KR20050106885A - 온도의 변화에 관계없는 기준전압과 기준전류를 공급하는기준전압 및 전류 발생기 - Google Patents

온도의 변화에 관계없는 기준전압과 기준전류를 공급하는기준전압 및 전류 발생기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도의 변화에 관계없이 안정적인 기준전압과 기준전류를 제공할 수 있는 기준전압 및 기준전류 발생기를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 바이폴라트랜지스터의 정션전압 특성과 열전압 특성을 이용하여 공정변화 및 온도변화에 관계없이 일정한 레벨의 기준전압을 출력하고, 상기 열전압특성에 대응하는 내부전류를 공급하는 기준전압 생성부; 상기 내부전류를 미러링한 제1 전류를 제공하기 위한 제1 전류미러부; 상기 기준전압에 대응하는 제2 전류를 소스-드레인단을 통해 제공하기 위한 기준전류의 온도보상용 모스트랜지스터; 및 상기 제1 전류와 제2 전류를 합한 기준전류를 제공하기 위한 제2 전류미러부를 구비하는 기준전압 및 기준전류 발생기를 제공한다.

Description

온도의 변화에 관계없는 기준전압과 기준전류를 공급하는 기준전압 및 전류 발생기{GENERATOR FOR SUPPORTING STABLE REFERENCE VOLTAGE AND CURRUNT WITHOUT TEMPERATURE VARIATION}
본 발명은 반도체 집적회로에 관한 것으로, 특히 온도의 변화에 관계없이 안정된 레벨의 기준전압과 기준전류를 반도체 집적회로로 공급하기 위한 기준전압 및 기준전류 발생기에 관한 것이다.
반도체 집적회로는 내부동작을 위해 안정적인 레벨을 유지하는 기준전압을 반드시 필요로 한다. 반도체 집적회로로 기준전압을 생성하여 출력하는 회로가 기준전압 발생기이다.
기준전압 발생기에서 출력되는 기준전압은 온도의 변화나 공급전압의 변화에 의존하지 않고 일정한 레벨의 기준전압을 출력하는 것이 요구된다.
도1은 종래기술에 의한 밴드갭 기준전압 발생기를 나타내는 회로도이다.
도1을 참조하여 살펴보면, 종래기술에 의한 밴드갭 기준전압 발생기는 각각 콜렉터와 베이스가 공통으로 접지전압 공급부에 접속된 바이폴라트랜지스터(Q1,Q2,Q3)와, 각각 바이폴라트랜지스터(Q2,Q3)의 에미터에 접속된 저항(R1,R2)과, 일측은 전원전압 공급단에 공통으로 접속되고, 타측은 각각 바이폴라트랜지스터(Q1)의 에미터, 저항(R1,R2)에 접속된 모스트랜지스터(MP1,MP2,MP3)와, 정입력단(+)은 바이폴라트랜지스터(Q1)의 에미터에 접속되고 부입력단(-)은 저항과 모스트랜지스터(MP2)의 공통입력단에 접속되며 출력단이 모스트랜지스터(MP1,MP2,MP3)의 게이트에 접속된 연산증폭기(10)와, 일측은 전원전압 공급단(VDD)에 접속되고, 게이트는 연산증폭기(10)의 출력에 접속되며, 타측으로는 기준전류(Ibias)를 공급하는 모스트랜지스터(MP4)를 구비한다.
도2는 도1에 도시된 기준전압 발생기에서 온도의 변화에 대한 기준전압의 변화를 나타내는 파형도이다. 도3은 도1에 도시된 기준전압 발생기에서 온도의 변화에 대한 기준전류의 변화를 나타내는 파형도이다. 이하에서 도1 내지 도3을 참조하여 종래기술에 의한 기준전압 발생기의 동작과 그 문제점을 살펴본다.
먼저, 전술한 기준전압 발생기는 아래의 수학식1과 같은 기준전압(Vbg)를 제공하게 된다.
Vbg = Vbe3 + R2/R1 ×VT ×ln n
여기서의 기준전압(Vbg)은 수학식1에서와 같이 공급되는 전원전압(VDD)에는 독립적인인 함수이므로 공급되는 전압에 상관없이 일정한 전압을 발생하게 된다.
또한, 수학식1에서 온도의 변화에 따라 약 -1.65mV/C정도로 변하는 네거티브 (negative) 특성을 가진 첫번째 항(Vbe3)과, 온도의 변화에 따라 약 +0.085mv/C정도로 변하는 포지티브(positive)특성을 지니는 두번째 항(VT)의 상관계로 인해 온도가 변하여도 기준전압은 비교적 안정된 레벨을 유지하게 된다.
도2에 도시된 바와 같이, 온도가 -20도에서 100도정도의 변화하더라도, 기준전압의 레벨은 1.1864V에서 1.1878V로 거의 변화하지 않는 것을 알 수 있다.
한편, 전술한 기준전압 생성기는 기준전류(Ibias)도 출력하게 되는데, 이 때의 기준전류는 아래의 수학식 2에 의해 나타낼 수 있다.
Ibias = IR1 = VT × ln n / R1
수학식2에서 알 수 있듯이 기준전류도 공급되는 전원전압에 상관없이 안정된 전류량을 가지게 된다.
그러나, 기준전압과 달리 기준전류는 온도의 변화에 따라 일정할 레벨을 가지는 것이 아니고, 도3에 도시된 바와 같이 온도의 변화에 정비례하는 특성을 가지게 된다. 이는 수학식2를 구성하는 VT 가 온도의 변화에 따라 정비례하는 특성을 가지고 있기 때문이다.
따라서 종래기술에 의한 기준전압 발생기에서 출력되는 기준전압만을 이용하는 아날로그 시스템이라면 상관이 없겠으나, 기준전압뿐만 아니라 기준전류도 사용하게 되는 아날로그 시스템이라면, 기준전류가 온도의 변화에 일정하지 않고 증가되기 때문에 아날로그 시스템이 온도 특성에 영향을 받게 된다.
따라서 온도의 변화의 관계없이 안정적인 기준전압과 기준전류를 출력할 수 있는 회로의 개발이 필요하다.
본 발명은 온도의 변화에 관계없이 안정적인 기준전압과 기준전류를 제공할 수 있는 기준전압 및 기준전류 발생기를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명은 상기의 과제를 달성하기 위해 바이폴라트랜지스터의 정션전압 특성과 열전압 특성을 이용하여 공정변화 및 온도변화에 관계없이 일정한 레벨의 기준전압을 출력하고, 상기 열전압특성에 대응하는 내부전류를 공급하는 기준전압 생성부; 상기 내부전류를 미러링한 제1 전류를 제공하기 위한 제1 전류미러부; 상기 기준전압에 대응하는 제2 전류를 소스-드레인단을 통해 제공하기 위한 기준전류의 온도보상용 모스트랜지스터; 및 상기 제1 전류와 제2 전류를 합한 기준전류를 제공하기 위한 제2 전류미러부를 구비하는 기준전압 및 기준전류 발생기를 제공한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시 할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기준전류 및 기준전압 발생기를 나타내는 회로도이다.
도4를 참조하여 살펴보면, 본 실시예에 따른 기준전류 및 기준전압 발생기는 바이폴라트랜지스터의 정션전압(Vbe3) 특성과 열전압(VT) 특성을 이용하여 공정변화 및 온도변화에 관계없이 일정한 레벨의 기준전압(Vbg)을 출력하고, 열전압(VT) 특성에 대응하는 내부전류(Iin)를 공급하는 기준전압 생성부(100)와, 내부전류(Iin)를 미러링한 제1 전류(I1)를 제공하기 위한 제1 전류미러부(200)와, 기준전압(Vbg)에 대응하는 제2 전류(I2)를 소스-드레인단을 통해 제공하기 위한 기준전류의 온도보상용 모스트랜지스터(300)와, 제1 전류(I1)와 제2 전류(I2)를 합한 기준전류(Ibias)를 제공하기 위한 제2 전류미러부(400)를 구비한다.
또한, 제1 전류미러부(200)는 내부전류(Iin)를 일측으로 입력받는 다이오드 접속된 모스트랜지스터(MN1)와, 모스트랜지스터(MN2)와 게이트단이 공통으로 접속되어 내부전류(Iin)를 미러링한 제1 전류(I1)를 제공하는 모스트랜지스터(MN2)를 구비한다.
제2 전류미러부(400)는 소스-드레인단을 통해 모스트랜지스터(MN2)와 기준전류의 온도보상용 모스트랜지스터(300)로 각각 제1 전류(I1)와 제2 전류(I2)를 공급하기 위해 제1 전류(I1)와 제2 전류(I2)의 합에 해당되는 동작전류(Iop)를 제공하는 다이오드 접속된 모스트랜지스터(MP5)와, 모스트랜지스터(MP5)와 게이트가 공통으로 접속되어, 동작전류(Iop)를 미러링한 기준전류(Ibias)를 제공하기 위한 모스트랜지스터(MP5)를 구비한다.
또한, 기준전압 생성부(100)는 각각 다이오드 접속된 바이폴라트랜지스터(Q1,Q2,Q3)와, 일측이 바이폴라트랜지스터(Q2)와 바이폴라트랜지스터(Q3)의 에미터에 각각 접속된 저항(R1)과 저항(R2)과, 정입력단(+)은 바이폴라트랜지스터(Q1)의 에미터에 접속되고, 부입력단(-)은 저항(R1)의 타측에 입력되는 연산증폭기(110)와, 게이트로 연산증폭기(110)의 출력을 입력받고, 일측이 전원전압 공급단(VDD)에 공통으로 접속되고, 타측은 바이폴라트랜지스터(Q1)의 에미터(VA), 저항(R1)의 타측(VB), 저항(R2)의 타측에 각각 접속된 피모스트랜지스터(MP1,MP2,MP3)와, 게이터로 연산증폭기(110)의 출력을 입력받고, 일측은 전원전압 공급단(VDD)에 접속되고, 타측으로 내부전류(Iin)를 제공하는 피모스트랜지스터(MP4)를 구비한다.
도5는 도4에 도시된 기준전압 및 전류 발생기에서 온도의 변화에 따른 제1 및 제2 전류의 변화를 나타내는 회로도이다. 도6은 도5에 도시된 기준전압 및 전류 발생기에서 온도의 변화에 따른 기준전류의 변화를 나타내는 회로도이다.
이하에서 도4 내지 도6을 참조하여 본 실시예에 따른 기준전압 및 기준전류 발생기의 동작에 대하여 살펴본다.
기준전압부(100)에서는 바이폴라트랜지스터의 정션전압(Vbe3) 특성과 열전압(VT) 특성을 이용하여 공정변화 및 온도변화에 관계없이 일정한 레벨의 기준전압(Vbg)을 출력하며, 한편으로는 열전압(VT) 특성에 대응하는 내부전류(Iin, 수학식2 참조)를 공급한다.
이어서 제1 전류미러부(200)는 내부전류(In)을 미러링한 제1 전류(I1)를 제공한다. 여기서 제1 전류(I1)는 온도의 변화에 정비례하는 특성을 가지게된다.
한편, 기준전류의 온도보상용 모스트랜지스터는 게이트로 기준전압(Vbg)을 인가받아 소스-드레인단을 통해 온도의 변화에 반비례하는 제2 전류(I2)를 흐르게 한다.
제2 전류미러부(300)의 다이오드 접속된 모스트랜지스터(MP5)는 제1 전류(I1)와 제2 전류(I2)를 각각 모스트랜지스터(MN2)와 모스트랜지스터(300)로 공급하게 된다. 이 때 모스트랜지스터(MP5)를 통해 흐르게 되는 구동전류(Iop)는 제1 전류(I1)와 제2 전류(I2)를 합한 전류량만큼을 가지게 된다.
최종적으로 제2 전류미러부(300)의 모스트랜지스터(MP6)가 구동전류(Iop)를 미러링하여 기준전류(Ibias)를 공급하게 된다
본 실시예에 의한 기준전압 및 기준전류 발생기에서 출력되는 기준전압(Vbg)은 종래기술에서 설명한 수학식1과 같은 전압레벨을 유지하고, 출력되는 기준전류(Ibias)는 아래의 수학식3과 같은 전류량을 유지하게 된다.
Ibias = Iop(MP5) = (VT ×ln n )/R1 + 1/2 ×μn ×Cox ×W/L×(Vbg-Vtn) 2
수학식3에서 첫번째 항은 모스트랜지스터(MN2)의 드레인-소스로 흐르는 제1 전류(I1)이고, 두번째 항은 기준전류의 온도보상용 모스트랜지스터(300)의 드레인-소스로 흐르는 제2 전류(I2)이다. 따라서 두번째 항의 Vtn와 W/L는 모스트랜지스터(300)의 각각 문턱전압과 채널의 폭과 길이를 나타내는 것이다.
전술한 바와 같이 첫번째항에 포함된 VT는 온도의 변화에 따라 약 0.085mV/C 만큼 증가하는 특성을 가지고, 두번째항에 포함된 전자 이동도μn ×는 온도에 대해 T-1.5의 특성을 가지기 때문에 온도의 변화에 대해 네거티브 특성을 가진다.
도5를 참조하여 살펴보면, 수학식3에서 첫번째항을 나타내는 제1 전류(I1)는 온도의 변화에 증가하는 특성을 가지고 있고, 두번째항을 나타내는 제2 전류(I2)는 온도의 변화에 감속하는 특성을 가지고 있는 것을 알 수 있다.
계속해서 도6을 참조하여 제1 전류와 제2 전류를 합한 전류량을 나타내는 기준전류의 온도특성을 살펴보면, 온도가 -20도에서 100도까지 증가하는데 있어서 기준전류는 24u에서 24.8uA로 약 0.8u정도의 변화만을 가져오는 것을 알 수 있다.
따라서 본 실시예에 따른 기준전압 및 기준전류 발생기에서 출력되는 기준전류와 기준전압은 온도의 변화에 관계없이 안정적인 전압레벨과 전류량을 유지하게 되며, 이를 사용하는 아날로그시스템은 온도의 변화에 관계없이 신뢰성있게 동작할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명에 의해서 하나의 집적회로에서 온도의 변화에 관계없이 일정한 레벨의 기준전압과 일정한 전류량을 유지하는 기준전류를 공급할 수 있게 되었다.
기준전압 및 기준전류를 모두 요구하는 아날로그 시스템에 본 발명에 의한 기준전압 및 기준전류 발생기를 적용할 경우 온도의 변화에 관계없는 기준전류 및 기준전압을 아날로그 시스템이 사용할 수 있어, 매우 신뢰성있는 아날로그 시스템을 구현할 수 있다.
도1은 종래기술에 의한 밴드갭 기준전압 발생기를 나타내는 회로도.
도2는 도1에 도시된 기준전압 발생기에서 온도의 변화에 대한 기준전압의 변화를 나타내는 파형도.
도3은 도1에 도시된 기준전압 발생기에서 온도의 변화에 대한 기준전류의 변화를 나타내는 파형도.
도4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기준전류 및 기준전압 발생기를 나타내는 회로도.
도5는 도4에 도시된 기준전압 및 전류 발생기에서 온도의 변화에 따른 제1 및 제2 전류의 변화를 나타내는 회로도.
도6은 도5에 도시된 기준전압 및 전류 발생기에서 온도의 변화에 따른 기준전류의 변화를 나타내는 회로도.

Claims (4)

  1. 바이폴라트랜지스터의 정션전압 특성과 열전압 특성을 이용하여 공정변화 및 온도변화에 관계없이 일정한 레벨의 기준전압을 출력하고, 상기 열전압특성에 대응하는 내부전류를 공급하는 기준전압 생성부;
    상기 내부전류를 미러링한 제1 전류를 제공하기 위한 제1 전류미러부;
    상기 기준전압에 대응하는 제2 전류를 소스-드레인단을 통해 제공하기 위한 기준전류의 온도보상용 모스트랜지스터; 및
    상기 제1 전류와 제2 전류를 합한 기준전류를 제공하기 위한 제2 전류미러부
    를 구비하는 기준전압 및 기준전류 발생기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전류미러부는
    상기 내부전류를 일측으로 입력받는 다이오드 접속된 제1 모스트랜지스터; 및
    상기 제1 모스트랜지스터와 게이트단이 공통으로 접속되어 상기 내부전류를 미러링한 상기 제1 전류를 제공하는 제2 모스트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 기준전압 및 기준전류 발생기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 전류미러부는
    소스-드레인단을 통해 상기 제2 모스트랜지스터와 상기 기준전류의 온도보상용 모스트랜지스터로 각각 상기 제1 전류와 상기 제2 전류를 공급하기 위해 제1 전류와 제2 전류의 합에 해당되는 동작전류를 제공하기 위한 다이오드 접속된 제3 모스트랜지스터; 및
    상기 제3 모스트랜지스터와 게이트가 공통으로 접속되어, 상기 동작전류를 미러링한 상기 기준전류를 제공하기 위한 제4 모스트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 기준전압 및 기준전류 발생기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준전압 생성부는
    각각 다이오드 접속된 제1 내지 제3 바이폴라트랜지스터;
    일측이 상기 제2 바이폴라트랜지스터와 제3 바이폴라트랜지스터의 에미트에 각각 접속된 제2 저항과 제3 저항;
    정입력단은 상기 제1 바이폴라트랜지스터의 에미터에 접속되고, 부입력단은 상기 제1 저항의 타측에 입력되는 연산증폭기;
    게이트로 상기 연산증폭기의 출력을 입력받고, 일측이 전원전압 공급단에 공통으로 접속되고, 타측은 상기 제1 바이폴라트랜지스터의 에미터, 제1 저항의 타측, 제2 저항의 타측에 각각 접속된 제1 내지 제3 피모스트랜지스터; 및
    게이트로 상기 연산증폭기의 출력을 입력받고, 일측은 전원전압 공급단에 접속되고, 타측으로 상기 내부전류를 제공하는 제4 피모스트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 기준전압 및 기준전류 발생기.
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