KR20120051442A - 선택적 온도 계수를 가지는 전류원 회로 - Google Patents

선택적 온도 계수를 가지는 전류원 회로 Download PDF

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Abstract

선택적 온도 계수를 가지는 전류원 회로가 개시된다. 전류원 회로는 온도에 따라 상승하는 양의 온도 특성을 가지는 제1 전류를 생성하는 제1 전류 생성부와, 온도에 따라 하강하는 음의 특성을 가지는 제2 전류를 생성하는 제2 전류 생성부와, 제1 전류 및 제2 전류를 각각 체배하여 출력하는 체배부와, 온오프 제어신호에 따라 체배부로부터 출력되는 복수의 전류들을 선택적으로 합성하여 출력하는 스위칭부를 포함할 수 있다. 이를 통해, 온도에 따른 성능 저하를 막고 간단한 스위칭 로직을 통해 쉽고 효율적으로 온도계수를 조절할 수 있다.

Description

선택적 온도 계수를 가지는 전류원 회로{CURRENT CIRCUIT HAVING SELECTIVE TEMPERATURE COEFFICIENT}
본 발명은 전류원 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온도에 따라 상승하는 양의 온도 특성을 가지는 제1 전류와 온도에 따라 하강하는 음의 특성을 가지는 제2 전류를 각각 체배하고, 체배된 복수의 전류들을 선택적으로 합성하여 출력함으로써, 온도에 따른 성능 저하를 막고 간단한 스위칭 로직을 통해 쉽고 효율적으로 온도계수를 조절할 수 있는 선택적 온도 계수를 가지는 전류원 회로에 관한 것이다.
연산 증폭기의 다양한 응용 분야에서 낮은 전력 소모와 온도특성에도 일정한 전류의 공급은 연산 증폭기의 중요한 평가 항목이 된다. 특히 온도 변화가 큰 환경에서 구동되는 IC의 경우 온도 변화를 보상할 수 있는 전류원 회로가 요구된다. 따라서 이러한 요구를 충족시키기 위해 온도의 영향을 덜 받으며 일정한 전류를 제공할 수 있는 다양한 형태의 온도 보상을 위한 전류원이 고안되어 왔다.
종래의 온도 보상 회로는 온도에 따라 상승하는 양의 온도 특성을 가지는 전류원과 온도에 따라 하강하는 음의 특성을 가지는 전류원을 단순히 합성하여 온도에 무관한 전류원을 만드는 방식을 이용하고 있다.
하지만, 이와 같은 종래 방식은 온도 계수를 쉽게 조절하기가 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명의 과제는 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 본 발명은, 간단한 스위칭 로직을 통해 쉽고 효율적으로 원하는 온도계수를 조절할 수 있는 선택적 온도 계수를 가지는 전류원 회로를 제공한다.
상기한 본 발명의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 기술적인 측면은, 온도에 따라 상승하는 양의 온도 특성을 가지는 제1 전류를 생성하는 제1 전류 생성부와, 온도에 따라 하강하는 음의 특성을 가지는 제2 전류를 생성하는 제2 전류 생성부와, 제1 전류 및 제2 전류를 각각 체배하여 출력하는 체배부와, 온오프 제어신호에 따라 체배부로부터 출력되는 복수의 전류들을 선택적으로 합성하여 출력하는 스위칭부를 포함하는 선택적 온도 계수를 가지는 전류원 회로를 제공하는 것이다.
바람직하게는, 전류원 회로는 온오프 제어신호를 생성하기 위한 로직 결정부를 더 포함할 수 있다. 또한, 전류원 회로는 스위칭부로부터 출력되는 전류를 미러링하기 위한 전류 미러링부를 더 포함할 수 있다.
또한, 체배부는, 제1 전류 및 제2 전류 각각에 대해 적어도 2 이상의 체배된 전류를 출력할 수 있다.
또한, 제1 전류 생성부 및 제2 전류 생성부는, 베타 멀티플라이어(beta multiplier) 회로를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 온도에 따라 상승하는 양의 온도 특성을 가지는 제1 전류와 온도에 따라 하강하는 음의 특성을 가지는 제2 전류를 각각 체배하고, 체배된 복수의 전류들을 선택적으로 합성하여 출력함으로써, 온도에 따른 성능 저하를 막고 간단한 스위칭 로직을 통해 쉽고 효율적으로 온도계수를 조절할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 선택적 온도 계수를 가지는 전류원 회로의 블록도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 선택적 온도 계수를 가지는 전류원 회로의 세부 블록도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시 형태에 따라 제1 전류원 생성부와 제2 전류원 생성부에 적용되는 배타 멀티플라이어 회로의 구성도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 여러 가지 스위칭 로직에 의해 합성된 전류 파형을 도시한 도면이다.
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 선택적 온도 계수를 가지는 전류원 회로의 블록도로, 제1 전류 생성부(110), 제2 전류 생성부(120), 체배부(130), 로직 결정부(140), 스위칭부(150) 및 전류 미러링부(160)를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 제1 전류 생성부(110)는 절대 온도에 비례하는 성분(PTAT: Proportional Temperature to Absolute Temperature), 즉 온도에 따라 상승하는 양의 온도 특성(Positive Temperature Characteristic)을 가지는 제1 전류를 생성한다. 생성된 제1 전류는 체배부(130)로 출력된다.
한편, 제2 전류 생성부(120)는 절대 온도에 반비례하는 성분(CTAT: Complementary Temperature to Absolute Temperature), 즉 온도에 따라 하강하는 음의 온도 특성(Negative Temperature Characteristic)을 가지는 제2 전류를 생성한다. 생성된 제2 전류는 체배부(130)로 출력된다.
바람직하게는, 상술한 제1 전류 생성부(110)와 제2 전류 생성부(120)는 베타 멀티플라이어(beta multiplier) 회로를 포함할 수 있다. 베타 멀티플라이어 회로에 대해서는 도 3을 참조하여 후술하기로 한다.
한편, 체배부(130)는 제1 전류원 생성부(110)의 PTAT 성분의 전류를 미러링하는 증폭기들과 제2 전류원 생성부(120)의 CTAT 성분의 전류를 미러링하는 다수의 증폭기들을 포함할 수 있다. 여기서, 증폭기들은 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS FET: Metal Oxide Semiconductor Field-Fffect Transistor)를 포함할 수 있다. 이러한 구조를 가지는 체배부(130)의 각 MOS FET에 흐르는 전류량은 채널의 폭과 길이의 비(W/L)를 조절함에 의해 그 크기를 조절할 수 있다.
구체적으로, 제1 전류 생성부(110)로부터 전달받은 온도에 따라 상승하는 양의 온도 특성을 가지는 제1 전류와 온도에 따라 하강하는 음의 온도 특성을 가지는 제2 전류를 각각 체배한다. 체배된 복수의 전류들은 스위칭부(150)로 출력된다. 바람직하게는, 제1 전류 생성부(110) 및 제2 전류 생성부(120)로부터 출력되는 제1 전류 및 제2 전류 각각에 대하여 적어도 2 이상의 체배된 전류들을 출력하는 것을 특징으로 한다.
한편, 로직 결정부(140)는 전류원 회로가 원하는 온도 계수를 가질 수 있도록 스위칭부(150)의 복수의 스위칭 소자들을 스위칭하기 위한 온오프 제어신호를 생성한다. 생성된 온오프 제어신호는 스위칭부(150)로 출력된다.
스위칭부(150)는 로직 결정부(140)로부터 출력된 온오프 제어신호에 따라 내부의 스위칭 소자들을 온오프시킴으로써, 체배부(130)로부터 출력되는 복수의 전류들을 선택적으로 합성하여 출력한다. 바람직하게는, 스위칭 소자는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS FET: Metal Oxide Semiconductor Field-Fffect Transistor)를 포함할 수 있다.
전류 미러링부(160)는 다수의 미러링 증폭기를 포함하며, 스위칭부(150)로부터 출력되는 합성된 전류를 증폭한 전류를 출력한다. 이때 채널의 폭과 길이의 비(W/L)를 조절함에 의해 출력되는 전류량의 크기를 조절할 수 있다.
한편, 도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전류원 회로의 세부 블록도이다.
도 2를 참조하면, 제1 전류원 생성부(110)와 제2 전류원 생성부(120)는 베타 멀티플라이어(beta multiplier) 회로를 포함할 수 있다. 베타 멀티플라이어(beta multiplier) 회로의 구체적인 구성에 대해서는 도 3을 참조하여 후술한다.
체배부(130)는 구동전원(Vdd)에 연결된 증폭기들(M1 내지 M8)을 포함한다. 구체적으로, 제1 증폭기(M1)는 PTAT 성분의 제1 전류(Iptat)를 4배 증폭하며, 제2 증폭기(M2)는 PTAT 성분의 제1 전류(Iptat)를 3배 증폭하며, 제3 증폭기(M3)는 PTAT 성분의 제1 전류(Iptat)를 2배 증폭하며, 제4 증폭기(M4)는 PTAT 성분의 제1 전류(Iptat)를 1배 증폭한다. 마찬가지로, 제5 증폭기(M5)는 CTAT 성분의 제2 전류(Ictat)를 1배 증폭하며, 제6 증폭기(M6)는 CTAT 성분의 제2 전류(Ictat)를 2배 증폭하며, 제7 증폭기(M7)는 CTAT 성분의 제2 전류(Ictat)를 3배 증폭하며, 제8 증폭기(M8)는 CTAT 성분의 제2 전류(Ictat)를 4배 증폭할 수 있다. 여기서, 증폭기들은 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS FET: Metal Oxide Semiconductor Field-Fffect Transistor)를 포함할 수 있다. 이러한 구조를 가지는 체배부(130)의 각 MOS FET(M1 내지 M8)에 흐르는 전류량은 채널의 폭과 길이의 비(W/L)를 조절함에 의해 그 크기를 조절할 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명에서는 제1 전류(Iptat)와 제2 전류(Ictat) 각각에 대해 1 내지 4 체배된 4개의 전류를 예시하였으나, 이는 예시에 불과하며, 당업자의 필요에 따라 다양한 수로 변형 실시될 수 있음에 유의하여야 한다.
한편, 스위칭부(150)는 체배부(130)의 증폭기(M1 내지 M8) 각각에 연결되어 로직 결정부(140)로부터의 온오프 제어신호에 따라 온오프되는 다수의 스위칭 소자(MS1 내지 MS8)을 포함하며, 온오프 제어신호에 따라 스위칭됨으로써, 체배부(130)로부터 출력되는 전류들(I1 내지 I8)을 선택적으로 합산하여 출력한다. 이와 같이 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 복수의 전류들을 선택적으로 합성하여 출력함으로써, 온도에 따른 성능 저하를 막고 간단한 스위칭 로직을 통해 쉽고 효율적으로 원하는 온도계수를 조절할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
마지막으로, 전류 미러링부(160)는 다수의 미러링 증폭기(M9 내지 M12)를 포함할 수 있으며, 스위칭부(150)로부터 출력되는 합성된 전류(Iout1)를 추가로 증폭하여 전류(Iout2)를 출력한다. 마찬가지로 채널의 폭과 길이의 비(W/L)를 조절함에 의해 출력되는 전류량(Iout2)의 크기를 조절할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시 형태에 따라 제1 전류원 생성부(110)와 제2 전류원 생성부(120)에 적용되는 배타 멀티플라이어 회로의 구성도이다.
도 3을 참조하면, MP4의 폭(width)은 MP3의 폭보다 K배 크며, MP4의 길이(Length)는 MP3의 길이와 같도록 설계된다고 가정하면, 증폭율은 다음의 수학식 (1)과 같다.
[수학식 1]
β2 = K×β1
여기서, β2는 MP4의 증폭율, β1은 MP3의 증폭율을 의미한다.
미스매치와 λ효과를 무시하면, 전류 미러 MP3와 MP4는 동일한 전류를 제공한다. 다음 KVL을 적용하면, 다음과 같은 수학식 (2)를 얻을 수 있다.
[수학식 2]
Vgs1 = Vgs2 + IR
여기서, Vgs1는 MP3의 게이트-소스 전압을, Vgs2는 MP4의 게이트-소스 전압이 된다. 바디 이펙트(body effect), 채널-길이 모듈레이션(channel-length modulation)과 모빌리티 모듈레이션(mobility modulation)을 무시하고, Vgs를 대체하면, 다음과 같은 수학식 (3)을 얻을 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00001
이후, 수학식 (3)을 I에 대하여 풀면 다음과 같은 수학식 (4)를 구할 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00002
수학식 (4)로부터 전류는 저항값(R)의 제곱에 반비례하는 계수로 나타날 수 있다. 상술한 베타 멀티플라이어 회로는 저항(R)의 특성에 따라 그 특성을 결정할 수 있다. 구체적으로, 제1 전류원(110)의 저항(R)을 도 1에 도시된 바와 같이 양의 온도 계수를 가지는 저항(Rp)로 함으로써, 제1 전류원(110)은 PTAT 특성을 가질 수 있다. 마찬가지로, 제2 전류원(120)의 저항(R)을 도 1에 도시된 바와 같이 음의 온도 계수를 가지는 저항(Rc)로 함으로써, 제2 전류원(120)은 CTAT 특성을 가질 수 있다. 상술한 베타 멀티플라이어 회로는 일 실시예에 불과하며, 다양한 형태의 전류원으로 구현 가능함에 유의하여야 한다.
도 4는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 여러 가지 스위칭 로직에 의해 합성된 전류 파형을 도시한 도면이다.
이하 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 동작 원리를 설명한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 제1 전류 생성부(110)는 온도에 따라 상승하는 양의 온도 특성을 가지는 제1 전류(Iptat)를 생성하여 체배부(130)로 출력하며, 마찬가지로 제2 전류 생성부(120)는 온도에 따라 하강하는 음의 온도 특성을 가지는 제2 전류(Ictat)를 생성하여 제2 전류(Ictat)는 체배부(130)로 출력된다.
체배부(130)는 제1 전류 생성부(110)로부터의 제1 전류(Iptat)와 제2 전류 생성부(120)로부터의 제2 전류(Ictat)를 미러링하여 증폭한다. 구체적으로, 제1 증폭기(M1)는 PTAT 성분의 제1 전류(Iptat)를 4배 증폭하며, 제2 증폭기(M2)는 PTAT 성분의 제1 전류(Iptat)를 3배 증폭하며, 제3 증폭기(M3)는 PTAT 성분의 제1 전류(Iptat)를 2배 증폭하며, 제4 증폭기(M4)는 PTAT 성분의 제1 전류(Iptat)를 1배 증폭한다. 마찬가지로, 제5 증폭기(M5)는 CTAT 성분의 제2 전류(Ictat)를 1배 증폭하며, 제6 증폭기(M6)는 CTAT 성분의 제2 전류(Ictat)를 2배 증폭하며, 제7 증폭기(M7)는 CTAT 성분의 제2 전류(Ictat)를 3배 증폭하며, 제8 증폭기(M8)는 CTAT 성분의 제2 전류(Ictat)를 4배 증폭할 수 있다. 한편, 체배부(130)의 각 MOS FET(M1 내지 M8)에 흐르는 전류량은 채널의 폭과 길이의 비(W/L)를 조절함에 의해 그 크기를 조절할 수 있다.
이후, 스위칭부(150)는 로직 결정부(140)로부터 출력된 온오프 제어신호에 따라 내부의 스위칭 소자들(MS1 내지 MS8))을 온오프시킴으로써, 체배부(130)로부터 출력되는 복수의 전류들(I1 내지 I8)을 선택적으로 합성하여 출력한다.
이와 같은 스위칭부(150)로부터 출력되는 합산된 전류 파형을 도 4에 도시하고 있다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 도면부호 400은 제1 전류(Iptat)를 4배, 제2 전류(Ictat)를 1배하며, 각각의 체배된 전류들을 합산함으로써 얻어지는 출력전류(Iout1)를 도시하고 있다. 이를 위해 로직 결정부(140)는 스위칭 소자들(MS1, MS5)은 온시키며, 나머지 스위칭 소자들(MS2 내지 MS4, MS6 내지 MS8)을 오프시키는 온오프 제어신호를 스위칭부(150)로 출력할 수 있다. 마찬가지로, 도면부호 401은 제1 전류(Iptat)를 3배, 제2 전류(Ictat)를 2배하고, 각각의 체배된 전류들을 합산함으로써 얻어지는 출력전류(Iout1)를 도시하고 있으며, 이를 위해 로직 결정부(140)는 스위칭 소자들(MS2, MS6)은 온시키며, 나머지 스위칭 소자들(MS1, MS3 내지 MS5, MS7 내지 MS8)을 오프시키는 온오프 제어신호를 스위칭부(150)로 출력할 수 있다. 한편, 도면부호 402는 제1 전류(Iptat)를 2배, 제2 전류(Ictat)를 3배하고, 각각의 체배된 전류들을 합산함으로써 얻어지는 출력전류(Iout1), 도면부호 403은 제1 전류(Iptat)를 1배, 제2 전류(Ictat)를 4배하고, 각각의 체배된 전류들을 합산함으로써 얻어지는 출력전류(Iout1)를 도시하고 있다. 도면부호 402 내지 도면부호 403의 온오프 제어신호는 동일한 원리에 의해 출력될 수 있다. 상술한 체배부(130)와 스위칭부(150)는 한정된 수의 구성요소들을 도시하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 수의 증폭기와 스위칭 소자를 사용할 수 있음에 유의해야 한다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 복수의 전류들을 선택적으로 합성하여 출력함으로써, 온도에 따른 성능 저하를 막고 간단한 스위칭 로직을 통해 쉽고 효율적으로 원하는 온도계수를 조절할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
마지막으로, 스위칭부(150)로부터 출력되는 전류(Iout1)은 전류 미러링부(160)를 통해 추가 증폭될 수 있으며, 전류 미러링부(160)로부터 증폭된 전류(Iout2)가 출력될 수 있다.
이상 도면과 명세서에서 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
110: 제1 전류 생성부(PTAT)
120: 제2 전류 생성부(CTAT)
130: 체배부
140: 로직 결정부
150: 스위칭부
160: 전류 미러링부

Claims (5)

  1. 온도에 따라 상승하는 양의 온도 특성을 가지는 제1 전류를 생성하는 제1 전류 생성부;
    온도에 따라 하강하는 음의 특성을 가지는 제2 전류를 생성하는 제2 전류 생성부;
    상기 제1 전류 및 상기 제2 전류를 각각 체배하여 출력하는 체배부; 및
    온오프 제어신호에 따라 상기 체배부로부터 출력되는 복수의 전류들을 선택적으로 합성하여 출력하는 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 온도 계수를 가지는 전류원 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류원 회로는,
    상기 온오프 제어신호를 생성하기 위한 로직 결정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 온도 계수를 가지는 전류원 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전류원 회로는,
    상기 스위칭부로부터 출력되는 전류를 미러링하기 위한 전류 미러링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 온도 계수를 가지는 전류원 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 체배부는,
    상기 제1 전류 및 상기 제2 전류 각각에 대해 적어도 2 이상의 체배된 전류를 출력하는 것을 특징으로 하는 선택적 온도 계수를 가지는 전류원 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전류 생성부 및 상기 제2 전류 생성부는,
    베타 멀티플라이어(beta multiplier) 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 온도 계수를 가지는 전류원 회로.
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