JPH04366492A - 内部電源電圧発生回路 - Google Patents
内部電源電圧発生回路Info
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
装置の内部電源電圧発生回路に関するもので、特に温度
の上昇に応じて出力電圧を上昇させることのできる内部
電源電圧発生回路に関するものである。
においては、高い電界に弱いミクロン単位レベル以下の
MOSトランジスタに対し、通常5Vとされている外部
電源電圧より低い一定の電圧を供給してやる必要がある
。このため、低電源電圧供給用の内部電源電圧発生回路
がメモリー部と共にチップ内に形成される。例えば、1
6メガダイナミックRAMレベル以上の半導体メモリー
製品には、メモリー素子の信頼性を確保するために内部
電源電圧発生回路が不可欠である。
を図5、図6及び図7に示す。図5は基準電圧発生回路
50と、比較器60と、出力端70とから形成された内
部電源電圧発生回路100の全体回路図であり、図6は
図5の出力特性を外部電源電圧と比較したグラフである
。そして、図7に図5の基準電圧発生回路50の他の例
が示されている。
発生回路50と、可変抵抗として作用するPMOSトラ
ンジスタ10からなる出力端70と、基準電圧発生回路
50の出力電圧と出力端の出力電圧とを比較してPMO
Sトランジスタ10のゲート電圧を制御してやる差動増
幅回路である比較器60とで構成されている。基準電圧
発生回路50は、第1及び第2抵抗素子R1、R2が外
部電源電圧端と接地電圧端との間に直列に接続されてお
り、出力ノード3を通じて基準電圧(Vref )を発
生する。
第2NMOSトランジスタ6、7と、定電流源として機
能する第3PMOSトランジスタ8と、電流ミラー負荷
(current mirror load) を構成
する第1及び第2PMOSトランジスタ4、5とで構成
されている。
のソースが外部電源電圧端に接続され、ドレインが内部
電源電圧(Vccint )を発生させる出力ノード1
1に接続されている。
電圧(Vref )が比較器60の第1NMOSトラン
ジスタ6のゲートに供給される。そして、出力端70の
出力ノード11からメモリー回路(図示せず)に負荷電
流が流れると、出力端70のPMOSトランジスタ10
で電圧降下が発生する。そしてこの結果、内部電源電圧
(Vccint )が外部電源電圧(Vccext )
より低いレベルに設定さ、同時に、比較器60により、
内部電源電圧(Vccint )と基準電圧(Vref
)との間に差異のないように出力端70のPMOSト
ランジスタ10のゲートが制御される。
頼性を確保するために、印加される外部電源電圧(Vc
cext )に無関に一定の電圧を維持しなければなら
ないが、図5の回路では、図6に示すように、ΔV程度
増加してしまう。その理由は、基準電圧発生回路50の
基準電圧(Vref )が Vref =〔R2/(R1+R2)〕Vccextで
あり、外部電源電圧(Vccext ) が増加するこ
とにより基準電圧(Vref )が増加してしまい、内
部電源電圧も上昇するからである。このような結果、半
導体素子の信頼性が低下してしまう。
ランジスタで構成した回路を示し、直列で接続される第
1、第2及び第3PMOSトランジスタ12、13、1
4、それに同じく直列で接続される第4及び第5PMO
Sトランジスタ15、16が外部電源電圧端と接地電圧
端との間に並列で接続されている。
スタ12、13、14は、各々のゲートとドレインがダ
イオード接続され、第4PMOSトランジスタ15は、
ゲートが第3PMOSトランジスタ14のソースに接続
され、第5PMOSトランジスタ16は、ゲートとドレ
インがダイオード接続されている。そして、第3PMO
Sトランジスタ14のソースは、第4PMOSトランジ
スタ15のゲートをVccext /3の電圧に制御し
、第4PMOSトランジスタ15のソースが出力端とし
て出力ノード17を通じて基準電圧(Vref )を供
給する。
は、温度が上昇するのに応じて各MOSトランジスタの
しきい電圧(Vth)が低くなり、基準電圧(Vref
)も低くなってしまう。そして、基準電圧が低くなる
と、結果的に内部電源電圧も一緒に低くなり、半導体メ
モリー素子の速度を低下させる原因となる。
目的は、温度の上昇に応じて出力電圧を高くすることに
より、温度の変化に関係なくメモリー素子に一定の速度
を維持させ、その安定的な制御を可能とする内部電源電
圧発生回路を提供することにある。
るために、本発明による内部電源電圧発生回路は、温度
の上昇に応じて出力電圧を上昇させるために、抵抗値が
互いに異なる負荷用の第1可変抵抗素子及び第2可変抵
抗素子が出力端と接地電圧との間に直列に接続され、そ
の共通端子が出力ノードとされた分圧回路を備えてなっ
ている。
と分圧回路の負荷用の可変抵抗素子の抵抗値が大くなっ
てその間に流れる電流量が減り、そしてこの電流量の減
少により比較器を通じて内部電源電圧が上昇する。つま
り温度の上昇に応じて出力電圧が上昇し、高温状態でも
メモリー素子に所定の速度を維持させるに足る内部電圧
を供給できるものである。
する。図1は、本発明による内部電源電圧発生回路のブ
ロック図であって、分圧回路80の接続関係を示してお
り、図2は図1の出力特性のグラフである。また、図1
の回路を具体的化した例が図3に示されている。
電圧が印加される基準電圧発生回路50と、基準電圧発
生回路50の出力に接続の第1入力及び所定の第2入力
が接続された比較器60と、比較器60の出力が入力さ
れて内部電源電圧を発生させる出力端70と、出力端7
0に接続され、またその出力が比較器60へ第2入力と
して接続され、出力端70の電圧を温度に応じて上昇さ
せてやる分圧回路80とから構成されている。
力電圧を発生するもので、これにより出力端70からの
出力電圧を温度の上昇に応じて増大させることができる
。そして、この分圧回路80は、温度の上昇に応じて抵
抗値が上昇する負荷用の第1及び第2可変抵抗素子R1
′、R2′を備えており、第1可変抵抗素子R1′の抵
抗値が第2可変抵抗素子R2′の抵抗値より大きくされ
、さらに温度上昇に応じた抵抗値上昇率についても第1
可変抵抗素子R1′の方が大きくされている。
出力電圧(Vccint )は次のように表示される。 すなわち、 Vccint =〔(1+R1′)/R2′〕Vref
。 ここで、温度変化に対する抵抗の変化比はR1′>R2
′である。したがって、温度の上昇に応じて、第1可変
抵抗素子R1′の抵抗増加比が第2可変抵抗素子R2′
の抵抗増加比よりも大きくなり、内部電源電圧(Vcc
int )が上昇することは明らかである。また、図2
にからも、温度上昇に応じて内部電源電圧(Vccin
t )が上昇して一定に維持されることを知り得る。
回路からの基準電圧(Vref )が低くなることによ
り内部電源電圧が低くなるという従来の問題点、及び外
部電源電圧が増加することにより基準電圧が上昇して内
部電源電圧を一定に維持できないという従来の問題点を
同時に解決することができる。
に基づいて説明する。基準電圧発生回路50は、外部電
源電圧端に入力端子が接続された定電流源31と、定電
流源31の出力端子に接続された出力ノード38と、出
力ノード38と接地電圧端との間に接続され、出力ノー
ド38の電圧を所定の電圧に降下させるための手段とか
ら構成される。
が接続された第1抵抗35と、第1抵抗35の他方の端
子にコレクタとベースが共通接続され、接地電圧端にエ
ミッタが接続された第1バイポーラトランジスタ32と
、出力ノード38に一方の端子が接続された第2抵抗3
6と、第2抵抗36の他方の端子にコレクタが接続され
た第2バイポーラトランジスタ33と、第2バイポーラ
トランジスタ33のエミッタに一方の端子が接続され、
接地電圧端に他方の端子が接続された第3抵抗37と、
出力ノード38にコレクタが接続されると共に、第2バ
イポーラトランジスタ33のコレクタにベースが接続さ
れ、さらに接地電圧端にエミッタが接続された第3バイ
ポーラトランジスタ34とから構成されている。
た第1PMOSトランジスタ39と、外部電源電圧端に
ソースが接続され、ゲートとドレインが第1PMOSト
ランジスタ39のゲートに共通接続された第2PMOS
トランジスタ40と、ゲートが第1入力ラインに接続さ
れ、ドレインが第1PMOSトランジスタ39のドレイ
ンに接続された第1NMOSトランジスタ41と、ゲー
トが第2入力ラインに接続され、ドレインが第2PMO
Sトランジスタ40のドレインに接続された第2NMO
Sトランジスタ43と、ゲートが第1入力ラインに接続
され、ソースが接地電圧端に接続された第3NMOSト
ランジスタ42と、PMOSトランジスタ39及び第1
NMOSトランジスタ41の共通端子である出力ノード
44とから形成されている。
接続され、比較器60の出力ノード44にゲートが接続
されたPMOSトランジスタ45と、PMOSトランジ
スタ45のドレインに接続されて内部電源電圧(Vcc
int )を発生する出力ノード49とから形成されて
いる。
49にソースが接続され、ゲート及びドレインがダイオ
ード接続された第1PMOSトランジスタ46と、第1
PMOSトランジスタ46のドレインにソースに接続さ
れ、ゲート及びドレインが接地電圧端にダイオード接続
された第2PMOSトランジスタ47と、第1及び第2
PMOSトランジスタ46、47の共通端子及び比較器
60の第2入力ラインに共通接続された出力ノード48
とから形成されている。
なく一定な基準電圧(Vref)を出力させるために、
バイポーラトランジスタで構成されている。この基準電
圧発生回路50の出力電圧は、 Vref =VBE+( Rb / Rc)・Vt
・In(I1/I2 ・Is2/Is1 )となる。 ここで、VBEは、第3バイポーラトランジスタ34の
エミッターベース電圧であり、Vtは、熱電電圧(th
ermoelectric voltage) であり
、Rb及びRcは、各々第2及び第3抵抗36、37の
抵抗値であり、Is1 及びIs2 は、各々第1及び
第2バイポーラトランジスタ32、33のコレクタ飽和
電流である。
V/℃という負特性であるエミッターベース電圧VBE
と0.085mV/℃という正特性である熱電電圧Vt
を結合させて零特性を得るようにされている。それ故、
−3mV/℃の負特性を有するPMOSトランジスタを
用いた従来の基準電圧発生回路に比べ、より安定的であ
り、温度変化に関係なく一定の基準電圧(Vref)を
出力することができる。
f )を増大させるように接続されており、これにより
内部電源電圧(Vccint )は温度の上昇に応じて
を増大することになる。具体的には、第1PMOSトラ
ンジスタ46のチャンネルコンダクタンスg1 (=∂
IDS/∂VDS)が第2PMOSトランジスタ47の
チャンネルコンダクタンスg2 より小く設計されてお
り、それ故、第1PMOSトランジスタ46のチャンネ
ル抵抗は第2PMOSトランジスタ47のそれより高く
なっている。ここで、コンダクタンスは抵抗の逆数であ
る。以上の説明から、電流駆動力(current d
riving power)が高いチャンネル抵抗を有
するMOSトランジスタにより減少させられることを理
解できる。一般に、長いチャンネル長を有するMOSト
ランジスタは、短いチャンネル長を有するMOSトラン
ジスタに較べ温度の影響が大きい。したがって、長いチ
ャンネル長のMOSトランジスタにおけるチャンネル長
つまりチャンネル抵抗を温度に応じて変えることは考慮
に値する。
ついて図3の回路の動作を見る。基準電圧発生回路50
の出力電圧である基準電圧(Vref )が比較器60
の第1及び第3NMOSトランジスタ41、42のゲー
トに印加され、これが比較器60の第2NMOSトラン
ジスタ43のゲートに印加される電圧より大きくなると
、出力端70の出力ノード49には電圧が蓄積される。 そしてそうするうちに、基準電圧(Vref )と分圧
回路80の出力電圧が同じレベルとなると、内部電源電
圧(Vccint )は分圧回路80によって一定に維
持される。
、分圧回路80の負荷用の第1PMOSトランジスタ4
6のチャンネルに流れる電流が減少し、比較器60の第
2NMOSトランジスタ43のゲートには室温の状態よ
りも小さい電圧が印加される。そうすると、比較器60
の出力ノード44には室温の状態より小さい電圧が蓄積
され、出力端70の出力ノード49の電圧つまり内部電
源電圧(Vccint )が上昇する。
ど、分圧回路80の負荷用の第1PMOSトランジスタ
46のチャンネルに流れる電流が減少して出力端70の
出力ノード49の電圧が上昇し、内部電源電圧が上昇す
る。そしてこの結果、高温になっても、メモリー素子に
供給される電源電圧を上昇させることによりトランジス
タの性能の低下を防止でき、全体的にメモリー素子の安
定的な動作を維持させることができる。
するため、例えばゲート酸化膜160Åの厚さであるM
OSトランジスタの温度の変化による電流駆動力の減少
の程度を図4の表に数値で示す。図4で電流駆動力の大
きさは、NMOS(PMOSトランジスタの場合はゲー
トとドレイン電圧がすべて+4.0V(−4.0V)で
あるときの測定結果であって、このとき基板とソースと
の間の電圧は−2.0V(0V)であり、電流減少比は
、25℃での電流駆動力を基準として85℃での電流駆
動力を比較したものである。電流の減少比が大きいとい
うことは抵抗増加比が大きいということを意味するので
、MOSトランジスタのチャンネルコンダクタンスgが
小さいほどチャンネル抵抗が大きく、温度の上昇による
抵抗の増加比も大きいということになる。
部電源電圧発生回路は、温度の上昇によるMOSトラン
ジスタの電流駆動力の減少によって生じる速度の低下を
、温度の上昇による内部電源電圧の増大調整によって補
償することができるので、高温の場合でも室温の場合と
同様な速度を維持できるようなメモリー素子を提供でき
、半導体メモリー製品の性能を向上に寄与できる。
動力の減少の程度を数値で示した表を示す図。
】図5の回路の出力特性図。
Claims (8)
- 【請求項1】 外部電源電圧端の出力電圧を所定の電
圧まで降下させてメモリー素子に印加する内部電源電圧
発生回路において、温度の上昇に応じて出力電圧を上昇
させるために、抵抗値が互いに異なる負荷用の第1可変
抵抗素子及び第2可変抵抗素子が出力端と接地電圧との
間に直列に接続され、その共通端子が出力ノードとされ
た分圧回路を設けたことを特徴とする内部電源電圧発生
回路。 - 【請求項2】 第1可変抵抗素子の温度上昇による抵
抗の増加比が第2可変抵抗素子の温度上昇による抵抗の
増加比よりも大きくされている請求項1に記載の内部電
源電圧発生回路。 - 【請求項3】 第1可変抵抗素子は、一方の端子が出
力端に接続され、ゲートと他方の端子がダイオード接続
された第1MOSトランジスタとされ、また第2可変抵
抗素子は、一方の端子が出力ノードに接続され、ゲート
及び他方の端子が接地電圧端にダイオード接続された第
2MOSトランジスタとされ、且つ第1MOSトランジ
スタのチャンネルの長さが第2MOSトランジスタのチ
ャンネルの長さよりも長くされている請求項1または請
求項2何れかに記載の内部電源電圧発生回路。 - 【請求項4】 外部から供給される外部電源電圧を所
定のレベルに降下させて内部電源電圧として使用する半
導体集積回路に用いられる内部電源電圧発生回路におい
て、外部電源電圧が印加されて基準電圧を発生させる基
準電圧発生回路50と、基準電圧発生回路50の出力に
接続された第1入力ライン及び所定の第2入力ラインを
もつ比較器60と、比較器60の出力を入力とし、出力
ノードを通じて内部電源電圧を発生させる出力端70と
、出力端70の出力ノード電圧を入力とし、出力が比較
器60の第2入力ラインに接続され、出力端70の出力
電圧を温度の上昇に応じて上昇させる分圧回路80とか
ら構成されることを特徴とする内部電源電圧発生回路。 - 【請求項5】 基準電圧発生回路50が、出力ノード
38に一方の端子が接続された第1抵抗35と、第1抵
抗35の他方の端子にコレクタとベースが共通接続され
、接地電圧端にエミッタが接続された第1バイポーラト
ランジスタ32と、出力ノード38に一方の端子が接続
された第2抵抗36と、第2抵抗36の他方の端子にコ
レクタが接続され、第1バイポーラトランジスタ32の
コレクタにベースが接続された第2バイポーラトランジ
スタ33と、第2バイポーラトランジスタ33のエミッ
タに一方の端子が接続され、接地電圧端に他方の端子が
接続された第3抵抗37と、出力ノード38にコレクタ
が接続され、第2バイポーラトランジスタ33のコレク
タにベースが接続され、接地電圧端にエミッタが接続さ
れた第3バイポーラトランジスタ34とから形成されて
いる請求項4に記載の内部電源電圧発生回路。 - 【請求項6】 比較器60が、外部電源電圧端に接続
された第1PMOSトランジスタ39と、外部電源電圧
端にソースが接続され、ゲートとドレインが第1PMO
Sトランジスタ39のゲートに共通接続された第2PM
OSトランジスタ40と、ゲートが第1入力ラインに接
続され、ドレインが第1PMOSトランジスタ39のド
レインに接続された第1NMOSトランジスタ41と、
ゲートが第2入力ラインに接続され、ドレインが第2P
MOSトランジスタ40のドレインに接続された第2N
MOSトランジスタ43と、ゲートが第1入力ラインに
接続され、ソースが接地電圧端に接続された第3NMO
Sトランジスタ42と、第1PMOSトランジスタ39
及び第1NMOSトランジスタ41の共通端子である出
力ノード44とから形成されている請求項4に記載の内
部電源電圧発生回路。 - 【請求項7】 出力端70が、外部電源電圧端にソー
スが接続され、比較器60の出力ノード44にゲートが
接続されたPMOSトランジスタ45と、PMOSトラ
ンジスタ45のドレインに接続されて内部電源電圧を発
生する出力ノード49とから形成されている請求項4に
記載の内部電源電圧発生回路。 - 【請求項8】 分圧回路80が、出力端70の出力ノ
ード49にソースが接続され、ゲート及びドレインがダ
イオード接続された第1PMOSトランジスタ46と、
第1PMOSトランジスタ46のドレインにソースが接
続され、ゲート及びドレインが接地電圧端にダイオード
接続された第2PMOSトランジスタ47と、第1及び
第2PMOSトランジスタ46、47の共通端子及び比
較器60の第2入力ラインに共通接続された出力ノード
48とから形成されている請求項4に記載の内部電源電
圧発生回路。
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