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Die Erfindung betrifft einen integrierten Schaltkreis
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Steuern
einer Stromversorgung für
einen derartigen integrierten Schaltkreis nach dem Oberbegriff von
Anspruch 5.
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Bei heutigen mikroelektronischen
Schaltungen werden Spannungsgeneratoren auf den Chip eingesetzt,
um eine stabile, definierte Spannung aus der externen Versorgungsspannung
zu erzeugen. Die externe Versorgungsspannung ist zwar vorgegeben,
kann aber innerhalb der Spezifikationsgrenzen schwanken.
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Ein typisches Beispiel ist die Erzeugung
einer internen Spannung von 2,0 V aus einer externen Versorgungsspannung
von 2,5 ± 0,2
V. Hierfür
sind mehrere Spannungsgeneratoren über den Chip verteilt. Dabei
besteht jeder der mehreren Spannungsgeneratoren üblicherweise aus einem pFET-
oder nFET-Transistor
(pull-up-Transistor) und einem Komparator. Der Komparator ist über einen
Eingang mit einer stabilen Referenzspannung verbunden, die in der
Regel durch eine Bandlückenreferenzschaltung erzeugt
wird.
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Besonders bei kleinen Unterschieden
zwischen der Versorgungsspannung und der internen Spannung stellt
sich jedoch das Problem, dass die Anzahl der verwendeten Spannungsgeneratoren
auf dem Chip sehr groß werden
muss. Da diese Spannungsgeneratoren selbst einen nicht kleinen Betriebsstrom
benötigen,
kann es so zu einer deutlichen Erhöhung des Gesamtbetriebsstromes
kommen. Gegenwärtig
wird die Zahl der Spannungsgeneratoren so gewählt, dass die interne Spannung
auch noch bei der niedrigsten zulässigen Versorgungsspannung
erzeugt werden kann. Und zur Sicherheit werden auch darüber hinaus
weitere Generatoren eingeplant.
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Im Stand der Technik ist aus
DE 42 05 040 A1 eine
Halbleitervorrichtung mit interner Spannungabsenkungsschaltung bekannt,
worauf sich der Oberbegriff von Anspruch 1 und Anspruch 5 bezieht. Bei
dieser Halbleitervorrichtung ist ein N-Kanal-MOS-Transistor parallel zu einer Treiberschaltung
vorgesehen, die einen p-Kanal-MOS-Transistor umfasst. Normalerweise
stellt die n-Kanal-Treiberschaltung eine interne Versorgungsspannung
bereit, wobei die Treiberschaltung nur zum Zeitpunkt einer Stromspitze
aktiviert wird. Hierdurch wird eine unzureichende Stromtreiberfähigkeit
der n-Kanaltreiberschaltung ausgeglichen.
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Darüber hinaus ist aus
DE 41 39 163 A1 ein Referenzspannungserzeugungsschaltkreis
bekannt. Dieser integrierte Schaltkreis dient zum Reduzieren einer
externen Versorgungsspannung. Dazu umfasst er insbesondere einen
Bandabstandsreferenzschaltkreis.
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Aus
DE
41 15 082 C2 ist außerdem
eine Halbleitereinrichtung mit einer Spannungswandlerschaltung bekannt.
Die Halbleitereinrichtung umfasst eine Spannungswandlerschaltung
zum Umwandeln einer extern angelegten Betriebsspannung in eine vorbestimmte
Spannung. Dabei wird durch eine Auswahleinrichtung eine von mehreren
Referenzspannungen ausgewählt,
in Abhängigkeit
von der die vorbestimmte Spannung durch die Spannungswandlerschaltung
ausgegeben wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, die Anzahl der Generatoren, die tatsächlich im Einsatz sind, in
Abhängigkeit
von den Betriebsbedingungen zu optimieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
einen integrierten Schaltkreis nach Anspruch 1 und ein Verfahren
nach Anspruch 5. Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Lösung der obigen Aufgabe besteht
darin, die Stromversorgungseinheiten in Abhängigkeit von der externen Spannung
zu- bzw. abzuschalten. Innerhalb des durch die Spezifikation vorgegebenen
Rahmens wird geprüft,
ob die externe Versorgungsspannung über einem vorgegebenen Sollwert
liegt oder nicht. Wenn die externe Versorgungsspannung über dem
Sollwert liegt, wird die minimale Anzahl der Stromversorgungseinheiten aktiviert,
die ausreicht, um aus der höheren
Versorgungsspannung die. interne Spannung zu erzeugen. Anderenfalls
werden zusätzliche
Generatoren aktiviert.
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Erfindungsgemäß ist der integrierte Schaltkreis,
der durch eine Versorgungsspannung von außen versorgt wird, mit wenigstens
einer Nutzschaltung und einer Stromversorgung für die wenigstens eine Nutzschaltung,
die mehrere Stromversorgungseinheiten umfasst, dadurch gekennzeichnet,
dass die Stromversorgung eine Steuereinheit umfasst zum Vergleichen
der Versorgungsspannung mit einem vorgegebenen Sollwert und zum
Ein- oder Ausschalten
einer oder mehrerer der schaltbaren Stromversorgungseinheiten in
Abhängigkeit
von dem Vergleichsergebnis.
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Vorzugsweise umfasst die Steuereinheit
einen Niedrigstromkomparator zum Vergleichen der Versorgungsspannung
mit dem vorgegebenen Sollwert. Insbesondere umfasst der Niedrigstromkomparator
einen Spannungsteiler zwischen einer Betriebsspannung und Masse,
um den Sollwert zu erzeugen.
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Vorzugsweise wird die Referenzspannung durch
eine Bandlückenreferenzschaltung
erzeugt.
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Erfindungsgemäß ist das Verfahren zum Steuern
einer Stromversorgung für
einen derartigen integrierten Schaltkreis gekennzeichnet durch die Schritte
Vergleichen der Versorgungsspannung mit einem vorgegebenen Sollwert
und Ein- oder Ausschalten einer oder mehrerer der schaltbaren Stromversorgungseinheiten
in Abhängigkeit
von dem Vergleichsergebnis durch eine Steuereinheit.
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Vorzugsweise erfolgt das Vergleichen
der Versorgungsspannung stufenweise mit mehreren vorgegebenen Sollwerten,
so dass das Zuschalten der schaltbaren Stromversorgungseinheiten
gestaffelt durchgeführt
wird.
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Insbesondere erfolgt das Ein- und
Ausschalten der schaltbaren Stromversorgungseinheiten mit einer
Hysterese, so dass Schwingungen verhindert werden.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist
es, dass die Steuereinheit relativ einfach im Aufbau ist und daher
wenig Platz auf dem Chip beansprucht.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsbeispielen,
bei der Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen.
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1 zeigt
einen klassischen integrierten Schaltkreis mit einer Nutzschaltung
und mehreren Stromversorgungseinheiten.
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2 zeigt
einen typischen Aufbau einer Stromversorgungseinheit.
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3 zeigt
den Aufbau des Komparators in der Stromversorgungseinheit nach 2.
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4 zeigt
eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Steuereinheit.
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In 1 ist
ein integrierter Schaltkreis 1 auf einem Chip dargestellt,
der eine Nutzschaltung 2 aufweist. Die Nutzschaltung 2 wird
durch eine auf dem Chip integrierte Stromversorgung versorgt. Die Stromversorgung
setzt sich aus mehreren Stromversorgungseinheiten 3 zusammen.
Diese sind auf dem Chip des integrierten Schaltkreises um die Nutzschaltung 2 verteilt,
so dass die Leitungen 4, über die sie mit den wesentlichen
Verbrauchern der Nutzschaltung 2 verbunden sind, möglichst
kurz sind.
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Die Stromversorgungseinheiten 3 sind
ihrerseits mit externen Versorgungsleitungen 5 und 6 verbunden,
von denen beispielsweise eine auf dem Versorgungspotential VDD und
die andere auf Masse liegt.
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In 2 ist
eine typische Stromversorgungseinheit 3 dargestellt. Sie
umfasst eine eigentliche Generatorschaltung 7, die wiederum
im wesentlichen eine Treiberstufe 8 aufweist, welche durch
einen Komparator 9 angesteuert wird. Die Treiberstufe 8, die
hier als pFET- Transistor dargestellt ist, ist zwischen die (externe)
Versorgungsspannung VDD und Masse geschaltet. Die Source des Treibertransistors 8 ist
mit VDD verbunden, sein Gate ist mit dem Ausgang OUT des Komparators 9 verbunden.
Die interne Versorgungsspannung VINT wird an seinem Drain abgegriffen,
der über
einen Spannungsteiler 10a, lOb auf Masse liegt.
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Der erste Eingang des Komparators 9 (sein nicht-
invertierender Eingang) ist mit dem Mittelabgriff des Spannungsteilers 10a, 10b verbunden.
An dem zweiten (invertierenden) Eingang des Komparators 9 liegt
eine Referenzspannung, die in der dargestellten Schaltung durch
eine Bandlückenreferenzschaltung 11 hergestellt
wird. Die Bandlückenreferenzschaltung 11 ist
idR nicht Teil der eigentlichen Generatorschaltung 7, sie
ist nur einmal auf dem Chip vorhanden und dient mehreren verschiedenen
Schaltungen als Referenzspannungsquelle.
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Die Stromversorgungseinheit 7 kann über einen
oder mehrere Schaltelemente 12a und 12b aktiviert
oder in einen Ruhezustand gebracht werden.
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3 zeigt
den Aufbau des Komparators 9 in 2. Er ist ein Differenzverstärker mit
einem ersten nFET- Eingangstransistor 13a am nicht-invertierenden
Eingang und einem zweiten nFET- Eingangstransistor 13b am
invertierenden Eingang. Am ersten Transistor 13a liegt
beispielsweise die Spannung an, die über dem zweiten Widerstand 10b des
Spannungsteilers in, 2 abfällt. An
dem zweiten Transistor 13b liegt in diesem Fall die Spannung
an, die von der Bandlückenreferenzschaltung 11 geliefert wird.
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Die Source des ersten Eingangstransistors 13a liegt über einen
als Diode geschalteten ersten pFET- Transistor 14a auf
VDD. Desgleichen liegt die Source des zweiten Eingangstransistors 13b über einen
pFET- Transistor 14b auf VDD. Das Signal OUT zur Ansteuerung
des Treibertransistors 8 wird an der Source des zweiten
Transistors 13b abgegriffen. Der Drain der beiden Transistoren 13a und 13b ist
mit einer Stromquelle verbunden. Die Stromquelle im Drain- Kreis
der beiden Eingangstransistoren 13a und 13b ist
hier als pFET- Transistor 15 dargestellt. Die Verbindung
des Drains der beiden Transistoren 13a und 13b mit
der Stromquelle 15 kann durch ein Schaltelement 16 unterbrochen
werden, an dessen Eingang ein ENABLE- Signal anliegt.
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Erfindungsgemäß werden die ENABLE-Eingänge der
oben beschriebenen Schaltungen verwendet, um die Schaltungen durch
eine zentrale Steuerung selektiv zu aktivieren oder in einen Ruhezustand zu
versetzen. 4 zeigt eine
Ausführungsform
der Stromversorgung eines integrierten Schaltkreises mit einer (nicht
dargestellten) Nutzschaltung und mehreren Stromversorgungseinheiten,
von denen zwei dargestellt sind, nämlich 17a und 17b.
Beide Stromversorgungseinheiten 17a und 17b beziehen
sich auf eine Bandlückenreferenzschaltung 11.
Sie haben jeweils einen ENABLE- Eingang, über den sie wie oben in Zusammenhang
mit 2 und 3 beschrieben aktiviert
werden können.
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In der Darstellung in 4 ist der ENABLE- Eingang
der Stromversorgungseinheit 17a nicht verbunden, so dass
sie permanent aktiv ist. (Selbstverständlich kann jedoch der ENABLE-Eingang der Stromversorgung 17a auch
nach draußen
geführt werden,
so dass die Stromversorgung 17a in Abhängigkeit von hier nicht weiter
betrachteten Bedingungen ein- oder ausgeschaltet werden kann.) Dagegen wird
die Stromversorgung 17b über ihren ENABLE- Eingang von
einer Steuereinheit 18 angesteuert. Die Steuereinheit 18 umfasst
einen Niedrigstromkomparator 19, der die Bandlückenreferenzspannung
mit der tatsächlichen
extern anliegenden Versorgungsspannung VDD vergleicht. In der Praxis
vergleicht der Niedrigstromkomparator 19 die Bandlückenreferenzspannung
mit einem vorgegebenen Bruchteil der externen Versorgungsspannung
VDD, der sehr genau mittels Spannungsteiler 20a, 20b eingestellt
werden kann. Wenn dieser Bruchteil der externen Versorgungsspannung
VDD unter die Bandlückenreferenzspannung
der Schaltung 11, d.h. unter den Sollwert sinkt, wird ein
Signal an den ENABLE- Eingang der zweiten Stromversorgungseinheit 17b ausgegeben,
so dass diese aktiviert wird. Sinkt dagegen die Bandlückenreferenzspannung
der Schaltung 11 unter den Bruchteil der externen Versorgungsspannung VDD,
wird entsprechend ein Signal an den ENABLE- Eingang der zweiten
Stromversorgungseinheit 17b ausgegeben, durch das die zweite
Stromversorgungseinheit 17b abgeschaltet wird.
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Somit ist sichergestellt, dass in
Abhängigkeit von
der Höhe
der externen Versorgungsspannung nur so viele Stromversorgungseinheiten 17b eingeschaltet
sind, wie notwendig sind für
den störungsfreien
Betrieb der Nutzschaltung 2.
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Die Erfindung ist nicht auf die obigen
Ausführungsbeispiele
beschränkt.
So kann die Versorgungsspannung VDD stufenweise mit mehreren vorgegebenen
Sollwerten verglichen werden. Bei jedem Überschreiten eines der vorgegebenen
Sollwerte (dem ein eigener Spannungsteiler 20a, 20b entspricht)
wird gestaffelt eine der mehreren schaltbaren Stromversorgungseinheiten 17b aktiviert
bzw. in den Ruhezustand gebracht.
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Um zu häufiges, schnelles Zu- und Abschalten
von Stromversorgungseinheiten 17b zu vermeiden, wenn sich
die Versorgungsspannung VDD in der Nähe des (bzw. eines) Sollwertes
befindet, weist bei einer (nicht dargestellten) bevorzugten Ausführungsform
der Niedrigstromkomparator 19 eine Hysterese auf, so dass
es zu keinen Schwingungen kommen kann. Diese Technik ist dem Fachmann
allgemein bekannt und wird daher hier nicht weiter erläutert.
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In 4 ist
der einfachste Fall gezeigt, bei dem bei Überschreiten des Sollwertes
lediglich eine Stromversorgungseinheit 17b aktiviert wird.
So ist folglich nur eine permanent aktive Stromversorgungseinheit 17a und
eine zu- bzw. abschaltbare Stromversorgungseinheit 17b dargestellt.
Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Allgemeiner werden M von N vorhandenen
Stromversorgungseinheiten 17b aktiviert, so dass die Regel
gilt, dass im schlechtesten Fall N Stromversorgungseinheiten 17b aktiv
sind, während
es bei günstigeren
Bedingungen lediglich M Stromversorgungseinheiten 17b sind.
Insbesondere können
dabei mehrere Stromversorgungseinheiten 17b unterhalb des
Sollwertes vorgesehen sein, während
wenigstens eine Stromversorgungseinheit 17b oberhalb des
Sollwertes betrieben wird.
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- 1
- integrierter
Schaltkreis
- 2
- Nutzschaltung
des integrierten Schaltkreises
- 3
- Stromversorgungseinheit
- 4
- Zuleitung
zu Nutzschaltung
- 5
- erste
externe Versorgungsleitung
- 6
- zweite
externe Versorgungsleitung
- 7
- Generatorschaltung
nach dem Stand der Technik
- 8
- Treibertransistor
- 9
- Komparator
- 10
- Spannungsteiler
- 10a
- erster
Widerstand
- 10b
- zweiter
Widerstand
- 11
- Bandlückenreferenzschaltung
- 12
- ENABLE-
Transistoren
- 12a
- erster
pFET- ENABLE- Transistor
- 12b
- zweiter
nFET- ENABLE- Transistor
- 13
- nFET-
Eingangstransistor
- 13a
- erster
nFET- Eingangstransistor
- 13b
- zweiter
nFET- Eingangstransistor
- 14
- Kollektorwiderstände (pFET-
Transistoren)
- 14a
- erster
Kollektorwiderstand,
- 14b
- zweiter
Kollektorwiderstand
- 15
- Stromquelle
(nFET- Transistor)
- 16
- nFET-
ENABLE- Transistor
- 17
- modifizierte
Stromversorgungseinheiten
- 17a
- permanente
Stromversorgungseinheit
- 17b
- schaltbare
Stromversorgungseinheit
- 18
- Steuereinheit
- 19
- Niedrigstromkomparator
- 20
- Spannungsteiler,
- 20a
- erster
Widerstand
- 20b
- zweiter
Widerstand