전류(Ir)와 제 2 감지전류(I2)가 교차하는 점이 제 2 설정온도(T2)가 된다. 기준전류(Ir), 제 1 감지전류(I1), 및 제 2 감지전류(I2)는 각각 기준출력전압(ORef), 제 1 감지출력전압(OT1), 및 제 2 감지출력전압(OT2)으로 출력된다. 제 1 비교기(COMP3)에서는 기준출력전압(ORef)과 제 1 감지출력전압(OT1)을 비교하여 제 1 디지털 출력(DOUT1)을 발생시키고, 제 2 비교기(COMP4)에서는 기준출력전압(ORef)과 제 2 감지출력전압(OT2)을 비교하여 제 2 디지털 출력(DOUT2)을 발생시킨다. 디지털 출력들(DOUT1, DOUT2)은 카운터(미도시)에 입력되어 메모리 장치의 리프레쉬 주기를 변화시킨다.
도 2에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 온도감지 회로가 동작하기 위한 최소 전원전압은 다이오드(D3) 양단의 전압인 VD3 와 PMOS 트랜지스터(PM5)의 드레인/소스간 포화전압(Vds, sat)을 합한 값이 되며, 이 값은 약 1.1 V 가 된다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 온도감지 회로는 도 1에 도시된 바와 같은 종래의 온도감지 회로에 비해 낮은 전압에서 동작이 가능하다.
상기에서는 2 개의 설정온도를 감지하기 위하여 2 개의 온도감지부를 가지는 온도감지 회로에 대해 설명하였지만, 필요에 따라 여러 개의 온도감지부를 가지는 온도감지 회로를 설계하는 것도 가능하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 온도감지 회로에 따르면, 저전압 시스템에서도 안전하게 온도를 감지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 온도감지 회로를 사용하면, 전원전압이 낮은 시스템에서도 리프레쉬 주기를 변화시킬 수 있으므로 리프레쉬 동작시 전력소모를 줄일 수 있다.

Claims (3)

  1. 전원전압에 연결된 소스 단자와 제 1 노드에 연결된 게이트 단자와 제 2 노드에 연결된 드레인 단자를 가지는 제 1 트랜지스터, 전원전압에 연결된 소스 단자와 상기 제 1 노드에 연결된 게이트 단자와 제 3 노드에 연결된 드레인 단자를 가지는 제 2 트랜지스터, 상기 제 2 노드에 연결된 일측단을 갖는 기준저항, 상기 기준저항의 타측단에 연결된 애노드와 접지에 연결된 캐소드를 가지는 제 1 다이오드, 상기 제 3 노드에 연결된 애노드와 접지에 연결된 캐소드를 가지는 제 2 다이오드, 및 상기 제 2 노드에 연결된 제 1 입력단자와 상기 제 3 노드에 연결된 제 2 입력단자와 상기 제 1 노드에 연결된 출력단자를 가지고 기준출력전압을 출력하는 제 1 연산증폭기를 구비하는 기준전압 발생회로; 및
    전원전압에 연결된 소스 단자와 제 4 노드에 연결된 게이트 단자와 제 5 노드에 연결된 드레인 단자를 가지는 제 3 트랜지스터, 상기 제 5 노드에 연결된 일측단과 접지에 연결된 타측단을 갖는 감지저항, 및 상기 제 5 노드에 연결된 제 1 입력단자와 상기 제 2 노드에 연결된 제 2 입력단자와 상기 제 4 노드에 연결된 출력단자를 가지고 감지출력전압을 출력하는 제 2 연산증폭기를 구비하는 온도감지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 저전압 온도감지 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 저전압 온도감지 회로는
    상기 기준출력전압과 상기 감지출력전압을 비교하여 온도감지 출력을 발생시키는 비교회로를 더 구비하고,
    상기 온도감지 출력을 이용하여 리프레쉬 주기를 변화시키는 것을 특징으로 하는 저전압 온도감지 회로.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 저전압 온도감지 회로는
    상기 온도감지부를 복수 개 구비하는 것을 특징으로 하는 저전압 온도감지 회로.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7423473B2 (en) 2004-11-10 2008-09-09 Samsung Electronics Co., Ltd. Sequential tracking temperature sensors and methods
US7528644B2 (en) 2005-10-17 2009-05-05 Samsung Electronics Co., Ltd. Temperature detecting circuit

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