KR100930500B1 - 비교기를 이용한 밴드갭 기준회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비교기를 이용한 밴드갭 기준회로에 관한 것으로, 제1 기준전압, 제2 기준전압, 제3 기준전압을 발생하여 출력하는 기준전압 공급부, 입력되는 기준 바이어스 전압에 의해 동작하여 상기 기준전압 공급부로부터 출력되는 상기 제2 기준전압, 상기 제3 기준전압을 비교하며, 그 결과의 값을 나타내는 신호를 출력하는 스타트업 회로, 상기 스타트업 회로로부터 출력되는 신호에 근거하여, 상기 기준전압 공급부에 흐르는 전류를 같게 만들어 주며, 기준 전압을 위한 기준 전류를 생성한 다음, 상기 생성된 기준 전류를 일정한 비율로 변환하여 출력하는 전류 정합부를 포함하며, 차동 증폭기 형태의 비교기를 사용하는 스타트-업 회로의 구성에 의한 밴드갭 기준회로내의 일관된 특성에 의해 공정 변화에 영향을 받지 않고, 차동 증폭기를 사용하므로 동작 속도가 빠르다는 효과가 있다.

비교기, 밴드갭 기준회로, 스타트업 회로

Description

비교기를 이용한 밴드갭 기준회로{A BANDGAP REFERENCE CIRCUIT USING A COMPARATOR}

본 발명은 비교기를 이용한 밴드갭 기준회로에 관한 것으로, 특히 아날로그 회로인 밴드갭 기준회로내의 바이폴라 접합 트랜지스터의 전압을 이용하여 회로의 정상적인 동작 상태를 판별하도록 함으로써, 저전력 회로를 구현할 수 있는 비교기를 이용한 밴드갭 기준회로에 관한 것이다.

밴드갭 기준회로는 뛰어난 온도 특성을 가지는 정전압 회로로, 많은 아날로그 집적회로 및 시스템에서의 온도의 변화에 대해 일정한 전압 특성이 요구되는 분야에 사용되고 있다.

특히, 상기 밴드갭 기준회로는 산업기기 및 산업용 반도체에서 사용되고 있으며, 상업용 반도체에서도 전반적으로 활용되고 있는 회로이다.

상기 밴드갭 기준회로는 뛰어난 온도 특성을 가지나, 회로 특성상 초기 전위를 잡아주기 위한 회로가 필요하다. 이를 스타트-업 회로(Start-up Circuit)라고 하며, 이 스타트-업 회로는 크게 3가지로 분류된다.

첫째는 펄스를 이용하여 일정 준위를 잡아 주는 방식이다.

이 경우, 펄스가 인가되는 동안에는 높은 전류가 흐른다. 따라서, 펄스의 인가 시간을 적당히 조절해 주어야 한다. 이렇게 펄스를 이용한 경우, 최대의 문제점은 펄스를 인가하고 난 후 발생하는 비정상적인 동작 상태를 예방할 수 없다는 문제점이 있다.

즉, 동작중 기준 전위가 비정상적으로 떨어진 경우, 일정 한계를 넘으면 정상 전위로 올라갈 수 없게 되는 문제점이 있다.

둘째는 밴드갭 기준회로(Bandgap reference circuit)의 기준 트랜지스터의 비를 달리하므로 정상 전위에서 떨어진 경우에도 다시 동작하는 방식이다.

그러나, 이 방식은 스타트-업 회로의 문제는 해결되지만, 밴드갭 기준회로 자체의 온도 특성이 나빠진다는 문제점이 있다.

셋째는 아날로그 회로를 이용하여 기준 바이어스 회로(Reference Bias Circu -it)를 만들고, 이를 기준으로 동작 상태를 파악하여 회로가 동작하도록 한 것이다. 그러나, 이 방식은 인가 전원전압의 상태에 따라 기준 바이어스 회로의 특성이 변화한다는 문제점이 있다.

도 1은 종래의 밴드갭 기준회로의 구성을 도시한 회로도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 밴드갭 기준회로는 스타트-업 회로(10), 전류 정합부(20), 기준전압 공급부(30)를 포함한다.

그러나, 상기한 바와 같이 구성되는 종래의 밴드갭 기준회로는 그 구성요소인 스타트-업 회로(10)가 단순히 다이오우드로만 구성되어 있어 공정 변화에 많은 영향을 받으며, 동작 속도가 느리다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 차동 증폭기 형태의 비교기를 이용하여 스타트-업 회로를 구성함으로써, 공정 변화에 영향을 받지 않고, 동작 속도가 빠르며, 넓은 전원전압 범위를 가지고, 저전력 회로를 구현할 수 있는 비교기를 이용한 밴드갭 기준회로를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비교기를 이용한 밴드갭 기준회로는 제1 기준전압, 제2 기준전압, 제3 기준전압을 발생하여 출력하는 기준전압 공급부, 입력되는 기준 바이어스 전압에 의해 동작하여 상기 기준전압 공급부로부터 출력되는 상기 제2 기준전압, 상기 제3 기준전압을 비교하며, 그 결과의 값을 나타내는 신호를 출력하는 스타트업 회로, 상기 스타트업 회로로부터 출력되는 신호에 근거하여, 상기 기준전압 공급부에 흐르는 전류를 같게 만들어 주며, 기준 전압을 위한 기준 전류를 생성한 다음, 상기 생성된 기준 전류를 일정한 비율로 변환하여 출력하는 전류 정합부를 포함한다.

또한, 상기 스타트업 회로는 기준 바이어스 전압을 생성하여 공급하는 바이어스부, 상기 바이어스부로부터 출력되는 상기 기준 바이어스 전압에 의해 동작하여 상기 기준전압 공급부로부터 출력되는 상기 제2 기준전압, 상기 제3 기준전압을 비교하며, 그 결과의 값을 나타내는 신호를 출력하는 증폭부, 상기 증폭부로부터 출력되는 신호에 근거하여, 상기 제2 기준전압, 상기 제3 기준전압이 같을 경우에 는 일정한 전류를 공급하고, 상기 제2 기준전압, 상기 제3 기준전압이 같지 않을 경우에는 전류를 차단하는 전압/전류 변환부를 포함한다.

본 발명은 차동 증폭기 형태의 비교기를 사용하는 스타트-업 회로의 구성에 의한 밴드갭 기준회로내의 일관된 특성에 의해 공정 변화에 영향을 받지 않는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 차동 증폭기를 사용하므로 동작 속도가 빠르다는 효과가 있다.

그리고, 본 발명은 밴드갭 기준회로의 스타트-업 회로의 구성시, 자체 일정 전위를 사용하여 회로를 구성하므로 넓은 전원전압 범위를 가지는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 비교기를 회로 상태의 변화에 대해 가변적으로 동작시키므로 저전력 회로를 구현할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 비교기를 이용한 밴드갭 기준회로의 구성을 도시한 회로도이고, 도 3은 본 발명의 비교기를 이용한 밴드갭 기준회로의 구성을 도시한 블록도이다.

제1 기준전압, 제2 기준전압, 제3 기준전압을 발생하여 출력하는 기준전압 공급부(100), 입력되는 기준 바이어스 전압에 의해 동작하여 상기 기준전압 공급부(100)로부터 출력되는 상기 제2 기준전압, 상기 제3 기준전압을 비교하며, 그 결과의 값을 나타내는 신호를 출력하는 스타트업 회로(200), 상기 스타트업 회로(20 0)로부터 출력되는 신호에 근거하여, 상기 기준전압 공급부(100)에 흐르는 전류를 같게 만들어 주며, 기준 전압을 위한 기준 전류를 생성한 다음, 상기 생성된 기준 전류를 일정한 비율로 변환하여 출력하는 전류 정합부(300)를 포함한다.

상기 스타트업 회로(200)는 기준 바이어스 전압을 생성하여 공급하는 바이어스부(210), 상기 바이어스부(210)로부터 출력되는 상기 기준 바이어스 전압에 의해 동작하여 상기 기준전압 공급부(100)로부터 출력되는 상기 제2 기준전압, 상기 제3 기준전압을 비교하며, 그 결과의 값을 나타내는 신호를 출력하는 증폭부(220), 상기 증폭부(220)로부터 출력되는 신호에 근거하여, 상기 제2 기준전압, 상기 제3 기준전압이 같을 경우에는 일정한 전류를 공급하고, 상기 제2 기준전압, 상기 제3 기준전압이 같지 않을 경우에는 전류를 차단하는 전압/전류 변환부(230)를 포함한다.

상기 기준전압 공급부(100)는 제1 기준전압(Vth)을 생성하여 공급하는 제1 기준전압 발생부(110), 제2 기준전압(Vth2)을 생성하여 공급하는 제2 기준전압 발생부(120), 제3 기준전압(Vref)을 생성하여 공급하는 제3 기준전압 발생부(130)를 포함한다.

부연 설명하자면 다음과 같다.

상기 제1 기준전압 발생부(110)는 제1 기준전압(Vth)을 생성하며, 밴드갭 회 로(Bandgap Circuit)의 동작을 위해 안정적인 정전압 소자가 사용되는데, 일반적으로 바이폴라 접합 트랜지스터(이하, BJT 라함)가 이용된다.

상기 제2 기준전압 발생부(120)는 BJT와 저항을 이용하여 제2 기준전압(Vth 2)을 생성한다.

상기 전류 정합부(300)는 상기 제1 기준전압 발생부(110)와 상기 제2 기준전압 발생부(120)에 흐르는 전류를 같게 만들어 주는 기능을 수행한다.

즉, 상기 전류 정합부(300)는 그 양측단에 같은 전압이 인가되어 기준 전압을 위한 기준 전류를 생성한 다음, 이 생성된 기준 전류를 일정한 비율로 변환하여 제3 기준전압 발생부(130)에 인가하여 준다.

상기 제3 기준전압 발생부(130)는 기준 전압을 생성하기 위한 BJT와 저항으로 구성된다. 흘려주는 전류의 양과 저항, BJT의 제1 기준전압(Vth)에 의해 최종 전압이 출력된다.

상기 증폭부(220)는 상기 제2 기준전압(Vth2), 상기 제3 기준전압(Vref)을 비교하는 기능을 수행한다.

상기 전압/전류 변환부(230)는 상기 수행된 결과값에 따라 상기 2개의 전압들이 같을 경우에는 전류 변환에 의해 일정한 전류를 공급하고, 그렇지 않을 경우에는 전류를 차단하는 기능을 수행한다.

즉, 상기 전압/전류 변환부(230)는 상기 전류 정합부(300)에서 전류가 흐르지 않을 때, 전류의 흐름에 따라 전류를 강제적으로 공급하는 기능을 수행한다.

상기 바이어스부(210)는 상기 증폭부(220)의 동작을 위한 기준 바이어스 전 압을 생성해 준다. 상기 바이어스부(210)는 저전력 동작을 위해 상기 전류 정합부(300)가 동작을 시작하면, 상기 증폭부(220)는 필요 없게 되므로 상기 전류 정합부(300)로부터 신호를 피드백(feedback) 받아 상기 증폭부(220)의 동작 전류를 감소시키는 기능을 수행한다.

다음으로, 도 2와 도 3을 참조하여 본 발명의 비교기를 이용한 밴드갭 기준회로의 동작을 상세히 설명한다.

도 2의 좌측에 위치한 바이어스부(210)는 전원이 인가되면 일정한 전류를 공급하고, 이 공급된 전류에 따라 비교기를 위한 바이어스 전류를 공급하는 기능을 담당한다.

저항은 크면 클수록 좋으나, 저항이 커지면 레이아웃 크기가 커지므로 적정한 저항이 선택되어야 한다.

상기 증폭부(220)로 사용되는 비교기는 차동 증폭기(Differential amplifie -r)(225)의 형태를 취한다. p형 금속 산화막 반도체(p-channel metal-oxide semi c -onductor, 이하, PMOS 라함) 쌍으로 구성해도 좋으며, n형 금속 산화막 반도체(n-channel metal-oxide semiconductor, 이하, NMOS 라함) 쌍으로 구성해도 좋다.

본 발명에서는 전원 전압의 비교 동작시의 기준전압이 0.7 V 내외이므로 NMOS 쌍으로 구성하기 보다 PMOS 쌍으로 구성하였다. PMOS 의 양단 입력이 인가된 상태에 따라 동작하게 된다.

도 2의 절점 (a)와 절점 (b)에서의 전압은 다음과 같이 결정된다.

V(a) = Vt(BJT) = 0.65 V 식 (1)

V(b) = Vt(BJT) + I × R 식 (2)

밴드갭 기준회로(Bandgap reference circuit)가 동작하지 않으면, 초기 상태는 다음과 같다.

V(b) = 0 식 (3)

i(e) = 0 식 (4)

이때, V(b)의 전압은 다음과 같다.

V(b) = Vt(BJT) + 0 = V(a) 식 (5)

V(a) 와 V(b) 의 전압이 같으면, 비교기인 PMOS 입력 양단의 전압이 같으므로 출력단 (c)와 (d)에는 바이어스 전류의 1/2이 각각 인가된다. 최종 출력단의 출력전류는 다음과 같이 결정된다.

i(out) = i(c) 식 (6)

i(c)는 밴드갭 기준회로의 전류 정합부(300)의 절점 (e) 에 연결되어 아래의 전류가 흐른다.

i(e) = i(c) 식 (7)

i(e) = i(f) 식 (8)

이므로 전류 정합부(300)에는 저항에 의해 결정된 전류가 흐르게 된다.

i(g) = i(e) 식 (9)

이므로 i(g)의 전류가 인가되면, 비교기의 바이어스 전류단의 전류는 다음과 같이 결정되므로

i(k) = i(g) + i(h) 식 (10)

이므로

i(h) = 0 식 (11)

이 된다.

밴드갭 기준회로가 정상적으로 동작하여 기준 전압을 발생하면, 상기 전류 정합부(300)의 절점 (e)에 전류 i(e)가 흐른다. 상기 전류 i(e)가 상기 전류 정합부(300)를 통해 흐르면 상기 바이어스부(210)의 전류 i(g)가 흐른다.

상기 식 (10)에서 알 수 있듯이, 전류 i(k)는 전류 i(g)와 전류 i(h)의 합이고, 전류 i(g)는 전류 i(k) 보다 크므로 전류 i(h) 는 0 이 된다. 따라서, 비교기에 흐르는 바이어스 전류 i(i)는 0 이 되어 비교기의 동작 전류를 차단함으로써, 비교기의 전류 소모를 감소시킨다.

본 발명의 밴드갭 기준회로는 온도 특성을 요구하는 많은 아날로그 회로에 사용되고 있다. 또한, 본 발명의 밴드갭 기준회로는 회로내의 특성을 이용하여 소형의 저전력 회로를 구현하므로 밴드갭 기준회로를 이용하는 산업용, 상업용 반도체 회로에 활용될 수 있다.

도 1은 종래의 밴드갭 기준회로의 구성을 도시한 회로도.

도 2는 본 발명의 비교기를 이용한 밴드갭 기준회로의 구성을 도시한 회로도.

도 3은 본 발명의 비교기를 이용한 밴드갭 기준회로의 구성을 도시한 블록도.

Claims (4)

1. 제1 기준전압, 제2 기준전압, 제3 기준전압을 발생하여 출력하는 기준전압 공급부, 입력되는 기준 바이어스 전압에 의해 동작하여 상기 기준전압 공급부로부터 출력되는 상기 제2 기준전압, 상기 제3 기준전압을 비교하며, 그 결과의 값을 나타내는 신호를 출력하는 스타트업 회로, 상기 스타트업 회로로부터 출력되는 신호에 근거하여, 상기 기준전압 공급부에 흐르는 전류를 같게 만들어 주며, 기준 전압을 위한 기준 전류를 생성한 다음, 상기 생성된 기준 전류를 일정한 비율로 변환하여 출력하는 전류 정합부를 포함하는 비교기를 이용한 밴드갭 기준회로에 있어서,

   상기 스타트업 회로는

   기준 바이어스 전압을 생성하여 공급하는 바이어스부,

   상기 바이어스부로부터 출력되는 상기 기준 바이어스 전압에 의해 동작하여 상기 기준전압 공급부로부터 출력되는 상기 제2 기준전압, 상기 제3 기준전압을 비교하며, 그 결과의 값을 나타내는 신호를 출력하는 증폭부,

   상기 증폭부로부터 출력되는 신호에 근거하여, 상기 제2 기준전압, 상기 제3 기준전압이 같을 경우에는 일정한 전류를 공급하고, 상기 제2 기준전압, 상기 제3 기준전압이 같지 않을 경우에는 전류를 차단하는 전압/전류 변환부를 포함하는 비교기를 이용한 밴드갭 기준회로.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 전압/전류 변환부는 상기 전류 정합부에서 전류가 흐르지 않을 때, 전류의 흐름에 따라 전류를 강제적으로 공급하는 기능을 수행하는 비교기를 이용한 밴드갭 기준회로.
4. 제1항에 있어서,

   상기 바이어스부는 저전력 동작을 위해 상기 전류 정합부가 동작을 시작하면, 상기 전류 정합부로부터 신호를 피드백(feedback) 받아 상기 증폭부의 동작 전류를 감소시키는 기능을 수행하는 비교기를 이용한 밴드갭 기준회로.

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