JP2017022493A - 電源回路及び電圧制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】少ない素子数で電圧の変動を抑制することができる電源回路を提供することを課題とする。【解決手段】電源回路は、第1の電源電圧ノード(VDDE)と第2の電源電圧ノード(VDD)との間に直列に接続される負荷(103)及び第1のトランジスタ(M1)と、第3の電源電圧ノード(VDDα)と電圧出力端子(Vout)との間に接続される第2のトランジスタ(M2)とを有し、前記第1のトランジスタのゲートは、前記第1のトランジスタと前記負荷が接続されたノードに接続され、前記第1のトランジスタのバックゲートは、前記電圧出力端子に接続され、前記第2のトランジスタのゲートは、前記第1のトランジスタのゲートに接続され、前記第2のトランジスタのバックゲートは、第2の電源電圧ノードに接続される。【選択図】図1

Description

本発明は、電源回路及び電圧制御方法に関する。
基板上に形成される1以上のMOSFETを有する被制御回路と、出力端から被制御回路の基板に供給する基板バイアスを制御する基板バイアス制御回路とを有する半導体集積回路装置が知られている(特許文献1参照)。基板バイアス制御回路は、第1のMOSFET及び第2のMOSFETを有する。第1のMOSFETは、被制御回路のMOSFETと同じ電流−電圧特性を有し、サブスレショールドリーク電流を電圧信号に変換する。第2のMOSFETは、一端が基板バイアス制御回路の出力端と接続され、電圧信号に応じて基板バイアスを接地電位以下に制御する。
また、半導体集積装置に用いるMOSトランジスタ回路であって、第1の導電型のMOS型半導体素子と、抵抗素子と、調整部とを有するMOSトランジスタ回路が知られている(特許文献2参照)。抵抗素子は、第1の導電型のMOS型半導体素子のソースと第1の導電型のMOS型半導体素子の基板との間に挿入される。調整部は、第1の導電型のMOS型半導体素子のソースの電圧降下値に応じて、抵抗素子に流れる電流量を調整する。
また、外部端子から供給された電源電圧で動作させられ、外部端子から供給された電圧とは異なる内部電圧を形成する電源回路と、電源回路で形成された内部電圧が印加される内部回路とを有する半導体集積回路装置が知られている(特許文献3参照)。電源回路は、内部電圧に対して絶対値的に大きな電圧を形成するチャージポンプ回路と、チャージポンプ回路で形成された出力電圧と内部電圧との間に設けられた可変インピーダンス手段と、差動増幅回路とを有する。差動増幅回路は、チャージポンプ回路で形成された出力電圧を動作電圧とし、必要な内部電圧に対応された基準電圧と内部電圧とを比較して両者が一致するよう可変インピーダンス手段を制御する。電源回路は、外部端子から供給された電圧と同じ極性で絶対値的に大きな電圧を発生させる第1電源回路と、外部端子から供給された電圧と異なる極性の電圧を発生させる第2電源回路とを有する。第1電源回路のチャージポンプ回路で形成された出力電圧は、内部回路を構成する素子が形成されるP型のウェル領域が形成されるN型のウェル領域に印加される。第2電源回路のチャージポンプ回路で形成された出力電圧は、内部回路を構成する素子が形成されるP型のウェル領域に与えられる基板バックバイアス電圧としても用いられる。
また、パルスをスイッチングしてコンデンサの充電を行い、電圧を昇降させるチャージポンプ回路部と、チャージポンプ回路部の出力を検出するための出力電圧検出部と、昇圧電圧制御部とを有する定電圧回路が知られている(特許文献4参照)。昇圧電圧制御部は、入力値に応じた制御指令を出力する。チャージポンプ回路部内のインバータがチャージポンプ回路部の昇圧動作を担っており、そのインバータの電源電圧に対して、チャージポンプ回路の出力をフィードバックさせてインバータの出力振幅を制御することによって定電圧化を図る。
特開2011−239185号公報 特開2006−140228号公報 特開2006−351173号公報 特開2000−262043号公報
電源回路の素子数を減らし、電源回路のサイズを小さくすることが望まれている。
本発明の目的は、少ない素子数で電圧の変動を抑制することができる電源回路及び電圧制御方法を提供することである。
電源回路は、第1の電源電圧ノードと第2の電源電圧ノードとの間に直列に接続される負荷及び第1のトランジスタと、第3の電源電圧ノードと電圧出力端子との間に接続される第2のトランジスタとを有し、前記第1のトランジスタのゲートは、前記第1のトランジスタと前記負荷が接続されたノードに接続され、前記第1のトランジスタのバックゲートは、前記電圧出力端子に接続され、前記第2のトランジスタのゲートは、前記第1のトランジスタのゲートに接続され、前記第2のトランジスタのバックゲートは、前記第2の電源電圧ノードに接続される。
少ない素子数及び小サイズで、電圧出力端子の電圧の変動を抑制することができる。
図1(A)は第1の実施形態による電源回路及びロジック回路の構成例を示す図であり、図1(B)は電圧波形を示す図である。 図2は、第1の実施形態による電源回路の構成例を示す断面図である。 図3は、第2の実施形態による電源回路及びロジック回路の構成例を示す図である。 図4は、第3の実施形態による電源回路及びロジック回路の構成例を示す図である。 図5は、第4の実施形態による電源回路及びロジック回路の構成例を示す図である。 図6(A)及び(B)は、第1〜第4の実施形態による電源回路の電圧の波形のシミュレーション結果を示す図である。 図7は、第5の実施形態による第1の電源ドメイン及び第2の電源ドメインの構成例を示す図である。 図8は、第5の実施形態による半導体チップのレイアウト例を示す図である。
(第1の実施形態)
図1(A)は第1の実施形態による電源回路101及びロジック回路102の構成例を示す図であり、図2は第1の実施形態による電源回路101の構成例を示す断面図である。電源回路101は、負荷103と、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1と、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2を有する。負荷103は、第1の抵抗Rである。第1の抵抗R及び第1のnチャネル電界効果トランジスタM1は、第1の電源電圧ノードVDDEと第2の電源電圧ノードVDDとの間に直列に接続される。第2のnチャネル電界効果トランジスタM2は、第3の電源電圧ノードVDDαと電圧出力端子Voutとの間に接続される。
第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のゲートG1は、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1と第1の抵抗Rが接続されたノードに接続される。第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のバックゲートBG1は、電圧出力端子Voutに接続される。第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のゲートG2は、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のゲートG1に接続される。第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のバックゲートBG2は、第2の電源電圧ノードVDDに接続される。
第1の抵抗Rは、第1の電源電圧ノードVDDEと第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のドレインD1との間に接続される。第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のゲートG1は、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のドレインD1に接続される。第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のソースS1は、第2の電源電圧ノードVDDに接続される。第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のドレインD2は、第3の電源電圧ノードVDDαに接続される。第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のソースS2は、電圧出力端子Voutに接続される。
電流I1は、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のドレイン電流である。電流I2は、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のドレイン電流である。電圧V1は、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のドレインD1の電圧である。電圧V2は、電圧出力端子Voutの電圧である。電源回路101は、電圧V2を生成し、電圧V2を電圧出力端子Voutから出力する。
ロジック回路102は、電源電圧端子Vd及び基準電位端子Vsを有する。ロジック回路102の電源電圧端子Vdは、電源回路101の電圧出力端子Voutに接続される。ロジック回路102の基準電位端子Vsは、基準電位ノードVSSに接続される。電源回路101は、ロジック回路102の電源電圧端子Vdに電圧V2を電源電圧として供給する。ロジック回路102は、電源回路101から電圧V2の供給を受けて、動作する。ロジック回路102の動作により、ロジック回路102の内部に流れる電流が変動する。
電源回路101がない場合、ロジック回路102の内部に流れる電流が増加すると、電源電圧端子Vdの電圧は低下し、ロジック回路102の内部に流れる電流が減少すると、電源電圧端子Vdの電圧は上昇する。その結果、電源電圧端子Vdの電圧は、図1(B)の電圧V2aに示すように、ロジック回路102の電流に応じて変動し、アンダーシュート及びオーバーシュートが生じる。電源電圧端子Vdの電圧変動が大きいと、ロジック回路102は正常動作できない可能性がある。
本実施形態では、ロジック回路102の電源電圧端子Vdに電源回路101を接続する。電源回路101は、図1(B)に示すように、ロジック回路102の電源電圧端子Vdの電圧V2の変動を抑制し、アンダーシュート及びオーバーシュートを抑制することができる。その理由は、後述する。
次に、図2を参照しながら、電源回路101の断面構造を説明する。p型シリコン基板201の表面には、nウェル拡散領域202が設けられる。nウェル拡散領域202の表面には、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のバックゲートBG1と、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のバックゲートBG2が設けられる。バックゲートBG1及びBG2は、それぞれpウェル拡散領域であり、相互に分離されている。
まず、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1の構造を説明する。第1のnチャネル電界効果トランジスタM1は、ゲートG1、ソースS1、ドレインD1及びバックゲートBG1を有する。バックゲートBG1の表面には、ソースS1及びドレインD1が設けれる。ソースS1及びドレインD1は、それぞれn+領域であり、相互に分離されている。ソースS1及びドレインD1の間のチャネル領域の上には、絶縁膜204が設けられる。絶縁膜204は、シリコン酸化膜である。絶縁膜204の上には、ゲートG1が設けられる。ゲートG1は、ポリシリコンである。
次に、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2の構造を説明する。第2のnチャネル電界効果トランジスタM2は、ゲートG2、ソースS2、ドレインD2及びバックゲートBG2を有する。バックゲートBG2の表面には、ソースS2及びドレインD2が設けれる。ソースS2及びドレインD2は、それぞれn+領域であり、相互に分離されている。ソースS2及びドレインD2の間のチャネル領域の上には、絶縁膜205が設けられる。絶縁膜205は、シリコン酸化膜である。絶縁膜205の上には、ゲートG2が設けられる。ゲートG2は、ポリシリコンである。
次に、第1の抵抗R1の構造を説明する。nウェル拡散領域202の表面には、絶縁膜203が設けられる。絶縁膜203は、シリコン酸化膜である。絶縁膜203の上には、第1の抵抗Rが設けられる。第1の抵抗Rは、ポリシリコンである。
次に、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2及び第1の抵抗Rの接続方法を説明する。p型シリコン基板201は、基準電位ノードVSSに接続されている。nウェル拡散領域202は、第1の電源電圧ノードVDDEに接続されている。第1の抵抗Rは、第1の電源電圧ノードVDDEと第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のドレインD1との間に接続されている。
第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のゲートG1は、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のドレインD1に接続されている。第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のソースS1は、第2の電源電圧ノードVDDに接続されている。第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のバックゲートBG1は、電圧出力端子Voutに接続されている。
第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のドレインD2は、第3の電源電圧ノードVDDαに接続されている。第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のゲートG2は、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のゲートG1に接続されている。第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のソースS2は、電圧出力端子Voutに接続されている。第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のバックゲートBG2は、第2の電源電圧ノードVDDに接続されている。
次に、電源回路101の設計条件の例を説明する。例えば、電圧V2が第2の電源電圧ノードVDDの電圧と同じになるように設計する例を説明する。基準電位ノードVSSの電位は、グランド電位であり、0Vである。第3の電源電圧ノードVDDαの電圧は、第2の電源電圧ノードVDDの電圧より高く、VDDα>VDDの関係を有する。第1の電源電圧ノードVDDEの電圧は、第3の電源電圧ノードVDDαの電圧以上であり、VDDE≧VDDαの関係を有する。すなわち、VDDE≧VDDα>VDDの関係を有する。例えば、第1の電源電圧ノードVDDEの電圧が2.5V、第3の電源電圧ノードVDDαの電圧が1.2V、第2の電源電圧ノードVDDの電圧が0.9Vである。
電圧V2は、第2の電源電圧ノードVDDの電圧と同じになるように設定するので、0.9Vである。第2のnチャネル電界効果トランジスタM2の閾値電圧Vth2は、例えば0.4Vである。
次に、次式の条件を満たすように、電圧V1を決める。
V2+Vth2≦V1<VDDα+Vth2
0.9+0.4≦V1<1.2+0.4
1.3≦V1<1.6
電圧V1は、例えば1.3Vである。なお、電圧V2は、第2の電源電圧ノードVDDの電圧と同じでなくてもよい。電圧V2は、例えば、0.9V〜1.2Vにすることができる。
次に、電源回路101が電圧V2の変動を抑制することができる理由を説明する。ロジック回路102内の電流が増加すると、電圧出力端子Voutの電圧V2が低下する。電源回路101では、下記の第1の抑制動作及び第2の抑制動作が並列に行われ、電圧出力端子Voutの電圧V2の低下が抑制される。
まず、第1の抑制動作について説明する。電圧出力端子Voutの電圧V2が低下すると、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のバックゲートBG1の電圧が低下する。すると、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1の閾値電圧Vth1が上昇し、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のソースS1及びドレインD1間の抵抗値が上昇し、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のドレイン電流I1が減少する。すると、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のゲートG2の電圧V1が上昇し、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のドレイン電流I2が増加し、電圧出力端子Voutの電圧V2が上昇する。これにより、電圧出力端子Voutの電圧V2の低下が抑制され、電圧V2が一定値(0.9V)を維持するように制御される。
次に、第2の抑制動作について説明する。電圧出力端子Voutの電圧V2が低下すると、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のソースS2の電圧が低下する。すると、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のバックゲートBG2の電圧が相対的に上昇し、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2の閾値電圧Vth2が低下する。すると、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のソースS2及びドレインD2間の抵抗値が低下し、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のドレイン電流I2が増加し、電圧出力端子Voutの電圧V2が上昇する。これにより、電圧出力端子Voutの電圧V2の低下が抑制され、電圧V2が一定値(0.9V)を維持するように制御される。
次に、電圧V2の上昇の抑制動作について説明する。ロジック回路102内の電流が減少すると、電圧出力端子Voutの電圧V2が上昇する。電源回路101では、下記の第3の抑制動作及び第4の抑制動作が並列に行われ、電圧出力端子Voutの電圧V2の上昇が抑制される。
まず、第3の抑制動作について説明する。電圧出力端子Voutの電圧V2が上昇すると、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のバックゲートBG1の電圧が上昇する。すると、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1の閾値電圧Vth1が低下し、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のソースS1及びドレインD1間の抵抗値が低下し、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のドレイン電流I1が増加する。すると、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のゲートG2の電圧V1が低下し、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のドレイン電流I2が減少し、電圧出力端子Voutの電圧V2が低下する。これにより、電圧出力端子Voutの電圧V2の上昇が抑制され、電圧V2が一定値(0.9V)を維持するように制御される。
次に、第4の抑制動作について説明する。電圧出力端子Voutの電圧V2が上昇すると、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のソースS2の電圧が上昇する。すると、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のバックゲートBG2の電圧が相対的に低下し、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2の閾値電圧Vth2が上昇する。すると、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のソースS2及びドレインD2間の抵抗値が上昇し、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のドレイン電流I2が減少し、電圧出力端子Voutの電圧V2が低下する。これにより、電圧出力端子Voutの電圧V2の上昇が抑制され、電圧V2が一定値(0.9V)を維持するように制御される。
本実施形態によれば、電源回路101は、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2及び第1の抵抗Rの3個の素子で、電圧V2の変動を抑制することができる。すなわち、電源回路101は、少ない素子数及び小サイズで、電圧出力端子Voutの電圧V2の変動を抑制することができる。電圧V2の変動を抑制することにより、ロジック回路102の動作マージンを確保することができる。
次に、本実施形態の比較のため、オペアンプを有する電源回路について説明する。オペアンプは、例えば7個のトランジスタを有する。したがって、オペアンプを有する電源回路は、少なくとも7個のトランジスタを有するので、素子数が多く、サイズが大きくなってしまう。
これに対し、本実施形態の電源回路101は、素子数が3個であるので、少ない素子数及び小サイズで、電圧出力端子Voutの電圧V2の変動を抑制することができる。
(第2の実施形態)
図3は、第2の実施形態による電源回路101及びロジック回路102の構成例を示す図である。図3は、図1(A)に対して、負荷103として、第1の抵抗Rの代わりに、第3のnチャネル電界効果トランジスタ301を設けたものである。以下、本実施形態が第1の実施形態と異なる点を説明する。
負荷103は、第3のnチャネル電界効果トランジスタ301である。第3のnチャネル電界効果トランジスタ301は、ゲート及びドレインが第1の電源電圧ノードVDDEに接続され、ソース及びバックゲートが第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のドレインD1に接続される。電源回路101は、3個のトランジスタM1、M2及び301で構成される。
第3のnチャネル電界効果トランジスタ301は、上記の第1の抑制動作を促進させることができる。上記の第1の抑制動作では、電圧出力端子Voutの電圧V2が低下すると、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のゲートG2の電圧V1が上昇することを説明した。電圧V1が上昇すると、第3のnチャネル電界効果トランジスタ301のバックゲートの電圧が上昇し、第3のnチャネル電界効果トランジスタM3の閾値電圧Vth3が低下する。すると、第3のnチャネル電界効果トランジスタ301のソース及びドレイン間の抵抗値が低下する。その結果、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のゲートG2の電圧V1がさらに上昇する。すなわち、第3のnチャネル電界効果トランジスタ301は、電圧V1の上昇を促進させることができ、第1の抑制動作を高速化させることができる。これにより、電源回路101は、電圧出力端子Voutの電圧V2が低下しても、電圧V2を高速に一定値(0.9V)に戻すことができる。
同様に、第3のnチャネル電界効果トランジスタ301は、上記の第3の抑制動作を促進させることができる。上記の第3の抑制動作では、電圧出力端子Voutの電圧V2が上昇すると、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のゲートG2の電圧V1が低下することを説明した。電圧V1が低下すると、第3のnチャネル電界効果トランジスタ301のバックゲートの電圧が低下し、第3のnチャネル電界効果トランジスタM3の閾値電圧Vth3が上昇する。すると、第3のnチャネル電界効果トランジスタ301のソース及びドレイン間の抵抗値が上昇する。その結果、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のゲートG2の電圧V1がさらに低下する。すなわち、第3のnチャネル電界効果トランジスタ301は、電圧V1の低下を促進させることができ、第3の抑制動作を高速化させることができる。これにより、電源回路101は、電圧出力端子Voutの電圧V2が上昇しても、電圧V2を高速に一定値(0.9V)に戻すことができる。
以上のように、本実施形態は、第1の実施形態に比べ、第3のnチャネル電界効果トランジスタ301が電圧V1の変動を促進させることができるので、電圧V2が変動しても、高速に電圧V2を一定値(0.9V)に戻すことができる。
(第3の実施形態)
図4は、第3の実施形態による電源回路101及びロジック回路102の構成例を示す図である。図4は、図1(A)に対して、負荷103として、第1の抵抗Rの代わりに、第3のnチャネル電界効果トランジスタ401を設けたものである。以下、本実施形態が第1の実施形態と異なる点を説明する。
負荷103は、第3のnチャネル電界効果トランジスタ401である。第3のnチャネル電界効果トランジスタ401のゲートは、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のゲートG1に接続される。第3のnチャネル電界効果トランジスタ401のドレインは、第1の電源電圧ノードVDDEに接続される。第3のnチャネル電界効果トランジスタ401のソースは、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のドレインD1に接続される。第3のnチャネル電界効果トランジスタ401のバックゲートは、第2の電源電圧ノードVDDに接続される。電源回路101は、3個のトランジスタM1、M2及び401で構成される。
第3のnチャネル電界効果トランジスタ401は、上記の第1の抑制動作を促進させることができる。上記の第1の抑制動作では、電圧出力端子Voutの電圧V2が低下すると、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のゲートG2の電圧V1が上昇することを説明した。電圧V1が上昇すると、第3のnチャネル電界効果トランジスタ401のゲートの電圧が上昇する。その結果、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のゲートG2の電圧V1がさらに上昇する。すなわち、第3のnチャネル電界効果トランジスタ401は、電圧V1の上昇を促進させることができ、第1の抑制動作を高速化させることができる。これにより、電源回路101は、電圧出力端子Voutの電圧V2が低下しても、電圧V2を高速に一定値(0.9V)に戻すことができる。
同様に、第3のnチャネル電界効果トランジスタ401は、上記の第3の抑制動作を促進させることができる。上記の第3の抑制動作では、電圧出力端子Voutの電圧V2が上昇すると、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のゲートG2の電圧V1が低下することを説明した。電圧V1が低下すると、第3のnチャネル電界効果トランジスタ401のゲートの電圧が低下する。その結果、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のゲートG2の電圧V1がさらに低下する。すなわち、第3のnチャネル電界効果トランジスタ401は、電圧V1の低下を促進させることができ、第3の抑制動作を高速化させることができる。これにより、電源回路101は、電圧出力端子Voutの電圧V2が上昇しても、電圧V2を高速に一定値(0.9V)に戻すことができる。
以上のように、本実施形態は、第1の実施形態に比べ、第3のnチャネル電界効果トランジスタ401が電圧V1の変動を促進させることができるので、電圧V2が変動しても、高速に電圧V2を一定値(0.9V)に戻すことができる。
(第4の実施形態)
図5は、第4の実施形態による電源回路101及びロジック回路102の構成例を示す図である。図5は、図1(A)に対して、第2の抵抗501を追加したものである。以下、本実施形態が第1の実施形態と異なる点を説明する。
電源回路101は、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2、第1の抵抗R及び第2の抵抗501を有する。第2の抵抗501は、電圧出力端子Voutと基準電位ノードVSSとの間に接続される。
第2の抵抗501を設けることにより、本実施形態(図5)の第1の抵抗Rの値は、第1の実施形態(図1(A))の第1の抵抗Rの値より、小さくすることができる。その結果、本実施形態は、第1の実施形態に比べ、第1の抑制動作及び第3の抑制動作を高速化させることができ、電圧V2が変動しても、高速に電圧V2を一定値(0.9V)に戻すことができる。
図6(A)は、第1〜第4の実施形態による電源回路101の電圧V1の波形のシミュレーション結果を示す図である。電圧601は、第1の実施形態による電源回路101の電圧V1である。電圧602は、第2の実施形態による電源回路101の電圧V1である。電圧603は、第3の実施形態による電源回路101の電圧V1である。電圧604は、第4の実施形態による電源回路101の電圧V1である。
図6(B)は、第1〜第4の実施形態による電源回路101の電圧V2の波形のシミュレーション結果を示す図である。電圧611は、第1の実施形態による電源回路101の電圧V2である。電圧612は、第2の実施形態による電源回路101の電圧V2である。電圧613は、第3の実施形態による電源回路101の電圧V2である。電圧614は、第4の実施形態による電源回路101の電圧V2である。
0[sec]の時間において、ロジック回路102が動作し、電圧V2が低下している。その後、電源回路101が電圧V2を一定値に戻す速度の比較を示す。第1の実施形態の電圧611、第3の実施形態の電圧613及び第4の実施形態の電圧614は、その収束値が0.9Vに設定されている。これに対し、第2の実施形態の電圧612は、その収束値が1.2Vに設定されている。
このシミュレーション結果より、第3の実施形態の電圧603及び613は、第1の実施形態の電圧601及び611より高速に一定値に戻っていることが分かる。また、第4の実施形態の電圧604及び614は、第1の実施形態の電圧601及び611より高速に一定値に戻っていることが分かる。また、第4の実施形態の電圧604及び614は、第3の実施形態の電圧603及び613より高速に一定値に戻っていることが分かる。
(第5の実施形態)
図7は、第5の実施形態による第1の電源ドメイン701及び第2の電源ドメイン702の構成例を示す図である。第1の電源ドメイン701は、ドメイン703a及び703bを有する。第2の電源ドメイン702は、ドメイン703c及び703dを有する。
ドメイン703aは、電源部101a及びロジック回路102aを有する。電源部101aは図1(A)の電源回路101に対応し、ロジック回路102aは図1(A)のロジック回路102に対応する。電源部101aは、図1(A)の電源回路101と同じ構成であり、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1a、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2a及び第1の抵抗Raを有する。トランジスタM1a、トランジスタM2a及び抵抗Raは、それぞれ、図1(A)のトランジスタM1、トランジスタM2及び抵抗Rに対応する。電源電圧端子Vdaは、図1(A)の電源電圧端子Vdに対応する。基準電位端子Vsaは、図1(A)の基準電位端子Vsに対応する。第2の電源電圧ノードVDD1は、図1(A)の第2の電源電圧ノードVDDに対応する。第3の電源電圧ノードVDDα1は、図1(A)の第3の電源電圧ノードVDDαに対応する。ロジック回路102aは、例えば低速動作回路である。
ドメイン703bは、電源部101b及びロジック回路102bを有する。電源部101bは図1(A)の電源回路101に対応し、ロジック回路102bは図1(A)のロジック回路102に対応する。電源部101bは、図1(A)の電源回路101と同じ構成であり、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1b、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2b及び第1の抵抗Rbを有する。トランジスタM1b、トランジスタM2b及び抵抗Rbは、それぞれ、図1(A)のトランジスタM1、トランジスタM2及び抵抗Rに対応する。電源電圧端子Vdbは、図1(A)の電源電圧端子Vdに対応する。基準電位端子Vsbは、図1(A)の基準電位端子Vsに対応する。ロジック回路102bは、例えば高速動作回路である。
抵抗Ra及びRbは、第1の電源電圧ノードVDDEに共通に接続される。第2のnチャネル電界効果トランジスタM2a及びM2bのドレインは、第3の電源電圧ノードVDDα1に共通に接続される。第1のnチャネル電界効果トランジスタM1a及びM1bのソースは、第2の電源電圧ノードVDD1に共通に接続される。基準電位端子Vsa及びVsbは、基準電位ノードVSSに共通に接続される。
ドメイン703cは、電源部101c及びロジック回路102cを有する。電源部101cは図1(A)の電源回路101に対応し、ロジック回路102cは図1(A)のロジック回路102に対応する。電源部101cは、図1(A)の電源回路101と同じ構成であり、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1c、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2c及び第1の抵抗Rcを有する。トランジスタM1c、トランジスタM2c及び抵抗Rcは、それぞれ、図1(A)のトランジスタM1、トランジスタM2及び抵抗Rに対応する。電源電圧端子Vdcは、図1(A)の電源電圧端子Vdに対応する。基準電位端子Vscは、図1(A)の基準電位端子Vsに対応する。第2の電源電圧ノードVDD2は、図1(A)の第2の電源電圧ノードVDDに対応する。第3の電源電圧ノードVDDα2は、図1(A)の第3の電源電圧ノードVDDαに対応する。ロジック回路102cは、例えば常時動作回路である。
ドメイン703dは、電源部101d及びロジック回路102dを有する。電源部101dは図1(A)の電源回路101に対応し、ロジック回路102dは図1(A)のロジック回路102に対応する。電源部101dは、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1d、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2d、第1の抵抗Rd及びpチャネル電界効果トランジスタ704を有する。トランジスタM1d、トランジスタM2d及び抵抗Rdは、それぞれ、図1(A)のトランジスタM1、トランジスタM2及び抵抗Rに対応する。pチャネル電界効果トランジスタ704は、ソースが第3の電源電圧ノードVDDα2に接続され、ゲートが制御ノードPSWに接続され、ドレインが第2のnチャネル電界効果トランジスタM2dのドレインに接続される。電源電圧端子Vddは、図1(A)の電源電圧端子Vdに対応する。基準電位端子Vsdは、図1(A)の基準電位端子Vsに対応する。ロジック回路102dは、例えば非常時動作回路である。
pチャネル電界効果トランジスタ704をオンとしたとき、電源部101dは、ロジック回路102dの電源電圧端子Vddに電源電圧を供給し、ロジック回路102dは、動作可能状態になる。論理積(AND)回路705は、ロジック回路102dの出力信号に応じた信号をロジック回路102cに出力する。
pチャネル電界効果トランジスタ704をオフとしたとき、電源部101dは、ロジック回路102dの電源電圧端子Vddに電源電圧を供給せず、ロジック回路102dは、停止状態になる。ロジック回路102dの出力信号が不定値になるので、論理積回路705は、固定値をロジック回路102cに出力する。
抵抗Rc及びRdは、第1の電源電圧ノードVDDEに共通に接続される。pチャネル電界効果トランジスタ704がオンである場合、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2c及びM2dのドレインは、第3の電源電圧ノードVDDα2に共通に接続される。第1のnチャネル電界効果トランジスタM1c及びM1dのソースは、第2の電源電圧ノードVDD2に共通に接続される。基準電位端子Vsc及びVsdは、基準電位ノードVSSに共通に接続される。
次に、電源部101a及び101bの電源電圧ノードについて説明する。電源部101aの第1の電源電圧ノードVDDE及び電源部101bの第1の電源電圧ノードVDDEは、相互に接続される。電源部101aの第2の電源電圧ノードVDD1及び電源部101bの第2の電源電圧ノードVDD1は、相互に接続される。電源部101aの第3の電源電圧ノードVDDα1及び電源部101bの第3の電源電圧ノードVDDα1は、相互に接続される。
次に、電源部101a及び101cの電源電圧ノードについて説明する。電源部101aの第1の電源電圧ノードVDDE及び電源部101cの第1の電源電圧ノードVDDEは、相互に接続される。電源部101aの第2の電源電圧ノードVDD1及び電源部101cの第2の電源電圧ノードVDD2は、相互に分離される。電源部101aの第3の電源電圧ノードVDDα1及び電源部101cの第3の電源電圧ノードVDDα2は、相互に分離される。
ロジック回路102a〜102dには、それぞれ、電源部101a〜101dが設けられる。第2の電源電圧ノードVDD1及び第3の電源電圧ノードVDDα1は、第1の電源ドメイン701に電圧を供給する。第2の電源電圧ノードVDD2及び第3の電源電圧ノードVDDα2は、第2の電源ドメイン702に電圧を供給する。これにより、第1の電源ドメイン701内のロジック回路102a及び102bで発生した電源ノイズは、第2の電源ドメイン702内のロジック回路102c及び102dに伝搬しない。同様に、第2の電源ドメイン702内のロジック回路102c及び102dで発生した電源ノイズは、第1の電源ドメイン701内のロジック回路102a及び102bに伝搬しない。また、同一の電源ドメイン内で、異なる会社から供給されたIPマクロの組合せの設計が可能になり、同一の電源ドメインでの設計保証が可能になる。
図8は、本実施形態による半導体チップ801のレイアウト例を示す図である。半導体チップ801は、ドメイン703a〜703d及びロウブロックROW1〜ROW4等を有する。図7に示すように、ドメイン703a〜703dは、それぞれ、電源部101a〜101dを有する。ロウブロックROW1〜ROW4は、それぞれ、電源回路101及びロジック回路102を有する。電源部101a〜101d及び電源回路101は、小さなサイズで実現できるため、ドメイン703a〜703d及びロウブロックROW1〜ROW4にそれぞれ電源部101a〜101d及び電源回路101を設けることができる。これにより、ドメイン703a〜703d及びロウブロックROW1〜ROW4単位で、電源ノイズを抑えることができる。
図7に示すように、電源部101aは、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1a及び第2のnチャネル電界効果トランジスタM2aを有する。電源部101bは、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1b及び第2のnチャネル電界効果トランジスタM2bを有する。
第1のnチャネル電界効果トランジスタM1a及びM1bのバックゲートは、相互に分離する必要がある。これにより、ロジック回路102aの電源電圧端子Vda及びロジック回路102bの電源電圧端子Vdbを相互に分離することができる。
また、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2a及びM2bのバックゲートは、相互に分離されていても、相互に共通化されていてもよい。共通化する場合には、電源部101a及び101bが相互に近い位置に配置されていることが好ましい。
例えば、ロウブロックROW1及びROW2の電源回路101は、相互に近い位置に配置されているので、両者の電源回路101の第2のnチャネル電界効果トランジスタM2のバックゲートを相互に共通化することができる。なお、両者の電源回路101の第1のnチャネル電界効果トランジスタM1のバックゲートは、相互に分離される。
また、電源部101a及び101bは、相互に遠い位置に配置されているので、第2のnチャネル電界効果トランジスタM2a及びM2bのバックゲートは、相互に分離される。また、第1のnチャネル電界効果トランジスタM1a及びM1bのバックゲートも、相互に分離される。
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
101 電源回路
102 ロジック回路
103 負荷
M1 第1のnチャネル電界効果トランジスタ
M2 第2のnチャネル電界効果トランジスタ
R 第1の抵抗
VDDE 第1の電源電圧ノード
VDD 第2の電源電圧ノード
VDDα 第3の電源電圧ノード
VSS 基準電位ノード

Claims (14)

  1. 第1の電源電圧ノードと第2の電源電圧ノードとの間に直列に接続される負荷及び第1のトランジスタと、
    第3の電源電圧ノードと電圧出力端子との間に接続される第2のトランジスタとを有し、
    前記第1のトランジスタのゲートは、前記第1のトランジスタと前記負荷が接続されたノードに接続され、
    前記第1のトランジスタのバックゲートは、前記電圧出力端子に接続され、
    前記第2のトランジスタのゲートは、前記第1のトランジスタのゲートに接続され、
    前記第2のトランジスタのバックゲートは、前記第2の電源電圧ノードに接続されることを特徴とする電源回路。
  2. 前記負荷は、前記第1の電源電圧ノードと前記第1のトランジスタのドレインとの間に接続され、
    前記第1のトランジスタのゲートは、前記第1のトランジスタのドレインに接続され、
    前記第1のトランジスタのソースは、前記第2の電源電圧ノードに接続され、
    前記第2のトランジスタのドレインは、前記第3の電源電圧ノードに接続され、
    前記第2のトランジスタのソースは、前記電圧出力端子に接続されることを特徴とする請求項1記載の電源回路。
  3. 前記第3の電源電圧ノードの電圧は、前記第2の電源電圧ノードの電圧より高く、
    前記第1の電源電圧ノードの電圧は、前記第3の電源電圧ノードの電圧以上であることを特徴とする請求項1又は2記載の電源回路。
  4. 前記第1のトランジスタのバックゲートと前記第2のトランジスタのバックゲートは、相互に分離されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電源回路。
  5. 前記負荷は、第1の抵抗であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電源回路。
  6. 前記負荷は、ゲート及びドレインが前記第1の電源電圧ノードに接続され、ソース及びバックゲートが前記第1のトランジスタのドレインに接続される第3のトランジスタであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電源回路。
  7. 前記負荷は、ゲートが前記第1のトランジスタのゲートに接続され、ドレインが前記第1の電源電圧ノードに接続され、ソースが前記第1のトランジスタのドレインに接続され、バックゲートが前記第2の電源電圧ノードに接続される第3のトランジスタであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電源回路。
  8. さらに、前記電圧出力端子と基準電位ノードとの間に接続される第2の抵抗を有することを特徴とする請求項5記載の電源回路。
  9. 前記負荷と前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタとをそれぞれ有する第1の電源部及び第2の電源部を有し、
    前記第1の電源部及び前記第2の電源部の前記第1の電源電圧ノードは、相互に接続され、
    前記第1の電源部及び前記第2の電源部の前記第2の電源電圧ノードは、相互に接続され、
    前記第1の電源部及び前記第2の電源部の前記第3の電源電圧ノードは、相互に接続されることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の電源回路。
  10. 前記負荷と前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタとをそれぞれ有する第1の電源部及び第2の電源部を有し、
    前記第1の電源部及び前記第2の電源部の前記第1の電源電圧ノードは、相互に接続され、
    前記第1の電源部及び前記第2の電源部の前記第2の電源電圧ノードは、相互に分離され、
    前記第1の電源部及び前記第2の電源部の前記第3の電源電圧ノードは、相互に分離されることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の電源回路。
  11. 前記第1の電源部及び前記第2の電源部の前記第1のトランジスタのバックゲートは、相互に分離され、
    前記第1の電源部及び前記第2の電源部の前記第2のトランジスタのバックゲートは、相互に分離されていることを特徴とする請求項9記載の電源回路。
  12. 前記第1の電源部及び前記第2の電源部の前記第1のトランジスタのバックゲートは、相互に分離され、
    前記第1の電源部及び前記第2の電源部の前記第2のトランジスタのバックゲートは、相互に共通化されていることを特徴とする請求項9記載の電源回路。
  13. 第1の電源電圧ノードと第2の電源電圧ノードとの間に直列に接続される負荷及び第1のトランジスタと、
    第3の電源電圧ノードと電圧出力端子との間に接続される第2のトランジスタとを有する電源回路の電圧制御方法であって、
    前記第1のトランジスタのゲートは、前記第1のトランジスタと前記負荷が接続されたノードに接続され、
    前記第1のトランジスタのバックゲートは、前記電圧出力端子に接続され、
    前記第2のトランジスタのゲートは、前記第1のトランジスタのゲートに接続され、
    前記第2のトランジスタのバックゲートは、前記第2の電源電圧ノードに接続され、
    前記電圧出力端子の電圧が低下すると、前記第1のトランジスタのドレイン電流が減少し、前記第2のトランジスタのゲートの電圧が上昇し、前記第2のトランジスタのドレイン電流が増加し、前記電圧出力端子の電圧が上昇し、
    前記電圧出力端子の電圧が上昇すると、前記第1のトランジスタのドレイン電流が増加し、前記第2のトランジスタのゲートの電圧が低下し、前記第2のトランジスタのドレイン電流が減少し、前記電圧出力端子の電圧が低下することを特徴とする電圧制御方法。
  14. 第1の電源電圧ノードと第2の電源電圧ノードとの間に直列に接続される負荷及び第1のトランジスタと、
    第3の電源電圧ノードと電圧出力端子との間に接続される第2のトランジスタとを有する電源回路の電圧制御方法であって、
    前記第1のトランジスタのゲートは、前記第1のトランジスタと前記負荷が接続されたノードに接続され、
    前記第1のトランジスタのバックゲートは、前記電圧出力端子に接続され、
    前記第2のトランジスタのゲートは、前記第1のトランジスタのゲートに接続され、
    前記第2のトランジスタのバックゲートは、前記第2の電源電圧ノードに接続され、
    前記電圧出力端子の電圧が低下すると、前記第2のトランジスタのドレイン電流が増加し、前記電圧出力端子の電圧が上昇し、
    前記電圧出力端子の電圧が上昇すると、前記第2のトランジスタのドレイン電流が減少し、前記電圧出力端子の電圧が低下することを特徴とする電圧制御方法。
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