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BGR의 Vref 회로
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안녕하세요. BGR 강의를 듣는 중 질문이 생겼습니다.
PTAT과 CTAT의 성분을 합쳐서 Vref를 만드는 아이디어는 알겠는데,
왜 여기에 BJT를 쓰는걸까요? 사실상 bjt를 묶어서 쓰는거니, PN 다이오드나 혹은 MOSFET을 써도 되는거 아닐까요?
그리고 BJT의 Q1 부분과 n배수를 한 Q2의 전위차를 opamp로 보내서 전류제어를 하는 방식도 있는 것 같은데, 맞나요? 맞다면 둘 중 뭘 더 많이 사용하며, 이유가 뭘까요?
감사합니다.
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안녕하세요, 답변 남겨드립니다.
BGR(Bandgap Reference) 회로에서 BJT를 사용하는 이유는 ‘정확한 온도 계수 보상’과 ‘디바이스의 물리적 특성 재현성’ 때문입니다. 기본적으로 BGR은 CTAT(Current To Absolute Temperature) 성분을 가지는 다이오드 전압 Vbe와, PTAT(Proportional To Absolute Temperature) 성분을 가지는 ΔVbe를 적절히 합성하여 온도 변화에 대해 거의 일정한 Vref를 만드는 구조입니다. 이때 핵심은 ΔVbe = (kT/q) * ln(N) 이라는 물리식에서 보듯이 BJT의 베이스-에미터 전압 차가 절대온도에 비례하여 선형적으로 증가한다는 점입니다. 이 관계식은 실리콘 BJT의 물리적 원리(전류 밀도, 캐리어 농도 등)에 의해 매우 정확히 정의되므로, MOSFET이나 PN 다이오드로는 동일한 선형성과 정밀도를 확보하기 어렵습니다.
예를 들어, MOSFET을 이용한 Subthreshold Reference 회로도 존재하지만, 이 경우에는 ID ≈ I0 * exp(Vgs / nVt) 와 같은 식에서 n(서브스레숄드 인자)가 공정, 전압, 온도에 따라 변하기 때문에 PTAT 성분의 직선성이 떨어집니다. 따라서 ±1% 이하의 온도계수(예: 10ppm/°C 이하)를 요구하는 고정밀 BGR에서는 BJT 기반 구조가 여전히 표준으로 쓰입니다. 반면, 저전력이나 CMOS 공정 단일화를 목표로 하는 경우에는 MOSFET만으로 구현한 MOS-only Bandgap 구조도 연구되지만, 기준 전압의 절대 정확도나 공정 간 변동성에서 BJT보다 불리합니다.
질문 주신 두 번째 부분, 즉 Q1과 Q2(BJT)의 전류밀도 비를 n배로 두어 ΔVbe를 생성하고 이를 연산증폭기(Op-amp)를 통해 제어하는 구조는 “Widlar Bandgap” 또는 “Brooks-Baker type”으로 분류됩니다. Op-amp는 두 BJT의 Vbe 차이를 감지하고, 이 전압이 PTAT 특성을 가지도록 저항을 통해 전류를 제어하여 ΔVbe를 생성합니다. 이때 생성된 PTAT 전류와 Vbe(CTAT)를 비율 합성하여 기준전압을 얻습니다.
산업적으로는 이 Op-amp 피드백형 구조가 가장 널리 사용됩니다. 이유는 첫째, PTAT 전류를 저항을 통해 안정적으로 생성할 수 있어 온도 보정 계수 설계가 용이하고, 둘째, 증폭기를 통해 공정 및 공급전압 변화에도 ΔVbe 비율을 일정하게 유지할 수 있기 때문입니다. 반대로 간단히 다이오드 스택만으로 ΔVbe를 직접 합성하는 간소형 Bandgap (예: Sub-bandgap 구조)은 회로가 간단하지만 PSRR(Power Supply Rejection Ratio)와 라인·로딩 레귤레이션 특성이 떨어집니다.
예를 들어, 3.3V CMOS 공정에서 Op-amp 피드백형 BGR은 ±10mV 이내의 정확도를 보장하며, 온도 계수는 15ppm/°C 수준까지 낮출 수 있습니다. 반면, 단순 다이오드 스택형은 100ppm/°C 수준에 머물고, 칩 간 오프셋이 크기 때문에 Precision ADC나 PLL 기준전압으로는 적합하지 않습니다.
요약하자면, BJT는 ΔVbe의 이상적 선형성, 공정 재현성, 그리고 절대전압 기준을 제공하기 때문에 선택됩니다. MOSFET이나 PN 다이오드로도 유사 구조는 가능하지만, 정밀 기준전압의 온도 안정성과 장기 신뢰성 면에서 실리콘 BJT 기반의 Bandgap이 여전히 가장 실용적이며, 피드백 증폭기를 포함한 전류제어형 구조가 산업표준으로 자리잡고 있습니다.
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안녕하세요, 인프런 AI 인턴입니다. 김수정님.
BGR(Band-Gap Reference) 회로에서 BJT를 사용하는 이유와 관련된 질문을 주셨네요.
BGR에서 BJT의 사용 이유
정확한 온도 보상:
- BJT는 온도 변화에 따른 전압 변화(ΔV_BE, ΔV_T)가 명확하고, 이를 이용하여 PTAT(Positive Temperature Coefficient) 및 CTAT(Negative Temperature Coefficient) 성분을 잘 조합할 수 있어, 결과적으로 온도에 비례하는 전압 기준(Vref)을 만들 수 있습니다.
- BJT는 온도 변화에 따른 전압 변화(ΔV_BE, ΔV_T)가 명확하고, 이를 이용하여 PTAT(Positive Temperature Coefficient) 및 CTAT(Negative Temperature Coefficient) 성분을 잘 조합할 수 있어, 결과적으로 온도에 비례하는 전압 기준(Vref)을 만들 수 있습니다.
우수한 일치도:
- BJT로 구성한 ΔV_BE 기법은 동일한 기술로 제작된 디바이스 간의 잘 일치하는 특성을 보이며, 이는 정확한 기준 전압 생성을 가능하게 합니다.
- BJT로 구성한 ΔV_BE 기법은 동일한 기술로 제작된 디바이스 간의 잘 일치하는 특성을 보이며, 이는 정확한 기준 전압 생성을 가능하게 합니다.
대체 소자(MOSFET, 다이오드) 사용
PN 다이오드:
- 다이오드도 PTAT 및 CTAT 성분을 만들 수 있지만, ΔV_BE처럼 명확한 온도 특성을 갖추지 못할 수 있습니다.
- 다이오드도 PTAT 및 CTAT 성분을 만들 수 있지만, ΔV_BE처럼 명확한 온도 특성을 갖추지 못할 수 있습니다.
MOSFET:
- MOSFET 기반 회로에서도 기준 전압을 생성할 수 있으나, BJT처럼 ΔV_BE 기반의 명확한 온도 특성을 가지기는 어렵습니다.
- MOSFET 기반 회로에서도 기준 전압을 생성할 수 있으나, BJT처럼 ΔV_BE 기반의 명확한 온도 특성을 가지기는 어렵습니다.
BJT를 묶어서 사용한 방식 vs OPAMP 활용
전위차를 이용한 OPAMP 방식:
- 질문에서 언급하신 대로, BJT의 전위차를 활용하여 OPAMP로 전류를 제어하는 방식도 가능하며, 이를 통해 더욱 복잡한 전류 제어가 가능합니다.
- 질문에서 언급하신 대로, BJT의 전위차를 활용하여 OPAMP로 전류를 제어하는 방식도 가능하며, 이를 통해 더욱 복잡한 전류 제어가 가능합니다.
사용 빈도와 이유:
- BGR은 전통적이고 검증된 방법으로, BJT 기반의 ΔV_BE와 V_BE 조합을 이용하여 온도에 독립적인 전압을 생성하는데 적합합니다.
- OPAMP를 통한 전류 제어 방식은 더 높은 전압 정확도를 요구하거나, 다양한 전류 제어가 필요한 특수한 경우에 더 많이 사용될 수 있습니다.
- BGR은 전통적이고 검증된 방법으로, BJT 기반의 ΔV_BE와 V_BE 조합을 이용하여 온도에 독립적인 전압을 생성하는데 적합합니다.
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