JP7067841B2 - Semiconductor device and voltage generation method - Google Patents

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本発明は、半導体装置、及び電圧発生方法、特にDCDCコンバータ等に代表される電圧発生回路を含む半導体装置、及び電圧発生方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a voltage generation method, particularly a semiconductor device including a voltage generation circuit typified by a DCDC converter and the like, and a voltage generation method.

従来電圧発生回路に関する文献として、例えば特許文献1が知られている。図36に特許文献1に開示された電圧発生回路のブロック図を示す。特許文献1に開示された電圧発生回路は、電源電圧よりも高い高電圧に昇圧するチャージポンプ回路2と、昇圧された高電圧を所定の目標電圧になるように制御する出力電圧制御回路3-1、3-2とを備えた高電圧発生回路であって、出力電圧制御回路は、少なくとも2つのオフセットフリーコンパレータ回路、もしくは少なくとも1つのオフセットフリーコンパレータ回路及び少なくとも1つの差動増幅器を備え、オフセットフリーコンパレータ回路は、高電圧に対応する電圧を入力するカップリングキャパシタと、カップリングキャパシタからの電圧を所定の基準電圧と比較して、比較結果電圧をチャージポンプ回路に出力する差動増幅器と、差動増幅器にそれぞれ接続され、差動増幅器のオフセットをキャンセルするための複数のスイッチとを備えている。 As a document relating to a conventional voltage generation circuit, for example, Patent Document 1 is known. FIG. 36 shows a block diagram of the voltage generation circuit disclosed in Patent Document 1. The voltage generation circuit disclosed in Patent Document 1 includes a charge pump circuit 2 that boosts the boosted voltage to a higher voltage than the power supply voltage, and an output voltage control circuit 3- that controls the boosted high voltage to a predetermined target voltage. A high voltage generating circuit comprising 1, 3-2, wherein the output voltage control circuit comprises at least two offset-free comparator circuits, or at least one offset-free comparator circuit and at least one differential amplifier, and is offset. The free comparator circuit is a coupling capacitor that inputs a voltage corresponding to a high voltage, a differential amplifier that compares the voltage from the coupling capacitor with a predetermined reference voltage, and outputs the comparison result voltage to the charge pump circuit. Each is connected to a differential amplifier and is equipped with a plurality of switches for canceling the offset of the differential amplifier.

すなわち特許文献1に係る電圧発生回路は、電源電圧よりも高い高電圧をチャージポンプ回路2で生成し、生成した電圧を所定の電圧値にレギュレートする回路である。特許文献1に開示された電圧発生回路では、R0及びR1の比に応じた出力電圧Vhvを生成する。また出力電圧Vhvを分圧した電圧Vdivとリファレンス電圧Vrefを比較するコンパレータ回路3-1、3-2は、スイッチトキャパシタを用いて自動的にオフセットをキャンセルする構成となっている。 That is, the voltage generation circuit according to Patent Document 1 is a circuit that generates a high voltage higher than the power supply voltage by the charge pump circuit 2 and regulates the generated voltage to a predetermined voltage value. The voltage generation circuit disclosed in Patent Document 1 generates an output voltage Vhv according to the ratio of R0 and R1. Further, the comparator circuits 3-1 and 3-2 that compare the voltage Vdiv obtained by dividing the output voltage Vhv with the reference voltage Vref are configured to automatically cancel the offset by using a switched capacitor.

特開2016-146725号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-146725

しかしながら、特許文献1に係る電圧発生回路は、出力負荷が非常に小さい場合に効率が悪くなる。これは抵抗R1及びR0の電流パス、コンパレータ回路、及びクロック発生回路に流れる電流が支配的になるからである。また特許文献1に係る電圧発生回路は、外部からクロック信号Pclk、リファレンス電圧Vrefを供給する必要がある。Pclkはチャージポンプ回路の最大出力に関わるため、出力負荷に応じて適切な周波数を選択する必要がある。
またリファレンス電圧Vrefは出力電圧Vhvを高精度にするために、精度の良い電圧を供給する必要がある。さらに、電圧発生回路の汎用性を考慮した場合、リファレンス電圧は可変であることが好ましい。
However, the voltage generation circuit according to Patent Document 1 becomes inefficient when the output load is very small. This is because the current paths of resistors R1 and R0, the comparator circuit, and the current flowing through the clock generation circuit dominate. Further, the voltage generation circuit according to Patent Document 1 needs to supply a clock signal Pclk and a reference voltage Vref from the outside. Since Pclk is involved in the maximum output of the charge pump circuit, it is necessary to select an appropriate frequency according to the output load.
In addition, the reference voltage Vref needs to supply an accurate voltage in order to make the output voltage Vhv highly accurate. Further, considering the versatility of the voltage generation circuit, it is preferable that the reference voltage is variable.

すなわち、特許文献1に開示された電圧発生回路のような従来技術では、スイッチのオン抵抗を小さく抑えて高効率な昇圧及び降圧を行う機能、プロセス(製造)バラツキ、温度バラツキの影響が抑制されたリファレンス電圧を生成する機能、出力負荷に応じて動作周波数及び出力電圧を最適値に制御する機能、及びリファレンス電圧をトリミングできる機能等を具備することが求められていた。 That is, in the prior art such as the voltage generation circuit disclosed in Patent Document 1, the function of suppressing the on-resistance of the switch to a small value to perform high-efficiency step-up and step-down, process (manufacturing) variation, and temperature variation are suppressed. It has been required to have a function of generating a reference voltage, a function of controlling an operating frequency and an output voltage to an optimum value according to an output load, a function of trimming a reference voltage, and the like.

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、広い負荷範囲で高効率であり、かつ温度変動及び製造ばらつきの影響が抑制された半導体装置、及び電圧発生方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and to provide a semiconductor device having high efficiency in a wide load range and suppressing the influence of temperature fluctuation and manufacturing variation, and a voltage generation method. With the goal.

本発明に係る半導体装置は、出力制御信号によって周波数が制御されたクロック信号を生成する電圧制御発振部と、前記クロック信号に同期した変換制御信号に基づいて前記クロック信号に同期するとともに電源電圧を変換した変換電圧を生成する変換電圧生成部と、前記変換電圧を前記出力制御信号及び充放電制御信号に基づいて制御し出力電圧を生成する出力電圧生成部と、前記クロック信号に同期した参照制御信号に基づいて前記クロック信号に同期するとともに電源電圧を変換した参照変換電圧を生成する参照変換電圧生成部と、前記参照変換電圧を参照充放電制御信号に基づいて制御し参照電圧を生成する参照電圧生成部と、前記クロック信号に基づいて前記出力電圧と前記参照電圧とを比較し前記出力制御信号を生成する比較部と、を含むものである。 The semiconductor device according to the present invention has a voltage control oscillator that generates a clock signal whose frequency is controlled by an output control signal, and a power supply voltage that is synchronized with the clock signal based on a conversion control signal synchronized with the clock signal. A conversion voltage generation unit that generates the converted conversion voltage, an output voltage generation unit that controls the conversion voltage based on the output control signal and the charge / discharge control signal to generate an output voltage, and a reference control synchronized with the clock signal. A reference conversion voltage generator that synchronizes with the clock signal based on the signal and generates a reference conversion voltage obtained by converting the power supply voltage, and a reference that controls the reference conversion voltage based on the reference charge / discharge control signal to generate a reference voltage. It includes a voltage generation unit and a comparison unit that compares the output voltage and the reference voltage based on the clock signal and generates the output control signal.

本発明に係る電圧発生方法は、出力制御信号によって周波数が制御されたクロック信号を生成し、前記クロック信号に同期した変換制御信号に基づいて前記クロック信号に同期するとともに電源電圧を変換した変換電圧、及び前記クロック信号に同期した参照制御信号に基づいて前記クロック信号に同期するとともに電源電圧を変換した参照変換電圧を生成し、前記変換電圧を前記出力制御信号及び充放電制御信号に基づいて制御しかつ出力電圧の出力インピーダンスと前記出力電圧が出力される出力端子に接続された負荷インピーダンスとが等しくなるようにして前記出力電圧を生成するとともに、前記参照変換電圧を参照充放電制御信号に基づいて制御し参照電圧を生成し、前記クロック信号に基づいて前記出力電圧と前記参照電圧とを比較し前記出力制御信号を生成するものである。 The voltage generation method according to the present invention generates a clock signal whose frequency is controlled by an output control signal, synchronizes with the clock signal based on the conversion control signal synchronized with the clock signal, and converts the power supply voltage. , And a reference conversion voltage synchronized with the clock signal and converted with a power supply voltage based on the reference control signal synchronized with the clock signal, and the conversion voltage is controlled based on the output control signal and the charge / discharge control signal. In addition, the output voltage is generated so that the output impedance of the output voltage and the load impedance connected to the output terminal to which the output voltage is output are equal to each other, and the reference conversion voltage is based on the reference charge / discharge control signal. It controls to generate a reference voltage, compares the output voltage with the reference voltage based on the clock signal, and generates the output control signal.

本発明によれば、広い負荷範囲で高効率であり、かつ温度変動及び製造ばらつきの影響が抑制された半導体装置、及び電圧発生方法を提供することが可能となる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having high efficiency in a wide load range and suppressing the influence of temperature fluctuation and manufacturing variation, and a voltage generation method.

第1の実施の形態に係る半導体装置の構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the structure of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る半導体装置のVCO for UCを示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the VCO for UC of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る半導体装置のCP for UCを示す回路図である。It is a circuit diagram which shows CP for UC of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る半導体装置の制御部(Control Logic for UC)を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the control part (Control Logic for UC) of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る半導体装置のSub-UCを示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the Sub-UC of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る半導体装置のSub-UC for REFを示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the Sub-UC for REF of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る半導体装置の、(a)はSub-UCの動作波形を示すタイムチャート、(b)はSUB-UC for REFの動作波形を示すタイムチャートである。In the semiconductor device according to the first embodiment, (a) is a time chart showing the operation waveform of Sub-UC, and (b) is a time chart showing the operation waveform of SUB-UC for REF. 第1の実施の形態に係る半導体装置のUC for REFを示す回路図である。It is a circuit diagram which shows UC for REF of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る半導体装置のUC for REFの動作波形を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation waveform of UC for REF of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る半導体装置のUCを示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the UC of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る半導体装置のUCの動作波形を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation waveform of UC of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る半導体装置の比較部(Comparator for UC)を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the comparison part (Comparator for UC) of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施の形態に係る半導体装置の構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the structure of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施の形態に係る半導体装置のVCO for DCを示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the VCO for DC of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施の形態に係る半導体装置のCP for DCを示す回路図である。It is a circuit diagram which shows CP for DC of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施の形態に係る半導体装置の制御部(Control Logic for DC)を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the control part (Control Logic for DC) of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施の形態に係る半導体装置のSub-DCを示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the Sub-DC of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施の形態に係る半導体装置のSub-DC for REFを示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the Sub-DC for REF of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施の形態に係る半導体装置のSub-DC及びSUB-DC for REFの動作波形を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation waveform of the Sub-DC and SUB-DC for REF of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施の形態に係る半導体装置のDC for REFを示す回路図である。It is a circuit diagram which shows DC for REF of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施の形態に係る半導体装置のDC for REFの動作波形を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation waveform of DC for REF of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施の形態に係る半導体装置のDCを示す回路図である。It is a circuit diagram which shows DC of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施の形態に係る半導体装置のDCの動作波形を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation waveform of DC of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施の形態に係る半導体装置の比較部(Comparator for DC)を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the comparison part (Comparator for DC) of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施の形態に係る昇圧型の半導体装置の構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the structure of the step-up type semiconductor device which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施の形態に係る半導体装置のVCO for UCを示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the VCO for UC of the semiconductor device which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施の形態に係る降圧型の半導体装置の構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the structure of the step-down type semiconductor device which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施の形態に係る半導体装置のVCO for DCを示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the VCO for DC of the semiconductor device which concerns on 3rd Embodiment. 第4の実施の形態に係る、(a)は昇圧型の半導体装置の構成の一例を示すブロック図、(b)は降圧型の半導体装置の構成の一例を示すブロック図である。According to the fourth embodiment, (a) is a block diagram showing an example of the configuration of a step-up semiconductor device, and (b) is a block diagram showing an example of the configuration of a step-down semiconductor device. 第4の実施の形態に係る、(a)はSub-UCの回路図、(b)はSub-UC for REFの回路図である。(A) is a circuit diagram of Sub-UC, and (b) is a circuit diagram of Sub-UC for REF according to a fourth embodiment. 第4の実施の形態に係る、(a)はSub-DCの回路図、(b)はSub-DC for REFの回路図である。(A) is a circuit diagram of Sub-DC, and (b) is a circuit diagram of Sub-DC for REF according to a fourth embodiment. 第4の実施の形態に係る、(a)はDC for REFの回路図、(b)はUC for REFの回路図である。(A) is a circuit diagram of DC for REF, and (b) is a circuit diagram of UC for REF according to a fourth embodiment. 第4の実施の形態に係る、(a)はDCの回路図、(b)はUCの回路図である。(A) is a circuit diagram of DC, and (b) is a circuit diagram of UC according to a fourth embodiment. 第4の実施の形態に係るComparator for DCの回路図である。It is a circuit diagram of Comparator for DC which concerns on 4th Embodiment. 第4の実施の形態に係るComparator for UCの回路図である。It is a circuit diagram of Comparator for UC which concerns on 4th Embodiment. 従来技術に係る半導体装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the semiconductor device which concerns on the prior art.

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、Out_COMP、Clk_VCO、VCO for UC(DC)、Q_1及びQb_1、Q_3及びQb_3、Sub_UC(DC)、Q_2及びQb_2、Out_UC(DC)、UC(DC)、Q_1_REF及びQb_1_REF、Q_3_REF及びQb_3_REF、Sub_UC(DC) for REF、Q_2_REF及びQb_2_REF、Out_REF、UC_for_REF、Comparator for UC(DC)、Vias_CP、CP for UC 、For Up(Down) Converter、Control_Logic_for UC(DC)、容量CREF、容量CUCの各々は、本願発明に係る「出力制御信号」、「クロック信号」、「電圧制御発振部」、「変換制御信号」、「変換電圧」、「変換電圧生成部」、「充放電制御信号」、「出力電圧」、「出力電圧生成部」、「参照制御信号」「参照変換電圧」、「参照変換電圧生成部」、「参照充放電制御信号」、「参照電圧」、「参照電圧生成部」、「比較部」、「周波数制御信号」、「電圧制御発振制御部」、「変換用信号生成部」、「生成制御部」、「参照容量」、「出力容量」の一例である。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, Out_COMP, Clk_VCO, VCO for UC (DC), Q_1 and Qb_1, Q_3 and Qb_3, Sub_UC (DC), Q_2 and Qb_2, Out_UC (DC), UC (DC), Q_1_REF and Qb_1_REF, Q_3_REF. And Qb_3_REF, Sub_UC (DC) for REF, Q_2_REF and Qb_2_REF, Out_REF, UC_for_REF, Comparator for UC (DC), Vias_CP, CP for UC, For Up (Down) Converter, Control_Logic_for UC (DC), Capacity C REF , Capacity C Each of the UCs is an "output control signal", a "clock signal", a "voltage control oscillation unit", a "conversion control signal", a "conversion voltage", a "conversion voltage generation unit", and a "charge / discharge control signal" according to the present invention. , "Output voltage", "Output voltage generator", "Reference control signal""Reference conversion voltage", "Reference conversion voltage generator", "Reference charge / discharge control signal", "Reference voltage", "Reference voltage generation" This is an example of "unit", "comparison unit", "frequency control signal", "voltage control oscillation control unit", "conversion signal generation unit", "generation control unit", "reference capacity", and "output capacity".

[第1の実施の形態]
図1から図12を参照して本実施の形態に係る半導体装置、及び電圧発生方法について説明する。本実施の形態は、本発明を所定の電圧を昇圧して出力電圧を生成する昇圧DCDCコンバータ(電圧発生回路)に適用した形態である。図1に示すように本実施の形態に係る半導体装置10は、クロック生成部11、制御部12、昇圧部13、参照電圧生成部14、比較部15を含んで構成されている。
[First Embodiment]
A semiconductor device according to this embodiment and a voltage generation method will be described with reference to FIGS. 1 to 12. This embodiment is a mode in which the present invention is applied to a step-up DCDC converter (voltage generation circuit) that boosts a predetermined voltage to generate an output voltage. As shown in FIG. 1, the semiconductor device 10 according to the present embodiment includes a clock generation unit 11, a control unit 12, a booster unit 13, a reference voltage generation unit 14, and a comparison unit 15.

昇圧部13(図1では「Step Up (Boost) Converter)」と表記)は、昇圧動作により出力電圧Out_UCを生成するUC、UCのMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を用いたスイッチ(図10に示すP型MOSトランジスタp53)を制御するスイッチ駆動用信号を生成するSub-UCを備えている。参照電圧生成部14(図1では「Reference Voltage Generator」と表記)、は、昇圧動作によりリファレンス電圧Out_REFを生成するUC for REF、UC for REFのMOSFETスイッチの駆動用信号を生成するSub-UC for REFを備えている。比較部15(図1では「Comparator for UC」と表記)は、出力電圧Out_UCと参照(リファレンス)電圧Out_REFを比較する。制御部12(図1では「Control Logic for UC」と表記)は、半導体装置10の各部を制御する。クロック生成部11(図1では「Clock Generator」と表記)は、半導体装置10で用いるクロック信号を生成する電圧制御発信器であるVCO(Voltage Control Oscillator) for UC、及びVCOの周波数を制御するための電圧を生成するCP (Charge Pump) for UCを備えている。 The booster 13 (denoted as "Step Up (Boost) Converter) in FIG. 1) is a switch using UC and UC MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) that generate an output voltage Out_UC by boosting operation. It is equipped with a Sub-UC that generates a switch drive signal that controls (P-type MOS transistor p53 shown in FIG. 10). The reference voltage generator 14 (denoted as "Reference Voltage Generator" in FIG. 1) generates a reference voltage Out_REF by boosting operation, and a Sub-UC for generating a driving signal of a MOSFET switch of UC for REF. It has a REF. The comparison unit 15 (denoted as “Comparator for UC” in FIG. 1) compares the output voltage Out_UC with the reference (reference) voltage Out_REF. The control unit 12 (denoted as “Control Logic for UC” in FIG. 1) controls each unit of the semiconductor device 10. The clock generator 11 (denoted as "Clock Generator" in FIG. 1) controls the frequency of the VCO (Voltage Control Oscillator) for UC, which is a voltage control oscillator that generates a clock signal used in the semiconductor device 10, and the frequency of the VCO. It is equipped with a CP (Charge Pump) for UC that generates the voltage of.

図2はVCO for UCの回路図を示している。図2に示すようにVCO for UCは、Vbias_CPにより周波数を制御するP型MOSトランジスタpb01-pb07、リング発振部を構成するインバータであるP型MOSトランジスタp01-p07とN型MOSトランジスタn01-n07、En_VCOによりVCO for UCのオンオフを制御するN型MOSトランジスタn011-n014とP型MOSトランジスタp011-p014、出力容量であるc01-c06、ダミー用のP型MOSトランジスタp08-p010とN型MOSトランジスタn08-n010、最終段のインバータであるP型MOSトランジスタp07とN型MOSトランジスタn07のゲインを向上させるP型MOSトランジスタp015を含んで構成されている。 FIG. 2 shows a circuit diagram of the VCO for UC. As shown in FIG. 2, VCO for UC includes a P-type MOS transistor pb01-pb07 whose frequency is controlled by Vbias_CP, a P-type MOS transistor p01-p07 and an N-type MOS transistor n01-n07, which are inverters constituting the ring oscillation unit. N-type MOS transistor n011-n014 and P-type MOS transistor p011-p014 that control the on / off of VCO for UC by En_VCO, output capacitance c01-c06, P-type MOS transistor p08-p010 and N-type MOS transistor n08 for dummy -n010, P-type MOS transistor p07 which is the final stage inverter and P-type MOS transistor p015 which improves the gain of N-type MOS transistor n07 are included.

VCO for UCの動作は以下のとおりである。すなわち、En_VCOがLowからHighに立ち上がると動作を開始しクロック信号出力であるClk_VCOが出力される。Clk_VCOの周波数は主にVbias_CPの電位及び容量c01-c06の容量値で決まる。VCO for UCによって生成されたクロック信号であるClk VCOは制御部12及び比較部15に供給される。 The operation of VCO for UC is as follows. That is, when En_VCO rises from Low to High, the operation starts and Clk_VCO, which is a clock signal output, is output. The frequency of Clk_VCO is mainly determined by the potential of Vbias_CP and the capacitance value of capacitance c01-c06. The Clk VCO, which is a clock signal generated by the VCO for UC, is supplied to the control unit 12 and the comparison unit 15.

図3はCP for UCの回路図を示している。図3に示すようにCP for UCは、は電流生成用のチャージポンプ部を構成するP型MOSトランジスタp13とN型MOSトランジスタn13、容量c11、カレントミラー部のP型MOSトランジスタp11とp12及びN型MOSトランジスタn11とn12、カレントミラー部の安定化容量である容量c12とc13、Vbias_CPを制御するチャージポンプ部のP型MOSトランジスタp14とN型MOSトランジスタn14、容量c14、Rst_CPによりVbias_CPをLowレベルにリセットするN型MOSトランジスタn15を含んで構成されている。 FIG. 3 shows a circuit diagram of CP for UC. As shown in FIG. 3, CP for UC includes P-type MOS transistors p13 and N-type MOS transistors n13, a capacitance c11, and P-type MOS transistors p11 and p12 and N in the current mirror unit that form a charge pump unit for current generation. Low level of Vbias_CP by type MOS transistors n11 and n12, capacitances c12 and c13 which are the stabilizing capacitances of the current mirror, P-type MOS transistors p14 and N-type MOS transistors n14, capacitance c14, and Rst_CP of the charge pump section which controls Vbias_CP. It is configured to include an N-type MOS transistor n15 that resets to.

CP for UCの動作は以下のとおりである。すなわち、電流生成用のチャージポンプ部はクロック信号Clk_VCOが常に入力されているため、予め定められた一定の電流が常に流れている。その電流値はクロック信号Clk_VCOの周波数と容量c11に依存する。電流生成用のチャージポンプ部に流れる電流はカレントミラーを通してVbias_CPを制御するチャージポンプ部に供給される。比較部15の出力である比較部出力Out_COMPがLowの場合、N型MOSトランジスタn14がオンとなり、N型MOSトランジスタn12からシンク電流が流れる。この際出力容量c14が放電され、Vbias_CPの電位が下がる。一方比較部出力Out_COMPがHighの場合、P型MOSトランジスタp14がオンとなり、P型MOSトランジスタp12からソース電流が流れる。この際出力容量c14が充電され、Vbias_CPが上昇する。以上の動作によって、CP for UCは比較部15の出力Out COMPに基づいて、VCO for UCの発振周波数を制御する。 The operation of CP for UC is as follows. That is, since the clock signal Clk_VCO is always input to the charge pump unit for current generation, a predetermined constant current is always flowing. Its current value depends on the frequency and capacitance c11 of the clock signal Clk_VCO. The current flowing through the charge pump section for current generation is supplied to the charge pump section that controls Vbias_CP through the current mirror. When the comparison unit output Out_COMP, which is the output of the comparison unit 15, is Low, the N-type MOS transistor n14 is turned on, and a sink current flows from the N-type MOS transistor n12. At this time, the output capacitance c14 is discharged, and the potential of Vbias_CP drops. On the other hand, when the comparison unit output Out_COMP is High, the P-type MOS transistor p14 is turned on and the source current flows from the P-type MOS transistor p12. At this time, the output capacity c14 is charged and Vbias_CP rises. By the above operation, CP for UC controls the oscillation frequency of VCO for UC based on the output Out COMP of the comparison unit 15.

図4は制御部12(Control Logic for UC)の回路図を示している。図4に示すように制御部12(Control Logic for UC)は、昇圧用信号生成部(図4では「For UP Converter」と表記)16とリファレンス用信号生成部(図4では「For Reference Voltage Generator」と表記)17を含んで構成されている。 FIG. 4 shows a circuit diagram of the control unit 12 (Control Logic for UC). As shown in FIG. 4, the control unit 12 (Control Logic for UC) includes a boost signal generation unit (denoted as “For UP Converter” in FIG. 4) 16 and a reference signal generation unit (“For Reference Voltage Generator” in FIG. 4). ”) 17 is included.

昇圧用信号生成部16は、1/2分周器120、3個のインバータと2個のOR回路と2個のNOR回路で構成されたノンオーバーラップ信号生成部121、2個のDラッチで拘泥されたDラッチ部122、2個のインバータで構成されたインバータ部123を含んで構成されている。昇圧用信号生成部16はVCO for UCからのクロック信号Clk_VCOを1/2分周器120で1/2に分周した信号を用い、ノンオーバーラップ信号Q_1及びQb_1、Q_2及びQb_2を生成する。ここで、Dラッチ部122の動作によって、Q_2及びQb_2は比較部出力Out_COMPがLowのときのみ出力される。 The boost signal generation unit 16 is a non-overlap signal generation unit 121 composed of a 1/2 divider 120, three inverters, two OR circuits, and two NOR circuits, and two D latches. It is configured to include the detained D latch portion 122 and the inverter portion 123 composed of two inverters. The boost signal generation unit 16 generates non-overlap signals Q_1, Qb_1, Q_2, and Qb_2 using a signal obtained by dividing the clock signal Clk_VCO from the VCO for UC by 1/2 with the 1/2 divider 120. Here, due to the operation of the D latch unit 122, Q_2 and Qb_2 are output only when the comparison unit output Out_COMP is Low.

リファレンス用信号生成部17は、1/4分周器124、3個のインバータと2個のOR回路と2個のNOR回路で構成されたノンオーバーラップ信号生成部125、AND回路とNAND回路を1個ずつ含んで構成されたカウンタ部126、2個のDラッチで構成されたDラッチ部127、トリミング信号生成部(図4では、「Trimming Logic」と表記)128、129を含んで構成されている。リファレンス用信号生成部17は、クロック信号Clk_VCOを1/2分周器120及び1/4分周器124によって1/8に分周した信号を用い、ノンオーバーラップ信号であるQ_1_REF及びQb_1_REF、Q_2_REF[6:0]及びQb_2_REF[6:0]を生成する。Q_2_REF[6:0]及びQb_2_REF[6:0]は、トリミング信号Trim_REF [6:0]によってどの信号を出力するかが選択される。選択された信号は3ビットのカウンタ部126が“111”となった場合にのみ出力される。選択されたQ_2_REF[6:0]及びQb_2_REF[6:0]はUC for REF(図8参照)のトリミング容量の選択に用いられる。 The reference signal generation unit 17 includes a 1/4 divider 124, a non-overlap signal generation unit 125 composed of three inverters, two OR circuits, and two NOR circuits, an AND circuit, and a NAND circuit. It is configured to include a counter unit 126 configured to include one each, a D latch unit 127 composed of two D latches, and a trimming signal generation unit (denoted as "Trimming Logic" in FIG. 4) 128 and 129. ing. The reference signal generation unit 17 uses a signal obtained by dividing the clock signal Clk_VCO into 1/8 by the 1/2 divider 120 and the 1/4 divider 124, and is a non-overlapping signal Q_1_REF, Qb_1_REF, Q_2_REF. Generate [6: 0] and Qb_2_REF [6: 0]. For Q_2_REF [6: 0] and Qb_2_REF [6: 0], which signal is output is selected by the trimming signal Trim_REF [6: 0]. The selected signal is output only when the 3-bit counter unit 126 becomes “111”. The selected Q_2_REF [6: 0] and Qb_2_REF [6: 0] are used to select the trimming capacity of UC for REF (see FIG. 8).

図5はSub-UCの回路図を示している。図5に示すように、Sub-UCは電源電圧VDDからVDDだけ昇圧するチャージポンプ部のN型MOSトランジスタn23、n24、容量c21、c22、VDDから2VDDの振幅を有する信号を生成するN型MOSトランジスタn21、n22、P型MOSトランジスタp21、p22を含んで構成されている。Sub-UCは、制御部12からのQ_1、Qb-1に基づいてUCで用いるQ_3、Qb_3を生成する。 FIG. 5 shows a circuit diagram of Sub-UC. As shown in FIG. 5, the Sub-UC is an N-type MOS transistor in the charge pump section that boosts the voltage from the power supply voltage VDD by VDD. It is configured to include transistors n21 and n22, and P-type MOS transistors p21 and p22. Sub-UC generates Q_3 and Qb_3 used in UC based on Q_1 and Qb-1 from the control unit 12.

図6はSub-UC for REFの回路図を示している。図6に示すようにSub-UC for REFの回路構成は図5に示すSub-UCの回路構成と同様である。Sub-UC for REFは、制御部12からのQ_1_REF、Qb-1_REFに基づいてUCで用いるQ_3_REF、Qb_3_REFを生成する。 FIG. 6 shows a circuit diagram of Sub-UC for REF. As shown in FIG. 6, the circuit configuration of Sub-UC for REF is the same as the circuit configuration of Sub-UC shown in FIG. Sub-UC for REF generates Q_3_REF and Qb_3_REF used in UC based on Q_1_REF and Qb-1_REF from the control unit 12.

図7(a)はSub-UC(図5参照)のタイムチャートを、図7(b)はSUB-UC for REF(図6参照)のタイムチャートを各々示している。図7(a)に示すようにVDDから2VDDに昇圧するチャージポンプ部は容量c21及びc22にQb_1及びQ_1の信号が入力されると、Vb_1及びV_1がQb_1及びQ_1に同期してVDDから2VDDの間を振動する。Vb_1がVDD及びV_1が2VDDの場合はQb_1がLow(=VSS)及びQ_1がHigh(=VDD)であるため、P型MOSトランジスタp21がオフ及びN型MOSトランジスタn21がオン、P型MOSトランジスタp22がオン及びN型MOSトランジスタn22がオフし、Qb_3はVSS及びQ_3は2VDDとなる。またVb_1が2VDD及びV_1がVDDのときはQb_1がHigh(=VDD)及びQ_1がLow(=VSS)であるため、P型MOSトランジスタp21がオン及びN型MOSトランジスタn21がオフ、P型MOSトランジスタp22がオフ及びN型MOSトランジスタn22がオンし、Qb_3は2VDD及びQ_3はVSSとなる。以上の動作によってSub-UCから2VDDの振幅を有するQ_3、Qb_3が出力される。 FIG. 7 (a) shows a time chart of Sub-UC (see FIG. 5), and FIG. 7 (b) shows a time chart of SUB-UC for REF (see FIG. 6). As shown in FIG. 7A, the charge pump unit that boosts the voltage from VDD to 2 VDD receives Qb_1 and Q_1 signals in the capacitances c21 and c22, and Vb_1 and V_1 synchronize with Qb_1 and Q_1 to change from VDD to 2 VDD. Vibrate between. When Vb_1 is VDD and V_1 is 2 VDD, Qb_1 is Low (= VSS) and Q_1 is High (= VDD), so the P-type MOS transistor p21 is off, the N-type MOS transistor n21 is on, and the P-type MOS transistor p22. Is on and the N-type MOS transistor n22 is off, Qb_3 is VSS and Q_3 is 2 VDD. When Vb_1 is 2 VDD and V_1 is VDD, Qb_1 is High (= VDD) and Q_1 is Low (= VSS), so the P-type MOS transistor p21 is on, the N-type MOS transistor n21 is off, and the P-type MOS transistor. p22 is off and the N-type MOS transistor n22 is on, Qb_3 is 2 VDD and Q_3 is VSS. By the above operation, Q_3 and Qb_3 having an amplitude of 2 VDD are output from Sub-UC.

図7(b)に示すように、Sub-UC for REFは上記のSub-UCと同様の動作をClk_VCOの1/8分周信号で行う。なお、Sub-UC for REFで1/8分周信号を用いているのは消費電力低減のためである。 As shown in FIG. 7 (b), Sub-UC for REF performs the same operation as the above Sub-UC with the 1/8 divided signal of Clk_VCO. The reason why the 1/8 frequency division signal is used in Sub-UC for REF is to reduce power consumption.

図8はUC for REFの回路図を示している。図8に示すように、UC for REFはリファレンス用チャージポンプ部のトリミング用の容量ct(図8では「Trimming Capacitor」と表記)とP型MOSトランジスタp41、p42、N型MOSトランジスタn41、n42を含んで構成されている。UC for REFはQ_3_REF、Qb3_REFに基づいて比較部15に出力する参照電圧Out_REFを生成する。 FIG. 8 shows a circuit diagram of UC for REF. As shown in FIG. 8, UC for REF has a trimming capacitance ct (denoted as "Trimming Capacitor" in FIG. 8) of the reference charge pump section, P-type MOS transistors p41, p42, and N-type MOS transistors n41, n42. It is configured to include. UC for REF generates a reference voltage Out_REF to be output to the comparison unit 15 based on Q_3_REF and Qb3_REF.

図9はUC for REFのタイムチャートを示している。図9に示すように、UC for REFは16パルス中14パルスだけ容量CREF(図1参照)を介して参照電圧Out_REFをチャージし、16パルス中2パルスだけ容量CREFを介してOut_REFをディスチャージする。すなわち、Out_REFは図9に示すVrefを中心としVrippleの振幅で周期的に振動する。チャージ時はQ_3_REF、Qb_3_REF及びQ_2_REF[6:0]、Qb_2_REF[6:0]が動作しており、ディスチャージ時はQ_3_REF、Qb_3_REFのみが動作している。また1パルス分のチャージ量はトリミング信号Trim_REF[6:0]のコード値が高いほど大きくなり最大でVDD×127×ct、ディスチャージ量は常にVDD×127×ctである。ここでctは図8に示すトリミング用の容量ctの容量値とする。以上より、Out_REFは以下に示す(式1)で表現される。

Figure 0007067841000001

ここで、N0からN6はTrim_REF[6:0]のトリミングコード値を表している。本実施の形態に係る半導体装置10では、(式1)に即して参照電圧Out_REFはVDDから1.778×VDDまでトリミングで調整できる。その結果参照電圧Out_REFの電圧値はプロセス(製造)バラつき及び温度バラツキの影響を受けにくくなっている。 FIG. 9 shows a time chart of UC for REF. As shown in FIG. 9, UC for REF charges the reference voltage Out_REF via the capacitive C REF for 14 out of 16 pulses and discharges Out_REF via the capacitive C REF for 2 out of 16 pulses. do. That is, Out_REF oscillates periodically with the amplitude of Vripple around the Vref shown in FIG. Q_3_REF, Qb_3_REF and Q_2_REF [6: 0], Qb_2_REF [6: 0] are operating at the time of charging, and only Q_3_REF, Qb_3_REF is operating at the time of discharging. The charge amount for one pulse increases as the code value of the trimming signal Trim_REF [6: 0] increases, and the maximum is VDD × 127 × ct, and the discharge amount is always VDD × 127 × ct. Here, ct is a capacitance value of the trimming capacitance ct shown in FIG. From the above, Out_REF is expressed by (Equation 1) shown below.
Figure 0007067841000001

Here, N 0 to N 6 represent the trimming code value of Trim_REF [6: 0]. In the semiconductor device 10 according to the present embodiment, the reference voltage Out_REF can be adjusted by trimming from VDD to 1.778 × VDD according to (Equation 1). As a result, the voltage value of the reference voltage Out_REF is less susceptible to process (manufacturing) variations and temperature variations.

図10はUCの回路図を示している。図10に示すように、UCはチャージポンプ部の容量c51、P型MOSトランジスタp51、N型MOSトランジスタn51、及び容量c52、P型MOSトランジスタp52、N型MOSトランジスタn52、チャージポンプをオン、オフするスイッチであるP型MOSトランジスタp53、P型MOSトランジスタp53のゲート電圧を生成するレベルシフタ回路(図10では「Level Shifter」と表記)を含んで構成されている。 FIG. 10 shows a circuit diagram of the UC. As shown in FIG. 10, the UC turns on / off the capacitance c51, the P-type MOS transistor p51, the N-type MOS transistor n51, the capacitance c52, the P-type MOS transistor p52, the N-type MOS transistor n52, and the charge pump of the charge pump section. It is configured to include a level shifter circuit (denoted as "Level Shifter" in FIG. 10) that generates a gate voltage of the P-type MOS transistor p53 and the P-type MOS transistor p53, which are switches to be switched.

図11はUCのタイムチャートを示している。図11に示すように、UCは出力電圧Out_UCが参照電圧Out_REF(Vref)よりも低い場合、比較部出力Out_COMPがHighとなり容量CUC(図1参照)を介してOut_UCをチャージする。また出力電圧Out_UCが参照電圧Out_REFよりも高い場合、比較部出力Out_COMPがLowとなり、容量CUC(図1参照)を介してのUCのチャージ動作を停止する。チャージ時はQ_3、Qb_3及びQ_2、Qb_2が動作しており、停止時はQ_2、Qb_2及びスイッチであるP型MOSトランジスタp53がオフしている。動作周波数、すなわちクロック信号Clk_VCOの周波数は出力電圧Out_UCが参照電圧Out_REFに近づくと徐々に下がり、最終的にUC(図10参照)のチャージポンプの出力インピーダンスとOut_UCに接続された出力負荷のインピーダンスとが等しくなる動作周波数に自動的に調整される。
この際、図11に示すように比較部出力Out_COMPのデューティは約50%となり、均衡点に落ち着く。このことにより、本実施の形態に係る半導体装置によれば高効率の電圧発生回路が得られる。
FIG. 11 shows a time chart of UC. As shown in FIG. 11, when the output voltage Out_UC is lower than the reference voltage Out_REF (Vref), the comparison unit output Out_COMP becomes High and Out_UC is charged via the capacitance C UC (see FIG. 1). When the output voltage Out_UC is higher than the reference voltage Out_REF, the comparison unit output Out_COMP becomes Low and the UC charging operation via the capacitance C UC (see FIG. 1) is stopped. When charging, Q_3, Qb_3, Q_2, and Qb_2 are operating, and when stopped, Q_2, Qb_2, and the P-type MOS transistor p53, which is a switch, are off. The operating frequency, that is, the frequency of the clock signal Clk_VCO, gradually decreases as the output voltage Out_UC approaches the reference voltage Out_REF, and finally the output impedance of the charge pump of the UC (see FIG. 10) and the impedance of the output load connected to the Out_UC. Is automatically adjusted to the same operating frequency.
At this time, as shown in FIG. 11, the duty of the comparison unit output Out_COMP becomes about 50% and settles at the equilibrium point. As a result, according to the semiconductor device according to the present embodiment, a highly efficient voltage generation circuit can be obtained.

図12は比較部15(Comparator for UC)の回路図を示している。比較部15は、インバータラッチ部のP型MOSトランジスタp61、N型MOSトランジスタn61、P型MOSトランジスタp62、N型MOSトランジスタn62、動作とリセットを制御するスイッチであるP型MOSトランジスタp63、N型MOSトランジスタn63、n64、安定動作用容量である容量c61とc62、及びNOR型のRS-FFを含んで構成されている。なお比較部15の回路構成ではトランジスタの縦積み数を3段に抑えられているので、低電圧動作に好適である。 FIG. 12 shows a circuit diagram of the Comparator for UC. The comparison unit 15 is an inverter latch unit P-type MOS transistor p61, N-type MOS transistor n61, P-type MOS transistor p62, N-type MOS transistor n62, and P-type MOS transistor p63, N-type switch that controls operation and reset. It is composed of MOS transistors n63 and n64, capacitances c61 and c62 for stable operation, and NOR type RS-FF. In the circuit configuration of the comparison unit 15, the number of vertically stacked transistors is suppressed to three stages, which is suitable for low voltage operation.

ここで本実施の形態に係る比較部15ではP型MOSトランジスタp61とp62のバックゲート端子を入力端子とする構成となっている。そのため、入力電位がVDDよりも低くなると寄生ダイオードがオンし、順方向電流が流れ出すことが想定される。従って、入力電位はVDDよりも高く設定する必要があるが、本実施の形態ではVDDよりも高い電位しか扱わないため問題にはならない。 Here, the comparison unit 15 according to the present embodiment has a configuration in which the back gate terminals of the P-type MOS transistors p61 and p62 are input terminals. Therefore, when the input potential becomes lower than VDD, it is assumed that the parasitic diode turns on and the forward current flows out. Therefore, it is necessary to set the input potential higher than VDD, but in this embodiment, only the potential higher than VDD is handled, so that it does not matter.

次に比較部15の動作を説明する。比較部15はクロック信号Clk_VCOの立ち上がりのタイミングで出力電圧Out_UCと参照電圧Out_REFの大小判定を行い、出力電圧Out_UCが参照電圧Out_REF(=Vref)を上回っている状態では比較部出力Out_COMPとしてHighを出力し、下回っている状態では比較部出力Out_COMPとしてLowを出力する。なお、タイムチャートに関しては図11で説明したとおりである。 Next, the operation of the comparison unit 15 will be described. The comparison unit 15 determines the magnitude of the output voltage Out_UC and the reference voltage Out_REF at the rising timing of the clock signal Clk_VCO, and outputs High as the comparison unit output Out_COMP when the output voltage Out_UC exceeds the reference voltage Out_REF (= Vref). However, when it is lower than that, Low is output as the comparison section output Out_COMP. The time chart is as described in FIG.

以下、半導体装置10の全体の動作について説明する。まず、半導体装置10の動作が開始するとCP for UC内のRst_CPがHighからLow、VCO for UC内のEn_VCOがLowからHighとなる。このとき、CP for UCの出力Vbias_CPはVSSレベルまで電位が低下している。従って、クロック信号Clk_VCOは高い周波数のクロック信号となっている。 Hereinafter, the overall operation of the semiconductor device 10 will be described. First, when the operation of the semiconductor device 10 starts, Rst_CP in CP for UC changes from High to Low, and En_VCO in VCO for UC changes from Low to High. At this time, the potential of the output Vbias_CP of CP for UC has dropped to the VSS level. Therefore, the clock signal Clk_VCO is a high frequency clock signal.

図1には以下の説明で言及する制御部12、昇圧部13、参照電圧生成部14、及び比較部15の間の主な信号が○に数字の符号で占めされている。図1に示すように、クロック信号Clk_VCOは制御部12(Control Logic for UC)及び比較部15(Comparator for UC)に入力される。制御部12(Control Logic for UC)はクロック信号Clk_VCOに同期した信号Q_1、Qb_1、Q_2、Qb_2及びQ_1_REF、Qb_1_REF、Q_2_REF[6:0]、Qb_2_REF[6:0]を出力する。Q_1、Qb_1及びQ_1_REF、Qb_1_REFは各々Sub-UC及びSub-UC for REFに入力され、Q_3、Qb_3及びQ_3_REF、Qb_3_REFが生成される。Q_2_REF[6:0]、Qb_2_REF[6:0]及びQ_3_REF、Qb_3_REFはUC_for_REFに入力され、参照電圧Out_REFはトリミング信号Trim_REF[6:0]で設定した値に収束する。Q_2、Qb_2及びQ_3、Qb_3はUCに入力され、徐々に参照電圧Out_REFの値に近づいていく。通常、CUCの容量値はCREFの容量値よりも大きく設定する。その結果先に参照電圧Out_REFが収束し、それを出力電圧Out_UCが追いかける状態となる。 In FIG. 1, the main signals between the control unit 12, the booster unit 13, the reference voltage generation unit 14, and the comparison unit 15 referred to in the following description are occupied by numerical reference numerals. As shown in FIG. 1, the clock signal Clk_VCO is input to the control unit 12 (Control Logic for UC) and the comparison unit 15 (Comparator for UC). The control unit 12 (Control Logic for UC) outputs the signals Q_1, Qb_1, Q_2, Qb_2 and Q_1_REF, Qb_1_REF, Q_2_REF [6: 0], Qb_2_REF [6: 0] synchronized with the clock signal Clk_VCO. Q_1, Qb_1 and Q_1_REF, Qb_1_REF are input to Sub-UC and Sub-UC for REF, respectively, and Q_3, Qb_3 and Q_3_REF, Qb_3_REF are generated. Q_2_REF [6: 0], Qb_2_REF [6: 0], Q_3_REF, and Qb_3_REF are input to UC_for_REF, and the reference voltage Out_REF converges to the value set by the trimming signal Trim_REF [6: 0]. Q_2, Qb_2, Q_3, and Qb_3 are input to the UC and gradually approach the value of the reference voltage Out_REF. Normally, the capacity value of C UC is set larger than the capacity value of C REF . As a result, the reference voltage Out_REF converges first, and the output voltage Out_UC follows it.

出力電圧Out_UCが参照電圧Out_REFを超えると、クロック信号Clk_VCOの立ち上がりのタイミングで比較部出力Out_CompがLowからHighに立ち上がる。このとき、CP for UC内の容量C14は充電状態となりVbias_CPが徐々に上がっていく。従ってClk_VCOの周波数も共に下がっていく。一方、UCではQ_2、Qb_2及びスイッチであるP型MOSトランジスタp53がオフとなるので、容量CUCへの充電が停止する。仮にこの状態でOut_UCに負荷が接続されていると、Out_UCは徐々に下がっていき、ある一定時間後にOut_REFを下回る。 When the output voltage Out_UC exceeds the reference voltage Out_REF, the comparison unit output Out_Comp rises from Low to High at the rising timing of the clock signal Clk_VCO. At this time, the capacity C14 in CP for UC becomes charged and Vbias_CP gradually increases. Therefore, the frequency of Clk_VCO also decreases. On the other hand, in UC, Q_2, Qb_2 and the P-type MOS transistor p53, which is a switch, are turned off, so that charging to the capacitance C UC is stopped. If a load is connected to Out_UC in this state, Out_UC will gradually decrease and fall below Out_REF after a certain period of time.

出力電圧Out_UCが参照電圧Out_REFを下回るとクロック信号Clk_VCOの立ち上がりのタイミングで比較部出力Out_CompがHighからLowに立ち下がる。このとき、CP for UC内のC14は放電状態となりVbias_CPが徐々に下がっていく。従ってClk_VCOの周波数も共に上がっていく。 When the output voltage Out_UC falls below the reference voltage Out_REF, the comparison unit output Out_Comp drops from High to Low at the rising timing of the clock signal Clk_VCO. At this time, C14 in CP for UC is in a discharged state, and Vbias_CP gradually decreases. Therefore, the frequency of Clk_VCO also goes up.

以上の動作を繰り返すと、最終的に出力電圧Out_UCが参照電圧Out_REFの平均値に収束し、比較部出力Out_CompのLowとHighのデューティが等しくなる。この状態はCUCへの充電量とOut_UCに接続された負荷からの放電量が等しくなった場合に発生する。つまり、回路の効率が最大になる最適値にクロック信号Clk_VCOの周波数が自動的に調整される。仮にOut_UCに接続された負荷のインピーダンスが変わったとしても、その負荷のインピーダンスに追従するようにクロック信号Clk_VCOの周波数が調整され最適値に収束する。 When the above operation is repeated, the output voltage Out_UC finally converges to the average value of the reference voltage Out_REF, and the Low and High duties of the comparison unit output Out_Comp become equal. This condition occurs when the amount of charge to C UC and the amount of discharge from the load connected to Out_UC are equal. That is, the frequency of the clock signal Clk_VCO is automatically adjusted to the optimum value that maximizes the efficiency of the circuit. Even if the impedance of the load connected to Out_UC changes, the frequency of the clock signal Clk_VCO is adjusted to follow the impedance of the load and converges to the optimum value.

以上のように、本実施の形態によれば、UC for REFは電源電圧よりも高い高電圧を生成することが可能となっており、さらに(式1)に示すように参照(リファレンス)電圧Out_REFをトリミングによって調整することが可能となっている。そのため参照電圧Out_REFはプロセス変動及び温度変動に対し頑健(ロバスト)である。 As described above, according to the present embodiment, UC for REF can generate a high voltage higher than the power supply voltage, and further, as shown in (Equation 1), the reference voltage Out_REF. Can be adjusted by trimming. Therefore, the reference voltage Out_REF is robust against process fluctuations and temperature fluctuations.

さらにUCは参照電圧Out_REFの平均値と等しい電圧を、出力負荷に等しい出力インピーダンスを介して出力電圧Out_UCとして出力する。出力インピーダンスの調整は、半導体装置10の内部に搭載されたVCO for UCの出力であるクロック信号Clk_VCOの周波数を変化させることで自動的に行われる。クロック信号Clk_VCOの周波数は出力が低負荷時には低くなり、高負荷時には高くなる。半導体装置10に含まれる各回路ブロックはクロック信号Clk_VCOに同期して動作するので、広範囲の負荷領域で高効率な動作が期待できる。 In addition, the UC outputs a voltage equal to the mean of the reference voltage Out_REF as the output voltage Out_UC via an output impedance equal to the output load. The output impedance is automatically adjusted by changing the frequency of the clock signal Clk_VCO, which is the output of the VCO for UC mounted inside the semiconductor device 10. The frequency of the clock signal Clk_VCO is low when the output is low and high when the output is high. Since each circuit block included in the semiconductor device 10 operates in synchronization with the clock signal Clk_VCO, highly efficient operation can be expected in a wide load region.

以上詳述したように、本実施の形態に係る半導体装置、及び電圧発生方法によれば、広範囲の負荷電流範囲で高効率かつ温度バラツキ、プロセスバラツキに頑健な昇圧DCDCコンバータ(電圧発生回路)を実現することができる。 As described in detail above, according to the semiconductor device and the voltage generation method according to the present embodiment, a step-up DCDC converter (voltage generation circuit) that is highly efficient and robust against temperature variation and process variation over a wide range of load current can be used. It can be realized.

[第2の実施の形態]
図13から図24を参照して本実施の形態に係る半導体装置、及び電圧発生方法について説明する。本実施の形態は、本発明を所定の電圧を降圧して出力電圧を生成する降圧DCDCコンバータ(電圧発生回路)に適用した形態である。図13に示すように本実施の形態に係る半導体装置20は、クロック生成部21、制御部22、降圧部23、参照電圧生成部24、比較部25を含んで構成されている。
[Second Embodiment]
A semiconductor device according to this embodiment and a voltage generation method will be described with reference to FIGS. 13 to 24. This embodiment is an embodiment in which the present invention is applied to a step-down DCDC converter (voltage generation circuit) that lowers a predetermined voltage to generate an output voltage. As shown in FIG. 13, the semiconductor device 20 according to the present embodiment includes a clock generation unit 21, a control unit 22, a step-down unit 23, a reference voltage generation unit 24, and a comparison unit 25.

降圧部(図13では「Step Down (Back) Converter」と表記)23は、降圧動作により出力電圧Out_DCを生成するDC、及びDCのMOSFETスイッチの駆動用信号を生成するSub-DCを含んで構成されている。参照電圧生成部(図13では「Reference Voltage Generator」と表記)24は降圧動作により参照(リファレンス)電圧Out_REFを生成するDC for REF、DC for REFのMOSFETスイッチの駆動用信号を生成するSub-DC for REFを含んで構成されている。比較部(図13では「Comparator for DC」と表記)25は出力電圧Out_DCと参照電圧Out_REFとを比較する。制御部(図13では「Control Logic for DC」と表記)22は半導体装置20の各回路ブロックを制御する。クロック生成部21は、クロック信号を生成するVCO for DC、及びVCOの周波数を制御するための電圧を生成するCP for DCを含んで構成されている。 The step-down section (denoted as “Step Down (Back) Converter” in FIG. 13) 23 includes a DC that generates an output voltage Out_DC by a step-down operation and a Sub-DC that generates a drive signal for a DC MOSFET switch. Has been done. The reference voltage generator (denoted as "Reference Voltage Generator" in FIG. 13) 24 generates a DC for REF that generates a reference voltage Out_REF by step-down operation, and a Sub-DC that generates a drive signal for a DC for REF MOSFET switch. It is configured to include for REF. The comparison unit (denoted as “Comparator for DC” in FIG. 13) 25 compares the output voltage Out_DC with the reference voltage Out_REF. The control unit (denoted as “Control Logic for DC” in FIG. 13) 22 controls each circuit block of the semiconductor device 20. The clock generation unit 21 includes a VCO for DC that generates a clock signal and a CP for DC that generates a voltage for controlling the frequency of the VCO.

図14はVCO for DCの回路図を示している。図14に示すVCO for DCの回路構成は図2に示すVCO for UCの回路構成と基本的に同じである。すなわち、Vbias_CPにより周波数を制御するN型MOSトランジスタnb01-nb07、リング発振部のインバータを構成するP型MOSトランジスタp01-p07とN型MOSトランジスタn01-n07、En_VCOによりVCOのオンオフを制御するN型MOSトランジスタn011-n014とP型MOSトランジスタp011-p014、出力容量である容量c01-c06、ダミー用トランジスタであるP型MOSトランジスタp08-p010とN型MOSトランジスタn08-n010、最終段のインバータを構成するP型MOSトランジスタp07とN型MOSトランジスタn07のゲインを向上させるN型MOSトランジスタn015で構成される。 FIG. 14 shows a circuit diagram of the VCO for DC. The circuit configuration of the VCO for DC shown in FIG. 14 is basically the same as the circuit configuration of the VCO for UC shown in FIG. That is, the N-type MOS transistor nb01-nb07 whose frequency is controlled by Vbias_CP, the P-type MOS transistor p01-p07 and N-type MOS transistor n01-n07 which constitute the inverter of the ring oscillation section, and the N-type which controls the on / off of VCO by En_VCO. The MOS transistor n011-n014 and P-type MOS transistor p011-p014, the output capacitance c01-c06, the dummy transistor P-type MOS transistor p08-p010 and N-type MOS transistor n08-n010, and the final stage inverter are configured. It is composed of a P-type MOS transistor p07 and an N-type MOS transistor n015 that improves the gain of the N-type MOS transistor n07.

VCO for DCの動作は以下のとおりである。すなわち、Enb_VCOがHighからLowに立ち下がるとVCO for DCは動作を開始しクロック信号であるClk_VCOを出力する。クロック信号Clk_VCOの周波数は主にVbias_CPの電位及び容量c01-c06の容量値で決まる。図13に示すように、VCO for DCで生成されたクロック信号Clk_VCOは制御部22に供給される。 The operation of VCO for DC is as follows. That is, when the Enb_VCO falls from High to Low, the VCO for DC starts operating and outputs the clock signal Clk_VCO. The frequency of the clock signal Clk_VCO is mainly determined by the potential of Vbias_CP and the capacitance value of the capacitance c01-c06. As shown in FIG. 13, the clock signal Clk_VCO generated by the VCO for DC is supplied to the control unit 22.

図15はCP for DCの回路図を示している。図15に示すようにCP for DCは電流生成用のチャージポンプ部を構成するP型MOSトランジスタp13とN型MOSトランジスタn13、容量c11、カレントミラー部を構成するP型MOSトランジスタp11とp12及びN型MOSトランジスタn11とn12、カレントミラー部を構成する安定化のための容量c12とc13、Vbias_CPを制御するチャージポンプ部を構成するP型MOSトランジスタp14とN型MOSトランジスタn14、容量c14、Rstb_CPによりVbias_CPをHighレベルにリセットするP型MOSトランジスタp15を含んで構成されている。 FIG. 15 shows a circuit diagram of CP for DC. As shown in FIG. 15, CP for DC consists of P-type MOS transistors p13 and N-type MOS transistors n13, which form a current generation charge pump section, a capacitance c11, and P-type MOS transistors p11 and p12 and N which form a current mirror section. Type MOS transistors n11 and n12, capacitances c12 and c13 for stabilization that make up the current mirror section, P-type MOS transistors p14 and N-type MOS transistors n14 that make up the charge pump section that controls Vbias_CP, capacitance c14, and Rstb_CP It is configured to include a P-type MOS transistor p15 that resets Vbias_CP to the High level.

次にCP for DCの動作を説明する。電流生成用のチャージポンプ部はクロック信号Clk_VCOが常に入力されているため、所定の定電流が定常的に流れている。その電流値はクロック信号Clk_VCOの周波数と容量c11に依存する。該電流はカレントミラーを通してVbias_CPを制御するチャージポンプ部に供給される。そして比較部出力Out_COMPがLowの場合は、N型MOSトランジスタn14がオンし、N型MOSトランジスタn12からシンク電流が流れる。そのため出力容量c14が放電され、Vbias_CPが下がる。一方比較部出力Out_COMPがHighの場合は、P型MOSトランジスタp14がオンし、P型MOSトランジスタp12からソース電流が流れる。そのため出力容量c14が充電され、Vbias_CPが上昇する。以上の動作によってVCO for DCの周波数が制御される。 Next, the operation of CP for DC will be described. Since the clock signal Clk_VCO is always input to the charge pump unit for current generation, a predetermined constant current is constantly flowing. Its current value depends on the frequency and capacitance c11 of the clock signal Clk_VCO. The current is supplied to the charge pump unit that controls Vbias_CP through the current mirror. When the comparison unit output Out_COMP is Low, the N-type MOS transistor n14 is turned on, and a sink current flows from the N-type MOS transistor n12. Therefore, the output capacity c14 is discharged and Vbias_CP drops. On the other hand, when the comparison unit output Out_COMP is High, the P-type MOS transistor p14 is turned on and the source current flows from the P-type MOS transistor p12. Therefore, the output capacity c14 is charged and Vbias_CP rises. The frequency of VCO for DC is controlled by the above operation.

図16は制御部22(Control Logic for DC)の回路図を示している。図16に示すように制御部22(Control Logic for DC)は、昇圧用信号生成部26とリファレンス用信号生成部27を備えている。 FIG. 16 shows a circuit diagram of the control unit 22 (Control Logic for DC). As shown in FIG. 16, the control unit 22 (Control Logic for DC) includes a boosting signal generation unit 26 and a reference signal generation unit 27.

昇圧用信号生成部26は1/2分周器220、3個のインバータ、2個ずつのAND回路及びNAND回路を含んで構成されたオーバーラップ信号生成部221、2個のDラッチ回路で構成されたDラッチ部222、2個のインバータで構成されたインバータ部223を備えている。 The boost signal generation unit 26 is composed of an overlap signal generation unit 221, which is composed of a 1/2 frequency divider 220, three inverters, two AND circuits, and a NAND circuit, and two D latch circuits. The D latch unit 222 is provided with an inverter unit 223 composed of two inverters.

昇圧用信号生成部26ではクロック信号Clk_VCOを1/2分周器220で1/2に分周した信号を用い、オーバーラップ信号生成部221でオーバーラップ信号Q_1及びQb_1、Q_2及びQb_2を生成する。Q_2及びQb_2はDラッチ部222の動作によって比較部出力Out_COMPがHighのときのみ出力される。インバータ部223はQ_2、Qb_2の論理を変換する。 The boost signal generation unit 26 uses a signal obtained by dividing the clock signal Clk_VCO by 1/2 by the 1/2 divider 220, and the overlap signal generation unit 221 generates overlap signals Q_1, Qb_1, Q_2, and Qb_2. .. Q_2 and Qb_2 are output only when the comparison unit output Out_COMP is High due to the operation of the D latch unit 222. The inverter unit 223 converts the logic of Q_2 and Qb_2.

リファレンス用信号生成部27は1/4分周器224、3個のインバータ、2個ずつのAND回路及びNAND回路を含んで構成されたオーバーラップ信号生成部225、1個ずつのAND回路及びNAND回路を含んで構成されたカウンタ部226、2個のDラッチ回路で構成されたDラッチ部227、トリミング信号生成部228、229を備えている。 The reference signal generation unit 27 is a 1/4 divider 224, 3 inverters, an overlap signal generation unit 225 including two AND circuits and a NAND circuit, and one AND circuit and NAND. It includes a counter unit 226 including a circuit, a D latch unit 227 composed of two D latch circuits, and a trimming signal generation unit 228 and 229.

リファレンス用信号生成部27ではクロック信号Clk_VCOを1/2分周器220及び1/4分周器224によって1/8に分周した信号を用い、オーバーラップ信号Q_1_REF及びQb_1_REF、Q_2_REF[6:0]及びQb_2_REF[6:0]を生成する。Q_2_REF[6:0]及びQb_2_REF[6:0]は、トリミング信号Trim_REF [6:0]によってどの信号を出力するかが選択される。その選択した信号は3ビットのカウンタ部226が“111”となった場合にのみ出力される。 In the reference signal generation unit 27, the clock signal Clk_VCO is divided into 1/8 by the 1/2 divider 220 and the 1/4 divider 224, and the overlap signals Q_1_REF, Qb_1_REF, and Q_2_REF [6: 0] ] And Qb_2_REF [6: 0] are generated. For Q_2_REF [6: 0] and Qb_2_REF [6: 0], which signal is output is selected by the trimming signal Trim_REF [6: 0]. The selected signal is output only when the 3-bit counter unit 226 becomes “111”.

図17にSub-DCの回路図を示している。図17に示すように、Sub-DCはVSSからVDDだけ降圧するチャージポンプ部を構成するP型MOSトランジスタp21、p22、容量c21、c22、-VDDからVDDまでの振幅の信号を生成するN型MOSトランジスタn21、n22、P型MOSトランジスタp23、p24を含んで構成されている。Sub-DCは入力されたQ_1、Qb_1に基づいてQ_3、Qb_3を生成し、UCに供給する(図13参照)。 FIG. 17 shows a circuit diagram of Sub-DC. As shown in FIG. 17, the Sub-DC is an N-type MOS transistor p21, p22, capacitance c21, c22, and an N-type that generates a signal having an amplitude from-VDD to VDD, which constitutes a charge pump unit that steps down by VDD from VSS. It is configured to include MOS transistors n21 and n22, and P-type MOS transistors p23 and p24. Sub-DC generates Q_3 and Qb_3 based on the input Q_1 and Qb_1 and supplies them to UC (see FIG. 13).

図18はSub-DC for REFの回路図を示している。図18に示すようにSub-DC for REFの回路構成は図17に示すSub_DCの回路構成と同様である。Sub-DC for REFは入力されたQ__1_REF、Qb_1_REFに基づいてQ_3_REF、Qb_3_REFを生成し、UCに供給する(図13参照)。 FIG. 18 shows a circuit diagram of Sub-DC for REF. As shown in FIG. 18, the circuit configuration of Sub-DC for REF is the same as the circuit configuration of Sub_DC shown in FIG. Sub-DC for REF generates Q_3_REF and Qb_3_REF based on the input Q__1_REF and Qb_1_REF and supplies them to UC (see FIG. 13).

図19(a)はSub-DCのタイムチャートを、図19(b)はSub-DC for REFのタイムチャートを各々示している。 FIG. 19A shows a Sub-DC time chart, and FIG. 19B shows a Sub-DC for REF time chart.

図19(a)に示すように、VSSからVDDだけ降圧するチャージポンプ部(図17参照)は容量c21及びc22にQb_1及びQ_1の信号が入力されると、Vb_1及びV_1がQb_1及びQ_1に同期して-VDDからVSSの間で振れる。Vb_1が-VDD及びV_1がVSSの場合は、Qb_1がLow(=VSS)及びQ_1がHigh(=VDD)であるため、P型MOSトランジスタp23がオフ及びN型MOSトランジスタn21がオンとなり、P型MOSトランジスタp24がオン及びN型MOSトランジスタn22がオフし、Qb_3は-VDD及びQ_3はVDDとなる。一方Vb_1がVSS及びV_1が-VDDの場合は、Qb_1がHigh(=VDD)及びQ_1がLow(=VSS)であるため、P型MOSトランジスタp23がオン及びN型MOSトランジスタn21がオフとなり、P型MOSトランジスタp24がオフ及びN型MOSトランジスタn22がオンとなり、Qb_3はVDD及びQ_3は-VDDとなる。図19(b)に示すように、Sub-DC for REFはこれと同様の動作をクロック信号Clk_VCOの1/8分周信号で行う。 As shown in FIG. 19A, the charge pump unit (see FIG. 17) that steps down by VDD from VSS synchronizes Vb_1 and V_1 with Qb_1 and Q_1 when the signals of Qb_1 and Q_1 are input to the capacities c21 and c22. Then it swings between-VDD and VSS. When Vb_1 is-VDD and V_1 is VSS, Qb_1 is Low (= VSS) and Q_1 is High (= VDD), so the P-type MOS transistor p23 is off and the N-type MOS transistor n21 is on, and P-type. The MOS transistor p24 is turned on and the N-type MOS transistor n22 is turned off, and Qb_3 is-VDD and Q_3 is VDD. On the other hand, when Vb_1 is VSS and V_1 is-VDD, Qb_1 is High (= VDD) and Q_1 is Low (= VSS), so the P-type MOS transistor p23 is turned on and the N-type MOS transistor n21 is turned off. The type MOS transistor p24 is turned off and the N type MOS transistor n22 is turned on, and Qb_3 is VDD and Q_3 is-VDD. As shown in FIG. 19B, Sub-DC for REF performs the same operation with the 1/8 divided signal of the clock signal Clk_VCO.

図20はDC for REFの回路図を示している。図20に示すように、DC for REFはリファレンス用チャージポンプ部のトリミング用の容量ctとP型MOSトランジスタp41、p42、N型MOSトランジスタn41、n42を含んで構成されている。DC for REFはQ_2_REF[6:0]及びQb_2_REF[6:0]に基づいて参照電圧Out_REFを生成する(図13も参照)。 FIG. 20 shows a circuit diagram of DC for REF. As shown in FIG. 20, the DC for REF includes a trimming capacitance ct of the reference charge pump unit and P-type MOS transistors p41 and p42, and N-type MOS transistors n41 and n42. DC for REF generates a reference voltage Out_REF based on Q_2_REF [6: 0] and Qb_2_REF [6: 0] (see also FIG. 13).

図21はDC for REFのタイムチャートを示している。DC for REFは16パルス中14パルスだけOut_REFをディスチャージし、16パルス中2パルスだけOut_REFをチャージする。ディスチャージ時はQ_3_REF、Qb_3_REF及びQ_2_REF[6:0]、Qb_2_REF[6:0]が動作しており、チャージ時はQ_3_REF、Qb_3_REFのみが動作している。また1パルス時のディスチャージ量はトリミング信号Trim_REF[6:0]のコード値が高いほど大きくなり最大でVDD×127ct、チャージ量は常にVDD×127ctである。ただし、ctは図20に示す容量ctの容量値とする。以上から、参照電圧Out_REFは以下に示す(式2)で表現される。

Figure 0007067841000002

ただしN0からN6はトリミング信号Trim_REF[6:0]のトリミングコード値を表している。(式2)から、Out_REFは-0.778×VDDからVSSまでトリミングで調整が可能である。その結果参照電圧Out REFの電圧値はプロセス(製造)バラつき及び温度バラツキの影響が抑制されている。 FIG. 21 shows a DC for REF time chart. DC for REF discharges Out_REF only 14 out of 16 pulses and charges Out_REF only 2 out of 16 pulses. Q_3_REF, Qb_3_REF and Q_2_REF [6: 0], Qb_2_REF [6: 0] are operating at the time of discharge, and only Q_3_REF, Qb_3_REF is operating at the time of charging. The discharge amount at one pulse increases as the code value of the trimming signal Trim_REF [6: 0] increases, and the maximum is VDD × 127 ct, and the charge amount is always VDD × 127 ct. However, ct is a capacity value of the capacity ct shown in FIG. From the above, the reference voltage Out_REF is expressed by (Equation 2) shown below.
Figure 0007067841000002

However, N 0 to N 6 represent the trimming code value of the trimming signal Trim_REF [6: 0]. From (Equation 2), Out_REF can be adjusted by trimming from -0.778 × VDD to VSS. As a result, the voltage value of the reference voltage Out REF is suppressed from the influence of process (manufacturing) variation and temperature variation.

図22はDCの回路図を示している。図22に示すように、DCはチャージポンプ部の容量c51、P型MOSトランジスタp51、N型MOSトランジスタn51、及び容量c52、P型MOSトランジスタp52、N型MOSトランジスタn52、チャージポンプをオン、オフするスイッチであるN型MOSトランジスタn53、該スイッチのゲート信号を生成するレベルシフタ回路(図22では、「Level Shifter」と表記)を含んで構成されている。 FIG. 22 shows a circuit diagram of DC. As shown in FIG. 22, DC turns on and off the charge pump capacity c51, P-type MOS transistor p51, N-type MOS transistor n51, and capacity c52, P-type MOS transistor p52, N-type MOS transistor n52, and charge pump. It is configured to include an N-type MOS transistor n53, which is a switch, and a level shifter circuit (denoted as “Level Shifter” in FIG. 22) that generates a gate signal of the switch.

図23はDCのタイムチャートを示している。図23を参照してDCの動作を説明する。DCは出力電圧Out_DCが参照電圧Out_REF(図23では「Vref」と表記)よりも高いと比較部出力Out_COMPがHighとなり容量CDCを介してOut_DCをディスチャージする。また出力電圧Out_DCが参照電圧Out_REFよりも低いと比較部出力Out_COMPがLowとなり、DCはディスチャージ動作を停止する。ディスチャージ時はQ_3、Qb_3及びQ_2、Qb_2が動作しており、停止時はQ_2、Qb_2及びスイッチであるN型MOSトランジスタn53がオフとなっている。動作周波数、すなわちクロック信号Clk_VCOの周波数は出力電圧Out_DCが参照電圧Out_REFに近づいていくと徐々に下がっていき、最終的にチャージポンプ部の出力インピーダンスと出力負荷のインピーダンスが等しくなる均衡点に調整される。 FIG. 23 shows a DC time chart. The operation of the DC will be described with reference to FIG. 23. For DC, when the output voltage Out_DC is higher than the reference voltage Out_REF (denoted as “Vref” in FIG. 23), the comparison unit output Out_COMP becomes High and Out_DC is discharged via the capacitance C DC . If the output voltage Out_DC is lower than the reference voltage Out_REF, the comparison unit output Out_COMP becomes Low, and the DC stops the discharge operation. At the time of discharge, Q_3, Qb_3 and Q_2, Qb_2 are operating, and at the time of stop, Q_2, Qb_2 and the N-type MOS transistor n53, which is a switch, are turned off. The operating frequency, that is, the frequency of the clock signal Clk_VCO, gradually decreases as the output voltage Out_DC approaches the reference voltage Out_REF, and is finally adjusted to the equilibrium point where the output impedance of the charge pump section and the impedance of the output load become equal. To.

図24は比較部25(Comparator for DC)の回路図を示している。図24に示すように比較部25(Comparator for DC)は、インバータラッチ部のP型MOSトランジスタp61、N型MOSトランジスタn61、P型MOSトランジスタp62、N型MOSトランジスタn62、動作とリセットを制御するスイッチであるN型MOSトランジスタn63、P型MOSトランジスタp63、p64、安定動作用の容量c61とc62、NAND型のRS-FFを含んで構成されている。比較部25(Comparator for DC)の回路はトランジスタの縦積み数を3段に抑えているため、低電圧動作に好適である。ここで本比較部25(Comparator for DC)ではN型MOSトランジスタn61とn62のバックゲート端子を入力端子とする構成のため、入力電位がVSSよりも高くなると寄生ダイオードがオンとなり、順方向電流が流れ出すことも想定される。そのため、入力電位はVSSよりも低く設定する必要があるが、本実施の形態ではVSSよりも低い電位しか扱わないため上記現象が問題になることはない。 FIG. 24 shows a circuit diagram of the Comparator for DC. As shown in FIG. 24, the comparison unit 25 (Comparator for DC) controls the operation and reset of the P-type MOS transistor p61, N-type MOS transistor n61, P-type MOS transistor p62, and N-type MOS transistor n62 of the inverter latch unit. It is configured to include N-type MOS transistors n63, P-type MOS transistors p63, p64, which are switches, capacitances c61 and c62 for stable operation, and NAND type RS-FF. Since the circuit of the comparator 25 (Comparator for DC) suppresses the number of vertically stacked transistors to three stages, it is suitable for low voltage operation. Here, since the comparison unit 25 (Comparator for DC) has a configuration in which the back gate terminals of the N-type MOS transistors n61 and n62 are used as input terminals, when the input potential becomes higher than VSS, the parasitic diode is turned on and the forward current is increased. It is also expected to flow out. Therefore, it is necessary to set the input potential lower than VSS, but in this embodiment, since only the potential lower than VSS is handled, the above phenomenon does not become a problem.

比較部25(Comparator for DC)の動作は以下のとおりである。すなわち比較部25はクロック信号Clk_VCOの立ち上がりのタイミングで大小判定を行い、出力電圧Out_DCが参照電圧Out_REF(=Vref)を上回っている状態では比較部出力Out_COMPはHighを出力し、下回っている状態ではLowを出力する。比較部25は以上の動作によって比較結果である比較部出力Out_COMPを生成し、図13に示すように、DC、CP for DC、及び制御部22に出力する。タイムチャートは図23で説明したとおりである。 The operation of the comparison unit 25 (Comparator for DC) is as follows. That is, the comparison unit 25 determines the magnitude at the rising timing of the clock signal Clk_VCO, and when the output voltage Out_DC exceeds the reference voltage Out_REF (= Vref), the comparison unit output Out_COMP outputs High, and when the output voltage Out_DC is below the reference voltage Out_REF (= Vref), the comparison unit output Out_COMP outputs High. Output Low. The comparison unit 25 generates the comparison unit output Out_COMP, which is the comparison result, by the above operation, and outputs it to the DC, CP for DC, and the control unit 22 as shown in FIG. The time chart is as described in FIG.

次に半導体装置20の全体の動作について説明する。まず、半導体装置20が動作が開始するとCP for DC内のRstb_CPがLowからHigh、VCO for DC内のEnb_VCOがHighからLowとなる。このとき、CP for DCの出力Vbias_CPはVDDレベルまで電位が上昇している。従って、クロック信号Clk_VCOは高い周波数のクロック信号となっている。クロック信号Clk_VCOは制御部22(Control Logic for DC)及び比較部25(Comparator for DC)に入力される。 Next, the overall operation of the semiconductor device 20 will be described. First, when the semiconductor device 20 starts operation, Rstb_CP in the CP for DC changes from Low to High, and Enb_VCO in the VCO for DC changes from High to Low. At this time, the potential of the output Vbias_CP of CP for DC has risen to the VDD level. Therefore, the clock signal Clk_VCO is a high frequency clock signal. The clock signal Clk_VCO is input to the control unit 22 (Control Logic for DC) and the comparison unit 25 (Comparator for DC).

制御部22(Control Logic for DC)はクロック信号Clk_VCOに同期した信号Q_1、Qb_1、Q_2、Qb_2及びQ_1_REF、Qb_1_REF、Q_2_REF[6:0]、Qb_2_REF[6:0]を出力する。Q_1、Qb_1及びQ_1_REF、Qb_1_REFはSub-DC及びSub-DC for REFに入力され、Q_3、Qb_3及びQ_3_REF、Qb_3_REFを生成する。Q_2_REF[6:0]、Qb_2_REF[6:0]及びQ_3_REF、Qb_3_REFはDC_for_REFに入力され、参照電圧Out_REFはトリミング信号Trim_REF[6:0]で設定した値に収束する。Q_2、Qb_2及びQ_3、Qb_3はDCに入力され、徐々に参照電圧Out_REFの値に近づいていく。通常は、容量CUCの容量値は容量CREFの容量値よりも大きく設定されているので、先に参照電圧Out_REFが収束し、それを出力電圧Out_DCが追いかける状態となる。 The control unit 22 (Control Logic for DC) outputs signals Q_1, Qb_1, Q_2, Qb_2 and Q_1_REF, Qb_1_REF, Q_2_REF [6: 0], Qb_2_REF [6: 0] synchronized with the clock signal Clk_VCO. Q_1, Qb_1 and Q_1_REF, Qb_1_REF are input to Sub-DC and Sub-DC for REF to generate Q_3, Qb_3 and Q_3_REF, Qb_3_REF. Q_2_REF [6: 0], Qb_2_REF [6: 0], Q_3_REF, and Qb_3_REF are input to DC_for_REF, and the reference voltage Out_REF converges to the value set by the trimming signal Trim_REF [6: 0]. Q_2, Qb_2, Q_3, and Qb_3 are input to DC and gradually approach the value of the reference voltage Out_REF. Normally, the capacitance value of the capacitance C UC is set larger than the capacitance value of the capacitance C REF , so that the reference voltage Out_REF converges first, and the output voltage Out_DC follows it.

出力電圧Out_DCが参照電圧Out_REFを下回ると、クロック信号Clk_VCOの立ち上がりのタイミングで比較部25(Comparator for DC)からの比較部出力Out_COMPがHighからLowに立ち下がる。このとき、CP for DC内の容量C14(図15参照)は放電状態となりVbias_CPが徐々に下がっていく。従ってクロック信号Clk_VCOの周波数も共に下がっていく。また、DCはQ_2、Qb_2及びスイッチであるN型MOSトランジスタn53がオフとなるので、容量CDCへの放電が停止する。この状態でOut_DCに負荷が接続されているとOut_DCは徐々に上昇し、一定時間の経過後に参照電圧Out_REFを上回る。出力電圧Out_DCが参照電圧Out_REFを上回るとクロック信号Clk_VCOの立ち上がりのタイミングで比較部25(Comparator for DC)からの比較部出力Out_COMPがLowからHighに立ち上がる。このときCP for DC内の容量C14は充電状態となりVbias_CPが徐々に上昇する。従ってクロック信号Clk_VCOの周波数も共に上昇する。 When the output voltage Out_DC falls below the reference voltage Out_REF, the comparison unit output Out_COMP from the comparator 25 (Comparator for DC) drops from High to Low at the rising timing of the clock signal Clk_VCO. At this time, the capacity C14 (see FIG. 15) in the CP for DC is in a discharged state, and Vbias_CP gradually decreases. Therefore, the frequency of the clock signal Clk_VCO also decreases. Further, since the Q_2, Qb_2 and the N-type MOS transistor n53, which is a switch, are turned off in the DC, the discharge to the capacitance C DC is stopped. If a load is connected to Out_DC in this state, Out_DC gradually rises and exceeds the reference voltage Out_REF after a certain period of time. When the output voltage Out_DC exceeds the reference voltage Out_REF, the comparison unit output Out_COMP from the comparison unit 25 (Comparator for DC) rises from Low to High at the rising timing of the clock signal Clk_VCO. At this time, the capacity C14 in CP for DC becomes charged and Vbias_CP gradually increases. Therefore, the frequency of the clock signal Clk_VCO also rises.

以上の動作を繰り返すことによって最終的に出力電圧Out_DCが参照電圧Out_REFの平均値に収束し、比較部出力Out_COMPのLowとHighのデューティが等しくなる。そして、この状態では容量CDCへの放電量とOut_DCに接続された負荷からの充電量が等しくなっている。つまり、回路の効率が最大になる最適値にクロック信号Clk_VCOの周波数が自動的に調整される。仮にOut_DCに接続された負荷が変化したとしても、その負荷変動にクロック信号Clk_VCOの周波数が追従し、その結果回路の効率が最適値に調整される。 By repeating the above operation, the output voltage Out_DC finally converges to the average value of the reference voltage Out_REF, and the Low and High duties of the comparison unit output Out_COMP become equal. In this state, the amount of discharge to the capacitance C DC and the amount of charge from the load connected to Out_DC are equal. That is, the frequency of the clock signal Clk_VCO is automatically adjusted to the optimum value that maximizes the efficiency of the circuit. Even if the load connected to Out_DC changes, the frequency of the clock signal Clk_VCO follows the load fluctuation, and as a result, the efficiency of the circuit is adjusted to the optimum value.

以上詳述したように、本実施の形態に係る半導体装置、及び電圧発生方法によれば、DC for REFはVSSよりも低い低電圧を生成でき、さらに(式2)に基づいて参照(リファレンス)電圧Out_REFをトリミングによって調整可能となっている。その結果、参照電圧Out refはプロセス(製造)変動及び温度変動に対し頑健(ロバスト)である。さらにDCは参照電圧Out_REFの平均値と等しい電圧で、かつ出力負荷に等しい出力インピーダンスを介して出力電圧Out_DCを出力する。該出力インピーダンスの調整は内部に搭載されたVCO for DCの出力であるクロック信号Clk_VCOの周波数を自動的に変化させることで行われる。つまり、クロック信号Clk_VCOの周波数は出力が低負荷時には低くなり、高負荷時には高くなる。以上のように本実施の形態に係る半導体装置に搭載されたすべての回路ブロックがクロック信号Clk_VCOに同期して動作するので、広範囲の負荷領域で高効率な動作が達成されている。 As described in detail above, according to the semiconductor device and the voltage generation method according to the present embodiment, DC for REF can generate a lower voltage than VSS, and further refer to (reference) based on (Equation 2). The voltage Out_REF can be adjusted by trimming. As a result, the reference voltage Out ref is robust against process (manufacturing) and temperature fluctuations. In addition, DC outputs the output voltage Out_DC at a voltage equal to the mean of the reference voltage Out_REF and through an output impedance equal to the output load. The output impedance is adjusted by automatically changing the frequency of the clock signal Clk_VCO, which is the output of the VCO for DC mounted inside. That is, the frequency of the clock signal Clk_VCO is low when the output is low and high when the output is high. As described above, since all the circuit blocks mounted on the semiconductor device according to the present embodiment operate in synchronization with the clock signal Clk_VCO, highly efficient operation is achieved in a wide load region.

以上より、本実施の形態に係る半導体装置、及び電圧発生方法を採用することにより、幅広い負荷電流範囲で高効率かつプロセス(製造)バラツキ、温度バラツキに頑健(ロバスト)な降圧型のDCDCコンバータを実現することができる。 Based on the above, by adopting the semiconductor device and the voltage generation method according to the present embodiment, a step-down DCDC converter that is highly efficient in a wide load current range and robust against process (manufacturing) variations and temperature variations can be obtained. It can be realized.

[第3の実施の形態]
図25から図28を参照して、本実施の形態に係る半導体装置、及び電圧発生方法について説明する。図25及び図26は、本発明を所定の電圧を昇圧して出力電圧を生成する昇圧DCDCコンバータ(電圧発生回路)に適用した形態である。一方、図27及び図28は、本発明を所定の電圧を降圧して出力電圧を生成する降圧DCDCコンバータ(電圧発生回路)に適用した形態である。
[Third Embodiment]
The semiconductor device and the voltage generation method according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 25 to 28. 25 and 26 are embodiments in which the present invention is applied to a step-up DCDC converter (voltage generation circuit) that boosts a predetermined voltage to generate an output voltage. On the other hand, FIGS. 27 and 28 show a form in which the present invention is applied to a step-down DCDC converter (voltage generation circuit) that lowers a predetermined voltage to generate an output voltage.

図25及び図26を参照して本実施の形態に係る昇圧DCDCコンバータ(電圧発生回路)について説明する。図25は本実施の形態に係る半導体装置30を示し、図26は半導体装置30を構成する回路ブロックのうちのVCO for UCの回路図を示している。図25に示すように本実施の形態に係る半導体装置30は、クロック生成部31、制御部32、昇圧部33、参照電圧生成部34、比較部35を含んで構成されている。クロック生成部31、制御部32、昇圧部33、参照電圧生成部34、比較部35の各々の基本的な構成は図1に示す半導体装置10のクロック生成部11、制御部12、昇圧部13、参照電圧生成部14、比較部15と同様なので、以下半導体装置10との差異点を中心に説明する。 A step-up DCDC converter (voltage generation circuit) according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 25 and 26. FIG. 25 shows the semiconductor device 30 according to the present embodiment, and FIG. 26 shows a circuit diagram of the VCO for UC among the circuit blocks constituting the semiconductor device 30. As shown in FIG. 25, the semiconductor device 30 according to the present embodiment includes a clock generation unit 31, a control unit 32, a booster unit 33, a reference voltage generation unit 34, and a comparison unit 35. The basic configuration of each of the clock generation unit 31, the control unit 32, the booster unit 33, the reference voltage generation unit 34, and the comparison unit 35 is the clock generation unit 11, the control unit 12, and the booster unit 13 of the semiconductor device 10 shown in FIG. Since it is the same as the reference voltage generation unit 14 and the comparison unit 15, the differences from the semiconductor device 10 will be mainly described below.

図25に示すように、半導体装置30ではVCO for UCに対して出力電圧Out_UCをフィードバックしている点が半導体装置10と大きく異なる。そして、図26に示すように出力電圧Out_UCはVCO for UCのP型MOSトランジスタpb01~pb07のバックゲート端子に入力されている。 As shown in FIG. 25, the semiconductor device 30 is significantly different from the semiconductor device 10 in that the output voltage Out_UC is fed back to the VCO for UC. Then, as shown in FIG. 26, the output voltage Out_UC is input to the back gate terminals of the P-type MOS transistors pb01 to pb07 of the VCO for UC.

半導体装置10では比較部15(Comparator for UC)の速度が出力電圧Out_UCの電圧値に依存する。例えばOut_UCの電位がより高くなると、比較部15(Comparator for UC)の速度がより遅くなっていく。このように比較部15(Comparator for UC)の速度が遅い状態になると、VCO for UCの周波数に追い付けなくなり、不安定な状態に陥ることも想定される。 In the semiconductor device 10, the speed of the comparator 15 (Comparator for UC) depends on the voltage value of the output voltage Out_UC. For example, when the potential of Out_UC becomes higher, the speed of the comparison unit 15 (Comparator for UC) becomes slower. When the speed of the Comparator 15 (Comparator for UC) becomes slow in this way, it is assumed that the frequency of the VCO for UC cannot be caught up and the state becomes unstable.

そこで本実施の形態では出力電圧Out_UCをVCO for UCのP型MOSトランジスタpb01~pb07のバックゲート端子にフィードバックさせている。また、出力電圧Out_UCは比較部35(Comparator for UC)のP型MOSトランジスタp61、p62のバックゲート端子に入力されている(図12参照)。ここでP型MOSトランジスタpb01~pb07及びp61、p62のバックゲートの特性が同じになるように設定する。この場合、出力電圧Out_UCが高くなることで比較部35(Comparator for UC)の速度が低下するが、同様にVCO for UCの周波数も低下する。つまり、比較部35(Comparator for UC)の速度の低下に比例してVCO for UCの周波数も低下する。その結果、比較部35(Comparator for UC)がVCO for UCの周波数に追従できず、不安定な状態に陥ることが抑制される。 Therefore, in this embodiment, the output voltage Out_UC is fed back to the back gate terminals of the P-type MOS transistors pb01 to pb07 of the VCO for UC. Further, the output voltage Out_UC is input to the back gate terminals of the P-type MOS transistors p61 and p62 of the Comparator for UC (see FIG. 12). Here, the characteristics of the back gates of the P-type MOS transistors pb01 to pb07 and p61 and p62 are set to be the same. In this case, as the output voltage Out_UC increases, the speed of the Comparator for UC decreases, but the frequency of the VCO for UC also decreases. That is, the frequency of the VCO for UC decreases in proportion to the decrease in the speed of the comparison unit 35 (Comparator for UC). As a result, the comparison unit 35 (Comparator for UC) cannot follow the frequency of the VCO for UC, and it is suppressed from falling into an unstable state.

以上のように、本実施の形態によれば、比較部35(Comparator for UC)の速度に比例してVCO for UCの周波数を変化させることで、昇圧レベルがより高いポイントでも安定して回路を動作させることが可能となっている。 As described above, according to the present embodiment, by changing the frequency of the VCO for UC in proportion to the speed of the comparison unit 35 (Comparator for UC), a stable circuit can be provided even at a point where the boost level is higher. It is possible to operate it.

以上の技術思想を降圧DCDCコンバータに採用したのが、図27、図28に示す半導体装置40である。図27は本実施の形態に係る半導体装置40を示し、図28は半導体装置40を構成する回路ブロックのうちのVCO for DCの回路図を示している。図27に示すように本実施の形態に係る半導体装置40は、クロック生成部41、制御部42、降圧部43、参照電圧生成部44、比較部45を含んで構成されている。クロック生成部41、制御部42、降圧部43、参照電圧生成部44、比較部45の各々の基本的な構成は図13に示す半導体装置20のクロック生成部21、制御部22、降圧部23、参照電圧生成部24、比較部25と同様なので、以下半導体装置20との差異点を中心に説明する。 The semiconductor device 40 shown in FIGS. 27 and 28 adopts the above technical concept in the step-down DCDC converter. FIG. 27 shows the semiconductor device 40 according to the present embodiment, and FIG. 28 shows a circuit diagram of the VCO for DC among the circuit blocks constituting the semiconductor device 40. As shown in FIG. 27, the semiconductor device 40 according to the present embodiment includes a clock generation unit 41, a control unit 42, a step-down unit 43, a reference voltage generation unit 44, and a comparison unit 45. The basic configuration of each of the clock generation unit 41, the control unit 42, the step-down unit 43, the reference voltage generation unit 44, and the comparison unit 45 is the clock generation unit 21, the control unit 22, and the step-down unit 23 of the semiconductor device 20 shown in FIG. Since it is the same as the reference voltage generation unit 24 and the comparison unit 25, the differences from the semiconductor device 20 will be mainly described below.

図27に示すように半導体装置40ではVCO for DCに対して出力電圧Out_DCをフィードバックしている点が半導体装置20と異なっている。図28に示すように半導体装置40のVCO for DCでは、出力電圧Out_DCがN型MOSトランジスタnb01~nb07のバックゲート端子に入力されている。 As shown in FIG. 27, the semiconductor device 40 is different from the semiconductor device 20 in that the output voltage Out_DC is fed back to the VCO for DC. As shown in FIG. 28, in the VCO for DC of the semiconductor device 40, the output voltage Out_DC is input to the back gate terminals of the N-type MOS transistors nb01 to nb07.

半導体装置20では比較部25(Comparator for DC)の速度が出力電圧Out_DCの電圧値に依存する。例えば出力電圧Out_DCがより低くなると、比較部25(Comparator for DC)の速度がより遅くなる。このように比較部25(Comparator for DC)の速度が遅い状態になると、VCO for DCの周波数に追い付けなくなり、不安定な状態に陥ることも想定される。 In the semiconductor device 20, the speed of the comparator for DC depends on the voltage value of the output voltage Out_DC. For example, when the output voltage Out_DC becomes lower, the speed of the Comparator for DC becomes slower. When the speed of the Comparator for DC becomes slow in this way, it cannot keep up with the frequency of the VCO for DC, and it is assumed that an unstable state may occur.

そこで本実施の形態では、図28に示すように出力電圧Out_DCがVCO for DCのN型MOSトランジスタnb01~nb07のバックゲート端子にフィードバックされている。また、出力電圧Out_DCは比較部45(Comparator for DC)のN型MOSトランジスタn61、n62のバックゲート端子に入力されている(図24参照)。ここでN型MOSトランジスタnb01~nb07及びn61、n62のバックゲートの特性は同じになるように設定する。この場合、出力電圧Out_DCが低くなることで比較部45(Comparator for DC)の速度が低下するが、同様にVCO for DCの周波数も低下する。その結果、比較部45(Comparator for DC)の速度低下に比例してVCO for DCの周波数も低下するため、比較部45(Comparator for DC)がVCO for DCの周波数に追従できず、不安定な状態に陥ることが抑制される。 Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 28, the output voltage Out_DC is fed back to the back gate terminals of the N-type MOS transistors nb01 to nb07 of the VCO for DC. Further, the output voltage Out_DC is input to the back gate terminals of the N-type MOS transistors n61 and n62 of the Comparator for DC (see FIG. 24). Here, the characteristics of the back gates of the N-type MOS transistors nb01 to nb07 and n61 and n62 are set to be the same. In this case, the speed of the comparison unit 45 (Comparator for DC) decreases as the output voltage Out_DC decreases, but the frequency of the VCO for DC also decreases. As a result, the frequency of the VCO for DC also decreases in proportion to the decrease in the speed of the comparison unit 45 (Comparator for DC), so that the comparison unit 45 (Comparator for DC) cannot follow the frequency of the VCO for DC and is unstable. Falling into a state is suppressed.

以上のように、本実施の形態によれば、比較部45(Comparator for DC)の速度に比例してVCO for DCの周波数を変化させている。その結果、降圧レベルがより高い状態でも安定して回路を動作させることが可能となっている。 As described above, according to the present embodiment, the frequency of the VCO for DC is changed in proportion to the speed of the comparison unit 45 (Comparator for DC). As a result, it is possible to operate the circuit stably even when the step-down level is higher.

[第4の実施の形態]
図29から図35を参照して、半導体装置、及び電圧発生方法について説明する。本実施の形態は上記実施の形態に係る半導体装置を直列に接続してさらに高い(低い)出力電圧が得られるようにした形態である。すなわち図29(a)に示す半導体装置50は上記実施の形態に係る半導体装置10を直列に接続した形態である。一方、図29(b)に示す半導体装置60は上記実施の形態に係る半導体装置20を直列に接続した形態である。
半導体装置50あるいは60において、半導体装置10あるいは20の接続数は特に限定されない。また、半導体装置50あるいは60において、個別の半導体装置10あるいは20を配置する形態としてもよいし、半導体装置10あるいは20を集積化して1つの半導体装置とする形態としてもよい。
[Fourth Embodiment]
A semiconductor device and a voltage generation method will be described with reference to FIGS. 29 to 35. This embodiment is a mode in which the semiconductor devices according to the above embodiment are connected in series so that a higher (lower) output voltage can be obtained. That is, the semiconductor device 50 shown in FIG. 29A is a form in which the semiconductor devices 10 according to the above embodiment are connected in series. On the other hand, the semiconductor device 60 shown in FIG. 29B is a form in which the semiconductor devices 20 according to the above embodiment are connected in series.
In the semiconductor device 50 or 60, the number of connections of the semiconductor device 10 or 20 is not particularly limited. Further, in the semiconductor device 50 or 60, the individual semiconductor devices 10 or 20 may be arranged, or the semiconductor devices 10 or 20 may be integrated into one semiconductor device.

図29(a)は半導体装置10をM(Mは整数)段直列に接続した形態を例示しており、図29(a)において出力電圧Out_UC_1、Out_UC_2、・・・Out_UC_Mは、各々半導体装置10_1の出力、半導体装置10_2の出力、・・・、半導体装置10_Mの出力を示している。以下半導体装置10_Xの出力をOut_UC_xと表記する。一方、図29(b)は半導体装置20をM段直列に接続した形態を例示しており、図29(b)において出力電圧Out_DC_1、Out_DC_2、・・・Out_DC_Mは、各々半導体装置20_1の出力、半導体装置20_2の出力、・・・、半導体装置20_Mの出力を示している。以下半導体装置20_Xの出力をOut_DC_xと表記する。 FIG. 29 (a) exemplifies a form in which the semiconductor devices 10 are connected in series in M (M is an integer) stage. In FIG. 29 (a), the output voltages Out_UC_1, Out_UC_2, ... Out_UC_M are semiconductor devices 10_1, respectively. , The output of the semiconductor device 10_2, ..., The output of the semiconductor device 10_M is shown. Hereinafter, the output of the semiconductor device 10_X is referred to as Out_UC_x. On the other hand, FIG. 29 (b) illustrates a form in which the semiconductor devices 20 are connected in series in M stages, and in FIG. 29 (b), the output voltages Out_DC_1, Out_DC_2, ... Out_DC_M are the outputs of the semiconductor devices 20_1, respectively. The output of the semiconductor device 20_2, ..., The output of the semiconductor device 20_M is shown. Hereinafter, the output of the semiconductor device 20_X is referred to as Out_DC_x.

ここで、半導体装置10ではVDDからの昇圧、半導体装置20はVSSからの降圧に対応したものとなっている。そこで、図1に示す半導体装置10の昇圧部13(Step Up Convertor)、参照電圧生成部14(Reference Voltage Generator)及び比較部15(Comparator for UC)の構成を一部変更する。また、図13に示す半導体装置20の降圧部23(Step Down Convertor)、参照電圧生成部24(Reference Voltage Generator)及び比較部25(Comparator for DC)の構成を一部変更する。 Here, the semiconductor device 10 corresponds to the step-up from VDD, and the semiconductor device 20 corresponds to the step-down from VSS. Therefore, the configurations of the booster unit 13 (Step Up Convertor), the reference voltage generator unit 14 (Reference Voltage Generator), and the comparison unit 15 (Comparator for UC) of the semiconductor device 10 shown in FIG. 1 are partially changed. Further, the configurations of the step-down unit 23 (Step Down Convertor), the reference voltage generator unit 24 (Reference Voltage Generator), and the comparison unit 25 (Comparator for DC) of the semiconductor device 20 shown in FIG. 13 are partially changed.

図30(a)はSub-UCの回路図を、図30(b)はSub-UC for REFの回路図を各々示している。図31(a)はSub-DCの回路図を、図31(b)はSub-DC for REFの回路図を各々示している。図32(a)はDC for REFの回路図を、図32(b)はUC for REFの回路図を各々示している。図33(a)はDCの回路図を、図33(b)はUCの回路図を各々示している。図34はComparator for DCの回路図を、図35はComparator for UCの回路図を各々示している。 FIG. 30A shows a circuit diagram of Sub-UC, and FIG. 30B shows a circuit diagram of Sub-UC for REF. FIG. 31 (a) shows a circuit diagram of Sub-DC, and FIG. 31 (b) shows a circuit diagram of Sub-DC for REF. FIG. 32 (a) shows a circuit diagram of DC for REF, and FIG. 32 (b) shows a circuit diagram of UC for REF. FIG. 33 (a) shows a circuit diagram of DC, and FIG. 33 (b) shows a circuit diagram of UC. FIG. 34 shows a circuit diagram of Comparator for DC, and FIG. 35 shows a circuit diagram of Comparator for UC.

図30(a)に示すSub-UCはOut_UC_xからVDDだけ昇圧するチャージポンプ部のN型MOSトランジスタn23、n24、容量c23、c24、Out_UC_xからVDDだけ降圧するチャージポンプ部のP型MOSトランジスタp21、p22、容量c21、c22を含んで構成されている。またQ3及びQb3からはOut_UC_x-VDDからOut_UC_x+VDDの振幅を持つ信号が出力される。以上の構成は図30(b)に示すSub-UC for REF及び図31(a)に示すSub-DC、図31(b)に示すSub-DC for REFでも同様である。 The Sub-UC shown in FIG. 30 (a) is an N-type MOS transistor n23, n24, capacitance c23, c24 of the charge pump section that boosts the voltage from Out_UC_x by VDD, and a P-type MOS transistor p21 of the charge pump section that steps down by VDD from Out_UC_x. It is composed of p22, capacity c21, and c22. Further, from Q3 and Qb3, a signal having an amplitude of Out_UC_x + VDD is output from Out_UC_x- VDD. The above configuration is the same for the Sub-UC for REF shown in FIG. 30 (b), the Sub-DC shown in FIG. 31 (a), and the Sub-DC for REF shown in FIG. 31 (b).

図32(a)に示すDC for REFについては、図20に示す半導体装置20のDC for REFにおいて入力がVSSからOut_DC_xに変更されている。また図32(b)に示すUC for REFについては、図8に示す半導体装置10のUC for REFにおいて入力がVDDからOut_UC_xに変更されている。また図33(a)に示すDCについては、図22に示す半導体装置20のDCにおいて入力がVSSからOut_DC_xに変更され、また図33(b)に示すUCについては、図10に示す半導体装置10のUCにおいて入力がVSSからOut_DC_xに変更されている。さらに図34に示すComparator for DCについては、図24に示すComparator for DCのVSSがOut_UC_xに、図35に示すComparator for UCについては、図12に示すComparator for UCのVDDがOut_DC_xに変更されている。 Regarding the DC for REF shown in FIG. 32 (a), the input is changed from VSS to Out_DC_x in the DC for REF of the semiconductor device 20 shown in FIG. Regarding the UC for REF shown in FIG. 32 (b), the input is changed from VDD to Out_UC_x in the UC for REF of the semiconductor device 10 shown in FIG. Further, for the DC shown in FIG. 33 (a), the input is changed from VSS to Out_DC_x in the DC of the semiconductor device 20 shown in FIG. 22, and for the UC shown in FIG. 33 (b), the semiconductor device 10 shown in FIG. The input has been changed from VSS to Out_DC_x in UC. Further, for the Comparator for DC shown in FIG. 34, the VSS of the Comparator for DC shown in FIG. 24 is changed to Out_UC_x, and for the Comparator for UC shown in FIG. 35, the VDD of the Comparator for UC shown in FIG. 12 is changed to Out_DC_x. ..

本実施の形態に係る半導体装置50または60によれば、上記実施の形態に係る半導体装置10または半導体装置20を多段に接続し、より高い昇圧及びより低い降圧を行うことができる。半導体装置50または60の動作は半導体装置10または20の動作の組み合わせであり、差異点は最終的に出力される電圧の値となる。本実施の形態に係る半導体装置50の出力電圧であるOut_UC_M、及び半導体装置60の出力電圧であるOut_DC_Mは各々以下に示す(式3)、または(式4)で表すことができる。

Figure 0007067841000003

Figure 0007067841000004

ここで、N0からN6はトリミング信号Trim_REF[6:0]のトリミングコード値、Mは半導体装置10または半導体装置20の接続数を示している。(式3)または(式4)の場合、半導体装置10または半導体装置20のトリミング信号Trim_REF[6:0]は一律に制御されている。これを半導体装置10または半導体装置20において個別に制御すると、Out_UC_1からOut_UC_MまたはOut_DC_1からOut_DC_Mの各出力値を個別に変更できる。換言すれば、本実施の形態に係る半導体装置50によればはOut_UC_1からOut_UC_Mの全出力を取り出し使用することができ、半導体装置60によればOut_DC_1からOut_DC_Mまでの全出力を取り出し使用することができる。 According to the semiconductor device 50 or 60 according to the present embodiment, the semiconductor device 10 or the semiconductor device 20 according to the above embodiment can be connected in multiple stages to perform higher step-down and lower step-down. The operation of the semiconductor device 50 or 60 is a combination of the operations of the semiconductor device 10 or 20, and the difference is the value of the voltage finally output. Out_UC_M, which is the output voltage of the semiconductor device 50 according to the present embodiment, and Out_DC_M, which is the output voltage of the semiconductor device 60, can be represented by the following (Equation 3) or (Equation 4), respectively.
Figure 0007067841000003

Figure 0007067841000004

Here, N 0 to N 6 indicate the trimming code value of the trimming signal Trim_REF [6: 0], and M indicates the number of connections of the semiconductor device 10 or the semiconductor device 20. In the case of (Equation 3) or (Equation 4), the trimming signal Trim_REF [6: 0] of the semiconductor device 10 or the semiconductor device 20 is uniformly controlled. If this is individually controlled by the semiconductor device 10 or the semiconductor device 20, each output value from Out_UC_1 to Out_UC_M or Out_DC_1 to Out_DC_M can be changed individually. In other words, according to the semiconductor device 50 according to the present embodiment, all the outputs of Out_UC_M can be taken out and used, and according to the semiconductor device 60, all the outputs from Out_DC_1 to Out_DC_M can be taken out and used. can.

以上詳述したように、本実施の形態に係る半導体装置50または60によれば、半導体装置10または20を多段に接続することで、より高い昇圧及びより低い降圧が可能となっている。また各半導体装置10または20は個別に出力を変更できる。さらに各半導体装置10または20の出力は個別に取り出し使用することができる。 As described in detail above, according to the semiconductor device 50 or 60 according to the present embodiment, higher step-up and lower step-down are possible by connecting the semiconductor devices 10 or 20 in multiple stages. Further, each semiconductor device 10 or 20 can change the output individually. Further, the output of each semiconductor device 10 or 20 can be taken out and used individually.

本実施の形態に係る半導体装置50または60では、図25に示す半導体装置30または図27に示す半導体装置40と同じ手法を用いることでComparator for UCまたはComparator for DCの速度に比例してVCO for UCまたはVCO for DCの周波数を変化させることも可能である。また、上記各実施の形態におけるOut_REFはリファレンス信号として取り出すことも可能である。 In the semiconductor device 50 or 60 according to the present embodiment, by using the same method as the semiconductor device 30 shown in FIG. 25 or the semiconductor device 40 shown in FIG. 27, the VCO for is proportional to the speed of the Comparator for UC or the Comparator for DC. It is also possible to change the frequency of the UC or VCO for DC. Further, Out_REF in each of the above embodiments can be taken out as a reference signal.

また以下のように接続することにより、より低しきい値のMOSトランジスタを用いた設計が可能となる。すなわち、図30(a)に示すSub-UCのN型MOSトランジスタn23のバックゲートをQ_1に、N型MOSトランジスタn24のバックゲートをQb_1に、図30(b)に示すSub-UC for REFのN型MOSトランジスタn33のバックゲートをQ_1_REFに、N型MOSトランジスタn34のバックゲートをQb_1_REFに接続する。図30(a)に示すSub-UCのP型MOSトランジスタp21のバックゲートをQ_1に、P型MOSトランジスタp22のバックゲートをQb_1に、図30(b)に示すSub-UC for REFのP型MOSトランジスタp31のバックゲートをQ_1_REFに、P型MOSトランジスタp32のバックゲートをQb_1_REFに接続する。また、図30(a)に示すSub-UCのP型MOSトランジスタp21のバックゲートをV_1に、P型MOSトランジスタp22のバックゲートをVb_1に、N型MOSトランジスタn23のバックゲートをVb_1’に、N型MOSトランジスタn24のバックゲートをV_1’に接続する。図30(b)に示すSub-UC for REFのP型MOSトランジスタp31のバックゲートをV_1に、P型MOSトランジスタp32のバックゲートをVb_1に、N型MOSトランジスタn33のバックゲートをVb_1’に、N型MOSトランジスタn34のバックゲートをV_1’に接続する。図30(a)に示すSub-UCのP型MOSトランジスタp21のバックゲートをVb_1’に、P型MOSトランジスタp22のバックゲートをV_1’に、N型MOSトランジスタn23のバックゲートをV_1に、N型MOSトランジスタn24のバックゲートをVb_1に接続する。図30(b)に示すSub-UC for REFのP型MOSトランジスタp31のバックゲートをVb_1’に、P型MOSトランジスタp32のバックゲートをV_1’に、N型MOSトランジスタn33のバックゲートをV_1に、N型MOSトランジスタn34のバックゲートをVb_1に接続する。以上の接続によりP型MOSトランジスタ及びN型MOSトランジスタのオフ時の抵抗値を高くする効果が期待でき、オフ時のリーク電流を抑えることができる。すなわち、より低しきい値のMOSトランジスタを用いた設計が可能となる。 Further, by connecting as follows, it is possible to design using a MOS transistor having a lower threshold value. That is, the back gate of the N-type MOS transistor n23 of the Sub-UC shown in FIG. 30 (a) is set to Q_1, the back gate of the N-type MOS transistor n24 is set to Qb_1, and the back gate of the Sub-UC for REF shown in FIG. 30 (b). The back gate of the N-type MOS transistor n33 is connected to Q_1_REF, and the back gate of the N-type MOS transistor n34 is connected to Qb_1_REF. The back gate of the P-type MOS transistor p21 of the Sub-UC shown in FIG. 30 (a) is set to Q_1, the back gate of the P-type MOS transistor p22 is set to Qb_1, and the P-type of the Sub-UC for REF shown in FIG. 30 (b). Connect the back gate of the MOS transistor p31 to Q_1_REF and the back gate of the P-type MOS transistor p32 to Qb_1_REF. Further, the back gate of the P-type MOS transistor p21 of the Sub-UC shown in FIG. 30 (a) is set to V_1, the back gate of the P-type MOS transistor p22 is set to Vb_1, and the back gate of the N-type MOS transistor n23 is set to Vb_1'. Connect the back gate of the N-type MOS transistor n24 to V_1'. The back gate of the P-type MOS transistor p31 of the Sub-UC for REF shown in FIG. 30 (b) is set to V_1, the back gate of the P-type MOS transistor p32 is set to Vb_1, and the back gate of the N-type MOS transistor n33 is set to Vb_1'. Connect the back gate of the N-type MOS transistor n34 to V_1'. The back gate of the P-type MOS transistor p21 of the Sub-UC shown in FIG. 30 (a) is set to Vb_1', the back gate of the P-type MOS transistor p22 is set to V_1', the back gate of the N-type MOS transistor n23 is set to V_1, and N Connect the back gate of the type MOS transistor n24 to Vb_1. The back gate of the P-type MOS transistor p31 of the Sub-UC for REF shown in FIG. 30 (b) is set to Vb_1', the back gate of the P-type MOS transistor p32 is set to V_1', and the back gate of the N-type MOS transistor n33 is set to V_1. , Connect the back gate of the N-type MOS transistor n34 to Vb_1. With the above connection, the effect of increasing the resistance value of the P-type MOS transistor and the N-type MOS transistor at the time of off can be expected, and the leakage current at the time of off can be suppressed. That is, it is possible to design using a MOS transistor having a lower threshold value.

10、20、30、40、50、60 半導体装置
11、21、31、41 クロック生成部
12、22、32、42 制御部
13、33 昇圧部
14、24、34、44 参照電圧生成部
15、25、35、45 比較部
16、26 昇圧用信号生成部
17、27 リファレンス用信号生成部
23、43 降圧部
26 昇圧信号生成部
27 リファレンス用信号生成部
120、220 1/2分周器
121 ノンオーバーラップ信号生成部
122、222 Dラッチ部
123、223 インバータ部
124、224 1/4分周器
125、225 ノンオーバーラップ信号生成部
126、226 カウンタ部
127、227 Dラッチ部
128、228 トリミング信号生成部
129、229 トリミング信号生成部
221 オーバーラップ信号生成部
Clk VCO クロック信号
Out COMP 比較部出力
Out REF 参照電圧
Out UC(DC) 出力電圧
10, 20, 30, 40, 50, 60 Semiconductor device 11, 21, 31, 41 Clock generation unit 12, 22, 32, 42 Control unit 13, 33 Booster unit 14, 24, 34, 44 Reference voltage generation unit 15, 25, 35, 45 Comparison unit 16, 26 Boost signal generation unit 17, 27 Reference signal generation unit 23, 43 Step-down unit 26 Boost signal generation unit 27 Reference signal generation unit 120, 220 1/2 divider 121 Non Overlap signal generation unit 122, 222 D latch unit 123, 223 Inverter unit 124, 224 1/4 divider 125, 225 Non-overlap signal generation unit 126, 226 Counter unit 127, 227 D latch unit 128, 228 Trimming signal Generation unit 129, 229 Trimming signal generation unit 221 Overlap signal generation unit
Clk VCO clock signal
Out COMP Comparison output
Out REF reference voltage
Out UC (DC) output voltage

Claims (13)

出力制御信号によって周波数が制御されたクロック信号を生成する電圧制御発振部と、 前記クロック信号に同期した変換制御信号に基づいて前記クロック信号に同期するとともに電源電圧を変換した変換電圧を生成する変換電圧生成部と、
前記変換電圧を前記出力制御信号及び充放電制御信号に基づいて制御し出力電圧を生成する出力電圧生成部と、
前記クロック信号に同期した参照制御信号に基づいて前記クロック信号に同期するとともに電源電圧を変換した参照変換電圧を生成する参照変換電圧生成部と、
前記参照変換電圧を参照充放電制御信号に基づいて制御し参照電圧を生成する参照電圧生成部と、
前記クロック信号に基づいて前記出力電圧と前記参照電圧とを比較し前記出力制御信号を生成する比較部と、
を含む半導体装置。
A voltage control oscillator that generates a clock signal whose frequency is controlled by an output control signal, and a conversion that synchronizes with the clock signal based on the conversion control signal synchronized with the clock signal and generates a converted voltage obtained by converting the power supply voltage. Voltage generator and
An output voltage generation unit that controls the conversion voltage based on the output control signal and the charge / discharge control signal to generate an output voltage.
A reference conversion voltage generation unit that generates a reference conversion voltage that is synchronized with the clock signal and converted into a power supply voltage based on the reference control signal synchronized with the clock signal.
A reference voltage generator that controls the reference conversion voltage based on the reference charge / discharge control signal to generate a reference voltage.
A comparison unit that compares the output voltage with the reference voltage based on the clock signal and generates the output control signal.
Semiconductor devices including.
前記クロック信号に応じた電流を生成する電流生成部、前記出力制御信号に基づいて前記電流生成部で生成された電流を充放電させて前記電圧制御発振部の発振周波数を制御する周波数制御信号を生成する周波数制御信号生成部を備えた電圧制御発振制御部をさらに含む
請求項1に記載の半導体装置。
A current generation unit that generates a current corresponding to the clock signal, and a frequency control signal that controls the oscillation frequency of the voltage control oscillation unit by charging / discharging the current generated by the current generation unit based on the output control signal. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a voltage control oscillation control unit including a frequency control signal generation unit to be generated.
前記電圧制御発振部は前記周波数制御信号が入力される電界効果トランジスタを有し、前記出力電圧が該電界効果トランジスタのバックゲートを介して前記電圧制御発振部に帰還されている
請求項2に記載の半導体装置。
The second aspect of claim 2, wherein the voltage control oscillation unit has a field effect transistor to which the frequency control signal is input, and the output voltage is fed back to the voltage control oscillation unit via the back gate of the field effect transistor. Semiconductor equipment.
前記電流生成部はチャージポンプを用いて前記クロック信号に応じた電流を生成し、
前記周波数制御信号生成部はチャージポンプを用いて前記周波数制御信号を生成する
請求項2または請求項3に記載の半導体装置。
The current generator uses a charge pump to generate a current according to the clock signal.
The semiconductor device according to claim 2 or 3, wherein the frequency control signal generation unit generates the frequency control signal by using a charge pump.
前記クロック信号に基づいて前記変換制御信号及び前記充放電制御信号を生成する変換用信号生成部、及び前記クロック信号に基づいて前記参照制御信号及び前記参照充放電制御信号を生成する参照用信号生成部を備えた生成制御部をさらに含む
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置。
A conversion signal generation unit that generates the conversion control signal and the charge / discharge control signal based on the clock signal, and a reference signal generation unit that generates the reference control signal and the reference charge / discharge control signal based on the clock signal. The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, further comprising a generation control unit including the unit.
前記変換用信号生成部は第1の分周比で分周された前記クロック信号を用い、
前記参照用信号生成部は前記第1の分周比よりも大きい第2の分周比で分周された前記クロック信号を用いる
請求項5に記載の半導体装置。
The conversion signal generation unit uses the clock signal divided by the first division ratio.
The semiconductor device according to claim 5, wherein the reference signal generation unit uses the clock signal divided by a second division ratio larger than the first division ratio.
前記変換制御信号、前記参照制御信号、前記充放電制御信号、及び前記参照充放電制御信号の各々はノンオーバーラップ信号、またはオーバーラップ信号とされている
請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の半導体装置。
Any one of claims 1 to 6, wherein each of the conversion control signal, the reference control signal, the charge / discharge control signal, and the reference charge / discharge control signal is a non-overlap signal or an overlap signal. The semiconductor device according to the section.
前記変換電圧生成部は前記電源電圧を予め定められた定数倍して前記変換電圧を生成し、
前記参照変換電圧生成部は前記電源電圧を予め定められた定数倍して前記参照変換電圧を生成する
請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の半導体装置。
The conversion voltage generation unit generates the conversion voltage by multiplying the power supply voltage by a predetermined constant.
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 7, wherein the reference conversion voltage generation unit generates the reference conversion voltage by multiplying the power supply voltage by a predetermined constant.
前記参照電圧生成部はトリミングで調整可能な複数の充放電用容量を有するとともに前記参照電圧を生成するチャージポンプを備え、
前記参照充放電制御信号は前記複数の充放電用容量を選択する予め定められたビット数のトリミング信号とされている
請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の半導体装置。
The reference voltage generator has a plurality of charge / discharge capacities that can be adjusted by trimming, and includes a charge pump that generates the reference voltage.
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 8, wherein the reference charge / discharge control signal is a trimming signal having a predetermined number of bits for selecting the plurality of charge / discharge capacities.
前記参照電圧生成部は前記参照電圧の出力端子に接続された参照容量を備え、前記クロック信号に同期させかつ予め定められた比率の前記クロック信号のパルス数で前記参照容量を充放電させることによって前記参照電圧を生成する
請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の半導体装置。
The reference voltage generation unit has a reference capacitance connected to an output terminal of the reference voltage, and charges and discharges the reference capacitance at a predetermined ratio of the number of pulses of the clock signal in synchronization with the clock signal. The semiconductor device according to any one of claims 1 to 9, which generates the reference voltage.
前記出力電圧生成部は前記出力電圧の出力端子に接続された出力容量を備え、前記クロック信号に同期させかつ前記予め定められた比率の前記クロック信号のパルス数で前記出力容量を充放電させ、前記出力電圧生成部の出力インピーダンスと前記出力端子に接続された負荷インピーダンスとが等しくなるようにして前記出力電圧を生成する
請求項10に記載の半導体装置。
The output voltage generation unit has an output capacitance connected to an output terminal of the output voltage, synchronizes with the clock signal, and charges and discharges the output capacitance with the number of pulses of the clock signal at a predetermined ratio. The semiconductor device according to claim 10, wherein the output voltage is generated so that the output impedance of the output voltage generation unit and the load impedance connected to the output terminal are equal to each other.
直列に接続された複数の請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の半導体装置を含む
半導体装置。
A semiconductor device including the semiconductor device according to any one of claims 1 to 11, which is connected in series.
出力制御信号によって周波数が制御されたクロック信号を生成し、
前記クロック信号に同期した変換制御信号に基づいて前記クロック信号に同期するとともに電源電圧を変換した変換電圧、及び前記クロック信号に同期した参照制御信号に基づいて前記クロック信号に同期するとともに電源電圧を変換した参照変換電圧を生成し、
前記変換電圧を前記出力制御信号及び充放電制御信号に基づいて制御しかつ出力電圧の出力インピーダンスと前記出力電圧が出力される出力端子に接続された負荷インピーダンスとが等しくなるようにして前記出力電圧を生成するとともに、前記参照変換電圧を参照充放電制御信号に基づいて制御し参照電圧を生成し、
前記クロック信号に基づいて前記出力電圧と前記参照電圧とを比較し前記出力制御信号を生成する
電圧発生方法。
Generates a clock signal whose frequency is controlled by the output control signal,
The conversion voltage synchronized with the clock signal and converted into the power supply voltage based on the conversion control signal synchronized with the clock signal, and the power supply voltage synchronized with the clock signal based on the reference control signal synchronized with the clock signal. Generates the converted reference conversion voltage and
The output voltage is controlled based on the output control signal and the charge / discharge control signal so that the output impedance of the output voltage and the load impedance connected to the output terminal from which the output voltage is output are equal to each other. And control the reference conversion voltage based on the reference charge / discharge control signal to generate the reference voltage.
A voltage generation method for generating the output control signal by comparing the output voltage with the reference voltage based on the clock signal.
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