EP1197825B1 - Integrierte Schaltung mit Schaltungsstellen mit unterschiedlicher Versorgungsspannung - Google Patents

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EP1197825B1
EP1197825B1 EP01121398A EP01121398A EP1197825B1 EP 1197825 B1 EP1197825 B1 EP 1197825B1 EP 01121398 A EP01121398 A EP 01121398A EP 01121398 A EP01121398 A EP 01121398A EP 1197825 B1 EP1197825 B1 EP 1197825B1
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supply voltage
voltage
circuit
mosfet
potential divider
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Paul Zehnich
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Dialog Semiconductor GmbH
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) having first circuit parts whose supply voltage is equal to the external supply voltage of the IC and with second circuit parts whose supply voltage is smaller than the external supply voltage and as an internal supply voltage derived from the former.
  • IC integrated circuit
  • first circuit parts consist of large structures which are usually arranged in the periphery and work with the external power supply of normally 5V.
  • second circuit parts are primarily logic circuits which, for reasons of higher signal processing speed and lower power dissipation, have a low internal supply voltage of e.g. 3 V work.
  • This internal supply voltage is generated by a controller that does not appear to the outside.
  • the latter comprises a reference element, e.g. a Zener diode or a bandgap structure, a negative feedback, compensated variable gain amplifier and external support capacitors is therefore relatively expensive and provides the internal supply voltage after switching on the external supply voltage with a delay caused by the external backup capacitors.
  • the US-A-5 818 212 shows a circuit that provides an internal voltage that is largely independent of temperature and manufacturing variations.
  • the circuit includes a constant voltage source that provides a reference voltage to the first input of a differential amplifier. Its second input receives a voltage proportional to the internal voltage.
  • the output of the differential amplifier controls an impedance converter.
  • the invention is based on the object, an integrated To provide circuit of the introductory genus, which provides with less effort to be integrated circuit structures and without external components, the internal supply voltage almost instantaneously after the application of the external supply voltage.
  • an internal supply voltage supplying, active voltage divider comprising a first resistance voltage divider between the supply voltage terminal and the reference potential, a connected to the tap of the first resistor voltage divider impedance converter and a circuit for load-dependent control of the partial voltage at the midpoint of the first resistance voltage divider comprises.
  • the impedance converter can, as is known, be a lying between the supply voltage terminal and an internal supply voltage point of the second circuit parts drain-source path of a first MOSFET whose gate is connected to the center of the first resistance voltage divider (claim 2).
  • the circuit for load-dependent control of the partial voltage at the midpoint of the first resistance voltage divider can in particular be a drain-source path lying between the supply voltage connection and the internal supply voltage point a second MOSFET whose gate is connected to the center of a second resistor voltage divider between the supply voltage terminal and the reference potential, with a lying in the drain branch of the second MOSFET third MOSFET, with a fourth, lying between the supply voltage terminal and the tap of the first resistive voltage divider a MOSFET Current mirror circuit forms (claim 3).
  • the drawing shows in simplified form the circuit diagram of that part of an integrated circuit which serves to obtain an internal supply voltage according to the present proposal.
  • the lying on a reference potential, integrated circuit receives via a pad terminal, the usual external supply voltage of + 5 V and includes not shown first circuit parts whose supply voltage is equal to this external supply voltage.
  • the integrated circuit further comprises second circuit parts symbolized by the block labeled "Logic" which, to achieve a higher signal processing speed and to save power dissipation with an internal supply voltage of e.g. +3 V work.
  • this internal supply voltage is the circuit shown in detail. It comprises a first resistance voltage divider R1, R2 between the supply voltage terminal Pad and the reference potential.
  • the center X of this first resistive voltage divider R1, R2 is connected to the gate of a first MOSFET structure T1 whose drain / source path between the pad and the supply voltage point of the second circuit part labeled "logic".
  • T1 acts as an impedance converter.
  • the voltage at tap X may be at 4.2V when the gate / source voltage V THN is about 1.2V to drop 2V across the drain / source path. With increasing power consumption of the second circuit parts of this voltage drop increases.
  • the drain / source path of a second MOSFET structure T1 ' which gate with a tap X' of a second resistance voltage divider R1 ', R2' between the supply voltage terminal 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' whose gate is connected on the one hand to the drain of the second MOSFET T1 and on the other hand to the gate of a fourth MOSFET structure T2 whose drain / Source path is parallel to the partial resistance R1 of the first resistance voltage divider R1, R2.
  • the gate / source voltage V THp is about 0.9 V for the example case considered here.

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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.
  • Die US-A-5 818 212 zeigt eine Schaltung, die eine interne Spannung liefert, die weitgehend unabhängig von temperatur-und fertigungsbedingten Schwankungen ist. Die Schaltung umfasst eine Konstantspannungsquelle, die eine Referenzspannung an den ersten Eingang eines Differenzverstärkers liefert. Dessen zweiter Eingang erhält eine der internen Spannung proportionale Spannung. Der Ausgang des Differenzverstärkers steuert einen Impedanzwandler.
  • 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, einen an den Abgriff des ersten Widerstandsspannungsteilers angeschlossener Impedanzwandler und eine Schaltung zur lastabhängigen Steuerung der Teilspannung am Mittelpunkt 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 Mittelpunkt des ersten Widerstandsspannungsteilers verbunden ist (Anspruch 2).
  • Die Schaltung zur lastabhängigen Steuerung der Teilspannung an dem Mittelpunkt des ersten Widerstandsspannungsteilers kann insbesondere eine zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß und dem internene Versorgungsspannungspunkt liegende Drain-Source-Strecke eines zweiten MOSFET sein, dessen Gate mit dem Mittelpunkt 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 Mittelpunkt X dieses ersten Widerstandsspannungsteilers R1, R2 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 Mittelpunkt (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 mit zwei in Reihe geshaltete Ohm sehen Widerstände (R1, R2) und einem Mittelpunkt (x) zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß (Pad) und dem Bezugspotential
    • einen an dem Mittelpunkt (X) des ersten Widerstandsspannungsteilers angeschlossenen Impedanzwandler (T1)
    • eine Schaltung zur lastabhängigen Steuerung so daß die Spannung am Mittelpunkt (x) des ersten Widerstandspannungsteilers (R1,R2) steigt wenn die interne Versorgungsspannung sinkt
  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 Mittelpunkt (X) des ersten Widerstandsspannungsteilers (R1, R2) verbunden ist.
  3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Steuerung der Teilspannung am Abgriff (X) des ersten Widerstandsspannungsteilers (R1, R2) so daß die Spannung am Mittelpunkt (x) des ersten Widerstandspannungsteilers (R1,R2) steigt wenn die interne Versorgungsspannung sinkt 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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