DE19505502C2 - Spannungsgenerator für ein Halbleiterbauelement - Google Patents

Spannungsgenerator für ein Halbleiterbauelement

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Spannungs- Generator für ein Halbleiterbauelement.
Bei Halbleiterbauelementen existiert der Fall, bei dem eine Spannung einer Leistungsquelle erforderlich ist, die sich von der extern angelegten Spannung unterscheidet. Ein Bei­ spiel einer solchen Spannung ist die Vorspannung, die an das Substrat eines MOS-Bauelements angelegt wird, um die Zuverlässigkeit zu verbessern, indem der Ein­ fluß der Temperaturänderungen und der externen Spannungs­ quelle reduziert wird. Ein weiteres Beispiel ist die erhöhte Spannung, die an die Wortleitungen angelegt wird, um den Spannungsabfall in dem Stromwegtransistor der Speicherzelle während der Auswahl der Wortleitung zu verhindern.
Die US 4,775,959 offenbart einen Spannungsgenerator für eine interne Vorspannung, wie er in Fig. 2 gezeigt ist.
Dieser Vbb-Generator weist einen ersten Vbb-Generator G1 und einen zweiten Vbb-Generator G2 auf.
Der erste Vbb-Generator G1 weist einen ersten Schwingungs­ abschnitt OSC1 und einen Gleichrichtungsabschnitt REC auf. Der zweite Vbb-Generator weist einen zweiten Schwingungs­ abschnitt OSC2 und einen Gleichrichtungsabschnitt REC auf.
Der erste Vbb-Generator G1 und der zweite Vbb-Generator G2 sind aus Spannungserzeugungsschaltungen, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, aufgebaut.
Die ersten Eingänge der drei NAND-Gatter sind seriell mit­ einander verbunden. Die Ausgangsseite des letzten NAND-Gat­ ters ist mit der Eingangsseite des ersten NAND-Gatters der­ art verbunden, daß die erzeugten Signale zirkulieren, wo­ durch ein Oszillator gebildet ist. Die Ausgabe dieses Oszil­ lators wird durch eine Pufferschaltung 12 einer ersten Elek­ trode eines Pumpkondensators C1 zugeführt. Ein Gleichrichter ist gebildet, indem eine zweite Elektrode dieses Kondensa­ tors C1 mit Transistoren 16 und 17 (die als Gleichrichtungs­ elemente dienen) verbunden ist.
Die zweiten Eingangsanschlüsse der drei NAND-Gatter NAND1, NAND2 und NAND3 sind mit Oszillatoraktivierungs-Signalen verbunden. Der Pumpkondensator des zweiten Vbb-Generators G2 besitzt eine große Kapazität, während der Kondensator des ersten Vbb-Generators G1 eine relativ kleine Kapazität be­ sitzt.
Gemäß der Spannungserzeugungsoperation dieser Schaltung wird eine Schwingungsausgabe erzeugt, wenn die Leistungsquelle Vcc liefert, und wenn ein Oszillatoraktivierungs-Signal EN zum Aktivieren des Oszillators OSC in den zweiten Eingangs­ anschluß aller NAND-Gatter eingegeben wird.
Wenn das Schwingungsausgabesignal einen hohen Pegel besitzt, durchläuft das Signal die Pufferschaltung 12 (treibt den Pumpkondensator), um eine erste Elektrode 14 des Pumpkonden­ sators C1 auf einen hohen Pegel zu setzen. Unter dieser Vor­ aussetzung steigt aufgrund der Koppelaktion eine zweite Elektrode 15 des Pumpkondensators auf einen hohen Pegel.
Wenn das Potential der zweiten Elektrode 15 des Pumpkonden­ sators höher als das des positiven Anschlusses (des Masse- Potentials GND) ist, wird eine erste Gleichrichtungsvorrich­ tung 16 eingeschaltet, so daß dasselbe mit dem positiven An­ schluß verbunden wird.
Wenn dann das Schwingungsausgabesignal zu einem tiefen Pegel geschoben wird, wird die tiefe Spannung durch die Puffer­ schaltung 12 zum Treiben des Pumpkondensators zu der ersten Elektrode 14 des Pumpkondensators übertragen, um dieselbe auf einen tiefen Pegel zu setzen. Zur gleichen Zeit wird auch die zweite Elektrode des Pumpkondensators wegen des Koppeleffektes auf einen tiefen Pegel geschoben.
Dann wird das Potential der zweiten Elektrode 15 des Pump­ kondensators tiefer als das des positiven Anschlusses, so daß die erste Gleichrichtungsvorrichtung 16 ausgeschaltet wird. Wenn das Potential der zweiten Elektrode 15 des Pump­ kondensators 15 kleiner wird als das des negativen Anschlus­ ses (z. B. das Rückwärtsvorspannungspotential -Vbb), wird die zweite Gleichrichtungsvorrichtung 17 eingeschaltet, so daß dieselbe mit dem Potential des negativen Anschlusses verbun­ den wird.
Danach erreichen die Schwingungsausgabesignale erneut einen hohen Pegel, wobei diese Operation mit dem Ergebnis wieder­ holt wird, daß die Elektronen des positiven Anschlusses zu dem negativen Anschluß bewegt werden, wodurch Pumpopera­ tionen durchgeführt werden und eine Spannung erzeugt wird.
Der erste Vbb-Generator G1 erzeugt folglich eine negative Spannung, wobei die negative Spannung jedoch sehr schwach ist, in einem solchen Ausmaß, daß sie nur in der Lage ist, die Leckströme in den Transistoren zu kompensieren, wenn der Chip während eines Bereitschaftszustands nicht arbeitet.
Unterdessen ist die Erzeugung der negativen Spannung durch den zweiten Vbb-Generator G2 viel größer, in einem solchen Ausmaß, daß derselbe in der Lage ist, die Leckströme der Transistoren während des normalen Betriebs des Halbleiter­ bauelements zu kompensieren.
Wenn die Erzeugung der Spannung erhöht werden soll, muß die Kapazität der Pufferschaltung, die den Pumpkondensator treibt, erhöht werden und zur gleichen Zeit müssen die Kapa­ zität des Pumpkondensators und die Kapazität der Gleichrich­ tungsvorrichtung erhöht werden.
Wenn dem Chip anfänglich Leistung zugeführt wird, wird, um Vbb schrittweise auf den gewünschten Pegel zu erhöhen, fer­ ner manchmal ein Verstärkungspumpen verwendet. Dieses dient zum Erfassen der anfänglichen Leistungszuführung mittels ei­ nes Anlauf-Detektors, so daß die Schwingfrequenz erhöht wird und die Pumpoperation schneller gemacht wird.
Wenn die negative Spannung kontinuierlich zugeführt wird, und wenn folglich die Spannung Vbb auf einen bestimmten Pe­ gel abnimmt, wird in der Schaltung von Fig. 2 ein Rückwärts­ vorspannungs-Spannungserfassungssignal von einem Rückwärts­ vorspannungs-Spannungserfassungsabschnitt (VLD-Abschnitt) ausgegeben, so daß das Spannungsgenerator-Aktivierungssignal nicht zugeführt wird, wodurch die Spannung auf einem kon­ stanten Pegel gehalten wird.
Ferner weisen die US 4,794,278, 4,964,082 und 4,985,869 sowie die DE 41 35 148 C2 Vorspannungsgeneratoren auf, die eine gewisse Anpassung an die Last ermöglichen. Eine fein­ fühlige Regelung bei diesen bekannten Spannungsgeneratoren ist nur durch erhöhten Aufwand, z. B. durch Versehen mehrerer Oszillatoren mit verschiedenen Frequenzen möglich.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Genera­ tor für eine interne Spannung für ein Halbleiterbauelement zu schaffen, der eine exakte Steuerung des Spannungspegels ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Spannungsgenerator gemäß Pa­ tentanspruch 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung ist bei dem der Span­ nungsgenerator mit einer Spannungssteuereinrichtung zum Steuern der Ladungspumprate durch lineares Variieren der Schwingungsperiode während des Ladungspumpens versehen, so daß der Spannungsgenerator als ein Vorspan­ nungsgenerator, als ein Generator für eine interne Hochspannung (VPP-Generator) oder als ein Generator für eine interne Leistungsspannung (VCC-Generator), usw., verwendet werden kann.
Der Spannungsgenerator der vorliegenden Erfindung ist da­ durch charakterisiert, daß die Schwingungsperiode linear ge­ steuert wird, um die Pumpumläufe einzustellen und um linear auf die Änderung der Last anzusprechen, im Gegensatz zum herkömmlichen Spannungsgenerator, bei dem ein ordnungsgemä­ ßes Ladungspumpen während eines Bereitschaftszustands, wäh­ rend eines Chip-Betriebszustands und während eines Anlauf- Zustands aus Großkapazitäts-Ladungspumpoperationen und Kleinkapazitäts-Ladungspumpoperationen ausgewählt wird.
Gemäß dar vorliegenden Erfindung ist daher ein relativ gro­ ßer Kondensator nicht erforderlich. Der Transistor zum Trei­ ben des Kondensators muß nicht groß sein. Daher kann der Spitzenstrom reduziert werden und die Schwingungsperiode kann dem Zweck entsprechend derart eingestellt werden, daß die gepumpte Ladungsmenge pro Zeiteinheit willkürlich auf einen größeren oder einen kleineren Betrag eingestellt wer­ den kann.
Der Generator für eine interne Spannung für ein Halbleiter­ bauelement zum Erzeugen der erforderlichen Spannung in dem Bauelement mit einem konstanten Pegel gemäß der vorliegenden Erfindung schließt folgende Merkmale ein: eine Ladungspumpe zum Erzeugen einer Gleichspannung durch Gleichrichten von Taktsignalen; einen einstellbaren Frequenzoszillator zum Er­ zeugen einer variablen Schwingfrequenz gemäß den Steuersi­ gnalen; und eine Spannungssteuereinrichtung zum Erfassen des Pegels einer Spannung, die mittels der Ausgangsspannung der Ladungspumpe beibehalten wird, um Steuersignale zum Steuern des einstellbaren Frequenzoszillators zu erzeugen.
Der einstellbare Frequenzoszillator schließt folgende Merk­ male ein: einen Oszillator, der durch Verbinden einer unge­ radzahligen Anzahl von invertierenden Vorrichtungen gebildet ist; und eine Leistungssteuereinrichtung zum Steuern des Zu­ führens der Leistung zu den jeweiligen invertierenden Vor­ richtungen gemäß den Steuersignalen. Die Leistungssteuerein­ richtung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein MOS-Transistor zwischen die invertierenden Vorrichtungen und die Leistungs­ quelle geschaltet ist. Die zugeführte Strommenge wird durch Verbinden der Gate-Spannung des MOS-Transistors mit den Steuersignalen gesteuert. Die Schwingfrequenz dieses ein­ stellbaren Frequenzoszillators wird gemäß den Steuersignalen linear verändert.
Die Spannungssteuereinrichtung schließt folgende Merkmale ein: einen Spannungspegeldetektor zum Erzeugen von Signal­ spannungen durch Erfassen des Unterschieds zwischen dem Re­ ferenzspannungspegel und der aktuellen internen Spannung; und einen Schwingungssteuerabschnitt zum Empfangen der Si­ gnalspannung des Spannungspegeldetektors, um Steuersignale in der Form eines Stroms zu erzeugen, der gemäß dem Betrag der Signalspannung fließt.
Der Schwingungssteuerabschnitt schließt folgende Merkmale ein: einen MOS-Transistor zum Empfangen der Signalspannung an seinem Gate, um einen Spannungserfassungs-Stromfluß Idet zu erzeugen; und einen Stromspiegel zum Erzeugen eines Steu­ erstromflusses Ictl proportional zu dem Strom Idet. Der Stromspiegel schließt einen ersten Stromspiegel zum Empfan­ gen des Spannungserfassungs-Stroms Idet ein, um den Steuer­ stromfluß Ictl zu erzeugen und gemäß Ictl eine aktuelle Spannung zu erzeugen; und einen zweiten Stromspiegel zum Empfangen des Steuerstroms Ictl, um eine aktuelle Spannung gemäß Ictl zu erzeugen.
Es wird effektiver sein, wenn eine Treiberschaltung vorge­ sehen ist, die einen Inverter zum Verstärken des Schwin­ gungssignalmusters zwischen dem einstellbaren Frequenzoszil­ lator und der Ladungspumpe einschließt, um rechteckige Si­ gnale zu erzeugen.
Der Spannungspegeldetektor weist eine Mehrzahl von pMOS- Transistoren und eine Mehrzahl von nMOS-Transistoren auf, wobei der erste pMOS-Transistor mit der Leistungsquelle ver­ bunden ist, während der letzte nMOS-Transistor mit einem An­ schluß für eine interne Spannung verbunden ist.
Ferner kann der einstellbare Frequenzoszillator derart auf­ gebaut sein, daß: die ungeradzahligen der invertierenden Vorrichtungen seriell verbunden sind; die Ausgangsseite der invertierenden Vorrichtungen mit dem Setzen-Eingangsanschluß eines Flip-Flops verbunden ist; deren jeweilige Eingangssei­ te mit dem Q-Ausgang des Flip-Flops verbunden ist; ein wei­ terer Satz von invertierenden Vorrichtungen (ungeradzahlig) seriell verbunden ist; die Ausgangsseite desselben mit dem Ruheeingang verbunden ist; und die Eingangsseite desselben mit dem *Q-Ausgang des Flip-Flops verbunden ist.
In diesem Fall ist die Leistungsquelle an eine der inver­ tierenden Vorrichtungen in einer gesteuerten Art und Weise angelegt, während zwischen einer der Ausgangsseiten der in­ vertierenden Vorrichtungen und Masse ein Kondensator ange­ ordnet ist. Daher wird die Oszillationsfrequenz entsprechend der Größe des Kondensators und des Betrags der gesteuerten zugeführten Leistung geändert.
Die invertierenden Vorrichtungen weisen pMOS-Transistoren und nMOS-Transistoren, die seriell verbunden sind, auf.
Die Spannungssteuereinrichtung weist folgende Merkmale auf: einen Spannungspegeldetektor zum Erfassen des Unterschieds zwischen dem Referenzspannungspegel und der aktuellen in­ ternen Spannung, um eine Signalspannung zu erzeugen; und einen Schwingungssteuerabschnitt zum Empfangen der Signal­ spannung des Spannungspegeldetektors, um einen Steuerstrom entsprechend dem Betrag der Signalspannung zu erzeugen. Der Schwingungssteuerabschnitt weist folgende Merkmale auf: ei­ nen MOS-Transistor zum Empfangen der Signalspannung an sei­ nem Gate, um einen Spannungserfassungs-Stromfluß Idet zu er­ zeugen; und einen Stromspiegel zum Erzeugen eines Steuer­ stromflusses Ictl proportional zu dem Strom Idet.
Die invertierende Vorrichtung, die die gesteuerte Quellen­ leistung empfängt, ist der erste Inverter, wobei der erste Inverter den gesteuerten Strom durch den Stromspiegel des Schwingungssteuerabschnitts empfängt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltdiagramm des Spannungsgenerators, der bei dem herkömmlichen Halbleiter-Speicherbauelement ver­ wendet ist;
Fig. 2 ein Blockdiagramm, das den Aufbau des Spannungsgene­ rators für eine interne Rückwärtsvorspannung des her­ kömmlichen Halbleiter-Speicherbauelements zeigt;
Fig. 3 ein Blockdiagramm, das den Aufbau des Generators für eine interne Spannung für das Halbleiterbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4 ein Schaltdiagramm des Generators für eine interne Spannung für das Halbleiterbauelement gemäß der vor­ liegenden Erfindung;
Fig. 5 ein Schaltdiagramm des Generators für eine interne Spannung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 6 Signalmuster für die grundsätzlichen Signale gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau der vorliegen­ den Erfindung zeigt, Fig. 4 ist ein Schaltdiagramm dessel­ ben, Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung und Fig. 6 ist ein Betriebszeitablauf­ diagramm für den Rückwärtsvorspannungs-Spannungsgenerator von Fig. 4.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, schließt der Generator für eine interne Spannung für ein Halbleiterbauelement folgende Merk­ male ein: eine Ladungspumpe 31 zum Erzeugen einer Gleich­ spannung durch Gleichrichten von Taktsignalen; einen ein­ stellbaren Frequenzoszillator 33 zum Erzeugen einer varia­ blen Schwingfrequenz gemäß Steuersignalen; und eine Span­ nungssteuereinrichtung 35 zum Erfassen des Pegels einer Spannung Vout, die durch die Ausgangsspannung der Ladungs­ pumpe beibehalten wird, um Steuersignale zum Steuern des einstellbaren Frequenzoszillators zu erzeugen.
Der einstellbare Frequenzoszillator führt den Schwingungsbe­ trieb durch Zurückführen der Ausgabe der invertierenden Vor­ richtung, die die Eingangssignale invertiert, durch. Wenn die Signale die invertierende Vorrichtung durchlaufen, wird die Zeit gesteuert, um die Schwingfrequenz zu ändern. D. h., daß, wenn die Signalübertragungszeit der invertierenden Vor­ richtung erhöht wird, die Taktfrequenz verringert wird, wäh­ rend, wenn die Signalübertragungszeit verkürzt wird, die Taktfrequenz erhöht wird.
Die Ladungspumpe besteht aus einem Pumpkondensator und einer Gleichrichtungsvorrichtung, wie bei der herkömmlichen Tech­ nik, während die Spannungssteuereinrichtung Steuersignale gemäß dem Betrag der Zielspannung erzeugt.
Wenn die Zielspannung (z. B. Vbb), die auf einem bestimmten Pegel gehalten werden soll, den bestimmten Pegel erreicht, vergrößert daher die Spannungssteuereinrichtung die Steuer­ signale derart, daß die Frequenz des einstellbaren Frequenz­ oszillators erhöht wird, und daß die Leistung für das La­ dungspumpen erhöht wird. Wenn die Zielspannung (z. B. Vbb) den bestimmten Pegel erreicht, reduziert die Spannungssteu­ ereinrichtung den Betrag der Steuersignale derart, daß die Frequenz des einstellbaren Frequenzoszillators reduziert wird, und daß die Ladungspumpmenge reduziert wird. Gemäß den Beträgen des Unterschieds zwischen dem Referenzpegel und der Zielspannung erzeugt die Spannungssteuereinrichtung ferner die Steuersignale mit einem großen Betrag oder einem kleinen Betrag, wodurch die Frequenz des einstellbaren Frequenzos­ zillators erhöht oder gesenkt wird. Somit wird die Leistung für das Ladungspumpen eingestellt, wobei die relevante Span­ nung nahe bei der Referenzspannung gehalten wird. Falls die Spannung Vout, die in dem Halbleiterbauelement benötigt wird, die Rückwärtsvorspannungs-Spannung Vbb ist, ist die Spannung zum Erzeugen der Rückwärtsvorspannungs-Spannung in Fig. 4 dargestellt.
Wie in Fig. 4 dargestellt ist, weist die Spannungssteuer­ schaltung 35, die die Steuersignale Sc der variablen Fre­ quenz erzeugt, in der Rückwärtsvorspannungs-Spannungserzeu­ gungsschaltung eine Pegelerfassungsschaltung 36 und einen Schwingungssteuerabschnitt 37 auf.
Ein Eingangsanschluß 41 des Pegelerfassungsabschnitts 36 ist mit einem -Vbb-Anschluß verbunden, während ein Ausgangsan­ schluß 42 der Pegelerfassungsschaltung mit dem Schwingungs- und Treiber-Steuerabschnitt 37 verbunden ist. Ausgangsan­ schlüsse 43 und 44 des Schwingungs- und Treiber-Steuerab­ schnitts 37 sind mit den Steuereingangsanschlüssen des Os­ zillators 33 und einer Treiberschaltung 38 verbunden. Um den Schwingungssteuerabschnitt 37 und den Pegeldetektor 36 zu steuern, ist ein Vbb-Aktivierungssignal EN mit denselben verbunden.
Der einstellbare Frequenzoszillator 33 besteht aus fünf In­ vertern 45 (45-1, . . ., 45-5), die wie eine Kette verschaltet sind. Die Anzahl der Inverter sollte mehr als Eins und un­ geradzahlig sein. Alternativ kann der Schwingkreis aus einem Schmidt-Trigger oder R-C-Schaltungen aufgebaut sein.
Eine Treiberschaltung ist zwischen dem einstellbaren Fre­ quenzoszillator und der Ladungspumpe angeordnet, wobei diese Treiberschaltung nicht notwendigerweise erforderlich ist, jedoch verwendet ist, um die Schaltung zu perfektionieren.
Die Treiberschaltung 38 verwendet gewöhnlich eine Puffer­ schaltung hoher Verstärkung, wobei in dieser Schaltung eben­ falls ein oder mehrere Inverter seriell verbunden sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind drei Inverter 46 (46-1, 46-2 und 46-3) seriell verbunden.
Die Ladungspumpschaltung 31 besteht üblicherweise aus Kon­ densatoren und Dioden. Bei diesem Ausführungsbeispiel schließt die Ladungspumpschaltung 31 folgende Merkmale ein: einen Pumpkondensator 47, einen Gleichrichtungsabschnitt 39, der aus zwei Transistoren 48-1 und 48-2 besteht, und Puf­ fer-Inverter 49-1 und 49-2. Der Gleichrichtungsabschnitt 39 ist zweifach eingebaut, so daß diese abwechselnd arbeiten können, wodurch die Pumpkapazität verdoppelt ist. Zu diesem Zweck ist ein Inverter 50 seriell angeordnet und ein Über­ tragungsschalter 51, der durch Vcc aktiviert wird, ist se­ riell mit den zwei Gleichrichtungsabschnitten verbunden, so daß derselbe nach dem Anlegen der Quellenleistung Vcc die Pumpoperation durchführt.
Die Pegelerfassungsschaltung 36 verwendet die Schwellenspan­ nung VT des MOS-Transistors, wobei, wie dargestellt ist, fünf pMOS-Transistoren 45 und drei nMOS-Transistoren 56 se­ riell mit der Seite von Vcc verbunden sind. Zwei nMOS-Tran­ sistoren auf der Seite des -Vbb-Anschlusses sind derart ver­ schaltet, daß ihre Gates mit ihren Drains verbunden sind, so daß dieselben als eine Diode zum Erhalten eines Spannungsab­ falls, der Vt entspricht, verwendet sein können. Die Signal­ ausgabe des Pegeldetektors wird von dem Verbindungspunkt des pMOS-Transistors und einem dritten nMOS-Transistors ausgege­ ben, d. h. von dem -Vbb-Anschluß, der ein Knoten zum Erzeugen einer Spannung, die um 3 Vt größer als -Vbb ist, ist. Alter­ nativ kann der Pegel durch Verwenden des Referenzsignals er­ faßt werden.
Der Schwingungssteuerabschnitt 37 weist einen Span­ nungs/Strom-Wandler 57 und einen Stromverstärker 58 auf.
Die Schaltung der vorliegenden Erfindung, die wie oben auf­ gebaut ist, wird nun bezüglich ihrer Operationen beschrie­ ben.
Der Oszillator 33 erzeugt rechteckige Signale einer ord­ nungsgemäßen Frequenz. Diese Signale werden mittels der Treiberschaltung 38 ausreichend verstärkt, wobei das Signal­ muster geformt wird. Dann werden mittels der Ladungspump­ schaltung 31 Ladungen in das Substrat gepumpt, woraufhin die negative Spannung -Vbb erzeugt wird. Danach erfaßt der Pe­ geldetektor 36 den Pegel -Vbb. Durch Verwenden desselben und durch Verwenden des Pegels, der von dem Schwingungssteuerab­ schnitt 37 erfaßt wird, wird ein Steuersignal zum Steuern des Oszillators und der Treiberschaltung erzeugt, mit dem Ergebnis, daß ein ordnungsgemäßer Gesamtpegel Vbb beibehal­ ten werden kann. Eine derartige Steuerung des Gesamtsystems wird durch das Vbb-Aktivierungssignal EN durchgeführt.
Wenn das Aktivierungssignal EN, das dem Vbb-Aktivierungs­ anschluß der Spannungssteuereinrichtung zugeführt wird, von tief zu hoch verschoben wird, beginnt die gesamte Schaltung des Rückwärtsvorspannungs-Spannungsgenerators ihren Betrieb. Wenn die Leistung eingeschaltet wird, wird zuerst bestimmt, daß die Substratspannung etwa bei dem Pegel Vss liegt, wes­ halb das Ausgangssignal N1 des Ausgangsanschlusses 42 des Pegeldetektors 36 einen hohen Pegel besitzt. Dieses Signal wird in den Eingangsanschluß der Schwingungs- und Treiber- Schaltung 37 eingegeben, wodurch derselbe den gleichen Zu­ stand annimmt wie die Spannung des Gates des MOS-Transistors 57, das zwischen Vss und den Stromerfassungsknoten I ge­ schaltet ist. Daher ist der MOS-Transistor 57 ausreichend eingeschaltet, so daß der maximale Strom Idet fließt. Ferner wird dieser Strom mittels des ersten Stromspiegels 58 ver­ stärkt, während der Strom Ictl zu dem zweiten Stromspiegel 59 fließt. Folglich fließt der Leistungsstrom zum Treiben des Oszillators wegen der aktuellen Spannung des nMOS-Tran­ sistors 63, der mit den Gates des zweiten Stromspiegels ver­ bunden ist, und wegen der aktuellen Spannung der pMOS-Tran­ sistoren 61 und 62, die mit dem ersten Stromspiegel verbun­ den sind. Folglich sind die Operationen der Inverter 45 be­ schleunigt, mit dem Ergebnis, daß rechteckige Signale, die äquivalent zu der maximalen Schwingfrequenz des Oszillators sind, ausgegeben werden. Diese rechteckigen Signale werden mittels der Treiberschaltung 38 verstärkt, um die verstärk­ ten Signale zu der Ladungspumpe 31 zu liefern, so daß der Pegel der Spannung Vbb drastisch gesenkt wird. Diese Span­ nung Vbb wird von dem Pegeldetektor 36 mittels des Verwen­ dens von VT des MOS-Transistors erfaßt. Die erfaßte Spannung wird danach zu dem Schwingungssteuerabschnitt zurückgeführt, um den Strom Idet zu steuern. Dieser Strom wird verstärkt, um den Strom Ictl zu steuern, wodurch die Schwingfrequenz des Oszillators gesteuert wird.
D. h., daß, bis bevor der Spannungspegel Vbb unter VT der drei MOS-Transistoren abfällt, N1 im Pegeldetektor 36 hoch­ gehalten wird, so daß Ictl im Schwingungssteuerabschnitt auf dem Maximum gehalten werden kann. Folglich ist die Schwing­ frequenz des Oszillators 33 auf dem maximalen Pegel gehalten und die Ladungspumprate ist erhöht, so daß sich der Span­ nungspegel schnell dem Spannungspegel Vbb nähert. Wenn die­ ser Spannungspegel mittels des Pegeldetektors erfaßt wird, wird die Spannung von N1 proportional zu dem Pegel Vbb er­ niedrigt und folglich die Ströme Idet und Ictl reduziert. Daher wird die Operationsgeschwindigkeit der Inverter des Oszillators gering und die Oszillationsfrequenz ist redu­ ziert, mit dem Ergebnis, daß die Ladungspumprate reduziert ist.
Wenn die Spannung Vbb auf einem vorbestimmten Pegel gehalten wird, wird daher der Strom Idet Null, was zur Folge hat, daß der Schwingungsbetrieb des Oszillators gestoppt wird. Demge­ mäß ist der Leistungsverbrauch der Schaltung auch reduziert.
Nachdem folglich die Spannung stabilisiert ist, wird der Chip in einen aktiven Zustand gebracht und die Last von Vbb wird gemäß dem Betrieb der Schaltung variiert, was zur Folge hat, dab Vbb variiert wird. Dann wird die Spannung von N1 in dem Pegeldetektor derart variiert, daß der Strom Ictl va­ riiert wird. Daher wird die Schwingfrequenz des Oszillators derart variiert, daß der Pegel Vbb wieder bei dem vorbe­ stimmten Pegel gehalten wird. Derartige Steuerungen werden auf eine lineare Art und Weise gemäß dem Betriebszustand der Schaltung und gemäß der Änderung der Last durchgeführt.
Fig. 6 zeigt die Signalmuster der grundsätzlichen Signale der Schaltung von Fig. 4.
Wenn das Signal EN hoch wird, wird die Spannung des Knotens N1 wie das Signalmuster VN1 auf einen hohen Pegel geschoben, während die Ströme Idet und Ictl den dargestellten Betrag aufweisen. Dann wird der Oszillator aktiviert und die Span­ nung des Knotens N2 schwingt wie das Signalmuster VN2 mit einer schnellen Frequenz, während die Spannung von Vbb ab­ fällt. Wenn Vbb den Punkt P erreicht, wird der Strom Ictl Null, so daß die Schwingungen stoppen. Wenn Vbb ansteigt, um den Punkt Q zu erreichen, starten die Schwingungen erneut, wobei ausgehend von diesem Punkt die Schwingfrequenz gemäß der Anstiegsbreite der Spannung Vbb verändert wird.
Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegen­ den Erfindung.
Bei dieser Schaltung unterscheiden sich der einstellbare Frequenzoszillator 33, der Schwingungssteuerabschnitt 37 und die Treiberschaltung 38 etwas von der Schaltung in Fig. 4, während die Ladungspumpe 31 und der Pegeldetektor 36 die gleichen wie die in Fig. 4 sind.
Der einstellbare Frequenzoszillator 33 schließt eine Mehr­ zahl von Invertern und ein Flip-Flop FF ein. Der Ausgang Q des Flip-Flops ist durch eine Mehrzahl von Invertern 66-1, 66-2, . . ., mit einem Setzen-Eingang S verbunden. Der Ausgang *Q des Flip-Flops ist durch eine Mehrzahl von Invertern 65-1, 65-2, . . ., mit einem Rücksetzen-Eingang R verbunden. Zwischen den Invertern, durch die die Eingabe läuft, ist die Quellenleistung, die den ersten Invertern 65-1 und 66-1 zu­ geführt wird, auf eine solche Art und Weise verschaltet, daß der Strom Ictl des Schwingungssteuerabschnitts fließt. Fer­ ner ist ein Kondensator zwischen den Ausgang desselben und Vss geschaltet. Bei diesem einstellbaren Frequenzoszillator wird der Zustand des Flip-Flops kontinuierlich zwischen ge­ setzt und rückgesetzt geändert, um schließlich Schwingungs­ signale zu erzeugen.
Der Schwingungssteuerabschnitt 37 weist nur einen Stromspie­ gel auf. Der Strom Idet fließt wegen der Spannung am Knoten N1 des Spannungspegeldetektors, während dieser Strom be­ wirkt, daß der Strom Ictl fließt.
Die wie oben aufgebaute Schaltung wird nun bezüglich ihrer Operationen beschrieben.
Der Oszillator 33 erzeugt rechteckige Signale einer ord­ nungsgemäßen Frequenz. Diese Signale werden mittels der Treiberschaltung 38 ausreichend verstärkt und geformt. Die Ladungen werden mittels der Ladungspumpschaltung 31 derart in das Substrat gepumpt, daß die negative Spannung -Vbb ge­ bildet wird. Dann erfaßt der Pegeldetektor 36 den Pegel der negativen Spannung -Vbb. Danach erzeugt die Schwingungs- und Treiber-Steuerschaltung 37 unter Verwendung des erfaßten Pe­ gels Steuersignale zum Steuern des Oszillators und der Trei­ berschaltung. Folglich kann die gesamte Spannung Vbb auf ei­ nem ordnungsgemäßen Pegel gehalten werden. Die Steuerung des gesamten Systems wird mittels eines Vbb-Aktivierungssignals EN durchgeführt.
Wenn das Aktivierungssignal EN, das dem Vbb-Aktivierungsan­ schluß der Spannungssteuereinrichtung zugeführt wird, von einem tiefen zu einem hohen Pegel verschoben wird, beginnt der Betrieb der gesamten Schaltung des Rückwärtsvorspan­ nungs-Spannungsgenerators. Wenn die Leistungsquelle einge­ schaltet wird, gibt das Signal N1 des Ausgangsanschlusses 42 des Pegeldetektors 36 einen hohen Pegel aus, da die Sub­ stratspannung in der Nähe des Pegels Vss ist. Diese Spannung wird der Eingangsseite der Schwingungs- und Treiber-Schal­ tung 37 zugeführt, wodurch dieselbe die Spannung des Gates des MOS-Transistors 57 annimmt, das zwischen Vss und den Stromerfassungsknoten geschaltet ist. Daher ist der MOS- Transistor 57 ausreichend eingeschaltet, so daß der maximale Strom Idet fließt. Dieser Strom wird mittels des ersten Stromspiegels 58 verstärkt, um zu bewirken, daß der Strom Ictl fließt. D. h., daß der Strom Ictl, der den Oszillator betreibt, mit der maximalen Rate fließt, so daß die Konden­ satoren 67 und 68 schnell geladen werden. Folglich werden rechteckige Signale, durch die die Schwingfrequenz des Os­ zillators maximal wird, ausgegeben. Diese rechteckigen Si­ gnale werden mittels der Treiberschaltung 38 ausreichend verstärkt, um dieselben der Ladungspumpe 31 zuzuführen, so daß der Pegel Vbb abrupt abfällt. Dieser Spannungspegel Vbb wird mittels des Pegeldetektors 36 durch Verwenden von VT des MOS-Transistors erfaßt, um denselben zu dem Schwingungs­ steuerabschnitt zurückzuführen, wodurch der Strom Idet ge­ steuert wird. Dieser Strom wird verstärkt, um den Strom Ictl zu steuern, wodurch die Schwingfrequenz des Oszillators ge­ steuert wird.
N1 wird, bis bevor der Spannungspegel Vbb unter VT der drei MOS-Transistoren abfällt, in dem Pegeldetektor 36 auf einem hohen Pegel gehalten. Folglich wird der Strom Ictl in dem Schwingungssteuerabschnitt auf dem maximalen Pegel gehalten, so daß die Schwingfrequenz des Oszillators 33 auf dem maxi­ malen Pegel gehalten wird und die Ladungspumprate erhöht wird. Folglich wird der Spannungspegel Vbb schnell erreicht. Wenn dieser Spannungspegel von dem Pegeldetektor erfaßt wird, wird die Spannung an N1 proportional zu dem Pegel Vbb erniedrigt. Daher werden die Ströme Idet und Ictl verrin­ gert. Die Operationsgeschwindigkeit des Oszillators wird ge­ ring. Daher ist die Oszillationsfrequenz reduziert, wodurch die Ladungspumprate ebenfalls reduziert ist.
Wenn die Spannung Vbb kontinuierlich auf dem vorbestimmten Pegel gehalten ist, wird daher der Strom Idet Null und der Schwingungsbetrieb des Oszillators wird gestoppt, so daß der Leistungsverbrauch in dieser Schaltung verringert ist.
Folglich wird der Chip nach der Stabilisierung der Spannung auf einen aktiven Zustand gesetzt. Die Last von Vbb wird gemäß dem Betriebszustand der Schaltung geändert, um den Pegel Vbb zu variieren. Danach wird die Spannung an N1 pro­ portional zu der oben genannten Änderung der Spannung in dem Pegeldetektor geändert, wodurch der Strom Ictl geändert wird. Daher wird die Schwingfrequenz des Oszillators geän­ dert, wodurch der Pegel Vbb auf dem vorbestimmten Pegel ge­ halten werden kann. Eine derartige Steueroperation wird ent­ sprechend dem Betriebszustand der Schaltung und entsprechend der Variation der Last linear durchgeführt.
Die Betriebssignalmuster der grundsätzlichen Signale der Schaltung von Fig. 5 sind die gleichen wie die in Fig. 6.
Gemäß der obigen Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird, um den vorbestimmten Rückwärtsvorspannungs-Spannungs­ pegel stabil beizubehalten, die Schwingfrequenz des Oszilla­ tors linear derart variiert, daß eine genaue Steuerung der Laständerung während des Betriebs der Schaltung durchgeführt werden kann. Während herkömmlicherweise eine Mehrzahl von Oszillatoren, die verschiedene Frequenzen besitzen, selektiv verwendet wurde, verwendet die vorliegende Erfindung nur ei­ nen Oszillator auf eine solche Art und Weise, daß die Fre­ quenz automatisch gemäß dem Betriebszustand geändert wird, wodurch die Zeitablauf-Steuerschaltung überflüssig wird. Folglich ist das Volumen der Schaltung reduziert, der Ent­ wurf der Schaltung wird einfacher und die Steuerung des Rückwärtsvorspannungspegels kann auf eine genaue Art und Weise durchgeführt werden.

Claims (15)

1. Generator für eine interne Spannung für ein Halbleiterbauelement zum Erzeugen einer in dem Bauelement benötigten Spannung mit einem konstanten Pegel, mit:
einer Ladungspumpe (31) zum Erzeugen einer Gleichspannung durch Gleichrichten von Taktsignalen;
einem mit der Ladungspumpe (31) gekoppelten einstellbaren Frequenzoszilla­ tor (33) zum Erzeugen von Taktsignalen mit variabler Schwingfrequenz für die Ladungspumpe (31) gemäß einem oder mehreren Steuersignalen; und
einer Spannungssteuereinrichtung (35) zum Erfassen des Pegels einer Spannung, die durch die Ausgangsspannung der Ladungspumpe (31) beibehalten wird, und zum Erzeugen der Steuersignale zum Steuern der Frequenz des einstellbaren Frequenzoszillators (33); wobei die Spannungssteuereinrichtung (35) folgende Merkmale aufweist:
einen Spannungspegeldetektor (36) zum Erzeugen einer Signalspannung durch das Erfassen des Unterschieds zwischen einem Referenzspannungspegel und der aktuellen internen Spannung; und
einen Schwingungssteuerabschnitt (37) zum Empfangen der Signalspannung des Spannungspegeldetektors (36), um die ein oder mehrere Steuersignale in der Form eines Stroms zu erzeugen, der gemäß dem Betrag der Signalspannung fließt;
wobei der Schwingungssteuerabschnitt (37) folgende Merkmale aufweist:
einen MOS-Transistor (57) zum Empfangen der Signalspannung an seinem Gate, um einen Spannungserfassungs-Stromfluß (Idet) zu erzeugen; und
einen Stromspiegel (58) zum Erzeugen eines Steuerstromflusses (Ictl) der proportional zu dem Spannungserfassungs-Strom (Idet) ist.
2. Generator für eine interne Spannung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einstellbare Frequenzoszillator (33) folgende Merkmale aufweist:
einen Oszillator, der durch Verschalten einer ungeradzahligen Anzahl von invertierenden Vorrichtungen (45-1, . . ., 45-5) gebildet ist; und
eine Leistungssteuereinrichtung (38) zum Steuern des Zuführens der Leistung zu den jeweiligen invertierenden Vorrichtungen (45-1, . . ., 45-5) gemäß den Steuersignalen,
wodurch die Schwingfrequenz durch die Steuersignale linear gesteuert wird.
3. Generator für eine interne Spannung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungssteuereinrichtung einen MOS- Transistor aufweist, der zwischen den invertierenden Vorrichtungen (45-1, . . ., 45- 5) und der Leistungsquelle angeordnet ist, und daß der zugeführte Strombetrag durch Verbinden der Gate-Spannung des MOS-Transistors mit den Steuersignalen gesteuert wird.
4. Generator für eine interne Spannung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die invertierenden Vorrichtungen (45-1, . . ., 45-5) Inverter aufweisen, die aus pMOS-Transistoren und nMOS-Transistoren, die seriell verbunden sind, bestehen; und
daß die Leistungssteuereinrichtung (38) folgende Merkmale aufweist: einen pMOS-Transistor, der zwischen der Leistungsquelle und dem pMOS-Transistor des Inverters angeordnet ist; und einen nMOS-Transistor, der zwischen dem Massean­ schluß und dem nMOS-Transistor des Inverters angeordnet ist;
wobei Steuersignale den Gates der jeweiligen Transistoren der Leistungs­ steuereinrichtung zugeführt werden.
5. Generator für eine interne Spannung gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stromspiegel folgende Merkmale aufweist:
einen ersten Stromspiegel (58) zum Empfangen des Spannungserfassungs- Stroms (Idet), um zu bewirken, daß der Steuerstrom (Ictl) fließt, und um eine aktuelle Spannung gemäß dem Steuerstrom (Ictl) zu erzeugen; und
einen zweiten Stromspiegel (59) zum Empfangen des Steuerstroms (Ictl), um eine aktuelle Spannung gemäß dem Steuerstrom (Ictl) zu erzeugen.
6. Generator für eine interne Spannung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stromspiegel (58) zwei pMOS- Transistoren aufweist und der zweite Stromspiegel (59) zwei nMOS-Transistoren aufweist.
7. Generator für eine interne Spannung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Treiberschaltung (38) zwischen dem einstellbaren Frequenzoszillator (33) und die Ladungspumpe (31) geschaltet ist.
8. Generator für eine interne Spannung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung (38) einen Puffer (46-1, . . ., 46-3) aufweist, und daß eine Strombegrenzungsvorrichtung (62) zwischen dem Puffer (46-1, . . ., 46-3) und der Leistungsquelle angeordnet ist.
9. Generator für eine interne Spannung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungsvorrichtung (62) einen MOS-Transistor zum Empfangen von Steuersignalen von der Spannungssteu­ ereinrichtung (35) aufweist, um zu bewirken, daß der entsprechende Strom fließt.
10. Generator für eine interne Spannung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungspegeldetektor (36) eine Mehrzahl von pMOS-Transistoren (55) und eine Mehrzahl von nMos-Transistoren (56), die seriell verbunden sind, aufweist, und daß der erste pMOS-Transistor mit der Leistungsquelle verbunden ist, und der letzte nMOS-Transistor mit einem Anschluß für die interne Spannung (41) verbunden ist.
11. Generator für eine interne Spannung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einstellbare Frequenzoszillator (33) folgende Merkmale aufweist:
eine ungeradzahlige Anzahl von invertierenden Vorrichtungen (45-1, . . ., 45- 5), wobei die Ausgangsseite der letzten invertierenden Vorrichtung (45-1, . . ., 45-5) mit dem Setzen-Eingang eines Flip-Flops verbunden ist, und wobei die Eingangsseite der ersten invertierenden Vorrichtung (45-1, . . ., 45-5) mit dem Ausgang Q des Flip-Flops verbunden ist; und
eine weitere ungeradzahlige Anzahl von invertierenden Vorrichtungen (45-1, . . ., 45-5), die seriell verbunden sind, wobei die Ausgangsseite der letzten invertierenden Vorrichtung (45-1, . . ., 45-5) mit dem Rücksetzen-Eingang des Flip- Flops verbunden ist, und wobei die Eingangsseite der ersten invertierenden Vor­ richtung (45-1, . . ., 45-5) mit dem Ausgang *Q des Flip-Flops verbunden ist.
12. Generator für eine interne Spannung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung der Leistungsquelle einer oder mehreren invertierenden Vorrichtungen (65-1, 65-2) gesteuert zugeführt wird, und daß ein Kondensator (67, 68) einer bestimmten Kapazität zwischen dem Ausgang der invertierenden Vorrichtung (65-1, 65-2) und Masse geschaltet ist, wodurch die Oszillationsfrequenz gemäß der Kapazität des Kondensators (67, 68) und der Leistungszufuhrrate mit gesteuert wird.
13. Generator für eine interne Spannung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die invertierende Vorrichtung (65-1, 65-2) ein Inverter ist, der aus einem pMOS-Transistor und einem nMOS-Transistor, die seriell verbunden sind, besteht.
14. Generator für eine interne Spannung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Treiberschaltung (38) zwischen den einstellbaren Frequenzoszillator (33) und die Ladungspumpe (31) zur Verstärkung und zur Gewährleistung eines rechteckigen Signalverlaufs geschaltet ist.
15. Generator für eine interne Spannung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die invertierende Vorrichtung (45-1, . . ., 45-5), die die Leistung der Leistungsquelle gesteuert empfängt, der erste Inverter ist, und bei dem der erste Inverter einen gesteuerten Strom durch den Stromspiegel (58) und den Schwingungssteuerabschnitt (37) empfängt.
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