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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bezugsspannungserzeugungsschaltung
zum Gebrauch in einer Halbleitervorrichtung und insbesondere auf eine
Bezugsspannungserzeugungsschaltung zum Bereitstellen einer stabilen Ausgangsspannung davon
über einen großen Spannungsbereich der Stromquelle für die
Bezugsspannungserzeugungsschaltung.
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Eine Bezugsspannungserzeugungsschaltung wird in verschiedenen Arten von
Halbleitervorrichtungen genutzt, um den Schaltungsbetrieb und die Halbleitercharakteristiken
zu stabilisieren. Wegen des Erfordernisses einer höheren Spannung als die
Quellenspannung oder des Erfordernisses einer negativen Spannung, enthält z. B. eine nicht-
flüchtige Speicheranordnung eine Spannungsverstärkerschaltung mit einer
Spannungsregelungsschaltung, um eine konstante Spannung auszugeben. Die
Bezugsspannungserzeugungsschaltung wird in der Spannungsregelungsschaltung als ein
Bezugsspannungsquelle benutzt.
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Wenn eine Spannungsausgabe von der Bezugsspannungserzeugungsschaltung
schwankt, wird bei der nichtflüchtigen Speicheranordnung die Schwankung in der
Spannungsregulierungsschaltung vergrößert, was eine signifikante Schwankung in einer
Ausgangsspannung von der Spannungsregulierungsschaltung ergibt. Da z. B. die
Ausgangsspannung der Spannungsregulierungsschaltung die Menge an Elektronen
bestimmt, die in das Schwebegate einer nichtflüchtigen Speicherzelle zu injizieren sind,
bewirkt eine Verringerung in der Ausgangsspannung eine Verringerung der Menge an
injizierten Elektronen und beeinflusst somit die Datenhaltecharakteristik der
nichtflüchtigen Speicheranordnung. Mit anderen Worten mindert die Schwankung in der
Ausgangsspannung der Bezugsspannungserzeugungsschaltung die Zuverlässigkeit der
nichtflüchtigen Speicheranordnung.
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Weiterhin bestimmt die Bezugsspannungserzeugungsschaltung die Menge des Stroms,
die durch die internen Schaltungen einer Halbleitervorrichtung fließt. Somit bewirkt die
Schwankung in der Ausgangsspannung der Bezugsspannungserzeugungsschaltung eine
signifikante Schwankung in dem Stromverlust der gesamten Halbleitervorrichtung. Da
eine Halbleitervorrichtung mit einem Stromverlust, der nicht einem Produktstandard
oder einer Spezifikation entspricht, bei einem Test verworfen wird, kann die
Schwankung in der Ausgangsspannung der Bezugsspannungserzeugungsschaltung die
Ausbeute der Halbleitervorrichtungen mindern.
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Fig. 1 ist ein Schaltungsdiagramm einer herkömmlichen
Bezugsspannungserzeugungsschaltung, die die Bandlückenspannung einer Diode nutzt. Die
Bezugsspannungserzeugungsschaltung enthält die folgenden Bauteile: eine erste Stromspiegelschaltung CM1
mit p-Kanal-Transistoren P1, P2 und P3, unter denen der Transistor P2 auf der
Bezugsseite angeordnet ist; eine zweite Stromspiegelschaltung CM4 mit n-Kanal-Transistoren
N1 und N2, die in Reihe mit den Transistoren P1 bzw. P2 geschaltet sind und bei denen
der Transistor N1 auf der Bezugsseite angeordnet ist; eine Diode D1, die in Reihe mit
den Transistoren P1 und N1 geschaltet ist; einen Widerstand R1 und eine Diode D2, die
in Reihe mit den Transistoren P2 und N2 geschaltet sind; und einen Widerstand R2 und
eine Diode N3, die in Reihe mit dem Transistor P3 verbunden sind.
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Die Transistoren P1, P2 und P3 haben dieselben Konstruktionsmaße und die
Transistoren N1 und N2 haben dieselben Konstruktionsmaße. Eine Ausgangsspannung Vout
wird von einer Stromausgabe Io von dem Transistor P3 und dem Widerstand R2
bestimmt. Die Dioden D2 und D3 werden jeweils von einer Vielzahl (N) von Dioden
gebildet, die dieselben Konstruktionsmaße wie die Diode D1 haben und sie sind
zueinander parallel geschaltet.
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Die entsprechenden Sourceanschlüsse der Transistoren P1 und P2 sind mit einer
Spannungsquelle Vdd verbunden, und die entsprechenden Gateanschlüsse der Transistoren
P1 und P2 sind miteinander verbunden. Dementsprechend sind die Transistoren P1 und
P2 in dem Drainstrom und der Gate-zu-Source-Spannung identisch. Da die
entsprechenden Gateanschlüsse der Transistoren N1 und N2 miteinander verbunden sind,
haben die Transistoren N1 und N2 dieselbe Gatespannung. Unter der Annahme, dass die
Transistoren N1 und N2 dieselben Ausmaße haben, haben die Transistoren N1 und N2
dieselbe Schwellenspannung, die dasselbe Sourcepotential dazwischen bereitstellt. Die
Bandlückenspannungen der Dioden D1 und D2 stellt folgender Ausdruck zur
Verfügung.
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R1(I&sub0; + (kT/q)ln(I&sub0;/ISD2)) = (kT/q)ln(I&sub0;/ISD1)
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wobei Io ein Strom ist, der durch die Transistoren P1, P2 und P3 fließt, ISD1 und IDS2 die
entsprechenden Sättigungsströme der Diode D1 und D2 sind, T die absolute Temperatur
ist, k die Boltzman-Konstante ist und q die Ladung eines Elektrons ist.
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Der obige Ausdruck wird wie folgt zu dem Ausdruck in den Termen von Io angeordnet:
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Io = (1/R1) · (kT/q) · ln N ... (1)
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wobei N die Anzahl der Dioden D1 ist.
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Somit wird die Ausgangsspannung Vout ausgedrückt durch
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Vout = χ · R1 · Io + (kT/q) · ln(I&sub0;/N·ISD1)
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wobei χ = R2/R1 ist.
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Durch Einsetzung von Ausdruck (1) in den obigen Ausdruck wird Vout ausgedrückt
durch
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Vout = (kT/q) · [(χ - 1)ln N + ln{(kT/q)/R1·ISD1)} + l(ln N)}] .. (2)
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Wenn die entsprechenden Knoten, die mit den Drains der Transistoren P1, P2 und P3
verbunden sind, durch die Knoten A, B und C dargestellt werden, ist das Potential am
Knoten A die Summe der Schwellenspannung Vtn des Transistors N1 und des
Durchlassspannungsabfalls VD1 der Diode D1; das Potential am Knoten B ist gleich dem
Wert, der durch die Subtraktion der Schwellenspannung Vtp des Transistors P2 von der
Quellenspannung Vdd erhalten wird; und das Potential am Knoten C ist Vout, wie durch
den Ausdruck (2) dargestellt.
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Selbst wenn die Quellenspannung Vdd für die Bezugsspannungserzeugungsschaltung
schwankt, bleiben die Source-zu-Drain-Spannung Vsd des Transistors N1 und die des
Transistors P2 im Wesentlichen unverändert; allerdings schwanken die entsprechenden
Source-zu Drain-Spannungen Vsd der Transistoren P1, P2 und N2 in Zusammenhang
mit der Schwankung der Quellenspannung Vdd. Das heißt, dass der Strom 10, der durch
die Strompfade jeder der Stromspiegelschaltungen CM1 und CM4 fließt, und die
Ausgangsspannung Vout in Zusammenhang mit der Schwankung der Quellenspannung
Vdd schwanken. Wie vorher erwähnt, bewirkt die Schwankung in der Bezugsspannung
verschiedene Nachteile bei der Halbleitervorrichtung. Somit sollte die Schwankung in
der Ausgabe der Bezugsspannungserzeugungsschaltung auf eine geringe Größe
unterdrückt werden.
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Fig. 2 ist ein Graph, der eine Spannungsstromcharakteristik eines herkömmlichen
Transistors zeigt, die in einem Zustand gemessen wurde, bei dem die
Gate-zu-Source-Spannung Vgs auf einen bestimmten Pegel festgestellt ist. In Fig. 2 stellt die Y-Achse einen
Drainstrom Id und die X-Achse eine Source-zu Drain-Spannung Vsd dar. Bei einem
Transistor steigt der Drainstrom Id, wenn die Source-zu Drain-Spannung Vsd mit der
auf einem bestimmten Pegel festgestellten Gate-zu-Source-Spannung Vgs ansteigt.
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Wenn sich eine Kanallänge (Entfernung zwischen der Source und dem Drain) L eines
MOS-Transistors verringert, steigt die Menge eines Anstieges in der Drainspannung Id
an. Dies geschieht, weil der Einfluss der Ausdehnung einer Sperrschicht signifikant
anwächst, wenn die Kanallänge L sich verringert.
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Fig. 3 ist ein Graph, der die Schwankung in dem Drainstrom zeigt, die die Schwankung
in der Quellenspannung für die Bezugsspannungserzeugungsschaltung begleitet. Wenn
ein Ausgangsstrom I&sub2; durch die Transistoren N1 und N2 bestimmt wird, wird die
Source-zu Drain-Spannung Vsd des Transistors P2 bestimmt, der verbunden ist, um als
Diode zu fungieren. Die Gatespannung des Transistors P3 wird auch bestimmt. Wenn
die Quellenspannung Vdd schwankt, steigt die Source-zu Drain-Spannung Vsd des
Transistors P3 an. Wenn die Kanallänge L relativ kurz ist, schwankt in diesem Fall der
Ausgangsstrom signifikant von I&sub2; zu I&sub3;.
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Bei der Bezugsspannungserzeugungsschaltung kann die Schwankung in dem
Ausgangsstrom auf Grund der Schwankung in der Quellenspannung auf eine geringe
Größenordnung durch Erhöhen der Kanallänge L, wie in Fig. 2 gezeigt, unterdrückt werden. Wenn
allerdings die Kanallänge L erhöht wird, muss eine Kanalbreite W entsprechend erhöht
werden, um den Übertragungsleitwert des Transistors unverändert zu erhalten, was ein
Problem darin verursacht, dass der Oberflächenbereich eines Chips sich vergrößert.
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In Anbetracht des vorhergehend Erwähnten, ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Bezugsspannungserzeugungsschaltung zur Verfügung zu stellen, die eine
Ausgangsspannung mit einem hohen Maß an Genauigkeit über einen weiteren Bereich
der Quellenspannung für die Bezugsspannungserzeugungsschaltung erzeugt, ohne dass
es eine Erhöhung des Bereiches der Oberfläche des Chips nach sich zieht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung, wie in Anspruch 1 beansprucht, erreicht; die
abhängigen Ansprüche beziehen sich auf Weiterentwicklungen der Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Bezugsspannungserzeugung zur Verfügung mit:
einem ersten Stromspiegel mit ersten bis dritten Transistoren eines ersten
Leitfähigkeitstyps, wobei die ersten bis dritten Transistoren Sources aufweisen, die miteinander
verbunden sind und eine erste Ausgabeseite, eine Bezugsseite bzw. eine zweite
Ausgabeseite des ersten Stromspiegels bilden; einen zweiten Stromspiegel mit vierten und
fünften Transistoren eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der entgegengesetzt zum ersten
Leitfähigkeitstyp ist, wobei der vierte und der fünfte Transistor eine Bezugsseite bzw.
eine Ausgabeseite des zweiten Stromspiegels bilden und der vierte und der fünfte
Transistor in Reihe mit dem ersten bzw. dem zweiten Transistor geschaltet sind; einer ersten
und zweiten Stromquelle (R1, R2), die in Reihe mit dem zweiten und fünften bzw. mit
dem dritten Transistor geschaltet sind, um einen hier durchfließenden Strom zu
bestimmen; und einem Spannungssteuerblock zum Steuern der Source-zu Drain-Spannung des
ersten und dritten Transistors innerhalb eines vorgegebenen Bereiches.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung steuert der Spannungssteuerblock
die Ausgangsspannung der Bezugsspannungserzeugungsspannung ungeachtet einer
Schwankung in der Quellenspannung für die Spannungserzeugungsschaltung durch
Steuern der Source-zu Drain-Spannung des ersten und dritten Transistors innerhalb des
vorgegebenen Bereiches.
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Die obigen und andere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden von der folgenden Beschreibung unter Bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen ersichtlicher werden.
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Fig. 1 ist ein Schaltungsdiagramm einer herkömmlichen
Bezugsspannungserzeugungsschaltung;
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Fig. 2 ist ein Graph, der den Effekt der Kanallänge L auf die Drainspannung Id gegen
die Source-zu Drain-Spannung Vsd darstellt;
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Fig. 3 ist ein Graph, der die Schwankung in der Drainspannung Id auf Grund der
Schwankung in der Source-zu Drain-Spannung zeigt;
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Fig. 4 ist ein Schaltungsdiagramm einer Bezugsspannungserzeugungsschaltung, die
nützlich zum Verständnis der vorliegenden Erfindung ist;
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Fig. 5 ist ein Graph, der die Spannungsstromcharakteristik der p-Kanal-Transistoren
P2 und P3 einer Stromspiegelschaltung zeigt;
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Fig. 6 ist ein Graph, der die Spannungsstromcharakteristik der Transistoren P5 und P6
einer Source-zu Drain-Spannungssteuerschaltung zeigt;
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Fig. 7 ist ein Schaltungsdiagramm einer Bezugsspannungserzeugungsschaltung, die
nützlich für das Verständnis der vorliegenden Erfindung ist; und
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Fig. 8 ist ein Schaltungsdiagramm einer Bezugsspannungserzeugungsschaltung nach
einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden jetzt im Detail unter Bezug
auf die Zeichnungen beschrieben, wobei ähnliche Bauteile durch ähnliche
Bezugszeichen in allen Zeichnungen bezeichnet werden.
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Unter Bezug auf Fig. 4 enthält eine Bezugsspannungserzeugungsschaltung, die nützlich
für das Verständnis der vorliegenden Erfindung ist, eine erste Stromspiegelschaltung
CM1, eine erste Source-zu Drain-Spannungssteuerschaltung Vsd1, eine zweite Source-
zu Drain-Spannungssteuerschaltung Vsd2 und eine zweite Stromspiegelschaltung CM4.
Die erste Stromspiegelschaltung CM1 enthält einen p-Kanal-Transistor P2, der auf der
Bezugsseite angebracht ist, und p-Kanal-Transistoren P1 und P3, die auf der
Ausgangsseite angebracht sind. Die erste Source-zu Drain-Spannungssteuerschaltung Vsd1 wird
aus p-Kanal-Transistoren P4 bis P6 so gebildet, dass die Gateanschlüsse der
Transistoren P4 bis P6 miteinander verbunden sind und so dass die Drain- und Gateanschlüsse
des Transistors P5 miteinander verbunden sind. Die zweite Source-zu
Drain-Spannungssteuerschaltung Vsd2 wird so aus n-Kanal-Transistoren N3 und N4 gebildet, dass
die Gateanschlüsse der Transistoren N3 und N4 miteinander verbunden sind und so dass
der Drain- und Gateanschluss des Transistor N3 miteinander verbunden sind. Die zweite
Stromspiegelschaltung CM4 enthält einen n-Kanal-Transistor N1, der auf der
Bezugsseite angebracht ist, und einen n-Kanal-Transistor N2, der an der Ausgangsseite
angebracht ist.
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Von einer Spannungsquelle Vdd betrachtet, sind die Transistoren P1, P4, N3 und N1 in
dieser Reihenfolge angeschlossen und bilden dadurch einen ersten Strompfad. Von der
Spannungsquelle Vdd betrachtet, sind die Transistoren P2, P5, N4 und N2 in dieser
Reihenfolge angeschlossen und bilden dadurch einen zweiten Strompfad. Von der
Spannungsquelle Vdd betrachtet, sind die Transistoren P3 und P6 in dieser Reihenfolge
angeschlossen und bilden dadurch einen dritten Strompfad.
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Die Bezugsspannungserzeugungsschaltung enthält ferner eine Diode D1, die zwischen
der Masse und dem Sourceanschluss des Transistors N1 in dem ersten Strompfad
angeschlossen wird; einen Widerstand R1 und eine Diode D2, die in Reihe zwischen der
Masse und dem Sourceanschluss des Transistors N2 in dem ersten Strompfad
angeschlossen sind; und einen Widerstand R2 und eine Diode D3, die in Reihe zwischen der
Masse und dem Drainanschluss des Transistors P6 in dem dritten Strompfad geschaltet
ist. Das Drain des Transistors P6 bildet einen Ausgangsknoten Vout. Die Dioden D2
und D3 werden jeweils aus einer Vielzahl von (N) Dioden gebildet, die dieselben
Konstruktionsmaße wie die Diode D1 haben und zueinander parallel geschaltet sind.
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Der Betrieb der Bezugsspannungserzeugungsschaltung wird als Nächstes unter Bezug
auf die Graphen der Fig. 5 und 6 beschrieben. Die Fig. 5 und 6 zeigen die
Spannungsstromcharakteristiken der p-Kanal-Transistoren, die auf der Bezugs- und Ausgangsseite
angebracht sind. Die in Fig. 5 und 6 auftretenden Ziffern (1) bis (9) bezeichnen die
Abfolge des Betriebes und entsprechen den Gegenständen der folgenden Beschreibung
unten.
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Zuerst wird der Betrieb der Transistoren P2 und P3 beschrieben.
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(1) Auf Grund des Widerstandes R1, der als Stromquelle fungiert, und der Dioden
D1 und D2, die eine Bandlückenspannung zur Verfügung stellen, nimmt der
Strom I&sub2;, wie zuvor in dem Abschnitt des Standes der Technik beschrieben,
einen vorbestimmten Wert ein.
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(2) Da die Gate- und die Drainanschlüsse des Transistors P2 miteinander verbunden
sind, zeigt der Zusammenhang zwischen dem Drainstrom Id und der Source-zu
Drain-Spannung Vsd des Transistors P2 eine Diodencharakteristik.
Dementsprechend wird die Source-zu Drain-Spannung Vsd des Transistors P2 in
Übereinstimmung mit dem Strom I&sub2; bestimmt.
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(3) Die Beziehung zwischen dem Drainstrom Id und der Source-zu Drain-Spannung
Vsd des Transistors P3 zeigt im Wesentlichen eine Konstantstromcharakteristik
solange wie die Gate-zu-Source-Spannung Vsg des Transistors P3 konstant ist.
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(4) Da die entsprechenden Gateanschlüsse des Transistors P2 und P3 miteinander
verbunden sind, ist die Gate-zu-Source-Spannung Vgs des Transistors P3 gleich
der Source-zu Drain-Spannung Vsd des Transistors P2. Das heißt, dass die
Transistoren P2 und P3 an dem Schnittpunkt der zwei Charakteristikkurven von Fig.
5 arbeiten und somit I&sub2; = I&sub3; begründen.
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Als Nächstes wird der Betrieb der Transistoren P5 und P6 beschrieben. Da die
Gate- und die Drainanschlüsse des Transistors P5 miteinander verbunden sind,
ist die Drainspannung des Transistors P5 gleich einem Wert, der durch die
Subtraktion der Summe der Schwellenspannung der Transistoren P2 und P5 von der
Quellenspannung Vdd erhalten wird. Die Sourcespannung des Transistors P6 ist
gleich einem Wert, den man erhält, indem man die Summe der
Schwellenspannungen der Transistoren P2 und P5 von der Quellenspannung Vdd subtrahiert
und zu der sich ergebenden Differenz die Schwellenspannung des Transistors P6
addiert. Die Schwellenspannung des Transistors P5 ist gleich zu der des
Transistors P6. Dementsprechend ist die Sourcespannung des Transistors P6 gleich
einem Wert, den man durch die Subtraktion der Schwellenspannung des
Transistors P2 von der Quellenspannung Vdd erhält, und die Drainspannung des
Transistors P2 wird gleich der des Transistors P3. Wie unter Punkt (4)
beschrieben, ist die Drainspannung I&sub3; des Transistors P3 gleich I&sub2;.
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(5) Da der Transistor P5 in dem zweiten Strompfad, in dem der Transistor P2
angeordnet ist, angeordnet ist, fließt der Strom I&sub2; durch den Transistor P5.
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(6) Da die Gate- und die Drainanschlüsse des Transistors P5 miteinander verbunden
sind, zeigt die Beziehung zwischen dem Drainstrom Id und der Source-zu Drain-
Spannung Vsd des Transistors P5 eine Diodencharakteristik. Wenn der
Drainstrom I&sub2; bestimmt wird, wird dementsprechend die Source-zu
Drain-Spannung Vsd (P5) entsprechend zu der Drainspannung I&sub2; bestimmt.
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(7) Unter der Annahme, dass der Sourceanschluss des Transistors P6 mit einer
Konstantspannungsquelle verbunden wird, zeigt der Transistor P6 wie in dem Fall
des Transistors P3 eine Konstantstromcharakteristik. Insbesondere zeigt die
Gate-zu-Source-Spannung Vgs des Transistors P6 eine charakteristische Kurve,
die der der Source-zu Drain-Spannung Vsd (P5) des Transistors P5 entspricht.
Wenn die Source-zu Drain-Spannung Vsd des Transistors P6 gleich der Source-
zu Drain-Spannung Vsd (P5) des Transistors P5 ist, wird die Drainspannung I&sub3;
des Transistors P6 gleich der der Drainspannung I&sub2;.
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(8) Wenn die Sourcespannung Vdd ansteigt, steigt die Source-zu Drain-Spannung
Vsd des Transistors P6 an, der an der Ausgangsseite der ersten Source-zu Drain-
Spannungssteuerschaltung Vsd1 angeordnet ist, weil eine Spannung, die sich
über dem Widerstand R2 zeigt, im Wesentlichen konstant ist. Dementsprechend
zeigt der Drainstrom I&sub3; des Transistors P6 ein Bestreben, anzusteigen. Wie oben
unter Punkt (4) beschrieben, begrenzt allerdings der Transistor P3 den dadurch
fließenden Strom, was zur Folge hat, dass die Drainspannung des Transistors P3
geringfügig abgesenkt wird.
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(9) Demzufolge sinkt die Gate-zu-Source-Spannung Vsg des Transistors P6; selbst
wenn die Quellenspannung Vdd ansteigt, pendelt sich somit der Drainstrom I&sub3;
des Transistors P6 auf den Strom I&sub2; ein, der durch den Transistor P2 bestimmt
ist.
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In der obigen Beschreibung wurde nur die Beziehung zwischen dem Betrieb der
Transistoren P2 und P3 sowie dem der Transistoren P5 und P6 beschrieben. Wie man
einfach sehen kann, gilt das Gleiche für den p-Kanal-Transistor P1, der an der
Ausgangsseite der Stromspiegelschaltung CM1 angebracht ist, und für den n-Kanal-Transistor
N2, der an der Ausgangsseite der Stromspiegelschaltung CM4 angebracht ist.
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Durch Verwendung der Source-zu Drain-Spannungssteuerschaltung zum Steuern der
Source-zu Drain-Spannung des Transistors, der an der Ausgangsseite der
Stromspiegelschaltungen angebracht ist, werden Schwankungen im Ausgangsstrom unterdrückt.
Insbesondere kann durch Hinzufügen der p-Kanal-Transistoren P4 bis P6 und der n-Kanal-
Transistoren N3 und N4 an eine herkömmliche Bezugsspannungserzeugungsschaltung,
die eine Bandlückenspannung benutzt, die Source-zu Drain-Spannungen Vsd der
Transistoren P1, P3 und N2, die an der Ausgangsseite der Stromspiegelschaltungen
angebracht sind, begrenzt werden. Demzufolge können Spannungsschwankungen, die in den
Lastwiderständen R1 und R2 auftreten, so unterdrückt werden, dass die
Bezugsspannung mit einem hohen Maß an Genauigkeit erzeugt werden kann. Selbst wenn die
verwendeten Transistoren eine relativ kurze Kanallänge L haben, wird die
Ausgangsspannung stabilisiert; somit ist die Stabilisation der Ausgangsspannung mit einer
Verringerung des Chipoberflächenbereichs einer Halbleiterspeicheranordnung vereinbar.
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Unter Bezug auf Fig. 7 ist eine weitere Bezugsspannungserzeugungsschaltung, die
nützlich zum Verständnis der vorliegenden Erfindung ist, ähnlich der ersten Schaltung,
außer dass die Dioden D1 bis D3 weggelassen sind und dass die Ausmaße des
Transistors N2 ein Vielfaches (z. B. vierfach) der Ausmaße des Transistors N1 sind. Unter der
Annahme, dass die Transistoren N1 bis N3 eine Schwellenspannung Vth haben, haben
die Transistoren P1 bis P6 eine Schwellenspannung Vtp und die Ströme I&sub1; bis I&sub3; fließen
durch die entsprechenden ersten bis dritten Strompfade und die Drainspannung des
Transistors N3 wird gleich 2Vtn; dementsprechend wird die Sourcespannung des Transistors
N4 Vtn. Selbst wenn die Quellenspannung Vdd schwankt, nimmt die
Drainspannung des Transistors N2 einen konstanten Wert von Vtn an. Dementsprechend ist die
Source-zu Drain-Spannung Vsd des Transistors N2 konstant; selbst wenn die
Quellenspannung Vdd schwankt, ist somit der Drainstrom I&sub2; des Transistors N2 konstant. Die
Bezugsspannungserzeugungsschaltung der vorliegenden Erfindung kann daher
Schwankungen im Bezugsstrom I&sub2; unterdrücken, die sonst Schwankungen in der
Quellenspannung begleiten würden.
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In dem Fall der Transistoren P1 und P3 des Stromspiegels CM1 kann ähnlich die
Source-zu Drain-Spannung Vsd auf die Schwellenspannung Vtp eines
p-Kanal-Transistors begrenzt werden. Die Drainspannung des Transistors P1 ist gleich der des
Transistors P3 und sie ist gleich einem Wert, der durch die Subtraktion der
Schwellenspannung Vtp eines p-Kanal-Transistors von der Quellenspannung Vdd erhalten wird.
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Selbst wenn die Quellenspannung Vdd schwankt, wird dementsprechend die Source-zu
Drain-Spannung Vsd jeder der Transistoren P1 und P3 im Wesentlichen auf einen
konstanten Pegel festgestellt. Das heißt, dass die Ausgangsspannung Vout konstant
gehalten werden kann.
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Unter Bezug auf Fig. 8, enthält eine Bezugsspannungserzeugungsschaltung nach einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen
Bezugsspannungserzeugungsbereich 52, der auf eine Weise aufgebaut ist, die ähnlich zu der der herkömmlichen
Bezugsspannungserzeugungsschaltung von Fig. 1 ist, und einen Spannungsbegrenzer 51,
der auf der Quellenspannungsseite des Bezugsspannungserzeugungsbereiches 52
bereitgestellt wird.
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Fig. 3 zeigt Schwankungen in dem Drainstrom, die Schwankungen in der
Quellenspannung Vdd1 für den Bezugsspannungserzeugungsbereich 52 begleiten. Wenn ein
Ausgangsstrom I&sub2; durch die Transistoren N1 und N2 bestimmt wird, wird die Source-zu
Drain-Spannung Vsd des Transistors P2 bestimmt, der angeschlossen ist, um als eine
Diode zu fungieren. Die Gatespannung des Transistors P3 wird auch bestimmt. Wenn
die Quellenspannung Vdd1 schwankt, steigt die Source-zu Drain-Spannung Vsd des
Transistors P3 an. Wenn die Kanallänge L relativ kurz ist, schwankt in diesem Fall der
Ausgangsstrom signifikant von I&sub2; bis I&sub3;.
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Der Spannungsbegrenzer 51 enthält einen Widerstand R23, n-Kanal-Transistoren N23,
N24 und N25 und einen p-Kanal-Transistor P27. Die Transistoren N23, P27 und N25
sind jeweils angeschlossen, um als eine Diode zu fungieren. Zwischen der
Spannungsquelle Vdd und der Masse sind der Widerstand R23 und die Transistoren N23, P27 und
N25 in dieser Reihenfolge angeschlossen. Der Widerstand R23 wird angepasst, um
einen vorbestimmten Strom durch die Transistoren N23, P27 und N25 fließen zu lassen.
Jeder der Transistoren N23, P27 und N25 ist so angeschlossen, dass deren Gate- und
Drainanschlüsse aneinander angeschlossen sind. Da die Schwellenspannung Vtp plus
einer Vtn äquivalenten Spannung zwischen den Source- und Drainanschlüssen jedes der
Transistoren N23, P27 und N25 eingebaut ist, nimmt die Drainspannung des Transistors
N23 (Vtp + 2 · Vtn) an. Der Transistor N24 implementiert eine Sourcefolgeschaltung.
Die Sourcespannung des Transistors N24 ist gleich einem Wert, den man durch die
Subtraktion der Schwellenspannung Vtn von der Gatespannung des Transistors N24
erhält. Dementsprechend nimmt die Sourcespannung des Transistors N24 (Vtp + Vtn)
an; z. B. ungefähr 2 V. Der Drainanschluss des Transistors N24 wird an die
Quellenspannungsleitung Vdd1 des Bezugsspannungserzeugungsbereichs 52 angeschlossen.
Der Transistor N23 wird angepasst, um einen Spannungsabfall des Transistors N24 zu
kompensieren. Wenn eine genügend hohe Spannung nur durch Gebrauch der
Transistoren P27 und N25 erhalten wird oder wenn der verwendete Transistor N24 eine relativ
niedrige Schwellenspannung hat, kann ersatzweise der Transistor N23 weggelassen
werden.
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Nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Spannungsbegrenzer 51
angepasst, um eine Sourcespannung für die p-Kanal-Transistoren P1 bis P3 der ersten
Stromspiegelschaltung CM1 zu begrenzen, die den Bezugsspannungserzeugungsbereich
52 bilden, und damit die Source-zu Drain-Spannung Vsd jedes der Transistoren P1 bis
P3 auf einen vorbestimmten Bereich zu begrenzen.
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Wie oben beschrieben, wird der Quellenspannungseingang an die p-Kanal-Transistoren
P1 bis P3 des Bezugsspannungserzeugungsbereichs 52 auf einen konstanten Pegel durch
Spannungsbegrenzung gehalten, und dadurch eine Spannung mit einem hohen Grad an
Genauigkeit über einen großen Bereich der Quellenspannung für die
Bezugsspannungserzeugungsschaltung ausgegeben; selbst wenn z. B. sich die Quellenspannung Vdd von
2,0 bis 5,0 V erstreckt. Eine Vergrößerung der Chipgröße der
Bezugsspannungserzeugungsschaltung ist nicht erforderlich.
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Das vorliegende Ausführungsbeispiel erfordert einen zusätzlichen Bereich, in dem der
Spannungsbegrenzer 51 gebildet wird. Da allerdings die Fläche, die durch das MOSFET
belegt wird, im Verhältnis zum Quadrat der Kanallänge L abnimmt, kann die Fläche,
die durch die Spannungserzeugungsschaltung belegt wird, durch Verringerung der
Kanallänge L selbst dann verringert werden, wenn der Spannungsbegrenzer 51 zusätzlich
gebildet wird. Durch Verringern der Kanallänge L eines MOSFET von 100 um auf 20
um verringert sich dann z. B. die Fläche, die von dem MOSFET belegt wird, um einen
Faktor 25, und somit verringet sich die Fläche, die durch die
Bezugsspannungserzeugungsschaltung belegt wird.