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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Schaltung,
die Folgendes umfasst:
eine externe Stromversorgungsleitung,
eine interne Stromversorgungsleitung, einen Schaltungsanteil, der
an die interne Stromversorgungsleitung gekoppelt ist, einen Freigabetransistor
zum Koppeln der internen Stromversorgungsleitung an die externe Stromversorgungsleitung;
und an ein Gate des Freigabetransistors gekoppelte Steuerungsmittel
zum Schalten des Freigabetransistors mit einer ersten Gatespannung
in einen leitenden Zustand und mit einer zweiten Gatespannung in
einen nicht-leitenden Zustand.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich weiter auf eine batteriebetriebene
elektronische Einrichtung mit einer solchen integrierten Schaltung.
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Eine
Ausführungsform
einer solchen integrierten Schaltung ist aus IEEE Journal of Solid
State Circuits, Vol. 32(1); S. 52–61, 1997 bekannt.
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In
der Technik des IC-Designs erlaubt die laufende Verkleinerung von
Transistorabmessungen eine Zunahme der Transistordichte auf einen
IC, was die Entwicklung von zunehmend komplexeren ICs ermöglicht.
Aber die Zunahme in der Transistordichte führt auch signifikante Komplikationen
ein. Abgesehen von der Zunahme an Rauschen, Übersprechen und zahlreichen
Designtechnologiefallen, um nur ein paar Probleme zu nennen, verbrauchen
diese höchstintegrierten
(VLSI) Schaltungen im Betrieb große Mengen an Leistung. Zusätzlich wird
mit der Reduzierung von Transistorabmessungen und Versorgungsspannung
auch die Schwellenspannung (VT) dieser Transistoren
normalerweise verringert, um hochfrequentes Schalten der Transistoren
zu ermöglichen.
Dies verursacht für
diese Transistoren eine Zunahme in den Leckströmen, was zu dem Gesamtleistungsverbrauch
der Schaltung und insbesondere zu dem Stand-by-Strom beiträgt. Besonders dies
verursacht Probleme hinsichtlich von Batterielebensdauer für batteriebetriebene
Einrichtungen, die solche Schaltkreise enthalten, wie handgehaltene Einrichtungen,
Laptop-Computer,
Mobiltelefone, tragbare CD-Player und so weiter. Deshalb ist niedriger
Leis tungsverbrauch ein wichtiger Punkt in dem Design der ICs, speziell
wenn diese ICs in solchen Einrichtungen verwendet werden.
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Die
aus dem oben erwähnten
Stand der Technik bekannte Komplementär-Metalloxid-Halbleiter-Schaltung (CMOS-Schaltung)
hat durch das Vorhandensein eines Freigabetransistors, der an die Steuerungsschaltung
gekoppelt ist, um die externe Versorgungsleitung an die interne
Versorgungsleitung zu koppeln, ein Design mit geringem Stromverbrauch,
z.B. einen PMOS-Transistor mit hohem VT, der
zwischen die externe Versorgungsleitung (Vdd,ext) und
die interne Versorgungsleitung (Vdd,int)
der Schaltung gekoppelt ist. Der Transistor mit hohem VT wird durch
ein Freigabe/Sperr-Signal von der Steuerungsschaltung durch Umschalten
der Gatespannung des Freigabetransistors zwischen einer ersten Gatespannung
und einer zweiten Gatespannung gesteuert, so Freigeben/Sperren der
Stromversorgung zu dem Schaltungsanteil. Durch Abschalten großer Teile
eines ICs, beispielsweise während
des Stand-by-Modus z.B. einer batteriebetriebenen Einrichtung, wird eine
signifikante Einsparung verbrauchter Leistung erreicht, was in erhöhter Batterielebensdauer
resultiert. Die Verwendung eines Transistors mit hohem VT reduziert die Leckströme von dem Schaltungsanteil im
Stand-by-Modus um eine oder zwei Dekaden.
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US 6.225.852 beschreibt
die Verwendung eines vorgespannten Transistors mit hoher Schwellenspannung,
um Stand-by-Strom in integrierten Schaltungen für niedrige Spannungen zu eliminieren.
Eine Wanne, die den Transistor enthält, wird vorgespannt, um die
Schwellenspannung zu verringern, während sie leitet.
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Der
Nachteil, einen Transistor mit hohem VT zu
verwenden, ist, dass eine unterschiedliche Technologie für den Freigabetransistor
verwendet werden muss als die für
den Schaltungsanteil verwendete Technologie, was die Komplexität des IC-Designs und
die IC Produktionskosten erhöht.
Zusätzlich muss
ein solcher Transistor relativ groß sein, um einen signifikanten
Spannungsabfall über
einen Transistor mit hohem VT zu vermeiden,
was zu der Gesamtfläche
der integrierten Schaltung beiträgt
und auch die IC-Produktionskosten
erhöht.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine integrierte Schaltung
der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, in der der Freigabetransistor
in derselben Technologie wie der Schaltungsanteil realisiert werden
kann, ohne den Stand-by-Leckstrom im Vergleich zu einem Transistor
mit hohem VT zu erhöhen.
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Nun,
die Aufgabe wird durch eine Schaltung wie in Anspruch 1 definiert
gelöst.
Durch Vorspannen der zweiten Gatespannung, z.B. Anlegen einer Gate-Backbias-Spannung (= Gatespannung
in Sperrrichtung) an das Gate des Freigabetransistors wird der Spannungsabstand
zwischen der Schwellenspannung des Freigabetransistors und der Spannung
des Freigabetransistors in seinem nicht-leitenden Zustand vergrößert. Dies
kann in einer signifikanten Reduktion des Stand-by-Leckstroms von
dem Schaltungsanteil durch den Transistor resultieren; beispielsweise
reduziert eine Gate-Backbias-Spannung von gerade mal 100 mV den
Leckstrom unterhalb der Schwellenspannung um den Faktor 10–15 und
Anlegen einer Gate-Backbias-Spannung von ein paar Volt verringert
den Leckstrom unterhalb der Schwellenspannung um mehr als 10 Dekaden.
Obwohl in einem IC andere Leckstrompfade existieren, sind die Leckströme der Transistoren
unterhalb der Schwellenspannung in Technologien im tiefen Submikronbereich
der vorherrschende Beitrag zu dem Gesamtleckstrom, was die Wichtigkeit
der vorliegenden Erfindung festlegt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfassen die Steuerungsmittel einen weiteren Transistor
mit einem Substrat, das elektrisch von einem Grundmaterialsubstrat
der integrierten Schaltung isoliert ist, wobei das Substrat an eine
Bias-Spannungsquelle
gekoppelt ist und der weitere Transistor auf ein Steuersignal zum
Schalten des Freigabetransistors in einen nicht-leitenden Zustand anspricht.
An diesem Punkt sei bemerkt, dass die Verwendung von Substrat- und/oder
Wannen-Backbias-Spannungstechniken, um Leckströme zu reduzieren, in der Technik
bekannt ist. Beispielsweise offenbart US-Patent
US 5.744.996 eine CMOS-Schaltung,
die durch Anlegen einer Backbias-Spannung an
das Substrat der Transistoren in der Schaltung eingestellt werden
kann, bei verschiedenen Versorgungsspannungen zu arbeiten. In einem
anderen US-Patent, z.B.
US 6.124.752 ,
wurde eine Lösung
für das
Problem, dass man eine dritte Versorgungsspannung anlegen muss,
z.B. die Backbias-Spannung neben der nominalen Versorgungsspannung
V
dd und der Masseversorgungsspannung V
ss der Schaltung, durch Verwendung einer
Ladungspumpe, die auf dedizierte Steuerschaltkreise anspricht, zum
Entfernen von Ladung von dem Substrat bereitgestellt. Der übliche Ansatz
der in diesen Patenten beschriebenen Architekturen ist aber, entweder
Backbias-Spannungen an einen Teil der Schaltung, z.B. einen Schaltungsanteil,
zu legen, in welchem Fall Dreifach-Wannen-Technologien oder andere
isolierende Techniken erforderlich sind, oder sie an die gesamte
Schaltung zu legen. Aber das Anlegen von Backbias-Spannungen an
große
Teile der integrierten Schaltung hat den Nachteil, dass ein Backbias-Spannungsgenerator wie
eine Ladungspumpe ein großes
Substratvo lumen anzusteuern hat, was einen negativen Effekt auf entweder
die Größe des Backbias-Spannungsgenerators
oder auf die aktuelle Zeitdauer, in der das Anlegen der Backbias
etwas bewirkt, hat. Zusätzlich wird
erwartet, dass der positive Effekt des Anlegens von Backbias-Spannungen,
um Leckströme
zu reduzieren, mit der weiteren Verkleinerung der technologischen
Abmessungen wegen der erwarteten Reduktion des sogenannten k-Faktors,
wie er in der folgenden Formel ausgedrückt ist, kleiner wird:
wobei V
T die
Schwellenspannung, V
X ein prozessbezogener
konstanter Schwellenspannungsterm, k der Substratfaktor oder k-Faktor,
der von der Oxidkapazität
pro Flächeneinheit
in der Technologie abhängt, φ
F das Fermi-Niveau und V
SB die
Source-Bulk- oder Backbias-Spannung ist. Fachleute werden erkennen, dass
mit einem abnehmenden k-Faktor der Einfluss der Backbias auf die
Zunahme der Schwellenspannung gemäßigter wird, was in einer kleineren
Reduktion von Leckströmen
der Schaltung oder Schaltungsanteile resultiert.
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Es
sei betont, dass die zuvor erwähnte
Ausführungsform
nicht signifikant unter dieser erwarteten Verschlechterung des Einflusses
des k-Faktors leidet; sowohl der Schaltungsanteil als auch der Freigabetransistor
sind in einer Standardtechnologie realisiert, während der Transistor, der verantwortlich
für die
Erzeugung der an das Gate des Freigabetransistors anzulegenden Backbias-Spannung
ist, an eine Backbias-Quelle angeschlossen ist. Deshalb erlebt dieser
Transistor, aber nicht der Schaltungsanteil und der Freigabetransistor,
erhöhte
Leckströme
im Stand-by als Ergebnis des reduzierten k-Faktors in zukünftigen
Technologien, was ein geringfügiger
Beitrag zu den Leckströmen
eines ICs mit Millionen von Transistoren ist. Außerdem hat die Realisierung
der überwältigenden
Mehrheit des ICs in einer Standardtechnologie, z.B. CMOS-Technologie,
den Vorteil, dass Standardbibliothekszellen, die die nominalen Stromversorgungsleitungen
Vdd und Vss verwenden, sowohl
für den
Schaltungsanteil als auch für
den Freigabetransistor verwendet werden können, und dass die Stromversorgungsleitungs-Routing-Themen
zum Anlegen der Backbias-Spannung
auf den Transistor limitiert bleiben, der für die Erzeugung der Gate-Backbias-Spannung des Freigabetransistors verantwortlich
ist. Zusätzlich
kann, wegen der moderaten Größe der Substratfläche des
Transistors, der für
die Erzeugung der an das Gate des Freigabetransistors anzulegenden
Backbias-Spannung verantwortlich ist, die Backbias schnell eingerichtet
werden, im Gegensatz zu den bekannten Backbias-Anwendungen, wo mehr
bedeutende Substratflächen
vorgespannt werden müssen.
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Es
ist ein Vorteil, wenn die Bias-Spannungsquelle einen Backbias-Generator
umfasst, der auf das Steuersignal anspricht.
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Indem
man den Backbias-Generator so macht, dass er auf das Steuersignal
anspricht, wird der Backbias-Generator nur eingeschaltet, wenn es notwendig
ist, d.h. wenn der Schaltungsanteil in einen Stand-by-Modus geschaltet
wird, was die Leistungsaufnahme des Backbias-Generators reduziert.
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Eine
wichtige Qualität
von batteriebetriebenen Einrichtungen ist die Länge der Betriebsdauer; d.h.
der Dauer, in der die Einrichtung funktioniert, ohne dass die Batterien
aufgeladen werden müssen. Typisch
stärkt
eine Zunahme der Betriebsdauer einer solchen Einrichtung deren Marktposition
beträchtlich, was
besonders der Fall für
Mobiltelefone und Laptop-Computer ist, um ein paar batteriebetriebene
Einrichtungen zu nennen. Batteriebetriebene Einrichtungen, die ein
IC gemäß der Erfindung
verwenden, können
längere
Betriebsdauern aufgrund der Tatsache bereitstellen, dass große Teile
des ICs mit einer dramatischen Rezierung der Leckströme von den
Schaltungsanteilen im Stand-by-Modus ausgeschaltet werden können, was
die Marktposition der Einrichtung als Ganzes verbessert.
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Die
integriere Schaltung und die Einrichtung gemäß der Erfindung werden detaillierter
und als nicht-beschränkendes
Beispiel mit Bezug auf die zugehörige
Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:
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1 eine
Schaltung mit einer Ein/Ausschaltfunktion gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung; und
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2 eine
batteriebetriebene Einrichtung mit einer integrierten Schaltung
mit einer Ein/Ausschaltfunktion gemäß der Erfindung.
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In 1 hat
die integrierte Schaltung 100 einen Schaltungsanteil 102.
Schaltungsanteil 102 ist zwischen eine Stromversorgungsleitung 110 und eine
interne Stromversorgungsleitung 120 gekoppelt, die durch
den Freigabetransistor 104 an eine externe Stromversorgungsleitung 130 gekoppelt
ist. Optional ist eine Entkopplungskapazität 106 zwischen die Stromversorgungsleitung 110 und
die interne Stromversorgungsleitung 120 gekoppelt, um Spannungsspitzen
in der Versorgungsspannung während
des Einschaltens des Schaltungsanteils 102 zu kompensieren.
Das Gate des Freigabetransistors 104 ist an ein Logikgatter 150,
z.B. ein Inverter, mit einem Transistor 152 zum Erzeugen
einer ersten Gatespannung zum Schalten des Freigabetransistors 104 in
einen leitenden Zustand und einem weiteren Transistor 154 zum
Erzeugen einer zweiten Gatespannung zum Schalten des Freigabetransistors 104 in
einen nicht-leitenden Zustand gekoppelt. Andere Logikgatter können verwendet
werden, ohne von dem Rahmen der Erfindung abzuweichen.
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Das
Substrat des weiteren Transistors 154 ist über die
Backbias-Stromversorgungsleitung 140 an
eine Backbias-Quelle 170 gekoppelt, z.B. ein Backbias-Generator wie eine
Ladungspumpe oder eine andere bekannte Anordnung zum Erzeugen einer
Backbias. Die Gates des Transistors 152 und des weiteren
Transistors 154 sind über
eine Steuersignalleitung 160 an die nicht gezeigte Steuerungsschaltung
gekoppelt. Es sei betont, dass aus Zuverlässigkeitsgründen Transistor 154 als
Kaskade von zwei Transistoren implementiert ist, um der angewachsenen
Gate/Source- und Gate/Drain-Spannung standzuhalten, die aus der
angelegten Backbias resultiert, wenn Transistor 154 in
einen leitenden Zustand geschaltet wird. Die nicht gezeigte Steuerungsschaltung,
die in die integrierte Schaltung 100 integriert werden
kann oder zumindest teilweise außerhalb der integrierten Schaltung 100 angeordnet
werden kann, wird verwendet, um den Betriebsmodus des Schaltungsanteils 102,
z.B. im aktiven oder Stand-by-Modus, zu steuern. Optional ist Backbias-Quelle 170 auch
an die Steuersignalleitung 160 angeschlossen, wie durch
den gestrichelten Teil dieser Leitung angedeutet ist, in dem Fall,
dass Backbias-Quelle 170 auch auf die Steuerungsschaltung
ansprechend gemacht worden ist. In 1 ist Backbias-Quelle 170 in die
integrierte Schaltung 100 integriert, da dies die bevorzugte
Anordnung ist. Aber es wird Fachleuten deutlich sein, dass eine
externe, über
einen nicht gezeigten Eingangspin der integrierten Schaltung 100 an
den weiteren Transistor 154 gekoppelte Backbias-Quelle
auch verwendet werden kann, ohne von dem Rahmen der Lehren der vorliegenden
Erfindung abzuweichen.
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In
der in 1 gezeigten Ausführungsform ist Stromversorgungsleitung 110 eine
Vdd-Leitung, die interne Stromversorgungsleitung 120 ist
eine Vss-Leitung und externe Stromversorgungsleitung 130 ist eine
externe Vss-Leitung, wobei Freigabetransistor 104 ein
NMOS-Transistor ist. Dies ist die bevorzugte Ausführungsform,
da NMOS-Transistoren eine bessere Konduktanz haben als PMOS-Transistoren,
was nützlich
ist, wenn große
Ströme
durch den Schaltungsanteil 102 in dessen aktiven Modus
fließen müssen. In
dieser Ausführungsform
ist die an den Freigabetransistor angelegte Backbias tatsächlich eine
negative Spannung, vorzugsweise von einigen Volt. Aber Fachleute
werden verstehen, dass Stromversorgungsleitung 110 eine
Vss-Leitung sein kann, interne Versorgungsleitung 120 eine
interne Vdd-Leitung sein kann und externe
Stromversorgungsleitung 130 eine externe Vdd-Leitung
sein kann, wobei der Freigabetransistor 104 ein PMOS-Transistor
ist, ohne von dem Rahmen der Erfindung abzuweichen. In dem letzteren
Fall wird die angelegte Backbias eine positivere Spannung als Vdd sein, um den Abstand zwischen der Gatespannung
und der Schwellenspannung des PMOS-Transistors 104 zu vergrößern. Auch
eine Kombination von Freigabetransistoren zwischen sowohl einer
internen als auch externen Vdd-Stromversorgungsleitung
wie auch zwischen sowohl einer internen als auch externen Vss-Stromversorgungsleitung
kann bedacht werden, ohne von dem Rahmen der Erfindung abzuweichen.
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2 wird
mit Zurückverweis
auf die detaillierte Beschreibung von 1 beschrieben.
Entsprechende Bezugszeichen haben dieselbe Bedeutung, wenn nicht
anders angegeben. In 2 enthält eine batteriebetriebene
elektronische Einricht 200, z.B. ein Handheld-Computer,
ein Laptop-Computer, ein Personal Assistant, ein Mobiltelefon usw.,
eine integrierte Schaltung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Nur die externe Stromversorgungsleitung 130 der integrierten
Schaltung 100 ist in 2 explizit
gezeigt; dies ist nur der Klarheit halber getan. Externe Stromversorgungsleitung 130 ist
an einen Kontakt 222 des Batteriebehälters 220 gekoppelt;
die Verbindung 224 des Batteriebehälters 220 und Stromversorgungsleitung 110 ist
der Klarheit halber nicht gezeigt. Im Stand-by-Modus des Schaltungsanteils 102 muss
die nicht gezeigte Batterie in dem Batteriebehälter 220 wegen der
angelegten Backbias an das Gate des Freigabetransistors 104 kaum
jegliche Leistung an Schaltungsanteil 102 liefern. Der
Schaltungsanteil 102 wird unter der Kontrolle der nicht
gezeigten Steuerungsschaltung in einen Stand-by-Modus geschaltet;
die Steuerungsschaltung kann entweder teilweise oder vollständig in
die batteriebetriebene elektronische Einrichtung 200 außerhalb
der integrierten Schaltung 100 integriert sein, oder kann
in die integrierte Schaltung 100 integriert sein. Die Anwesenheit
der integrierten Schaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung erhöht
die Lebensdauer der nicht gezeigten Batterie einer batteriebetriebenen elektronischen
Einrichtung 200 drastisch, was ihre Vermarktungsfähigkeit
vergrößert, da
die Stand-Alone-Betriebsdauer, z.B. ist die Zeit, die die batteriebetriebene
elektronische Einrichtung 200 arbeiten kann, ohne an eine
andere Stromversorgung als die Batterie angeschlossen zu sein, ein
wichtiges Merkmal für
das Vermarkten solcher Produkte.
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Es
sei angemerkt, dass oben erwähnte
Ausführungsformen
die Erfindung eher illustrieren als die Erfindung zu beschränken, und
dass Fachleute in der Lage sein werden, viele alternative Ausführungsformen
zu designen, ohne von dem Rahmen der Erfindung der beigefügten Ansprüche abzuweichen.
Jegliche in Klammern angeordnete Bezugszeichen in den Ansprüchen beschränken deren
Schutzumfang nicht. Die Verwendung des Wortes "umfassen" schließt das Vorhandensein von anderen
als in den Ansprüchen
erwähnten
Elementen nicht aus. Die Verwendung des Wortes "ein" oder "eine" vor einem Element
schließt
das Vorhandensein einer Vielzahl derartiger Elemente nicht aus.
In dem Anordnungsanspruch, der mehrere Mittel aufzählt, können mehrere
dieser Mittel durch ein und dasselbe Stück Hardware ausgeführt sein.
Die bloße
Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen
in untereinander unterschiedlichen Ansprüchen aufgezählt sind, indiziert nicht, dass
eine Kombination dieser Maßnahmen
nicht vorteilhaft verwendet werden kann.