JP5379363B2 - ルックアップテーブルを利用した基板バイアス制御回路及び基板バイアス制御方法 - Google Patents

ルックアップテーブルを利用した基板バイアス制御回路及び基板バイアス制御方法 Download PDF

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Description

本発明はしきい電圧を持つCMOSデジタル回路に係り、特に、半導体工程の不完全性によるしきい電圧の不均一性及び変化を回路動作時に補償し、使用しない回路で発生する漏れ電流を低減するための基板バイアス制御回路に関する。
最近のデジタル回路における最も大きな問題は、より多くの機能を単一チップに集積して高性能で動作させると同時に電力消費を最小化することである。電力消費を減少させるために、半導体工程の発達と共に動作電圧が低くなりつつあるが、これは2つの大きな問題を引き起こす。
第1には、漏れ電流の増加である。動作電圧を低下させることによって減少する回路の速度を補償するためにしきい電圧を低下させるが、これによって漏れ電流が大きく増加する。漏れ電流は、回路が動作しない時にも流れ続けるので、動作する時間に比べて動作しない時間が相対的に長い回路(例えば、携帯電話、PDAのような携帯用システムに使われる回路)において特に大きな問題となる。
第2には、半導体工程の不完全性によるしきい電圧の不均一性及び変化に起因する速度の低下である。半導体の製造工程によってしきい電圧は少しずつ異なるが、動作電圧が低くなるほどしきい電圧の変化が回路の速度におよぼす影響が大きくなる。すなわち、同じしきい電圧の差が発生した時、高い動作電圧では許容範囲内で回路の速度が変化するが、低い動作電圧では回路の速度が許容範囲外に逸脱する恐れがある。これは、収率を大きく落とし、結局コスト高の要因となる。
前記のような2つの問題を解決するために、適応基板バイアス(Adaptive Body Biasing)方法が考案された。適応基板バイアスの一例が特許文献1に開示されている。
図1はCMOS回路に使われるNMOSトランジスタを示し、図2はCMOS回路に使われるPMOSトランジスタを示す。PMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタには、ゲート(G)、ドレイン(D)、ソース(S)以外に基板(B)端子があるが、伝統的なCMOS回路ではNMOSトランジスタの基板(B)端子を接地端子に連結し、PMOSトランジスタの基板(B)端子を電源端子のように一定の電圧を持つ端子に連結する。
しかし、基板(B)端子に他の電圧を印加すると、トランジスタのしきい電圧が変わる。すなわち、基板(B)端子とソース(S)端子との間に逆バイアスを加えると、しきい電圧が高くなって回路の速度が遅くなり、漏れ電流は減少する。一方、基板(B)端子とソース(S)端子との間に順バイアスを加えると、しきい電圧が低くなって回路の速度は速くなり、漏れ電流は増加する。適応基板バイアス方法は、このような性質を利用して、漏れ電流の問題と、半導体工程上に現れるしきい電圧の不均一性の問題とを同時に解決する。すなわち、しきい電圧が高く製造された回路では、基板(B)端子とソース(S)端子との間に順バイアスを加え、しきい電圧を低下させて所望の速度が出るようにし、しきい電圧が低く製造された回路には逆バイアスを加えて、適当な速度を維持しつつ漏れ電流を減少させる。そして、回路が動作しない時は非常に大きい逆バイアスを加えることによって漏れ電流がほとんど流れないようにする。
図3は、従来の適応基板バイアス回路を示すブロック図である。モニタリング回路31で目標回路35のしきい電圧をチェックし、チェックの結果、目標回路35のしきい電圧が所望のしきい電圧より低ければ、バイアス発生器33で目標回路35の基板電圧(VBODY)を変化させてしきい電圧をすこし高める。チェックの結果、目標回路35のしきい電圧が所望のしきい電圧より高ければ、バイアス発生器33で目標回路35の基板電圧(VBODY)を変化させてしきい電圧をすこし低める。このような過程を繰り返して目標回路35の所望のしきい電圧が得られる。
ところが、前記のような従来の適応基板バイアス回路の問題点は、モニタリング回路31とバイアス発生器33とが占める面積があまりに大きく、かつ、追加的な電力消費が大きく、バイアスにかかる時間が長いという点である。したがって、前記のような従来の適応基板バイアス回路は、非常に大きなCMOS回路には使われうるが、チップ内部の小さなマクロブロックに独立的に使用することはできない。また、複数のマクロブロックを独立的にバイアスするためには、マクロブロックと同数のモニタリング回路とバイアス発生器とが必要であるので、オーバーヘッドが過度に大きくなるという短所がある。
米国特許公開US2006/0066388A1明細書
したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、集積回路に実装される場合に面積が小さくて、特にいろいろなマクロブロックに共有され、いろいろなマクロブロックの基板電圧をそれぞれ独立的に制御できる基板バイアス制御回路を提供するところにある。
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、いろいろなマクロブロックの基板電圧をそれぞれ独立的に制御できる基板バイアス制御方法を提供するところにある。
前記技術的課題を達成するための本発明による基板バイアス制御回路は、各マクロブロックの動作状態に適切な基板電圧を表すインデックスが記録されるルックアップテーブルと、前記ルックアップテーブルから対応するインデックスを受信し、対応するマクロブロックの動作状態に適切な基板電圧を生成して前記対応するマクロブロックに提供する制御回路と、を備えることを特徴とする。
本発明による基板バイアス制御回路は、前記ルックアップテーブルから前記対応するインデックスを読み込んで前記制御回路に提供し、前記制御回路を制御するための制御信号を発生させるパワー管理ユニットをさらに備える。
望ましい実施形態によれば、前記インデックスは、前記各マクロブロックがアクティブ状態である時の基板電圧を表すインデックスと、前記各マクロブロックがスタンバイ状態である時の基板電圧を表すインデックスと、を備える。
望ましい実施形態によれば、前記制御回路は、前記対応するインデックスをデコーディングするデコーダと、前記デコーダの出力ビットに応答して前記対応するマクロブロックの動作状態に適切な基板電圧を生成する基板バイアス発生器と、前記生成された基板電圧を増幅して前記対応するマクロブロックに供給する増幅器と、を備える。
前記他の技術的課題を達成するための本発明による基板バイアス制御方法は、各マクロブロックの動作状態に適切な基板電圧を表すインデックスを記録するステップと、前記記録されたインデックスのうち対応するインデックスを受信して、対応するマクロブロックの動作状態に適切な基板電圧を生成するステップと、前記生成された基板電圧を前記対応するマクロブロックに提供するステップと、を含むことを特徴とする。
望ましい実施形態によれば、前記インデックスは、前記各マクロブロックがアクティブ状態である時の基板電圧を表すインデックスと、前記各マクロブロックがスタンバイ状態である時の基板電圧を表すインデックスと、を備える。
望ましい実施形態によれば、前記基板電圧を生成するステップは、前記対応するインデックスをデコーディングするステップと、前記デコーディングされた結果値に応答して前記対応するマクロブロックの動作状態に適切な基板電圧を生成するステップと、を含む。
望ましい実施形態によれば、前記生成された基板電圧を前記対応するマクロブロックに提供するステップは、前記生成された基板電圧を増幅して前記対応するマクロブロックに供給するステップを含む。
本発明による基板バイアス制御回路は、従来技術においてしきい電圧をチェックするために使われるモニタリング回路が不要なので、集積回路に実装される場合に面積が小さくなる。また、本発明による基板バイアス制御回路はいろいろなマクロブロックに共有され、いろいろなマクロブロックの基板電圧をそれぞれ独立的に制御できる。また、インデックスによって該当マクロブロックの動作状態に適切な基板電圧が直ちに生成されるので、従来技術に比べてバイアスにかかる時間がはるかに短くなる。
本発明と本発明の動作上の利点及び本発明の実施によって達成される目的を十分に理解するためには、本発明の望ましい実施形態を例示する添付図面及び添付図面に記載された内容を参照せねばならない。
以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施形態を説明することによって、本発明を詳細に説明する。各図面に提示された同じ参照符号は同じ部材を表す。
図4は、本発明の一実施形態による基板バイアス制御回路を示すブロック図である。
図4を参照すれば、本発明の一実施形態による基板バイアス制御回路は、ルックアップテーブル41、制御回路43、及びパワー管理ユニット45を備える。この基板バイアス制御回路は、本発明による基板バイアス制御方法によって動作する。
ルックアップテーブル41には、各マクロブロック100、200の動作状態に適切な基板電圧を表すインデックスが記録される。すなわち、各マクロブロック100、200が動作する時(アクティブ状態である時)の基板電圧を表すインデックスVB(A)、及び各マクロブロック100、200が動作しない時(スタンバイ状態である時)の基板電圧を表すインデックスVB(S)が記録される。
パワー管理ユニット45は、ルックアップテーブル41から各マクロブロック100、200の動作状態によって対応するインデックスVBを読み込み、制御回路43に提供する。また、パワー管理ユニット45は、制御回路43を制御するための制御信号、すなわち、イネーブル信号ON及びマクロブロック選択信号SELを発生させる。制御回路43は、対応するインデックスVBを受信して、対応するマクロブロック100、200の動作状態に適切な基板電圧PBODY、NBODYを生成して、対応するマクロブロック100、200に提供する。
すなわち、本発明による基板バイアス制御回路では、ルックアップテーブル41にそれぞれのマクロブロック100、200が動作する時の基板電圧を表すインデックスVB(A)及び動作しない時の基板電圧を表すインデックスVB(S)を記録しておき、各マクロブロックの動作状態によって必要なインデックスを読み込んで、その動作状態に合う基板電圧PBODY、NBODYを生成して対応するマクロブロック100、200に提供する。基板電圧PBODYは、各マクロブロック100、200のPMOSトランジスタのための基板電圧を表し、基板電圧NBODYは、各マクロブロック100、200のNMOSトランジスタのための基板電圧を表す。
図4では、説明の便宜のために、制御回路43により二つのマクロブロック100、200が制御される場合が図示されているが、必要に応じて3つ以上のマクロブロックが制御されうるということは明らかである。
制御回路43は、デコーダ431、基板バイアス発生器433、及び増幅器435を備えて構成される。デコーダ431は、パワー管理ユニット45を経由して受信されたインデックスVBをデコーディングして出力ビットADR0−ADRnを出力する。基板バイアス発生器433は、デコーダ431の出力ビットADR0−ADRnに応答して、各マクロブロック100、200の動作状態に適切な基板電圧を生成する。増幅器435は、基板バイアス発生器433により生成された基板電圧を増幅して、最終基板電圧PBODY、NBODYを該当するマクロブロックに供給する。
図5は、インデックスVBによって制御回路43により生成される基板電圧PBODY、NBODYの例を表す。VB(000)ないしVB(110)は、各マクロブロック100、200のアクティブ状態での基板電圧を表すインデックスVB(A)であり、VB(111)は、各マクロブロック100、200のスタンバイ状態での基板電圧を表すインデックスVB(S)である。前述したように、基板電圧PBODYは、マクロブロック100、200のPMOSトランジスタのための基板電圧を表し、基板電圧NBODYは、マクロブロック100、200のNMOSトランジスタのための基板電圧を表す。
各インデックスには、NMOSトランジスタのための基板電圧NBODYと、PMOSトランジスタのための基板電圧PBODYとが対をなして対応する。インデックスのビット数は基板バイアスの精度を決定し、インデックスのビット数が多いほど基板電圧NBODY、PBODYに対して細密な制御が可能となる一方、基板バイアス制御回路の複雑度は増大する。
インデックスは、チップが製作された後に決定される。各マクロブロック単位でインデックスを変えつつ動作速度を測定した後、所望の動作速度が出る時のインデックスを選択すればよい。
図4及び図5を参照して、本発明による基板バイアス制御回路の動作をさらに説明すれば、次の通りである。パワー管理ユニット45がルックアップテーブル41から制御しようとするマクロブロックのインデックスVB(例えば、000)を読み込むと、デコーダ431がインデックス(VB=000)をデコーディングして、デコーダ431の出力ビットADR0−ADRnが10000000になる。これにより、基板バイアス発生器433と増幅器435とにより0.4ボルトのNBODYと1.4ボルトのPBODYとが生成される。
この0.4ボルトのNBODYと14ボルトのPBODYとは、イネーブル信号ON及びマクロブロック選択信号SELの論理状態によって、マクロブロック100またはマクロブロック200に供給される。例えば、イネーブル信号ONが論理“1”であり、マクロブロック選択信号SELが論理“0”であれば、前記0.4ボルトのNBODYと1.4ボルトのPBODYとがマクロブロック100に供給される。そして、イネーブル信号ONが論理“1”であり、マクロブロック選択信号SELが論理“1”であれば、前記0.4ボルトのNBODYと1.4ボルトのPBODYとがマクロブロック200に供給される。
図6は、図4に図示された基板バイアス発生器433の構成を示すブロック図である。ここでは、説明の便宜のために増幅器435が共に図示される。
図6を参照すれば、基板バイアス発生器433は、複数のレジスタツリー61A、61B、複数のレベルシフタ63A、63B、及び選択回路65を備える。レジスタツリー61A及びレベルシフタ63Aは、図4に図示されたマクロブロック100のためのものであり、レジスタツリー61B及びレベルシフタ63Bは、図4に図示されたマクロブロック200のためのものである。
選択回路65は、イネーブル信号ON及びマクロブロック選択信号SELに応答してデコーダ431の出力ビットADR0−ADRnをデマルチプレクシングし、レベルシフタ63Aまたはレベルシフタ63Bに出力する。選択回路65は、各出力ビットADR0−ADRnをデマルチプレクシングする複数のデマルチプレクサ651−65nを備えて構成される。
デマルチプレクサ651−65nは、イネーブル信号ON及びマクロブロック選択信号SELにより制御される。図7は、イネーブル信号ON及びマクロブロック選択信号SELの波形図を示す図面であり、図8は、イネーブル信号ON及びマクロブロック選択信号SELの状態によるデマルチプレクサ651−65nの構成を示す図面である。
図8に図示されたように、イネーブル信号ONが論理“0”であれば、デマルチプレクサ651−65nはオフになり、デコーダ431の出力ビットADR0−ADRnはレベルシフタ63A及びレベルシフタ63Bに出力されない。イネーブル信号ONが論理“1”であり、マクロブロック選択信号SELが論理“0”であれば、デコーダ431の出力ビットADR0−ADRnはレベルシフタ63Aに出力される。そして、イネーブル信号ONが論理“1”であり、マクロブロック選択信号SELが論理“1”であれば、デコーダ431の出力ビットADR0−ADRnは、レベルシフタ63Bに出力される。
それぞれのレベルシフタ63A、63Bは、入力される出力ビットADR0−ADRnの電圧レベルを、対応するレジスタツリー61A、61B内のスイッチ(図9に図示されたS31−S34、S51−S54)の制御に適したレベルに変換して、変換された出力ビット/ADR0−/ADRnを出力する。また、それぞれのレベルシフタ63A、63Bは、入力される出力ビットADR0−ADRnをそのまま出力する。レベルシフタ63A、63Bにより出力ビットADR0−ADRnの電圧レベルを変換する理由は、PMOSトランジスタで構成されるスイッチS31〜S34を制御する電圧レベルと、NMOSトランジスタで構成されるスイッチS51−S54を制御する電圧レベルとが相異なるためである。
レジスタツリー61Aは、出力ビットADR0−ADRn及び変換された出力ビット/ADR0−/ADRnに応答して、対応するマクロブロック100の動作状態に適切な基板電圧を生成する。レジスタツリー61Aで生成された基板電圧は、増幅器435により増幅されて最終基板電圧PBODY1、NBODY1がマクロブロック100に供給される。レジスタツリー61Bは、出力ビットADR0−ADRn及び変換された出力ビット/ADR0−/ADRnに応答して、対応するマクロブロック200の動作状態に適切な基板電圧を生成する。レジスタツリー61Bで生成された基板電圧は増幅器435により増幅されて、最終基板電圧PBODY2、NBODY2がマクロブロック200に供給される。
基板電圧PBODY1及び基板電圧NBODY1は、それぞれマクロブロック100のPMOSトランジスタのための基板電圧及びNMOSトランジスタのための基板電圧を表す。そして、基板電圧PBODY2及び基板電圧NBODY2は、それぞれマクロブロック200のPMOSトランジスタのための基板電圧及びNMOSトランジスタのための基板電圧を表す。
図9は、図6に図示されたレジスタツリー61A、61Bの構成を示す回路図である。
図9を参照すれば、レジスタツリー61A、61Bは、電圧分配器91、第1スイッチ回路93、及び第2スイッチ回路95を備える。
電圧分配器91は、第1基準電圧VDDHと第2基準電圧VDDLとの間に連結され、第1基準電圧VDDHと第2基準電圧VDDLとの差電圧を分配する。第1スイッチ回路93は、変換された出力ビット/ADR0−/ADRnに応答して電圧分配器91の出力電圧O1ないしO4のうち一つを選択し、増幅器435−1を経て対応するマクロブロック(例えば、図4に図示されたマクロブロック100またはマクロブロック200)のPMOSトランジスタのための基板電圧PBODYとして提供する。第2スイッチ回路95は、出力ビットADR0−ADRnに応答して電圧分配器91の出力電圧O5ないしO8のうち一つを選択し、増幅器435−2を経て前記対応するマクロブロックのNMOSトランジスタのための基板電圧NBODYとして提供する。
したがって、電圧分配器91、第1スイッチ回路93、及び第2スイッチ回路95を適切に構成することにより、デコーダ431の出力ビットADR0−ADRnによって図4に図示されたような値を持つ基板電圧PBODY及び基板電圧NBODYを生成できる。
電圧分配器91は、第1基準電圧VDDHと第2基準電圧VDDLとの間に直列に連結される複数の抵抗R1ないしR8を備えて構成される。ここでは、抵抗R1ないしR8は、PMOSトランジスタで構成された場合が図示されている。
第1スイッチ回路93は、電圧分配器91の出力ノードO1ないしO4と第1共通ノードN1との間に連結され、ゲートに変換された出力ビット/ADR0−/ADRnが印加される複数のPMOSスイッチS31〜S34、及びPMOSスイッチS31〜S34のゲートに連結される複数の第1ラッチ回路L31〜L34を備えて構成される。第2スイッチ回路95は、電圧分配器91の出力ノードO5ないしO8と第2共通ノードN2との間に連結され、ゲートに出力ビットADR0−ADRnが印加される複数のNMOSスイッチS51〜S54、及びNMOSスイッチS51〜S54のゲートに連結される複数の第2ラッチ回路L51〜L54を備えて構成される。
スイッチS31〜S34、S51〜S54のゲートにラッチ回路L31〜L34、L51〜L54を連結させる理由は、一つのマクロブロック(例えば、マクロブロック100)を制御する時に他のマクロブロック(例えば、マクロブロック200)の基板電圧PBODY、NBODYは維持され続けなければならないためである。
以上、図面と明細書で最適の実施形態が開示された。ここで特定の用語が使われたが、これは単に本発明を説明するための目的で使われたものであり、意味限定や特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を制限するために使われたものではない。したがって、当業者ならば、これより多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲の技術的思想により定められねばならない。
本発明による基板バイアス制御回路は、基板バイアスが要求されるあらゆるCMOSデジタル集積回路に適用できる。
CMOS回路に使われるPMOSトランジスタを示す図面である。 CMOS回路に使われるNMOSトランジスタを示す図面である。 従来の適応基板バイアス回路を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による基板バイアス制御回路を示すブロック図である。 インデックスVBによって制御回路により生成される基板電圧の例を示す図面である。 図4に図示された基板バイアス発生器の構成を示すブロック図である。 イネーブル信号ON及びマクロブロック選択信号SELの波形図を示す図面である。 イネーブル信号ON及びマクロブロック選択信号SELの状態によるデマルチプレクサの構成を示す図面である。 図6に図示されたレジスタツリーの構成を示す回路図である。
符号の説明
41 ルックアップテーブル
43 制御回路
431 デコーダ
433 基板バイアス発生器
435 増幅器
45 パワー管理ユニット
100、200 マクロブロック

Claims (8)

  1. 複数のマクロブロックの基板電圧を調節する基板バイアス制御回路において、
    各マクロブロックの動作状態に適切な基板電圧を表すインデックスが記録されるルックアップテーブルと、
    前記ルックアップテーブルから対応するインデックスを受信し、対応するマクロブロックの動作状態に適切な基板電圧を生成して前記対応するマクロブロックに提供する制御回路と、
    前記ルックアップテーブルから前記対応するインデックスを読み込んで前記制御回路に提供し、前記制御回路を制御するための制御信号を発生させるパワー管理ユニットとを備え、
    前記制御信号は、マクロブロック選択信号及び前記マクロブロック選択信号をイネーブルするイネーブル信号を備え、
    前記制御回路は、
    前記対応するインデックスをデコーディングするデコーダと、
    前記デコーダの出力ビットに応答して前記対応するマクロブロックの動作状態に適切な基板電圧を生成する基板バイアス発生器と、
    前記生成された基板電圧を増幅して前記対応するマクロブロックに供給する増幅器と、を備え、前記イネーブル信号及び前記マクロブロック選択信号に応答して前記複数のマクロブロックの中から前記対応するマクロブロックを選択して、前記生成された基板電圧を前記対応するマクロブロックに提供し、
    前記基板バイアス発生器は、
    前記イネーブル信号及び前記マクロブロック選択信号に応答して、前記デコーダの出力ビットをデマルチプレクシングして出力する選択回路と、
    前記選択回路を通じて入力される前記デコーダの出力ビットの電圧レベルを変換して、変換された出力ビットを出力する複数のレベルシフタと、
    前記デコーダの出力ビット及び前記変換された出力ビットに応答して、前記対応するマクロブロックの基板電圧を生成する複数のレジスタツリーと、を備えることを特徴とする基板バイアス制御回路。
  2. 前記インデックスは、
    前記各マクロブロックがアクティブ状態である時の基板電圧を表すインデックスと、
    前記各マクロブロックがスタンバイ状態である時の基板電圧を表すインデックスと、を備えることを特徴とする請求項1に記載の基板バイアス制御回路。
  3. 前記各レベルシフタは、前記デコーダの出力ビットの電圧レベルを、対応するレジスタツリー内のスイッチを制御し適したレベルに変換して、前記変換された出力ビットを発生させることを特徴とする請求項に記載の基板バイアス制御回路。
  4. 前記各レジスタツリーは、
    第1基準電圧と第2基準電圧との間に連結され、前記第1基準電圧と前記第2基準電圧との差電圧を分配する電圧分配器と、
    前記変換された出力ビットに応答して前記電圧分配器の出力電圧のうち一つを選択し、対応するマクロブロックのPMOSトランジスタのための第1基板電圧として提供する第1スイッチ回路と、
    前記出力ビットに応答して前記電圧分配器の出力電圧のうち他の一つを選択し、前記対応するマクロブロックのNMOSトランジスタのための第2基板電圧として提供する第2スイッチ回路と、を備えることを特徴とする請求項に記載の基板バイアス制御回路。
  5. 前記電圧分配器は、
    前記第1基準電圧と前記第2基準電圧との間に直列に連結される複数の抵抗を備えることを特徴とする請求項に記載の基板バイアス制御回路。
  6. 前記抵抗は、PMOSトランジスタで構成されることを特徴とする請求項に記載の基板バイアス制御回路。
  7. 前記第1スイッチ回路は、
    前記電圧分配器の出力ノードのうち一部と第1共通ノードとの間に連結され、ゲートに前記変換された出力ビットが印加される複数のPMOSトランジスタと、
    前記PMOSトランジスタのゲートに連結される複数の第1ラッチ回路と、を備えることを特徴とする請求項に記載の基板バイアス制御回路。
  8. 前記第2スイッチ回路は、
    前記電圧分配器の出力ノードのうち他の一部と第2共通ノードとの間に連結され、ゲートに前記出力ビットが印加される複数のNMOSトランジスタと、
    前記NMOSトランジスタのゲートに連結される複数の第2ラッチ回路と、を備えることを特徴とする請求項に記載の基板バイアス制御回路。
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