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JP2009071792A - 集積回路装置の短絡電荷共有技術 - Google Patents

集積回路装置の短絡電荷共有技術 Download PDF

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Abstract

【課題】望ましい動作電圧レベルを得るべく制御される簡単な短絡トランジスタにより、2つまたはそれ以上の回路間における電荷共有を実現する。
【解決手段】短絡トランジスタはPチャネル金属酸化膜半導体(PMOS)デバイスまたはNチャネル金属酸化膜半導体(NMOS)デバイスのいずれかであり、電荷共有が起きる間での信号の起動を可能にする同じクロックを利用して制御されることができる。動作中、望ましい動作電圧レベルは、短絡トランジスタのゲートへの制御回路出力のパルス幅を増減することにより調整できる。
【選択図】図3

Description

関連出願
本発明は、2007年1月22日に出願された米国特許出願公開番号第11/625、728号「異なる選択信号値の信号生成を可能にする集積回路装置のスイッチキャパシタ電荷共有技術」、および、2007年9月12日に出願された米国特許出願公開番号第11/854、422号「集積回路装置のデータバス電荷共有技術」の内容に関連し、それらの開示すべてを特に参照としてここに組み込む。
本発明は、概ね動作電力を節約する必要がある集積回路(IC)装置の分野に関する。
より詳しくは、本発明は、集積回路装置の動作電力を節約する効果をもたらす短絡電荷共有技術に関する。
今日の集積回路装置にとって、電力消費は最も大きな懸念の1つになっている。
電荷共有、または、電荷リサイクルは、多くのICプロダクトに関する電力を低下させるべく業界で探求されている回路設計技術である。電荷共有に対する従来のアプローチでは、電源とグラウンドとの間に2つの直列回路ブロックを配置している。そして、回路はそれぞれ、総電力供給レベルのほぼ半分で動作し、一方の回路で消費される電流は、他方の回路で消費される電流とほぼ同じである。
動作中、この一方の回路により使用される電流は、もう一方の回路によりリサイクルされ、再使用される。この技術の例は、IEEEジャーナル ソリッドステートサーキット、41巻、No.6(2006年6月)1401ページ、Rajapadian他による「電荷リサイクルによる高電圧源の供給」の図1に示されている。
この従来のアプローチは、上述の記事の図2でも示されるような3つ以上の回路にも実行されることができ、3つの類似した回路が直列に配置されているとき、異なる供給ノードは3VDD、2VDD、および、VDDとされる。このアプローチには、少なくとも2つの制限があり、その1つは、電流ITOPがIBOTTOMと同様でないところに対し、2つの回路ブロックがバランスをとることができない、ということである。結果として、各回路がアクティブになる時間量に応じて、これらの内部電源ノードのずれ、および、それらのレベル移動を生じる。これは、レギュレータやホールド回路によって克服できるが、電荷共有動作の効率は、この電流アンバランスによりたちまち低下する。
この技術の他の制限は、供給電圧の等しい部分以外の何かが回路ブロックのための供給電圧に要求されるときに存在する。これは、1つの回路ブロックのより低い、または、基準電圧がもう1つの回路ブロックの供給電圧になることを要求されていないときに起こり得る。
本発明の短絡電荷共有技術は、望ましい動作電圧レベルを得るべく制御される簡単な短絡トランジスタにより、2つまたはそれ以上の回路間における電荷共有を実現する。短絡トランジスタは、Pチャネル金属酸化膜半導体(PMOS)デバイスまたはNチャネル金属酸化膜半導体(NMOS)デバイスのいずれかでありえ、電荷共有が起きる間での信号の起動を可能にする同じクロックを利用して制御されることができる。
例えば、メモリアレイを組み込むICにおいて、読み取りパイプラインステージ経路内の二組の読み取りデータラインが互いに電荷共有されていると、第1および第2の組の読み取りデータラインを計時するのに用いられる読み取りクロック(一般にRCLKと呼ばれる)は、電荷共有短絡デバイスのゲート電圧を生成すべく用いられることもできる。これにより、電荷共有回路を簡単に有効および無効にすることができる。また、同じクロック信号を用いるか、あるいは、電荷共有される信号ラインを起動するのと同じクロック周波数の信号を用いることにより、必要な電荷量と共有される電荷量との間に自動追跡が生じる。
特に本願明細書中に開示されるのは、第1および第2の信号ライン間における電荷共有技術であって、第1の決められた電圧レベルを超えて上昇する第1の信号ラインにおける電圧レベルを感知することと、感知された電圧レベルを第1の決められた電圧レベルに低下させるべく、第1の信号ラインを第2の信号ラインに第1の期間結合すること、あるいは、第1の決められた電圧レベルを下回り低下する第1の信号ラインにおける電圧レベルを感知することと、感知された電圧レベルを第1の決められた電圧レベルに上昇させるべく、第1の信号ラインを第2の信号ラインに第1の期間より短い第2の期間結合することと、を含む。
本願明細書中に開示される特定の実施形態では、技術は、さらに、第2の決められた電圧レベルを超えて上昇する前記第2の信号ラインにおける電圧レベルを感知することと、感知された電圧レベルを第2の決められた電圧レベルに低下させるべく、第2の信号ラインを第1の信号ラインに第3の期間結合すること、さらにあるいは、第1の決められた電圧レベルを下回り低下する第2の信号ラインにおける電圧レベルを感知することと、感知された電圧レベルを第2の決められた電圧レベルに上昇させるべく、第2の信号ラインを第1の信号ラインに第3の期間より長い第4の期間さらに結合することと、を含む。
また、本願明細書中に特に開示されるのは、第1および第2の信号ライン間において電荷共有する回路であって、クロック入力信号を受信し、かつ、ゲート信号出力を提供する制御回路と、第1および第2の信号ライン間に接続され、制御回路のゲート信号出力を受信するよう結合される制御端末を有するスイッチングデバイスと、を含む。特定の実施形態においては、ゲート信号の持続時間は、第1の信号ラインにおける感知された電圧レベルを低下させ、第2の信号ラインにおける感知された電圧レベルを上昇させるか、または、第1の信号ラインにおける感知された電圧を減少させ、第2の信号ラインにおける感知された電圧レベルを低下させるよう効果的に増大される。
図1Aを参照すると、本発明の短絡電荷共有技術の典型的な回路100の実施の機能ブロック図が示されている。回路100は、図に示される典型的な実施では、実質的に0.9X VCCと等しい電圧レベルV1と、実質的に0.1X VCCと等しい電圧レベルV2とを受信する。
V1およびV2電圧レベルは、制御回路102への入力としてライン106および108に供給される。
制御回路102の典型的な実施は、以下に十分に説明される。
制御回路102は、ライン104のクロック(CLK)信号入力を受信し、ライン106および108間に接続されるトランジスタ110の制御端末にゲート信号を提供するよう動作可能である。
例示される本発明の技術に従う回路100の典型的な実施形態では、トランジスタ110は、Nチャネルデバイスとして示される。
トランジスタ112は、本例示的実施形態ではPチャネルデバイスとして示され、トランジスタ110と並列接続されることにより、そのゲート端子で/PWRUP信号を受信する。
動作中、トランジスタ110のゲートが常に「オン」の場合、信号ライン106および108における容量が同様であれば、(従来のアプローチにおいて先に述べた様に)V1およびV2は等しく、VCC/2に近くなる。
要求されるのは、信号ライン106および108におけるぶれの小ささと、2つのノードV1およびV2間における電荷共有方法である。
制御回路102形式の幅調整可能なワンショットジェネレータを用いることにより、V1およびV2のレベルをより小さくして制御できる。
次に、図1Bを参照すると、供給電圧(VCC)、クロック(CLK)、および、パワーアップバー(/PWRUP)信号間の相互関係を示す、前図の回路に伴い示される一組の波形である。
動作中、/PWRUP信号は要求どおりオンチップで生成されるかまたはオフチップで供給でき、VCCが特定のレベルに安定するまでは「ロー」のままであり、クロックは、適切な周波数で動作するよう起動される必要がある。
また、図2を参照すると、本発明の短絡電荷共有技術の典型的な回路200の実現の他の機能ブロック図が示される。回路200は、関連部分において一対の電圧レギュレータ202および204を含む。電圧レギュレータ202は、入力として、供給電圧レベル(VCC)、基準電圧レベル(VSS)、および、例示的実施形態では0.9X VCCと等しく示される電圧レベルV1を受信する。
同様に、電圧レギュレータ204も入力としてVCC、VSS、および、例示的実施形態では0.1X VCCと等しく示される電圧レベルV2を受信する。
電圧レギュレータ202および204のV1およびV2出力は、それぞれ、制御回路206への入力としてライン210および212において供給される。制御回路206は、以下により十分に説明される。制御回路206は、また、ライン214におけるクロック(CLK)信号入力を受信し、ライン210および212間に接続されるトランジスタ208の制御端末にゲート信号を供給するよう動作可能である。例示される本発明の技術に従う回路200の典型的な実施形態では、トランジスタ208は、Nチャネルデバイスとして示される。
動作中、電圧レギュレータ202および204は、電荷の使用がアンバランスな期間、および、リーク電流がV1およびV2電圧レベルを変えるときの「非アクティブ」または「スタンバイ」の期間にV1およびV2のレベルを保持するよう機能する。トランジスタ208のゲートが常にオンである場合、信号ライン210および212における容量が同様であれば、V1およびV2は、(先に述べた従来のアプローチにおけるように)等しく、VCC/2に近くなる。要求されるのは、信号ライン210および212におけるぶれの小ささと、2つのノードV1およびV2間での電荷共有方法である。制御回路206の形式での幅調整可能なワンショットジェネレータを用いることにより、V1およびV2のレベルをより小さくして制御できる。
電荷をより多くリサイクルすべく、電圧レギュレータ202および204におけるV1およびV2の調整レベルは、制御回路206のレベルより緩く設定されてよい。電圧レギュレータ202および204は、CLK信号が動作していないか、あるいは、非常に遅く動作している可能性のある場合、電源投入状態、または、アイドルタイム(例えば電源オフまたはセルフリフレッシュモード)の間にV1およびV2を適切なレベルに保持するよう設定されてよい。
次に、図3を参照すると、前図の制御回路206(および図1Aの制御回路102)のより詳細な概略図が示され、ここでは、回路300とされる。回路300は、Pチャネルトランジスタ306およびNチャネルトランジスタ308の共通結合ゲート端子用の直列結合インバータ302および304を介し反転されるライン114のCLK信号を受信する。
トランジスタ306および308は、VCCと回路接地点(VSS)との間で比較的大きいNチャネルトランジスタ310と直列に接続される。トランジスタ306および308の共通の接続ドレイン端子は、他の対の直列結合インバータ314および316への入力を定義し、その出力は、1つの入力として二入力NANDゲート318に供給される。ライン214におけるCLK信号は、他の入力をNANDゲート318に提供する。NANDゲート318の出力は、トランジスタ208(図2)の制御端末にNGATE信号を供給するよう、インバータ320を介し反転される。
制御回路300は、対のコンパレータ322および324をさらに備える。コンパレータ322は、電圧レベルV1および0.9X VCCをその入力で受信し、N1として示される出力信号を生成する。同様に、コンパレータ324は、電圧レベルV2および0.1X VCCをその入力で受信し、N2として示される出力信号を生成する。直列接続抵抗330、332および334(例えば、それぞれ代表値1R、8R、1Rを有する)を含む抵抗/ディバイダ回路、または、同様の、周知の基準電圧設定技術を用いて回路300内の0.9X VCCおよび0.1X VCCレベルを生成することができる。
N1およびN2信号は、インバータ328の入力と同様に、その出力がラインNRW(狭い)におけるトランジスタ310のゲート端子に供給される二入力NORゲート326に入力として提供される。インバータ328の出力は、比較的大きいトランジスタ310と並列接続される比較的小さいNチャネルトランジスタ312のゲート端子に供給される。インバータ328の出力は、トランジスタ312へのWIDEライン入力を定義する。
本発明の短絡電荷共有技術は、例えば、メモリアレイを組み込む集積回路装置において有利に利用されることができ、二組の内部差動読み取りラインが二段にパイプライン化されており、VCCおよび0.9X VCC(例えばVCCおよびVCC−100mV)とその他との間の1つの動作は、0.1X VCCとVSS(例えば100mVとグラウンド)との間で生じる。この特定の用途では、ライン214上のCLK信号は、読み取りサイクル間を切り替えるメモリアレイ読み取りクロック(RCLK)であってよく、比較的小さいトランジスタ312および比較的大きいトランジスタ310(例えばそれぞれ対応する小さいチャネルおよび大きいチャネル幅を有する)は、信号WIDEおよびNRWによりそれぞれ制御される。WIDEおよびNRW信号は、コンパレータ322および324により生成される。
動作中、電圧レベルV1およびV2は、制御回路300の出力信号NGATEのパルス幅を増減することにより調整される。制御回路300は、内部クロック信号の立上りエッジから始動されるワンショットジェネレータとして効果的に機能する。V1およびV2のレベルは、コンパレータ322および324と、短絡トランジスタ(図1Aのトランジスタ110または図2の208)は、より長い期間またはより短い期間アクティブのままである必要があるかどうかを決定する論理ゲートとへの入力として使用される。
V1の電圧レベルがVCCに対するその目標レベルをあまりにも超えてずれる場合、コンパレータ322および324は、V1(図1Aのライン106、または、図2のライン210)と、V2(図1Aのライン108、図2のライン212)とを一緒に短絡させることによりV1を引き下げるにはもっと時間が必要であることを感知する。この場合、インバータ320の出力における信号NGATEのパルス幅は、ワンショットジェネレータにおけるインバータチェーンの中心のインバータ内の比較的弱く小さいトランジスタ312を用いることにより、広くなる。さらに、V1がその目標レベルより下に大きくずれると、コンパレータ322および324は、これも検出し、インバータチェーンの中心のインバータにおける大きいトランジスタ310をオンにし、その結果、NGATEパルス幅は狭くなり、V1がV2に短絡される時間が少なくなる同じモニタリングをV2にも行ってNGATEパルス幅を制御する。
さらに、図4を参照すると、図2および3の回路に伴う一組の波形が示され、さらに、それぞれの電圧レベルV1およびV2、クロック信号(CLK)、および、結果として生じたパルス幅が変調されたNGATE信号に関するそれらの動作が示される。NGATE信号のパルス幅は、比較的広くまたは狭く説明されかつ例示されているが、連続する異なるパルス幅を提供するよう設定されてよい。
図に示される典型的な実施形態では、電圧レベルV1およびV2は、図に示すようなVCCの比率(例えば0.9xVCCと0.1xVCC)か、または、900mVおよび100mVなどの絶対レベルとなり得る。
次に、図5を参照すると、本発明の技術のより一般的な回路500の実施のハイレベル機能ブロック図が示される。例示される回路500は、本発明の短絡電荷共有技術の基本原理を理解するのに役立つ。
基本的に、回路500は、図3の制御回路300と同様に実行され得る制御回路502を含む。制御回路502は、ライン508における入力CLK信号に応答し、トランジスタ(ほんの一例だがNチャネルトランジスタ)510の制御端末にゲート信号を提供する。トランジスタ510は、図に示すようにV1ライン504とV2ライン506との間に接続される。また、図に示すように、望ましい回路(回路A512として示される)は、VCCとV1ライン504との間に接続されてよく、その一方で、他の回路(回路B514として示される)は、VSSとV2ライン506との間に接続され得る。
本発明の短絡電荷共有技術は、異なる「真」および「補足」信号などの信号と共に有利に用いられることができる。また、2つまたはそれ以上のステージパイプライン設計と共に用いられることもできるので、第1の組の信号が「アクティブ」になると、第2の組の信号も「アクティブ」になるか、または、少なくとも1クロックサイクル後に「アクティブ」になる。
以上、特定の回路実現に関連して本発明の原理を述べたが、前述の説明は、例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではないことは、言うまでもない。特に、前述の開示からの教示が他の変形例も示唆するものであることは、当業者であれば理解できるであろう。このような変形例は、それ自体すでに知られており、本願明細書にすでに記載された特徴の代わりに、または追加して使用できる他の特徴を含んでよい。本出願において、請求項は、特定の特徴の組み合わせに対し明確に構成されているが、本願明細書中における開示の範囲は、いずれの請求項に目下記載されているような同じ発明に関連しようとしまいと、また、本発明が直面するようないかなる、または、すべての技術的問題を軽減しようがしまいが、当業者にとって明らかであろう明確または暗に開示されるいかなる新規な特徴、あるいは、いかなる新規な特徴の組み合わせ、あるいは、そのいかなる一般化または変更も含むと理解されなければならない。出願人は、本出願またはそこから導かれるさらなる出願の手続きの間、このような特徴および/またはこのような特徴の組み合わせに対する新規の請求項を構成する権利をここに保有する。
本願明細書中に使用される用語「含む」「備える」またはそのバリエーションは、特定の要素の詳述を含むプロセス、方法、物品、または、装置などが、必ずしもそれらの要素だけを含むのでなく、明確に列挙されていない、または、そのようなプロセス、方法、物品または装置に本来備わっている他の要素を含み得るよう、非排他的な包含を意図する。本出願におけるいかなる記載も任意の特定の要素、ステップまたは機能が請求項の範囲に含まれるべき必須要素であり、特許される内容の範囲は、許可された請求項によってのみ定義されることを意味すると解釈されるべきでない。さらに、添付の請求項は、「〜のための手段」という明確な言い回しが用いられ、その後に分詞が続くのでない限り、米国特許法第112条第6段落の適用は受けないものと意図される。
本発明の上記および他の特徴、目的、およびそれらを得る方法は、添付の図面と共に以下の好適な実施形態の説明を参照することにより明らかになり、本発明自体がより理解されるであろう。
本発明の短絡電荷共有技術の典型的な回路実現の機能ブロック図である。 供給電圧(VCC)、クロック(CLK)、および、パワーアップバー(/PWRUP)信号間の相互関係を示す、前図の回路に伴う一組の波形である。 本発明の短絡電荷共有技術の典型的な回路実現の他の機能ブロック図である。 前図1Aおよび2の制御回路のより詳しい概略図である。 図2および3の回路動作に伴い示される一組の波形である。 本発明の技術のより一般的な実施のハイレベル機能ブロック図である。

Claims (19)

  1. 第1および第2の信号ライン間における電荷共有技術であって、
    一の第1の決められた電圧レベルを超えて上昇する前記第1の信号ラインにおける一の電圧レベルを感知することと、
    前記感知された電圧レベルを前記第1の決められた電圧レベルに低下させるべく、前記第1の信号ラインを前記第2の信号ラインに一の第1の期間結合すること、
    あるいは、前記第1の決められた電圧レベルを下回り低下する前記第1の信号ラインにおける前記電圧レベルを感知することと、
    前記感知された電圧レベルを前記第1の決められた電圧レベルに上昇させるべく、前記第1の信号ラインを前記第2の信号ラインに前記第1の期間より短い一の第2の期間結合することと、
    を含む、技術。
  2. 前記第1の決められた電圧レベルは、一の供給電圧レベルの一部分である、請求項1に記載の技術。
  3. 前記感知することおよびもう一つの感知することとは、
    前記第1の決定された電圧レベルと一の供給電圧レベルとを比較することにより実行される、請求項1に記載の技術。
  4. 一の第2の決められた電圧レベルを超えて上昇する前記第2の信号ラインにおける一の電圧レベルを感知することと、
    前記感知された電圧レベルを前記第2の決められた電圧レベルに低下させるべく、前記第2の信号ラインを前記第1の信号ラインに一の第3の期間結合すること、
    さらにあるいは、前記第1の決められた電圧レベルを下回り低下する前記第2の信号ラインにおける前記電圧レベルを感知することと、
    前記感知された電圧レベルを前記第2の決められた電圧レベルに上昇させるべく、前記第2の信号ラインを前記第1の信号ラインに前記第3の期間より長い一の第4の期間結合することと、
    をさらに含む、請求項1に記載の技術。
  5. 前記第2の決定された電圧レベルは、一の供給電圧レベルの一部分である、請求項4に記載の技術。
  6. 前記感知することおよびさらなるもう1つの感知することは、
    前記第2の決定された電圧レベルと一の供給電圧レベルとをさらに比較することにより実行される、請求項4に記載の技術。
  7. 第1および第2の信号ライン間において電荷共有する回路であって、
    一のクロック入力信号を受信し、かつ、一のゲート信号出力を提供する一の制御回路と、
    前記第1および第2の信号ライン間に接続され、前記制御回路の前記ゲート信号出力を受信するよう結合される一の制御端末を有する一のスイッチングデバイスと、
    を含む回路。
  8. 前記ゲート信号は、前記クロック入力信号の一の遷移において起動される、請求項7に記載の回路。
  9. 前記ゲート信号は、パルス幅が変調されている、請求項7に記載の回路。
  10. 前記第1の信号ラインにおける一の感知された電圧レベルを下げるよう、また、前記第2の信号ラインにおける一の感知された電圧レベルを上げるよう、前記ゲート信号の一の持続時間が増大される、請求項9に記載の回路。
  11. 前記第1の信号ラインにおける一の感知された電圧を上げるよう、また、前記第2の信号ラインにおける一の感知された電圧レベルを下げるよう、前記ゲート信号の一の持続時間が縮小される、請求項9に記載の回路。
  12. 前記スイッチングデバイスは、一のトランジスタを含む、請求項7に記載の回路。
  13. 前記トランジスタは、一のNチャネルトランジスタを含む、請求項12に記載の回路。
  14. 前記クロック入力信号は、一の読み取りクロック信号を含む、請求項7に記載の回路。
  15. 前記制御回路は、
    前記第1の信号ラインにおける一の電圧レベルと一の決められた第1の電圧レベルとを比較する一の第1のコンパレータを含む、請求項7に記載の回路。
  16. 前記制御回路は、
    前記第2の信号ラインにおける一の電圧レベルと、一の決められた第2の電圧レベルとを比較する一の第2のコンパレータをさらに含む、請求項15に記載の回路。
  17. 前記制御回路は、前記第1の信号ラインにおける前記電圧レベルが前記決められた第1の電圧レベルを超えて上昇すると、前記ゲート信号の一の持続期間を増大し、前記第1の信号ラインの前記電圧レベルが前記決められた第1の電圧レベルを下回り低下すると、前記ゲート信号の一の持続時間を縮小するよう動作する、請求項15に記載の回路。
  18. 前記制御回路は、前記第2の信号ラインにおける前記電圧レベルが前記決められた第2の電圧レベルを超えて上昇すると、前記ゲート信号の一の持続期間を縮小し、前記第2の信号ラインの前記電圧レベルが前記決められた第2の電圧レベルを下回り低下すると、前記ゲート信号の一の持続時間を増大するよう動作する、請求項16に記載の回路。
  19. 前記制御回路は、
    一の比較的小さいチャネル幅を有する一の第1のトランジスタと、
    一の比較的大きいチャネル幅を有する一の第2のトランジスタと、
    を含み、
    前記第1のトランジスタは、前記ゲート信号の一の幅を増大させるよう動作し、前記第2のトランジスタは、前記ゲート信号の一の幅を縮小させるよう動作する、請求項16に記載の回路。
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