#3 Current Reference

전 장을 통해서 Current Reference(기준 전류)에서 생성된 전류를 복사하여 바이어스로 사용한다는 것을 배웠습니다.

그러면 그 기준 전류는 어떻게 만들까요?
가장 쉬운 방식은 저항을 사용하는 방법이지만 이는 VDD에 매우 민감합니다.

기준 전류는 이러한 PVT 요건에 덜 민감해야 하며 그러기 위해 스스로를 BIAS 해야합니다.
다음 그림은 $I_{out}$ 를 $I_{REF}$가 부트스트랩핑되어 복제하고 있습니다.

이 구조는 Channel Length Modulation을 무시하는 경우 $I_{OUT} = KI_{REF}$ 를 만족합니다.

위 구조에서 전류를 특정 값으로 정의하기 위해 저항 $R_S$를 달아줍니다.

이때의 $I_{out}$을 구해보겠습니다.

$$ I_{out} = \frac{2}{\mu_n C_{ox} (W/L)_N} \cdot \frac{1}{R_S^2} \left( 1 - \frac{1}{\sqrt{K}} \right)^2 $$

수식을 통해 VDD에 무관한 전류가 생성됨을 알 수 있습니다.

위 수식은 바디 효과를 무시한 수식인데, 사실 M1과 M2 양단은 다른 전압을 갖고 있습니다.
이로 인해 Mismatch가 발생하는데, M3의 Source에 저항을 삽입하고 그 쪽과 Body를 연결하면 해결됩니다

 

하지만 위 구조를 그대로 사용하게 될 경우 한 가지 문제가 발생할 수 있습니다.
바로 공급전원이 인가될 때, 모든 트랜지스터에 0 전류가 흐른다면, 루프를 돌지 않고 무기한 꺼져있는 상태가 된다는 점이지요.

이는 약간의 전류를 흘려준다면 동작점으로 자연스럽게 움직입니다.
곧 Reference를 시작하게 만들어주는 Start-up 소자를 추가할 수 있습니다.

위 사진은 간단한 Start-up 소자를 추가한 예시입니다.
기생 캐패시턴스가 Start up의 오류를 유발할 수도있기에 Tran 시뮬레이션과, dc sweep을 통한 점검이 필요합니다.

 

또한 저전압의 경우 아래 그림처럼 차동 증폭기를 사용합니다.
이는 간단하게 구조만 보여주고 Bandgap Reference 후에 합쳐서 다뤄보겠습니다.

밑의 그림은 차동 증폭기를 사용한 Reference에 Start-up 및 바이어스를 포함한 회로입니다.

 

Reference 회로에는 저항이 들어가는데
다음 사진과 같이 저항을 대신하여 스위치드 캐패시터 회로를 사용할 수 있습니다.