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Hintergrund der Erfindung
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Schaltung zum Verringern des Vorstroms in einer Referenzspannungsschaltung
und insbesondere ein Verfahren und eine Schaltung zum Verringern
des Stromverbrauchs einer Referenzspannungsversorgung für einen
Halbleiterspeicher.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Zur Versorgung eines Halbleiterspeichers werden
zahlreiche Referenzspannungen bereitgestellt. Die Spannungen werden
aus einigen wenigen Referenzspannungsschaltungen (oder sogar aus
nur einer) abgeleitet, z. B. liefert eine Bandlückenreferenzschaltung eine
Referenzspannung an einen synchronen DRAM.
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Diese Bandlückenreferenzspannungsschaltung
verbraucht einen konstanten Strom von in der Regel 7–10 μA aus einer
Stromversorgung. Dieser Stromverbrauch ist während des normalen Betriebs des
Chips akzeptabel, wenn der Gesamtstromverbrauch des Chips in dem
Bereich mehrerer hundert Milliamp. liegt. Im Stromsparmodus liegt
der maximale Stromverbrauch des Chips jedoch in der Größenordnung
von 100 μA.
In diesem Fall trägt
der Stromverbrauch der Referenzschaltung signifikant zu dem gesamten
Stromverbrauch bei.
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Ein Verfahren zur Verringerung des
Stromverbrauchs während
eines Stromsparmodus wurde in dem US-Patent Nr. 5,189,316 mit dem
Titel „Stepdown
Voltage Generator Having an Active Mode And a Standby Mode" vorgeschlagen. Gemäß dieser
Offenlegung enthält
eine integrierte Schaltung eine Abwärtswandlerschaltung zum Herabsetzen
einer von einer externen Stromversorgung gelieferten Versorgungsspannung,
ein Inaktivierungsmittel zum Deaktivieren (Inaktivieren) der Abwärtswandlerschaltung während des
Stromsparmodus und ein Versorgungsspannungsanlegemittel zum direkten
Anlegen der Versorgungsspannung aus einer externen Stromversorgung
an die Hauptschaltung während
des Standby-Modus.
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In diesem Zusammenhang ist aus
US 5,281,866 eine Referenzspannungsschaltung
bekannt, die ein schnelles Heraufschalten aus dem Standby-Zustand
mit niedriger Stromaufnahme durch Pufferladung von Feldeffekttransistorkapazitäten beim
Wiedereinschalten ermöglicht.
Dennoch wird keine Minimierung des Stromverbrauchs der Referenzschaltung
vorgeschlagen.
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Das von der vorliegenden Erfindung
zu lösende
Problem besteht darin, ein Verfahren zur Verringerung des Stromverbrauchs
in einer Referenzspannungsschaltung und außerdem eine Vorrichtung zum
Verringern des Vorstroms in einer Referenzspannungsschaltung bereitzustellen.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Dieses Problem wird durch ein Verfahren
mit den technischen Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch
1 und eine Vorrichtung mit den technischen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 8 bzw.
14 gelöst.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird eine stabilisierte Referenzspannung (Vref) auf
einem Kondensator in einer integrierten Schaltung, wie zum Beispiel
einem synchronen DRAM-Chip, gespeichert, und eine die Vref erzeugende
Referenzspannungsschaltung wird bei Erkennung eines Stromsparzustandes
des Chips von dem Vref-Knoten getrennt. Die Erkennung des Stromsparzustands
startet einen Zähler.
Wenn der Stromsparzustand für
eine erste vorbestimmte Zeitspanne besteht, wird die Referenzspannungsschaltung
weiterhin von einer selbige versorgenden externen Stromversorgung
getrennt. Nach einer zweiten vorbestimmten Zeitspanne in dem Stromsparmodus
wird die externe Stromversorgung wieder mit der Referenzspannungsschaltung
verbunden. Der Vref-Knoten wird dann wieder mit der Referenzspannungsschaltung
verbunden, wenn entweder eine dritte vorbestimmte Zeitspanne in
dem Stromsparmodus erkannt wird, oder wenn der Stromsparmodus beendet wird.
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Wenn der Stromsparmodus vor dem Erreichen
der ersten vorbestimmten Zeitspanne beendet wird, wird die Referenzspannungsschaltung
wieder mit dem Vref-Knoten verbunden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
enthält
einen Oszillator zum Erzeugen eines Taktsignals, das dem Zähler zugeführt wird.
Der Zähler
gibt Zählersignale
(d. h. Zeitmarkierungen) an eine Steuerung aus, die den Betrieb
der Schaltung steuert. Zwischen dem Ausgang der Referenzspannungsschaltung
und einem Vref-Knoten in der Schaltung ist ein erstes Schaltmittel
angeordnet, das selektiv den Vref-Knoten von der Referenzspannungsschaltung trennt.
Ein zwischen dem Eingang der Referenzspannungsversorgung und einer
externen Stromversorgung angeordnetes zweites Schaltmittel trennt
selektiv die die Referenzspannungsschaltung versorgende Stromversorgung.
Die erste und die zweite schaltende Schaltung sind mit der Steuerung
verbunden und werden von dieser gesteuert.
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Die Referenzspannung Vref wird vorzugsweise
vorübergehend
in einem Kondensator in der Chipschaltung gespeichert. Der Kondensator
kann einer der Entkopplungskondensatoren in der Schaltung sein.
Die vorübergehend
gespeicherte Vref ermöglicht
eine zyklische Verbindung und Trennung der Referenz spannungsschaltung über das
erste Schaltmittel ohne Unterbrechung des Betriebs der Schaltung.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung und viele
der damit einhergehenden Vorteile treten deutlicher zutage, wenn
die Erfindung durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche
Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden wird.
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugssymbole dieselben oder ähnliche
Komponenten, und:
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1 ist
ein Blockschaltbild einer Vorstromverringerungsschaltung gemäß der Erfindung;
und
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2 ist
ein Zustandsdiagramm eines Automaten (einer Steuerung) zum Steuern
des Stromsparens während
des Stromsparmodus eines DRAM.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft allgemein
das Stromsparen und insbesondere das Stromsparen in elektronischen
Schaltungen. Um die Besprechung zu erleichtern, wird die Erfindung
im Kontext von Halbleiterspeicherschaltungen beschrieben. Die Erfindung
ist jedoch allgemeiner und auf elektronisch Schaltungen anwendbar,
die Referenzspannungsschaltungen verwenden.
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Mit Bezug auf 1 enthält die Steuerschaltung 10 einen
Schalter 24a, der selektiv die Referenzspannungsschaltung 12 mit
dem Vref-Knoten verbindet. Ein Schalter 24b verbindet selektiv
die Referenzspannungsschaltung 12 mit einer (nicht gezeigten)
externen Stromversorgung und ermöglicht dadurch
einer Steuerung 14, selektiv die Bezugsspannungsschaltung 12 zu
aktivieren oder zu deaktivieren. Die Steuerung 14 ist ein
Automat, der so ausgelegt ist, daß er die Schaltverbindungen
zwischen der Bezugsspannungsschaltung 12 und ihrer externen
Stromversorgung und ihre Verbindung mit dem Vref-Knoten steuert.
Für Fachleute
ist erkennbar, daß der
Automat (die Steuerung 14) mit einfachen Logikschaltkreisen
implementiert werden kann, wie zum Beispiel mit Logikgattern, Flipflops
oder sogar komplizierteren Prozessorsteuerschaltkreisen.
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Der Schalter 24b ist als
symbolische Darstellung eines Verfahrens gezeigt, durch das die
Referenzspannungsschaltung 12 gesperrt werden kann, indem
sie von ihrer externen Stromversorgung getrennt wird. Außerdem können auch
andere elektronisch intelligente Verfahren zur Deaktivierung der Referenzspannungsschaltung 12 verwendet
werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenlegung abzuweichen.
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Die Steuerung 14 empfängt Zählersignale 28 aus
dem Zähler 16,
der durch ein durch den Oszillator 18 erzeugtes Taktsignal 26 angesteuert
wird. Der Oszillator 18 kann ein bestehender Oszillator,
der für andere
Chipfunktionen verwendet wird, die während des Stromsparmodus nicht
abgeschaltet werden können,
oder ein speziell für
diesen Zweck ausgelegter eigener Oszillator sein.
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Wenn der Schalter 24a geschlossen
ist, ist die Referenzspannungsschaltung 12 zum Beispiel mit
den Entkoppelkapazitäten 20 und
mit den Gates der Transistoren 22 über den Chip hinweg verbunden,
durch die eine zusätzliche
parasitäre
Kapazität gebildet
wird. Die hinzugefügte
Kapazität
kann vollständig
parasitär
oder eine kombinierte Entkopplungs- bzw. parasitäre Kapazität sein. Es werden keine ohmsche
Lasten von der Referenzspannungsschaltung 12 angesteuert.
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Beim Herauffahren des Chips werden
die Kapazitäten 20 auf
Vref aufgeladen. Die Referenzspannung Vref bleibt auf dieser Kapazität auch dann stabil,
wenn die Referenzspannungsschaltung 12 durch einen Schalter
von dem Vref-Knoten getrennt wird. Die Kapazitäten 20 tasten effektiv
die Vref-Spannung ab und speichern diese. Da Vref nur mit den Gates
der Transistoren 22 verbunden ist, ist das Lecken aus dem
Vref-Knoten extrem gering, und die Zeit, für die Schalter 24a und 24b geöffnet werden
können,
liegt im Bereich von Millisekunden oder mehr.
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In einem Stromsparmodus öffnet die
Steuerung 14 den Schalter 24a, um den Vref-Knoten
von der Referenzspannungsschaltung 12 zu trennen. Nachdem
eine vorbestimmte Zeit in dem Stromsparmodus vergangen ist, trennt
die Steuerung 14 die Referenzspannungsschaltung 12 von
ihrer externen Stromversorgung (über
den Schalter 24b), um die Referenzspannungsschaltung 12 zu
deaktivieren. Das Öffnen
des Schalters 24a verhindert einen Stromfluß aus dem
Vref-Knoten in die Referenzspannungsschaltung 12, und das
Trennen der Schaltung 12 von ihrer externen Stromversorgung
bewirkt, daß der
Stromverbrauch der Referenzspannungsschaltung 12 Null wird.
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Um sicherzustellen, daß Leckströme auf dem
Vref-Knoten kompensiert werden, wird die Referenzspannungsschaltung 12 selektiv
in regelmäßigen Intervallen
(z. B. alle 2 ms für
40 μs) eingeschaltet
(d. h. wieder mit der externen Stromversorgung verbunden). Nachdem
die Ausgangsspannung der Referenzspannungsschaltung 12 stabil
geworden ist, wird der Schalter 24a geschlossen, um den
Vref-Knoten wieder mit der Referenzspannungsschaltung 12 zu
verbinden. Somit wird ein Abfall von Vref aufgrund der Leckströme kompensiert.
Die Zeitsteuerung des Zyklus hängt
von dem Betrag des zu kompensierenden Leckens ab. Wenn der Leckstrom
zum Beispiel gering ist, ist die für die Kompensation erforderliche Zeitsteuerung
kleiner als wenn die Leckströme
hoch sind. Das minimale Ein/Aus-Verhältnis des Schalters 24a ist
eine Funktion von Prozeßeigenschaften
und kann gemäß dem tatsächlichen
Leckstrom auf dem Vref-Knoten eingestellt werden.
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2 zeigt
ein Zustandsdiagramm der Funktionsweise der Steuerung 14 während des
Herauffahr- oder Stromsparmodus des Chips. Während des Betriebs oder des
Herauffahrens ist die Referenzspannungsschaltung (RVC) 12 eingeschaltet
(d. h. über
den Schalter 24b mit ihrer externen Stromversorgung verbunden),
und der Schalter 24a ist geschlossen, wenn das Ausgangssignal
der RVC 12 stabilisiert ist, um die RVC 12 mit
dem Vref-Knoten zu verbinden. Wenn der Stromsparmodus erkannt wird (Zustand 42 der
Steuerung), ist die RVC 12 eingeschaltet, der Schalter 24a ist
geöffnet,
um den Vref-Knoten von der RVC 12 zu trennen, und der Zähler 16 wird
zurückgesetzt.
Nach dem Rücksetzen des
Zählers 16 und
der Trennung des Vref-Knotens von der RVC 12 beginnt der
Zähler 16 zu
laufen, während
die RVC 12 in dem Zustand 44 bleibt. Wenn der Chip
als Folge von Inaktivität
im Stromsparmodus bleibt, erreicht der Zähler 16 eine erste
vorbestimmte Zeitmarkierung, und die RVC 12 wird durch Öffnen des
Schalters 24b im Zustand 46 ausgeschaltet. Wenn
sich der Chip nach dem Erreichen der ersten Zählermarkierung und dem Voranschreiten
zum Zustand 46 nicht im Stromsparmodus befindet oder der Zähler 1b eine
zweite Zeitsteuerungsmarkierung erreicht, schreitet die Steuerung 14 zum
Zustand 48 voran, in dem der Schalter 24b geschlossen
und die RVC 12 reaktiviert wird. Wenn der Stromsparmodus aus
irgendeinem Grund angehalten wird, bevor der Zähler 16 seine erste
Zeitsteuerungsmarkierung erreicht (z. B. die Chipfunktion wird benötigt), schreitet die
Steuerung 14 zum Zustand 50 voran, um den Vref-Knoten
durch Schließen
des Schalters 24a wieder mit der RVC 12 zu verbinden.
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Wenn sich der Chip nicht mehr im Stromsparmodus
befindet oder der Zähler 16 eine dritte
Zeitsteuerungsmarkierung erreicht, schreitet die Steuerung 14 zum
Zustand 50 voran, indem der Schalter 24a geschlossen
wird, um den Vref-Knoten wieder mit der RVC 12 zu verbinden.
Im Zustand 50 läuft
der Zähler
weiter. Wenn sich der Chip im Stromsparmodus befindet, schreitet
die Steuerung 14 zum Zustand 42 voran, öffnet den
Schalter 24a und setzt den Zähler 16 zurück, um den
Prozeß neu zu
starten. Wenn sich der Chip nicht in einem Stromsparmodus befindet,
schreitet die Steuerung 14 zum Zustand 40 voran,
in dem der Schalter 24a geschlossen und der Zähler gestoppt
wird.
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Die vorbestimmten Zeitsteuerungsmarkierungen,
die die Zustände 46, 48 und 50 implementieren,
sind variabel gemäß dem Betrag
des Leckens, der in der jeweiligen Schaltung kompensiert werden muß. In einem
veranschaulichenden Beispiel der Erfindung wird die RVC 12 alle
2 ms für
40 μs eingeschaltet.
Wenn also der Stromsparmodus erkannt wird, ist die RVC 12 bereits
eingeschaltet, und deshalb wird die erste vorbestimmte Zeitsteuerungsmarkierung
auf ungefähr
40 μs vom
Starten des Zählers gesetzt
(Zustand 42). Mit Bezug auf 2 würde die Deaktivierung
der RVC 12 im Zustand 46 ungefähr 40 μs nach dem Zurücksetzen
des Zählers
im Zustand 42 erfolgen, vorausgesetzt, daß der Chip
im Stromsparmodus bleibt. Die zweite und die dritte Zeitsteuerungsmarkierung
sind nicht so kritisch wie die erste und werden gemäß dem Ein/Aus-Zeitsteuerungsverhältnis gesetzt,
das notwendig ist, um die Verbindung und Trennung des Vref-Knotens
von dem Ausgang der RVC 12 über den Schalter 24a zu
bewirken und die RVC 12 wieder mit ihrer externen Stromversorgung
zu verbinden. Die anfänglichen
40 μs für die Zustände 42 und 44 werden
somit wahrscheinlich etwas niedriger liegen, um die zusätzliche
Zeit zu kompensieren, die für
das Ein/Aus-Schaltverhältnis in den
Zuständen 48 und 50 benötigt wird,
wenn die RVC 12 auch aktiv oder eingeschaltet ist.
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Zum Beispiel sollte der gesamte Prozeß des zyklischen
Durchlaufens der Zustände 42, 44, 46, 48 und 50 im
Stromsparmodus nur 2 ms in Anspruch nehmen. Der größte Teil
dieser Zeit (d. h. 1,96 ms) wird im Zustand 46 verbracht,
in dem die RVC 12 ausgeschaltet ist. Die verbleibende Zeit
für die
Zustände 42, 44 und 48, 50 sind
die Zustände,
wenn die RVC 12 eingeschaltet ist, und ist deshalb nur
für insgesamt
0,04 ms oder 40 μs
aktiv.
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Obwohl sie als eine Stromspartechnik
während
des Stromsparmodus eines Halbleiterspeichers offengelegt wurde,
wird auch in Betracht gezogen, diese Technik während des normalen Betriebs
einzusetzen. Da der Stromverbrauch des Halbleiterchips während des
normalen Betriebs wesentlich höher
als im Stromsparmodus ist, sind die erkannten Stromersparnisse wesentlich
kleiner. Der normale Betrieb des Halbleiterchips wird durch die
vorliegende Technik nicht unterbrochen.