CN1615587A - 集成电路和电池供电的电子设备 - Google Patents

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Abstract

集成电路(100)具有可以通过使能晶体管(104)切换到待机模式的电路部分(102)，该使能晶体管耦合在内部电源线(120)和外部电源线(130)之间。使能晶体管(104)通过控制电路经由控制线(160)控制。控制线(160)耦合到逻辑门(150)的第一晶体管(152)和另一晶体管(154)的栅极上。另一晶体管(154)的衬底耦合到反向偏置发生器(170)上。因此，当使能晶体管(104)关断时，另一晶体管(154)启动并将基本的反向偏置施加到使能晶体管(104)的栅极上，由此显著地减小了从电路部分(102)穿过使能晶体管(104)的漏电流。

Description

集成电路和电池供电的电子设备
本发明涉及一种集成电路，包括：
外部电源线，内部电源线，
与内部电源线耦合的电路部分，用于将内部电源线耦合到外部线的使能晶体管；以及与使能晶体管栅极耦合的控制装置，用于将使能晶体管切换到具有第一栅极电压的导电状态，和具有第二栅极电压的非导电状态。
本发明还涉及具有这种集成电路的电池供电的电子设备。
由IEEE Journal of Solid State Circuits，Vol.32(1)；p.52-61，1997可知这种集成电路的实施例。
在IC设计领域中，目前的晶体管尺寸的按比例缩小允许IC上晶体管密度的增大，其能够发展日益复杂的IC。然而，晶体管密度的增大也引起显著的复杂性。除噪声的增加、串扰和许多设计技术缺陷外，以上仅列出了几个问题，这些超大规模集成电路(VLSI)在运行期间还消耗大量功率。此外，随着晶体管尺寸和电源电压的减小，这些晶体管的阈值电压(VT)通常也降低，以实现晶体管的高频开关。对于这些晶体管来说，这会引起漏电流增加，其增加了电路的总功率消耗，特别是增加了待机电流。对于包括这种电路的电池供电的设备，如手提式设备、膝上型电脑、移动电话、便携式CD唱机等，尤其会在电池寿命方面产生问题。因此，低功耗是IC设计中的重要问题，特别是当这些IC应用在这种设备中时。
从前述现有技术得知的互补金属氧化物半导体(CMOS)电路，由于存在耦合到的控制电路的使能晶体管用于将外部电源线耦合到内部电源线，例如在电路的外部电源线(Vdd，ext)和内部电源线(Vdd，int)之间耦合的pMOS高VT晶体管，因而具有低功耗设计。通过将使能晶体管的栅极电压在第一栅极电压和第二栅极电压之间切换，该高VT晶体管通过来自控制电路的使能/禁止控制信号来控制，由此来使能/禁止电流提供给电路部分。例如在诸如电池供电设备的待机模式期间，通过关断大部分IC，实现所消耗功率的有效节省，从而增加电池寿命。高VT晶体管的使用将待机模式中来自电路部分的漏电流减小了十或二十倍。
使用高VT晶体管的缺点是，必须对使能晶体管采用与对电路部分所使用的技术不同的技术，其增加了IC设计的复杂性和IC制造成本。此外，为了避免高VT晶体管上显著的电压降，这种晶体管必须相对很大，其增加了集成电路的总面积，还增加了IC制造成本。
本发明的一个目的是提供一种在起始段中描述的那种集成电路，其中与高VT使能晶体管相比，可以以与电路部分相同的工艺实现使能晶体管，而不增大待机漏电流。
现在，该目的的实现在于，控制装置设置为通过偏置第二栅极电压，减小非导电状态中穿过该使能晶体管的漏电流。
通过偏置该第二栅极电压，例如对使能晶体管的栅极施加栅极反向偏置电压，扩大了使能晶体管的阈值电压和其非导电状态中使能晶体管的电压之间的电压间隙。这可以造成从电路部分穿过该晶体管的待机漏电流的显著减小；例如，仅仅100mV的栅极反向偏置电压就将穿过该晶体管的亚阈值漏电流减小了10-15倍，并且施加几伏的栅极反向偏置将亚阈值漏电减小了超过100倍(10 decades)。虽然在IC中还存在其它漏电流路径，但是晶体管的亚阈值漏电流是深亚微米技术中总电流泄露的主要影响因素，其保证了本发明的重要性。
在优选实施例中，控制装置包括具有与该集成电路的体衬底导电绝缘的衬底的另一晶体管，该衬底耦合到偏置电压源上，并且该另一晶体管响应于控制信号用于将使能晶体管切换到非导电状态。在这点上，要注意的是，使用衬底和/或阱反向偏置电压技术以减小漏电流是本领域已知的。例如，US专利US 5,744,996披露了一种CMOS电路，通过对电路中晶体管的衬底施加反向偏置电压可以调整该CMOS电路以便在不同的电源电压下工作。在另一US专利中，例如US6,124,752，通过使用响应于专用控制电路的电荷泵用于从衬底去除电荷，对必须施加第三电源电压的问题提供了解决方案，该第三电源电压例如是仅次于电路的标称电源电压Vdd和接地电源电压Vss的反向偏置电压。然而，这些专利中所描述的结构的一般方法是，或者是对部分电路，例如电路部分施加反向偏置电压，在这种情况下需要三阱(triple-well)技术或其它绝缘技术，或者对整个电路施加反向偏置电压。然而，对大部分集成电路施加反向偏置电压的缺点在于，如电荷泵的反向偏置发生器必须控制大体积的衬底，其对反向偏置发生器的尺寸或完成反向偏置施加的实际时间周期有负面影响。此外，由于所谓的k因数的预期缩减，期望随着工艺尺寸的进一步缩小，施加反向偏置电压以减小漏电流的正面影响变得更小，如以下公式所表示的：
VT＝Vx+k√(Vsb+2φF)
其中，VT是阈值电压，Vx是工艺相关的恒定阈值电压项，k是体因数(body factor)或k因数，其取决于工艺中每单位面积氧化物的氧化物电容，φF是费米能级，Vsb是源-体或反向偏置电压。本领域技术人员将会认识到，随着k因数的减小，反向偏压对于阈值电压增加的影响将变得更加缓和，其造成来自电路或电路部分的漏电流更小的缩减。
要强调的是，前述实施例不会因k因数的影响的预期变差而受到显著损害；电路部分和使能晶体管都以默认工艺来实现，同时将负责产生施加给使能晶体管栅极的反向偏置电压的晶体管连接到反向偏置源。因此，作为在将来的工艺中k因数减小的结果，该晶体管，而不是电路部分和使能晶体管，将经历待机中增大的漏电流，对于典型地具有几百万晶体管的IC的漏电流来说可以忽略其作用。而且，在标准工艺，例如CMOS工艺中大多数IC的实现，具有如下优点，使用标称电源线Vdd和Vss的标准库单元可以用于电路部分和使能晶体管，并且用于施加反向偏置电压的电源线布线问题(routingissues)仍然受限于负责产生使能晶体管栅极反向偏置的晶体管。此外，由于负责产生施加到使能晶体管栅极的反向偏置电压的晶体管衬底面积的适度尺寸，与其中必须偏置更大量的衬底面积的已知反向偏置施加形成对比，该反向偏置可以快速建立。
如果偏置电压源包括对控制信号作出响应的反向偏置发生器，则是有利的。
通过使反向偏置发生器响应于控制信号，反向偏置发生器仅在必要时切换，例如当电路部分切换到待机模式时，其降低了反向偏置发生器的功率消耗。
电池供电设备的重要性质是工作周期的长度；即设备在不需要更换电池的情况下运行的周期。通常，这种设备工作周期的增长显著地增强了它的市场地位，特别是对于移动电话和膝上型电脑，仅列出一些电池供电设备。由于随着待机模式中来自电路部分的漏电流的显著减小，大部分IC可以关断，因此利用根据本发明的IC的电池供电设备可以提供更长的运行时间，总的说来，其提高了设备的市场地位。
参考附图，通过不受限的示例，更加详细地描述根据本发明的集成电路和设备，其中：
图1示出了根据本发明实施例的具有开/关切换装置的电路；以及
图2示出了根据本发明的具有开/关切换装置的集成电路的电池供电设备。
在图1中，集成电路100具有电路部分102。电路部分102耦合在电源线110和内部电源线120之间，该内部电源线120通过使能晶体管104与外部电源线130耦合。可选择地，去耦电容106耦合在电源线110和内部电源线120之间，用于在电路部分102上电期间补偿电源电压中的毛刺(glitch)。使能晶体管104的栅极与例如反相器的逻辑门150耦合，该逻辑门具有用于产生将使能晶体管104切换到导电状态的第一栅极电压的晶体管152，和用于产生将使能晶体管104切换到非导电状态的第二栅极电压的另一晶体管154。可以在不背离本发明范围的情况下使用其它逻辑门。
另一晶体管154的衬底通过反向偏置电源线140耦合到反向偏置源170，例如，类似电荷泵的反向偏置发生器或者用于产生反向偏置的另一已知设备。晶体管152和另一晶体管154的栅极通过控制信号线160耦合到未示出的控制电路。要强调的是，由于可靠性的原因，为了承受当晶体管154切换为导电状态时由施加的反向偏置造成的增大的栅-源和栅-漏电压，晶体管154优选以两个晶体管的级联实现。未示出的控制电路用于控制电路部分102的工作模式，例如运行或待机模式，其中该控制电路可以集成到集成电路100中或至少部分地设置在集成电路100之外。可选择地，在使反向偏置源170也响应于控制电路的情况下，反向偏置源170也连接到控制信号线160上，通过该线的虚线部分来表示。在图1中，由于这是优选的设置，因此将反向偏置源170集成在集成电路100中。然而，在不背离本发明教导的情况下，也可以使用通过集成电路100未示出的输入引脚耦合到另一晶体管154的外部反向偏置源，这对本领域技术人员来说是显而易见的。
在图1所示的实施例中，电源线110是Vdd线，内部电源线120是内部Vss线，且外部电源线130是外部Vss线，同时使能晶体管104是nMOS晶体管。由于nMOS晶体管具有优于pMOS晶体管的电导，其在运行模式中当大电流不得不流过电路部分102时有用，因此这是优选实施例。在本实施例中，施加到使能晶体管的反向偏置实际上是负电压，优选为几伏。然而，本领域技术人员应理解，在不背离本发明范围的情况下，电源线110可以是Vss线，内部电源线120可以是内部Vdd线，且外部电源线130可以是外部Vdd线，同时使能晶体管104是pMOS晶体管。在后者情况下，所施加的反向偏置将是比Vdd更正的电压，以便增大pMOS晶体管104的栅极电压和阈值电压之间的间隙。而且，在不背离本发明的范围下，可以考虑内部和外部Vdd电源线之间以及内部和外部Vss电源线之间的使能晶体管的组合。
反过来参照图1的详细描述来描述图2。除非另有说明，相应的参考数字具有相同的含义。在图2中，电池供电的电子设备200，例如手提式电脑、膝上型电脑、个人助理、移动电话等，结合了根据本发明的集成电路100。仅为清楚起见，在图2中仅明确地示出集成电路100的外部电源线130。外部电源线130耦合到电池盒220的接触222上；为清楚起见，未示出电源线110和电池盒220的接触222之间的连接。在电路部分102的待机模式中，由于使能晶体管104的栅极施加了反向偏置，因此电池盒220中未示出的电池几乎不对电路部分102提供任何功率。在未示出的控制电路的控制下，电路部分102将切换到待机模式；该控制电路可以部分或全部集成到集成电路100之外的电池供电的电子设备200中，或者可以集成到集成电路100中。根据本发明的集成电路100的存在急剧增长了电池供电电子设备200的未示出电池的寿命，其显著地提高了它的市场性，这是因为孤立工作时间，例如在不连接至除电池之外的电源的情况下电池供电电子设备200能够工作的时间，对于这种产品的销售来说是重要的性能。
应当注意的是，上述实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员能够在不脱离所附权利要求的范围下设计许多替换实施例。在权利要求中，位于括号间的参考标记不应解释为对权利要求的限制。词语“包括”不排除除权利要求中列出的那些之外存在的元件或步骤。元件之前的词语“一”或“一个”不排除多个这种元件的存在。在列举若干装置的设备权利要求中，可以通过一个和相同的硬件项使这些装置中的一些具体化。在相互不同的从属权利要求中列举了某些措施不代表不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (4)

1.一种集成电路(100)，包括：
外部电源线(130)；
内部电源线(120)；
耦合到内部电源线(120)的电路部分(102)；
用于将内部电源线(120)耦合到外部电源线(130)的使能晶体管(104)；以及
耦合到使能晶体管(104)的栅极的控制装置(150，160)，用于将使能晶体管(104)切换到具有第一栅极电压的导电状态，和切换到具有第二栅极电压的非导电状态，
其特征在于，控制装置(150，160)设置为通过偏置该第二栅极电压，减小在非导电状态中穿过该使能晶体管(104)的漏电流。
2.如权利要求1所要求的集成电路(100)，其特征在于，控制装置(150)包括具有与该集成电路的体衬底导电绝缘的衬底的另一晶体管(154)，该衬底耦合到偏置电压源(170)上，并且该另一晶体管(154)响应于控制信号用于将使能晶体管(104)切换到非导电状态。
3.如权利要求2所要求的集成电路(100)，其特征在于，该偏置电压源(170)包括对该控制信号响应的反向偏置发生器。
4.一种电池供电的电子设备(200)，包括耦合到电池盒(220)的接触(222)上的电源线(230)，其特征在于，该电源线(230)耦合到根据权利要求1的集成电路(100)的外部电源线(130)上。
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