EP1197825A2 - Integrierte Schaltung mit Schaltungsstellen mit unterschiedlicher Versorgungsspannung - Google Patents

Integrierte Schaltung mit Schaltungsstellen mit unterschiedlicher Versorgungsspannung Download PDF

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EP1197825A2
EP1197825A2 EP01121398A EP01121398A EP1197825A2 EP 1197825 A2 EP1197825 A2 EP 1197825A2 EP 01121398 A EP01121398 A EP 01121398A EP 01121398 A EP01121398 A EP 01121398A EP 1197825 A2 EP1197825 A2 EP 1197825A2
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voltage
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resistance
voltage divider
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Renesas Design North America Inc
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Dialog Semiconductor GmbH
Dialog Semiconductor Inc
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current 
    • G05F1/46—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
    • G05F1/462—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC as a function of the requirements of the load, e.g. delay, temperature, specific voltage/current characteristic
    • G05F1/465—Internal voltage generators for integrated circuits, e.g. step down generators
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00—Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is DC
    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/24—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only
    • G05F3/242—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only with compensation for device parameters, e.g. channel width modulation, threshold voltage, processing, or external variations, e.g. temperature, loading, supply voltage
    • G05F3/247—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only with compensation for device parameters, e.g. channel width modulation, threshold voltage, processing, or external variations, e.g. temperature, loading, supply voltage producing a voltage or current as a predetermined function of the supply voltage

Definitions

  • the invention relates to an integrated circuit (IC) with first circuit parts whose supply voltage is the same the external supply voltage of the IC and with second Circuit parts whose supply voltage is less than that external supply voltage and as internal supply voltage is derived from the former.
  • IC integrated circuit
  • Such integrated circuits are known.
  • Those Circuit parts, the above as the first circuit parts were made up of large structures that are usually arranged in the periphery and with the external power supply normally working from 5V.
  • Those circuit parts that are described above as second circuit parts are primarily logic circuits, those for reasons of higher signal processing speed and the lower power loss with a low internal supply voltage of e.g. 3 V work.
  • This internal supply voltage is from a controller not appearing to the outside.
  • the latter comprises a reference element, e.g. a zener diode or a bandgap structure, a negative feedback, compensated Control amplifier and external backup capacitors, is So relatively complex and provides the internal supply voltage after switching on the external supply voltage with one caused by the external support capacitors Delay available.
  • the invention has for its object an integrated To create a circuit of the type specified in the introduction, the circuit structures to be integrated with less effort and the internal supply voltage without external components almost instantly after application the external supply voltage.
  • This task is in an integrated circuit in the Preamble of claim 1 specified genus according to the invention through a supplying the internal supply voltage, Active voltage divider solved the first resistance voltage divider between the supply voltage connection and the reference potential with a downstream impedance converter and a circuit for load-dependent control the partial voltage at the tap of the first resistance voltage divider includes.
  • the impedance converter can have an intermediate the supply voltage connection and an internal supply voltage point of the second circuit parts Drain-source path of a first MOSFET, the gate with the tap of the first resistance voltage divider is connected (claim 2).
  • the circuit for load-dependent control of the partial voltage at the tap of the first resistance voltage divider can in particular one between the supply voltage connection and drain-source path located at the internal supply voltage point of a second MOSFET, the gate of which a tap of a second resistance voltage divider between the supply voltage connection and the reference potential connected to one in the drain branch of the second MOSFET lying third MOSFET, which is connected to a fourth, between the supply voltage connection and the tap of the first resistor voltage divider lying one Current mirror circuit forms (claim 3).
  • the drawing shows the simplified diagram of the one Part of an integrated circuit that is used to obtain a internal supply voltage according to the present proposal serves.
  • the integrated circuit lying at a reference potential receives the usual external supply voltage via a connection pad of + 5 V and includes not shown first circuit parts whose supply voltage is the same this external supply voltage.
  • the integrated Circuitry further includes that designated by "logic" Block symbolized second circuit parts that are used for Achieve a higher signal processing speed and to save power loss with an internal Supply voltage of e.g. +3 V work.
  • the circuit shown in detail is used to obtain this internal supply voltage. It comprises a first resistance voltage divider R1, R2 between the supply voltage connection pad and the reference potential.
  • the tap X of this first resistance voltage divider R1 is connected to the gate of a first MOSFET structure T1, the drain / source path of which lies between the pad and the supply voltage point of the second circuit parts designated "logic".
  • T1 acts as an impedance converter.
  • the voltage at the tap X can be, for example, 4.2 V if the gate / source voltage V THN is approximately 1.2 V, thus above the drain / source path drop 2 V. This voltage drop increases as the power consumption of the second circuit parts increases.
  • the drain / source path of a second MOSFET structure T1 lies between the supply voltage connection pad and the internal supply voltage point, the gate of which has a tap X' of a second resistance voltage divider R1 ', R2' between the supply voltage connection Pad and the Reference potential is connected.
  • the drain branch of the second MOSFET T1 ' is the source / drain path of a third MOSFET structure T2', the gate of which is connected on the one hand to the drain terminal of the second MOSFET T1 and on the other hand to the gate of a fourth MOSFET structure T2
  • the drain / Source path is parallel to the partial resistance R1 of the first resistance voltage divider R1, R2.
  • the gate / source voltage V THp for the example considered here is approximately 0.9 V.

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Abstract

Bei einer integrierten Schaltung mit ersten Schaltungsteilen, deren Versorgungsspannung gleich der äußeren Versorgungsspannung ist und mit zweiten Schaltungsteilen, deren Versorgungsspannung kleiner als die äußere Versorgungsspannung ist läßt sich die zweite Versorgungsspannung als interne Versorgungsspannung nahezu verzögerungsfrei und ohne externe Komponenten wie Kondensatoren mittels eines aktiven Spannungsteilers gewinnen der folgendes umfaßt
  • einen ersten Widerstandsspannungsteiler (R1, R2) zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß (Pad) und dem Bezugspotential
  • einen dem ersten Widerstandspannungsteiler nachgeschalteten Impedanzwandler (T1)
  • eine Schaltung zur lastabhängigen Steuerung der Teilspannung am Abgriff (X) des ersten Widerstandsspannungsteilers (R1, R2).

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung (IC) mit ersten Schaltungsteilen, deren Versorgungsspannung gleich der äußeren Versorgungsspannung des ICs ist und mit zweiten Schaltungsteilen, deren Versorgungsspannung kleiner als die äußere Versorgungsspannung und als interne Versorgungsspannung von ersterer abgeleitet ist.
Derartige integrierte Schaltungen sind bekannt. Diejenigen Schaltungsteile, die vorstehend als erste Schaltungsteile bezeichnet wurden, bestehen aus großen Strukturen, die gewöhnlich in der Peripherie angeordnet sind und mit der äußeren Spannungsversorgung von normalerweise 5V arbeiten. Diejenigen Schaltungsteile, die vorstehend als zweite Schaltungsteile bezeichnet sind, sind in erster Linie Logikschaltungen, die aus Gründen der höheren Signalverarbeitungsgeschwindigkeit und der niedrigeren Verlustleistung mit einer niedrigen internen Versorgungsspannung von z.B. 3 V arbeiten. Diese interne Versorgungsspannung wird von einem nach außen nicht in Erscheinung tretenden Regler erzeugt. Letzterer umfaßt ein Referenzelement, z.B. eine Zenerdiode oder eine Bandgapstruktur, einen gegengekoppelten, kompensierten Regelverstärker und externe Stützkondensatoren, ist also relativ aufwendig und stellt die interne Versorgungsspannung nach dem Einschalten der äußeren Versorgungsspannung mit einer durch die externen Stützkondensatoren bedingten Verzögerung zur Verfügung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Schaltung der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, die mit geringerem Aufwand an zu integrierenden Schaltungsstrukturen und ohne externe Komponenten die interne Versorgungsspannung nahezu verzögerungsfrei nach dem Anlegen der äußeren Versorgungsspannung zur Verfügung stellt.
Diese Aufgabe ist bei einer integrierten Schaltung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Gattung erfindungsgemäß durch einen die interne Versorgungsspannung liefernden, aktiven Spannungsteiler gelöst, der einen ersten Widerstandsspannungsteiler zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß und dem Bezugspotential mit nachgeschaltetem Impedanzwandler und eine Schaltung zur lastabhängigen Steuerung der Teilspannung am Abgriff des ersten Widerstandsspannungsteilers umfaßt.
Diesem Vorschlag liegt die Erkenntnis zugrunde, daß wegen der in der Regel auf etwa ± 10 % oder besser stabilisierten, äußeren Versorgungsspannung ein integrierter Regler zur Gewinnung der internen Versorgungsspannung nicht erforderlich ist sondern es völlig ausreicht, die interne Versorgungsspannung von der äußeren Versorgungsspannung abzuleiten und lastunabhängig in den Grenzen der Stabilisierung der äußeren Versorgungsspannung konstant zu halten.
Der Impedanzwandler kann, wie an sich bekannt, eine zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß und einem internen Versorgungsspannungspunkt der zweiten Schaltungsteile liegende Drain-Source-Strecke eines ersten MOSFET sein, dessen Gate mit dem Abgriff des ersten Widerstandsspannungsteilers verbunden ist (Anspruch 2).
Die Schaltung zur lastabhängigen Steuerung der Teilspannung am Abgriff des ersten Widerstandsspannungsteilers kann insbesondere eine zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß und dem internene Versorgungsspannungspunkt liegende Drain-Source-Strecke eines zweiten MOSFET sein, dessen Gate mit einem Abgriff eines zweiten Widerstandsspannungsteilers zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß und dem Bezugspotential verbunden ist, mit einem im Drainzweig des zweiten MOSFET liegenden dritten MOSFET, der mit einem vierten, zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß und dem Abgriff des ersten Widerstandsspannungsteilers liegenden MOSFET eine Stromspiegelschaltung bildet (Anspruch 3).
Die Zeichnung zeigt vereinfacht das Schaltbild desjenigen Teils einer integrierten Schaltung, der zur Gewinnung einer internen Versorgungsspannung nachdem vorliegenden Vorschlag dient.
Die auf einem Bezugspotential liegende, integrierte Schaltung erhält über einen Anschluß Pad die übliche äußere Versorgungsspannung von + 5 V und umfaßt nicht dargestellte erste Schaltungsteile, deren Versorgungsspannung gleich dieser äußeren Versorgungsspannung ist. Die integrierte Schaltung umfaßt des weiteren durch den mit "Logik" bezeichneten Block symbolisierte zweite Schaltungsteile, die zur Erzielung einer höheren Signalverarbeitungsgeschwindigkeit und zur Einsparung von Verlustleistung mit einer internen Versorgungsspannung von z.B. +3 V arbeiten.
Zur Gewinnung dieser internen Versorgungsspannung dient die im einzelnen dargestellte Schaltung. Sie umfaßt einen ersten Widerstandsspannungsteiler R1, R2 zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß Pad und dem Bezugspotential. Der Abgriff X dieses ersten Widerstandsspannungsteilers R1 ist mit dem Gate einer ersten MOSFET-Struktur T1 verbunden, deren Drain/ Source-Strecke zwischen Pad und dem Versorgungsspannungspunkt der mit "Logik" bezeichneten, zweiten Schaltungsteile liegt. Dabei wirkt T1 als Impedanzwandler. Bei einer internen Versorgungsspannung von 3 V und einer angenommenen Leistungsaufnahme der zweiten Schaltungsteile von z.B. 100 mW kann die Spannung am Abgriff X z.B. bei 4,2 V liegen, wenn die Gate/Source-Spannung VTHN etwa 1,2 V beträgt, damit über der Drain/Source-Strecke 2 V abfallen. Mit steigender Leistungsaufnahme der zweiten Schaltungsteile nimmt dieser Spannungsabfall zu. Zur Erkennung dieser Änderung der Belastungssituation liegt zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß Pad und dem internen Versorgungsspannungspunkt die Drain/Source-Strecke einer zweiten MOSFET-Struktur T1', deren Gate mit einem Abgriff X' eines zweiten Widerstandsspannungsteilers R1', R2' zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß Pad und dem Bezugspotential verbunden ist. Im Drain-Zweig des zweiten MOSFET T1' liegt die Source/Drain-Strecke einer dritten MOSFET-Struktur T2', deren Gate einerseits mit dem Drainanschluß des zweiten MOSFET T1 und andererseits mit dem Gate einer vierten MOSFET-Struktur T2 verbunden ist, deren Drain/ Source-Strecke parallel zu dem Teilwiderstand R1 des ersten Widerstandsspannungsteilers R1, R2 liegt. Die Gate/Source-Spannung VTHp liegt für den hier betrachteten Beispielsfall bei etwa 0,9 V. Mit dieser an sich bekannten Stromspiegelschaltung wird erreicht, daß die Span-nung am Abgriff X des ersten Widerstandsspannungsteilers R1, R2 steigt, weil die Source/Drain-Strecke des vierten MOSFET T2 niederohmiger wird, wenn die interne Versorgungsspannung bei zunehmender Stromaufnahme der zweiten Schaltungsteile sinkt. Bei abnehmendem Leistungsverbrauch ergibt sich das umgekehrte Verhalten.

Claims (3)

  1. Integrierte Schaltung (IC) mit ersten Schaltungsteilen, deren Versorgungsspannung gleich der äußeren Versorgungsspannung des ICs ist und mit zweiten Schaltungsteilen, deren Versorgungsspannung kleiner als die äußere Versorgungsspannung und als interne Versorgungsspannung von ersterer abgeleitet ist,
    gekennzeichnet durch
    einen die interne Versorgungsspannung liefernden, aktiven Spannungsteiler, der folgendes umfaßt
    einen ersten Widerstandsspannungsteiler (R1, R2) zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß (Pad) und dem Bezugspotential
    einen dem ersten Widerstandspannungsteiler nachgeschalteten Impedanzwandler (T1)
    eine Schaltung zur lastabhängigen Steuerung der Teilspannung am Abgriff (X) des ersten Widerstandsspannungsteilers (R1, R2).
  2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwandler eine zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß (Pad) und einem internen Versorgungsspannungspunkt der zweiten Schaltungsteile liegende Drain/Source-Strecke eines ersten MOSFET (T1) ist, dessen Gate mit dem Abgriff (X) des ersten Widerstandsspannungsteilers (R1, R2) verbunden ist.
  3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur lastabhängigen Steuerung der Teilspannung am Abgriff (X) des ersten Widerstandsspannungsteilers (R1, R2) folgendes umfaßt:
    eine zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß (Pad) und dem internen Versorgungsspannungspunkt liegende Drain/Source-Strecke eines zweiten MOSFET (T1'), dessen Gate mit einem Abgriff (X') eines zweiten Widerstandsspannungteilers (R1', R2') zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß (Pad) und dem Bezugspotential verbunden ist
    einen im Drainzweig des zweiten MOSFET (T1') liegenden dritten MOSFET (T2'), der mit einem vierten, zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß (Pad) und dem Abgriff (X) des ersten Widerstandsspannungsteilers (R1, R2) liegenden MOSFET (T2) eine Stromspiegelschaltung bildet.
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