KR100200723B1 - 온도 감지기를 구비한 전압 제어 오실레이터 - Google Patents

Abstract

온도에 따라 출력 전압이 연속적으로 변하는 특성을 갖는 온도 감지기의 출력 전압을 입력으로 하여 진동 주기가 조절되는 온도 감지기를 구비한 전압 제어 오실레이터를 개시한다.

온도에 따라 출력 전압이 연속적으로 변하는 특성을 갖는 온도 감지기; 셀프-리프레쉬 모드 신호에 의한 인에이블 신호를 입력으로하여 상기 온도 감지기를 구동시키는 지연된 인에이블 신호를 발생시키는 지연 수단; 상기 온도 감지기의 출력을 유지하는 샘플 앤 홀드(Sample Hold) 회로; 및 상기 샘플 앤 홀드 회로의 출력과 셀프-리플레쉬 모드 신호를 입력으로 하여 주기가 제어되는 전압 제어 오실레이터를 포함한다.

따라서, 본 발명에 의하면 온도에 따라 출력 전압이 연속적으로 변하는 특성을 갖는 온도 감지기와 이 온도 감지기의 출력 전압을 입력으로 하여 진동 주기가 조절되는 전압 제어 오실레이터를 구현함으로써 디램의 리프레쉬 간격을 적절히 크게 하여 디램의 셀프-리프레쉬 모드시 전류 소비를 최소화할 수 있다.

Description

온도 감지기를 구비한 전압 제어 오실레이터

본 발명은 반도체 집적 회로에 관한 것으로, 특히 온도에 따라 출력 전압이 연속적으로 변하는 특성을 갖는 온도 감지기에 의해 진동 주기가 조절되는 전압 제어 오실레이터에 관한 것이다.

배터리에 의해 구동되는 휴대용 전자 장비가 널리 사용되면서, 사용되는 소자의 저전력 소비가 중요한 문제로 대두되고 있다. 특히, 슬립(sleep) 모드에서의 전류 소비는 리프레쉬(refresh) 동작을 필요로 하는 디램(DRAM)이 결정하게 된다. 따라서 디램의 셀프-리프레쉬 모드시 전류 소비를 최소화하기 위해 여러 가지 방안이 제안되어 왔다. 셀프-리프레쉬 동작을 하는 배터리 백업(Battery backup) 모드에 있어서 소비 전류는 다음 식과 같이 나타내어진다.

배터리백업 전류 = (리프레쉬전류/리프레쉬간격) + 스탠드바이 전류

위의 식으로부터 알 수 있는 바와 같이 배터리 백업 전류를 줄이기 위해서는 리프레쉬 간격(refresh interval)을 가능한 한 크게 하는 것이 필요하다. 이 간격은 셀의 데이타 보존 능력(retention capability)에 의해서 결정된다. 일반적으로 데이타 보존 능력은 온도, 전원 전압, 공정 변화에 민감하게 반응한다. 특히 온도가 높아지면 셀의 데이타 보존 시간이 현저하게 감소하므로 리프레쉬 간격의 최대값을 제한하게 된다. 하지만 온도가 낮은 경우는 데이타 보존 시간이 길기 때문에 리프레쉬 간격을 길게 가져가는 것이 가능하다. 우리가 관심 있는 슬립 모드 등 배터리 백업 모드에서는 주변의 온도가 상대적으로 낮아질 것이므로, 셀프-리프레쉬 모드에서는 리프레쉬 간격을 보통 모드에서의 간격보다 길게 가져가는 것이 가능하며, 이렇게 하여 위의 배터리 백업 전류를 줄이는 것이 가능하다. 이와 같은 아이디어를 구현한 종래의 기술로는 도 1에 도시한 온도 감지기(temperature detector)를 사용하는 것이었다. 구체적으로, 기존의 온도 감지기는 6개의 인버터(11, 15, 19, 23, 27, 31)와 2개의 낸드 게이트(35, 37) 및 온도 특성을 나타내는 N웰-, 게이트폴리-저항((13, 17, 21, 25, 29, 33)으로 이루어지며, 주위의 온도가 어떤 기준 온도보다 높은지 여부를 TEMP_DET 노드의 하이(High)/로우(Low) 출력으로 나타낸다. 이 출력을 받아 2개의 셀프-리프레쉬 카운터 중 어느 하나를 온도에 의해 선택하게 되는 것이다.

그러나, 실제 데이타 보존 시간이 약 40℃부터 70℃ 사이에서 현저하게 연속적으로 변하는 특성을 갖고 있는데 반해, 종래의 기술로 구현한 온도 감지기는 다양한 온도의 변화에 따른 출력값을 나타내지 못하고, 오직 하이(High)/로우(Low)의 두 가지 출력만을 나타낸다. 그러므로, 기준 온도보다 아주 낮은 온도에서도 기준 온도 근처에서와 같은 리프레쉬 간격을 갖게 된다. 즉, 기준 온도 이하에서나 기준 온도 이상에서 온도에 따라 리프레쉬 간격을 변화시킬 수 없고, 같은 리프레쉬 간격을 가짐으로서, 불필요한 배터리 백업 전류를 소비하게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 온도에 따라 출력 전압이 연속적으로 변하는 특성을 갖는 온도 감지기를 제안하고 이 온도 감지기의 출력 전압을 입력으로 하여 진동 주기가 조절되는 전압 제어 오실레이터를 제공하는 데 있다.

도 1은 종래 기술의 온도 감지기에 관한 회로도.

도 2는 본 발명에 의해 온도에 따라 출력 전압이 연속적으로 변하는 특성을 갖는 온도 감지기를 구비한 전압 제어 오실레이터를 도시한 블록도.

도 3은 본 발명에 의한 온도에 따라 출력 전압이 연속적으로 변하는 특성을 갖는 온도 감지기의 일 실시 예에 관한 회로도.

도 4는 본 발명에 의한 전압 제어 오실레이터의 일 실시예에 관한 회로도.

도 5a 내지 도 5c에는 온도 감지기 출력의 시뮬레이션 결과와 각각 40℃, 70℃에서의 전압 제어 오실레이터 출력 시뮬레이션 결과에 관한 그래프.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 온도 감지기를 구비한 전압 제어 오실레이터는, 온도에 따라 출력 전압이 연속적으로 변하는 특성을 갖는 온도 감지기; 셀프-리프레쉬 모드 신호에 의한 인에이블 신호를 입력으로하여 상기 온도 감지기를 구동시키는 지연된 인에이블 신호를 발생시키는 지연 수단; 상기 온도 감지기의 출력을 유지하는 샘플 앤 홀드(Sample Hold) 회로; 및 상기 샘플 앤 홀드 회로의 출력과 셀프-리플레쉬 모드 신호를 입력으로 하여 주기가 제어되는 전압 제어 오실레이터를 포함한다.

상기 온도 감지기는 온도 의존성이 다른 제1, 제2의 저항 요소가 있고, 상기 두 저항 요소에 일정 전류를 공급하는 전류원이 있어서 상기 제1, 제2 저항 요소 양단에 제1, 제2 전압 강하를 유발시키는 온도 검출단; 과 상기 제1, 제2 전압의 차이를 증폭하는 차동 증폭단으로 이루어진다.

상기 제1 저항 요소는 저항체로, 제2 저항 요소는 게이트, 드레인이 연결되어 있는 트랜지스터로 사용할 수 있다.

상기 샘플 앤 홀드 회로는 상기 온도 감지기의 출력을 샘플링하는 커패시터; 상기 전류원과 상기 차동 증폭단을 제어 하는 신호가 이와 연동해서 동작시키는 스위치; 및 상기 스위치가 꺼져 있는 동안 레벨을 홀드하는 커패시터로 이루어진다.

상기 전압 제어 오실레이터는 직렬 결합으로 이루어진 홀수 개의 인버터들;과 상기 인버터들 출력단의 전체 또는 일부에 각각 드레인이 연결되어지고 상기 샘플 앤 홀드 회로의 출력에 게이트가 접속된 트랜지스터들; 과 상기 트랜지스터들의 소스는 제1 단자에 연결되어 있고, 제2단자는 파워 또는 그라운드에 연결되어 있는 커패시터들로 이루어진다.

상기 인버터들이 바라보는 용량성 부하 값이 상기 온도 감지기의 출력 전압에 의해 제어됨으로써 오실레이터 출력의 진동 주기가 온도에 따라 변하게 된다.

상기 전압 제어 오실레이터는 디램의 셀프-리프레쉬 동작 카운터에 사용할 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면 온도에 따라 출력 전압이 연속적으로 변하는 특성을 갖는 온도 감지기와, 이 온도 감지기의 출력 전압을 입력으로 하여 진동 주기가 조절되는 전압 제어 오실레이터를 구현함으로써 디램의 리프레쉬 간격을 적절히 크게 하여 디램의 셀프-리프레쉬 모드시 전류 소비를 최소화할 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명에 의해 온도에 따라 출력 전압이 연속적으로 변하는 특성을 갖는 온도 감지기(100) 및 이 온도 감지기의 출력을 입력으로 하여 진동 주기가 조절되는 전압 제어 오실레이터(200)를 도시한 블록도이다.

참조 도면은 온도에 따라 출력 전압이 연속적으로 변하는 특성을 갖는 온도 감지기(100)와 셀프-리프레쉬 모드 신호에 의한 인에이블 신호를 입력으로 하여 상기 온도 감지기를 구동시키는 지연된 인에이블 신호를 발생시키는 지연 수단(152,154)과 상기 온도 감지기의 출력을 유지하는 샘플 앤 홀드(Sample Hold) 회로(160) 및 상기 샘플 앤 홀드 회로의 출력과 셀프-리플레쉬 모드 신호를 입력으로하여 주기가 제어되는 전압 제어 오실레이터(200)로 이루어져 있다.

그 동작을 설명하면, 온도 감지기(100)의 출력 v_cont은 샘플 앤 홀드 회로(160)로 입력되고, 샘플 앤 홀드 회로(22)는 셀프-리프레쉬 모드를 나타내는 PSELF 신호를 받아 일정 시간 동안만 온도 감지기(100)를 구동시키는 enable'신호와 거의 같은 위상을 갖는 enable 신호에 의해 온도 감지기의 출력을 커패시터(162)에 저장하는 역할을 한다. 이러한 샘플 앤 홀드 회로(160)가 필요한 이유는 온도 감지기(100)의 전류 소모를 최소화하기 위함이다. 이렇게 하여 얻어진 샘플 앤 홀드 회로(160)의 출력은 전압 제어 오실레이터(200)의 제어용 전압 cont로 입력되어, PSELF에 의해 동작을 시작하는 전압 제어 오실레이터(200)의 주기를 제어하게 된다. 본 발명에서는 편의상 상기 cont의 전압이 높으면 전압 제어 오실레이터(200)의 주기가 길게 되어 있다. 따라서 온도가 높아지면 상기 cont의 전압은 감소되어야 한다.

도 3은 본 발명에 의한 온도에 따라 출력 전압이 연속적으로 변하는 특성을 갖는 온도 감지기의 회로도이다. 이 회로는 크게 온도 검출단(110)과 증폭단(130)으로 이루어진다. 온도 검출단은 전류원(114, 116)으로부터 일정 전류를 공급받는 저항(118)과 다이오드형 트랜지스터(120) 양단의 전압 a, b(122, 124)를 출력하며, 이 a, b의 차이를 증폭시켜 주는 증폭단(130)은 차동 증폭기(134, 136, 138, 140)로 이루어져 있다. 일반적으로 저항(118) 양단의 전압 a는 온도가 증가하면 높아지며, 다이오드형 트랜지스터(120) 양단의 전압 b는 임계 전압의 온도 특성을 따라 온도가 증가하면 낮아진다. 따라서 전압 a, b가 특정 온도에서 교차하도록 하면, 그 특정 온도를 기준으로 a, b의 기호가 바뀌게 된다. 이 정도를 차동 증폭기(134, 136, 138, 140)가 증폭하여서 상기 특정 온도 주위에서 출력 전압 v_cont를 변화시킨다. 만약 이 증폭단(130)의 증폭률이 크다면 출력 전압 v_cont는 디지탈적으로 하이(High)/로우(Low) 천이를 하겠고, 증폭률이 적을 경우에는 출력 전압 v_cont이 아나로그적으로 변화할 것이다. 이러한 면에서 본 발명을 기존의 방법처럼 사용하는 것이 가능하다. 경우에 따라서는 b 노드와 그라운드(GND) 사이에 다이오드형 트랜지스터(120) 대신 저항(118)보다 온도 의존성이 훨씬 작은 저항을 사용하여도 된다. 그리고 온도 감지기 회로는 enable'(16)이 하이(high)인 경우에만 동작을 하도록 되어 있다. 또한, 도면에 표시된 인버터들(102, 104, 106, 142)은 온도 검출단 전류원, 증폭단의 전류원과 상기 차동 증폭단을 제어하는 신호를 발생시키기 위하여 사용되었다.

도 4는 본 발명에 의한 전압 제어 오실레이터의 일 실시예에 관한 회로도이다.

상기 전압 제어 오실레이터는 직렬 결합으로 이루어진 홀수 개의 인버터들(204, 210, 216, 222,228)과 상기 인버터들 출력단의 전체 또는 일부에 각각 드레인이 연결되어지고 상기 온도 검출단의 출력에 게이트가 접속된 트랜지스터들(206, 212, 218, 224, 230)과 상기 트랜지스터들의 소스는 제1 단자에 연결되어 있고, 제2단자는 파워 또는 그라운드에 연결되어 있는 커패시터들(208, 214, 220, 226, 230)로 이루어진다. PSELF 신호에 의해 in 신호가 입력되는 인버터(202)는 오실레이터의 동작을 작동 및 통제하는 역할을 한다.

그 동작을 살펴보면, 도 2의 온도 감지기(100)의 출력은 샘플 앤 홀드 회로(160)에 의해 저장된 후에 cont 단자의 전압에 의해 전압 제어 오실레이터(200)의 진동주기를 제어하게 된다. 이때, cont 단자의 전압이 높은 정도에 따라 링 오실레이터의 단위 인버터의 용량성 부하(capacitive load) 값이 커지게 된다. 다시 말해 cont 단자의 전압이 높으면 단위 인버터의 지연 시간이 길어지고 전체 전압 제어 오실레이터의 주기가 길어지게 된다. 이 전압 제어 오실레이터의 동작은 최초 in 단자가 하이(high)가 될 경우에 시작되며, 여기서는 셀프-리프레쉬 신호인 PSELF가 in 단자에 연결되어 있다.

도 5a 내지 도 5c에는 온도 감지기 출력 v_cont의 시뮬레이션 결과와 각각 40℃, 70℃에서의 전압 제어 오실레이터 출력 vco_out가 cont 및 enable 신호와 함께 나타나 있다.

도 5a에는 앞에서 설명한 구성을 갖는 온도 감지기 출력 v_cont의 시뮬레이션 결과가 그려져 있는데 설명한 대로 온도에 따라 연속적으로 출력 전압값이 변하였음을 볼 수 있다.

도 5b와 도 5c에는 각각 40℃, 70℃에서의 전압 제어 오실레이터 출력 vco_out가 cont 및 enable 신호와 함께 나타나 있으며 여기서도 볼 수 있듯이 전압 제어 오실레이터의 주기가 온도 변화에 따라 거의 2배 이상 연속적으로 변한다. 실제 리프레쉬 간격이 수백 ㎲인 것은 전압 제어 오실레이터의 인버터 단수를 늘리고 단위 인버터의 지연 시간을 늘림으로써 쉽게 구현할 수 있다.

따라서 상술한 본 발명에 따른 온도 감지기 및 전압 제어 오실레이터는, 온도에 따라 출력 전압이 연속적으로 변하는 특성을 갖는 온도 감지기를 이용하여, 온도 변화를 연속적으로 감지하고 온도의 변화에 따라 전압 제어 오실레이터의 주기를 제어하는 효과적인 방안으로 셀프-리프레쉬용 오실레이터 등에 다양하게 사용될 수 있을 것이다.

이상, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 명백하다.

Claims (7)

1. 온도에 따라 출력 전압이 연속적으로 변하는 특성을 갖는 온도 감지기;

   셀프-리프레쉬 모드 신호에 의한 인에이블 신호를 입력으로하여 상기 온도 감지기를 구동시키는 지연된 인에이블 신호를 발생시키는 지연 수단;

   상기 온도 감지기의 출력을 유지하는 샘플 앤 홀드(Sample Hold) 회로; 및

   상기 샘플 앤 홀드 회로의 출력과 셀프-리플레쉬 모드 신호를 입력으로 하여 주기가 제어되는 전압 제어 오실레이터를 포함하는 것을 특징으로하는 온도 감지기를 구비한 전압 제어 오실레이터.
2. 제1항에 있어서, 상기 온도 감지기는 온도 의존성이 다른 제1, 제2의 저항 요소가 있고, 상기 두 저항 요소에 일정 전류를 공급하는 전류원이 있어서 상기 제1, 제2 저항 요소 양단에 제1, 제2 전압 강하를 유발시키는 온도 검출단; 과 상기 제1, 제2 전압의 차이를 증폭하는 차동 증폭단으로 이루어진 것을 특징으로하는 온도 감지기를 구비한 전압 제어 오실레이터.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 저항 요소는 저항체로, 제2 저항 요소는 게이트, 드레인이 연결되어 있는 트랜지스터로 사용하는 것을 특징으로하는 온도 감지기를 구비한 전압 제어 오실레이터.
4. 제1항에 있어서, 상기 지연 수단은 짝수개의 인버터로 구성하는 것을 특징으로하는 온도 감지기를 구비한 전압 제어 오실레이터.
5. 제1항에 있어서, 상기 샘플 앤 홀드 회로는 상기 온도 감지기의 출력을 샘플링하는 커패시터; 상기 전류원과 상기 차동 증폭단을 제어 하는 신호가 이와 연동해서 동작시키는 스위치; 및 상기 스위치가 꺼져 있는 동안 레벨을 홀드하는 커패시터로 이루어진 것을 특징으로하는 온도 감지기를 구비한 전압 제어 오실레이터.
6. 제1항에 있어서, 상기 전압 제어 오실레이터는 직렬 결합으로 이루어진 홀수 개의 인버터들;과 상기 인버터들 출력단의 전체 또는 일부에 각각 드레인이 연결되어지고 상기 샘플 앤 홀드 회로의 출력에 게이트가 접속된 트랜지스터들; 및 상기 트랜지스터들의 소스는 제1 단자에 연결되어 있고, 제2단자는 파워 또는 그라운드에 연결되어 있는 커패시터들로 이루어진 것을 특징으로하는 온도 감지기를 구비한 전압 제어 오실레이터.
7. 제6항에 있어서, 상기 인버터들이 바라보는 용량성 부하 값이 상기 온도 감지기의 출력 전압에 의해 제어됨으로써 오실레이터 출력의 진동 주기가 온도에 따라 변하게 되는 것을 특징으로하는 온도 감지기를 구비한 전압 제어 오실레이터.