[논문]개선된 CTAT 보상을 가지는 저전압 CMOS Bandgap Voltage Reference

김재붕; 조성익

doi:10.5370/kiee.2012.61.5.753

개선된 CTAT 보상을 가지는 저전압 CMOS Bandgap Voltage Reference
Modified Low-Votlage CMOS Bandgap Voltage Reference with CTAT Compensation 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.61 no.5, 2012년, pp.753 - 756

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a modified low-votlage CMOS bandgap voltage reference with CTAT compensation is presented. The proposed structure doesn't use PTAT current. The proposed structure is more simple than the existing structure and doesn't use the eighteen BJT. The modified low-votlage CMOS bandgap voltage reference with CTAT compensation has been successfully verified in a standard 0.18um CMOS process. The simulation results have confirmed that, with the minimum supply voltage of 1.25V, the output reference voltage at 549mV has a temperature coefficient of 12$ppm/^{\circ}C$ from $0^{\circ}C$ to $100^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 개선된 CTAT 보상을 가지는 저전압 CMOS Bandgap Voltage Reference를 제안하였다. 제안한 구조는 npn BJT와 pnp BJT를 이용하여 두 전류를 생성하고, 두 전류의 차를 저항을 이용하여 기준 전압을 생성한다는 점에서 같다.
본 논문에서는 이러한 단점을 개선한 개선된 CTAT 보상을 가지는 저전압 CMOS Bandgap Voltage Reference를 제안한다. 제안한 구조의 밴드갭 레퍼런스 회로는 npn BJT와 pnp BJT를 이용하여 2개의 CTAT 전류를 생성하고 감산함으로써 온도 계수는 낮으면서 기존 구조보다 면적이 적다.

제안 방법

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서 개선된 CTAT 보상을 가지는 저전압 CMOS Bandgap Voltage Reference 회로를 제안하였고, 기존 구조와 비교하였다. 3장에서는 제안한 구조를 가지고 Tr.
기존 구조의 밴드갭 레퍼런스 회로는 npn BJT와 pnp BJT를 이용하여 2개의 PTAT 전류와 2개의 CTAT 전류를 생성하고 가산과 감산을 통해 낮은 온도 계수를 갖는 밴드갭 레퍼런스 회로를 구현하였다 [6]. 기존 구조는 기본 구조에 비해 매우 낮은 온도 계수를 가지지만 연산증폭기, BJT, 저항 등을 기본 구조에 비해 2배를 사용하므로 면적도 2배로 늘어나게 된다.
밴드갭 레퍼런스 회로의 전원전압은 밴드갭 레퍼런스 회로에 사용되는 연산증폭기의 동상입력에 의해 결정이 된다[2]. 저항열을 이용한 전압분배를 통해 연산증폭기의 동상입력을 낮게 하여 전원전압이 1V에서 밴드갭 레퍼런스 회로가 동작하도록 하였다 [3][4].
제안한 구조를 이용하여 구현한 밴드갭 레퍼런스 회로는 그림 3과 같다. 제안한 구조는 Start-up 회로, CTAT 전류를 생성하는 회로, 두 전류의 차를 전압으로 바꾸는 회로로 구성되어 있다. Start-up 회로는 전원전압이 인가되면 밴드갭 레퍼런스 회로가 정상적으로 동작하도록 특정한 노드에 전압을 일시적으로 전압을 인가한다.
본 논문에서는 개선된 CTAT 보상을 가지는 저전압 CMOS Bandgap Voltage Reference를 제안하였다. 제안한 구조는 npn BJT와 pnp BJT를 이용하여 두 전류를 생성하고, 두 전류의 차를 저항을 이용하여 기준 전압을 생성한다는 점에서 같다. 하지만 제안한 구조는 PTAT 전류를 이용하지 않기에 기존 구조보다 회로가 간단하고 전력 소모가 적다.
제안한 구조는 전원전압이 1.25V에서 12ppm/°C의 온도계수를 갖고, 전원전압이 1.4V에서 6ppm/°C의 온도 계수를 갖는다.
제안한 구조의 밴드갭 레퍼런스 회로는 Op-amp를 이용하므로 옵셋전압이 존재하고 기준 전압에 영향을 준다. Op-amp의 옵셋전압을 포함한 제안한 구조의 밴드갭 레퍼런스 회로의 기준 전압은 식 (5)와 같다.
본 논문에서는 이러한 단점을 개선한 개선된 CTAT 보상을 가지는 저전압 CMOS Bandgap Voltage Reference를 제안한다. 제안한 구조의 밴드갭 레퍼런스 회로는 npn BJT와 pnp BJT를 이용하여 2개의 CTAT 전류를 생성하고 감산함으로써 온도 계수는 낮으면서 기존 구조보다 면적이 적다.

대상 데이터

모의실험은 0.18㎛ CMOS 공정의 파라미터를 이용였고, 그림 4는 전원전압을 1.25V, 1.3V, 1.35V, 1.4V로 인가고, 온도를 0°C에서 100°C까지 변화하는 개선된 CTAT 보상을 가지는 저전압 CMOS Bandgap Voltage Reference 회로의 시뮬레이션 결과이다.

성능/효과

기존 구조는 제안한 구조에 비해 BJT가 16개, 저항은 8개, PMOS는 2개, NMOS는 2개가 적다. 밴드갭 레퍼런스 회로에서 BJT는 PMOS, NMOS, 저항보다 구현에 필요한 면적이 크다.
즉 밴드갭 레퍼런스 회로에서 BJT가 적을수록 칩의 면적은 크게 작아진다. 제안한 구조는 기존 구조에 비해 BJT가 16개 적게 사용하므로 면적이 크게 감소하는 것을 볼 수 있다.
하지만 제안한 구조는 PTAT 전류를 이용하지 않기에 기존 구조보다 회로가 간단하고 전력 소모가 적다. 제안한 구조는 기존 구조에 비해 BJT가 16개, 저항은 8개, PMOS는 2개, NMOS는 2개가 적다. 제안한 구조는 기존 구조보다 BJT가 16개가 적으므로 그만큼 면적이 작다.
생성된 I_REF1과 I_REF2의 전류를 감산하고 저항을 연결하여 기준 전압을 생성한다. 제안한 구조는 기존 구조에 비해 PTAT 전류를 이용하지 않기에 회로가 간단하며 면적이 큰 BJT가 적게 사용함으로써 기존 구조에 비해 면적이 크게 줄어든다.
제안한 구조는 기존 구조에 비해 온도 계수가 4.5ppm/°C 높지만 전원전압이 증가할수록 온도 계수는 낮아진다.
제안한 구조는 npn BJT와 pnp BJT를 이용하여 두 전류를 생성하고, 두 전류의 차를 저항을 이용하여 기준 전압을 생성한다는 점에서 같다. 하지만 제안한 구조는 PTAT 전류를 이용하지 않기에 기존 구조보다 회로가 간단하고 전력 소모가 적다. 제안한 구조는 기존 구조에 비해 BJT가 16개, 저항은 8개, PMOS는 2개, NMOS는 2개가 적다.

후속연구

제안한 개선된 CTAT 보상을 가지는 저전압 CMOS Bandgap Voltage Reference는 전력소모와 면적이 적고 온도 계수가 12ppm/°C 매우 낮기에 ADC, DAC의 기준 전압원으로 사용할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	밴드갭 레퍼런스 회로의 기존 구조는 기본 구조에 비해 어떠한 장단점을 가지는가?	기존 구조의 밴드갭 레퍼런스 회로는 npn BJT와 pnp BJT를 이용하여 2개의 PTAT 전류와 2개의 CTAT 전류를 생성하고 가산과 감산을 통해 낮은 온도 계수를 갖는 밴드갭 레퍼런스 회로를 구현하였다 [6]. 기존 구조는 기본 구조에 비해 매우 낮은 온도 계수를 가지지만 연산증폭기, BJT, 저항 등을 기본 구조에 비해 2배를 사용하므로 면적도 2배로 늘어나게 된다.
	ADC, DAC의 성능이 점점 좋아짐에 따라 어떠한 밴드갭 레퍼런스 회로가 필요하게 되었는가?	기술의 발전으로 ADC, DAC의 성능이 점점 더 좋아지고 있고 이에 따라 온도 계수가 낮은 밴드갭 레퍼런스 회로가 필요하게 되었다. 기본적인 밴드갭 레퍼런스 회로에서 보상을 통해 매우 낮은 온도 계수를 갖는 구조가 제안되었다[5][6].
	밴드갭 레퍼런스 회로는 어떻게 구성되어 있는가?	밴드갭 레퍼런스 회로는 온도가 증가함에 따라 전류가 증가하는 PTAT(Proportional To Absolute Temperature), 온도가 증가함에 따라 전류가 감소하는 CTAT(Complementary To Absolute Temperature), 전류를 가산하는 회로, Start-up으로 구성되어 있다. PTAT과 CTAT의 전류를 가산함으로 밴드갭 레퍼런스 회로에서 생성되는 전류는 온도의 변화에 무관하며 저항을 이용하여 기준 전압을 생성한다[3][4].

참고문헌 (6)

K. N. Leung and K. T. Mok, "A sub-1-V 15-ppm/ $^{\circ}C$ CMOS bandgap voltage reference without requiring low threshold voltage device," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 37, no. 4, pp. 526-529, Apr. 2002.

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P. Malcovati, F. Maloberti, M. Pruzzi, and C. Fiocchi, "Curvature compensated BiCMOS bandgap with 1-V supply voltage," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 36, no. 7, pp. 1076-1081, Jul. 2001.

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H. Banba, H. Shiga, A. Umezawa, T. Miyaba, T. Tanzawa, S. Atsumi, and K. Sakui, "A CMOS bandgap voltage reference circuit with sub-1-V operation," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 34, no. 5, pp. 670-674, May 1999.

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G. Giustolisi, "A low-voltage low-power voltage reference based on subthreshold MOSFETs," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 38, no. 1, pp. 151-154, Jan. 2003.

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G.A. Rincon-Mora and P. E. Allen, "A 1.1-V Current-Mode and Piecewise-Linear Curvature- Corrected Bandgap Reference," IEEE J. Solid- State Circuits, vol. 33, pp. 1551-1554, Oct. 1998.

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Ming-Dou Ker, Jung-Sheng Chen, "New Curvature-Compensation Technique for CMOS Bandgap Reference With Sub-1-V Operation," IEEE Transactions on Circuits and Systems, vol. 53, no. 8, pp. 667-671, Aug. 2006.

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