CN101377689A - 低供应电压能隙集成电路系统及操作的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低供应电压能隙集成电路系统及操作的方法，用来容许能隙电路系统在低供应电压集成电路下运作，并利用能隙电路的基准电压(Vbg)来控制系统电压。实施例包括电荷泵(charge pump)用来将供应电压升至系统电压、以及开回路控制器用来提供启动电荷泵的第一信号并使一个输出能隙基准电压的能隙电路能运作。该系统还包括闭回路控制器，通过比较系统电压与能隙基准电压来调控系统电压。一旦系统电压低于目标电压值，闭回路控制器即传送第二信号来启动电荷泵。此外，系统也包括切换控制器，在感应到作用中的能隙电路后即选择闭回路控制器。本发明提出的系统通过利用能隙电压做为基准，来使闭回路控制器能够调控系统电压。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路，且特别涉及一种系统和一种方法，用来容许能隙电路系统在低供应电压集成电路下运作，并利用能隙电路的基准电压(Vbg)来控制系统电压。
背景技术
在传统的动态随机存储器(DRAM)阵列中，信息储存于一种给定DRAM单元的方式，通过适当地驱动字元线(wordline，WL)来启动转移晶体管(transfer transistor)，从而传递电荷至单元电容器(cell capacitor)。一般而言，单元的持久和表现会随着转移至单元内电荷的数量而增强。一种给定单元的转移晶体管由将电压Vpp施加至字元线所启动，用来转移电荷至单元内；通过将电压WLL(wordline low)施加到字元线来切换关闭该转移晶体管。
为了转移尽可能多的电荷至单元内，Vpp必须比该转移晶体管的临界电压Vt高。因此，Vpp可能为供应电压Vdd和晶体管临界电压Vtn的总和。Vpp电压的增加容许了电荷转移时间的缩短。然而基于对可靠度的考虑，Vpp的最大值限制视横跨转移晶体管的栅极氧化物的最大容许电场而定。Vpp电压可能被调控以确保转移晶体管的栅极氧化物未被破坏。基准电压(例如一个能隙电路所可能产生的基准电压)可能被用来协助这类的电压调控。
一个能隙电路可产生一个不随温度而改变的固定直流基准电压。一个能隙电路可借着将两个温度系数正负反号的电压相加起来。随着在互补式金属氧化物半导体技术中逐渐降低的电源供应电压，有关于电压/电流基准的设计也就越显困难。传统的电压加总能隙基准电路已不再适用于最大供应电压不高于1伏特的互补式金属氧化物半导体技术。硅的能隙电压值(1.12伏特)为接近或超出这种技术可采纳的最大供应电压；而这造成能隙电路的无法作用。
发明内容
这类的问题大致被解决或被预防发生了，并也逐渐达到技术上的进步。由用来说明的实施例中可看到，一种系统通过利用能隙电压做为基准，来使闭回路控制器能够调控系统电压。
本发明的目的在于提出一种集成电路系统与操作的方法，用来容许能隙电路系统在低供应电压集成电路下运作，并利用能隙电路的基准电压(Vbg)来控制系统电压。
本发明提出一种集成电路系统，包括一个将供应电压提升至系统电压的电荷泵、一个提供第一信号来启动电荷泵的开回路控制器和一个输出能隙电压基准的能隙电路。该系统还包括一个闭回路控制器，用来通过比较系统电压与能隙基准电压来调控系统电压。当系统电压比目标电压低时，该闭回路控制器就会提供一个第二信号来启动电荷泵。此外，该系统还包括一个切换控制器，一旦感应到能隙电路为作用中，即选取闭回路控制器。
如上所述的集成电路系统，其中该供应电压低于该能隙电路的操作电压。
如上所述的集成电路系统，其中该开回路控制器于该系统启动后即被选取。
如上所述的集成电路系统，其中该供应电压不大于1伏特。
如上所述的集成电路系统，还包含系统电压控制器，调控电压的范围在-1.5伏特至1.5伏特间。
如上所述的集成电路系统，其中该目标电压比该供应电压高0.5伏特。
如上所述的集成电路系统，还包括：电路元件，其中该目标电压为-0.5伏特。
如上所述的集成电路系统，其中该系统电压为操作电压，做为在低供应电压元件上的低增字元线电压。
如上所述的集成电路系统，其中该系统电压为Vbb电压，用来当作在嵌入式动态随机存储器单元内P型金属氧化物半导体晶体管通过闸的字元线启动电压供应，以及N型金属氧化物半导体晶体管通过闸的字元线关闭电压供应。
本发明还提出一种集成电路系统，包括：Vpp电荷泵，将供应电压增加成为系统电压；Vpp储能槽，储存来自该Vpp电荷泵的电荷；开回路连续脉冲产生器，将信号传送至该Vpp电荷泵；能隙电路，用来产生能隙电压Vbg；能隙电压检测器，用来检测Vbg；切换器，由该能隙电压检测器控制，切换于开回路运作与闭回路运作之间；Vpp准位控制器，做为闭回路连续脉冲产生器，将闭回路信号传送至该Vpp电荷泵；Vpp电压检测区块，用来告知该Vpp准位控制器Vpp系统电压；比较器，将该Vpp系统电压与Vbg相比，比较结果用来决定是否传送闭回路信号至该Vpp电荷泵。
如上所述的集成电路系统，其中供应电压比该能隙电路的操作电压低。
本发明还提出一种操作集成电路系统的方法，包括：利用电荷泵，提升供应电压至目标系统电压；产生开回路信号，其中在开回路运作期间，开回路控制器传送多个提升信号至该电荷泵；在闭回路控制器内产生闭回路信号，其中该闭回路控制器在闭回路运作中传送多个信号至该电荷泵；通知该闭回路控制器有关系统电压；通过能隙电路系统产生能隙基准电压；利用能隙基准电压在该闭回路控制器内调控该系统电压至该目标系统电压；由切换控制器检测作用中的该能隙电路；以及由该切换控制器控制该切换在该开回路运作与该闭回路运作间。
本发明所举实施例的其中一项优点在于该系统可能为一个低供应电压集成电路，其逻辑处理核心电压不高于1伏特。另一优点在于预防系统反馈自锁(feedback self-lock)的问题，起始Vpp概略电压值由一个简单控制检测器所提供。
还有另一个优点是一旦该Vpp功率上升且在能隙操作下够稳定，则该能隙电路就会提供一个更精确的检测控制使精确的动态随机存储器WL电压能操作。能隙电路也可能用来做为调控其他电压的基准，例如一个-0.5伏特的Vbb。
为了让后述的详尽实施方式更容易被了解，上述广泛地描述出本发明的特色与技术优势。本发明的其他特点与优势将在权利要求内加以描述。任何本领域技术人员在此公开的概念与特定实施例均可以此为基础，来改进或设计其他与本发明相同目的的结构或过程，并且不脱离在权利要求中所提的本发明精神与范围。
附图说明
附图的说明可用来搭配并更全面性了解本发明及优势。
图1为一个低供应电压集成电路的总体方块图。
图2为一个系统电压控制器的方块图，就如同图1中的系统电压控制器106。
图3为一个系统电压控制器的总体流程图。
图4为一个系统电压控制器的闭回路操作流程图。
并且，上述附图中的各附图标记说明如下：
100 集成电路
102 能隙电路
104 低电压供应单元
106、200 系统电压控制器
108 Vpp电路
110 Vbb电路
112 其他电路
202 电荷泵
204 开回路控制器
206 闭回路控制器
208 系统电压检测器
210 能隙基准电压输入
212 比较器
214 信号产生器
216 切换控制器
具体实施方式
本发明优选的实施例的制作与使用均详尽地讨论如下，但是本发明可以不同文字形式表示；此处的特定实施例只是用来说明而非限制本发明的范围。
本发明将以一个逻辑处理核心电压小于或等于1伏特的嵌入式动态随机存储器系统为例来说明。本发明可应用至其他供应电压低于能隙电路的操作电压的集成电路上。
本发明的实施例之一为作用在一个嵌入式动态随机存储器单元内。此实施例允许能隙电路在一个低增字元线电压(low boosted wordline voltage，Vpp)集成电路上运作，且利用能隙电路产生的基准电压(Vbg)来使一个反馈程序能够调控Vpp系统电压。在实施例中，一个切换控制器检测运作中的能隙电路并使一个闭回路控制器能够控制一个Vpp电荷泵的操作。当Vpp系统电压比Vpp系统目标电压值低时，该闭回路控制器可传送信号至该电荷泵。当Vpp系统电压大于或等于Vpp目标电压时，切换控制器使闭回路控制器能控制该Vpp电荷泵的运作来调控该Vpp系统电压。
更进一步，所述实施例还提供一个系统与一个方法来调控Vbb系统电压。一个Vbb系统做为一个嵌入式动态随机存储器单元上P型金属氧化物半导体晶体管通过闸(passgate)的字元线(WL)开启电压供应与N型金属氧化物半导体晶体管通过闸的WL关闭电压供应。Vbb系统电压一般而言约为-0.5伏特。
图1为一个低供应电压集成电路的总体方块图。集成电路100包含能隙电路102、低电压供应单元104(不一定存在于集成电路100内)、系统电压控制器106、Vpp电路108、Vbb电路110及其他电路112。
能隙电路102在集成电路内做为一个电压基准电路，输出电压通常约为1.25伏特，在绝对零度时趋近于硅的理论能隙值。一个有关能隙电路如何运作的例子即是利用通常被操作在相同电流且不同接面区内的两二极管间的电位差来产生一个在第一电阻器内与绝对温度成比例的电流(PTAT电流)。而电流流经第二个电阻器所产生的电压，逐次被加到其中一个二极管(在某些运用上也可能是第三个二极管)的电压上。横跨一个操作在稳定电流的二极管的电位差(在本例中有一PTAT电流)为与绝对温度互补(CTAT)。倘若第一电阻器与第二电阻器的电阻值比例选择恰当，则与二极管的温度相关的第一级效应即可和PTAT电流的作用相消。最终电压视特殊技术而定约为1.2～1.3伏特，且在绝对零度时近乎于硅的理论能隙值。超出典型集成电路的操作温度范围，所剩下的电压改变量只不过是些许微伏特的等级。此温度相关性有一个典型抛物线性的特性。能隙电路102是利用热电压的正温度系数来平衡pn接面的负温度系数。能隙电路在此技术中是广为人知的，所以可使用于本发明的能隙电路并不限于本描述中的能隙电路类型。基于典型能隙基准电路的输出电压几乎固定在1.25伏特，一个能隙电路的最小操作电压约为1.4伏特。
一旦启动了集成电路系统，系统电压控制器106即提升低供应电压，从低供应电压单元104提升至一个足以操作能隙电路102的概略系统电压值。这即称之为开回路控制。在能隙电路102可操作后，系统电压控制器106检测作用中的能隙电路102并选择了闭回路控制，这即称之为闭回路控制。闭回路控制利用能隙电路102所产生的能隙基准电压来控制系统电压，所以比开回路控制能更准确地调控系统电压值。Vpp电路108、Vbb电路110和其他电路112所需的合适操作电压可能不同。系统电压控制器106能比较并调控电路和电压间的搭配。系统电压控制器106可调控电压的范围为-1.5伏特至1.5伏特。
图2为一个系统电压控制器的总体方块图，就如同图1中的系统电压控制器106。系统电压控制器200内有一个电荷泵202。电荷泵202可能使用电容器、切换器和一个电荷储能槽(charge tank)，来创造出比供应电压更高的电压来源。电荷泵是一个运用电容器来当作能源储存单位的电路，来创造出或高或低的电源。电荷泵电路可为简单电路。电荷泵可使用某些型式的切换器来控制电压与电容器的连接。以产生高电压为例，第一阶段包含了电容器与电压相连并被充电。第二阶段，电容器不再与原本的充电电压相连，而将负端重新连接至原本的正充电电压。因为横跨电容器正端的电压仍存在，所以正端电压就加之到原本电压上。
一旦系统启动后，开回路控制器204即调控系统电压。开回路控制器204传送信号至电荷泵202使其开始连续操作。系统电压控制器200也有一个闭回路控制器206。闭回路控制器206比开回路控制器204更能准确地调控系统电压。闭回路控制器206检测系统电压，并利用能隙电路(如图1的102)的能隙基准电压输出做为判断系统电压是否符合系统电压目标值的基准。倘若闭回路控制器206检测系统电压比目标电压值低，就可能会传送信号并启动电荷泵202。或者，闭回路控制器206也可能是当系统电压比系统目标电压值高的时候传送信号使电荷泵202不作用。
此外系统电压控制器200还包括切换控制器216。一旦系统启动后，开回路控制器204即被选取。刚启动时，能隙电路(如同图1的102)，可能因为低电压供应单元(如图1的104)的供应电压不够充足而导致无法作用。随着系统的电压增加，当能隙电路可以作用时切换控制器216就会检测到，因此能隙电路就能通过能隙基准电压输入210来提供能隙基准电压至闭回路控制器206。一旦检测到作用中的能隙电路，切换控制器216就会选取闭回路控制器206而非开回路控制器204。
当一个集成电路(如图1的100)刚开始操作时，开回路控制器204就会传送脉冲至电荷泵202，通知电荷泵202要连续地作用。此系统可称之为开回路连续脉冲产生器(open looped pulse train generator)。当系统电压被提升至能隙电压可以作用的准位时，切换控制器就会传送信号以选取闭回路控制器206。随即切换控制器216将开控制器204从电路中切离，而将闭回路控制器206连接至电路中。闭回路控制器206使用了比较器212将能隙电路202产生的电压Vbg来做为系统的基准电压值来执行比较。当系统检测区块208发觉系统电压比系统电压目标值低时，信号产生器214就会传送用来启动泵的控制脉冲至电荷泵202。若系统检测器208发觉系统电压比系统目标电压值高时，电荷泵202就会被告知无须再运作。
图3为系统电压控制器的总体动作流程图。(步骤302)由作用中的开回路控制器(如图2的204)开始。作用中的开回路控制器利用信号产生器(如图2的214)来传送启动信号至电荷泵。因此电荷泵(如图2的202)就会持续地运作(步骤304)。能隙电路(如图1的102)因此尝试开始操作。切换控制器(如图2的216)监控能隙电路(步骤306)。切换控制器判断能隙电路是否为作用中(步骤308)。倘若尚未运作中(步骤308的结果为“否”)，则系统持续地操作一个作用中的开回路控制器(流程重返步骤302)。如果能隙电路为可操作(步骤308的结果为“是”)，则切换控制器检测改选取闭回路控制器而非开回路控制器(步骤310)。
图4为一个系统电压控制器的闭回路操作流程图。如同说明中，在系统电压控制器为闭回路模式时，能隙电路(如图1的102)为可操作的。一个系统电压检测器(如图2的208)检测系统电压(步骤402)。一个比较器(如图2的212)接收了系统电压的输入(步骤404)。比较器也同时接收了能隙基准电压(步骤406)。由能隙电路所产生的能隙基准电压通过能隙基准电压输入(如图2的210)来输入。比较器即将系统电压与能隙基准电压相比(步骤408)。倘若系统电压比系统电压目标值低(通往步骤410的结果为“是”)，信号产生器(如图2的214)就会传送信号以启动电荷泵(步骤412)。倘若系统电压比系统电压目标值高(通往步骤410的结果为“否”)，则信号产生器传送信号以使电荷泵不作用(步骤414)。其余的实施例可能以其他方式来传信号给电荷泵，例如可能通过信号产生器停止传送启动信号来使电荷泵不作用。任何对电荷泵的控制均属于说明实施例的范围内。系统电压控制器的闭回路模式提供一个更微调的系统电压，但是基于电荷泵的周期性电压也可能是周期性的改变。
虽然本发明已以优选实施例公开如上，但是其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可做各种的改动与润饰，故本发明的保护范围当视随附的权利要求所界定的范围为准。
Claims (12)
1.一种集成电路系统，包括：
电荷泵，用来将供应电压提升至系统电压；
开回路控制器，用以提供第一信号来启动该电荷泵；
能隙电路，用以输出能隙基准电压；
闭回路控制器，通过比较该系统电压与该能隙基准电压来调控该系统电压，一旦该系统电压比目标电压低时，该闭回路控制器即提供第二信号来启动该电荷泵；
切换控制器，在感应到该能隙电路为启动状态之后即选取该闭回路控制器。
2.如权利要求1所述的集成电路系统，其中该供应电压低于该能隙电路的操作电压。
3.如权利要求1所述的集成电路系统，其中该开回路控制器于该系统启动后即被选取。
4.如权利要求1所述的集成电路系统，其中该供应电压不大于1伏特。
5.如权利要求1所述的集成电路系统，还包含系统电压控制器，调控电压的范围在-1.5伏特至1.5伏特间。
6.如权利要求1所述的集成电路系统，其中该目标电压比该供应电压高0.5伏特。
7.如权利要求1所述的集成电路系统，还包括：
电路元件，其中该目标电压为-0.5伏特。
8.如权利要求1所述的集成电路系统，其中该系统电压为操作电压，做为在低供应电压元件上的低增字元线电压。
9.如权利要求1所述的集成电路系统，其中该系统电压为Vbb电压，用来当作在嵌入式动态随机存储器单元内P型金属氧化物半导体晶体管通过闸的字元线启动电压供应，以及N型金属氧化物半导体晶体管通过闸的字元线关闭电压供应。
10.一种集成电路系统，包括：
Vpp电荷泵，将供应电压增加成为系统电压；
Vpp储能槽，储存来自该Vpp电荷泵的电荷；
开回路连续脉冲产生器，将信号传送至该Vpp电荷泵；
能隙电路，用来产生能隙电压Vbg；
能隙电压检测器，用来检测Vbg；
切换器，由该能隙电压检测器控制，切换于开回路运作与闭回路运作之间；
Vpp准位控制器，做为闭回路连续脉冲产生器，将闭回路信号传送至该Vpp电荷泵；
Vpp电压检测区块，用来告知该Vpp准位控制器Vpp系统电压；
比较器，将该Vpp系统电压与Vbg相比，比较结果用来决定是否传送闭回路信号至该Vpp电荷泵。
11.如权利要求10所述的集成电路系统，其中供应电压比该能隙电路的操作电压低。
12.一种操作集成电路系统的方法，包括：
利用电荷泵，提升供应电压至目标系统电压；
产生开回路信号，其中在开回路运作期间，开回路控制器传送多个提升信号至该电荷泵；
在闭回路控制器内产生闭回路信号，其中该闭回路控制器在闭回路运作中传送多个信号至该电荷泵；
通知该闭回路控制器有关系统电压；
通过能隙电路系统产生能隙基准电压；
利用能隙基准电压在该闭回路控制器内调控该系统电压至该目标系统电压；
由切换控制器检测作用中的该能隙电路；以及
由该切换控制器控制该切换在该开回路运作与该闭回路运作间。
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