DE4243397C2

DE4243397C2 - Konstantspannungsgenerator

Info

Publication number: DE4243397C2
Application number: DE4243397A
Authority: DE
Inventors: Jae-Hyeong Lee; Dong-Jae Lee
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1991-12-23
Filing date: 1992-12-21
Publication date: 1999-07-15
Anticipated expiration: 2012-12-22
Also published as: ITMI922911A0; FR2687869A1; JP2604530B2; DE4243397A1; US5396114A; GB9226864D0; KR950002015B1; JPH05266661A; FR2687869B1; GB2262821B; IT1256203B; GB2262821A; ITMI922911A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Konstantspannungsgenerator der im Oberbe griff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Ein derartiger Konstantspannungsgenerator ist in der US 4 631 421 beschrieben. Er umfaßt einen Oszillator, einen ersten und einen zweiten Pumpkreis bzw. Pumpschal tung, verschiedene Treiber zum Ansteuern der Pumpkreise bzw. Pumpschaltungen, eine Detektorschaltung, eine Begrenzerschaltung und eine Verzögerungsschaltung neben weiteren Schaltungen. Die Pumpkreise bzw. Pumpschaltungen erzeugen zu sammen eine negative Substratvorspannung aufgrund von von dem Oszillator gelie ferten Pulsen. Die Detektorschaltung erzeugt ein Signal zum Ein- und Ausschalten des Oszillators, abhängig von der Höhe der Substratvorspannung. Die Begrenzer schaltung erzeugt ebenfalls aufgrund der Höhe der Substratvorspannung ein weite res Signal, abhängig davon, ob die Oszillatorpulse den Pumpschaltungen zugeführt werden oder nicht. Die Verzögerungsschaltung erzeugt ein drittes Signal, abhängig davon, ob die Oszillatorpulse über Treiberschaltungen der zweiten Pumpschaltung zugeführt werden oder nicht.

Im allgemeinen besteht die Tendenz, daß die Betriebsspannung einer Halbleiterspeichervorrichtung mit der Steigerung der Packungsdichte der Halbleiterspeichervorrichtungen kleiner wird. Beispielsweise verwendet ein dynamisches 16 Mbit-RAM eine Spannung von 4 Volt und ein dynamisches 64 Mbit-RAM eine Spannung von 3,3 Volt für den Betrieb, die von einer von außen zugeführten Versorgungsspannung von 5 Volt herabgesetzt wird. Im Zuge des Trends zu niedrigeren Betriebsspannungen sind fortlaufend Untersuchungen angestellt worden, den Stromverbrauch von Halbleiterspeichervorrichtungen herabzusetzen. Zu diesem Zweck ist in den Halbleiterspeichervorrichtungen gewöhnlich eine Schaltung zum Erzeugen einer Konstantspannung enthalten. Beispielsweise wird bei einer Halbleiterspeichervorrichtung, wie beispielsweise einem dynamischen RAM- oder pseudo-statischen RAM aus einem Speicherkondensator und einem Zugriffstransistor ein Substratspannungsgenerator benötigt, um die in dem Speicherkondensator gespeicherten Daten zu halten und einen Störabstand der Speichervorrichtung sicherzustellen.

Außerdem wird eine Verstärkungsschaltung oder Spannungspumpschaltung zum Erzeugen einer höheren Spannung verwendet, die höher als die äußere Versorgungsspannung ist, um den Spannungsverlust durch den Zugriffstransistor zu kompensieren, der durch den Betrieb einer Wortleitung hervorgerufen wird, die mit der angesprochenen Speicherzelle verbunden ist.

Fig. 1. zeigt einen üblichen Substratspannungsgenerator, der nachfolgend erläutert werden soll. Ein Oszillator 1 erzeugt Impulse ØOSC beim Einschalten einer Halbleiterspeichervorrichtung. Ein Substratspanungstreiber 2 empfängt die Impulse ØOSC, um komplementäre Treibersignale zu erzeugen. Ein Substratspannungspumpkreis 3 erzeugt eine Substratspannung V_BB in Abhängigkeit von den Treibersignalen von der Substratspannungspumpschaltung 2. Ein Substratspannungsdetektor 4 ermittelt den Pegel des Substratspannungsausgangs der Pumpschaltung 3, um den Betrieb des Oszillators 1 in Abhängigkeit davon zu steuern. Im Betrieb erzeugt der Oszillator 1 die Impulse ØOSC, die eine Periode von 60 bis 100 ns haben, nachdem die Halbleiterspeichervorrichtung eingeschaltet worden ist. Der Substratspannungstreiber 2 empfängt die Impulse ØOSC und erzeugt die komplementären Treibersignale als Rechteckspannung. Die Pumpschaltung 3 pumpt die Substratspannung V_BB in Abhängigkeit von den Treibersignalen nach oben, bis sie einen vorbestimmten Pegel erreicht. Wenn die Substratspannung V_BB die vorbestimmte Spannung erreicht, bewirkt der Detektor 4, daß der Oszillator 1 aufhört, Impulse, ØOSC zu erzeugen. Wenn jedoch die Substratspannung V_BB unter dem vorbestimmten Spannungspegel liegt, dann ermöglicht es der Detektor 4 dem Oszillator 1, die Impulse ØOSC zu erzeugen, um die Substratspannung V_BB nach oben zu pumpen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird eine übliche Spannungspumpschaltung schematisch erläutert. Der Aufbau und der Betrieb der Spannungspumpschaltung sind ähnlich denen des Substratspannungsgenerators nach Fig. 1. Die hochgepumpte Spannung wird gewöhnlich als Versorgungsspannung der peripheren Schaltungen verwendet, die beispielsweise Datenausgabepuffer und Wortleitungstreiber sind.

Der Substratspannungsgenerator von Fig. 1 und die Spannungspumpschaltung von Fig. 2 sind notwendigerweise in einer Halbleiterspeichervorrichtung enthalten. Die Substratspannungs-Pumpschaltung 3 von Fig. 1 enthält mehrere MOS-Kondensatoren zum Hochpumpen der Substratspannung in negativer Richtung. Eine Spannungspumpschaltung 13 von Fig. 2 enthält ebenfalls mehrere MOS-Kondensatoren, um die hochgepumpte Spannung über die äußere Versorgungsspannung hochzupumpen. Üblicherweise haben der Substratspannngsgenerator von Fig. 1 und die Spannungspumpschaltung von Fig. 2 getrennte Oszillatoren 1 und 11. Ein typischer bekannter Oszillator, der für die Oszillatoren 1 und 11 verwendet werden kann, ist im Detail in Fig. 3 beschrieben. Ein solcher Oszillator verbraucht relativ viel Strom, insbesondere im stand-by-Betrieb der Halbleiterspeichervorrichtung. Wenn beispielsweise angenommen wird, daß die Betriebsspannung und der Gesamtstromverbrauch der Halbleiterspeichervorrichtung im stand-by-Betrieb 3,3 Volt bzw. 50 µA sind, dann ist der Stromverbrauch des Oszillators 29 µA, was 2/5 des Stromverbrauchs der Halbleiterspeichervorrichtung ausmacht. Solche stand-by-Ströme des Oszillators verhindern eine Herabsetzung des Stromverbrauchs der Halbleiterspeichervorrichtung. Wenn daher zwei getrennte Oszillatoren für eine Halbleiterspeichervorrichtung verwendet werden, dann wird der stand-by-Strom der Oszillatoren 4/5 des Gesamtstromverbrauchs der Halbleiterspeichervorrichtung, woraus sich der relativ hohe Stromverbrauch derselben erklärt.

Aus der US 4 691 304 ist eine Spannungstransformationsanordnung bekannt, die mit einem Oszillator Pulse für eine erste Pumpschaltung zur Erzeugung einer erhöh ten Versorgungsspannung und für eine zweite Pumpschaltung zur Erzeugung einer negativen Substratvorspannung erzeugt. Zur Erzeugung der negativen Substratvor spannung werden vorzugsweise zwei parallele Pumpkreise bzw. Pumpschaltungen verwendet, von denen einer mittels eines Schalters im normalen Betrieb, abhängig von der Höhe einer Versorgungsspannung, einer hochgepumpten Versorgungs spannung oder der Substratspannung ein- und ausgeschaltet werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Konstantspannungsgenerator anzugeben, der eine hochgepumpte Versorgungsspannung sowie eine Substratvorspannung bei einem möglichst geringen Stromverbrauch, vor allem in einem Stand-By-Zustand, erzeugt.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnah me auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines üblichen Substratspannungsgenerators;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer üblichen Spannungspumpschaltung;

Fig. 3 einen Oszillator der Fig. 1 und 2, und

Fig. 4 eine Schaltung zum Erzeugen einer Substratspannung und einer hochgepumpten Spannung mit einem einzigen Oszillator gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 4 zeigt eine Schaltung zum Erzeugen einer Substratspannung V_BB und einer hochgepumpten Spannung V_PP mit einem einzigen Oszillator gemäß der vorliegenden Erfindung. Gemäß der Zeichnung erzeugt ein Oszillator 100 Rechteckimpulse ØOSC nach dem Einschalten einer Halbleiterspeichervorrichtung. Ein Substratspannungstreiber 110 empfängt die Impulse ØOSC vom Oszillator 100 und erzeugt komplementäre Substratspannungstreibersignale. Eine Substratspannungspumpschaltung 120 nimmt diese Treibersignale entgegen und pumpt die Substratspannng V_BB nach oben auf einen vorbestimmten Pegel. Ein Substratspannungsdetektor 130 ermittelt den Pegel der Substratspannung, die von der Substratspannungspumpschaltung 120 abgegeben wird, um ein Substratspannung Steuersignal an den Oszillator 100 und ein Gate eines NMOS-Transistors 104 abzugeben, der den Substratspannungstreiber 100 in Abhängigkeit von dem Ermittlungsergebnis öffnet oder sperrt. Ein Substratspannungspumptreiber 140, der die Impulse ØSOSC empfängt, erzeugt komplementäre Spannungspumptreibersignale. Eine Spannungspumpschaltung 150, die die Spannungspumptreibersignale entgegennimmt, pumpt die hochgepumpte Spannung V_PP auf einen vorbestimmten Pegel nach oben. Ein Detektor 160 für die hochgepumpte Spannung ermittelt den Pegel der hochgepumpten Spannung V_PP, die von der Spannungspumpschaltung 150 abgegeben wird, um ein Steuersignal an den Oszillator 100 und ein Gate eines NMOSTransistors 105 abzugeben, der den Spannungspumptreiber 140 in Abhängigkeit vom Ermittlungsergebnis sperrt oder öffnet. Ein Oszillatorsteuerer 170 empfängt das Substratspannungssteuersignal und das Steuersignal für die hochgepumpte Spannung, um ein Oszillatorsteuersignal an ein Gate eines MOS-Transistors 103 abzugeben, der den Oszillator 100 freigibt oder sperrt.

In der vorangegangenen Beschreibung haben der Oszillator 100, der Substratspannungstreiber 110, der Spannungspumptreiber 140, die Substratspannungspumpschaltung 120, die Spannungspumpschaltung 150, der Substratspannungsdetektor 130 und der Detektor 160 für die hochgepumpte Spannung jeweils denselben Aufbau, wie in den Fig. 1 und 2 beschrieben. Außerdem enthält der Oszillatorsteuerer 170 eine NOR-Schaltung 101 und einen Inverter 102 und ist eine bevorzugte Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.

Bezug nehmend auf den vorangehend erläuterten Aufbau wird nun der Betrieb der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert. Zunächst zeichnet sich die Schaltung nach der vorliegenden Erfindung dadurch aus, daß der die Substratspannung erzeugende Abschnitt und der die hochgepumpte Spannung erzeugende Abschnitt einen einzigen Oszillator einander teilen, so daß der stand-by-Strom der Halbleiterspeichervorrichtung beachtlich herabgesetzt werden kann. Im Betrieb erzeugt der Oszillator 100 die Impulse ØOSC, die eine Periode von 60 bis 100 ns haben, nachdem die Halbleiterspeichervorrichtung eingeschaltet worden ist. Der Substratspannungstreiber 110 und der Spannungspumptreiber 140 nehmen die Impulse ØOSC gemeinsam auf und erzeugen die Substratspannungstreibersignale bzw. die Spannungspumptreibersignale. Die Substratspannungspumpschaltung 120 und die Spannungspumpschaltung 150 erzeugen die Substratspannung V_BB und die hochgepumpte Spannung V_PP in Abhängigkeit von den Substratspannungstreibersignalen bzw. den Spannungspumptreibersignalen. Der Spannungspegel der Substratspannng V_BBwird durch den Substratspannungsdetektor 130 ermittelt. In Abhängigkeit von dem Ermittlungsergebnis werden der Oszillator 100 und der Substratspannungstreiber 110 gesteuert betrieben. Wie in der Zeichnung dargestellt, ist anzumerken, daß der Substratspannungsdetektor 130 so angeschlossen ist, daß er den Betrieb des Substratspannungstreibers 100 direkt steuert. Die Substratspannungspumpschlatung 120 kann daher durch die Impulse ØOSC des Oszillators 100 nicht beeinflußt werden, selbst wenn der Oszillator 100 fortfährt, die Impulse oOSC zu erzeugen, um es dem Spannungspumptreiber 140 und der Spannungspumpschaltung 150 zu ermöglichen, die hochgepumpte Spannung V_PP bis zu einem vorbestimmten Spannungspegel hochzupumpen. Auf die gleiche Weise ist der Detektor 160 für die hochgepumpte Spannnung so angeschlossen, daß er den Betrieb des Spannungspumptreibers 140 direkt steuert, so daß die Spannungspumpschaltung 100 nicht durch die vom Oszillator 100 erzeugten Impulse ØOSC beeinflußt werden kann, selbst wenn der Oszillator 100 weiter die Impulse ØOSC erzeugt, um es dem Substratspannungstreiber 110 und der Substratspannungspumpschaltung 120 zu ermöglichen, die, Substratspannung V_BB bis zu einem vorbestimmten Spannungspegel hochzupumpen. Man erkennt leicht, daß der Oszillator 100 die Impulse ØOSC erzeugt, wenn wenigstens eine der Spannungen V_BB und V_PP unter den entsprechenden vorbestimmten Spannungspegeln liegt.

Claims

1. Konstantspannungsgenerator mit:
einem Substratspannungspumpkreis (120), der eine Substratspannung (VBB) er zeugt;
einer Einrichtung zum Erzeugen von Pulsen (100), auf die der Substratspannungs pumpkreis (120) anspricht;
einer Substratspannungsdetektorschaltung zum Detektieren der Substratspannung (V_BB) und zum Erzeugen eines Substratspannungssteuersignals zum Steuern des Betriebs des Substratspannungspumpkreises (120) gemäß den Ergebnissen der detektierten Substratspannung;
gekennzeichnet durch:
einen Versorgungsspannungspumpkreis (150), der eine Versorgungsspannung (V_PP) erzeugt, der auf die Einrichtung zum Erzeugen von Pulsen (100) gemeinsam mit dem Substratspannungspumpkreis (120) anspricht;
eine Hochpumpspannungsdetektorschaltung (160), die die Versorgungsspannung (V_PP) des Versorgungsspannungspumpkreises (150) detektiert, und die ein Hoch pumpspannungssteuersignal zum Steuern des Betriebs des Versorgungsspan nungspumpkreises (150) gemäß der detektierten Versorgungsspannung (V_PP) er zeugt; und
eine Einrichtung (170) zum Empfangen des Substratspannungssteuersignals und des Hochpumpspannungssignals und zum Erzeugen eines Pulssteuersignals, wobei die Einrichtung zum Erzeugen von Pulsen (100) auf das Pulssteuersignal anspricht.

2. Konstantspannungsgenerator gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch:
einen Oszillator (100) als die Einrichtung zum Erzeugen von Pulsen; eine Substratspannungspumptreiberschaltung (110) zum Empfangen der von dem Oszillator (100) ausgegebenen Pulse und zum Erzeugen eines ersten Treibersi gnals, das dem Substratspannungspumpkreis (120) zugeführt wird, im Ansprechen auf das Substratspannungssteuersignal;
eine Versorgungsspannungspumptreiberschaltung (140) zum Empfangen der von dem Oszillator (100) ausgegebenen Pulse und zum Erzeugen eines zweiten Trei bersignals, das dem Versorgungsspannungspumpkreis (150) zugeführt wird, im An sprechen auf das Hochpumpspannungssteuersignal;
wodurch der Substratspannungspumpkreis (120) und der Versorgungsspannungs pumpkreis (150) unabhängig voneinander im Ansprechen auf die von dem Oszillator (100) ausgegebenen Pulse arbeiten.

3. Konstantspannungsgenerator gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Einrichtung (170) zum Erzeugen des Pulssteuersignals ein NOR-Gatter (101) umfaßt, das das Substratspannungssteuersignal und das Hochpumpspan nungssteuersignal empfängt, um das Pulssteuersignal zu erzeugen.

4. Konstantspannungsgenerator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Substratspannungspumptreiberschaltung (110) abgeschaltet wird und unabhängig von dem Versorgungsspannungspumpkreis (150) ist, wenn sich die Substratspannung (V_BB) bei einem ersten Pegel befindet, und die Versor gungsspannungspumptreiberschaltung (140) gesperrt und unabhängig von dem Substratspannungspumpkreis (120) ist, wenn sich die Versorgungsspannung (V_PP) auf einem zweiten Pegel befindet.