JP2002369552A - Semiconductor integrated circuit device - Google Patents

Semiconductor integrated circuit device

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JP2002369552A
JP2002369552A JP2001174424A JP2001174424A JP2002369552A JP 2002369552 A JP2002369552 A JP 2002369552A JP 2001174424 A JP2001174424 A JP 2001174424A JP 2001174424 A JP2001174424 A JP 2001174424A JP 2002369552 A JP2002369552 A JP 2002369552A
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常明 布施
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敦 亀山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce loss in operating state for achieving high efficiency, and reduce power consumption in a standby state, in a semiconductor integrated circuit device which includes a DC voltage transducer. SOLUTION: A semiconductor integrated circuit device has a semiconductor integrated circuit 30, and a DC voltage conversion circuit 21 for stepping down a power voltage Vdd (1.2 V) of a nickel metal hydride battery to a voltage Vdd- int (0.5 V) for feeding power to the semiconductor integrated circuit on the same chip. In this case, the semiconductor integrated circuit 30 has a pMOS transistor, having a threshold voltage Vth1 (-0.15 V) where a magnitude is smaller than Vdd- int/2, and an nMOS transistor having a threshold voltage Vth2 (0.15 V) being smaller than the Vdd- int/2, the DC voltage conversion circuit 21 has a pMOS transistor M1, having a threshold voltage Vth3 (--0.33 V) where the magnitude is larger than |Vth1| and also is smaller than Vdd/2, and an nMOS transistor having a threshold voltage Vth4 (0.33 V), that is larger than Vth2 and also is smaller than Vdd/2.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、直流電圧変換回路
を含む半導体集積回路装置に係わり、特に各部のMIS
(Metal Insulator Semiconductor)トランジスタ(例え
ば、MOSトランジスタ)のしきい値電圧の最適化をは
かった半導体集積回路装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device including a DC voltage conversion circuit, and more particularly to a MIS of each part.
(Metal Insulator Semiconductor) The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device in which a threshold voltage of a transistor (for example, a MOS transistor) is optimized.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、半導体集積回路の集積度の向上は
著しく、ギガビット級の半導体メモリでは1チップに数
億個の半導体素子が、64ビットのマイクロプロセッサ
では1チップに数百万から1千万個の半導体素子が集積
されるようになっている。集積度の向上は、素子の微細
化によって達成され、1GビットDRAM(Dynamic Ra
ndom Access Memory)においては0.15μmのゲート
長のMOSトランジスタが用いられ、さらに集積度が高
まると0.1μm以下のゲート長のMOSトランジタが
用いられるようになる。
2. Description of the Related Art In recent years, the degree of integration of semiconductor integrated circuits has been remarkably improved. In a gigabit-class semiconductor memory, hundreds of millions of semiconductor elements per chip, and in a 64-bit microprocessor, millions to 1,000 per chip. Ten thousand semiconductor elements have been integrated. The improvement in the degree of integration has been achieved by miniaturization of elements, and 1 Gbit DRAM (Dynamic Radar)
In an ndom access memory, a MOS transistor having a gate length of 0.15 μm is used, and as the degree of integration further increases, a MOS transistor having a gate length of 0.1 μm or less is used.

【0003】このような微細MOSトランジスタにおい
ては、ホットキャリア生成によるトランジスタ特性の劣
化やTDDB(Time Dependent Dielectric Breakdow
n)による絶縁膜破壊が起きる。また、チャネル長が短
くなることによるしきい値電圧の低下を抑えるため、基
板領域やチャネル領域の不純物濃度が高められると、ソ
ース,ドレインの接合耐圧が低下する。
In such a fine MOS transistor, deterioration of transistor characteristics due to generation of hot carriers and TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown)
Insulation film breakdown due to n) occurs. Further, in order to suppress a decrease in threshold voltage due to a shortened channel length, if the impurity concentration in the substrate region or the channel region is increased, the junction breakdown voltage between the source and the drain is reduced.

【0004】これら微細素子の信頼性を維持するために
は、電源電圧を下げることが有効である。即ち、ソース
・ドレイン間の横方向電界を弱めることによってホット
キャリアの発生を防ぐことができ、ゲート・バルク間の
縦方向電界を弱めることによってTDDBを防ぐことが
できる。さらに、電源電圧を下げることによって、ソー
ス・バルク間、ドレイン・バルク間の接合に加わる逆バ
イアスを低下させ、耐圧の低下に対応させることができ
る。また、低い電圧で駆動させることは、低消費電力化
にも繋がり、非常に好ましい。
In order to maintain the reliability of these fine elements, it is effective to lower the power supply voltage. That is, generation of hot carriers can be prevented by weakening the horizontal electric field between the source and drain, and TDDB can be prevented by weakening the vertical electric field between the gate and bulk. Further, by lowering the power supply voltage, the reverse bias applied to the junction between the source and the bulk and the junction between the drain and the bulk can be reduced to cope with the reduction in the withstand voltage. Driving at a low voltage also leads to low power consumption, which is very preferable.

【0005】ところで、近年の市場の拡大が著しい携帯
情報機器においては、その主電源としてニッケル水素電
池或いはリチウムイオン電池に代表される、軽量で且つ
エネルギー密度の高い電源が使われることが多い。しか
し、これらの電池は電圧が1.2〜3.3V程度であ
り、上記微細MOSトランジスタの耐圧より高く、この
ような微細トランジスタを用いた回路に適用する場合、
例えば直流電圧変換器を用いて電圧を降圧して使用する
必要がある。
[0005] By the way, in portable information devices whose market has remarkably expanded in recent years, a light-weight and high-energy-density power source represented by a nickel-metal hydride battery or a lithium ion battery is often used as a main power source. However, these batteries have a voltage of about 1.2 to 3.3 V, which is higher than the withstand voltage of the micro MOS transistor, and when applied to a circuit using such a micro transistor,
For example, it is necessary to use a DC voltage converter to reduce the voltage.

【0006】携帯情報機器の使用時間は、電源システム
と構成部品の消費電力によって決まり、より長時間使う
ためには、高エネルギー密度の電池、高効率の直流電圧
変換器、低消費電力な集積回路が要求される。また、携
帯情報機器はインテリジェントで外部との通信を行える
機能を有するため、基本構成としてマイクロプロセッサ
や通信回路を備える。そして、降圧した電源電圧を特に
マイクロプロセッサ及びベースバンドLSIに用いるこ
とは、LSIの低消費電力化の観点からも望ましいとい
える。
The usage time of a portable information device is determined by the power consumption of a power supply system and components. To use the portable information device for a longer time, a high energy density battery, a high efficiency DC voltage converter, and a low power consumption integrated circuit are required. Is required. In addition, since the portable information device has a function of performing intelligent communication with the outside, the portable information device includes a microprocessor and a communication circuit as a basic configuration. It can be said that it is desirable to use the stepped down power supply voltage particularly for the microprocessor and the baseband LSI from the viewpoint of reducing the power consumption of the LSI.

【0007】図10に、電池電圧を降圧するための直流
電圧変換器を用いた半導体集積回路装置の従来例を示
す。図中の10はおよそ1.2Vの電圧を発生するニッ
ケル水素電池、20は1.2Vの電池電圧をおよそ0.
5Vに降圧する直流電圧変換器、30はベースバンドL
SIに代表される集積回路である。直流電圧変換器20
を構成する要素回路を集積回路30が形成される半導体
基板と同一の半導体基板上に形成することによって、シ
ステムを構成する部品点数を減らし、コストの増加を抑
えることができる。
FIG. 10 shows a conventional example of a semiconductor integrated circuit device using a DC voltage converter for stepping down a battery voltage. In the figure, reference numeral 10 denotes a nickel-metal hydride battery which generates a voltage of about 1.2 V, and reference numeral 20 denotes a battery voltage of 1.2 V which is about 0.1 V.
DC voltage converter for stepping down to 5V, 30 is baseband L
This is an integrated circuit represented by SI. DC voltage converter 20
Is formed on the same semiconductor substrate as the semiconductor substrate on which the integrated circuit 30 is formed, the number of components constituting the system can be reduced, and an increase in cost can be suppressed.

【0008】集積回路30においては、高速動作並びに
低消費電力の観点からpMOSトランジスタとnMOS
トランジスタを組み合わせたCMOS論理回路、パスゲ
ート論理回路、ダイナミック回路等が用いられることが
多い。これらのトランジスタのしきい値電圧は、回路の
動作電圧及び要求される動作速度と消費電力によって決
定される。また、直流電圧変換器20を構成する各要素
回路は集積回路30と同一基板上に同一プロセスで形成
するため、同様のpMOSトランジスタ及びnMOSト
ランジスタを組み合わせた回路で構成することが好まし
い。
In the integrated circuit 30, a pMOS transistor and an nMOS transistor are used in view of high-speed operation and low power consumption.
A CMOS logic circuit, a pass gate logic circuit, a dynamic circuit, or the like in which transistors are combined is often used. The threshold voltages of these transistors are determined by the operating voltage of the circuit and the required operating speed and power consumption. In addition, since each element circuit constituting the DC voltage converter 20 is formed on the same substrate as the integrated circuit 30 by the same process, it is preferable to constitute a circuit in which similar pMOS transistors and nMOS transistors are combined.

【0009】例えば、CMOS論理回路の中で最も簡単
なインバータ回路を例にとると、回路が動作するために
必要なトランジスタのしきい値電圧(pMOSトランジ
スタの場合は絶対値、以下同様)は電源電圧の1/2以
下である。しきい値電圧が高いとトランジスタの駆動能
力が減少するため、回路の動作速度は低下する。一方、
しきい値電圧が低くなり過ぎると、トランジスタがカッ
トオフしているときのリーク電流が増加する。リーク電
流の増加は動作時の消費電力だけでなく、非動作時(待
機時)の消費電力を増加させる。
For example, taking the simplest inverter circuit in a CMOS logic circuit as an example, the threshold voltage (absolute value in the case of a pMOS transistor, the same applies hereinafter) of a transistor required for operation of the circuit is determined by a power supply. It is 1/2 or less of the voltage. When the threshold voltage is high, the driving capability of the transistor decreases, so that the operation speed of the circuit decreases. on the other hand,
If the threshold voltage becomes too low, the leakage current when the transistor is cut off increases. The increase in the leakage current increases not only the power consumption during operation but also the power consumption during non-operation (standby).

【0010】また、リーク電流が増加すると、回路の出
力信号のハイレベルが電源電圧より低下したり、ロウレ
ベルが接地電圧より上昇したりして、出力信号の振幅が
低下する。振幅の低下はこの回路が駆動する別の回路の
動作速度を低下させたり、後動作を引き起こしたり、貫
通電流を増加させたりする。また、低いしきい値電圧は
トランジスタがパンチスルーしやすくなるため、ドレイ
ン耐圧が低下する。
When the leakage current increases, the high level of the output signal of the circuit falls below the power supply voltage, and the low level rises above the ground voltage, so that the amplitude of the output signal decreases. The decrease in the amplitude decreases the operating speed of another circuit driven by this circuit, causes post-operation, or increases the through current. In addition, since a transistor having a low threshold voltage is likely to punch through, the drain withstand voltage is reduced.

【0011】以上のことから、通常、しきい値電圧は電
源電圧の1/3から1/5程度の値に設定され、電源電
圧が0.5Vの場合、しきい値電圧は0.1Vから0.
15V程度となる。しかしながら、0.5V動作用に設
計した素子を1.2V或いは3.3V入力の直流電圧変
換器を構成する要素回路にそのまま適用すると、リーク
電流の増加による消費電力の増加とドレイン耐圧が持た
なくなるため好ましくない。
From the above, the threshold voltage is normally set to a value of about 1/3 to 1/5 of the power supply voltage. When the power supply voltage is 0.5V, the threshold voltage is set to 0.1V to 0.1V. 0.
It is about 15V. However, if the element designed for the 0.5 V operation is directly applied to an element circuit constituting a DC voltage converter of 1.2 V or 3.3 V input, an increase in power consumption due to an increase in leakage current and no drain withstand voltage are obtained. Therefore, it is not preferable.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の携
帯情報機器においては、主電源としてニッケル水素電池
などの高性能電池を使用し、直流電圧変換器を用いて電
池電圧を降圧して、より低電圧動作の半導体集積回路に
給電するようにしている。ここで、直流電圧変換器は、
各要素回路を半導体集積回路と同一チップ上に同一プロ
セスで形成するため、半導体集積回路を構成するトラン
ジスタと同一のトランジスタで構成されている。
As described above, in a conventional portable information device, a high-performance battery such as a nickel-metal hydride battery is used as a main power source, and the battery voltage is reduced using a DC voltage converter. Power is supplied to a semiconductor integrated circuit operating at a lower voltage. Here, the DC voltage converter is
Since each element circuit is formed on the same chip as the semiconductor integrated circuit by the same process, it is configured by the same transistors as those constituting the semiconductor integrated circuit.

【0013】この場合、直流電圧変換器においては、電
源電圧に対してトランジスタのしきい値電圧が低いもの
となる。トランジスタのしきい値電圧が低過ぎると、リ
ーク電流が増加し、動作時の変換効率の低下及び待機時
の消費電力の増加を招き、携帯情報機器の電池の寿命を
減少させるという問題がある。また、直流電圧変換器の
要素回路は主電源により動作するため、半導体集積回路
の動作電圧より高い電圧で動作する。従って、半導体集
積回路の動作に適すように設計された低耐圧の素子を直
流電圧変換器の要素回路に用いると、信頼性が低下する
という問題がある。
In this case, in the DC voltage converter, the threshold voltage of the transistor is lower than the power supply voltage. If the threshold voltage of the transistor is too low, the leakage current increases, which causes a decrease in conversion efficiency during operation and an increase in power consumption during standby, which causes a problem that the life of the battery of the portable information device is reduced. Further, since the element circuits of the DC voltage converter are operated by the main power supply, they operate at a voltage higher than the operating voltage of the semiconductor integrated circuit. Therefore, if a low-voltage element designed to be suitable for the operation of the semiconductor integrated circuit is used in the element circuit of the DC voltage converter, there is a problem that the reliability is reduced.

【0014】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、動作時においては損失
を低減して高効率を実現し、待機時においては消費電力
を少なくした直流電圧変換器を備えた半導体集積回路装
置を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to reduce the loss during operation to achieve high efficiency, and to reduce the power consumption during standby. An object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit device provided with a voltage converter.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】(構成)上記課題を解決
するために本発明は次のような構成を採用している。
(Structure) In order to solve the above problem, the present invention employs the following structure.

【0016】即ち本発明は、消費電力が大きい動作モー
ドとこの動作モードより消費電力が小さい待機モードの
2種のモードを持つ半導体集積回路と、第1の直流電圧
を第2の直流電圧に降圧して前記半導体集積回路に給電
する直流電圧変換回路とを同一チップ上に有する半導体
集積回路装置であって、前記半導体集積回路は、絶対値
が第2の直流電圧の1/2より小さい第1のしきい値電
圧を持つpMOSトランジスタと、第2の直流電圧の1
/2より小さい第2のしきい値電圧を持つnMOSトラ
ンジスタとを含むものであり、前記直流電圧変換回路
は、絶対値が第1のしきい値電圧の絶対値より大きく、
且つ第1の直流電圧の1/2より小さい第3のしきい値
電圧を持つpMOSトランジスタと、第2のしきい値電
圧より大きく、且つ第1の直流電圧の1/2より小さい
第4のしきい値電圧を持つnMOSトランジスタとを含
むものであることを特徴とする。なお、上記のMOSト
ランジスタは、ゲート絶縁膜が酸化膜以外に窒化膜その
他の絶縁膜の場合も含むものとする。
That is, the present invention provides a semiconductor integrated circuit having two modes of an operation mode in which power consumption is large and a standby mode in which power consumption is smaller than this operation mode, and a step in which a first DC voltage is reduced to a second DC voltage. A semiconductor integrated circuit device having a DC voltage conversion circuit for supplying power to the semiconductor integrated circuit on the same chip, wherein the semiconductor integrated circuit has a first DC voltage having an absolute value smaller than の of a second DC voltage. PMOS transistor having a threshold voltage of
An nMOS transistor having a second threshold voltage smaller than / 2, wherein the DC voltage conversion circuit has an absolute value larger than the absolute value of the first threshold voltage,
And a pMOS transistor having a third threshold voltage smaller than 1/2 of the first DC voltage, and a fourth PMOS transistor larger than the second threshold voltage and smaller than 1/2 of the first DC voltage. And an nMOS transistor having a threshold voltage. The MOS transistor described above includes a case where the gate insulating film is not only an oxide film but also a nitride film or another insulating film.

【0017】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は次のものが挙げられる。 (1) 直流電圧変換回路における出力電力と最終段効率、
更に第3のしきい値電圧を持つpMOSトランジスタ及
び第4のしきい値電圧を持つnMOSトランジスタのオ
ン抵抗との関係から、所望の効率が得られるオン抵抗を
求め、このオン抵抗を基に第3及び第4のしきい値電圧
と待機電力との関係を求め、直流電圧変換回路における
第3及び第4のしきい値電圧を、許容できる待機電力に
対応する値に設定してなること。
Here, preferred embodiments of the present invention include the following. (1) Output power and final stage efficiency in DC voltage conversion circuit,
Further, from the relationship between the on-resistance of the pMOS transistor having the third threshold voltage and the on-resistance of the nMOS transistor having the fourth threshold voltage, an on-resistance for obtaining a desired efficiency is obtained. Determining the relationship between the third and fourth threshold voltages and standby power, and setting the third and fourth threshold voltages in the DC voltage conversion circuit to values corresponding to allowable standby power.

【0018】(2) 第1の直流電圧がおよそ1.2Vの起
電力を有するニッケル水素電池であり、第2の直流電圧
がおよそ0.5Vである場合に、第3のしきい値電圧を
−0.33Vより小さく設定し、第4のしきい値電圧を
0.33Vより大きく設定してなること。
(2) When the first DC voltage is a nickel-metal hydride battery having an electromotive force of about 1.2 V and the second DC voltage is about 0.5 V, the third threshold voltage is reduced. The threshold voltage is set to be smaller than -0.33 V, and the fourth threshold voltage is set to be larger than 0.33 V.

【0019】(3) 第1の直流電圧がおよそ3.3〜3.
6Vの起電力を有するリチウムイオン電池であり、第2
の直流電圧がおよそ0.5Vである場合に、第3のしき
い値電圧を−0.36Vより小さく設定し、第4のしき
い値電圧を0.36Vより大きく設定してなること。
(3) The first DC voltage is about 3.3 to 3.
A lithium-ion battery having an electromotive force of 6 V;
The third threshold voltage is set to be smaller than -0.36 V and the fourth threshold voltage is set to be larger than 0.36 V when the DC voltage is approximately 0.5 V.

【0020】(作用)本発明によれば、直流電圧変換回
路におけるpMOSトランジスタの第3のしきい値電圧
の絶対値を半導体集積回路におけるpMOSトランジス
タの第1のしきい値電圧の絶対値よりも大きくし、且つ
直流電圧変換回路におけるnMOSトランジスタの第4
のしきい値電圧を半導体集積回路におけるnMOSトラ
ンジスタの第2のしきい値電圧よりも大きくすることに
より、直流電圧変換回路のリーク電流が小さくなるた
め、動作時の効率の低下と待機時の消費電力の増加を抑
えることができる。また、直流電圧変換回路を構成する
素子の耐圧が大きくなるため、信頼性が向上する。
(Operation) According to the present invention, the absolute value of the third threshold voltage of the pMOS transistor in the DC voltage conversion circuit is made larger than the absolute value of the first threshold voltage of the pMOS transistor in the semiconductor integrated circuit. And the fourth of the nMOS transistors in the DC voltage conversion circuit.
Is made higher than the second threshold voltage of the nMOS transistor in the semiconductor integrated circuit, the leakage current of the DC voltage conversion circuit is reduced, so that the efficiency during operation is reduced and the consumption during standby is reduced. An increase in power can be suppressed. Further, since the withstand voltage of the elements constituting the DC voltage conversion circuit is increased, the reliability is improved.

【0021】つまり、第1の直流電圧よりも低い第2の
直流電圧で動作する半導体集積回路は勿論のこと、第1
の直流電圧で動作する直流電圧変換回路においても、電
源電圧に対して最適なしきい値電圧を設定することによ
り、直流電圧変換回路における損失を抑制して高効率化
をはかることができ、更に待機時における低消費電力化
をはかることが可能となる。
That is, not only the semiconductor integrated circuit operating at the second DC voltage lower than the first DC voltage but also the first
In a DC voltage conversion circuit that operates with a DC voltage, the optimal threshold voltage for the power supply voltage can be set, thereby suppressing loss in the DC voltage conversion circuit and increasing efficiency, and further improving standby. It is possible to reduce power consumption at the time.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments.

【0023】(第1の実施形態)図1は、本発明の第1
の実施例に係わる半導体集積回路装置の回路構成を示す
図である。図中の10は電圧Vddを発生する主電源であ
って、ニッケル水素,リチウムイオン等の高性能の電池
を用いている。21は電池電圧を電圧Vdd_intに降圧す
る直流電圧変換器であって、本実施例ではバック型DC
−DC変換器の例を示している。
(First Embodiment) FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a circuit configuration of a semiconductor integrated circuit device according to the example. Reference numeral 10 in the figure denotes a main power supply for generating a voltage Vdd, which uses a high-performance battery such as nickel-metal hydride or lithium ion. Reference numeral 21 denotes a DC voltage converter that reduces the battery voltage to a voltage Vdd_int.
4 shows an example of a DC converter.

【0024】直流電圧変換器21は、クロックを発生す
るクロック発生回路(CG)22と、発生したクロック
のデューティ比を変調するパルス幅変調回路(PWM)
23と、変調されたクロック信号を増幅するプリバッフ
ァ回路(PB)24と、最終段であるメインバッファを
構成するpMOSトランジスタM1及びnMOSトラン
ジスタM2と、メインバッファからの信号の直流成分を
通過させ電圧Vdd_intを出力するロウパスフィルタを構
成するインダクタL1及びキャパシタC1と、電圧Vdd
_intを参照電位Vref と比較し比較結果をPWMに出力
する比較器25と、系の安定化のためのキャパシタC2
及び抵抗R1,R2とからなる。
The DC voltage converter 21 includes a clock generation circuit (CG) 22 for generating a clock and a pulse width modulation circuit (PWM) for modulating the duty ratio of the generated clock.
23, a pre-buffer circuit (PB) 24 for amplifying a modulated clock signal, a pMOS transistor M1 and an nMOS transistor M2 constituting a final stage main buffer, and a voltage for passing a DC component of a signal from the main buffer. An inductor L1 and a capacitor C1, which constitute a low-pass filter that outputs Vdd_int, and a voltage Vdd
_int is compared with a reference potential Vref and a comparison result is output to PWM, and a capacitor C2 for stabilizing the system is provided.
And resistors R1 and R2.

【0025】また、図中の30はpMOSトランジスタ
とnMOSトランジスタからなる負荷回路(半導体集積
回路)であって、降圧した電圧Vdd_intで駆動される回
路を含む。この負荷回路30においては、電圧Vdd_int
が0.5Vのとき、例えばpMOSトランジスタのしき
い値を−0.15Vに、nMOSトランジスタのしきい
値を0.15Vに設定されているものとする。
In the figure, reference numeral 30 denotes a load circuit (semiconductor integrated circuit) comprising a pMOS transistor and an nMOS transistor, and includes a circuit driven by a stepped-down voltage Vdd_int. In this load circuit 30, the voltage Vdd_int
Is 0.5 V, for example, it is assumed that the threshold value of the pMOS transistor is set to -0.15 V and the threshold value of the nMOS transistor is set to 0.15 V.

【0026】直流電圧変換器21は、スリープ信号Slee
p によって動作モードと待機モードが切り替えられる。
図2は、スリープ信号Sleep と直流電圧変換器21から
の出力電圧Vdd_intの時間変化を示した図である。信号
Sleep がハイ状態のとき、クロック発生回路22及び比
較器25は非動作状態となる。また、信号Sleep は、待
機時に出力電圧Vdd_intが接地電圧Vssになるようにプ
リバッファ回路24を制御する。信号Sleep がロウ状態
になると、直流電圧変換器21は動作状態となり、出力
電圧Vdd_intは降圧電位まで上昇する。再び信号Sleep
がハイ状態になると、出力電圧Vdd_intは接地電圧Vss
まで低下する。
The DC voltage converter 21 outputs a sleep signal Sleep
The operation mode and the standby mode are switched by p.
FIG. 2 is a diagram showing a time change of the sleep signal Sleep and the output voltage Vdd_int from the DC voltage converter 21. signal
When Sleep is in the high state, the clock generation circuit 22 and the comparator 25 are in an inactive state. The signal Sleep controls the pre-buffer circuit 24 so that the output voltage Vdd_int becomes the ground voltage Vss during standby. When the signal Sleep goes low, the DC voltage converter 21 becomes active, and the output voltage Vdd_int rises to the step-down potential. Again signal Sleep
Becomes high, the output voltage Vdd_int becomes the ground voltage Vss.
Down to

【0027】次に、待機時において出力電圧Vdd_intが
接地電圧Vssになるような制御方法と、そのときのリー
ク電流について説明する。
Next, a control method in which the output voltage Vdd_int becomes the ground voltage Vss during standby and a leak current at that time will be described.

【0028】負荷回路30が抵抗性回路の場合、プリバ
ッファ回路24からの出力SP,SNがそれぞれハイ,
ロウになるようにプリバッファ回路24をスリープ信号
Sleep によって制御する。pMOSトランジスタM1及
びnMOSトランジスタM2はどちらもオフ状態になる
ため、出力電圧Vdd_intは抵抗性の負荷回路30を通し
て接地電圧Vssになる。この場合、メインバッファの電
源Vddから接地Vssへのリーク電流は、pMOSトラン
ジスタM1のオフリーク電流で決定される。
When the load circuit 30 is a resistive circuit, the outputs SP and SN from the pre-buffer circuit 24 are high and
Set the pre-buffer circuit 24 to a sleep signal
Controlled by Sleep. Since both the pMOS transistor M1 and the nMOS transistor M2 are turned off, the output voltage Vdd_int becomes the ground voltage Vss through the resistive load circuit 30. In this case, the leak current from the power supply Vdd of the main buffer to the ground Vss is determined by the off-leak current of the pMOS transistor M1.

【0029】負荷回路30が容量性回路の場合、プリバ
ッファ回路24からの出力SP,SNが共にハイになる
ようにプリバッファ回路24をスリープ信号Sleep によ
って制御する。pMOSトランジスタM1はオフ状態、
nMOSトランジスタM2はオン状態になるため、出力
電圧Vdd_intはnMOSトランジスタM2を通して接地
電圧Vssになる。この場合も、オフリーク電流はpMO
SトランジスタM1で決定される。
When the load circuit 30 is a capacitive circuit, the pre-buffer circuit 24 is controlled by the sleep signal Sleep so that both the outputs SP and SN from the pre-buffer circuit 24 become high. pMOS transistor M1 is off,
Since the nMOS transistor M2 is turned on, the output voltage Vdd_int becomes the ground voltage Vss through the nMOS transistor M2. Also in this case, the off-leak current is pMO
It is determined by the S transistor M1.

【0030】また、負荷回路30が容量性回路の場合、
プリバッファ回路24からの出力SP,SNがそれぞれ
ハイ,ロウになるようにプリバッファ回路24をスリー
プ信号Sleep によって制御し、図3に示すようなnMO
SトランジスタM3を導入して出力電圧Vdd_intを接地
電圧Vssにしても良い。nMOSトランジスタM3はド
レインがVdd_intに接続され、ゲートにSleep が入力
し、ソースがVssに接地される。この場合も、メインバ
ッファの電源Vddから接地Vssへのリーク電流は、pM
OSトランジスタM1のオフリーク電流で決定される。
When the load circuit 30 is a capacitive circuit,
The pre-buffer circuit 24 is controlled by the sleep signal Sleep so that the outputs SP and SN from the pre-buffer circuit 24 become high and low, respectively.
The output voltage Vdd_int may be set to the ground voltage Vss by introducing the S transistor M3. In the nMOS transistor M3, the drain is connected to Vdd_int, Sleep is input to the gate, and the source is grounded to Vss. Also in this case, the leakage current from the power supply Vdd of the main buffer to the ground Vss is pM
It is determined by the off-leak current of the OS transistor M1.

【0031】本実施形態システムでは、直流電圧変換器
21を構成する要素回路22〜25及びキャパシタC
2、抵抗R1,R2は、負荷回路30を集積形成する半
導体基板と同一の半導体基板上に集積形成される。マイ
クロファラッド以上の静電容量を有するキャパシタC1
は個別部品でも良いし、高誘電体材料を用いて負荷回路
30及び直流電圧変換器21の要素回路が集積形成され
る半導体基板上に形成しても良い。
In the system of this embodiment, the element circuits 22 to 25 and the capacitor C which constitute the DC voltage converter 21
2. The resistors R1 and R2 are integrally formed on the same semiconductor substrate on which the load circuit 30 is integrated. Capacitor C1 having a capacitance not less than microfarad
May be individual components, or may be formed on a semiconductor substrate on which component circuits of the load circuit 30 and the DC voltage converter 21 are formed by using a high dielectric material.

【0032】同様に、マイクロヘンリー以上のインダク
タンスを有するインダクタL1は個別部品でもよいし、
透磁率の大きな磁性薄膜材料を用いて負荷回路及び直流
電圧変換器の要素回路が集積形成される半導体基板上に
形成しても良い。さらに、C1,L1の少なくとも一方
を個別部品とし、スーパーコネクト技術等を用いて、こ
れらを負荷回路30及び直流電圧変換器21の要素回路
が集積形成される半導体基板上に形成しても良い。
Similarly, the inductor L1 having an inductance equal to or greater than microhenry may be an individual component,
The load circuit and the element circuit of the DC voltage converter may be formed on a semiconductor substrate on which integrated circuits are formed using a magnetic thin film material having high magnetic permeability. Furthermore, at least one of C1 and L1 may be formed as individual components, and these components may be formed on a semiconductor substrate on which the load circuit 30 and the component circuits of the DC voltage converter 21 are integrally formed by using a superconnect technique or the like.

【0033】図4は、出力電圧Vdd_int=0.5Vにお
ける直流電圧変換器21のメインバッファを構成するト
ランジスタのオン抵抗に対する最終段効率の変化を数値
解析により計算した結果である。ここで、pMOSトラ
ンジスタM1のオン抵抗とnMOSトランジスタM2の
オン抵抗は等しいことを仮定している。また、トランジ
スタM1及びM2のオフリーク電流と、電源配線の寄生
抵抗と、インダクタL1に代表される出力系の寄生抵抗
と、ドレイン接合容量に代表されるトランジスタの寄生
容量と、配線の寄生抵抗及び寄生容量は全て0であると
仮定している。トランジスタのオン抵抗は、ゲート・ソ
ース間に電圧Vddが与えられたときのドレイン電流に対
するドレイン電圧の傾きで定義している。また、最終段
効率は出力電力Po と出力電力とトランジスタM1とM
2で構成されるメインバッファで消費される電力Pmain
の和(Po +Pmain)の比で定義している。
FIG. 4 shows the result of numerical analysis of the change in the final stage efficiency with respect to the on-resistance of the transistor constituting the main buffer of the DC voltage converter 21 at the output voltage Vdd_int = 0.5V. Here, it is assumed that the on-resistance of the pMOS transistor M1 is equal to the on-resistance of the nMOS transistor M2. Further, off-leakage currents of the transistors M1 and M2, a parasitic resistance of a power supply wiring, a parasitic resistance of an output system represented by the inductor L1, a parasitic capacitance of a transistor represented by a drain junction capacitance, a parasitic resistance and a parasitic resistance of the wiring It is assumed that the capacities are all zero. The on-resistance of the transistor is defined by the slope of the drain voltage with respect to the drain current when the voltage Vdd is applied between the gate and the source. The final stage efficiency is determined by the output power Po, the output power, the transistors M1 and M
Power consumed by the main buffer composed of
(Po + Pmain).

【0034】図4において、出力電力が10mWの場
合、主電源電圧Vddが1.2V,3.3Vいずれの場合
にもおよそ2.8Ω以下のオン抵抗で90%以上の出力
段効率が得られている。また、出力電力が20mWの場
合には、90%以上の出力段効率が得られるオン抵抗は
およそ1.4Ω以下となる。直流電圧変換器の効率は、
メインバッファのリーク電流、プリバッファ回路24そ
の他の回路22,23,25で消費する電力、配線の寄
生抵抗及び寄生容量、インダクタの寄生抵抗、トランジ
スタの寄生容量、等による損失が加わるため、出力段効
率より数%低下する。
In FIG. 4, when the output power is 10 mW, the output stage efficiency of 90% or more can be obtained with an on-resistance of about 2.8 Ω or less regardless of whether the main power supply voltage Vdd is 1.2 V or 3.3 V. ing. When the output power is 20 mW, the on-resistance at which the output stage efficiency of 90% or more is obtained is about 1.4Ω or less. The efficiency of DC voltage converter is
Loss due to leakage current of the main buffer, power consumed by the pre-buffer circuit 24 and other circuits 22, 23, 25, parasitic resistance and parasitic capacitance of wiring, parasitic resistance of inductor, parasitic capacitance of transistor, and the like are added. Several percent lower than efficiency.

【0035】従って、出力電力が10mW〜20mW程
度の場合、90%近くの効率を得るためにはオン抵抗を
1Ω程度或いはそれ以下にする必要がある。以下、出力
電圧が0.5V、オン抵抗が1Ωの場合について、トラ
ンジスタM1及びM2のしきい値電圧とサブスレッショ
ルド係数を変化させたときの効率の数値解析結果を示
す。
Therefore, when the output power is about 10 mW to 20 mW, the on-resistance needs to be about 1 Ω or less in order to obtain an efficiency of about 90%. Hereinafter, a numerical analysis result of the efficiency when the threshold voltage and the subthreshold coefficient of the transistors M1 and M2 are changed when the output voltage is 0.5 V and the on-resistance is 1Ω is shown.

【0036】図5は、主電源電圧Vddが1.2V、サブ
スレッショルド係数Sが80mV/dec 、出力電圧Vdd
_intが0.5Vにおける効率の出力電力依存性を示す。
効率は出力電力Po と直流電圧変換器21の消費電力P
との比で定義している。ここで、消費電力Pは、出力電
力Po とクロック発生回路22、PWM回路23、プリ
バッファ回路24で消費する電力Pcntlと、トランジス
タM1とトランジスタM2とからなるメインバッファの
オン抵抗により消費される電力Ponと、インダクタ起因
のメインバッファ出力の過剰電圧により生じる損失Pvx
と、メインバッファのリーク電力Pleakと、インダクタ
の寄生抵抗により生じる損失Pindとの和である。
FIG. 5 shows that the main power supply voltage Vdd is 1.2 V, the sub-threshold coefficient S is 80 mV / dec, and the output voltage Vdd
_int indicates the output power dependence of the efficiency at 0.5V.
The efficiency is the output power Po and the power consumption P of the DC voltage converter 21.
Is defined as the ratio. Here, the power consumption P is the output power Po, the power Pcntl consumed by the clock generation circuit 22, the PWM circuit 23, and the pre-buffer circuit 24, and the power consumed by the on-resistance of the main buffer including the transistors M1 and M2. Pon and the loss Pvx caused by the excess voltage of the main buffer output caused by the inductor
And the leakage power Pleak of the main buffer and the loss Pind caused by the parasitic resistance of the inductor.

【0037】同じゲート幅の場合には、しきい値電圧V
tが高いほどトランジスタのオン抵抗が増加する。従っ
て、オン抵抗を一定(この例では1Ω)にするために
は、しきい値電圧の増加と共にゲート幅を大きくする必
要がある。これはメインバッファを駆動するプリバッフ
ァ回路24の消費電力の増大を招く。一方、しきい値電
圧Vtが低くなると、トランジスタのオフリーク電流が
増大するため、回路に流れるリーク電流による消費電力
が増加する。図5から、しきい値電圧が低くなると効率
が全ての出力電力において減少している。
For the same gate width, the threshold voltage V
As t increases, the on-resistance of the transistor increases. Therefore, in order to make the on-resistance constant (1 Ω in this example), it is necessary to increase the gate width as the threshold voltage increases. This causes an increase in power consumption of the pre-buffer circuit 24 for driving the main buffer. On the other hand, when the threshold voltage Vt decreases, the off-leak current of the transistor increases, so that power consumption due to the leak current flowing in the circuit increases. From FIG. 5, the efficiency decreases at all output powers as the threshold voltage decreases.

【0038】図6に、主電源電圧Vddが3.3V、サブ
スレッショルド係数Sが80mV/dec 、出力電圧Vdd
_intが0.5Vにおける効率の出力電力依存性を示す。
この場合も、しきい値電圧が低くなると効率が全ての出
力電力において大きく減少している。
FIG. 6 shows that the main power supply voltage Vdd is 3.3 V, the sub-threshold coefficient S is 80 mV / dec, and the output voltage Vdd
_int indicates the output power dependence of the efficiency at 0.5V.
Also in this case, when the threshold voltage is lowered, the efficiency is greatly reduced at all output powers.

【0039】以上のことから、しきい値電圧低下による
効率低下はオフリーク電流の増加が大きく効いているこ
とになる。
From the above, it can be said that the decrease in the efficiency due to the decrease in the threshold voltage is largely due to the increase in the off-leak current.

【0040】図7に、ニッケル水素電池を用いた場合で
主電源電圧Vddが1.2V、出力電圧Vdd_intが0.5
V、出力電力Po が10mWにおける直流電圧変換器の
効率と待機電力のしきい値電圧依存性を示す。ここで、
待機電力はメインバッファとプリバッファ24で消費さ
れる電力だけを考える。トランジスタのオン抵抗は1Ω
とした。
FIG. 7 shows a case where the main power supply voltage Vdd is 1.2 V and the output voltage Vdd_int is 0.5
V shows the efficiency of the DC voltage converter and the dependence of the standby power on the threshold voltage when the output power Po is 10 mW. here,
As for the standby power, only the power consumed by the main buffer and the pre-buffer 24 is considered. Transistor ON resistance is 1Ω
And

【0041】直流電圧変換器21が待機モードにあり、
出力電圧Vdd_intはVssに接地される期間、負荷回路3
0は電力を消費しない。しかし、図2に示したように、
待機モードにおいてVdd_intがVssまで下がる遷移期間
が存在し、この期間は電力を消費する。また、例えば
“IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.32, N
o.6, pp.861-869, June 1997”にあるように、待機モー
ドにおいて負荷回路30の一部回路を動作させるような
方式が提案されている。この場合、待機モードにおいて
1μWより少ない待機電力が報告されている。携帯情報
端末はできるだけ少ない待機電力であることが望まれて
いて、一般的にその多くを占めるLSIの待機電力は1
μWを大きく超えないことが望ましい。
The DC voltage converter 21 is in a standby mode,
While the output voltage Vdd_int is grounded to Vss, the load circuit 3
0 does not consume power. However, as shown in FIG.
In the standby mode, there is a transition period during which Vdd_int falls to Vss, and power is consumed during this transition period. For example, see “IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 32, N
o.6, pp.861-869, June 1997 ”, a method of operating a part of the load circuit 30 in the standby mode has been proposed. In this case, the standby mode is less than 1 μW in the standby mode. It is desired that portable information terminals have as little standby power as possible, and in general, the standby power of LSIs, which occupy most of them, is one.
It is desirable not to greatly exceed μW.

【0042】負荷回路30の待機電力が動作電力の10
000分の1の1μWであり、直流電圧変換器21の待
機電力が負荷回路30の待機電力の100分の1である
0.01μWである場合を例として考える。ここで、直
流電圧変換器21の待機電力が負荷回路30の待機電力
の100分の1という設定は、直流電圧変換器21の待
機電力が負荷回路30と合わせたシステム全体の待機電
力に対して無視できる値であり、この値を大きく超えな
ければ直流電圧変換器21を用いることによる待機性能
の劣化を防ぐことが可能である。
The standby power of the load circuit 30 is equal to the operating power of 10
The case where the standby power of the DC voltage converter 21 is 0.01 μW which is 1/100 of the standby power of the load circuit 30 is considered as an example. Here, the setting that the standby power of the DC voltage converter 21 is 1/100 of the standby power of the load circuit 30 is equivalent to the standby power of the DC voltage converter 21 combined with the load circuit 30 with respect to the standby power of the entire system. It is a value that can be ignored, and if it does not greatly exceed this value, it is possible to prevent the standby performance from deteriorating by using the DC voltage converter 21.

【0043】図7から、完全空乏型のSOI(Silicon
on Insulator)MOSトランジスタに代表されるように
サブスレッショルド係数Sが理想値60mV/dec の場
合、しきい値電圧を0.33V以上にすることによって
待機電力を0.01μW以下にすることができる。即
ち、直流電圧変換書き21におけるpMOSトランジス
タM1のしきい値電圧を−0.33V以下、nMOSト
ランジスタM2のしきい値電圧を0.331V以上に設
定することにより、動作時の効率低下と待機時の消費電
力増加を抑えることができる。そして、このときの効率
はしきい値電圧により殆ど変化しない。また、しきい値
電圧のバラツキを10%であると仮定した場合は、しき
い値電圧を0.36V以上に設定することがより望まし
い。
From FIG. 7, it can be seen that a fully depleted SOI (Silicon
When the sub-threshold coefficient S has an ideal value of 60 mV / dec, as represented by a MOS transistor, the standby power can be reduced to 0.01 μW or less by setting the threshold voltage to 0.33 V or more. That is, by setting the threshold voltage of the pMOS transistor M1 in the DC voltage conversion writing 21 to −0.33 V or less and the threshold voltage of the nMOS transistor M2 to 0.331 V or more, the efficiency during operation decreases and the standby time decreases. Power consumption can be suppressed. The efficiency at this time hardly changes due to the threshold voltage. Further, assuming that the variation of the threshold voltage is 10%, it is more desirable to set the threshold voltage to 0.36 V or more.

【0044】部分空乏型のSOI−MOSトランジスタ
或いはバルクMOSトランジスタの場合、一般的にサブ
スレッショルド係数Sは80mV/dec 以上である。図
7から、しきい値電圧が0.45V以上のとき、高い効
率を保ったまま待機電力を0.01μW以下にすること
ができる。この場合も、しきい値電圧のバラツキ10%
を考慮すると、しきい値電圧を0.49V以上に設定す
ることがより望ましい。
In the case of a partially depleted SOI-MOS transistor or bulk MOS transistor, the subthreshold coefficient S is generally 80 mV / dec or more. From FIG. 7, when the threshold voltage is 0.45 V or higher, the standby power can be reduced to 0.01 μW or less while maintaining high efficiency. Also in this case, the variation of the threshold voltage is 10%.
In consideration of the above, it is more desirable to set the threshold voltage to 0.49 V or more.

【0045】図8に、リチウムイオン電池を用いた場合
で主電源電圧Vddが3.3V、出力電圧Vdd_intが0.
5V、出力電力Po が10mWにおける直流電圧変換器
の効率と待機電力しきい値電圧依存性を示す。この場合
も図7と同様に、バラツキを考慮しない場合、サブスレ
ッショルド係数Sが60mV/dec のとき、しきい値電
圧を0.33V以上に設定することが望ましく、サブス
レッショルド係数Sは80mV/dec 以上のとき、しき
い値電圧を0.43V以上に設定することが望ましい。
FIG. 8 shows that the main power supply voltage Vdd is 3.3 V and the output voltage Vdd_int is 0.3 V when a lithium ion battery is used.
5 shows the efficiency of the DC voltage converter and the dependence of the standby power threshold voltage on the output power Po of 5 V and the output power Po of 10 mW. Also in this case, as in FIG. 7, when the variation is not taken into account, it is desirable to set the threshold voltage to 0.33 V or more when the sub-threshold coefficient S is 60 mV / dec, and the sub-threshold coefficient S is 80 mV / dec. At this time, it is desirable to set the threshold voltage to 0.43 V or more.

【0046】以上、主電源電圧Vddが1.2Vの場合と
3.3Vの場合について示したが、この間の電圧或いは
Vddが3.6V程度になった場合も同様である。また、
出力電圧Vdd_intは0.5Vの場合について示したが、
これ以外の電圧、例えばVdd_intが0.8Vの場合でも
0.3Vの場合においても、直流電圧変換器を構成する
トランジスタのしきい値電圧はVdd_intで駆動される集
積回路を構成するトランジスタのしきい値電圧より高く
設定することが望ましい。
Although the case where the main power supply voltage Vdd is 1.2 V and the case where the main power supply voltage Vdd is 3.3 V have been described above, the same applies to the case where the voltage or Vdd during this period is about 3.6 V. Also,
The output voltage Vdd_int is shown for the case of 0.5V,
For other voltages, for example, when Vdd_int is 0.8 V or 0.3 V, the threshold voltage of the transistor forming the DC voltage converter is the threshold of the transistor forming the integrated circuit driven by Vdd_int. It is desirable to set higher than the value voltage.

【0047】(第2の実施形態)図9は、本発明の第2
の実施形態に係わる半導体集積回路装置を説明するため
のもので、直流電圧変換器21の回路構成を示す図であ
る。この実施形態では、直流電圧変換器21がスイッチ
トキャパシタ型となっている。
(Second Embodiment) FIG. 9 shows a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram for explaining the semiconductor integrated circuit device according to the embodiment and is a diagram showing a circuit configuration of a DC voltage converter 21. In this embodiment, the DC voltage converter 21 is of a switched capacitor type.

【0048】本実施形態の直流電圧変換器21は、クロ
ック発生回路26とnMOSトランジスタM4〜M7、
キャパシタC3,C4からなる。クロック発生回路26
はスリープ信号Sleep により制御され、信号Sleep がロ
ウレベルのときクロックCK及びその反転クロックBC
Kが発生し、信号Sleep がハイレベルのとき非動作とな
る。
The DC voltage converter 21 of this embodiment comprises a clock generation circuit 26 and nMOS transistors M4 to M7,
Consists of capacitors C3 and C4. Clock generation circuit 26
Is controlled by a sleep signal Sleep, and when the signal Sleep is at a low level, the clock CK and its inverted clock BC
When K is generated and the signal Sleep is at a high level, the operation is disabled.

【0049】nMOSトランジスタM4,M5、キャパ
シタC3,C4は電源電圧Vddと接地電圧Vssの間に交
互に直列接続され、M4とM5のゲートにはクロックC
Kが入力される。また、nMOSトランジスタM6は、
ソースがM5とC4の接続点である出力Vdd_intに接続
され、ゲートにクロックBCK が入力され、ドレインがM
4とC3の接続点に接続されている。nMOSトランジ
スタM7は、ソースが接地され、ゲートにクロックBCK
が入力され、ドレインがM5とC3接続点に接続されて
いる。
The nMOS transistors M4 and M5 and the capacitors C3 and C4 are alternately connected in series between the power supply voltage Vdd and the ground voltage Vss.
K is input. Also, the nMOS transistor M6 is
The source is connected to the output Vdd_int, which is the connection point between M5 and C4, the clock BCK is input to the gate, and the drain is M
4 and C3. The source of the nMOS transistor M7 is grounded, and the gate thereof has the clock BCK.
And the drain is connected to the connection point between M5 and C3.

【0050】クロックCKがハイレベルになると、M4
とM5がオン状態、M6とM7がオフ状態となり、電源
電圧Vddと接地電圧Vssの間に直列に接続されたC3と
C4には同じ量の電荷が蓄積される。クロックCKがロ
ウレベルになると、M4とM5がオフ状態、M6とM7
がオン状態となり、C3とC4は出力Vdd_intと接地電
圧Vssとの間に並列に接続される。この動作を繰り返す
ことにより、C3とC4の静電容量で決定される電圧が
出力される。いま、C3とC4の静電容量が等しいと仮
定すると、Vdd_intはVdd/2となる。
When the clock CK goes high, M4
And M5 are turned on, M6 and M7 are turned off, and the same amount of charge is stored in C3 and C4 connected in series between the power supply voltage Vdd and the ground voltage Vss. When the clock CK goes low, M4 and M5 are turned off, and M6 and M7
Is turned on, and C3 and C4 are connected in parallel between the output Vdd_int and the ground voltage Vss. By repeating this operation, a voltage determined by the capacitance of C3 and C4 is output. Now, assuming that the capacitances of C3 and C4 are equal, Vdd_int becomes Vdd / 2.

【0051】この場合、サブスレッショルド係数Sが6
0mV/dec のとき、MOSトランジスタのしきい値電
圧を0.36〜0.37V以上に設定することが望まし
く、サブスレッショルド係数Sが80mV/dec 以上の
とき、しきい値電圧を0.49〜0.5V以上に設定す
ることが望ましいのが確認された。
In this case, the sub-threshold coefficient S is 6
When 0 mV / dec, the threshold voltage of the MOS transistor is desirably set to 0.36 to 0.37 V or more. When the subthreshold coefficient S is 80 mV / dec or more, the threshold voltage is set to 0.49 to 0.39 V. It has been confirmed that it is desirable to set the voltage to 0.5 V or more.

【0052】本実施形態では、MOSトランジスタとし
てnMOSトランジスタを使用したが、これをpMOS
トランジスタにしてもよいし、nMOSトランジスタと
pMOSトランジスタを並列接続してもよい。また、キ
ャパシタの数は2に限定されるものではない。その数は
電源電圧Vddと所望の出力電圧Vdd_intによって決定さ
れ、数は2以上であればよい。
In this embodiment, an nMOS transistor is used as a MOS transistor.
A transistor may be used, or an nMOS transistor and a pMOS transistor may be connected in parallel. Further, the number of capacitors is not limited to two. The number is determined by the power supply voltage Vdd and the desired output voltage Vdd_int, and the number may be two or more.

【0053】以上、電源電圧変換器について述べたが、
これに電圧を一定に保つレギュレータを追加した場合も
同様である。主電源で動作するレギュレータを負荷回路
が集積形成される半導体基板と同一の半導体基板上に集
積形成する。この場合も、レギュレータ回路を構成する
pMOSトランジスタ及びnMOSトランジスタのしき
い値電圧をサブスレッショルド係数Sが60mV/dec
のとき、MOSトランジスタのしきい値電圧を0.33
V以上に設定することが望ましく、サブスレッショルド
係数Sが80mV/dec 以上のとき、しきい値電圧を
0.45V以上に設定することが望ましいのが確認され
た。
The power supply voltage converter has been described above.
The same applies when a regulator for keeping the voltage constant is added to this. A regulator that operates on a main power supply is integratedly formed on the same semiconductor substrate on which a load circuit is integratedly formed. Also in this case, the sub-threshold coefficient S is set to be 60 mV / dec.
, The threshold voltage of the MOS transistor is 0.33
It has been confirmed that it is desirable to set the threshold voltage to not less than V, and when the subthreshold coefficient S is not less than 80 mV / dec, it is desirable to set the threshold voltage to not less than 0.45 V.

【0054】(変形例)なお、本発明は上述した各実施
形態に限定されるものではない。実施形態では、直流電
圧がおよそ1.2Vのニッケル水素電池を用いた場合
に、直流電圧変換回路のpMOSトランジスタのしきい
値電圧を−0.33Vより小さく、nMOSトランジス
タのしきい値電圧を0.33Vより大きく設定し、直流
電圧がおよそ3.3〜3.6Vのリチウムイオン電池を
用いた場合に、直流電圧変換回路のpMOSトランジス
タのしきい値電圧を−0.33Vより小さく、nMOS
トランジスタのしきい値電圧を0.33Vより大きく設
定したが、これらのしきい値電圧は使用する電池の出力
電圧に応じて最適値に定めればよい。
(Modification) The present invention is not limited to the above embodiments. In the embodiment, when a nickel-metal hydride battery having a DC voltage of about 1.2 V is used, the threshold voltage of the pMOS transistor of the DC voltage conversion circuit is smaller than −0.33 V, and the threshold voltage of the nMOS transistor is set to 0. When a lithium ion battery having a DC voltage of about 3.3 to 3.6 V is set to be higher than .33 V and the threshold voltage of the pMOS transistor of the DC voltage conversion circuit is smaller than -0.33 V, the nMOS
Although the threshold voltages of the transistors are set to be higher than 0.33 V, these threshold voltages may be set to optimal values according to the output voltage of the battery used.

【0055】即ち、直流電圧変換回路のpMOSトラン
ジスタのしきい値電圧の絶対値は、半導体集積回路のp
MOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値より大き
く、且つ電池の出力電圧の1/2より小さく設定すれ
ば。また、直流電圧変換回路のnMOSトランジスタの
しきい値電圧は、半導体集積回路のnMOSトランジス
タのしきい値電圧より大きく、且つ電池の出力電圧の1
/2より小さく設定すればよい。
That is, the absolute value of the threshold voltage of the pMOS transistor of the DC voltage conversion circuit is
If it is set larger than the absolute value of the threshold voltage of the MOS transistor and smaller than 1/2 of the output voltage of the battery. Further, the threshold voltage of the nMOS transistor of the DC voltage conversion circuit is higher than the threshold voltage of the nMOS transistor of the semiconductor integrated circuit, and is one of the output voltage of the battery.
It may be set smaller than / 2.

【0056】より具体的には、直流電圧変換回路におけ
る出力電力と最終段効率、更に該回路におけるMOSト
ランジスタのオン抵抗との関係から、所望の効率が得ら
れるオン抵抗を求め、このオン抵抗を基にしきい値電圧
と待機電力との関係を求め、許容できる待機電力に対応
する値となるように直流電圧変換回路におけるMOSト
ランジスタのしきい値電圧を設定すればよい。
More specifically, from the relationship between the output power and the final stage efficiency in the DC voltage conversion circuit and the on-resistance of the MOS transistor in the circuit, an on-resistance for obtaining a desired efficiency is obtained. The relationship between the threshold voltage and the standby power may be determined based on the threshold voltage, and the threshold voltage of the MOS transistor in the DC voltage conversion circuit may be set to a value corresponding to the allowable standby power.

【0057】また、直流電圧変換回路における回路構成
は、図1や図9に何ら限定されるものではなく、仕様に
応じて適宜変更可能である。その他、本発明の要旨を逸
脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
Further, the circuit configuration of the DC voltage conversion circuit is not limited to those shown in FIGS. 1 and 9 and can be appropriately changed according to the specifications. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0058】[0058]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、電
池の電圧を降圧して半導体集積回路に給電する直流電圧
変換回路におけるMOSトランジスタのしきい値を最適
に設定することにより、直流電圧変換回路のリーク電流
が小さくなるため、動作時の効率の低下と待機時の消費
電力の増加を抑えることができ、電池の寿命を長くする
ことができる。また、主電源で駆動される回路の耐圧が
向上することにより信頼性を高めることができる。
As described above in detail, according to the present invention, by setting the threshold value of the MOS transistor in the DC voltage conversion circuit for lowering the voltage of the battery and supplying power to the semiconductor integrated circuit, the DC voltage can be reduced. Since the leak current of the voltage conversion circuit is reduced, a reduction in efficiency during operation and an increase in power consumption during standby can be suppressed, and the life of the battery can be extended. Further, the withstand voltage of a circuit driven by the main power supply is improved, so that reliability can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】第1の実施形態に係わるバック型直流電圧変換
器を含む半導体集積回路装置の回路構成を示す図。
FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of a semiconductor integrated circuit device including a buck DC voltage converter according to a first embodiment.

【図2】直流電圧変換器の動作モードと待機モードを切
り替える信号Sleep と出力電圧Vdd_intのタイミングを
示す図。
FIG. 2 is a diagram showing a timing of a signal Sleep for switching an operation mode and a standby mode of a DC voltage converter and an output voltage Vdd_int.

【図3】直流電圧変換器が待機モードのとき出力電圧V
dd_intを接地電圧VssにするためのMOSトランジスタ
の例を示す図。
FIG. 3 shows the output voltage V when the DC voltage converter is in a standby mode.
The figure which shows the example of the MOS transistor for setting dd_int to ground voltage Vss.

【図4】直流電圧変換器の最終段効率とオン抵抗との関
係を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the final-stage efficiency and the on-resistance of the DC voltage converter.

【図5】直流電圧変換器の効率と出力電力との関係を示
す図。
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between the efficiency of a DC voltage converter and output power.

【図6】直流電圧変換器の効率と出力電力との関係を示
す図。
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between the efficiency of a DC voltage converter and output power.

【図7】直流電圧変換器の効率及び待機電力としきい値
電圧との関係を示す図。
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the efficiency and the standby power of the DC voltage converter and the threshold voltage.

【図8】直流電圧変換器の効率及び待機電力としきい値
電圧との関係を示す図。
FIG. 8 is a diagram showing a relationship between the efficiency of a DC voltage converter, standby power, and a threshold voltage.

【図9】第2の実施形態におけるスイッチトキャパシタ
型の直流電圧変換器の回路構成を示す図。
FIG. 9 is a diagram illustrating a circuit configuration of a switched capacitor DC voltage converter according to a second embodiment.

【図10】従来の直流電圧変換器を用いた半導体集積回
路装置の回路構成を示す図。
FIG. 10 is a diagram showing a circuit configuration of a semiconductor integrated circuit device using a conventional DC voltage converter.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…主電源 20,21…直流電圧変換器 22,26…クロック発生回路 23…パルス幅変調回路 24…プリバッファ回路 25…比較器 30…負荷回路(半導体集積回路) M1〜M7…MOSトランジスタ C1〜C4…キャパシタ L1…インダクタ R1,R2…抵抗素子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Main power supply 20,21 ... DC voltage converter 22,26 ... Clock generation circuit 23 ... Pulse width modulation circuit 24 ... Prebuffer circuit 25 ... Comparator 30 ... Load circuit (semiconductor integrated circuit) M1-M7 ... MOS transistor C1 C4: Capacitor L1: Inductor R1, R2: Resistance element

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F038 BG06 DF08 EZ06 EZ20 5H007 CA02 CB17 CC07 DA06 DB01 DC05  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 5F038 BG06 DF08 EZ06 EZ20 5H007 CA02 CB17 CC07 DA06 DB01 DC05

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】消費電力が大きい動作モードとこの動作モ
ードより消費電力が小さい待機モードの2種のモードを
持つ半導体集積回路と、第1の直流電圧を第2の直流電
圧に降圧して前記半導体集積回路に給電する直流電圧変
換回路とを同一チップ上に有する半導体集積回路装置で
あって、 前記半導体集積回路は、絶対値が第2の直流電圧の1/
2より小さい第1のしきい値電圧を持つpMISトラン
ジスタと、第2の直流電圧の1/2より小さい第2のし
きい値電圧を持つnMISトランジスタとを含むもので
あり、 前記直流電圧変換回路は、絶対値が第1のしきい値電圧
の絶対値より大きく、且つ第1の直流電圧の1/2より
小さい第3のしきい値電圧を持つpMISトランジスタ
と、第2のしきい値電圧より大きく、且つ第1の直流電
圧の1/2より小さい第4のしきい値電圧を持つnMI
Sトランジスタとを含むものであることを特徴とする半
導体集積回路装置。
A semiconductor integrated circuit having two modes, an operation mode in which power consumption is large and a standby mode in which power consumption is smaller than the operation mode; and a step of lowering a first DC voltage to a second DC voltage, A semiconductor integrated circuit device having a DC voltage conversion circuit for supplying power to a semiconductor integrated circuit on a same chip, wherein the semiconductor integrated circuit has an absolute value of 1/2 of a second DC voltage.
A pMIS transistor having a first threshold voltage smaller than 2 and an nMIS transistor having a second threshold voltage smaller than の of the second DC voltage; A pMIS transistor having a third threshold voltage whose absolute value is larger than the absolute value of the first threshold voltage and smaller than の of the first DC voltage; NMI having a fourth threshold voltage higher than and less than half of the first DC voltage
A semiconductor integrated circuit device including an S transistor.
【請求項2】前記直流電圧変換回路における出力電力と
最終段効率、更に第3のしきい値電圧を持つpMISト
ランジスタ及び第4のしきい値電圧を持つnMISトラ
ンジスタのオン抵抗との関係から、所望の効率が得られ
るオン抵抗を求め、このオン抵抗を基に第3及び第4の
しきい値電圧と待機電力との関係を求め、前記直流電圧
変換回路における第3及び第4のしきい値電圧を、許容
できる待機電力に対応する値に設定してなることを特徴
とする請求項1記載の半導体集積回路装置。
2. The relationship between output power and final stage efficiency of the DC voltage conversion circuit, and on-resistance of a pMIS transistor having a third threshold voltage and an nMIS transistor having a fourth threshold voltage. The on-resistance at which a desired efficiency is obtained is obtained, and the relationship between the third and fourth threshold voltages and the standby power is obtained based on the on-resistance. The third and fourth thresholds in the DC voltage conversion circuit are obtained. 2. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the value voltage is set to a value corresponding to an allowable standby power.
【請求項3】第1の直流電圧がおよそ1.2Vの起電力
を有するニッケル水素電池であり、第2の直流電圧がお
よそ0.5Vである場合に、第3のしきい値電圧を−
0.33Vより小さく設定し、第4のしきい値電圧を
0.33Vより大きく設定してなることを特徴とする請
求項2記載の半導体集積回路装置。
3. When the first DC voltage is a nickel-metal hydride battery having an electromotive force of about 1.2 V and the second DC voltage is about 0.5 V, the third threshold voltage is set to-
3. The semiconductor integrated circuit device according to claim 2, wherein the third threshold voltage is set to be higher than 0.33 V and the fourth threshold voltage is set to be lower than 0.33 V.
【請求項4】第1の直流電圧がおよそ3.3〜3.6V
の起電力を有するリチウムイオン電池であり、第2の直
流電圧がおよそ0.5Vである場合に、第3のしきい値
電圧を−0.33Vより小さく設定し、第4のしきい値
電圧を0.33Vより大きく設定してなることを特徴と
する請求項2記載の半導体集積回路装置。
4. The method according to claim 1, wherein the first DC voltage is about 3.3 to 3.6 V.
And when the second DC voltage is approximately 0.5 V, the third threshold voltage is set lower than -0.33 V, and the fourth threshold voltage 3. The semiconductor integrated circuit device according to claim 2, wherein is set higher than 0.33V.
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