JP2011198845A - 半導体回路装置 - Google Patents
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Abstract
半導体回路装置に内蔵された内部回路に供給する動作電圧について、内部回路に対する動作モードの変更に伴う動作電圧の安定期間を待つことなく、動作モード変更時でも動作開始時刻を速くすることが可能な構成を有する半導体回路装置を提供する。
【解決手段】
上記の課題を解決するため、外部電源から電圧供給を受ける電源線と、回路群と、回路群の動作電圧が異なる複数の動作モードに応じた制御信号を出力する制御回路と、回路群と、電源線とに電気的に接続し、回路群に前記電源線の電圧以下の電圧を供給する電源供給回路と、を備え、動作モードの変更後において、高い動作電圧を回路群が必要とする場合、電源供給回路は、高い動作電圧より高い電圧を回路群に供給した後、制御信号に応じて、変更後の動作モードに必要な動作電圧を供給する半導体回路装置を提供する。
【選択図】 図1C
Description
特許文献1に示す技術によれば、内部回路に対する入力信号を単安定マルチバイブレータにも入力することによって、入力信号の電圧が一定の閾値に達した場合に、単安定マルチバイブレータから発生するパルスを利用して、電源供給回路内の電源供給トランジスタの電流供給能力を急激に引き上げる技術が提案されている。そのため、内部回路に対する入力信号に応じて、内部回路の消費電流が急増した場合において、電源供給回路は内部回路の消費電流に見合った電流を供給できる。その結果、内部回路内への降圧電圧が低下することがない。
その技術を採用するにあたっては、降圧電圧の変更時の電圧の不安定期間を短くすることが課題となっている。降圧電圧が安定するまでの期間、その内部回路が使用できない場合があるために、内部回路を含む全体の半導体装置の動作に遅延が生じるからである。
レギュレータ600は電源線VDD(Power line VDD)930から電源電圧1.2Vを受け、内部回路A200に対して安定化を図られ、且つ、内部回路A200の動作モードに応じた降圧電圧を供給するレギュレータである。ここで、降圧電圧とは、半導体装置100の外部から電源線VDD930に印加された電源電圧以下の電圧をいう。
レギュレータ700はレギュレータ600と同様なレギュレータであり、電源線VDD930から電源電圧1.2Vを受け、内部回路B300に対して降圧電圧を供給するレギュレータである。
PMU400は後に説明するDVFSmode信号940、及び、システムクロック950(System Clock)を受け、各内部回路A200、内部回路B300に内部クロックを分配するとともに、レギュレータ600、レギュレータ700に供給する降圧電圧の電位を決定する、電圧制御信号(voltage control)をレギュレータ600、レギュレータ700に供給する。
VREF発生回路(VRFEgenerator)500は、一定レベルの基準電圧、例えば0.6Vを発生する回路である。
PMU400は内部回路A200用の電圧制御回路(Voltage controller)A410及び内部回路B300用の電圧制御回路(Voltagecontroller)B420を内蔵している。また、PMU400は、内部回路A200用のクロック発生回路(ClockGenerator)A430及び内部回路B用のクロック発生回路(Voltage controller)B440を内蔵している。
電圧制御回路Aはレギュレータ600に対してレギュレータ600を制御する信号vcaを出力している。電圧制御回路Bはレギュレータ700に対してレギュレータ700を制御する信号vcbを出力している。なお、信号vca、vcbはアナログ信号であっても、数ビットのデジタル信号であってもよい。
電圧制御回路A、BはDVFSモード信号940を構成する信号dvfsa、信号dvfsbを受け、制御信号vca及び制御信号vcbの信号電圧をDVFSモード信号A、Bが表すDVFSモードに応じた電圧(又はデジタル論理)としている。電圧制御回路A、Bはいずれも電源線VDD930より1.2Vを受けるとともに、接地電位を供給するグランド線VSS960と接続している。
クロック発生回路A430は半導体回路装置100外部からのシステムクロック(system clock)、すなわちsclk950から作った内部クロックckaを内部回路A200に対して出力している。クロック発生回路B440はsclk950から作った内部クロックckbを内部回路B300に対して出力している。クロック発生回路A430、B440はいずれも電源線VDD930、グランド線VSS960から電源を供給されている。クロック発生回路A430、B440はDVFSモード信号940を構成するdvfsa、dvfsbを受け、内部クロック信号cka、ckbの周波数を図1Bの表に示すDVFSモードに応じて変化させている。
レギュレータ-600、700は電源線VDD930と、グランド線VSS960に接続し、制御信号vca、信号VREFa、信号vcb、信号VREFbをそれぞれ受けて内部回路A200、内部回路B300に対して、DVFSモードに応じた降圧電圧Vddma、Vddmbを供給する。また、レギュレータ-600、700は降圧電圧Vddma、Vddmbを安定化容量ca250、cb350にも供給する。
内部回路A200、内部回路B300は内部クロック信号cka、ckbと、降圧電圧Vddma、Vddmbと、グランド線VSS960からのグランド電位をうけとり動作する。
レギュレータ600は差動増幅器610、電源MOSトランジスタMOS−PW640、スイッチMOSトランジスタMOS−SW650、パルス発生器660、可変分割比分圧回路(dividing ratio variable voltage divider)670を含む。
差動増幅器610は可変分割比分圧回路670からの信号MON−Aと、基準電圧0.6Vを供給するVREFaとを受け、それらの信号の差電圧を増幅する増幅器である。スイッチMOSトランジスタMOS−SW650がオフしているときは、差動増幅器610による増幅後の電圧は、信号GAを通じて電源MOSトランジスタMOS−PW640へ出力される。
従って、DVFSモードに応じて、降圧電圧Vddmaを高い電圧としたいときは、可変分割比分圧回路670の可変抵抗671の抵抗値を上昇させ、可変抵抗672の抵抗値を下降させて、双方の抵抗値を近づけることによって、信号MON−Aの電圧を下げる対処を行う。
なお、スイッチMOSトランジスタMOS−SW650がオンしているときは、差動増幅器610による増幅後の電圧は、電源MOSトランジスタMOS−PW640に伝わらない。スイッチMOSトランジスタMOS−SW650がオンしていると、信号GAの電位はグランド電位となるためである。
ここで、差動増幅器610は電源線VDD930から1.2Vの供給を受け、グランド線VSS960からグランド電圧を受けて動作する。
なお、電源MOSトランジスタMOS−PW640のゲートをグランドレベルとしたときに、電源MOSトランジスタMOS−PW640の駆動能力は、内部回路A200の電流消費能力を大きく上回り、電源線VDD930の電位とほぼ同様な電圧を降圧電圧Vddmaとして、内部回路A200へ供給する。
ところで、上記では、電源MOSトランジスタMOS−PW640はP型MOSトランジスタとしたが、N型MOSトランジスタを使用することも可能である。その場合、ゲート電位をP型MOSトランジスタの制御の場合とは逆の電位に制御することはいうまでもない。なお、P型MOSトランジスタの制御において、ゲート電位をグランドレベルとする動作に対応して、N型MOSトランジスタの制御において、ゲート電位を電源線VDD930にN型MOSトランジスタの閾値を加えた電圧にする必要がある。
信号PAが正電圧であるときには、スイッチMOSトランジスタMOS−SW650はオンするため、信号GAとグランド線VSS960を接続する。その結果、信号GAは信号PAが正電圧をもつときに、グランド電位となる。
一方、信号vcaが数ビットからなるデジタル信号であった場合には、パルス発生器660は、システムクロックの周波数が小さいDVFSモードから大きいDVFSモードに変更するのに対応して各ビットのいずれかに論理変化があったときにパルス信号を信号PAとして出力する。
なお、パルス発生器660は、電源線VDD930と、グランド線VSS960とから電圧供給を受けて動作する。
可変分割比分圧回路670は可変抵抗671と、可変抵抗672が直列に接続されて構成されており、可変抵抗671と可変抵抗672とが接続されている中間ノードから信号MON−Aを出力する、分圧回路である。なお、信号MON−Aの電位は、上記の中間ノードと接続していない可変抵抗671の端子にかかる電源線VDD930の電位と、中間ノードと接続していない可変抵抗672の端子にかかるグランド線VSS960のグランド電位との中間の電位となる。
内部回路A200は、図1に図示されている内部回路A200と同様な回路であるため、説明を省略する。
例えば、図2Bにおいて、左の図は、DVFSモード0における可変抵抗の抵抗値示し、可変抵抗671は25キロオーム、可変抵抗672は75キロオームを示す。図2Bにおいて、右の図は、DVFSモード2における可変抵抗の抵抗値を示し、可変抵抗671は40キロオーム、可変抵抗672は60キロオームを示す。
図2Cはレギュレータ600の信号の電位変化及び降圧電圧Vddmaの電位変化を示す。信号vcaは内部回路A200のDVFSモードに応じて電圧が変化する信号であり、図2Cに示すDVFSモード0からDVFSモード2に切り替わったときに、信号vcaの電位は階段状に上昇する。なお、上記では、DVFSモードが切り替わると電位が変化するアナログ信号として信号vcaを説明したが、数ビットのデジタル信号であってもよい。その場合、可変抵抗671と可変抵抗672は、その抵抗値を信号vcaが表す数値に応じて変化させる。また、パルス発生器660は、信号vcaで表されるDVFSモードがクロック周波数が増加する方向へ変化するとき、すなわち降圧電圧Vddmaの電圧上昇する方向へ変化するときに、信号PAとしてパルス信号を出力する。
信号PAの電位は、通常はグランド電位であるが、DVFSモードが変化し、かつ、信号vcaがVddmaを上昇させる方向へ電位変化するときに、電位変化のエッジに対応して、所定の幅を有するパルス状の正電位となる。
信号MON−Aは、0.6Vから0.72Vへ急激に変化した後、緩やかに0.6Vに戻る。その理由は以下である。まず、図2Bにおいて説明したように、信号vcaに応じて可変抵抗671の抵抗値と、可変抵抗672の抵抗値は、近づくように変化する。
しかし、信号vcaの電位の上昇によって発生した、信号PAのパルス状の電位上昇によってスイッチMOSトランジスタMOS−SW650がオンし、信号GAがグランド電位となるため、電源MOSトランジスタMOS−SW640が完全なオン状態となるため、降圧電圧Vddmaは1.2Vとなる。
その結果、信号MON−Aの電圧は0.6Vから0.72Vへ上昇するが、信号PAの電位上昇が解除されてグランド電位に納まると、信号GAの電位はグランド電位から、差動増幅器610が出力する電圧となる。
そうすると、MON−Aの電位がVREFと同じ0.6Vになるように、降圧電圧Vddmaの電位が1.2Vから1.0Vへと変化する方向へ調整される。
しかし、図2Cで説明したように、一旦、DVFSモード0からDVFSモード2に切り替るときに、電源MOSトランジスタMOS−SW640を完全なオン状態として、信号GAの電位をグランド電位とし、内部回路A、安定化容量CAを充電状態にした後に、信号GAの電位をDVFSモード2に応じた電位とする。そうすると、降圧電圧Vddmaの電位は一時的に1.2Vとなるが、内部回路Aの消費電流によって、降圧電圧Vddmaが下がる。その場合、差動増幅器610による電源MOSトランジスタMOS−PW640のゲートへの信号GAは0Vから徐々に上昇し、信号GAが振動しないように差動増幅器の駆動能力を絞っておけば、降圧電圧Vddmaはゆっくりと単調に減少するため、可変分割比分圧回路670からの電圧も単調に減少する。降圧電圧Vddmaが必要な電圧値よりも高い電圧から徐々に必要な電圧まで下げる動作のため、信号GAが所定の電位へ安定する時間を待つ必要がなく、内部回路A200を動作させることが可能となる。その結果、内部回路A200の停止期間を短くできる。
差動増幅器610はP型MOSトランジスタ611a、611b、612、613a、613b、及び、N型MOSトランジスタ614a、614b、615a、615b、616a.616bから構成されている。
P型MOSトランジスタ611aにおいて、ソースは電源線VDD930に接続し、ドレインはN型MOSトランジスタ614aのドレインと接続し、ゲートはP型MOSトランジスタ611bのゲート及び自身のドレインと接続している。
N型MOSトランジスタ614aにおいて、ドレインはN型MOSトランジスタ615aのソースと接続し、ゲートはバイアス1(bias1)に接続している。なお、バイアス1(bias1)は電源線VDD930の電位と同様な電位に固定されている。
N型MOSトランジスタ615aにおいて、ソースはグランド線VSS960に接続し、ゲートはN型MOSトランジスタ616aのドレイン及びゲート、及び、P型MOSトランジスタ613aのドレインと接続している。
以上より、P型MOSトランジスタ611a、N型MOSトランジスタ614a、N型MOSトランジスタ615aは、ソース或いはドレインにて接続している。すなわち、上記の3つのトランジスタは、電源線VDD930とグランド線VSS960間において直列に接続しており、第1の電流経路を形成している。
N型MOSトランジスタ614bにおいて、ドレインはN型MOSトランジスタ615aのソースと接続し、ゲートはバイアス1(bias1)に接続している。なお、バイアス1(bias1)は電源線VDD930の電位と同様な電位に固定されている。
N型MOSトランジスタ615bにおいて、ソースはグランド線VSS960に接続し、ゲートはN型MOSトランジスタ616bのドレイン、及び、P型MOSトランジスタ613bのドレインと接続している。
以上より、P型MOSトランジスタ611b、N型MOSトランジスタ614b、N型MOSトランジスタ615bは、ソース或いはドレインにて接続している。すなわち、上記の3つのトランジスタは、電源線VDD930とグランド線VSS960間において直列に接続しており、第2の電流経路を形成している。
P型MOSトランジスタ613bにおいて、ゲートは信号MON−Aに接続し、ドレインはN型MOSトランジスタ616bのドレイン、及び、N型MOSトランジスタ615bのゲートに接続している。
P型MOSトランジスタ612のドレインと、グランド線VSS960との間に第3の電流経路と、第4の電流経路は並列に配置されている。
その結果、N型MOSトランジスタ615aのゲートに印加される電圧は低くなり、N型MOSトランジスタ615bのゲートに印加される電圧は高くなる。
そうすると、N型MOSトランジスタ615aのオン抵抗は高くなり、N型MOSトランジスタ615bのオン抵抗は低くなる。その結果、信号VREFの電圧と、信号MON−Aの電圧が等しいときと比較し、信号GAの電位は低くなる。
従って、電源MOSトランジスタMOS−PW640の電流駆動能力が高くなり、内部回路A200の電流消費能力を超えるようになり、降圧電圧Vddmaの電圧が上昇する。
その結果、可変分割比分圧回路670から出力される、信号MON−Aの電圧は上昇する。
しかし、降圧電圧Vddmaの電圧の上昇には、一定の期間を必要とするし、信号MON−Aの電圧上昇を検出するにも一定の期間を必要とする。従って、信号MON−Aの電圧、降圧電圧Vddmaの電圧、信号GAの電圧は、上昇又は下降を繰り返しながら、電源MOSトランジスタMOS−PW640の電流駆動能力と内部回路A200の電流消費能力が一致するような電圧、すなわち、信号MON−Aの電圧と、信号VREFの電圧が一致するような電圧に降圧電圧Vddmaの電圧が集束する。
上記をまとめると、信号VREFの電圧より、信号MON−Aの電圧が小さくなるように、信号vcaを受ける可変分割分圧回路670により、制御したとき、降圧電圧Vddmaの電圧の上昇又は下降が集束し、安定するまでには、ある程度時間が必要である。
なお、上記では、信号vcaがアナログ信号である場合について、パルス発生器660の信号PA発生に伴う動作を説明したが、信号vcaがデジタル信号であった場合には、信号vcaの各ビットのいずれかに論理変化があったときにパルス発生期660はパルス信号を信号PAとして出力することはいうまでもない。
時刻T1において、DVFSモードは、モード2からモード1に変化し、PMU400から分配される内部クロック信号ckaは、100MHzから50MHzに変化する。PMU400からの信号vcaに応じて、可変分割比分圧回路670は、抵抗671の抵抗値と、抵抗672の抵抗値との比を、信号MON−Aの電圧をあげる方向へ変更する。信号PAについては、論理”L”のままである。その結果、信号GAの電圧は上昇し、電源MOSトランジスタMOS−PW640の駆動能力は低下するので、降圧電圧Vddmaはゆっくりと0.9Vに向かって単調に低下する。この時、50MHz動作に必要な最低電圧値は0.9Vなので、この電圧がゆっくりと単調に低下している期間では常に0.9V以上確保されているため、この期間を待つことなく、50MHz動作を開始できる。
時刻T2において、DVFSモードは、モード1からモード3に変化し、システムクロック信号ckaは、50MHzから200MHzに変化する。PMU400からの信号vcaに応じて、可変分割比分圧回路670は、抵抗671の抵抗値と、抵抗672の抵抗値との比を、信号MON−Aの電圧を下げる(抵抗671の抵抗値と抵抗672の抵抗値とが近づくような)ように変更する。信号PAは、時刻T2から時刻T3において論理”H”となる。
その結果、信号GAの電圧は、スイッチMOSトランジスタMOS−SW650がオンするため、時刻T2から時刻T3において、グランドレベルになる。
そうすると、電源MOSトランジスタMOS−PW640の駆動能力は時刻T2からT3において最大となり、電源MOSトランジスタMOS−PW640は完全なオン状態となり、降圧電圧Vddmaは1.2Vとなるので、内部回路A、安定化容量CAは1.2Vに充電される。
その後、時刻T3において信号PAの論理は論理”L”に戻る。その結果、スイッチMOSトランジスタMOS−SW650はオフする。そうすると、時刻T3以降において、差動増幅器610は、信号MON−Aの電圧が0.6Vになるように信号GAの電圧を駆動する、すなわち、信号GAの電圧を高くするように駆動する。
そうすると、時刻T3以降において、電源MOSトランジスタMOS−PW640の駆動能力が低下し始めるため、降圧電圧Vddmaは1.1Vへ向けて下降を始める。そうすると、内部回路A及び安定化容量CAは放電によって電圧が下降を始めるが、電源線VDD930の電圧付近において、内部回路A及び安定化容量CAの容量の単位時間あたりの電流供給能力が内部回路Aの単位時間あたりの消費電力より大きいため、降圧電圧Vddmaの電圧が下降する速度は、差動増幅器610が信号MON−Aの電圧と基準電圧との差電圧を検出する速度より遅くなる。そうすると、差動増幅器610から信号GAを通じて行われる、降圧電圧Vddmaへのフィードバック制御は安定したものとなり、信号GAの電圧及び降圧電圧Vddmaの電圧にオーバーシュートやアンダーシュートが発生せず、振動が生じないと考えられる。
ここで、上記のような状態と異なり、降圧電圧Vddmaを1.1Vより低い電圧から1.1Vにする場合を考えると、電圧上昇を速くしようとして差動増幅器の駆動能力を大きくすると電源MOSトランジスタMOS−PW640の電流供給能力は、内部回路A及び安定化容量CAに対して大きくなってしまうため、降圧電圧Vddmaの電圧上昇速度は、差動増幅器610が信号MON−Aの電圧と基準電圧との差電圧を検出する速度より早なる。そうすると、差動増幅器610から信号GAを通じて行われる、降圧電圧Vddmaへのフィードバック制御は不安定なものとなり、信号GAの電圧及び降圧電圧Vddmaの電圧にオーバーシュートやアンダーシュートが発生し、信号GAの電圧及び降圧電圧Vddmaの電圧に振動が生じると考えられる。
本発明は、一旦、降圧電圧Vddmaを電源線VDD930の電圧にした後、降圧電圧Vddmaを1.1Vに下降させる。すなわち、Vddmaには既に必要な電圧以上の電圧がかかっているため、1.1Vへ下降するための安定期間を待つ必要がなく、内部回路Aを動作させることが可能となる。
時刻T5において、DVFSモードは、モード0からモード2に変化し、システムクロック信号ckaは、25MHzから100MHzに変化する。PMU400からの信号vcaに応じて、可変分割比分圧回路670は、抵抗671の抵抗値と、抵抗672の抵抗値との比を、信号MON−Aの電圧を下げる(抵抗671の抵抗値と抵抗672の抵抗値とが近づくような)ように変更する。信号PAは、時刻T5から時刻T6において論理”H”となり、時刻T6において論理”L”に戻る。その結果、信号GAの電圧は、スイッチMOSトランジスタMOS−SW650がオンするため、時刻T5から時刻T6において、グランドレベルになり、時刻T6以降において、差動増幅器610は、信号MON−Aの電圧が0.6Vになるように、信号GAの電圧を駆動する。電源MOSトランジスタMOS−PW640の駆動能力は時刻T5からT6において最大となり、降圧電圧Vddmaは1.2Vに上昇するが、時刻T6以降において、1.0Vへ向かってゆっくりと単調に下降する。この時、100MHz動作に必要な最低電圧値は1.0Vなので、この電圧がゆっくりと単調に下降している期間では常に1.0V以上確保されているため、この期間を待つことなく、100MHz動作を開始できる。
図5Aは、パルス発生器660の回路図を示す。パルス発生器660は信号遅延(delay)661a、661b、インバータ662a、662b、AND665、OR664、AND665、OR666、OR667から構成されている。
信号遅延661aは信号vcaの1ビット目を表す信号vca[0]を入力とし、信号vca[0]の遅延信号をインバータ662aの入力端子に出力する。インバータ662aは信号vca[0]の遅延信号の論理反転信号を、AND663aの第1入力端子に出力する。AND663aは第2入力端子に信号vca[0]を受け、第1入力端子で受けた信号と、第2入力端子で受けた信号との論理積からなる信号を出力端子より出力する。
上記より、信号遅延661a、インバータ662a、AND663aは信号vca[0]を受け、その論理が”0”から”1”に変化したときにAND663aの出力端子より論理”1”のパルス信号を発生する回路である。
上記より、信号遅延661b、インバータ662b、AND663bは信号vca[1]を受け、その論理が”0”から”1”に変化したときにAND663bの出力端子より論理”1”のパルス信号を発生する回路である。
可変分割比分割回路670は、デコーダ(decoder)671、スイッチ672a、672b、672c、672d、及び、抵抗673a、673b、673c、673d、673e、673fから構成されている。
抵抗643a、抵抗643b、抵抗643c、抵抗643d、抵抗643e、抵抗643fは、降圧電圧Vddmaとグランド線VSS960との間に、直列に接続されている。そして、その直列抵抗の合計は、100Kオームであり、個々の抵抗値は、順に、25Kオーム、8.3Kオーム、6.7Kオーム、5.5Kオーム、4.5Kオーム、50Kオームである。
図6Bの表によれば,sw0は信号vca[1:0]=(00)のときにオン状態を示す。sw1は信号vca[1:0]=(01)のときにオン状態を示す。sw2は信号vca[1:0]=(10)のときにオン状態を示す。sw3は信号vca[1:0]=(11)のときにオン状態を示す。
32分周器432は、PLL431により発生したクロックn4の周期を32倍とし、システムクロックsclk950との位相比較を行うための12.5MHzのクロックを発生する分周器である。
2分周器433は、PLL431により発生したクロックn4の周期を2倍とし、システムクロックsclk950との位相比較を行うための200MHzのクロックn3を発生する分周器である。
4分周器434は、PLL431により発生したクロックn4の周期を4倍とし、システムクロックsclk950との位相比較を行うための100MHzのクロックn2を発生する分周器である。
8分周器435は、PLL431により発生したクロックn4の周期を8倍とし、システムクロックsclk950との位相比較を行うための50MHzのクロックn1を発生する分周器である。
16分周器435は、PLL431により発生したクロックn4の周期を16倍とし、システムクロックsclk950との位相比較を行うための25MHzのクロックn0を発生する分周器である。
選択回路437は、クロックn0、クロックn1、クロックn2、クロックn3、クロックn4の内からDVFSモード信号940に応じた周波数のクロックを選択し、クロックckaとして出力する選択回路である。
DVFSモードの欄には、低負荷の状態、モード0から、高負荷の状態、モード4までが記載されている。
dvfsa[2:0]は図7Aに示す信号DVFSモード940を構成する3ビットのデジタル信号であり、図7Bにおけるdvfsa[2:0]の欄は各DVFSモードに対応する2進数を表示している。モード0には「000」が対応し、モード1には「001」が対応し、モード2には「010」が対応し、モード3には「011」が対応し、モード4には「1xx」が対応する。ここで、xは0でも1でもよいという意味である。
selectorの欄は図7Aに記載した選択回路437において、信号DVFSモード940に対するクロックn0−n4の選択を記載している。モード4のときn4を、モード3のときn3を、モード2のときn2を、モード1のときn1を、モード0のときn0を選択する。
cka周波数は信号DVFSモード940に対応するクロックn4−n0のクロック周波数を表す。クロックn4の周波数は400MHz、クロックn3の周波数は200MHz、クロックn2の周波数は100MHz、クロックn1の周波数は50MHz、クロックn0の周波数は25MHzである。
外部電源から電圧供給を受ける電源線(VDD930)と、
半導体回路装置に内蔵され、複数の動作モードを有し、動作モード毎に動作電圧が異なる回路群(内部回路A200)と、
回路群と、電源線とに電気的に接続し、回路群に前記電源線の電圧以下の電圧を供給する電源供給回路(レギュレータ600)と、
複数の動作モードそれぞれに応じて電源供給回路(レギュレータ600)を制御する制御回路(PMU400)と、を備え、
回路群の前記動作モードの変更前後において、変更前の前記動作モードにおける動作電圧より、変更後の動作モードにおける動作電圧が高い場合に、制御回路は、電源供給回路に変更後の動作モードの動作電圧より高い電圧を回路群に供給させた後、変更後の動作モードの動作電圧を供給することを特徴とする半導体回路装置。
外部電源から電圧供給を受ける電源線(VDD930)と、
半導体回路装置に内蔵される、複数の動作モードを有し、動作モード毎に動作電圧が異なる回路群(内部回路A200及び安定化容量ca250)と、
回路群と、電源線とに電気的に接続し、回路群に電源線の電圧以下の電圧を供給する電源供給回路(レギュレータ600)と、
複数の動作モードそれぞれに応じて電源供給回路を制御する制御回路(PMU400)と、を備え、
電源供給回路(レギュレータ600)は、
電源線(VDD930)と回路群とに電気的に接続する電源供給用MOS型トランジスタ(電源MOSトランジスタMOS−PW640)と、
動作モードそれぞれに応じた制御回路(PMU400、信号vca)の制御を受けて、指示信号(信号GA)を前記電源供給用MOSトランジスタのゲート電極に出力する指示回路(差動増幅器610)と、
ゲート電極及びグランド線(VSS960)の双方に電気的に接続し、前記制御回路の制御に応じたパルス信号を受けて、パルス期間中、ゲート電極とグランド線とを電気的に接続し、ゲート電極の電圧をグランドレベルとするスイッチ(スイッチMOSトランジスタMOS−SW650)と、
を備える電源供給回路である。
電源供給用MOS型トランジスタのソースとグランド線(VSS960)との間に、電気的に、前記回路群と並列に接続し、前記電源供給用MOS型トランジスタのソースとグランド線との間の電圧を、前記制御回路(PMU400、信号vca)の制御に応じた比率で低下させた分割電圧(MON−A630)を出力する電圧分割回路(可変分割比分圧回路670)と、
前記制御回路の制御に応じた前記パルス信号を発生するパルス発生回路(パルス発生器660)と、を備え、
前記指示回路は、基準電圧(VREF発生回路からの基準電圧)と、前記分割電圧との比較結果に応じて前記指示信号(信号GA)を、前記電源供給用MOSトランジスタのゲート電極に電気的に出力することを特徴とする。
前記回路群に前記変更後の前記動作モードの前記動作電圧より高い電圧が印加されている場合において、前記回路群が有する容量からの単位時間あたりの供給電流が、前記回路群の単位時間あたりの消費電流より大きく、
前記電源供給用MOSトランジスタの単位時間あたりの電流供給能力が、前記回路群の単位時間あたりの消費電流より大きいことを特徴とする。
従って、上記の実施例1に関わる半導体回路装置においては、動作電圧(Vddma)の変更時に、動作電圧の安定期間を待つことなく、動作開始時刻を速くすることができる。
レギュレータ800は差動増幅器810、電源MOSトランジスタMOS−PW840、パルス発生器860、可変分割比分圧回路870を含む。
差動増幅器810は可変分割比分圧回路870からの信号MON−Aと、基準電圧0.6Vを供給するVREFaとを受け、それらの信号の差電圧を増幅し、信号GAとして電源MOSトランジスタMOS−PW640へ出力する増幅器である。ただし、パルス発生器860からのパルス信号を受けているときは、差動増幅器810は、信号GAとして、グランド電圧を有する信号を電源MOSトランジスタMOS−PW840へ出力する。この点において、差動増幅器810の動作は差動増幅器610の動作とは異なる。
ここで、差動増幅器810は電源線VDD930から1.2Vの供給を受け、グランド線VSS960からグランド電圧を受けて動作する。
可変分割比分圧回路870は、信号vcaによって示されたDVFSモードに応じて、降圧電圧Vddmaを高い電圧を必要とするDVFSモードに移行するときは、可変分割比分圧回路870の可変抵抗871の抵抗値を上昇させ、可変抵抗872の抵抗値を下降させて、双方の抵抗値を近づけることによって、信号MON−Aの電圧を下げる対処を行う。その結果、信号GAの電圧が低下し、降圧電圧Vddmaは高くなる。一方、降圧電圧Vddmaを低い電圧を必要とするDVFSモードに移行するときは、可変分割比分圧回路870は、信号MON−Aの電圧を上げるように、上記の抵抗値を変更する。なお、可変抵抗871、可変抵抗872の接続状態については、可変分割比分圧回路670と同様であり、図8Aにおいて説明する。
一方、信号VCAが数ビットからなるデジタル信号であった場合には、パルス発生器660は、システムクロックの周波数が小さいDVFSモードから大きいDVFSモードに変更するのに対応して各ビットのいずれかに論理変化があったときにパルス信号を信号PAとして出力する。
なお、パルス発生器860は、電源線VDD930と、グランド線VSS960とから電圧供給を受けて動作する。
図8Cはレギュレータ800の信号の電位変化及び降圧電圧Vddmaの電位変化を示す。信号vcaは内部回路A200のDVFSモードに応じて電圧が変化するアナログ信号であってもよいし、数ビットのデジタル信号であってもよい。その点、レギュレータ600における信号vcaの動作と同様である。
信号PAの電位は、通常はグランド電位であるが、DVFSモードが変化し、かつ、信号vcaの電位が上昇するときに、電位変化のエッジに対応して、所定の幅を有するパルス状の正電位となる。この点、レギュレータ600における信号PAの動作と同様である。
信号MON−Aは、DVFSモードがモード0からモード2に変化する際に、0.6Vから0.72Vへ急激に変化した後、緩やかに0.6Vに戻る。この点、レギュレータ600における信号MON−Aの動作と同様である。
しかし、図8Cで説明したように、一旦、DVFSモード0からDVFSモード2に切り替るときに、差動増幅器810から出力される信号GAの電位をグランド電位とし、内部回路A、安定化容量CAを充電状態にした後に、信号GAの電位をDVFSモード2に応じた電位とする。そうすると、降圧電圧Vddmaの電位は一時的に1.2Vとなるが、内部回路Aの消費電流によって、降圧電圧Vddmaが下がる。その場合、差動増幅器810による電源MOSトランジスタMOS−PW840のゲートへの信号GAは0Vから徐々に上昇し、信号GAが振動しないように差動増幅器の駆動能力を絞っておけば、降圧電圧Vddmaはゆっくりと単調に減少するため、可変分割比分圧回路870からの電圧も単調に減少する。降圧電圧Vddmaが必要な電圧値よりも高い電圧から徐々に必要な電圧まで下げる動作のため、信号GAが所定の電位へ安定する時間を待つ必要がなく、内部回路A200を動作させることが可能となる。その結果、内部回路Aの停止期間を短くできる。
差動増幅器810はP型MOSトランジスタ611a、611b、612、613a、613b、及び、N型MOSトランジスタ614a、614b、615a、615b、616a.616bを含む。それらの接続状態は、差動増幅器610と同様である。
しかし、差動増幅器810はさらに、インバータ618、619、P型トランジスタ617a、617c、N型トランジスタ617bを含む。
P型トランジスタ617aにおいて、そのソースは電源線VDD930に接続し、そのドレインはP型MOSトランジスタ611a、611bのゲートと接続し、そのゲートは信号Pと接続する。
P型トランジスタ617cにおいて、そのソースは電源線VDD930に接続し、そのドレインはN型MOSトランジスタ615bのゲートと接続し、そのゲートは信号Pと接続する。
N型トランジスタ617bにおいて、そのソースはグランド線VSS960に接続し、そのドレインはN型MOSトランジスタ615aのゲートと接続し、そのゲートは信号nと接続する。
しかし、信号PAが論理”H”のパルス状の信号となっているときは、N型トランジスタ617bはオンし、N型MOSトランジスタ615aのゲート、N型MOSトランジスタ616aのドレイン及びゲート、N型MOSトランジスタ616bのゲートはグランドレベルとなる。
P型トランジスタ617aはオンし、P型MOSトランジスタ611a、611bのゲートは電源線VDD930の電位となる。
P型トランジスタ617cはオンし、N型MOSトランジスタ615bのゲート及びN型MOSトランジスタ616bのドレインは電源線VDD930の電位となる。
その結果、信号PAが論理”H”のパルス状の信号となっているときは、差動増幅器としての動作を停止し、信号GAにはグランドレベルの電位を出力することになる。
その結果、N型MOSトランジスタ615aのゲートに印加される電圧は低くなり、N型MOSトランジスタ615bのゲートに印加される電圧は高くなる。
そうすると、N型MOSトランジスタ615aのオン抵抗は高くなり、N型MOSトランジスタ615bのオン抵抗は低くなる。その結果、信号VREFの電圧と、信号MON−Aの電圧が等しいときと比較し、信号GAの電位は低くなる。
従って、電源MOSトランジスタMOS−PW640の電流駆動能力が高くなり、内部回路A200の電流消費能力を超えるようになり、降圧電圧Vddmaの電圧が上昇する。
その結果、可変分割比分圧回路670から出力される、信号MON−Aの電圧は上昇する。
しかし、信号MON−Aの電圧上昇を検出するには一定の期間を必要とするし、降圧電圧Vddmaの電圧の上昇にも、一定の期間を必要とする。従って、信号MON−Aの電圧、降圧電圧Vddmaの電圧、信号GAの電圧は、上昇又は下降を繰り返しながら、電源MOSトランジスタMOS−PW640の電流駆動能力と内部回路A200の電流消費能力が一致するような電圧、すなわち、信号MON−Aの電圧と、信号VREFの電圧が一致するような電圧に降圧電圧Vddmaの電圧が集束する。
なお、上記では、信号vcaがアナログ信号である場合について、パルス発生器660の信号PA発生に伴う動作を説明したが、信号vcaがデジタル信号であった場合には、信号vcaの各ビットのいずれかに論理変化があったときにパルス発生期660はパルス信号を信号PAとして出力することはいうまでもない。
外部電源から電圧供給を受ける電源線(VDD930)と、
前記半導体回路装置に内蔵され、動作電圧が異なる複数の動作モードを有する回路群(内部回路A200及び安定化容量ca250)と、
前記回路群と、前記電源線とに電気的に接続し、前記回路群に前記電源線の電圧以下の電圧を供給する電源供給回路(レギュレータ800)と、
前記回路群の動作電圧が異なる複数の動作モードに応じた制御信号(PMU400、信号vca)を電源供給回路(レギュレータ800)に出力する制御回路(PMU400)と、を備え、
前記電源供給回路(レギュレータ800)は、
前記電源線(VDD930)と前記回路群とに電気的に接続する電源供給用MOS型トランジスタ(MOS−PW840)と、
前記動作モードに応じた前記制御信号(信号vca)に対応した指示信号(信号GA)を、前記電源供給用MOSトランジスタのゲートに出力する指示回路(差動増幅器810)と、を備え、
前記指示回路(差動増幅器810)は、前記動作モードの変更前後において、変更前の前記動作モードにおける前記動作電圧より、変更後の前記動作モードにおける前記動作電圧が高い場合に、前記指示信号の電圧をグランドレベル又は電源線の電位にした後、前記制御信号に対応した指示信号とすることを特徴とする電源供給回路である。
前記電源供給用MOS型トランジスタとグランド線(VSS960)との間に、電気的に、前記回路群と並列に接続し、前記電源供給用MOS型トランジスタのソースとグランド線との間の電圧を、前記制御信号(信号vca)に応じた比率で低下した分割電圧(MON−A)を出力する電圧分割回路(可変分割比分圧回路870)と、
前記制御信号に応じた前記パルス信号を発生するパルス発生回路(パルス発生器860)と、を備え、
前記指示回路は、基準電圧(VREF発生回路からの基準電圧)と、前記分割電圧との比較結果に応じた前記指示信号(信号GA)を、前記電源供給用MOSトランジスタのゲート電極に出力することを特徴とする。
従って、上記の実施例1に関わる半導体回路装置においては、動作電圧(Vddma)の変更時に、動作電圧の安定期間を待たなくて良いため、動作開始時刻を速くすることができる。
200 内部回路A
300 内部回路B
400 PMU
500 Vref発生回路
600、700、800 レギュレータ
610、810 差動増幅器
MOS−PW640、840 電源MOSトランジスタ
MOS−SW650 スイッチMOSトランジスタ
660、860 パルス発生器
670、870 可変分割比分圧回路
930 電源線VDD
960 グランド線VSS
Claims (8)
- 外部電源から電圧供給を受ける電源線と、
複数の動作モードを有し、前記動作モード毎に、前記動作モードにおける動作電圧が異なる回路群と、
前記回路群と、前記電源線と、に電気的に接続し、前記回路群に前記電源線の電圧以下の電圧を供給する電源供給回路と、
前記複数の動作モードそれぞれに応じて前記電源供給回路を制御する制御回路と、
を備え、
前記回路群の前記動作モードの変更前後において、変更前の前記動作モードにおける前記動作電圧より、変更後の前記動作モードにおける前記動作電圧が高い場合に、前記制御回路は、前記電源供給回路に前記変更後の前記動作モードの前記動作電圧より高い電圧を前記回路群に対して供給させた後、前記変更後の動作モードの前記動作電圧を供給することを特徴とする半導体回路装置。
- 外部電源から電圧供給を受ける電源線と、
複数の動作モードを有し、前記動作モード毎に、前記動作モードにおける動作電圧が異なる回路群と、
前記回路群と、前記電源線と、に電気的に接続し、前記回路群に前記電源線の電圧以下の電圧を供給する電源供給回路と、
前記複数の動作モードそれぞれに応じて前記電源供給回路を制御する制御回路と、を備え、
前記電源供給回路は、
前記電源線と前記回路群とに電気的に接続する電源供給用MOSトランジスタと、
前記動作モードそれぞれに応じた前記制御回路の制御を受けて、指示信号を前記電源供給用MOSトランジスタのゲートに出力する指示回路と、
前記制御回路の制御に応じたパルス信号を受けて、前記パルス信号のパルス期間中、前記ゲートの電圧を、グランドレベル又は前記電源線の電圧とするスイッチと、
を備えることを特徴とする半導体回路装置。
- 前記電源供給回路は、さらに、
前記電源供給用MOS型トランジスタのソースとグランド線との間の電圧を、前記制御回路の制御に応じた比率で低下させて得た分割電圧を出力する電圧分割回路と、
前記制御回路の制御に応じた前記パルス信号を発生するパルス発生回路と、を備え、
前記指示回路は、基準電圧と、前記分割電圧との比較結果に応じて前記指示信号を、前記電源供給用MOSトランジスタのゲートに出力することを特徴とする請求項2記載の半導体回路装置。
- 前記パルス発生回路は、前記回路群の動作モードの内、前記回路群の動作電圧が低い低動作モードから前記回路群の動作電圧が高い高動作モードに移行する場合に、前記高動作モードに対する前記制御回路の制御に応じて前記パルス信号を発生することを特徴とする請求項3記載の半導体回路装置。
- 前記パルス発生回路は、前記回路群の動作モードの内、前記回路群の動作電圧が前記電源線の電圧と等しい最高電圧動作モードに移行した場合には、前記回路群が、前記最高電圧動作モードとなっている全期間をパルス幅とする前記パルス信号を発生することを特徴とする請求項3記載の半導体回路装置。
- 前記回路群に前記変更後の前記動作モードの前記動作電圧より高い電圧が印加されている場合において、前記回路群が有する容量からの単位時間あたりの供給電流が、前記回路群の単位時間あたりの消費電流より大きく、
前記電源供給用MOSトランジスタの単位時間あたりの電流供給能力が、前記回路群の単位時間あたりの消費電流より大きいことを特徴とする請求項2記載の半導体回路装置。
- 外部電源から電圧供給を受ける電源線と、
複数の動作モードを有し、前記動作モード毎に、前記動作モードにおける動作電圧が異なる回路群と、
前記回路群と、前記電源線とに電気的に接続し、前記回路群に前記電源線の電圧以下の電圧を供給する電源供給回路と、
前記複数の動作モードそれぞれに応じて前記電源供給回路を制御する制御回路と、を備え、
前記電源供給回路は、
前記電源線と前記回路群とに電気的に接続するP型MOSトランジスタと、
前記動作モードそれぞれに応じた前記制御回路の制御を受けて、指示信号を前記P型MOSトランジスタのゲートに出力する指示回路と、を備え、
前記指示回路は、前記回路群の前記動作モードの変更前後において、変更前の前記動作モードにおける前記動作電圧より、変更後の前記動作モードにおける前記動作電圧が高い場合に、前記指示信号の電圧をグランドレベルにした後、前記変更後の前記動作モードに対応した指示信号を出力することを特徴とする半導体回路装置。
- 前記電源供給回路は、さらに、
前記P型MOS型トランジスタのソースとグランド線との間の電圧を、前記制御信号に応じた比率で低下させて得た分割電圧を出力する電圧分割回路と、
前記制御信号の制御に応じた前記パルス信号を発生するパルス発生回路と、を備え、
前記指示回路は、基準電圧と、前記分割電圧との比較結果に応じた前記指示信号を、前記電源供給用MOSトランジスタのゲート電極に出力することを特徴とする請求項7記載の半導体回路装置。
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