KR19990047008A - 외부조건 변화에 둔감한 기준전압 발생회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 백바이어스전압(Vbb)이 어떠한 형태의 변화를 갖더라도 그 백바이어스전압(Vbb)에 의한 변화를 제거시킴으로써, 외부의 전원전압(Vcc) 및 온도 뿐만 아니라 백바이어스전압(Vbb)의 영향을 받지 않도록 한 외부조건 변화에 둔감한 기준전압발생회로에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 피모스트랜지스터의 게이트-소스간의 전압을 이용하여 전원전압(Vcc)에 대한 기준전압을 발생하는 기준전압 발생부(10)와,
그 기준전압 발생부(10)에서 발생된 기준전압을 접지전압(Vss)에 대한 기준전압으로 변환하여 출력하는 기준전압변환부(20)로 구성된다.

Description

외부조건 변화에 둔감한 기준전압 발생회로
본 발명은 기준전압 발생회로에 관한 것으로, 특히 피모스트랜지스터의 게이트-소스간의 전압을 이용하여 기준전압이 발생되도록 한 외부조건 변화에 둔감한 기준전압 발생회로에 관한 것이다.
종래의 기준전압 발생회로는 도1에 도시된 바와 같이, 전원전압(Vcc)이 소스 및 서브스트레이트로 인가되고, 게이트와 드레인이 서로 연결된 제1피모스트랜지스터(P1)와,
그 제1피모스트랜지스터(P1)와 드레인이 공통으로 연결되고, 서브스트레이트로는 백바이어스전압(Vbb)이 인가되고, 소스로는 접지전압(Vss)이 저항(R1)을 통해 인가되는 제1엔모스트랜지스터(N1)와,
그 제1엔모스트랜지스터(N1)와 게이트가 공통으로 연결되고, 그 게이트는 드레인과 서로 연결되며, 서브스트레이트로는 백바이어스전압(Vbb)이 인가되고 소스로는 접지전압(Vss)이 인가되는 제2엔모스트랜지스터(N2)와
그 제2엔모스트랜지스터(N2)와 드레인이 공통으로 연결되고, 게이트는 상기 제1피모스트랜지스터(P1)의 게이트와 공통으로 연결되며, 소스 및 서브스트레이트로는 전원전압(Vcc)이 인가되는 제2피모스트랜지스터(P2)와로 구성된다.
이때, 상기 제2피모스트랜지스터(P2)의 드레인과 제2엔모스트랜지스터(N2)의 드레인이 연결되는 노드(A)는 기준전압발생회로의 출력단으로서 기준전압(Vref1)을 출력한다.
이와 같이 구성된 종래기술의 동작 및 작용을 도1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
종래기술의 동작은 제1,제2엔모스트랜지스터(N1,N2)의 게이트와 소스간의 전압차이(Vgs)를 이용한 것으로, 그 제1,제2엔모스트랜지스터(N1,N2)에서 출력단으로 흐르는 동작전류(operation current)는 다음 수학식1과 같다.
여기서, 상기 수학식1에서 Vgs(N2)는 제2엔모스트랜지스터(N2)의 게이트-소스간의 전압이고, Vgs(N1)는 제1엔모스트랜지스터(N1)의 게이트-소스간의 전압이다.
그리고, 상기 제1,제2엔모스트랜지스터(N1,N2)는 모두 포화영역(saturation region)에서 동작되므로, 그 제1,제2엔모스트랜지스터(N1,N2)에 각각 흐르는 전류는 다음의 수학식2,3과 같다.
Vt(N)은 엔모스트랜지스터(N1,N2)의 문턱전압이며, B는 도1에서 노드(B)의 전압이다.
이때, 제1,제2피모스트랜지스터(P1,P2)의 게이트-소스간의 전압차이(Vgs)는 서로 같기 때문에 상기 제1,제2엔모스트랜지스터(N1,N2)에 흐르는 전류는 다음의 수학식4와 같다.
Iop = I(N1) = I(N2)
따라서, 상기 수학식2 및 수학식3에 의해 다음의 수학식5와 같이 변환된다.
또한, 상기 수학식5를 수학식3에 대입하면 다음의 수학식6, 수학식7에 의해 기준전압(Vref1)을 구할 수 있다.
상기 수학식7에서, 공정파라미터(β)는 이고, UN은 엔모트랜지스터의 전자이동도(electronic mobility)이며, ε는 유전율, tox는 게이트 산화층의 두께(gate oxide thickness)를 나타 낸다.
상기 수학식7에서와 같이 기준전압(Vref1)은 전원전압(Vcc)에 무관하게 발생되며, 엔모스트랜지스터의 문턱전압(Vt(N))에 대한 온도변화는 일반적으로 -1㎷/℃로 나타 난다. 그리고, 엔모트랜지스터의 전자이동도(UN)는 온도에 따라 에 비례하므로, 상기 수학식7의 두 번째 항의 온도변화가 +1㎷/℃가 되도록 적절히 저항(R1)의 값과 제1,제2엔모스트랜지스터(N1,N2)들의 폭(width)과 길이(length)가 선택되면 온도에 독립적인 기준전압(Vref1)이 발생하게 된다.
또한, 전원전압(Vcc)이 증가하면 제1피모스트랜지스터(P1) 및 제2피모스트랜지스터(P2)의 게이트들이 연결된 노드(C)의 전압이 전원전압(Vcc)에 따라 증가하므로, 기준전압(Vref1)은 전원전압(Vcc)의 변화에도 독립적이다.
그러나, 종래의 기준전압 발생회로는 외부의 전원전압(Vcc) 또는 온도의 변화에 대해서는 독립적으로 기준전압을 발생하지만, 엔모스트랜지스터들(N1,N2)의 서브스트레이트로 인가되는 백바이어스전압(Vbb)의 변화에 따라 그 엔모스트랜지스터들(N1,N2)의 문턱전압(Vt)이 아래의 수학식8 만큼 변화되기 때문에, 그 엔모스트랜지스터들(N1,N2)의 서브스트레이트로 인가되는 백바이어스전압(Vbb)의 변화에 따라서 기준전압의 변화(variation)가 크게 나타나는 문제점이 있었다.
여기서, 상기 Vt0는 Vsb=0 일때의 문턱전압이고, γ는 본체효과요소(body effect factor)이며, Vsb는 소스와 서브스트레이트 사이의 전압이다.
또한, 백바이어스전압(Vbb)이 전원전압(Vcc)의 영향을 받을 경우 상기 수학식8에 의해 기준전압도 영향을 받게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 백바이어스전압(Vbb)이 어떠한 형태의 변화를 갖더라도 그 백바이어스전압(Vbb)에 의한 변화를 제거시킴으로써, 외부의 전원전압(Vcc) 및 온도 뿐만 아니라 백바이어스전압(Vbb)의 영향을 받지 않도록 한 외부조건 변화에 둔감한 기준전압발생회로를 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 피모스트랜지스터의 게이트-소스간의 전압을 이용하여 전원전압(Vcc)에 대한 기준전압을 발생하는 기준전압발생부(10)와, 그 기준전압발생부(10)에서 발생된 기준전압을 접지전압(Vss)에 대한 기준전압으로 변환함으로써 최종적인 기준전압을 출력하는 기준전압변환부(20)로 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명은 백바이어스전압(Vbb)이 어떠한 형태의 변화를 갖더라도 그 백바이어스전압(Vbb)의 변화를 제거시킴으로써, 외부의 전원전압(Vcc) 및 온도의 변화 뿐만 아니라 백바이어스전압(Vbb)의 변화에도 영향을 받지 않는 일정한 기준전압을 얻을 수 있다.
도 1 은 종래의 기준전압발생회로의 구성을 보인 회로도.
도 2 는 본 발명에 의한 기준전압발생회로의 제1실시예의 구성을 보인 회로도.
도 3 은 도2에서, 전원전압에 대한 기준전압을 접지전압에 대한 기준전압으로 변환한 것을 보인 그래프.
도 4 는 본 발명에 의한 기준전압발생회로의 제2실시예의 구성을 보인 회로도.
*****도면의 주요 부분에 대한 부호 설명*****
R1-R2 : 저항 P11∼P16 : 피모스트랜지스터
N11∼N12 : 엔모스트랜지스터
Vcc : 전원전압 Vss : 접지전압
Vbb : 백바이어스전압
이하 본 발명에 의한 외부조건 변화에 둔감한 기준전압 발생회로를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 제1실시예는 도2에 도시된 바와 같이, 전원전압(Vcc)에 대한 기준전압을 발생하는 기준전압발생부(10)와, 그 기준전압발생부(10)에서 발생된 기준전압을 접지전압(Vss)에 대한 기준전압으로 변환함으로써 최종적인 기준전압을 출력하는 기준전압변환부(20)로 구성된다.
상기 기준전압발생부(10)는 전원전압(Vcc)이 저항(R2)을 거쳐 소스 및 N-well(서브스트레이트)로 인가되는 제1피모스트랜지스터(P11)와,
그 제1피모스트랜지스터(P11)와 드레인들이 공통으로 연결되고 그 공통 연결된 드레인에 게이트가 연결되며, 소스로는 접지전압(Vss)이 인가되고 서브스트레이트로는 백바이어스전압(Vbb)이 인가되는 제1엔모스트랜지스터(N11)와,
상기 제1엔모스트랜지스터(N11)와 게이트들이 공통으로 연결되고, 소스로는 접지전압(Vss)이 인가되고 서브스트레이트로는 백바이어스전압(Vbb)이 인가되는 제2엔모스트랜지스터(N12)와,
상기 제2엔모스트랜지스터(N12)와 드레인이 공통으로 연결되고 그 드레인과 게이트는 서로 연결되며, 상기 제1피모스트랜지스터(P11)와 게이트가 공통으로 연결되고, 소스 및 N-well(서브스트레이트)로는 전원전압(Vcc)이 인가되는 제2피모스트랜지스터(P12)로 구성된다.
이때, 상기 제2피모스트랜지스터(P12) 및 제2엔모스트랜지스터(N12)의 드레인들이 서로 연결된 노드(C)는 그 기준전압발생부(10)의 출력단으로서 전원전압(Vcc)에 의한 기준전압을 출력한다.
상기 기준전압변환부(20)는 전원전압(Vcc)이 소스 및 서브스트레이트로 인가되고, 게이트로는 상기 기준전압발생부(10)의 출력이 인가되는 제3피모스트랜지스터(P13)와,
상기 제3피모스트랜지스터(P13)의 드레인과 소스 및 서브스트레이트가 연결되고, 드레인 및 게이트로는 접지전압(Vss)이 인가되는 제4피모스트랜지스터(P14)와로 구성된다.
이때, 상기 제3피모스트랜지스터(P13)의 드레인과 제4피모스트랜지스터(P14)의 소스가 연결된 노드(D)가 기준전압발생부(10)의 출력단으로서 접지전압(Vss)에 대한 기준전압(Vref2)을 외부로 출력한다.
이와같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용을 도2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 기준전압발생부(10)의 출력단에 흐르는 동작전류(operation current)는 다음 수학식9과 같다.
상기 수학식9을 이용 하면 기준전압발생부(10)에서 발생되는 다음의 수학식10과 같이 기준전압을 구할 수 있다.
여기서, D는 상기 제1피모스트랜지스터(P11) 및 제2피모스트랜지스터(P12)의 게이트들이 연결된 노드(D)의 전압이다.
그리고, 제1,제2엔모스트랜지스터들(N11,N12)은 활성영역(Active load)에서 동작되며, 소스와 게이트 사이의 전압(Vgs) 값이 서로 같기 때문에 제1,제2피모스트랜지스터들(P11,P12)을 통해 흐르는 전류를 같도록 유지시킨다.
또한, 상기 제1피모스트랜지스터(P11) 및 제2피모스트랜지스터(P12)의 게이트들이 서로 연결된 노드(A)의 전압은 전원전압(Vcc)에 대한 기준전압이다. 그리고, 실제로 사용하기위한 접지전압(Vss)에 대한 기준전압으로 변환을 시켜주기 위해 기준전압변환부(20)의 제3,제4피모스트랜지스터들(P13,P14)이 직렬로 연결되어 있고, 그 제3피모스트랜지스터(P13)의 게이트가 상기 노드(A)에 연결되어 있으므로 그 제3,제4피모스트랜지스터들(P13,P14)에 흐르는 전류량은 제1피모스트랜지스터(P11)에 흐르는 전류량과 같게 된다.(동일한 Vgs 값이 된다.)
즉, 제1,2,3피모스트랜지스터들(P11,P12,P13)의 폭/길이(W/L; Width/Length)를 같게 하면 세 개의 피모스트랜지스터들의 Vgs 값이 같게 되므로 도3에 도시된 바와 같이, 전원전압(Vcc)에 대한 기준전압을 접지전압(Vss)에 대한 기준전압으로 완벽하게 변환시킬 수 있게 된다.
한편, 모든 피모스트랜지스터들(P11,P12,P13,P14)의 서브스트레이트(N-well)는 각각의 소스단자에 연결되고, 즉, 소스와 서브스트레이트 사이의 전압이 제로(Vsb=0)가 되도록 구성되어 회로의 동작시에 발생될 수 있는 본체효과요소(body effect factor)의 영향이 제거 된다.
다시한번 설명하면, 상기 기준전압발생부(10)에서 전원전압(Vcc)에 대하여 발생되어 노드(E)를 통해 출력되는 기준전압은 기준전압변환부(20)에서 접지전압(Vss)에 대한 기준전압으로 변환되어 최종적인 기준전압(Vref2)로서 노드(F)를 통해 출력된다.
본 발명에 의한 제2실시예는 본 발명의 제1실시예의 기준전압(Vref2)의 전압레벨을 높이고자 할 때 사용되며, 다음과 같이 구성된다.
본 발명의 제2실시예는 도4에 도시된 바와 같이, 전원전압(Vcc)에 대한 기준전압을 발생하는 기준전압발생부(10)는 본 발명의 제1실시예와 동일하게 구성된다.
그리고, 그 기준전압발생부(10)에서 발생된 기준전압을 접지전압(Vss)에 대한 기준전압으로 변환함으로써 최종적인 기준전압을 출력하는 기준전압변환부(30)는 전원전압(Vcc)이 소스 및 서브스트레이트로 인가되고, 게이트로는 상기 기준전압발생부(10)의 출력이 인가되는 제3피모스트랜지스터(P13)와,
상기 제3피모스트랜지스터(P13)의 드레인에 소스 및 서브스트레이트가 연결되는 제4피모스트랜지스터(P14)와,
상기 제4피모스트랜지스터(P14)의 드레인 및 게이트에 소스 및 서브스트레이트가 연결되는 제5피모스트랜지스터(P15)와,
상기 제5피모스트랜지스터(P15)의 드레인 및 게이트에 소스 및 서브스트레이트가 연결되고, 드레인 및 게이트로는 접지전압(Vss)이 인가되는 제6피모스트랜지스터(P16)로 구성된다.
이때, 상기 제3피모스트랜지스터(P13)의 드레인과 제4피모스트랜지스터(P14)의 소스가 연결된 노드(C)가 기준전압발생회로의 출력단으로서 접지전압(Vss)에 대한 기준전압(Vref3)을 외부로 출력한다. 그리고, 본 발명의 제1실시예와 동일한 부분은 동일한 부호를 붙인다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 제2실시예의 동작 및 작용은 본 발명의 제1실시예와 유사하며 다수개의 피모스트랜지스터들을 기준전압변환부(30)에 제1실시예와 동일한 방법으로 추가함으로써 제1실시예 보다 높은 기준전압을 얻을 수 있다. 이는 사용자에 따라 그 연결되는 트랜지스터의 수는 변경될 수 있다.
즉, 제1∼6피모스트랜지스터들(P11∼P16)의 폭/길이(W/L; Width/Length)를 같게 하면 여섯개의 피모스트랜지스터들의 Vgs 값이 같게 되므로 도3에 도시된 바와 같이, 전원전압(Vcc)에 대한 기준전압을 접지전압(Vss)에 대한 기준전압으로 완벽하게 변환시킬 수 있게 되며, 이는 상기 제1실시예의 기준전압(Vref2) 보다 약 3배 정도의 기준전압(Vref3)을 얻을 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 백바이어스전압(Vbb)이 어떠한 형태의 변화를 갖더라도 그 백바이어스전압(Vbb)의 변화를 제거시킴으로써, 외부의 전원전압(Vcc) 및 온도의 변화 뿐만 아니라 백바이어스전압(Vbb)의 변화에도 영향을 받지 않는 일정한 기준전압을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 피모스트랜지스터의 게이트-소스간의 전압차이를 이용하여 전원전압(Vcc)에 대한 기준전압을 발생하는 기준전압발생부(10)와, 그 기준전압 발생부(10)에서 발생된 기준전압을 접지전압(Vss)에 대한 기준전압으로 변환함으로써 최종적인 기준전압을 출력하는 기준전압변환부(20)로 구성된 것을 특징으로 하는 외부조건 변화에 둔감한 기준전압 발생회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기준전압발생부(10)는 전원전압(Vcc)이 저항(R2)을 거쳐 소스 및 N-well(서브스트레이트)로 인가되는 제1피모스트랜지스터(P11)와,
    상기 제1피모스트랜지스터(P11)와 드레인이 공통으로 연결되고 그 공통 드레인에 게이트가 연결되며, 소스로는 접지전압(Vss)이 인가되고 서브스트레이트로는 백바이어스전압(Vbb)이 인가되는 제1엔모스트랜지스터(N11)와,
    상기 제1엔모스트랜지스터(N11)와 게이트가 공통으로 연결되고, 소스로는 접지전압(Vss)이 인가되고 서브스트레이트로는 백바이어스전압(Vbb)이 인가되는 제2엔모스트랜지스터(N12)와,
    상기 제2엔모스트랜지스터(N12)와 드레인이 공통으로 연결되고 상기 제1피모스트랜지스터(P11)와 게이트가 공통으로 연결되고 그 드레인과 게이트는 서로 연결되며, 소스 및 N-well(서브스트레이트)로는 전원전압(Vcc)이 인가되는 제2피모스트랜지스터(P12)로 구성된 것을 특징으로 하는 외부조건 변화에 둔감한 기준전압 발생회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기준전압변환부(20)는 전원전압(Vcc)이 소스 및 서브스트레이트로 인가되고, 게이트로는 상기 기준전압발생부(10)의 출력이 인가되는 제3피모스트랜지스터(P13)와,
    상기 제3피모스트랜지스터(P13)의 드레인에 소스 및 서브스트레이트가 연결되고, 드레인 및 게이트로는 접지전압(Vss)이 인가되는 제4피모스트랜지스터(P14)로 구성된 것을 특징으로 하는 외부조건 변화에 둔감한 기준전압 발생회로.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기준전압변환부(20)는 전원전압(Vcc)이 소스 및 서브스트레이트로 인가되고, 게이트로는 상기 기준전압발생부(10)의 출력이 인가되는 제3피모스트랜지스터(P13)와,
    상기 제3피모스트랜지스터(P13)의 드레인에 소스 및 서브스트레이트가 연결되는 제4피모스트랜지스터(P14)와,
    상기 제4피모스트랜지스터(P14)의 드레인 및 게이트에 소스 및 서브스트레이트가 연결되는 제5피모스트랜지스터(P15)와,
    상기 제5피모스트랜지스터(P15)의 드레인 및 게이트에 소스 및 서브스트레이트가 연결되고, 드레인 및 게이트로는 접지전압(Vss)이 인가되는 제6피모스트랜지스터(P16)로 구성된 것을 특징으로 하는 외부조건 변화에 둔감한 기준전압 발생회로.
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