KR20180101662A - 공급 전원 변화를 트랙킹하여 전압 변화를 보상하기 위한 듀얼 기준 전압 생성기 기반 전압 조정 회로 - Google Patents

공급 전원 변화를 트랙킹하여 전압 변화를 보상하기 위한 듀얼 기준 전압 생성기 기반 전압 조정 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공급 전원 변화를 트랙킹하여 IR 전압 강하를 보상하기 위한 듀얼 기준 전압 생성기 기반 전압 조정 회로에 관한 것으로서, 소스 공급 전압(VSS)의 IR 전압 강하를 트랙킹하여 드레인 공급 전압(VDD) 변화에는 무관하지만 VSS 변화에 따라 가변적인 기준 전압(VN)을 만드는 N형 블록 BGR 전압 발생기 및 VDD의 IR 전압 강하를 트랙킹하여 VSS 변화에는 무관하지만 VDD 변화에 따라 가변적인 기준 전압(VP)을 만드는 P형 블록 BGR 전압 발생기를 포함함으로써, 공급 전원의 변화를 트랙킹하여 집적 회로 내부에서의 긴 라우팅에 의한 IR 전압 강하를 보상하는 기준 전압을 생성할 수 있다.

Description

공급 전원 변화를 트랙킹하여 전압 변화를 보상하기 위한 듀얼 기준 전압 생성기 기반 전압 조정 회로{DUAL REFERENCE VOLTAGE GENERATOR BASED BIAS VOLTAGE REGULATION CIRCUIT FOR COMPENSATING IR DROP BY TRACKING SUPPLY VOLTAGE VARIATION}
본 발명은 듀얼 기준 전압 생성기 기반 바이어스 전압 조정 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공급 전원 배선에 IR 전압 강하로 인한 전압 변화가 발생하더라도 이를 트랙킹하여 전압 변화를 보상함으로써 회로의 안정적인 동작과 목표 성능 유지를 보장하는 듀얼 기준 전압 생성기 기반 바이어스 전압 조정 회로에 관한 것이다.
OP AMP와 같은 아날로그 집적 회로의 안정적인 동작과 목표 성능 유지를 위해서는 모든 MOS 트랜지스터의 안정적인 전압 바이어스가 공급되어야 한다. 안정적인 전압 바이어스를 공급하기 위해서는 기준 전압 생성기에서 고정 전압을 생성하여 바이어스 회로에 공급한다. 이와 같은 바이어스 전압이 온도에 민감하게 변화하는 문제를 방지하기 위해 온도변화에 둔감한 기준 전압 회로를 많이 채택한다. 예를 들어, CMOS BRG(Band Gap Reference) 회로를 이용하면 공급 전압 변화와 온도 변화에 동시에 무관한 전류원과 전압원을 제공 할 수 있다. 도 1과 같은 BGR 회로를 이용하여 온도에 무관한 기준 전압을 만들고, 도2와 같이PMOS 패스 트랜지스터와 전압 오차 비교기를 이용하여 목표 전압을 출력하는 방법이 일반적으로 많이 사용되고 있다. 다양한 기준 전압이 필요한 경우 도2의 출력단에 저항 전압 분배기(voltage divider)를 통해 원하는 출력 전압을 만들어 낼 수 있다.
이와 같은 일반적인 기준 전압 생성기는 온도 변화와 VDD 외부 전압 변화에 둔감한 전압을 공급한다. OP AMP와 같은 많은 아날로그 회로는 전류 미러 구조 부하 회로의 바이어스 전압 및 테일 전류원 구동 트랜지스터의 게이트 바이어스 전압 등 다양한 바이어스 전압의 공급을 요구한다. 이러한 경우 부하 회로의 바이어스 전압은 VSS전압 변화에는 무관하지만 VDD 전압 변화에 따라 가변적인 전압이 요구된다. 반면에 테일 전류원 바이어스 전압은 VDD 전압 변화에는 무관하지만 VSS 전압 변화에 따라 가변적인 전압이 요구된다. 그러나 도 1과 도2에 기반한 일반적인 기준 전압 생성기는 VDD변화에 무관한 바이어스 전압만을 공급하게 되어 VDD가 전압 변화에 의해 크게 강하되는 경우 부하 회로의 바이어스 전압(Vgs)을 크게 감소시킬 수 있다. 이 경우 부하 전류가 급 감소하고 일부 트랜지스터들이 포화 영역에서 벗어나 선형 동작 영역으로 이동하여 회로의 오동작을 초래할 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2005-0106885호(공개일자 2005.11.11) 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0007896호(공개일자 2009.01.21)
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 BGR의 온도에 무관한 기준 전압을 생성할 뿐만 아니라, 전압 변화 시 VDD와 GND 변화를 각각 트랙킹하여 전압 변화를 보상함으로써 응용 회로에 안정적인 바이어스를 제공할 수 있는 듀얼 기준 전압 생성기 기반 전압 조정 회로를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 듀얼 기준 전압 생성기 기반 전압 조정 회로는, 온도 변화에 따라 전압의 레벨이 변화되지 않으나 공급 전원의 변화에 따라 전압의 레벨이 가변적인 기준 전압을 만들도록 구성된 듀얼 구조의 BGR(Band Gap Reference, 밴드 갭 기준) 전압 발생기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 BGR 전압 발생기는 소스 공급 전압(VSS)의 전압변화를 트랙킹하여 VSS 변화에 따라 가변적이며 드레인 공급전압 (VDD) 변화에는 무관한 기준 전압(VN)을 만드는 N형 블록 BGR 전압 발생기 및 VDD의 전압변화를 트랙킹하여 VDD 변화에 따라 가변적이며 VSS 변화에는 무관한 기준 전압(VP)을 만드는 P형 블록 BGR 전압 발생기를 포함한다.
한편, 본 발명의 듀얼 기준 전압 생성기 기반 전압 조정 회로는, 상기 BGR 전압 발생기에서 생성된 기준 전압을 조절함으로써 원하는 다양한 출력 전압을 생성하도록 구성된 레귤레이터를 더 포함할 수 있다.
그리고 바람직하게는, 상기 레귤레이터는 상기 BGR 전압 발생기에서 생성된 기준 전압을 수신하여 전압 오차 비교기와 MOSFET 패스 트랜지스터를 이용하여 목표 전압을 출력하고, 상기 전압 오차 비교기의 출력단에 저항 전압 분배기를 통해 다양한 출력 전압을 생성한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 공급 전원 변화를 트랙킹하여 전압 변화를 보상하기 위한 듀얼 기준 전압 생성기 기반 전압 조정 회로는 공급 전원의 변화를 트랙킹함으로써 집적 회로 내부에서의 긴 라우팅에 의한 전압 변화를 보상하는 기준 전압을 생성할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 BGR 회로를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 BRG 기반 전압 조정 회로를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전압 조정 회로를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 전압 조정 회로가 적용된 레일-투-레일 OP AMP의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따라 도 3의 전압 조정 회로가 적용될 Folded Cascode 구조의 OP AMP의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실험예에 따라 도 3의 전압 조정 회로의 온도 변화에 따른 출력 전압의 변화를 측정한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7 및 도 8은 각각 도 3의 본 발명에 제시된 전압 조정 회로 및 도 2의 기존 전압 조정 회로의 전압 변화에 따른 VN 전압 및 VP 전압의 변화를 측정한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9 및 도 10은 전압 변화에 따라 VDD가 3.3V에서 10% 감소했을 때, 각각 도 3의 본 발명에 제시된 전압 조정 회로 및 도 2의 기존 전압 조정 회로가 적용된 도 5의 OP AMP의 이득 및 위상을 측정한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시 예 들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 본 발명의 공급 전원 변화를 트랙킹하여 전압 변화를 보상하기 위한 듀얼 기준 전압 생성기 기반 전압 조정 회로에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전압 조정 회로를 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전압 조정 회로는 온도 보상을 위한 각 BGR(Band Gap Reference, 밴드 갭 기준) 전압 발생기(100L 및 100H)를 듀얼 구조로 포함하여 온도 변화에 따라 전압의 레벨이 변화되지 않으나 공급 전원(VDD 또는 GND) 변화에 따라 전압의 레벨이 가변적인 기준 전압(VLref 및 VHref, 총괄적으로 Vref)을 만들도록 구성된다. 그리고, 바람직하게는 레귤레이터(200L 및 200H, 총괄적으로 200)를 더 포함하여 BGR 전압 발생기(100L 및 100H, 총괄적으로 100)에서 생성된 기준 전압(Vref)을 조절함으로써 원하는 다양한 출력 전압(VN 및 VP)을 생성하도록 구성될 수 있다.
각각의 구성에 대해, 듀얼 구조의 BGR 전압 발생기(100)는 VSS(GND)의 전압 변화를 트랙킹하여 VSS(GND) 전압 변화에 따라 가변적이며 VDD 전압 변화에는 무관한 기준 전압(VN)을 만드는 N형 블록 BGR 전압 발생기(100L) 및 VDD의 전압 변화를 트랙킹하여 VDD 전압 변화에 따라 가변적이며 VSS(GND) 전압 변화에는 무관한 기준 전압(VP)을 만드는 P형 블록 BGR 전압 발생기(100H)를 포함한다.
도 3을 참조하면, N형 블록 BGR 전압 발생기(100L)는 제1 내지 제3 N형 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor, 산화막 반도체 전계 트랜지스터)(ML1, ML2, ML6), 제1 내지 제3 P형 MOSFET(ML3, ML4, ML5), 제1 내지 제3 BJT(Bipolar Junction Transistor, 양극성 접합 트랜지스터)(QL1, QL2, QL3) 및 제1 및 제2 저항기(R1, R2)를 구비한다. 이와 유사하게, P형 블록 BGR 전압 발생기(100H)는 제1 내지 제3 P형 MOSFET (MH1, MH2, MH6), 제1 내지 제3 N형 MOSFET(MH3, MH4, MH5), 제1 내지 제3 BJT(QH1, QH2, QH3) 및 제1 및 제2 저항기(R1, R2)를 구비한다. 그리고, 도 3에서 각 블록 BGR 전압 발생기(100)의 일단은 공급 전압(VDD)에 그리고 타단은 접지(GND)에 연결되게 도시되어 있다.
각 블록 BGR 전압 발생기(100)는 BJT(Q3)의 베이스-이미터 접합 전압(VBE) 및 제2 저항기(R2)에서 강하되는 전압의 합을 기준 전압(Vref)으로서 출력한다. 즉, BJT의 베이스-이미터 접합 전압(VBE)은 다음과 같이 전류 밀도 IC/AE의 식으로 표현될 수 있다:
Figure pat00001
=
Figure pat00002
(1)
상기 식 (1)에서 IC와 AE 는 각각 컬렉터 전류와 에미터 면적이다. IC 또는 AE 가 n배가 되면 VBE 값은
Figure pat00003
만큼 변한다. 도 3에서 MOSFET(M1 내지 M4)이 모두 포화 영역에서 동작하면 두 분기에 흐르는 전류 값이 같아지고 V1과 V2의 전위차가 0이 된다. M3 내지 M5 게이트-소스 전압 값이 동일하고 워드 라인이 같으므로 세 분기의 전류가 I로 모두 같다. R1 양단 전압이
Figure pat00004
이므로
Figure pat00005
이 된다. 따라서 기준 전압(Vref)은 다음 식으로 주어진다:
Figure pat00006
(2)
이에 덧붙여, 레귤레이터(200)는 BGR 전압 발생기(100)에서 생성된 기준 전압(Vref)을 수신하여 전압 오차 비교기(210)와 MOSFET 패스 트랜지스터(220)를 이용하여 목표 전압을 출력하고, 다양한 기준 전압이 필요한 경우에는 출력단에 저항 전압 분배기(230)를 통해 원하는 출력 전압을 생성한다.
도 3을 참조하면, 전압 오차 비교기(210)는 제1 및 제2 입력단 및 출력단을 구비하며 제1 입력단에는 BRG 전압 발생기(100)에 의하여 제공되는 기준 전압(Vref)을 수신하고 이를 제2 입력단의 V3와 비교하여 전압 오차(voltage error) 비교 신호를 출력한다. 다음으로, MOSFET(220)의 게이트에는 비교기(210)의 출력단이 연결되고 이에 인가되는 전압에 따라 신호의 ON/OFF를 제어하기 위해 사용된다. 도면에 포함된 MOSFET은 P형 MOSFET이다. 최종적으로, 전압 분배기(230)는 직렬 연결된 하나 이상의 저항기를 구비하여 입력단에 인가되는 전압을 소정의 비에 따라 분배함으로써 입력단에 인가되는 전압에 대응하는 레벨을 갖는 기준 전압(VN 및 VP)을 구한다.
그러면, 여기서 상기와 같이 구성된 전압 조정 회로가 적용된 일례를 살펴본다.
도 4는 도 3의 BGR 전압 생성기가 적용된 레일-투-레일 OP AMP의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4의 레일-투-레일 OP AMP는 NMOS 테일 전류 바이어스 전압(VN) 및 PMOS 부하 회로 바이어스 전압(VP)의 두 개의 기준 전압을 요구한다. MP1이 포화 영역에서 동작하기 위해서는
Figure pat00007
와
Figure pat00008
을 만족해야 한다. 도 2의 기존 기준 전압 생성기로 VP에 VDD와 무관하게 일정한 전압을 공급하는 경우를 고려하면, VDD 값이 전압 변화에 의해 감소할 경우
Figure pat00009
가 VDD 변화량만큼 감소하여
Figure pat00010
의 식이 만족되지 않아 VMP1이 포화 영역에서 이탈하게 되어 오동작할 수 있고, VN에 VSS와 무관하게 일정한 전압을 공급하는 경우를 고려하면, VSS(GND) 값이 전압 변화에 의해 상승할 경우
Figure pat00011
가 감소하여 상기와 유사한 문제가 발생할 수 있다. 따라서 도 4와 같은 OP AMP가 VDD 및 VSS의 변화에도 안정적인 동작을 하도록 보장하기 위해서는 VP가 VDD변화를 트랙킹하여 함께 변하며, VN은 VSS(GND) 변화를 트랙킹하여 VSS(GND)와 함께 변하는 본 발명의 기준 전압 생성기가 필요하다.
실험예
본 발명의 듀얼 전압 조정 회로를 0.13um CMOS 공정으로 설계하였다. 또한 본 발명의 전압 조정 회로의 성능 분석을 위해 도 5와 같은 Folded Cascode 구조의 OP AMP를 설계하고 생성된 바이어스 전압을 가하여 성능 시험을 하였다. 실험에 사용된 OP AMP는 VB1, VB2 및 VB3의 세 개의 바이어스 전압을 요구한다. VB1과 VB2는 PMOS 부하 회로의 바이어스이므로 VDD 변화를 트랙킹하여 변하는 전압을 공급하였고, VB3는 테일 전류의 바이어스이므로 GND 변화를 트랙킹하여 변하는 전압을 VB3에 공급하였다.
도 6은 본 발명의 실험 예에 따라 도 3의 전압 조정 회로의 온도 변화에 따른 출력 전압의 변화를 측정한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다. 본 발명의 전압 조정 회로의 출력 전압은 -40도 내지 120도 범위의 온도 변화에 대해 10mV 미만의 출력 전압 변화를 보였다. 따라서, 본 발명의 전압 조정 회로는 온도 변화에 거의 불변하는 특성을 가지는 것을 알 수 있다.
도 7 및 도 8은 각각 도 3의 본 발명에 제시된 전압 조정 회로 및 도 2의 기존 전압 조정 회로의 전압 변화에 따른 VN 전압 및 VP 전압의 변화를 측정한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다. 도 3의 본 발명에 제시된 전압 조정 회로의 경우 VDD - VP와 VN - GND의 값이 전압 변화의 큰 변화와 무관하게 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다. 반면에 도 2의 기존 기준 전압 생성 회로의 경우 VDD - VP의 값이 전압 변화가 증가함에 따라 크게 감소됨을 확인할 수 있다. 이 문제로 인해 도 5의 실험 대상 OP AMP의 성능이 크게 저하됨은 표 1에 나타냈다.
도 9 및 도 10은 전압 변화에 따라 VDD가 3.3V에서 10% 감소했을 때, 각각 도 3의 본 발명에 제시된 전압 조정 회로 및 도 2의 기존 전압 조정 회로가 적용된 도 5의 OP AMP의 이득 및 위상을 측정한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 도 3의 본 발명에 제시된 전압 조정 회로를 사용했을 때 OP AMP의 이득이 15dB, -3dB 대역폭이 13kHz 그리고 UGB가 240MHz 높은 성능을 제공함을 알 수 있다.
이득 PM -3dB UGB
기존 전압 조정 회로(도 2) 40.1dB 90.8 10.8Hz 953Hz
듀얼 전압 조정 회로(도 3) 55.7dB 88.8 13.7kHz 24.7MHz
이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.
100 : BPR 전압 생성기
200 : 레귤레이터
210 : 비교기
220 : MOSFET
230 : 전압 분배기

Claims (5)

  1. 온도 변화에 따라 전압의 레벨이 변화되지 않으나 공급 전원의 변화에 따라 전압의 레벨이 가변적인 기준 전압을 만들도록 구성된 듀얼 구조의 BGR(Band Gap Reference, 밴드 갭 기준) 전압 발생기를 포함하는, 전압 조정 회로.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 BGR 전압 발생기는 소스 공급 전압(VSS)의 전압변화를 트랙킹하여 VSS 변화에 따라 가변적이며 드레인 공급전압 (VDD) 변화에는 무관한 기준 전압(VN)을 만드는 N형 블록 BGR 전압 발생기 및 VDD의 전압변화를 트랙킹하여 VDD 변화에 따라 가변적이며 VSS 변화에는 무관한 기준 전압(VP)을 만드는 P형 블록 BGR 전압 발생기를 포함하는, 전압 조정 회로.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 N형 블록 BGR 전압 발생기는 제1 내지 제3 N형 산화막 반도체 전계 트랜지스터(MOSFET), 제1 내지 제3 P형 MOSFET, 제1 내지 제3 양극성 접합 트랜지스터(BJT) 및 제1 및 제2 저항기를 구비하고, 상기 P형 블록 BGR 전압 발생기는 제1 내지 제3 P형 MOSFET, 제1 내지 제3 N형 MOSFET, 제1 내지 제3 BJT 및 제1 및 제2 저항기를 구비하는, 전압 조정 회로.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 BGR 전압 발생기에서 생성된 기준 전압을 조절함으로써 원하는 다양한 출력 전압을 생성하도록 구성된 레귤레이터를 더 포함하는, 전압 조정 회로.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 레귤레이터는 상기 BGR 전압 발생기에서 생성된 기준 전압을 수신하여 전압 오차 비교기와 MOSFET 패스 트랜지스터를 이용하여 목표 전압을 출력하고, 상기 전압 오차 비교기의 출력단에 저항 전압 분배기를 통해 다양한 출력 전압을 생성하는, 전압 조정 회로.
KR1020170027206A 2017-03-02 2017-03-02 공급 전원 변화를 트랙킹하여 전압 변화를 보상하기 위한 듀얼 기준 전압 생성기 기반 전압 조정 회로 KR20180101662A (ko)

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