JPH04162113A - Power supply voltage dropping circuit - Google Patents

Power supply voltage dropping circuit

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JPH04162113A
JPH04162113A JP2287011A JP28701190A JPH04162113A JP H04162113 A JPH04162113 A JP H04162113A JP 2287011 A JP2287011 A JP 2287011A JP 28701190 A JP28701190 A JP 28701190A JP H04162113 A JPH04162113 A JP H04162113A
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JP
Japan
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voltage
power supply
circuit
supply voltage
reference voltage
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Application number
JP2287011A
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Japanese (ja)
Inventor
Koichiro Ishibashi
孝一郎 石橋
Katsuro Sasaki
佐々木 勝朗
Katsuhiro Shimohigashi
下東 勝博
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

PURPOSE:To minimize the working delay of an integrated circuit which is caused by the rise of temperature, the process variance, etc., by supplying the reference voltage to the power supply voltage dropping circuit. CONSTITUTION:The reference voltage Vref rises as the temperature rises, and the threshold voltage of a MOSFET contained in a reference voltage generating circuit 1 rises. Therefore, the power supply voltage Vdd also rises as the temperature rises. Meanwhile the delay time of a semiconductor circuit 3 increases as the temperature rises as long as the Vdd is kept constant. Then the Vdd rises as the temperature rises and the gate length of the MOSFET increases. The working of the circuit 3 is accelerated as the Vdd rises. Thus it is possible to prevent the increase of the delay time caused by the rise of temperature and the rise of the threshold voltage.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体集積回路に係り、特に外部から供給され
る電源電圧を集積回路内で降圧する電源電圧降圧回路を
具備する半導体集積回路に好適な電源電圧降圧回路を提
供する。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention relates to a semiconductor integrated circuit, and is particularly suitable for a semiconductor integrated circuit equipped with a power supply voltage step-down circuit that steps down the power supply voltage supplied from the outside within the integrated circuit. Provides a power supply voltage step-down circuit.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来電源電圧降圧回路を集積回路上に集積した公知例と
しては、アイイーイーイー、1990シンポジウムオン
ブイエルエスアイサーキッツダイジェストオブテクニカ
ルペーパーズP、75(IEEE、  ’  9 0 
 Symposiu+++  on  V L  S 
 I  C1rcuitsp、75)が知られている。
A known example of integrating a conventional power supply voltage step-down circuit on an integrated circuit is IEEE, 1990 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers P, 75 (IEEE, '90
Symposiu+++ on V L S
I C1rcuitsp, 75) is known.

本公知例では、降圧回路の基準となる基準電圧発生回路
に温度あるいは半導体集積回路の製造プロセスに依存し
ない一定の電圧を出力する回路を用いていた。
In this known example, a circuit that outputs a constant voltage that is independent of the temperature or the manufacturing process of the semiconductor integrated circuit is used as a reference voltage generating circuit that serves as a reference for the step-down circuit.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

上記公知例では、基準電圧発生回路に温度や製造プロセ
スに依存しない一定の電圧を出力する回路を用いている
。一方、MOSFETを用いた集積回路においては、温
度が上昇することにより動作速度が遅くなる。また、プ
ロセスの変動により、たとえばMOSFETのゲート長
が設計値よりも大きくなった場合やはり動作速度が遅く
なることが知られている。しかしながら、上記公知例で
は、温度変動あるいはプロセス変動があってもその基準
電圧が変化しないようになっている。したがって、上記
に示した温度上昇やプロセスの変動による動作速度の遅
延に対して考慮されていなかったといえる1本発明は上
記公知例の問題点を解決し、温度が上昇した場合、また
はプロセス変動がある場合の動作速度の遅れを最小限に
止める手段を提供するものである。
In the above-mentioned known example, a circuit that outputs a constant voltage that is independent of temperature or manufacturing process is used as the reference voltage generating circuit. On the other hand, in integrated circuits using MOSFETs, an increase in temperature slows down the operating speed. Furthermore, it is known that, due to process variations, for example, if the gate length of a MOSFET becomes larger than a designed value, the operating speed will also become slower. However, in the above-mentioned known example, the reference voltage does not change even if there is a temperature change or a process change. Therefore, it can be said that the above-described delay in operating speed due to temperature rise or process variation was not taken into account.The present invention solves the problems of the above-mentioned known examples, and when the temperature rises or process variation This provides a means to minimize delays in operating speed in certain cases.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

上記問題点を解決するために本発明においては以下に示
す手段を用いている。第1の手段は電源電圧降圧回路の
基準電圧を発生する回路で、温度上昇とともに上記基準
電圧も上昇させる手段である。第2の手段は基準電圧を
発生する回路で、半導体基板上に形成されたMOSFE
Tの中で最小のゲート長を持つMOSFETのしきい値
電圧を基準電圧にする手段である。
In order to solve the above problems, the present invention uses the following means. The first means is a circuit that generates a reference voltage for a power supply voltage step-down circuit, and is a means for increasing the reference voltage as the temperature rises. The second means is a circuit that generates a reference voltage, which is a MOSFE formed on a semiconductor substrate.
This is a means for setting the threshold voltage of the MOSFET having the minimum gate length among T as a reference voltage.

第3の手段は、上記第1の手段と第2の手段を重畳して
基準電圧を発生する手段である。
The third means is a means for generating a reference voltage by superimposing the first means and the second means.

〔作用〕[Effect]

本発明の第1の手段によれば、温度が上昇することによ
り基準電圧が上昇し、さらにこの基準電圧を電源電圧降
圧回路に用いているので、集積回路内部の電源電圧であ
るところの出力電圧が上昇することになる。出力電圧が
上昇すればMO8集積回路の速度が速くなる。したがっ
て、温度上昇に伴う速度の遅延と打ち消しい、温度上昇
に伴う遅延時間の増加を防ぐ効果がある。
According to the first means of the present invention, the reference voltage increases as the temperature rises, and this reference voltage is used in the power supply voltage step-down circuit, so that the output voltage, which is the power supply voltage inside the integrated circuit, increases. will rise. Increasing the output voltage increases the speed of the MO8 integrated circuit. Therefore, it has the effect of canceling out the speed delay caused by the temperature rise and preventing an increase in the delay time caused by the temperature rise.

一方、MO8集積回路では、使用される!’l0SFE
Tのゲート長が製造工程の揺らぎ等により設計値より長
くなる場合がある。このとき、MOSFETの電流駆動
能力が減少するために動作速度が設計値より遅くなるこ
とになる。一方、MOSFETのゲート長が大きくなる
とそのしきい値電圧が上昇することが知られている6本
発明の第2の手段によれば、基準電圧にMOSFETの
しきい値電圧を与えている。したがって、MOSFET
のゲート長が長くなった場合には、基準電圧の電圧を上
昇させることにより、さらに電源電圧発生回路の出力電
圧も上昇するので、結果として遅延時間の増加を防ぐ効
果がある。
On the other hand, in MO8 integrated circuits, ! is used! 'l0SFE
The gate length of T may become longer than the designed value due to fluctuations in the manufacturing process. At this time, the current driving capability of the MOSFET is reduced, so the operating speed becomes slower than the designed value. On the other hand, it is known that as the gate length of a MOSFET increases, its threshold voltage increases.According to the second means of the present invention, the threshold voltage of the MOSFET is given to the reference voltage. Therefore, MOSFET
When the gate length becomes longer, increasing the voltage of the reference voltage further increases the output voltage of the power supply voltage generation circuit, which has the effect of preventing an increase in delay time.

本発明の第3の手段では、第1の手段の基準電圧と第2
の手段の基準電圧を重畳しているので、温度上昇及びプ
ロセスの揺らぎによる集積回路の遅延時間の増大を共に
防ぐ効果がある。
In the third means of the present invention, the reference voltage of the first means and the second
Since the reference voltage of the above means is superimposed, it is effective to prevent an increase in the delay time of the integrated circuit due to temperature rise and process fluctuation.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図は本発明の第1の実施例の電源電圧降圧回路のブ
ロック図と基準電圧発生回路の特性と半導体回路の遅延
時間と基準電圧との関係を概念的に示した図である。第
1図において、1は基準電圧発生回路、2は差動増幅器
、3は半導体回路である。電源電圧降圧回路は1の基準
電圧発生回路から発生する基準電圧Vrefを差動増幅
器2により低インピーダンスに変換して降圧した電源電
圧Vddを生成し、半導体回路3の電源電圧として供給
するものである。したがって、電源電圧Vddはほぼ基
準電圧発生回路で発生される基準電圧がVrefに等し
い電圧となる0本発明は、この基準電圧の発生方法に特
徴がある。すなわち第1図で示すように、Vrefは温
度が上昇すると共に高くなり、また基準電圧発生回路内
で使われているMOSFETのしきい値電圧が大きくな
るほど高くなる。したがって、Vddの電圧も同様に温
度が上昇すると共に高くなり、MOSFETのしきい値
電圧が大きくなるほど高くなる。一方、電源電圧が一定
の場合は、温度が高くなるほどMOSFETの電流駆動
能力が小さくなるので、半導体回路の遅延時間が増大す
ることになる6また。 MOSFETのしきい値電圧が
大きくなることはMOSFETの電流駆動能力が小さく
なることを意味しており、やはり遅延時間が増大するこ
とになる6本発明においては、温度が高くなるほど1M
05FETのゲート長が大きくなるほど電源電圧が上昇
することを特徴としているが、半導体回路の動作は第1
図に示した如く電源電圧が大きくなるほど速くなるので
、上記に示した温度上昇やしきい値電圧の上昇による遅
延時間の増大を防ぐ効果がある。
FIG. 1 is a block diagram of a power supply voltage step-down circuit according to a first embodiment of the present invention, a diagram conceptually showing the relationship between the characteristics of the reference voltage generation circuit, the delay time of the semiconductor circuit, and the reference voltage. In FIG. 1, 1 is a reference voltage generation circuit, 2 is a differential amplifier, and 3 is a semiconductor circuit. The power supply voltage step-down circuit converts the reference voltage Vref generated from the reference voltage generation circuit 1 into a low impedance one using the differential amplifier 2 to generate a stepped down power supply voltage Vdd, which is supplied as the power supply voltage to the semiconductor circuit 3. . Therefore, the power supply voltage Vdd is approximately equal to the reference voltage Vref generated by the reference voltage generation circuit.The present invention is characterized by this reference voltage generation method. That is, as shown in FIG. 1, Vref increases as the temperature rises, and also increases as the threshold voltage of the MOSFET used in the reference voltage generating circuit increases. Therefore, the voltage of Vdd similarly increases as the temperature rises, and increases as the threshold voltage of the MOSFET increases. On the other hand, if the power supply voltage is constant, the higher the temperature, the smaller the MOSFET's current driving ability, which increases the delay time of the semiconductor circuit.6. An increase in the threshold voltage of the MOSFET means that the current drive capability of the MOSFET decreases, which also increases the delay time.6 In the present invention, as the temperature increases, the
05FET is characterized in that the power supply voltage increases as the gate length increases, but the operation of the semiconductor circuit is
As shown in the figure, the speed becomes faster as the power supply voltage increases, which has the effect of preventing an increase in delay time due to the rise in temperature or rise in threshold voltage as described above.

第2図はMOSFETのドレイン電流のゲート電圧に対
する依存性を温度のパラメータとしてとったものである
。本図により、温度が上昇すると基準電圧も高くなる回
路的手段について具体的に示す。第2図に示すように、
しきい値電圧以下すなわちゲート電圧が約0.7v以下
の領域においては、MOSFETの電流はゲート電圧に
対して指数関数的に増加する。その傾きの逆数、すなわ
ち電流が一桁変化するのに必要なゲート電圧は室温(2
3℃)においては約90mV/DECであり、80℃に
おいては約106mV/DECである。したがって、こ
のドレイン電流の傾きを電圧として取り出すことができ
れば温度上昇により電圧が増加する基準電圧を得ること
ができる。
FIG. 2 shows the dependence of the drain current of a MOSFET on the gate voltage as a temperature parameter. This figure specifically shows a circuit means for increasing the reference voltage as the temperature increases. As shown in Figure 2,
In a region where the gate voltage is below the threshold voltage, that is, about 0.7 V or below, the MOSFET current increases exponentially with respect to the gate voltage. The reciprocal of the slope, that is, the gate voltage required to change the current by one order of magnitude, is room temperature (2
3°C), it is approximately 90 mV/DEC, and at 80°C, it is approximately 106 mV/DEC. Therefore, if the slope of this drain current can be extracted as a voltage, it is possible to obtain a reference voltage whose voltage increases with temperature rise.

第3図は第2図で示したドレイン電流の傾きを電圧とし
て取り出すための回路を示したものである。第3図にお
いて31はMOSFET、32は100nAの電流を与
えるための電流源、33はMOSFET、34は10n
Aの電流を与えるための電流源である。第3図でMOS
FET31と33は同じデバイスパラメータを有するM
OSFETである。第3図の回路では、MOSFET3
1はダイオード接続されているが、そこに100nAの
電流が流れるようになっているため、Vaには100n
A流れるために必要なゲート電圧Vg(100nA)が
現われる。MOSFET33のゲート電圧はVaとなっ
ているが10nAを流す電流源が接続されているために
Vaよりも10nA流すのに必要なゲート電圧Vg(1
0nA)を引いた電圧がそのソース電極に現われる。し
たがって、本回路の出力電圧端にはMOSFETに10
0nAと10nAの電流を流すために必要なゲート電圧
の差 ΔVg=Vg(100nA)  Vg(10nA)が現
われることになる。この電圧は、第2図で示したごとく
室温では90mV、80Gでは106mVと温度上昇に
より増加する電圧となる。
FIG. 3 shows a circuit for extracting the slope of the drain current shown in FIG. 2 as a voltage. In FIG. 3, 31 is a MOSFET, 32 is a current source for providing a current of 100nA, 33 is a MOSFET, and 34 is a 10nA current source.
This is a current source for providing a current of A. In Figure 3, MOS
FETs 31 and 33 have the same device parameters
It is an OSFET. In the circuit of Figure 3, MOSFET3
1 is diode-connected, but a current of 100nA flows through it, so Va has a current of 100nA.
A gate voltage Vg (100 nA) required for A to flow appears. The gate voltage of MOSFET 33 is Va, but since a current source that flows 10 nA is connected, the gate voltage Vg (1
A voltage minus 0 nA) appears at its source electrode. Therefore, the output voltage terminal of this circuit has a MOSFET of 10
A difference between the gate voltages ΔVg=Vg(100nA) Vg(10nA) required to flow currents of 0 nA and 10 nA appears. As shown in FIG. 2, this voltage increases as the temperature increases, from 90 mV at room temperature to 106 mV at 80G.

第3図の実施例ではMOSFET31と33は同じゲー
ト長、ゲート幅、しきい値電圧を持つとしたがこのよう
な条件の他に以下に述べる応用が考えられる1例えば、
MOSFET31のゲート幅が、NO5FETの33の
ゲートの1/10になるようにする。この場合電流源3
2と電流源34は同じ電流を与える電流源になるように
すれば、第3図で示した回路と同等の効果が得られる。
In the embodiment shown in FIG. 3, it is assumed that MOSFETs 31 and 33 have the same gate length, gate width, and threshold voltage, but in addition to these conditions, the following applications can be considered.1 For example,
The gate width of MOSFET 31 is set to 1/10 of the gate width of NO5FET 33. In this case current source 3
If current source 2 and current source 34 are configured to provide the same current, the same effect as the circuit shown in FIG. 3 can be obtained.

また、NO5FET31のしきい値電圧をVth(31
)、NO5FET33のしきい値電圧をVth(33)
とし、Vth(33)< Vth(31)が成立するよ
うにしきい値電圧を設定すると回路の出力電圧として温
度依存性を持つ電圧ΔVgと温度依存性のないVg(3
1)−Vg(33)の電圧の和が得られる。すなわち、 V o =ΔVg十Vg(31)  Vg(33)とな
る電圧が得られる。
In addition, the threshold voltage of NO5FET31 is set to Vth (31
), the threshold voltage of NO5FET33 is Vth (33)
If the threshold voltage is set so that Vth(33)<Vth(31) holds, the output voltage of the circuit will be the temperature-dependent voltage ΔVg and the temperature-independent Vg(3
1) The sum of the voltages -Vg(33) is obtained. That is, a voltage such as V o =ΔVg+Vg(31) Vg(33) is obtained.

第4図は第2図で示したドレイン電流の傾きを電圧とし
て取り出すための別の回路手法である。
FIG. 4 shows another circuit method for extracting the slope of the drain current shown in FIG. 2 as a voltage.

第4Wで41.42は同じ定数をもつNO3FET。41.42 in the 4th W is NO3FET with the same constant.

43は差動増幅器、44,45はそれぞれ100n A
 t 10 n Aを流す電流源である。いま、差動増
幅器43の正入力端子にViなる電圧が印加されている
とすると、差動増幅器の働きで負入力端子もViなる電
圧が現われる。負入力端子はNO5FET41のソース
端に接続されているので、そのゲート電極VaにはVi
よりも100、   nA流すのに必要なゲート電圧V
g(100n A)を足した電圧が現われることになる
。すなわち、Va=Vi+Vg(lOOnA)となる、
Vaは10nAの電流が流れているNO5FET42の
ゲート電極に接続されているのでNO5FET42のソ
ース電極の電位VoはVaよりも10nA流すために必
要なゲート電圧Vg(10n A)を引いた値となる。
43 is a differential amplifier, 44 and 45 are each 100nA
It is a current source that flows t 10 n A. Now, if a voltage Vi is applied to the positive input terminal of the differential amplifier 43, a voltage Vi also appears at the negative input terminal due to the action of the differential amplifier. Since the negative input terminal is connected to the source end of NO5FET41, the gate electrode Va has Vi
The gate voltage V required to cause 100, nA to flow
A voltage equal to the sum of g (100 n A) will appear. That is, Va=Vi+Vg(lOOnA),
Since Va is connected to the gate electrode of the NO5FET 42 through which a current of 10 nA flows, the potential Vo of the source electrode of the NO5 FET 42 is a value less than Va minus the gate voltage Vg (10 nA) required for flowing 10 nA.

したがって、 Vo=Va−Vg(l On A)=Vi+Vg(10
0n A)−Vg(10nA)=Vi+AVg となる。すなわち本回路の出力電圧は入力電圧Viより
もΔVg大きい電圧が現われることになる。この電圧も
、第2図で示したごとく室温では90mV、80Cでは
106mVと温度上昇により増加する電圧となる。
Therefore, Vo=Va-Vg(l On A)=Vi+Vg(10
0nA)-Vg(10nA)=Vi+AVg. In other words, the output voltage of this circuit appears to be ΔVg larger than the input voltage Vi. As shown in FIG. 2, this voltage also increases as the temperature increases, from 90 mV at room temperature to 106 mV at 80C.

第4図の実施例ではNO5FET41と42は同じゲー
ト長、ゲート幅、しきい値電圧を持つとしたが、このよ
うな条件の他に第3図の説明で述べたのと同等のデバイ
スパラメータの変更が考えられるのは言うまでもない。
In the embodiment shown in FIG. 4, NO5FETs 41 and 42 were assumed to have the same gate length, gate width, and threshold voltage, but in addition to these conditions, the same device parameters as described in the explanation of FIG. Needless to say, changes are possible.

第3図、第4図で示した電圧の取り出し方法は温度依存
性を持つ電圧であるが、しかしながら、この電圧は10
0 m V前後と小さすぎてこのままでは電源電圧降圧
回路の基準電圧として使えない。
The method of extracting the voltage shown in Figs. 3 and 4 is a temperature-dependent voltage; however, this voltage is 10
It is too small, around 0 mV, and cannot be used as a reference voltage for a power supply voltage step-down circuit.

したがって、次の図に示すように大きな電圧が取り出せ
るようにする。第5図は本発明の第2の実施例を示した
図で比較的大きくかつ正の温度依存性を持つ基準電圧を
発生する回路を示したものである。第5図においては、
第3図の実施例の電圧の取り出し方法を応用し、4ΔV
gなる電圧をvlには出力ることができる。すなわち、
10iなる電流が流れる4つのダイオード接続されたN
O8FETがあり、これが第3図(7)NO5FET 
31に相当する。また、iなる電流が流れる4つのNO
8FETがあり、これが第3図のN05FE733に相
当する。したがって、取り出される電圧v1がNO5F
ET4個分の67gすなわち、V1=4ΔVgとなる。
Therefore, make sure that a large voltage can be extracted as shown in the following figure. FIG. 5 is a diagram showing a second embodiment of the present invention, and shows a circuit for generating a reference voltage having a relatively large and positive temperature dependence. In Figure 5,
Applying the voltage extraction method of the embodiment shown in Fig. 3, 4ΔV
A voltage g can be output to vl. That is,
4 diode-connected N through which a current of 10i flows
There is an O8FET, and this is the NO5FET shown in Figure 3 (7).
It corresponds to 31. Also, there are four NOs through which a current i flows.
There are 8 FETs, which correspond to N05FE733 in FIG. Therefore, the voltage v1 taken out is NO5F
67g for 4 ETs, that is, V1=4ΔVg.

一方、第5図のvlの電圧は第4図の実施例の電圧の取
り出し方法を応用し、vlより4ΔVg大きい電圧すな
わち、V2=v1+4ΔVgなる電圧を取り出すことが
できる。
On the other hand, for the voltage vl in FIG. 5, by applying the voltage extraction method of the embodiment shown in FIG. 4, it is possible to extract a voltage 4ΔVg greater than vl, that is, a voltage of V2=v1+4ΔVg.

これは、10iなる電流が流れる4つのダイオード接続
されたNO5FETがあり、これが第4図のNO5FE
T41に相当する。また、iなる電流が流れる4つのN
O8FETがあり、これが第4@のNO5FET42に
相当するからである。
There are four diode-connected NO5FETs through which a current of 10i flows, and this is the NO5FE in Figure 4.
Corresponds to T41. Also, there are four N through which a current i flows.
This is because there is an O8FET, which corresponds to the fourth @NO5FET42.

このようにして、徐々に電圧を加算することによって、
最終的にはvlには32ΔVgなる電圧を得ることがで
きる。室温におけるΔVgを90mVとすると、約2.
5vと比較的大きな基準電圧を得ることになる。この出
力電圧もいうまでもなく温度上昇により大きくなる性質
をもつ。
In this way, by gradually adding voltage,
Finally, a voltage of 32ΔVg can be obtained at vl. If ΔVg at room temperature is 90 mV, approximately 2.
A relatively large reference voltage of 5V is obtained. Needless to say, this output voltage also tends to increase as the temperature rises.

第6図は本発明の第3の実施例の回路図を示したもので
、基準電圧としてNO8FETのしきい値電圧を取り出
す回路を示したものである。第6図で61はダイオード
接続されたnNO8FET。
FIG. 6 shows a circuit diagram of a third embodiment of the present invention, and shows a circuit for extracting the threshold voltage of the NO8FET as a reference voltage. In FIG. 6, 61 is a diode-connected nNO8FET.

62はダイオード接続さhたpMO5FET。62 is a diode-connected pMO5FET.

63は差動増幅器、64は10nAの電流を与える電流
源である。また、65は入力端子、66は中間接点、6
7は出力端子である。ここで、しきい値電圧とはMOS
FETに10nAの電流を流すのに必要なゲート電圧と
定義する。第6図において入力端子65にはViなる電
位が入力されているとする。すると、差動増幅器63の
働きで中間接点66の電圧はViと同電位になる。ダイ
オード接続されたMOSFET61.62には電流源6
4の働きで10nAの電流が流れるので、出力電圧端子
67には、端子66よりもn MOSFETとpMOs
FETのしきい値電圧だけ高い電圧すなわち、Vi+V
th(n)+Vth(P)なる電圧が現れることになる
。このように、第6図の回路によって、しきい値電圧を
取り出すことが可能である。
63 is a differential amplifier, and 64 is a current source that provides a current of 10 nA. In addition, 65 is an input terminal, 66 is an intermediate contact, 6
7 is an output terminal. Here, the threshold voltage is MOS
It is defined as the gate voltage required to cause a current of 10 nA to flow through the FET. In FIG. 6, it is assumed that a potential Vi is input to the input terminal 65. Then, due to the action of the differential amplifier 63, the voltage at the intermediate junction 66 becomes the same potential as Vi. Current source 6 is connected to diode-connected MOSFET 61, 62.
4, a current of 10 nA flows through the output voltage terminal 67 than the terminal 66.
A voltage higher by the threshold voltage of the FET, that is, Vi+V
A voltage of th(n)+Vth(P) will appear. In this way, it is possible to extract the threshold voltage using the circuit shown in FIG.

このようにしきい値電圧を取りだした場合の効果につい
て次の図で説明する。
The effect of extracting the threshold voltage in this way will be explained using the following diagram.

第7図は、MOSFETのゲート長としきい値電圧の関
係を示したものである。第7図に示すように、MOSF
ETのしきい値電圧はゲート長が長くなるに従って大き
くなる。半導体集積回路の動作速度は、一般に最小ゲー
ト長のMOSFETの電流駆動能力で決定される。した
がってゲート長が半導体製造プロセスの問題で大きくな
った場合、遅延時間の増加を招くことになる。しかし同
時にしきい値電圧も大きくなるので、これに応じて第6
図で示した如く基準電圧を上昇させれば。
FIG. 7 shows the relationship between the gate length and threshold voltage of a MOSFET. As shown in Figure 7, MOSF
The threshold voltage of ET increases as the gate length increases. The operating speed of a semiconductor integrated circuit is generally determined by the current drive capability of a MOSFET with a minimum gate length. Therefore, if the gate length becomes large due to problems in the semiconductor manufacturing process, the delay time will increase. However, at the same time, the threshold voltage also increases, so the sixth
If the reference voltage is increased as shown in the figure.

遅延時間の増加を最小限に抑えることが可能になる。す
なわち、半導体基体内の最小ゲート長の設計値がL2 
とすると、その時のしきい値電圧はv2 となる。製造
プロセスによりゲート長が長くなりり、になったとする
と、その時のしきい値電圧はv2 より大きいいV、と
なる、したがって、これを基準電圧として用いることに
より、遅延時間の増加を最小限に抑えることができる。
This makes it possible to minimize the increase in delay time. That is, the design value of the minimum gate length within the semiconductor substrate is L2.
Then, the threshold voltage at that time is v2. If the gate length becomes longer due to the manufacturing process, the threshold voltage at that time will be V, which is greater than v2. Therefore, by using this as a reference voltage, the increase in delay time can be minimized. It can be suppressed.

逆にゲート長が短くなりLl になるとすると、その時
のしきい値電圧はv2 より小さい値であるvlになる
。この時は、ゲート長が短くなっているので遅延時間は
設計値より短くなっている。したがって、しきい値電圧
が小さくなり降圧された電源電圧が下がっても問題はな
い。
Conversely, if the gate length is shortened to Ll, the threshold voltage at that time becomes vl, which is a smaller value than v2. At this time, since the gate length is short, the delay time is shorter than the designed value. Therefore, there is no problem even if the threshold voltage becomes smaller and the step-down power supply voltage decreases.

第8図は本発明の第4の実施例の回路図である。FIG. 8 is a circuit diagram of a fourth embodiment of the present invention.

第8図で81は温度依存性のある基準電圧発生回路、8
2はMOSFETのしきい値電圧に依存する基準電圧発
生回路83は電流源回路、84は半導体回路が動作して
いるときに半導体回路に降圧した電圧を供給する差動増
幅器、85は半導体回路が待機状態のときに半導体回路
に降圧した電圧を供給する差動増幅器、86は温度依存
性のある基準電圧が発生するノード、87は温度依存性
としきい値電圧依存性のある基準電圧が発生するノード
、88は半導体回路である0本図の実施例では、ノード
86に温度依存性のある基準電圧を発生する。さらに、
この電圧をしきい値電圧依存性のある基準電圧発生回路
に入力する。このことによって、基準電圧が出力される
ノード87には温度依存性としきい値電圧依存性共に存
在する電圧を発生することが可能になる。さらにこの電
圧を84.85なる差動増幅器によりインピーダンス変
換を行うことにより、半導体回路に温度依存性があり、
かつしきい値電圧依存性がある電源電圧を供給すること
ができる。
In FIG. 8, 81 is a temperature-dependent reference voltage generation circuit;
2 is a reference voltage generating circuit 83 that depends on the threshold voltage of the MOSFET, is a current source circuit, 84 is a differential amplifier that supplies a stepped down voltage to the semiconductor circuit when the semiconductor circuit is operating, and 85 is a reference voltage generating circuit that is dependent on the threshold voltage of the MOSFET. A differential amplifier supplies a step-down voltage to the semiconductor circuit in a standby state, 86 is a node where a temperature-dependent reference voltage is generated, and 87 is a node where a temperature-dependent and threshold voltage-dependent reference voltage is generated. Node 88 is a semiconductor circuit. In the embodiment shown in the figure, a temperature-dependent reference voltage is generated at node 86. moreover,
This voltage is input to a reference voltage generation circuit that is dependent on the threshold voltage. This makes it possible to generate a voltage that has both temperature dependence and threshold voltage dependence at the node 87 where the reference voltage is output. Furthermore, by performing impedance conversion on this voltage using a differential amplifier of 84.85, the semiconductor circuit becomes temperature dependent.
In addition, it is possible to supply a power supply voltage that is dependent on the threshold voltage.

第9図は第8図の害施例の回路図に対するシミュレーシ
ョン波形である。第9図(a)はMOSFETのしきい
値電圧は一定で温度を変化させた場合を示したもので、
温度が0℃、35℃、70℃と上昇するにしたがって8
6および87のノード電圧が大きくなっていくことがわ
かる。また、第9図(b)をn M OS F E T
のしきい値電圧Vto(n)が変わった場合を示したも
ので、温度が変わらないので86のノード電圧は一定で
あるが、この電圧にしきい値電圧を足した電圧である8
7は、しきい値電圧が上昇するにしたがってその出力電
圧も上昇する。従って、本実施例においても温度上昇ま
たはしきい値電圧の上昇によって集積回路の動作速度が
遅くなるところを内部の電源電圧を上昇させることによ
ってその遅延を最小限に抑える効果がある。
FIG. 9 shows simulation waveforms for the circuit diagram of the example shown in FIG. Figure 9(a) shows the case where the threshold voltage of the MOSFET is constant and the temperature is changed.
8 as the temperature increases from 0℃ to 35℃ to 70℃.
It can be seen that the node voltages at nodes 6 and 87 become larger. Moreover, FIG. 9(b) is n M OS F E T
This figure shows the case where the threshold voltage Vto(n) of 86 changes.Since the temperature does not change, the node voltage of 86 is constant, but the voltage 86 is the sum of this voltage and the threshold voltage.
7, its output voltage also increases as the threshold voltage increases. Therefore, in this embodiment as well, when the operating speed of the integrated circuit is slowed down due to a rise in temperature or a rise in threshold voltage, increasing the internal power supply voltage has the effect of minimizing the delay.

第10図は本発明の第5の実施例の回路図である。本実
施例において102はしきい値電圧V’thnを持つn
 M OS F E T、101はしきい値電圧V’t
hpを持つpMO5FET、103は差動増幅器104
,105はしきい値電圧v thpを持つpM、08F
ET、106,107,108は定電流源である。第6
図の実施例がn M OS F E TとpMO3FE
Tのしきい値電圧の和を出力していたのに対し、本実施
例はしきい値電圧の小さい方を出力する回路である。入
力電圧をVinとすると、中間節点Vaは定電流g10
6の働きでVin+ v’ thpになる。また、中間
節点vbの電圧は定電流源107と差動増幅器103の
働きでVin+V’thnになる。これらの電圧がMO
S F E T104と105にそれぞれ入力される。
FIG. 10 is a circuit diagram of a fifth embodiment of the present invention. In this embodiment, 102 is n with threshold voltage V'thn.
MOS FET, 101 is the threshold voltage V't
pMO5FET with hp, 103 is differential amplifier 104
, 105 is pM with threshold voltage v thp, 08F
ET, 106, 107, and 108 are constant current sources. 6th
The examples in the figure are nMOS FET and pMO3FE.
In contrast to the circuit that outputs the sum of the threshold voltages of T, this embodiment is a circuit that outputs the smaller threshold voltage. When the input voltage is Vin, the intermediate node Va has a constant current g10
6 becomes Vin+v' thp. Further, the voltage at the intermediate node vb becomes Vin+V'thn due to the action of the constant current source 107 and the differential amplifier 103. These voltages are MO
The signals are input to SFETs 104 and 105, respectively.

この時、出力電圧VoはVaとvbよりそれぞれv t
hp高い電圧になろうとするが、より電圧の低い方に律
速される。したがって、出力電圧vOはVin+Vth
p+(V’thnとV’thpの小さい方の電圧)が出
力されることになる。本実施例においてはpMO5FE
Tとn M OS F E Tのしきい値の小さい方の
電圧を出力する。したがって、この電圧を基準電圧とし
て用いれば、いずれかの種類のMOSFETのみのしき
い値が低下した場合にもそれに対応して基準電圧を74
%さくすることが可能になる。
At this time, the output voltage Vo is v t from Va and vb, respectively.
hp tries to reach a higher voltage, but the rate is limited by the lower voltage. Therefore, the output voltage vO is Vin+Vth
p+ (the smaller voltage of V'thn and V'thp) will be output. In this example, pMO5FE
It outputs the smaller of the threshold voltages of T and nMOSFET. Therefore, if this voltage is used as a reference voltage, even if the threshold voltage of only one type of MOSFET decreases, the reference voltage can be adjusted to 74.
% can be reduced.

第11図は本発明の第6の実施例のブロック図である。FIG. 11 is a block diagram of a sixth embodiment of the present invention.

本図において、111は内部回路、112は温度しきい
値電圧依存性降圧回路、113は信号入力回路、114
は定電圧降圧回路、115は出力回路、116は信号入
力回路、117は信号出力回路である。本実施例は1本
発明の第5の実施例までに述べてきた温度しきい値電圧
依存性降圧回路を半導体回路上で理想的に使用する方法
について示したものである。すなわち、内部回路はすで
に述べてきたように温度しきい値電圧依存性降圧回路で
発生する電圧を電源電圧として使用することにより、温
度や製造工程の揺らぎによる動作速度の低下を最小限に
抑えることができる。−方、入力回路は、TTL規格等
、入力される信号の電圧が温度等に依存しない電圧を入
力しなければならないので温度しきい値電圧依存性降圧
回路を使用することは問題がある。したがって、入力回
路には温度やMOSFETのしきい値電圧に依存しない
定電圧の降圧回路を使用する。また、出力回路には比較
的大きな電圧を出力しなければならない、これに対して
は、降圧回路は使用せず、電源電圧Vccを直接用いる
ことにより大きな電圧を出力することができる。このよ
うに、本実施例においては温度しきい値依存性降圧回路
を内部回路のみに使用することにより、入畠力回路の機
能を損うことなく信号遅延時間の増加を最小限におさえ
た半導体集積回路の実現が可能になる。
In this figure, 111 is an internal circuit, 112 is a temperature threshold voltage dependent step-down circuit, 113 is a signal input circuit, and 114
1 is a constant voltage step-down circuit, 115 is an output circuit, 116 is a signal input circuit, and 117 is a signal output circuit. This embodiment shows a method of ideally using the temperature threshold voltage dependent step-down circuit described up to the fifth embodiment of the present invention on a semiconductor circuit. In other words, as mentioned above, the internal circuit uses the voltage generated in the temperature threshold voltage dependent step-down circuit as the power supply voltage, thereby minimizing the reduction in operating speed due to fluctuations in temperature or manufacturing process. I can do it. - On the other hand, since the input circuit must input a voltage such as TTL standard, the voltage of the input signal does not depend on temperature, etc., so there is a problem in using a temperature threshold voltage dependent step-down circuit. Therefore, a constant voltage step-down circuit that does not depend on the temperature or the threshold voltage of the MOSFET is used for the input circuit. In addition, a relatively large voltage must be output to the output circuit.In contrast, a large voltage can be output by directly using the power supply voltage Vcc without using a step-down circuit. In this way, in this example, by using the temperature threshold dependent step-down circuit only in the internal circuit, the semiconductor device can minimize the increase in signal delay time without impairing the function of the input circuit. Integrated circuits become possible.

以上、本発明の明細について述べてきたが、本発明は実
施例で示してきた半導体回路として、大容量メモリ、ゲ
ートアレー、ASIC等あらゆるMOSFETを用いた
集積回路に適用可能である。
Although the details of the present invention have been described above, the present invention is applicable to all kinds of integrated circuits using MOSFETs, such as large-capacity memories, gate arrays, and ASICs, as the semiconductor circuits shown in the embodiments.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上述べてきた如く1本発明においては集積回路が温度
上昇又はプロセスばらつき等により、その動作速度が遅
れてしまうのを内部の電源電圧を上昇させることにより
、その遅延を最小限に抑える効果がある。
As described above, the present invention has the effect of minimizing the delay in the operating speed of an integrated circuit due to temperature rise or process variations by increasing the internal power supply voltage. .

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の第1の実施例の電源電圧降圧回路のブ
ロック図と基準電圧発生回路の特性と半導体回路の遅延
時間と基準電圧との関係を概念的に示した図、第2図は
MOSFETのドレイン電流のゲート電圧に対する依存
性を温度のパラメータとして取った図、第3図は第2図
で示したドレイン電流の傾きを取りだすための回路を示
した図、第4図はドレイン電流の傾きを取りだすための
別の回路を示した図、第5図は本発明の第2の実施例の
回路図、第6図は本発明の第3の実施例の回路図、第7
図はMOSFETのゲート長としきい値電圧の関係を示
した図、第8図は本発明の第4の実施例の回路図、第9
図は第8図の実施例に対するシミュレーション波形を示
す図である。第10図は本発明の第5の実施例の回路図
、第11図は本発明の第6の実施例のブロック図である
。 ’f、+  図 丁(温度) ■片n V?tf 第2図 第3 図 aIlシ・Vグ(乃14)−向(lθ7り箔4回 V区 ¥I5圀 第2図 ’f)1図 いいイ1覧1ε ケ゛−)長 第9図 (0,) 4)ニ二片、情屹圧(V) (b) 奄漣電圧(n 411  回
FIG. 1 is a block diagram of a power supply voltage step-down circuit according to the first embodiment of the present invention, a diagram conceptually showing the characteristics of the reference voltage generation circuit, and the relationship between the delay time of the semiconductor circuit and the reference voltage, and FIG. is a diagram showing the dependence of MOSFET drain current on gate voltage as a temperature parameter, Figure 3 is a diagram showing a circuit for extracting the slope of the drain current shown in Figure 2, and Figure 4 is a diagram showing the dependence of the drain current on the gate voltage of the MOSFET. FIG. 5 is a circuit diagram of the second embodiment of the present invention, FIG. 6 is a circuit diagram of the third embodiment of the present invention, and FIG.
The figure shows the relationship between the gate length and threshold voltage of a MOSFET, FIG. 8 is a circuit diagram of the fourth embodiment of the present invention, and FIG.
The figure is a diagram showing simulation waveforms for the embodiment of FIG. 8. FIG. 10 is a circuit diagram of a fifth embodiment of the invention, and FIG. 11 is a block diagram of a sixth embodiment of the invention. 'f, + diagram (temperature) ■piece n V? tf Fig. 2 Fig. 3 Fig. aIl shi・V gu (no 14) - direction (lθ7 ripple foil 4 times V section ¥ I5 圜 2 fig. 'f) 1 fig. 0,) 4) Two pieces, information pressure (V) (b) Yaren voltage (n 411 times

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、半導体基板上に形成され、半導体基板上にある回路
に外部から供給される電源電圧を降圧した内部電源電圧
を供給する電源電圧降圧回路であって、上記電源電圧降
圧回路の出力電圧の基準となる基準電圧が温度上昇によ
り上昇することを特徴とする電源電圧降圧回路。 2、上記特許請求の範囲第1項の基準電圧発生回路を含
む電源電圧降圧回路であって、ゲート長L_1、ゲート
幅W_1を持つ第1のMOSFETに第1の電流I_1
を流し、ゲート長L_2、ゲート幅W_2を持つ第2の
MOSFETに第2の電流I_2を流し、I_1L_1
/W_1>I_2L_2/W_2を満足する条件におい
て上記第1のMOSFETと第2のMOSFETに発生
する電圧の差を基準電圧または基準電圧の部分とするこ
とを特徴とする電源電圧降圧回路。 3、半導体基板上に形成され、半導体基板上にある回路
に外部から供給される電源電圧を降圧した内部電源電圧
を供給する電源電圧降圧回路であって、上記電源電圧降
圧回路の出力電圧の基準となる基準電圧が上記半導体基
板上に形成されたMOSFETの中で実質的に最小のゲ
ート長を持つ第3のMOSFETのしきい値電圧または
その定数倍の電圧であることを特徴とする電源電圧降圧
回路。 4、上記特許請求の範囲第3項の基準電圧発生回路を含
む電源電圧降圧回路であって、上記第3のMOSFET
に第3の電流を流すことによって上記第3のMOSFE
Tのしきい値電圧を発生し、上記しきい値電圧を上記基
準電圧とすることを特徴とする電源電圧降圧回路。 5、上記特許請求の範囲第1項の基準電圧と上記特許請
求の範囲第3項の基準電圧を重畳して基準電圧を発生し
、上記基準電圧を基準として内部降圧電圧を発生するこ
とを特徴とする電源電圧降圧回路。 6、半導体基板上に形成され、半導体基板上にある回路
に外部から供給される電源電圧を降圧した内部電源電圧
を供給する第1の電源電圧降圧回路を具備し、上記第1
の電源電圧降圧回路の出力電圧の基準となる基準電圧が
、温度上昇により上昇する第1の基準電圧、または、上
記半導体基体上に形成されたMOSFETの中で実質的
に最小のゲート長を持つMOSFETのしきい値電圧ま
たはその定数倍の第2の基準電圧、または、上記第1の
基準電圧と上記第2の基準電圧の和であるところの第3
の基準電圧であることを特徴とする半導体集積回路であ
って、上記第1の電源電圧降圧回路から発生する電圧を
、すくなくとも外部からの信号を入力する回路と出力回
路を除く回路に供給されてなることを特徴とする半導体
集積回路。
[Scope of Claims] 1. A power supply voltage step-down circuit that is formed on a semiconductor substrate and supplies an internal power supply voltage obtained by stepping down the power supply voltage supplied from the outside to a circuit on the semiconductor substrate, the power supply voltage step-down circuit A power supply voltage step-down circuit characterized in that a reference voltage, which serves as a reference for the output voltage of the circuit, increases due to a rise in temperature. 2. A power supply voltage step-down circuit including the reference voltage generation circuit according to claim 1 above, in which a first current I_1 is applied to a first MOSFET having a gate length L_1 and a gate width W_1.
A second current I_2 is caused to flow through a second MOSFET having a gate length L_2 and a gate width W_2, and I_1L_1
A power supply voltage step-down circuit characterized in that the difference between the voltages generated in the first MOSFET and the second MOSFET under the condition satisfying /W_1>I_2L_2/W_2 is used as a reference voltage or a portion of the reference voltage. 3. A power supply voltage step-down circuit that is formed on a semiconductor substrate and supplies an internal power supply voltage obtained by stepping down the power supply voltage supplied from the outside to a circuit on the semiconductor substrate, and a reference for the output voltage of the power supply voltage step-down circuit. A power supply voltage characterized in that the reference voltage is the threshold voltage of a third MOSFET having a substantially minimum gate length among the MOSFETs formed on the semiconductor substrate or a constant multiple thereof. Step-down circuit. 4. A power supply voltage step-down circuit including the reference voltage generation circuit according to claim 3 above, wherein the third MOSFET
The third MOSFE is
A power supply voltage step-down circuit, characterized in that it generates a threshold voltage of T, and uses the threshold voltage as the reference voltage. 5. A reference voltage is generated by superimposing the reference voltage set forth in claim 1 and the reference voltage set forth in claim 3, and an internal step-down voltage is generated using the reference voltage as a reference. Power supply voltage step-down circuit. 6. A first power supply voltage step-down circuit formed on a semiconductor substrate and supplying an internal power supply voltage obtained by stepping down a power supply voltage supplied from the outside to a circuit on the semiconductor substrate;
The reference voltage that serves as the reference for the output voltage of the power supply voltage step-down circuit is a first reference voltage that increases due to temperature rise, or has a gate length that is substantially the smallest among the MOSFETs formed on the semiconductor substrate. A second reference voltage that is the threshold voltage of the MOSFET or a constant multiple thereof, or a third reference voltage that is the sum of the first reference voltage and the second reference voltage.
A semiconductor integrated circuit characterized in that the reference voltage is a reference voltage of A semiconductor integrated circuit characterized by:
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007087091A (en) * 2005-09-21 2007-04-05 Fuji Electric Device Technology Co Ltd Overcurrent detecting circuit and circuit generating reference voltage
US7456681B2 (en) 2005-02-28 2008-11-25 Elpida Memory, Inc. Power supply voltage step-down circuit, delay circuit, and semiconductor device having the delay circuit

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