[논문]저전압 기준전압 발생기를 위한 시동회로

임새민; 박상규

doi:10.5573/ieie.2015.52.2.106

[국내논문] 저전압 기준전압 발생기를 위한 시동회로
Robust Start-up Circuit for Low Supply-voltage Reference Generator 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.52 no.2, 2015년, pp.106 - 111

임새민 (한양대학교 전자컴퓨터통신공학부) , 박상규 (한양대학교 전자컴퓨터통신공학부)

초록
AI-Helper

일반적으로 기준전압 생성기는 쌍안정성을 가지므로 이를 올바른 상태에서 동작시키기 위해서는 적절한 시동회로가 필요하다. 본 논문에서는 저전압 기준전압 발생기를 위한 새로운 시동회로를 제안한다. 제안한 시동회로는 기준전압발생기의 상태를 결정하기 위하여 기준전압 발생기의 BJT에 흐르는 전류를 측정한다. 기준전압발생기가 올바른 상태에 있을 때 이 전류가 가지는 값은 잘 정의되므로 이를 통하여 회로의 상태를 신뢰성 있게 결정할 수 있다. 전류는 내부에 오프셋 전압을 갖는 비교기를 이용하여 측정하였다. 130nm CMOS 공정을 이용하여 설계를 하였으며, 레이아웃에서 추출한 기생 성분을 포함하는 Monte-Carlo 시뮬레이션을 통해 회로의 성능을 검증 하였다. 제안된 시동회로를 사용하는 기준전압발생기에 850mV 이상의 전원 전압이 가해질 경우, 소자에 미스매치가 있더라도 안정적으로 기준전압 생성기가 시동하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Since most reference voltage generator circuits have bi-stable characteristics, it is important to employ a proper start-up circuit to operate a reference generator in the desired state. In this paper, we propose a start-up circuit for a low voltage reference generator. This start-up circuit determines the state of the circuit reliably by measuring the current drawn by BJTs in the circuit, which is well-defined in the desired state. To measure the current using CMOS-compatible devices only, a comparator with an internal offset voltage is used. The reliability of the proposed circuit is confirmed by Monte-Carlo simulations of the start-up operation, which show that, with the proposed start-up circuit, the low voltage reference generator starts reliably with supply voltages over 850mV even in the presence of device mismatches.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 낮은 전원전압에서 동작하는 [6]의 기준전압 생성기를 위한 새로운 시동회로를 제안하였다. 본 논문에서 제안한 시동회로는 기준전압 생성기의 상태를 정확히 판단하기 위하여 BJT에 흐르는 전류를 직접적으로 파악하는 방법을 이용하였는데, 이를 위하여 BJT와 직렬로 연결된 저항에 발생하는 전압을 측정하는 방법을 사용하였다.
본 논문에서는 저 전압 기준전압 발생기를 안정적으로 동작시키기 위한 시동회로를 제안하였다. 본 논문에서 제안한 시동회로에서는 기존의 시동회로가 가지는 문제점을 해결하기 위하여 오프셋 전압을 가지는 비교기를 사용하여 BJT에 흐르는 전류를 직접적으로 측정하여 기준전압 발생기의 상태를 결정하였다.
BJT에 흐르는 전류는 pnp BJT에 직렬로 연결되는 저항 R₀에 걸리는 전압 V_R0를 이용하여 직접적으로 확인할 수 있다. 본 논문에서는 저항 R₀에 걸리는 전압 V_R0를 비교기 A_S를 사용하여 측정함으로써 정확하게 기준전압 발생기의 ON/OFF 여부를 확인하였다. 만약 V_R0이 0이거나 매우 작을 때에는 기준전압발생기가 OFF 상태인 것으로 판정하여 A_S는 낮은 전압(≈0V)을 발생시킨다.

제안 방법

0048㎟로 제안한 시동회로는 면적에 큰 영향을 미치지 않는다. 본 논문에서 제안한 시동회로가 소자의 미스매치가 존재할 때에도 안정적으로 시동 동작을 하는 것을 검증하기 위하여 레이아웃에서 기생성분을 추출하여 포스트 레이아웃 시뮬레이션을 진행 하였다.
본 논문에서는 낮은 전원전압에서 동작하는 [6]의 기준전압 생성기를 위한 새로운 시동회로를 제안하였다. 본 논문에서 제안한 시동회로는 기준전압 생성기의 상태를 정확히 판단하기 위하여 BJT에 흐르는 전류를 직접적으로 파악하는 방법을 이용하였는데, 이를 위하여 BJT와 직렬로 연결된 저항에 발생하는 전압을 측정하는 방법을 사용하였다. 기준전압 생성기에 사용된 소자들에 미스매치가 있더라도 제안한 시동회로는 정확히 BJT의 동작상태를 파악할 수 있으므로 신뢰성 있게 시동동작을 하게 된다.
본 논문에서는 저 전압 기준전압 발생기를 안정적으로 동작시키기 위한 시동회로를 제안하였다. 본 논문에서 제안한 시동회로에서는 기존의 시동회로가 가지는 문제점을 해결하기 위하여 오프셋 전압을 가지는 비교기를 사용하여 BJT에 흐르는 전류를 직접적으로 측정하여 기준전압 발생기의 상태를 결정하였다. 설계된 회로의 lay-out에서 기생성분을 추출하여 진행한 Monte-Carlo 시뮬레이션을 통해 회로를 검증하였으며, 시뮬레이션 결과 소자에 미스매치가 있을 때에도 제안한 시동회로는 안정적으로 기준전압 발생기기를 시동시키는 것을 확인할 수 있었으며 850mV 이상의 전원 전압에서 기준전압 생성기가 안정적으로 0.
그림 2는 본 논문에서 제안한 시동회로를 장착한 기준전압발생기의 회로도이다. 제안한 회로는 기준전압 발생기, 시동회로, 그리고 바이어스 전류를 공급해주는 바이어스 회로로 구성되어 있다. 기준전압 발생기에 사용된 연산 증폭기 A_S와 시동회로에 사용된 비교기 A₁은 그림 3과 같은 7개의 트랜지스터로 이루어져 있는 단순한 연산증폭기를 이용하였다.

대상 데이터

바이어스 회로는 추가적인 Constant-Gm과 같은 회로를 사용하지 않고 기준전압 발생기의 출력 전류를 복사하여 사용하는 자기 참조 바이어스(Self reference bias) 기술을 사용하였다. M_B2과 M_B2는 기준전압 발생기의 출력 전류를 복사하는 전류 거울로 사용하였으며, 회로의 동작을 시작하는 순간 바이어스 전류가 켜지는 것을 돕기 위하여 게이트와 소스가 연결된 M_S2를 이용하였다[12].
제안한 회로는 기준전압 발생기, 시동회로, 그리고 바이어스 전류를 공급해주는 바이어스 회로로 구성되어 있다. 기준전압 발생기에 사용된 연산 증폭기 A_S와 시동회로에 사용된 비교기 A₁은 그림 3과 같은 7개의 트랜지스터로 이루어져 있는 단순한 연산증폭기를 이용하였다. 본 논문에서 사용한 기준전압발생기의 출력 전압은 그림 2의 R₁ = R₂ 일 때
본 논문에서 제안한 시동회로를 장착한 기준전압 발생기는 0.13μm CMOS 공정을 사용하여 구현하였으며 그림 5는 구현된 회로의 레이아웃 그림을 보여준다.

이론/모형

바이어스 회로는 추가적인 Constant-Gm과 같은 회로를 사용하지 않고 기준전압 발생기의 출력 전류를 복사하여 사용하는 자기 참조 바이어스(Self reference bias) 기술을 사용하였다. M_B2과 M_B2는 기준전압 발생기의 출력 전류를 복사하는 전류 거울로 사용하였으며, 회로의 동작을 시작하는 순간 바이어스 전류가 켜지는 것을 돕기 위하여 게이트와 소스가 연결된 M_S2를 이용하였다[12].
한편, 비교기의 오프셋 전압의 오차가 시동회로의 신뢰성 있는 동작에 결정적인 영향을 끼치게 됨을 예측할 수 있다. 본 연구의 경우와 같이 N=24인 경우, 온도에 따라 다르지만 마진이 수십 mV에 이르므로 오프셋의 오차의 크기가 10㎷ 이내 정도로 제한되는 한에 있어서는 회로의 동작에 문제가 발생하지 않을 것을 예상할 수 있으며 이는 뒤에 제시할 Monte-Carlo 시뮬레이션으로 검증되었다.

성능/효과

27mV/℃가 된다. 따라서 본 연구에서 사용된 비교기의 오프셋 전압이 온도에 따라 증가하는 것은 기준전압 생성기가 안정적으로 동작하는데 도움이 된다.
그림 8은 온도변화에 따른 기준전압발생기의 출력을 시뮬레이션 한 결과이다. 모든 동작 가능한 전원 전압에서 온도를 -20℃부터 100℃ 까지 변화시키면서 시뮬레이션 하였을 때 2.5mV이하의 오차를 가지며 안정적으로 기준전압을 생성하는 것을 확인할 수 있었다. 표 2는 본 논문에서 설계한 기준전압 발생기의 시뮬레이션 결과를 정리하여 보여주고 있다.
본 논문에서 제안한 시동회로에서는 기존의 시동회로가 가지는 문제점을 해결하기 위하여 오프셋 전압을 가지는 비교기를 사용하여 BJT에 흐르는 전류를 직접적으로 측정하여 기준전압 발생기의 상태를 결정하였다. 설계된 회로의 lay-out에서 기생성분을 추출하여 진행한 Monte-Carlo 시뮬레이션을 통해 회로를 검증하였으며, 시뮬레이션 결과 소자에 미스매치가 있을 때에도 제안한 시동회로는 안정적으로 기준전압 발생기기를 시동시키는 것을 확인할 수 있었으며 850mV 이상의 전원 전압에서 기준전압 생성기가 안정적으로 0.6V의 기준전압을 생성하는 것을 확인하였다.
시뮬레이션 결과 오프셋 전압은 20℃에서 38㎷였으며, ±3㎷ 의 오차를 보였다.
그림 7은 전원전압에 대한 기준전압의 DC 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션 결과 전원전압이 1.5V까지 증가하더라도 시동동작을 잘 하는 것을 시뮬레이션을 통하여 확인하였다. 그림 8은 온도변화에 따른 기준전압발생기의 출력을 시뮬레이션 한 결과이다.
6V의 기준전압이 안정적으로 생성되는 것을 확인할 수 있다. 시뮬레이션 시간이 이보다 길어지거나 짧아질 때에도 시동동작에 문제가 없는 것을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
9V로 상승하는 것을 나타낸다. 전원전압이 인가되어 증가하면서 기준전압 생성기가 시동되는 초기 부분에는 기준전압의 상승 속도에 차이가 나타나지만, 시간이 지남에 따라 0.6V의 기준전압이 안정적으로 생성되는 것을 확인할 수 있다. 시뮬레이션 시간이 이보다 길어지거나 짧아질 때에도 시동동작에 문제가 없는 것을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
기준전압 생성기에 사용된 소자들에 미스매치가 있더라도 제안한 시동회로는 정확히 BJT의 동작상태를 파악할 수 있으므로 신뢰성 있게 시동동작을 하게 된다. 제안된 회로의 동작을 포스트 레이아웃 파라미터 추출이 반영된 Monte-Carlo 시뮬레이션으로 검증하였으며, 그 결과 회로를 구성하는 소자들의 미스매치가 존재할 때에도 기준전압 생성기가 항상 정상적으로 동작하는 것을 확인하였다.
표 2는 본 논문에서 설계한 기준전압 발생기의 시뮬레이션 결과를 정리하여 보여주고 있다. 제안한 시동회로를 사용한 경우에도 정상상태의 동작은 다른 기준전압 생성기와 성능에서 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기준전압 생성기가 적절한 시동회로가 필요한 이유는?	일반적으로 기준전압 생성기는 쌍안정성을 가지므로 이를 올바른 상태에서 동작시키기 위해서는 적절한 시동회로가 필요하다. 본 논문에서는 저전압 기준전압 발생기를 위한 새로운 시동회로를 제안한다.
	LDO에서 온도 변화와 무관한 기준전압을 필요로 하기 때문에 사용되는 기기는?	많은 반도체 집적회로, 특히 LDO에서는 온도의 변화와 무관한 기준전압을 필요로 한다[1～2]. 이를 위해서는 BJT를 이용하여 밴드갭 전압과 비슷한 1.2V정도의 기준전압을 생성하는 밴드갭 기준전압 생성기가 많이 사용된다[3].
	기준전압 생성기가 기준전압을 생성하는 방법은?	[3]의 기준전압 생성기는 양의 온도 계수를 갖는 전압과 음의 온도 계수를 갖는 전압에 적절한 계수를 곱하여 더하는 방식으로 기준전압을 생성한다. 하지만 전원 전압이 밴드갭 전압보다 낮아지면 이와 같은 방식의 밴드갭 기준전압 생성기를 동작시키는 것이 어려워진다.

참고문헌 (14)

Won Kyeong Park, Su Jin Lee, Yong Su Park, and Han Jung Song, "Design of a Low Drop-out Regulator with a UVLO Protection Function", IEEK, vol. 50, no. 10, pp. 2691-2696, October 2013.

원문보기 상세보기
Jin-Woo Kim and Shin-Il Lim, "A Design of High PSRR LDO over Wide Frequency Range without External Capacitor", IEEK, vol. 50, no. 12, pp. 3001-3008, December 2013.
Kujik, "A Precision reference voltage source", IEEE J. Solid State Circuits, vol. 8, no. 3, pp. 222-226, June 1973.

상세보기
Da-In Han, Hyeong-Soon Kim, Yeong-Seuk Kim, "Design of A 0.5V CMOS Bandgap Voltage Reference:" IEEK Fall Conference, 2012.
Yoon-Jae Shin, Jun-Youn Lim, Kae-Dal Kwack, "A CMOS Bandgap Reference Voltage Generator Circuit with Sub-1.1-V Operation", IEEK CEIC, 20144.
Banba, H., Shiga, H., Umezawa, A., Miyaba, T., Tanzawa, T., Atsumi, S., and Sakui, K.: "A CMOS bandgap reference circuit with sub-1-V operation", IEEE J. Solid State Circuits, 1999, vol. 34, no. 5, pp. 670-674, May 1999.

상세보기
Ka Nang Leung, Philip K. T. Mok, "A Sub-1-V 15-ppm/ C CMOS Bandgap Voltage Reference Without Requiring Low Threshold Voltage Device", IEEE J. Solid State Circuits, vol. 37, no. 4, pp. 526-530, April 2002.

상세보기
Lee, S., Lee, H., Woo, J.-K., Kim, S. "Low-voltage bandgap reference with output-regulated current mirror in 90 nm CMOS", IET Electron. Lett., vol. 46, no. 14, pp. 976-977, July 2010.

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

상세보기
Boni, A. "Op-amps and startup circuits for CMOS bandgap references with near 1-V supply", IEEE J. Solid State Circuits, vol. 37, no. 10, pp. 1339-1343, Oct. 2002.

상세보기
Dehghani, R., Atarodi, S. M., "A new low voltage precision CMOS current reference with no external components", IEEE Tran. Circuits and Systems-II, vol. 50, no. 12, pp. 928-932, Dec. 2003.

상세보기
Behzad Razavi, "Design of Analog CMOS Integrated Circuits", McGraw-Hill, 2001.
Annema, A.J. 'A $0.0025mm^2$ bandgap voltage reference for 1.1 V supply in standard 0.16 ${\mu}m$ CMOS'. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC), San Francisco, USA, 19-23 February 2012, pp. 364-366
D.F. Bowers, E.J. Modica, "Curvature-corrected low-noise sub-bandgap reference in 28 nm CMOS technology", IET Electronics letter, Vol. 50, No. 5, pp. 396-398, Feb. 2014.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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