JP5102413B2

JP5102413B2 - 第１の電源電圧から第２の電源電圧を生成する装置、基準電圧発生器、ならびに、所望の電圧を生成するための方法および装置

Info

Publication number: JP5102413B2
Application number: JP2000211185A
Authority: JP
Inventors: キム・シィ・ハーディー
Original assignee: ユナイテッド・マイクロエレクトロニクス・コーポレイション
Priority date: 2000-07-12
Filing date: 2000-07-12
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2020-07-12
Also published as: JP2002032991A

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は一般に、集積回路に関し、より特定的には、外部電源電圧から内部電源電圧を生成する電圧発生器回路を有する集積回路に関する。
【０００２】
【発明の背景】
集積回路は、任意のチップ面積に対してより優れた機能性を提供すべく、ますます小型化されかつますます高密度に配された素子で製造されており、また、より高速な集積回路（すなわち、より少ない時間で特定された機能性を提供する回路）が求められている。このような傾向に伴って、集積回路に電力を供給する電源に対しても厳しい要求が生まれている。素子間の間隙が小さいより小型の素子においては、素子の損傷を防ぐためにかつ、素子間で十分に絶縁されるように、より低い電源電圧が求められている。
【０００３】
典型的な集積回路は、たとえば５．０ボルトまたは３．３ボルトといった外部電源電圧（ＶＣＣ）に結合されている。ただし他の電圧も使用され得る。オンチップ回路はＶＣＣを使用して、内部回路によって使用するためのより高い電圧およびより低い電圧を生成する。たとえば、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）回路はしばしば、外部から供給されたＶＣＣよりも高い少なくとも１つの内部電圧を必要とする。ＤＲＡＭ素子は、論理信号を電圧としてキャパシタ上に記憶する。キャパシタは、読出および書込中にアクセストランジスタによってアクセスされる。複数のアクセストランジスタのゲートがワード線に結合されている。キャパシタが外部電源電圧レベルで論理信号を記憶している場合、アクセストランジスタをオンにするには、そのアクセストランジスタのゲートを、外部電源電圧よりも高い少なくとも１つのしきい値電圧の電圧に駆動せねばならない。このため、外部から供給される電源電圧よりも高い内部電圧を生成する電圧生成回路の存在が必要となる。
【０００４】
このような問題の典型的な解決例として、集積回路上に電圧シフト回路を設けて、外部から供給された電圧から内部電圧供給レベル（すなわち集積回路上で利用可能な電圧電源）を生成するものがある。この一例として、ＤＲＡＭ内のたとえばワード線に電力供給するために、外部から供給された電圧からより高い電圧を生成するオンチップ回路がある。これを達成する方法の１つは、チャージポンプと、調整器回路と、フィルタキャパシタとを利用して、外部電源電圧ＶＣＣよりも高い内部供給電圧を生成するものである。このようなより高い電圧はＶＣＣＰと称される。
【０００５】
典型的なポンプ回路は、調整器の信号に応答してオンおよびオフになる。比較器は、入力を受取って、ポンプされた供給電圧ＶＣＣＰを基準電圧と比較する。ＶＣＣＰを調整する方法としては、ＶＣＣに対するＶＣＣＰの比を比較して、ＶＣＣＰがＶＣＣにある定数を乗じたものとなるようにする方法がある。たとえば、比較器の基準電圧をＶＣＣに設定し、かつ２／３ＶＣＣＰに匹敵するようにすることにより、チャージポンプ比較器は、ＶＣＣＰがすべての条件下でＶＣＣの１５０％となるように調整する。
【０００６】
この方法の問題の１つは、ＶＣＣの大きさが種々の動作条件によって大幅に変化し得ることである。たとえば素子のバーンイン中に、ＶＣＣが増大して機構の故障を加速することがある。ＶＣＣのこのような増加は、ＶＣＣＰの生成によって倍加され、許容できないほど高いＶＣＣＰレベルをもたらすおそれがある。このような高いＶＣＣＰレベルは、様々な故障モード、なかでも、信頼性の問題、永久的なしきい値電圧のシフト、および、ゲート酸化物破壊等の問題を引起こしかねない。
【０００７】
別の方法は、ＶＣＣＰをＶＣＣよりも一定電圧だけ高い電圧に調整するものである（すなわち、ＶＣＣに一定量を乗じるのではなく、ＶＣＣに一定量を加える）。たとえば、ＶＣＣＰは、典型的なゲートアクセストランジスタにかかるしきい値電圧降下をＶＴＮとして、ＶＣＣ＋ＶＴＮに等しく設定することができる。これによれば、高温における上述のような乗算の影響は防がれるが、ＶＣＣＰは幾分予測不可能となる。なぜなら、ゲートアクセストランジスタのしきい値電圧は、チャネルのドーピング、ゲート酸化物の厚さ、チャネル長さおよび温度等の多くのパラメータに依存するためである。ＶＴＮもまた、ソース−ボディ間のバイアスに依存する。
【０００８】
このため、予測可能であって、しかも、予期される動作条件の範囲にわたって過度の電圧を生成する危険を伴わない、特にチャージポンプ回路内で使用するための、基準電圧シフタが求められる。
【０００９】
【発明の概要】
本発明は、電源電圧よりも予め選択された量だけ低い基準電圧を生成するための基準電圧発生器に関する。基準電圧源は、接地電位よりもＶＲＥＦだけ大きい、第１の基準電圧を生成する。第１の負荷素子は接地ノードに結合され、第１の負荷素子内を流れる電流の大きさによって決定される内部基準信号を生成する。差動増幅器は、第１および第２の入力上の信号間の差によって決定される信号を生成する。電流調整スイッチは、差動増幅器の出力に結合された制御ノードを有し、第１の負荷素子を通じる電流を決定するよう結合される。第１の負荷素子に直列に結合されかつ電源ノードに結合された第２の負荷素子は、該第２の負荷素子が第２の基準電圧を生成するように選択されたインピーダンスを有する。
【００１０】
別の局面において、本発明は、供給された電圧から所望の電圧を生成するための方法に関する。基準電圧は基準ノード上に生成され、供給電圧は供給ノード上に生成される。基準電圧およびフィードバック信号が差動的に増幅されて、差動増幅された信号が生成される。第１の負荷素子を通じる電流は、フィードバック信号を生成するよう調整される。この調整された電流は第２の負荷素子を通じて供給ノードに結合され、差動増幅された信号によって変調されて、第２の負荷素子にかかる電圧降下が基準電圧によって決定される。
【００１１】
【好ましい実施例の詳細な説明】
多くの回路には、接地（またはシステムコモン）よりもわかっている電圧（ＶＲＥＦ）だけ大きい基準電圧を生成するよう、基準電圧発生器が含まれている。ここで使用される「接地」という語は、アース接地と同じであるかまたは同じでない、システムコモンの電圧電位を意味する。概して、本発明は、（実施例においてＶＲＥＦと示される）利用可能な基準電圧を使用して、（ここに示す特定的な実施例においてはＶＣＯＭＰと称される基準電圧等の）１または複数の他の基準電圧を生成するための、システム、方法および回路に関する。ここで、該１または複数の他の基準電圧は、電源電圧等の別の電圧よりもＶＲＥＦだけ小さい電圧である。本発明に従えば、生成されたＶＲＥＦが供給電圧から実質的に減じられて、第２の基準電圧ＶＣＯＭＰが生成される。
【００１２】
本発明は特に、好ましい実施例において説明されるチャージポンプ調整器回路において有益である。しかし、本発明は、ある基準電圧から別の基準電圧を生成するための一般用途の手段として、多数の回路において利用価値が見出される。これは、単一の、信頼可能な一定出力の基準電圧発生器が、特定の回路において複数の基準電圧を生成するのに使用されることを可能にする。
【００１３】
図１は、本発明に従った電圧シフト装置の一実施例をブロック図で示す。比較器１００は、バンドギャップ基準回路（図示せず）等の基準電圧発生器から基準電圧ＶＲＥＦを受取る。比較器１００は、電源電圧ＶＣＣもまた受取る。チャージポンプ回路１０５はＶＣＣで電力供給され、比較器１００からのＶＯＵＴ制御信号によってオンおよびオフが切換えられて、ポンプされた供給電圧ＶＣＣＰを生成する。特定的な実施例においては、ＶＣＣＰはＶＣＣ＋ＶＲＥＦに実質的に等しくなるように調整される。チャージポンプ回路１０５は、特定の用途の必要を満たすようにどのような利用可能な技術で実現されてもよい。
【００１４】
比較器１００は、ＶＲＥＦおよびＶＣＣＰに結合されてＶＣＯＭＰと称される制御信号をノード１０６上に生成する、制御ユニット１０４を含む。信号ＶＯＵＴは、比較器１０３内でＶＣＣをＶＣＯＭＰと比較することによって生成される。比較器１０３の出力（ＶＯＵＴ）がチャージポンプ回路１０５を駆動し、チャージポンプ回路１０５が、ポンプされた供給電圧ＶＣＣＰを生成する。このように、チャージポンプ回路１０５は、ＶＣＣＰをＶＣＣ＋ＶＲＥＦに実質的に等しい大きさに調整するようにオンおよびオフにされる。チャージポンプは、ＶＣＯＭＰがＶＣＣよりも小さい場合にオンにされ、ＶＣＯＭＰがＶＣＣよりも大きい場合にオフにされる。
【００１５】
図２は、図１に示す電圧制御ユニット１０４を実現するのに好適な回路の一実施例を示す。差動増幅器２１４は、スイッチ２０４、２０５、２０６、２０７および２０８を含む。スイッチ２０４および２０５は信号入力として働き、特定の実施例においてはｎチャネル電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含む。スイッチ２０６および２０７はｐチャネルＦＥＴとして実現され、それぞれ、差動増幅器２１４の左ブランチおよび右ブランチのための負荷素子として働く。スイッチ２０６および２０７は各々、ＶＣＣ電源から電力を受取るよう結合された１つの電流保持端末を有する。スイッチ２０８はｎチャネルＦＥＴとして実現され、接地電位に結合された電流源として働く。
【００１６】
スイッチ２０５の制御端末はＶＲＥＦに結合される。ＶＲＥＦを生成する基準電圧発生器はチップ上で既に利用可能であるため、また、図２に示す回路はＶＲＥＦ信号を最小限にロードするため、回路に最小限の複雑性を付加するだけで、正確な性能が達成される。スイッチ２０４の制御端末はノード２１７に結合されて、ここでは「ＶＲＥＦ１」と称される信号を受取る。動作中、ＶＲＥＦ１がＶＲＥＦよりも大きい場合、ノード２１５上の電圧が増加する。ＶＲＥＦ１がＶＲＥＦよりも小さい場合、ノード２１５上の電圧が低下する。
【００１７】
ノード２１５は、スイッチ２０９の制御電極に結合される。望ましくは、スイッチ２０９、スイッチ２１０およびスイッチ２１１は、直列結合されたｐチャネル電界効果トランジスタとして実現される。スイッチ２１０および２１１は、たとえば、それらのチャネル長および幅を従来の方法で合致させることによって、同じドレイン−ソース間のオン電圧を有するように調和される。スイッチ２０９は、ノード２１５上の信号に応答して直列結合されたスイッチ２０９〜２１１における電流の量を制御する。
【００１８】
安定な状態において、ノード２１５上の信号は、ノード２１７上の電圧がＶＲＥＦに実質的に等しくなるようなレベルに駆動される。トランジスタ２１１を通じるドレイン−ソース電流がトランジスタ２１０を通じるドレイン−ソース電流と同じであるため、また、トランジスタ２１０および２１１が同じサイズにされているため、トランジスタ２１１にかかるオン電圧の降下は、トランジスタ２１０にかかるオン電圧降下とほぼ等しくなる。
【００１９】
図２において、発振を防ぐために、かつ（たとえば高い負荷条件で）ＶＣＣまたはＶＣＣＰが迅速にレベル変化するときにより高速な応答を提供するために、キャパシタ２１２および２１３が付加されている。キャパシタ２１２は、ｎチャネルＭＯＳトランジスタとして有利に実現され、そのソースおよびドレイン端末はＶＳＳ（または接地）に結合され、そのゲート端末はノード２１７に結合される。同様に、キャパシタ２１３は望ましくは、ｐチャネルＭＯＳトランジスタとして実現され、そのソースおよびドレイン端末はＶＣＣＰに結合され、そのゲート端末はＶＣＯＭＰ生成ノードに結合される。同様の実現例を提供するように、他の利用可能なキャパシタ実現例が使用されてもよい。
【００２０】
図３は、図２に示した回路の動作を示す、動作波形のコンピュータシミュレーションから導出された波形図を示す。図３において、水平軸は時間を表わし、縦軸は信号の大きさをボルトで表わす。当初、ＶＣＣはおよそ３．０ボルトであり、ＶＲＥＦはおよそ１．４ボルトである。ＶＣＣＰは、ＶＣＣ＋ＶＲＥＦ、すなわち、およそ４．４ボルトである。上述のように、安定な状態においては、ＶＣＯＭＰはＶＣＣに等しく、チャージポンプユニット１０５（図１に示す）は活性化されない。
【００２１】
０．０で示された時間のすぐ後に、ＶＣＣは３．６Ｖに上昇する。ＶＣＯＭＰがＶＣＣよりも小さい時間期間中は、チャージポンプユニット１０５が活性化されて、（ある遅延の後に）ＶＣＣＰを上昇させる。これは、図３においては３．０で示される時間前後で示される。ＶＣＣＰが上昇すると、ＶＣＯＭＰもまた上昇する。ＶＣＣＰが約５．０ボルトに上昇するとき、ＶＣＯＭＰはＶＣＣに達し、チャージポンプユニット１０５が非活性化される。図３における時間４．０の後、ＶＣＯＭＰ＝ＶＣＣである安定状態条件が構築され、ＶＣＣＰは、ＶＣＣ＋ＶＲＥＦに実質的に等しい大きさに調整される。
【００２２】
以上に本発明をある程度特定的に説明しかつ図示したが、この開示は例示の目的のためのみのものであって、複数部分を組合せおよび配列することで前掲の特許請求の範囲および精神から離れることなく多くの変更が可能であることが、当業者には理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従った電圧シフト装置の一実施例をブロック図で示す図である。
【図２】本発明に従った一実施例を概略的に示す図である。
【図３】図２に示した実施例の装置の動作を示す波形図である。
【符号の説明】
１００比較器、１０４制御回路、１０５チャージポンプ回路、２０４，２０５，２０６，２０７，２０８，２０９，２１０，２１１スイッチ、２１２，２１３キャパシタ、２１４差動増幅器。

Claims

電源電圧から昇圧電圧を生成する装置であって、該昇圧電圧は該電源電圧よりもＶＲＥＦだけ大きく、該装置は、
接地電位をその上に有する接地ノードと、
該電源電圧をその上に有する電源ノードと、
該昇圧電圧をその上に有する昇圧ノードと、
該接地電位よりもＶＲＥＦだけ大きい第１の基準電圧を生成する第１の基準電圧発生器と、
該第１の基準電圧を使用して該昇圧電圧よりもＶＲＥＦだけ小さい第２の基準電圧を生成する、該第１の基準電圧発生器と結合された第２の基準電圧発生器とを含み、
該第２の基準電圧発生器は、
該第１の基準電圧発生器に結合された反転入力ノード、非反転入力ノード、および出力ノードを有する差動増幅器と、
電流調整スイッチを含む出力段とをさらに含み、該電流調整スイッチは、該第２の基準電圧を生成する第１のノード、該差動増幅器の非反転入力ノードに結合された第２のノード、および該差動増幅器の出力ノードに動作的に結合された制御ノードを有し、
該出力段は、
該昇圧ノードと該電流調整スイッチの該第１のノードとの間に結合された第１の負荷素子と、
該接地ノードと該電流調整スイッチの該第２のノードとの間に結合された第２の負荷素子とをさらに含む、装置。
該第２の基準電圧に結合された非反転入力、該電源ノードに結合された反転入力、および制御信号を生成する出力を有する比較器と、
該電源ノードに結合され、該制御信号に応答して該昇圧電圧を生成するチャージポンプ回路とをさらに含む、請求項１に記載の装置。
該第２の基準電圧は、安定な状態で該電源電圧に実質的に等しい、請求項１に記載の装置。
該電流調整スイッチは、該第１のノードに結合されたソースおよび該第２のノードに結合されたドレインを有するｐチャネル電界効果トランジスタを含む、請求項１に記載の装置。
該第１および第２の負荷素子はインピーダンスが調和された素子を含む、請求項１に記載の装置。
昇圧電圧よりもＶＲＥＦだけ低い第２の基準電圧を生成するための基準電圧発生器であって、該基準電圧発生器は、
接地電位をその上に有する接地ノードと、
該昇圧電圧をその上に有する昇圧ノードと、
該接地電位よりもＶＲＥＦだけ大きい第１の基準電圧を生成する基準電圧発生器と、
該接地ノードに結合されて内部基準電圧を生成する第１の負荷素子とを含み、該内部基準電圧は該第１の負荷素子を流れる電流の大きさによって決定され、さらに、
該第１の基準電圧に結合された第１の入力、該内部基準電圧に結合された第２の入力、および該第１および第２の入力における信号間の差によって決定される信号を生成する出力を有する差動増幅器と、
該差動増幅器の出力に結合された制御ノードを有し、該第１の負荷素子を通じる電流を決定するよう結合された電流調整スイッチと、
該電流調整スイッチと直列に結合されかつ該昇圧ノードに結合された第２の負荷素子とを含み、該第２の負荷素子は、該第２の負荷素子が該第２の基準電圧を生成するように選択されたインピーダンスを有し、該第２の基準電圧は該昇圧電圧よりもＶＲＥＦだけ低い、基準電圧発生器。
該第１および第２の負荷素子はインピーダンスが調和されている、請求項６に記載の基準電圧発生器。
該第１および第２の負荷素子は、調和された電界効果トランジスタを含む、請求項６に記載の基準電圧発生器。
昇圧電圧よりも基準電圧だけ小さい所望の電圧を生成するための装置であって、該装置は、
該基準電圧を基準ノード上に提供する基準電圧発生器と、
該昇圧電圧をその上に有する昇圧ノードと、
該昇圧ノードから電流を導く単一の電流経路と、
該電流経路内の電流調整スイッチと、
該単一の電流経路内にあって、該電流調整スイッチに動作的に結合されて、同じ電流がその各々に流れるようにされる第１および第２の負荷素子とを含み、該第１および第２の負荷素子は、該電流経路を流れる電流によって決定されるオン電圧を有し、さらに、
該第１の負荷素子の該オン電圧を感知して該第１の負荷素子にかかる該オン電圧を該電流調整スイッチを制御することによって該基準電圧に維持するように結合されたフィードバック回路を含む、装置。