JP2575956B2 - 基板バイアス回路 - Google Patents

基板バイアス回路

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JP2575956B2
JP2575956B2 JP3028106A JP2810691A JP2575956B2 JP 2575956 B2 JP2575956 B2 JP 2575956B2 JP 3028106 A JP3028106 A JP 3028106A JP 2810691 A JP2810691 A JP 2810691A JP 2575956 B2 JP2575956 B2 JP 2575956B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路等にお
ける基板の電位を設定する基板バイアス回路に関し、特
に単一電源で駆動される半導体集積回路に用いて好適な
基板バイアス回路に関する。
【0002】
【従来の技術】単一電源によって駆動されるMOSFE
T集積回路においては、MOSトランジスタのしきい値
電圧制御のため基板端子にある電圧を印加している。す
なわち、P型基板上のNチャンネル・トランジスタの場
合、ソース端子より負の電位が基板端子に与えられ、N
型基板上のPチャンネル・トランジスタの場合、ソース
端子より正の電位が基板端子に与えられる。このような
バイアス電圧を発生させる回路を基板バイアス回路と呼
んでいる。Nチャンネル・トランジスタの基板端子に印
加する場合の基板バイアス回路の従来例を図面を参照し
て説明する。
【0003】基板バイアス回路は、図11に示される発
振回路1及び制御信号発生回路2と、図10に示される
チャージポンプ回路3とによって構成される。発振回路
1は、インバータI1〜I5の各々が互いに直列に接続
されかつインバータI5の出力がインバータI1の入力
として帰還される構成により、所定周波数で発振する。
インバータI5の出力は発信器出力OSCとして制御信
号発生回路2に供給される。
【0004】制御信号発生回路2は、互いに直列に接続
されたインバータI6〜I12と、インバータI8及び
I10の両出力を入力とするナンドゲートA1と、イン
バータI6及びI12の両出力を入力とするナンドゲー
トA2と、インバータI8及びI10の両出力を入力と
するノアゲートO1と、ノアゲートO1の出力を反転す
るインバータI13とによって構成される。この内、イ
ンバータI7〜I12は信号遅延回路を形成している。
ナンドゲートA1、ナンドゲートA2及びインバータI
13の各出力は、夫々制御信号A、B及びCとしてチャ
ージポンプ回路3に供給される。発信器出力OSCの1
サイクルにおける各制御信号の変化を図12に示す。
【0005】チャージポンプ回路3は、ノードVBBであ
る出力端VBBから電荷をトランジスタT2を介してキャ
パシタC1に吸込み、これをトランジスタT1を介して
接地電位Vssに放出し、出力端子VBBの電位を接地電位
よりも低い負電位に引き下げる。トランジスタT1及び
T2を交互に導通させるべく制御信号A及びCによって
トランジスタT1のゲートを制御するゲート制御回路3
1と、制御信号A、B及び出力端電位VBBによってトラ
ンジスタT2のゲートを制御するゲート制御回路32と
が設けられる。
【0006】すなわち、チャージポンプ回路3は、ノー
ドN1及び接地電位VSS間に夫々ソース及びドレインが
接続されかつゲートがノードN3に接続されるトランジ
スタT1、ノードN1及び出力端VBB間に夫々ドレイン
及びソースが接続されかつゲートがノードN2に接続さ
れるトランジスタT2、一端に制御信号Aが印加され、
他端がノードN1に接続される比較的に容量の大きいキ
ャパシタC1からなるポンプ回路と、ノードN1及びノ
ードN2間にドレイン及びソースが接続されかつゲート
に出力端VBBが接続されるトランジスタT5、一端に制
御信号Bが印加され、他端がノードN2に接続されるキ
ャパシタC2からなるゲート制御回路32と、一端に制
御信号Cが印加され、他端がノードN4に接続されるキ
ャパシタC3、一端に制御信号Aが印加され、他端がノ
ードN4に接続されるキャパシタC4、ノードN4及び
接地電位VSS間に夫々ソース及びドレインが接続されか
つゲートがノードN4に接続されるトランジスタT3、
ノードN3及び接地電位VSS間に夫々ソース及びドレイ
ンが接続されかつゲートがノードN4に接続されるトラ
ンジスタT4からなるゲート制御回路31と、によって
構成されている。
【0007】なお、図示していないが、各トランジスタ
のサブ端子には適当なバイアス電圧が印加されている。
【0008】次に、回路の動作について説明する。回路
の定常状態における回路各部の電位は図12に示される
ように、ノードN1、N2及びN4は電位Vssに、ノ
ードN3は、電位−i・Vddに、出力端VBBは電位
VBBになっている。上記iは、キャパシタC3のカッ
プリング比であり、通常、0.8〜1.0の値である。
後述する各カップリング比の値も同様である。従って、
トランジスタT1はオン、トランジスタT2はオフ、ト
ランジスタT3はオン、トランジスタT4はオフ、トラ
ンジスタT5はオン状態である。
【0009】かかる状態で発振回路21の出力OSCが
図12のように立下がると、制御信号Cが少し時間をお
いて回路の電源電圧Vddまで立ち上がる。この制御信号
Cの電圧VddがキャパシタC3を介してノードN3に印
加される。ノードN3の電位は、−i・Vddの電位から
接地レベルVssに持上げられる。これによりゲートが接
地レベルとなったトランジスタT1,T3はオン状態か
らオフ状態になる。トランジスタT1が非導通となるこ
とにより、キャパシタC1から接地電位Vssへの電荷の
放出は阻止される。
【0010】次に、制御信号Aが立下り、接地レベルV
ssがキャパシタC1の一端に印加されると、キャパシ
タC1の正電荷が放出されてキャパシタC1の他端に負
電荷が残る。すなわち、キャパシタC1が負電荷に充電
される。該他端に接続されるノードN1は、キャパシタ
C1のカップリング比をjとすると、負電荷によって接
地レベルVssから−j・Vddの電位に引下げられ
る。このときトランジスタT5は導通しており、ノード
N2は、ノードN1の電位が低下したことにより、−V
BB+Vthpの電位に引下げられる。Vthpはトラ
ンジスタT5のソース・ゲート間電圧降下である。
【0011】上記制御信号Aが立下ると同時にノードN
4は、キャパシタC4によってVssから電位−k・Vdd
(kはキャパシタC4のカップリング比)に引き下げら
れる。これによって、トランジスタT4がオフ状態から
オン状態になり、ノードN3はVssレベルになる。
【0012】次に、制御信号Bが立下り、接地レベルV
ssがキャパシタC2の一端に印加されると、キャパシ
タC2の正電荷が放出されてキャパシタC2の他端に負
電荷が残る。すなわち、キャパシタC2が負電荷に充電
される。ノードN2は電位(−VBB+Vthp)から
キャパシタC2によって(−VBB+Vthp−m・V
dd)に、更に引下げられる。mはキャパシタC2のカ
ップリング比である。ノードN2が上記電位に引下げら
れると同時に、逆バイアスされたトランジスタT5はカ
ットオフとなり、キャパシタC1とC2との接続を断
ち、ノードN2の電位をノードN1の電位から隔離す
る。
【0013】ノードN2が負に深くバイアスされること
によって、このノードにゲートが接続されたトランジス
タT2が導通し、ノードN1と出力端VBBとを接続す
る。ノードN1の電位が−j・Vddであることによっ
て、出力端VBBから電荷がノードN1へ引き抜かれ、出
力端VBBの電位−VBBは電位−j・Vddに向けて引下げ
られて−VBB´となる。
【0014】発振回路1の出力OSCが立上がると、制
御信号Bが続いて電位Vddまで立上がる。これによっ
て、トランジスタT5は順バイアスされて導通し、ノー
ドN2は電位(−VBB´+Vthp)に引上げられ
る。トランジスタT2は非導通となり、出力端VBBか
らの電荷の引抜きは終了する。
【0015】続いて信号Aが電位Vddまで立上がると、
ノードN1及びノードN4は電位Vssまで立上がる。こ
れにより、トランジスタT4はオフとなる。
【0016】次に、制御信号Cが電位Vssに立下がり、
ノードN3の電位は−i・Vddとなる。これにより、ト
ランジスタT1,T3が導通し、ノードN4の電位は接
地電位Vssになる。従って、出力端VBBからキャパシタ
C1に引抜かれた電荷はトランジスタT1を介し接地電
位Vssに放出される。
【0017】このように、制御信号Aによってキャパシ
タC1の負チャージを行い、制御信号A及びBによって
トランジスタT5の導通を制御してトランジスタT2の
ゲートバイアスを二段階に与え、制御信号C及びBによ
って夫々トランジスタT1及びT2を交互に導通させ
て、チャージポンプ動作の1サイクルが実現される。こ
れを連続して行うことにより、出力端VBBの電位が−j
・Vddまで引下げられる。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た基板バイアス回路に電源を投入した当初や電源電圧が
低い場合において、チャージポンプ回路3の出力端VBB
の電位−VBBは、接地電位Vssよりも十分に低く引下げ
られていない。このような状態では、トランジスタT5
のゲートバイアスが浅く、トランジスタT5が完全な導
通状態にならない場合がある。
【0019】このような場合には、制御信号Aが立下が
り、ノードN1が電位Vssから電位(−j・Vdd)に引
下げられても、ノードN2の電位は十分に引下げられな
い。従って、次に制御信号Bが立ち下がり、更にノード
N2の電位が引下げられても、電位が不十分のため、ト
ランジスタT2のゲート電位が浅くてトランジスタT2
が完全な導通状態にならない。
【0020】このため、出力端VBBから電荷を引抜くチ
ャージポンプ回路の能力が小さい、また、出力端VBBの
電位をノードN2の電位+Vthp の電位までしか出力端
VBBのレベルを引下げることができないという不具合も
生じ得る。図14は、電源電圧Vddに対する出力端VBB
の電位の関係を示しており、電源電圧Vddが低いと必要
な出力端VBBの電位が得られないことが判る。
【0021】そこで、本発明は、電源電圧が低い状態で
のチャージポンプ回路のポンプ効率の向上を図った基板
バイアス回路を提供することを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の基板バイアス回路は、第1トランジスタ(T
5)を介して互いに直列に接続された第1及び第2キャ
パシタ(C1,C2)とからなるキャパシタ直列回路
と、第1トランジスタ(T5)と第2キャパシタとの接
続点(N2)の電位によって導通が制御されて出力端の
電荷を第1キャパシタ(C1)と第1トランジスタ(T
5)との接続点(N1)に導出する第2トランジスタ
(T2)と、第1キャパシタ(C1)と第1トランジス
タ(T5)との接続点(N2)に導出された電荷を基準
電位に導出する第3トランジスタ(T1)と、直列回路
の両端及び第3トランジスタ(T1)のゲートの各々に
それぞれ制御信号を与えて、第1キャパシタに続いて第
2キャパシタを充電し、両キャパシタの充電電荷を重畳
して第1トランジスタ(T5)と第2キャパシタ(C
2)との接続点(N2)の電位を段階的に制御すると共
に、第2及び第3トランジスタを交互に導通させて出力
端を所定電位に設定する制御手段と、を含む基板バイア
ス回路において、上記制御手段は、更に、第1キャパシ
タの充電開始後第2キャパシタの充電開始前の期間内に
おいて第1トランジスタ(T5)を暫時強制的に導通さ
せる、ことを特徴とする。
【0023】
【作用】第1トランジスタ(T5)のゲートに追加され
た制御回路は、第1キャパシタ(C1)の電荷をノード
N2に移動すべき期間において、第1トランジスタ(T
5)を短時間導通させるべく、第1トランジスタのゲー
ト電位を暫時強制的に制御して第1トランジスタの導通
状態をより完全にして第1キャパシタ(C1)の電荷を
第2キャパシタ(C2)側へ導出し、第2トランジスタ
のゲートが2段階に確実にバイアスされるようにしてい
る。
【0024】
【発明の実施例】以下、本発明の実施例について図面を
参照して説明する。図1及び図2は本発明の実施例の構
成を示しており、図10及び図11と対応する部分には
同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【0025】図1に示されるチャージポンプ回路3aの
構成においては、トランジスタT5のゲート制御回路3
3が新たに設けられている。ゲート制御回路33は、ソ
ース及びゲートが出力端VBBに接続されてドレインがト
ランジスタT5のゲートに接続されたトランジスタT6
と、ソースが出力端VBBに接続されてゲート及びドレイ
ンがトランジスタT5のゲートに接続されたトランジス
タT7と、一端に制御信号Dが印加されて他端がトラン
ジスタT5のゲートに接続されたキャパシタC5とによ
って構成される。トランジスタT5のゲートの接続点は
ノードN5となっている。トランジスタT6及びT7
は、いわゆるダイオード接続になっており、ノードN5
の電位のフローティング防止の役割を担っている。
【0026】制御信号Dは、図2に示される制御信号発
生回路2aのインバータI8及びI11の両出力を入力
とするナンドゲートA3の出力によって得られる。制御
信号発生回路2a及びチャージポンプ回路3aの他の構
成は従来構成と同様である。
【0027】次に、ゲート制御回路33による回路動作
について図3の各部の信号波形を参照して説明する。
【0028】ゲート御回路33のノードN5は、フロー
ティング防止のためのトランジスタT6、T7により電
位(−VBB±Vthp)の範囲内に維持される。制御
信号Dが電源電圧Vddから設置電位Vssに立下がる
と、キャパシタC5によってノードN5の電位は、キャ
パシタC5のカップリング比をnとして(−n・Vdd
−VBB±Vthp)となる。よって、従来例に比べて
少なくとも制御信号Dが電位Vssである期間中(−n
・Vdd)分だけ電位が更に低く引下げられるため、ノ
ードN1及びノードN2相互間を連結するトランジスタ
T5のゲートには十分に深い負バイアスが与えられてト
ランジスタT5の導通状態はより完全なものとなり、ト
ランジスタT5のソース・ドレイン間電圧降下は十分に
低い。従って、制御信号Dが電位Vssにある状態にお
いては、トランジスタT5を介してノード1の電位が略
そのままノードN2に伝達されるように改善される。
【0029】次に、制御信号Dが電位Vssにある状態
で、制御信号Aが電位Vddから電位Vssに立下がる。ノ
ードN1の電位は−j・Vddとなり、この電位はノード
N2に伝達される。一方、トランジスタT5のゲート・
ソース間電圧を介してノードN2は出力端VBBの値に応
じた電位が与えられる。このため、制御信号Aが電位V
ssに低下した直後のノードN2の電位Vx は(−j・V
dd)〜(−n・Vdd−VBB−2Vthp )までの間の値を
採る。
【0030】次に、制御信号Dが電位Vssから電位V
ddまで立上がると、ノードN5の電位はトランジスタ
T6及びT7の作用によって−VBB±Vthpとな
る。トランジスタT5は、ノードN5のゲート電位がノ
ードN1のドレインの電位より高くなることによってカ
ットオフする。トランジスタT5を遮断するのは、容量
の大きいキャパシタC1とこれよりも容量の少ないキャ
パシタC2との接続を断って、制御信号Bのキャパシタ
C2への印加によるノードN2の引下げのカップリング
比mを改善するためである。
【0031】次に、制御信号Bが電位VddからVssに立
下り、ノードN2は電位Vx からキャパシタC2によっ
てVx −m・Vddに、更に引下げられる。
【0032】ノードN2が負に深くバイアスされること
によって、このノードにゲートが接続されたトランジス
タT2は完全に導通し、ノードN1と出力端VBBとを接
続する。ノードN1の電位が−j・Vddであることによ
って、出力端VBBから電荷がノードN1へ強く引き抜か
れ、出力端VBBの電位−VBBは電位−j・Vddに向けて
引下げられて電位−VBB´となる。
【0033】これ以後の制御動作及び他の素子の動作は
従来と同様であるので説明を省略する。
【0034】図9及び図13は、回路の電源電圧Vddを
2Vと低く設定し、出力端の電位VBBを0Vの状態とし
て回路を起動し、定常状態になったところの本願実施回
路及び従来回路の信号波形を示している。
【0035】図13に示されるように従来回路では、ノ
ードN1の引下げ電位−Vddまで出力端の電位−VBBが
引下げられていないことがわかる。これは、ノードN2
の電位が十分に引下げられないため、トランジスタT2
の導通が完全ではないからである。別言すれば、ノード
N1の電位を引下げた際に、トランジスタT2のゲート
電位たるノードN2の電位を充分に引下げられなかった
からである。
【0036】これに対し、図9に示される本願回路で
は、ノードN2の電位がキャパシタC1及びC2の両方
の電荷によって2段階に十分に引下げられて、略−2V
ddの電位が得られている。このため、低い回路電源電圧
であってもトランジスタT2が完全に導通状態となり、
出力端の電位−VBBはノードN1の引下げ電位−Vddま
で引下げられる。
【0037】ところで、上述したようにトランジスタT
5は、制御信号Aが電位VddからVssに立ち下がっ
たとき十分に導通して、キャパシタC1によるノードN
1の電位−j・VddをノードN2に伝えて一段ブート
を行い、制御信号Bが電位VddからVssに立ち下が
ったとき非導通となって、ノードN2の電位に−m・V
ddを加えて略−2Vddを得る2段ブートを行う役割
を担っている。
【0038】このため、ゲート制御回路33は、トラン
ジスタT5を導通させるべくトランジスタT5のゲート
電位を(−j・Vdd−Vthp )以下に引下げる役割を果
たしている。このゲート制御回路33と同様に機能し得
る制御回路の他の実施例を図4に示す。
【0039】図4においてゲート制御回路33aは、制
御信号Dが一端に印加されかつ他端がトランジスタT5
のゲートに接続れるキャパシタC5と、制御信号Eが一
端に印加されかつ他端がノードN6に接続されるキャパ
シタC6と、ノードN6とトランジスタT5のゲート間
にノードN6からノードN5への流入を阻止する方向に
ダイオード接続されるトランジスタT8と、ノードN6
と設置電位Vss間に設置電位VssからノードN6への流
入を阻止する方向にダイオード接続されるトランジスタ
T9とによって構成される。制御信号Eは、図6に示さ
れるように制御信号Dが電位Vssになる期間を含む長い
期間中、電位Vssになっている。
【0040】この制御信号Eは、例えば、図5に示され
るように制御信号発生回路2aのインバータI6及びI
12の出力を使用して得ることが出来る。すなわち、イ
ンバータI12の出力をインバータI14を介してナン
ドゲートA4の一方入力とし、インバータI6の出力を
ナンドゲートA4の他方入力としてナンドゲートA4の
出力端に制御信号Eを得る。
【0041】かかる構成において、制御信号D及びEに
よってキャパシタC5及びC6に電位Vddが印加される
と、トランジスタT8及びT9が導通してノードN6の
電位はVss+Vthp 、ノードN5の電位はVss+2Vth
p となる。制御信号Eが電位Vssに立下がると、トラン
ジスタT9はカットオフになる。ノードN6の電位は略
−Vdd+Vthp となり、導通しているトランジスタT8
を介してノードN5に伝達され、ノードN5の電位は−
Vdd+2Vthp となる。次に、制御信号Dが電位Vddか
らVssに立下がると、ノードN5に略−Vddが更に印加
されてトランジスタT8はカットオフになる。ノードN
5の電位は−2Vdd+2Vthp となって、トランジスタ
T5は導通し、ノードN2に−Vddの電位を伝達する。
制御信号Dが電位Vddに立上がると、ノードN5の電位
は−Vdd+Vthp となる。トランジスタT5は非導通と
なる。制御信号EがVddに立上がると、ノードN6はV
ddとなるがトランジスタT8はカットオフとなって、ノ
ードN5の電位は−Vdd+2Vthp に保持される。図6
のN5に定常状態のノードN5のレベル変化を示す。
【0042】図7は、ゲート制御回路33の他の構成例
を示しており、ゲート制御回路33のトランジスタT6
及びT7を抵抗に置換えている。
【0043】こうすると、電源投入当初においてノード
N5の電位は−Vddであるが、出力端VBBが−Vddに引
き下げられた後は、図8に示すように制御信号Dが電位
Vssとなる期間中、ノードN5の電位を略−2Vddに設
定することが可能である。
【0044】なお、上述した各実施例ではPチャンネル
FETトランジスタを形成して基板バイアス回路を構成
する場合について説明したが、NチャンネルFETトラ
ンジスタを形成して上述した基板バイアス回路を構成
し、同様の効果を得ることができる。
【0045】
【発明の効果】以上説明したように本発明の基板バイア
ス回路は、出力端から電荷を吸い込むトランジスタT1
を完全に導通させるべく深いゲートバイアスを発生させ
るためのトランジスタT5のゲートを制御する構成とし
たので、集積回路の電源電圧が低い場合においてもチャ
ージポンプ回路のポンプ効率が高く、低電源電圧でも十
分に動作可能であり、電源投入後の回路起動の際にも出
力端のノードを所定レベルに素早く設定し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例のチャージポンプ回路を示す回
路図。
【図2】本発明の実施例の発振回路及び制御信号発生回
路を示す回路図。
【図3】図1のチャージポンプ回路の各部信号波形を示
す波形図。
【図4】ゲート制御回路の他の実施例を示す回路図。
【図5】制御信号Eの発生回路を示す回路図。
【図6】図4のゲート制御回路の信号波形を示す波形
図。
【図7】ゲート制御回路の他の実施例を示す回路図。
【図8】図7のゲート制御回路の信号波形を示す波形
図。
【図9】実施回路の信号のオシロスコープ波形を示す波
形図。
【図10】従来のチャージポンプ回路を示す回路図。
【図11】従来の発振回路1及び制御信号発生回路2を
示す回路図。
【図12】図10のチャージポンプ回路の各部信号波形
を示す波形図。
【図13】従来回路の信号のオシロスコープ波形を示す
波形図。
【図14】従来回路の電源電圧依存性を説明するための
グラフ。
【符号の説明】
1 発振回路 2 制御信号発生回路 3 チャージポンプ回路 31〜33,33a,33b ゲート制御回路 I1〜I14 インバータ A1〜A4 NANDゲート O1 NORゲート C1〜C6 キャパシタ T1〜T9 P型FETトランジスタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H03K 19/094 (56)参考文献 特開 平2−285959(JP,A) 特開 平2−126308(JP,A) 特開 平2−26060(JP,A) 特開 昭62−196861(JP,A) 特表 昭62−503065(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1トランジスタ(T5)を介して互いに
    直列に接続された第1及び第2キャパシタ(C1,C
    2)とからなるキャパシタ直列回路と、 前記第1トランジスタ(T5)と第2キャパシタとの接
    続点の電位によって導通が制御されて出力端の電荷を前
    記第1キャパシタ(C1)と前記第1トランジスタ(T
    5)との接続点に導出する第2トランジスタ(T2)
    と、 前記第1キャパシタ(C1)と前記第1トランジスタ
    (T5)との接続点に導出された電荷を基準電位に導出
    する第3トランジスタ(T1)と、 前記直列回路の両端及び前記第3トランジスタ(T1)
    のゲートの各々にそれぞれ制御信号を与えて、前記第1
    キャパシタに続いて前記第2キャパシタを充電し、両キ
    ャパシタの充電電荷を重畳して前記第1トランジスタ
    (T5)と前記第2キャパシタ(C2)との接続点の電
    位を段階的に制御すると共に、前記第2及び第3トラン
    ジスタを交互に導通させて前記出力端を所定電位に設定
    する制御手段とを含む基板バイアス回路であって、 前記制御手段は、更に、前記第1キャパシタの充電開始
    後前記第2キャパシタの充電開始前の期間内において
    記第1トランジスタ(T5)を暫時強制的に導通させ
    る、ことを特徴とする基板バイアス回路。
  2. 【請求項2】前記第1及び第2キャパシタの充電は、P
    型基板の場合、負電荷の充電、N型基板の場合、正電荷
    の充電である、 ことを特徴とする請求項1記載の基板バイアス回路。
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