JP5074542B2 - 内部電圧発生回路 - Google Patents

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Description

本発明は、内部電圧発生回路に関し、特に製造工程が変化しても安定的に出力する内部電圧発生回路に関する。
一般に、回路内の特定のノードの電圧を内部電源として使用する場合がある。その場合、ACインピーダンスを低くし、且つDCレベルを安定化させる必要がある。しかし、上記の2つの要求条件の双方を満たすことは困難なので、そのうち一つのみを強調するようになる。ローインピーダンスの面に焦点を合わせたものを内部電源と言い、温度や外部電圧の変動に対して安定的に電圧を供給する回路を基準電圧発生器という。その際、優秀な内部電源を確保するためにはこれらを関連させて設計しなければならない。外部電源電圧及び外部温度の変化に係わらずに常に一定の電圧を供給する基準電圧発生器を設計するためには、物理的定数に基づいた電圧を使用しなければならない。PNジャクションのビルトイン電圧、MOS構造のしきい値電圧等がその物理的定数に基づいた電圧の代表的な例である。それらの電圧の値は素子のサイズよりは製造工程条件に依存する特性があるので、設計による変動が少なく、基準電圧として使用するに有利である。周辺回路の設計にあたって温度による変動(温度係数)を最小化することが重要であるため、この方法により多様な回路形態が提案されてきた。
外部電圧、温度、製造工程等の変化に影響を受けないように一定の基準電圧を発生させるが、より正確に基準電圧を制御するには、さらに、内部電源電圧が変動した場合にその変動を検出し、その結果に対応して基準電圧を高速でフィードバックさせてその変動を抑制する回路を用意しなければならない。このため、内部電源電圧回路は正確な基準定電圧回路と高速フィードバックループ及び大容量電流供給能力が必要である。
以下、添付図面に基づき従来の内部電圧発生回路を説明する。
図1は従来の内部電圧発生回路を示す回路図である。
図に示すように、外部電圧を受けて基準電圧を発生させる基準電圧(Vref )発生部10と、基準電圧発生部10から発生された基準電圧を内部電圧レベルまで増幅させる内部電圧レベル増幅部20と、内部電圧レベル増幅部20で内部電源電圧レベルまで増幅された値により内部電源電圧を駆動するドライバ部30とを備える。
基準電圧発生部10は内部電源電圧の変動に係わらずに一定の基準電圧を発生する回路であり、その構成は次の通りである。
ゲートを共有する第1、第2nMOSトランジスタ11、12と、第2nMOSトランジスタ12のソース端子に直列連結されるとともにVss電源に接続される抵抗(R)13と、第1、第2nMOSトランジスタ11、12の共有のゲートノードにドレイン端子が接続され、ソース端子がVccに接続される第1pMOSトランジスタ14と、第1pMOSトランジスタ14とゲートを共有するとともに、ソース端子がVcc電源に連結され、ドレイン端子が第2nMOSトランジスタ12のドレインに接続される第2pMOSトランジスタ15とから構成される。この第1、第2pMOSトランジスタ14、15の共有のゲートノードは第2pMOSトランジスタ15のドレイン端子に接続されて基準電圧が出力されるノードとなる。
上記のようにして構成される基準電圧発生部10においては、第1、第2pMOSトランジスタ14、15が同一特性を有するトランジスタであるとすると、ゲートを共有しているので飽和領域では双方のトランジスタ14、15を介して流れる電流が同じくなる。
内部電圧レベル増幅部20は、Vcc電源とVss電源との間に直列連結される4つのpMOSトランジスタから構成される。すなわち、基準電圧発生部10の出力ノードにゲートが接続され、ソース端子がVcc電源に連結される第3pMOSトランジスタ16と、このトランジスタ16のドレイン端子にソース端子が接続され、ドレイン端子がゲートに接続される第4pMOSトランジスタ17と、このトランジスタ17のドレイン端子にソース端子が接続され、ドレイン端子がゲートに接続される第5pMOSトランジスタ18と、このトランジスタ18のドレイン端子にソース端子が接続され、ドレイン端子がゲートに接続されるとともにVss電源にも連結される第6pMOSトランジスタ19とからなる。
この回路は、第3pMOSトランジスタ16のドレイン端子と第4pMOSトランジスタ17のソース端子との共有接続点が出力ノードとなる。
ドライバ部30は、内部電圧レベル増幅部20の出力ノードからの内部電源電圧レベル値(VLR)と内部電源電圧値(Vdd)との電圧差を検出する比較器21と、比較器21の比較結果により駆動される第7pMOSトランジスタ22と、第7pMOSトランジスタ22のドレイン端子にドレイン端子が接続され、ソース端子はVss電源に連結される第3nMOSトランジスタ23とから構成される。第3nMOSトランジスタ23のゲートはVcc電源に連結され、常時オン状態に維持されている。
第7pMOSトランジスタ22のドレインと第3nMOSトランジスタ23のドレインとが共通接続され、フィードバックされながら内部電圧(Vdd)を出力する。
以下、上記構成の従来の内部電圧発生回路の動作について説明する。基準電圧発生部10において、第1pMOS14に流れる電流をIとすると、第1nMOSトランジスタ11のゲート端子に加えられる電圧VGS1=VGS2+I・Rであり(VGS2 は第2nMOSトランジスタ12のゲート・ソース間電圧)、トランジスタ14、15は同じトランジスタであるので、k=μcox(W/L) (ここで、μ=キャリアの移動度、cox =酸化膜キャパシタンス、W=トランジスタのチャネル幅、L=チャネル長)とするとき、飽和領域で共通ゲートとされているトランジスタへ流れる電流Iは以下のように計算することができる。
I・R=VGS1−VGS2=VT1+√(1/k1)−(VT2+√(I/k2))
=√I(1/√k1−1/√k2)となる。
ここで、VT1、VT2はそれぞれ第1nMOS11、第2nMOS12のしきい値電圧、k1、k2はそれぞれ第1nMOS11、第2nMOS12のk値となる。これを整理すると、
√I=(1/√k1−1/√k2)/R
となり、Vccとは無関係な電流が流れる。
そして、VREF=Vcc−VGS4=Vcc−|VTP4|−√(I/k4
=Vcc−|VTP4|−1/(R√(k4)(√(k1)−
√(k2))となる。
ここでVGS4 はpMOSトランジスタ15のゲート・ソース間電圧、VTP4 はpMOSトランジスタ15のしきい値電圧、k4 はpMOSトランジスタ15のk値である。
α=1/(R√(k4)(√(k1)−√(k2))とすると内部電圧VLRは、
LR=3(|VTP|+α)と表すことができる。ここでVTPとは第4〜第6pMOSトランジスタ17〜19のしきい値電圧である。
内部電圧が上記のように表され、トランジスタのしきい値電圧は基板の不純物濃度、ソース・ドレイン拡散層の深さ、ゲート酸化膜の厚さなどの製造工程上の変数により影響をうける。したがって、製造工程上の変数の変化によりしきい値電圧が変わった場合に、内部電圧は結果的にしきい値電圧の変化量の3倍も変動することになる。すなわち、内部電圧の値は工程変化に敏感である。
そして、その変動する内部電圧レベルが、直ちにドライバ部30のレベルとなる。
上記の従来の内部電圧発生回路では次のような問題点があった。
内部電圧は、工程変化に敏感で工程によるしきい値電圧の変化量の3倍も変化し、バーンイン(burn-in)時に工程変化に従って内部電圧のレベルが変わるため、正確なバーンインを進行することができない。このため、チップに対する信頼度が落ちる。
工程によって変動する内部電圧のレベルを合わせためのトリミング回路を追加しなければならないため、付加的な努力が必要である。
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、工程に変化があっても内部電源電圧のレベルを一定に維持することができ、結果的にチップに対する信頼度を向上させることができる内部電圧発生回路を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明の内部電源電圧発生回路は、外部電源を用いて内部電源を生成する内部電圧発生回路であって、外部電源を受けて基準電圧を発生させる基準電圧発生部と、基準電圧発生部からの基準電圧を内部電圧レベルに増幅させる内部電圧レベル増幅部と、内部電圧レベル増幅部での基準電圧増幅時の回路製造工程の変化による電圧変動を補償する工程変化補償部と、増幅された内部電圧レベルにより内部電圧を駆動するドライバ部とを備えることを特徴とする。
上述したように、本発明の内部電圧発生回路では次のような効果がある。
基準電圧を内部電圧レベルに増幅させるに際して、回路製造工程で発生する素子の変化に基づく電圧の変動を工程変化補償部で補償して、安定した内部電圧レベルを維持することができるため、バーンイン時に内部電圧の変化によるチップの信頼性を向上させることができる。
また、工程変化補償部を備えているため、内部電圧のレベルを一定に維持するためのトリミング回路が別途必要なく、容易且つ確実に内部電圧を合わせることができる。
さらに、工程変化補償部はしきい値電圧の低いトランジスタを使用することで効果的に内部電圧を補償することができる。
従来の内部電圧発生回路を示す回路図。 本発明実施形態による内部電圧発生回路を示す回路図。
以下、添付図面に基づき本発明実施形態の内部電圧発生回路を説明する。
図2は本実施形態の内部電圧発生回路を示す回路図である。
図2に示すように、この内部電圧発生回路は、外部電圧を入力されて基準電圧(Vref )を発生させる基準電圧発生部40と、基準電圧発生部40からの基準電圧を内部電圧レベルまで増幅させる内部電圧レベル増幅部50と、内部電圧レベル増幅部50からの内部電圧レベルが製造工程によって変化した場合にその変化を補償して出力する工程変化補償部60と、工程変化補償部60で補償され、増幅された内部電圧レベルを入力して内部電圧を駆動するドライバ部70とから構成される。
ここで、基準電圧発生部40は内部電圧の変動に係わらずに基準電圧を発生するが、基本的には従来の回路と格別の相違はない。
すなわち、ゲートを共有する第1、第2nMOSトランジスタ31、32と、第2nMOSトランジスタ32のソース端子に直列連結されてVss電源に接続される第1抵抗(R)33と、共有のゲートノードにドレイン端子が接続される第1pMOSトランジスタ34と、第1pMOSトランジスタ34とゲートを共有するとともにソース端子がVcc電源に連結される第2pMOSトランジスタ35とから構成される。pMOSトランジスタの共有ゲートノードは第2pMOSトランジスタ35のドレイン端子に接続されて基準電圧が出力されるノードとなる。
上記のように構成された基準電圧発生部40では、第1、第2pMOSトランジスタ34、35が同様なトランジスタであるとすると、ゲートを共有しているので、飽和領域ではそれらのトランジスタ34、35を介して流れる電流が同じである。
内部電圧レベル増幅部50は、同様に、従来と同じくVcc電源とVss電源との間に直列連結される4つのpMOSトランジスタから構成される。すなわち、基準電圧発生部40の出力ノードにゲートが接続され、ソース端子はVcc電源に連結される第3pMOSトランジスタ36と、第3pMOSトランジスタ36のドレイン端子にソース端子が接続され、ドレイン端子はゲートに接続される第4pMOSトランジスタ37と、第4pMOSトランジスタ37のドレイン端子にソース端子が接続され、ドレイン端子はゲートに接続される第5pMOSトランジスタ38と、第5pMOSトランジスタ38のドレイン端子にソース端子が接続され、ドレイン端子がゲートとVss電源に連結される第6pMOSトランジスタ39とからなる。第3pMOSトランジスタ36のドレイン端子と第4pMOSトランジスタ37のソース端子との共有点が、内部電圧レベル増幅部50の出力ノードとなる。
工程変化補償部60は、内部電圧レベル増幅部50の出力端にドレイン端子が接続され、ソース端子が第2抵抗(R)41に直列連結されてVss電源に連結される第3nMOSトランジスタ42から構成される。この第3nMOSトランジスタ42のゲートが第5pMOSトランジスタ38と第6pMOSトランジスタ39の接続点に接続されている。
第3pMOSトランジスタのドレイン電流をI1 、第4pMOSトランジスタ37のドレイン電流をI2、第3nMOS42にバイパスされる電流をI3とすると、
1=I2+I3であり、
LR=3(|Vtb|+√(I1−I3)/k)である。
ここで、Vtbは内部電圧レベル増幅器50のpMOSトランジスタ38と39との間の電圧である。
したがって、もし、|Vtb|が高く作成されると、第3nMOSトランジスタ42を経てI3 値が大きくなり、|Vtb|が低く作成されると、第3nMOSトランジスタ42を介してI3 値が小さくなる。従って、製造工程による各pMOSトランジスタのしきい値電圧の変化にともなう|Vtb|の変化を、フィードバック回路である第3nMOSトランジスタ42と第2抵抗41とによって補償することができる。
ここで、第3nMOSトランジスタ42は、低いしきい値電圧を有するトランジスタを使用して安定的にしきい値電圧を調節することができるので、工程の変化による|Vtb|の変化を確実に補償する。
ドライバ部70は、内部電圧レベル増幅部50の出力ノードからの内部電圧レベル値(VLR)と出力電圧(Vdd)との電圧差を検出する比較器43と、比較器43にゲートが接続され、ソース端子はVcc電源に連結されて駆動される第7pMOSトランジスタ44と、第7pMOSトランジスタ44のドレイン端子にドレイン端子が接続され、ソース端子はVss電源に連結される第4nMOSトランジスタ45とから構成される。
上記のようにして構成されるドライバ部70は、Vdd端子から負荷へ過電流を流すと、Vdd電圧が瞬間的に下降する。そのとき、Vdd電圧がVLRより低くなると、比較器43の動作により第7pMOSトランジスタ44の電圧が更に下降して第7pMOSトランジスタ44がオンされ、負荷に電流が供給されてVdd電圧が上昇する。もしも、Vdd電圧がVLRより大きくなると、今度には第7pMOSトランジスタ44のゲート電圧が上昇して第7pMOSトランジスタ44がオフされ、Vddの上昇が止まる。
Vddの下降幅が大きくなるほど第7pMOSトランジスタ44のゲート電圧も一層下降するので、Vddはより速く上昇する。又、第7pMOSトランジスタ44のサイズが大きくて高速で電流を流すようにすると、Vddの変動幅もそれだけ減少する。
すなわち、このドライバ回路70は、第7pMOSトランジスタ44のドレインと第3nMOSトランジスタ45のドレインとが共通接続されて、比較器43へ第3nMOSトランジスタ45のドレイン電圧をフィードバックして内部電圧(Vdd)を出力する。
40 基準電圧発生部
50 内部電圧レベル増幅部
60 工程変化補償部
70 ドライバ部
31、32、45 nMOSトランジスタ
33、41 抵抗
34、35、36、37、38、39、40 pMOSトランジスタ
43 比較器

Claims (16)

  1. 基準電圧を生成する基準電圧生成部と、
    外部供給電圧とグラウンド電圧との間に直列接続される複数のトランジスタを含み、内部電圧を生成するために前記基準電圧を増幅する内部電圧レベル増幅部と、
    前記内部電圧レベル増幅部によって前記基準電圧を増幅する間に前記内部電圧を調節する工程変化補償部と、
    前記内部電圧によって内部供給電圧を生成するドライバを含み、
    前記工程変化補償部は、フィードバック回路であり、
    前記内部電圧レベル増幅部は、前記半導体素子の製造での状態と、工程変化によって変更される変更電圧も生成し、
    前記フィードバック回路は少なくとも1つの第1NMOSトランジスタと少なくとも1つの第1抵抗とを含み、前記少なくとも1つの第1NMOSトランジスタは前記内部電圧が入力されるドレイン端子と前記変更電圧が入力されるゲートとを含み、前記少なくとも1つの第1抵抗は前記少なくとも1つの第1NMOSトランジスタのソース端子とグラウンド電圧との間に接続されることを特徴とする、半導体素子で使用するための内部供給電圧生成回路。
  2. 請求項1に記載された内部供給電圧生成回路において、
    前記基準電圧は、前記基準電圧生成部に提供される外部電圧の変化に関係なく実質的に一定であることを特徴とする、半導体素子で使用するための内部供給電圧生成回路。
  3. 請求項1に記載された内部供給電圧生成回路において、
    前記基準電圧生成部は、
    共通のゲートを持つ第及び第NMOSトランジスタと、
    前記第NMOSトランジスタのソース端子とグラウンド電圧との間に直列接続される第抵抗と、
    前記ゲートとドレイン端子が連結された第1PMOSトランジスタと、
    外部供給電圧Vccに連結されるソース端子と、前記第1PMOSトランジスタと共通のゲートを持つ第2PMOSトランジスタとを含むことを特徴とする、半導体素子で使用するための内部供給電圧生成回路。
  4. 請求項3に記載された内部供給電圧生成回路において、
    前記基準電圧生成部の第1及び第2PMOSトランジスタを介して実質的に同一の量の電流が流れることを特徴とする、半導体素子で使用するための内部供給電圧生成回路。
  5. 請求項に記載された内部供給電圧生成回路において、
    前記第NMOSトランジスタは、低いしきい値電圧を持つことを特徴とする、半導体素子で使用するための内部供給電圧生成回路。
  6. 請求項1に記載された内部供給電圧生成回路において、
    前記内部電圧レベル増幅部は, 前記基準電圧生成部の出力ノードに連結されるゲートと、外部供給電圧に連結されるソース端子とを持つ第3PMOSトランジスタと、
    前記第3PMOSトランジスタのドレイン端子に連結されるソース端子と、自分のゲートに連結されるドレイン端子とを持つ第4PMOSトランジスタと、
    前記第4PMOSトランジスタのドレイン端子に連結されるソース端子と、自分のゲートに連結されるドレイン端子とを持つ第5PMOSトランジスタと、
    前記第5PMOSトランジスタのドレイン端子に連結されるソース端子と、自分のゲートに連結されてグラウンド電圧に連結されるドレイン端子とを持つ第6PMOSトランジスタとを含むことを特徴とする、半導体素子で使用するための内部供給電圧生成回路。
  7. 請求項に記載された内部供給電圧生成回路において、
    前記内部電圧レベル増幅部は、
    前記第3PMOSトランジスタのドレイン端子と前記第4PMOSトランジスタのソース端子との間の共通ノードに前記内部電圧を生成することを特徴とする、半導体素子で使用するための内部供給電圧生成回路。
  8. 請求項1に記載された内部供給電圧生成回路において、
    前記ドライバは、
    前記内部電圧レベル増幅部からの内部電圧出力と前記内部供給電圧とを比較する比較器と、
    前記比較器の出力に連結されるゲートと、外部供給電圧に連結されるソース端子とを持つ第7PMOSトランジスタと、
    前記第7PMOSトランジスタのドレイン端子に連結されるドレイン端子と、グラウンド電圧に連結されるソース端子とを持つ第4NMOSトランジスタと、を含むことを特徴とする、半導体素子で使用するための内部供給電圧生成回路。
  9. 請求項に記載された内部供給電圧生成回路において、
    前記第7PMOSトランジスタのドレインと前記第4NMOSトランジスタのドレイン端子との間の共通ノードは、前記比較器の入力に共通に連結されることを特徴とする、半導体素子で使用するための内部供給電圧生成回路。
  10. 基準電圧を生成する基準電圧生成部と、
    外部供給電圧とグラウンド電圧との間に直列接続される複数のトランジスタを含み、前記基準電圧による内部電圧を生成する内部電圧生成部と、
    前記内部電圧を実質的に一定に維持するためのフィードバック回路と、
    前記内部電圧に基づいて内部供給電圧を生成するドライバとを含み、
    前記内部電圧生成部は、前記半導体素子の製造中の状態とプロセス変更によって変更される変更電圧も生成し、
    前記フィードバック回路は、前記内部電圧が入力されるドレイン端子と前記変更電圧が入力されるゲートとを含む少なくとも1つの第1トランジスタと、前記少なくとも1つの第1トランジスタのソース端子とグラウンド電圧との間に接続される少なくとも1つの第1抵抗とを含むことを特徴とする、半導体素子で使用するための内部供給電圧生成回路。
  11. 請求項10に記載された内部供給電圧生成回路において、
    前記基準電圧は前記基準電圧生成部に提供される外部電圧の変化に関係なく実質的に一定であることを特徴とする、半導体素子で使用するための内部供給電圧生成回路。
  12. 請求項10に記載された内部供給電圧生成回路において、
    前記内部電圧生成部は、
    外部供給電圧とグラウンド電圧との間に直列接続される第2、第3、第4及び第5トランジスタを含み、
    前記内部電圧生成部は前記第2及び第3トランジスタが連結されるノードで前記内部電圧を生成し、
    前記内部電圧生成部は前記第4及び第5トランジスタが連結されるノードで前記変更電圧を生成することを特徴とする、半導体素子で使用するための内部供給電圧生成回路。
  13. 請求項10に記載された内部供給電圧生成回路において、
    前記ドライバは、
    前記内部電圧と前記内部供給電圧とを比較する比較器と、
    前記比較器の出力に連結されるゲートを含む第6トランジスタとを含むことを特徴とする、半導体素子で使用するための内部供給電圧生成回路。
  14. 請求項13に記載された内部供給電圧生成回路において、
    前記ドライバはグラウンド電圧に連結されるソース端子を持つ第7トランジスタをさらに含み、
    前記第6トランジスタは外部供給電圧に連結されるソース端子と、
    前記第7トランジスタのドレイン端子に連結されるドレイン端子とを持つことを特徴とする、半導体素子で使用するための内部供給電圧生成回路。
  15. 請求項14に記載された内部供給電圧生成回路において、
    前記ドライバは前記第6及び第7トランジスタのドレイン端子の間のノードで前記内部供給電圧を生成することを特徴とする、半導体素子で使用するための内部供給電圧生成回路。
  16. 基準電圧を生成する基準電圧生成部と、
    前記基準電圧による内部電圧と半導体素子を製造するうちの工程変化と状態にしたがって変更される変更電圧とを生成する内部電圧生成部と、
    前記内部電圧が入力されるドレイン端子と前記変更電圧が入力されるゲートとを含む少なくとも1つの第1トランジスタと、前記第1トランジスタのソース端子とグラウンド電圧との間に接続される少なくとも1つの第1抵抗とを含フィードバック回路と、
    前記内部電圧に基づいた内部供給電圧を生成するドライバとを含み、
    前記ドライバは、
    前記内部電圧と前記内部供給電圧を比べる比較器と、
    外部供給電圧とグラウンド電圧との間に直列接続される第2及び第3トランジスタとを含み、
    前記第2トランジスタは前記比較器の出力に連結されたゲートを持って前記ドライバーは前記第2及び第3トランジスタの間のノードで前記内部供給電圧を生成する、半導体素子で使用するための内部供給電圧生成回路。
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