JPH04179157A - 半導体装置の基板電圧発生回路 - Google Patents

半導体装置の基板電圧発生回路

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JPH04179157A
JPH04179157A JP2306381A JP30638190A JPH04179157A JP H04179157 A JPH04179157 A JP H04179157A JP 2306381 A JP2306381 A JP 2306381A JP 30638190 A JP30638190 A JP 30638190A JP H04179157 A JPH04179157 A JP H04179157A
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ミン、ドン―スン
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    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02Regulating voltage or current
    • G05F3/08Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/205Substrate bias-voltage generators
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/027Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of logic circuits, with internal or external positive feedback
    • H03K3/03Astable circuits
    • H03K3/0315Ring oscillators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) この発明は半導体装置の回路に関し、特に半導体装置に
内蔵された基板電圧発生回路に関するものである。
(従来の技術) 最近゛1(導体装置が漸次高集積化されながら、これと
は反対にトランジスタの大きさは微細化される傾向にあ
る。トランジスタは微細化されることによって電源電圧
などに対する信頼性が低下されると共に集積回路の電力
消耗が増加する。従って、半導体装置にてMOSトラン
ジスタ金属酸化シリコントランジスタのスレッショルド
電圧の安定化、接合容量の減少、寄生トランジスタの防
止及び外部TTL ()ランシスタートランジスタロジ
ック)のアンダシュ−1・による誤動作の防止のために
基板電圧発生回路を内蔵している。上記基板電圧を発生
する基板の電圧を感知して一定電圧で逃れるポンピング
容量を調節する方法と、RAS(ローアドレスストロー
ブ)信号のレベル状態を感知してポンピング容量を調節
する方法とがある。
= 5− しかし、従来の基板電圧発生回路は高温にて動作特性が
悪くなって基板電圧が不安定化し、特にCMO3集積回
路の場合にはラッチアップ特性が悪くなる。高温にての
動作特性の劣化は主に発振部によるもので、温度が上H
するにつれて発振部の動作速度が遅延され、これによる
発振周期が長くなって基板電圧が変わる。そして、半導
体装置の大きさが小さくなることによって基板電圧発生
回路の駆動能力が減少するので、誤動作が容易に発生し
て信頼性が低下する問題点がある。
また、半導体基板には基板電圧発生回路が内蔵されてい
るので、待機状態でも電力消耗は大きくなる。
従って、この発明の1]的は駆動能力が向上され、かつ
基板電圧が安定化である基板電圧発生回路を提供するこ
とにある。
また、この発明の他の目的は半導体装置の待機状態時に
電力消耗を減少させることのできる基板電圧発生回路を
提供することにある。
また、この発明の他の1−1的は温度が変化しても駆動
能力が変化せず、高温での半導体装置の信頼性が向上さ
れた基板電圧発生回路を提供することである。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 」1記課題を解決するための本発明の半導体装置の基板
電圧発生回路は、温度の変化によって抵抗値を補償して
発振周期が変化しない所定の発振信号を発生する発振部
と、前記発振部にて発生された発振信号を入力し、互い
に180°の位相差を持つクロック信号を出力する電圧
ポンプ駆動部と、前記電圧ポンプ駆動部のクロック信号
群を入力させ基板電圧を発生する電圧ポンプ部と、前記
電圧ポンプ部の出力を感知して基板電圧が所定電位を維
持しない時のクロック信号を出力するレベル感知部と、
前記レベル感知部のクロック信号によって上記発振部に
バイアス電圧を印加する発振駆動部とから構成されたこ
とを特徴とする。
(実施例) 以下、この発明を添付した図面を参照して詳細に説明す
る。
第1図はこの発明による基板電圧発生回路のブロック図
である。上記基板電圧発生回路は発振部10、電圧ポン
プ駆動部20.電圧ポンプ部30゜レベル感知部40及
び発振駆動部50から構成される。上記基板電圧発生回
路にて、発振部10は温度の変化によって抵抗値を補償
することにより発振周期が変化しない所定の発振信号φ
O3Cを発生し、電圧ポンプ駆動部20は上記所定の発
振信号φO8Cを入力し所定の遅延時間の経過後方いに
反転されたクロック、CK、CKを発生する。
電圧ポンプ部30は反転されたクロックCK。
CKを入力させ負の基板電圧VIIBを発生する。また
上記レベル感知部40は上記電圧ポンプ部3゜が発生し
た基板電圧VIIRの状態を感知し、発振駆動部50は
上記感知された基板電圧V[lBの電圧が所定の電圧値
でない場合動作して上記発振部1゜ヘバイアス電圧V。
P+ VONを出力する。
第2図は上記第1図中の発振部1oの詳細回路図である
。上記発振部10は奇数個のインバータ■、〜I、、な
どが直列連結されてリングオシレータを構成する。上記
インバータなど■、〜1.と電源電圧端子V。Cとの間
にはPMO8+−ランジスタMP、〜MP、、RP、〜
RP、、が連結され、インバータ11〜I、、と接地端
子間にはNMOSトランジスタMN、〜MN、、が連結
されている。
上記発振部10にて、その出力電圧VT、は上記PMO
SトランジスタMP、〜MP、lのスレッショルド電圧
VTPの合計によって定められるゲート電圧n*V7p
に維持される。
しかし、PMOSトランジスタMP、〜MP、。
は温度の」1昇によってスレッショルド電圧V。、の絶
対値が小さくなるので、ゲート電圧値が」1昇しターン
オフ(非導通)が容易に発生する。
従って、ゲートが接地されて恒常ターンオン状態(導通
状態)にあるPMOSトランジスタRP1〜RP、を」
二記PMOSトランジスタMP、〜MP、と並列関係に
なるよう形成してオン抵抗を低くすることにより、温度
の上昇による抵抗値が補償され、発振周期が変えられる
ことを防止する。
−つ  − また、上述の方法と同一な方法でインバータ11〜I、
と接地端子間にNMOSトランジスタMNI〜MN、を
連結してこのゲートの電圧をVCC−nT7Nに維持す
ると、このNMOSトランジスタMN、〜MN、は温度
上昇によってスレッショルド電圧VTNの絶対値が大き
くなるのでターンオフが発生し易い。従って、ゲートが
電源電圧端子VCCに接続されたNMOSトランジスタ
RN1〜RNゎを上記NMOSトランジスタMN、〜M
N、と並列関係になるよう接続して上述のごとく同一な
効果を得る。
第3図は上記第1図の電圧ポンプ駆動部20の詳細回路
図である。」1記電圧ポンプ駆動部20は上記発振部1
0から出力される発振信号φO8Cを入力し、バッファ
リングするインバータI0→−1゜1、、+2と、この
インバータ■。+1.I、、+2を通過した信号を所定
時間だけ遅延さぜる遅延手段25と、この遅延手段25
の出力が一方側の入力端に接続されインバータ11→−
2の出力が他方の側の入力端に接続され所定の遅延時間
が経過し= 10− た後に互いに反転されたクロック信号CK、CKを各々
出力するORゲート及びNANDゲートとから構成され
る。
」二足発振部10において、所定周期を持つ発振信号φ
O8CのHレベルが入力されるとインバータIfi+I
I、、→−2によってバッファリングされてORゲート
及びNANDゲートの各々の他方の側の入力端子と遅延
手段25に入力される。また、」1紀遅延手段25を通
過して所定時間遅延された信号がORゲート及びNAN
Dゲートに各々入力される。従って、上記ORゲーI・
は上記インバータI。+1.■。+2によってバッファ
リングされた信号の上昇エツジにより上昇して遅延手段
25出力信号の下降エツジにより下降するH状態のクロ
ック信号CKを出力する。また、上記NANDゲートは
」二足遅延手段25出力の」二臂工・ソジにより下降し
、インバータ■。+1.!、+2によってバッファリン
グされた信号のド降エツジにより上昇するL状態のクロ
ック信号CKを出力する。
即ち、上記ORゲートにおいて、発振部10の出力信号
より遅延手段25の遅延時間だけもつと長い周期を持つ
クロック信号CKが出力され、NANDゲートでは遅延
時間だけ短い周期を持つクロック信号CKが出力される
。また、」1記ORゲート及びNANDゲートは発振部
10て発振信号φO8CがLレベルで出力されると上記
Hレベルで出力される時と反対であるクロック信号CK
、CKを出力するようになる。それから上記クロック信
号CK、CKが同時にロウ状態にならないようにする。
第4図は第1図の電圧ポンプ30の詳細回路図である。
」1記電圧ポンプ部30は上記電圧ポンプ駆動部20に
て出力されるクロック信号CK。
CKを入力しポンピングキャパシタの役割をするPMO
SトランジスタPMI〜PM4と、基板電圧ノード39
にソースが接続され負の電圧でポンピングされるノード
31.37にゲートとドレーンが共通接続されてダイオ
ードの役割をするPMOSトランジスタPM5.PMI
Oと、ソースが上記ノード3]、、37に各々接続され
ドレーンが接地されゲートが」1記PMOSトランジス
タPM2、PM3のゲートに接続されて上記PMOSト
ランジスタPM5.PM1.0によって基板電圧ノード
39とから流れる基板電流を接地端子へ送るPMOSト
ランジスタPM6.PM9と、ゲートとソースが共通に
接続されて接地されドレーンが」二足PMOSトランジ
スタPM6.PM9のゲートに接続されて上記PMOS
トランジスタPM6゜PM9のゲート電圧がスレッショ
ルド電圧より高まることを防11−するダイオード連結
のPMOSトランジスタPM7.PM8とから構成され
る。また上記PMO8+・ランジスタPMI〜PM4は
キャパシタの構成時ソース及びドレーンが同じく連結さ
れる端子に電圧ポンプ駆動部20から出力されるクロッ
ク信号CK、CKが入力されるように構成される。上記
にて電圧ポンプ部30は発振部10にて発振信号φO8
CがHレベルで出力されると電圧ポンプ駆動部20から
H状態のクロ・ツク信号CKと、所定時間遅延されたL
状態のクロ・ツク信号て1とが入力される。」1記クロ
・ツク信号CK−  12  = 及び〔玉はポンピングキャパシタと利用されたPMOS
トランジスタPM1...PM3及びPM2゜PM4に
各々入力される。従ってPMOSトランジスタPM2.
PM4のポンピングキャパシタンスによってノード33
,37は負の電圧電圧−■。。になる。また、ノード3
]はPMO8hランジスタPMI及びPM6によって接
地電位で、ノード35はPMOSトランジスタPM3及
びPM8によってスレッショルド電圧VTFの電位を有
する。
それからPMOSトランジスタP M ]−0がターン
オン状態になリノード37に基板電圧ノードから流れる
基板電流が蓄積され、かつ上記発振部10から出力され
る発振信号φO8Cの前周期であるし状態間にはノード
31に蓄積された基板電流がPMOSトランジスタPM
6を通って接地される。
また、上記発振部10から出力される発振信号φO8C
がL状態になると」1記電圧ポンプ駆動部20でL状態
のクロック信号CKとH状態のクロック信号CKが出力
される。従って上記発振信号φO8CがH状態における
場合とは反対に動作してノード31に基板電流が蓄積さ
れ、このノー+:31に蓄積された基板電流はPMO3
I−ランジスタPM9を通って接地される。この時上記
発振部10から出力発振信号φO8Cの状態が変えられ
る時、電圧ポンプ駆動部20から出力されるクロック信
号CK、CKが同時にL状態になることを防11−7す
る。
このような理由は基板電圧ノード3つと接地電圧端子が
直接連結されて基板電圧Vllllが11モの電圧値を
有することを防止するためのものである。
上述のごとく2つの相異なる位相をもつクロック信号C
K、CKによって電圧ポンプ回路が動作されるので、ボ
ンピング効率が増加され安定された基板電圧を維持する
ようになる。また、上記電圧ポンプ部20がPMOS+
−ランジスタPMI〜P M 1.0として構成されて
N形つェルをaする0MO8に内蔵されると、このN形
つェルが負の電圧値を有し、この電圧ポンプ部20の動
作時発生される雑音がこのN形つェルによって基板電圧
ノードVBBと分離されてラッチアップ現象を防止する
第5図は第1図の電圧ポンプ部30の異なる具体回路図
である。
上記回路は第4図の回路にてボンピングキャパシタとし
て利用されるPMO5+−ランジスタPM1〜PM4を
除外した残りのPMO8hランジスタPM5〜P M 
1.0の基板ノードに」1記クロック信号CK、CKが
印加されるように構成される。
即ち、」1記クロック信号CKはPMO8+−ランジス
タPM5.PM6.PM8の基板に、クロック信号CK
はPMOSトランジスタPM7.PM’9゜PMIOの
基板に各々印加される。従って、上記P M OS 、
1−ランジスタPM5〜P M 1.0のスレッショル
ド電圧はターンオン状態では低く、ターンオフ状態では
高くなるようにトランジスタ特性が改善されるので電圧
ボンピング効率がもっと改善される。
第6図は第1図の発振駆動部50の詳細回路図である。
上記発振駆動部50は基板電圧VlInのレベルを感知
してレベル感知部40から出力されるクロック信号φe
n、  UIがインバータを構成する=   15 − PMOSトランジスタとNMO3I−ランジスタ■)M
llとNMI、PMl6とのゲートへ入力されるように
接続する。また、」二足PMOSトランジスタP M 
]、 iと出力端間にダイオード機能をするNMOSト
ランジスタNM2.NM3が接続され、上記NMOSト
ランジスタNMIと接地間にバイアス抵抗R1が接続さ
れて、電源電圧端と出力端子間にダイオード機能をする
NMO3I・ランジスタNM4.NM5が接続され、ま
た出力端と接地間にキャパシタCnが接続される。また
、」二足PMOSトランジスタP M :I−6と電源
電圧端間に抵抗R2が、出力端とNMOSトランジスタ
NM6にPMOSトランジスタPM 1.2.  PM
 1.3か接続される。そして、上記出力端と接地間に
PMOSトランジスタPM14.PMl5とキャパシタ
Cn l 1が並列に接続される。
」二足発振駆動部50にて、電圧ポンプ部30のノード
39が所定のレベルを維持しないとレベル感知部40か
ら出力されるクロック信号tl>anは各々H状態及び
L状態になる。従って上記クロック一  16 − 信号φen、 1行はPMOSトランジスタ及びNMO
SトランジスタPM11.、NM6を各々ターンオンさ
せ、バイアス電圧V。N+ VOPを発振部]0へ出力
する。上記バイアス電圧V。N+  V01’はV。N
=Vcc  2VTN及びV op= 2 V ’rp
て」二足発振部10を動作さぜる。ここて、VTNはN
MO3I−ランジスタNM2.NM3.各々のスレッシ
ョルド電圧であり、VTPはPMO5+−ランジスタP
MI 2゜P M i 3各々のスレッショルド電圧で
ある。しかし、電圧ポンプ部30のノード39が所定の
レベルになるとレベル感知部40にてクロック信号φe
n、 Tiが各々L状態及びH状態として出力される。
従って」1記クロック信号φan、  $cnはNMO
Sトランジスタ及びPMOSトランジスタNM1、PM
l、6をターンオンさせるので、」二足バイアス電圧v
TN+ VTPを制御して発振部10が動作しないよう
にする。従って上記ノード39は所定のレベルを継続維
持するようになる。
第7図の(A)〜(H)はこの発明による基板電圧発生
回路の動作波形図である。先ず、上記第7図の(A)は
発振部]Oから出力される発振信号φosc cであり
、上記第7図の(B)は電圧ポンプ駆動部20の遅延手
段25を通過して所定時間遅延された信号である。また
、第7図の(C)及び(D)は上記第7図の(A)及び
(B)の組合せによって電圧ポンプ駆動部20から出力
されるクロック信号CK、CKである。」二足クロック
信号CK、CKはH状態の時は発振部10から出力され
る発振信号φO8Cより遅延手段25の遅延時間だけも
っと長く、L状態の時にはもっと短く発生されて同時に
L状態になることを防11する。
また、第7図の(E)〜(H)は電圧ポンピング部30
のノード31. 33. 35. 37にての動作波形
図である。上記にてノード3]、、37が同時にL状態
にされないようにするので、基板電圧VRBを安定に維
持することができる。
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、適宜
の計画的変更により、適宜の態様で実施し得るものであ
る。
[発明の効果] 上述のごとく温度の変化により抵抗値を補償して発振周
期を一定に保つ所定の発振信号φO3Cを発生する発振
部と、上記発振信号φO3Cを入力し互いに反転された
クロック信号CK、CKを発生する電圧ポンプ駆動部と
、負の基板電圧を発生ずる電圧ポンプ部と、基板電圧の
レベルを感知するレベル感知部と、上記感知された基板
電圧値が所定のレベルでない場合に発振部にバイアス電
圧を出力する発振駆動部とから構成されるので、温度の
変化に対して抵抗値を補償し駆動能力が変えられないよ
うに半導体装置の信頼性を向上させ、待機状態時の電力
消耗を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明による基板電圧発生回路のブロック図
、 第2図は第1図に示された発振部の詳細回路図、第3図
は第1図に示された電圧ポンプ駆動部詳細回路図、 第4図は第1図に示された電圧ポンプ部の詳細回路図、 −19= 第5図は第1図に示された電圧ポンプの他の実施例の詳
細回路図、 第6図は第1図に示された発振駆動部の詳細回路図、 第7図は第1図に示された基板電圧発生回路の動作波形
図である。 10・・・発振部 20・・・電圧ポンプ駆動部25・
・・遅延素子 30・・・電圧ポンプ部40・・・レベ
ル感知部 50・・・発振駆動部11〜1.、I、、→
−1..ILl+2・・・インバータMP、〜MP、l
、RPI〜RP、、、PMI〜PM16・・・PMOS
トランジスタ MN、〜MN、、、RN、〜RN、、NM1〜NM6・
・・NMO3I−ランジスタ OR・・・ORゲート  NA・・・NANDゲート一
  20 − Sど Qlご ジ乙 ダ占ジ8ジ8 匡

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)半導体装置において、温度の変化によって抵抗値
    を補償して発振周期が変えられない所定の発振信号を発
    生する発振部と、 前記発振部から発生された発振信号を入力し互いに18
    0゜の位相差を持つクロック信号を出力する電圧ポンプ
    駆動部と、 前記電圧ポンプ駆動部のクロック信号群を入力し基板電
    圧を発生する電圧ポンプ部と、 前記電圧ポンプの出力を感知して基板電圧が所定電位を
    維持しない時のクロック信号を出力するレベル感知部と
    、 前記レベル感知部のクロック信号によって上記発振部に
    バイアス電圧を印加する発振駆動部とから構成されたこ
    とを特徴とする半導体装置の基板電圧発生回路。
  2. (2)発振部は奇数個の反転素子が直列で連結され、こ
    の反転素子と電源電圧間に2つの第1導電形のトランジ
    スタを並列で接続するように連結し、この反転素子と接
    地間に2つの第2導電形のトランジスタを並列で接続す
    るように連結して構成されたことを特徴とする請求項1
    記載の半導体装置の基板電圧発生回路。
  3. (3)第1導電形はP形であり、第2導電形はN形であ
    ることを特徴とする請求項2記載の半導体装置の基板電
    圧発生回路。
  4. (4)電圧ポンプ駆動部は発振部の発振信号をバッファ
    リングする手段と、バッファリングされた発振信号を所
    定時間遅延させる遅延手段と、前記バッファリングされ
    た信号と所定時間遅延された信号を各々入力し、互いに
    反転されたクロック信号を出力する論理積手段及び論理
    和手段とから構成されたことを特徴とする請求項1記載
    の半導体装置の基板電圧発生回路。
  5. (5)電圧ポンプ駆動部から出力されるクロック信号は
    所定遅延時間H状態を維持すると同時にL状態に変化し
    ないことを特徴とする請求項4記載の半導体装置の基板
    電圧発生回路。
  6. (6)電圧ポンプ部は、ソース及びドレーンが共通接続
    されて上記電圧ポンプ駆動部から出力されるクロック信
    号を各々入力する第1〜第4ポンピングキャパシタ用M
    OSトランジスタと、該第1及び第4ポンピングキャパ
    シタ用MOSトランジスタのゲートにドレーン及びゲー
    トが共通に接続され基板電圧ノードにソースが接続され
    る第1及び第4ダイオード用MOSトランジスタと、前
    記第1及び第4ポンピングキャパシタ用MOSトランジ
    スタのゲートにソースが接続されドレーンが接地されゲ
    ートが前記第2及び第3ポンピングキャパシタ用MOS
    トランジスタのゲートに接続されるMOSトランジスタ
    と、前記第2及び第3ポンピングキャパシタ用MOSト
    ランジスタのゲートにドレーンが接続されゲート及びソ
    ースが接続される第2及び第3ダイオード用MOSトラ
    ンジスタで構成されたことを特徴とする請求項1記載の
    半導体装置の基板電圧発生回路。
  7. (7)第1及び第3ポンピングキャパシタ用MOSトラ
    ンジスタ及び第2及び第4ポンピングキャパシタ用MO
    Sトランジスタにクロック信号が各々入力されることを
    特徴とする請求項6記載の半導体装置の基板電圧発生回
    路。
  8. (8)第1〜第4ポンピングキャパシタ用MOSトラン
    ジスタを除外した残りのMOSトランジスタの基板ノー
    ドにクロック信号が各々入力されることを特徴とする請
    求項6記載の半導体装置の基板電圧発生回路。
  9. (9)全てのMOSトランジスタは第2導電形のウェル
    に形成され第1導電形を有することを特徴とする請求項
    8記載の半導体装置の基板電圧発生回路。
  10. (10)第1導電形がP形であり、第2導電形がN形で
    あることを特徴とする請求項9記載の半導体装置の基板
    電圧発生回路。
JP2-306381A 1990-11-14 半導体装置の基板電圧発生回路 Expired - Lifetime JP3026593B2 (ja)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR9013472A FR2668668B1 (fr) 1990-10-30 1990-10-30 Generateur de tension de substrat pour un dispositif a semiconducteurs.

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