JPH0799625B2 - 基板バイアス電圧発生器 - Google Patents

基板バイアス電圧発生器

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JPH0799625B2
JPH0799625B2 JP61127581A JP12758186A JPH0799625B2 JP H0799625 B2 JPH0799625 B2 JP H0799625B2 JP 61127581 A JP61127581 A JP 61127581A JP 12758186 A JP12758186 A JP 12758186A JP H0799625 B2 JPH0799625 B2 JP H0799625B2
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彰 大沢
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松下電子工業株式会社
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【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特にMOSダイナミックRAM用の基
板バイアス電圧発生器に関するものである。
従来の技術 MOSダイナミックRAMの特性向上を目的として、集積回路
の半導体基板に−3〜−5Vの負バイアス電圧を印加する
ことが行なわれている。MOSダイナミックメモリの接地
電位より半導体基板を負にバイアスすることで、P型の
シリコン基板とN+にドープされたシリコン層との間の接
合容量が小さくなり高速動作が可能になる他、MOSトラ
ンジスタのソース,基板間電位の変化に対するMOSトラ
ンジスタの閾値変化が少なくなり、回路動作が安定する
という利点が得られる。
基板バイアス電圧の印加は半導体基板上のバイアス発生
回路により行なわれる。その回路は第2図に示すように
発振器24a,ドライバ回路25b、2箇のMOSトランジスタ2
7,28および1箇のキャパシタ26で構成され、チャージポ
ンプにより負電圧を得るものである。発振器24aはイン
バータを奇数段接続したリング発振器よりなり、電源電
圧Vccによって決まる一定周波数で常に発振を継続して
いるものである。
発明が解決しようとする問題点 MOSダイナミックメモリは同期型回路を採用しており、
メモリの動作はクロック入力で制御される。▲▼
クロック入力をロウレベルにするとメモリ装置は動作状
態となり、内部回路が活性化され。これに対し、▲
▼クロック入力をハイレベルにすると待機状態とな
り、内部回路は非活性となる。待機時の電源電流をスタ
イバイ電流と呼び通常3mA程度であり、スタンバイ電流
の約半分は基板バイアス電圧発生器により消費されてい
るものである。基板バイアス電圧発生器はメモリ動作に
よって流れる基板電流を供給するものであるが、従来の
基板バイアス電圧発生器は基板電流のほとんど流れない
待機時でも動作時とかわらず動作しており、スタンバイ
電流増加の主要因となっている。従ってスタンバイ電流
低減のためには待機時に消費電流の小さな基板バイアス
電圧発生器を実現することが必要である。
問題点を解決するための手段 前記問題点を解決するため本発明は、クロック入力信号
を波形整形する波形整形回路と、波形整形後のパルス波
形のパルス幅を変えるパルス幅変換回路と、前記パルス
幅変換回路の出力により駆動される第1のドライバ回路
と、前記第1のドライバ回路の出力により発振の起動お
よび停止が制御される第1の発振器と、前記発振器の出
力により駆動される第2のドライバ回路と、前記第2の
ドライバ回路の出力によって駆動され、前記クロック入
力により動作状態と待機状態が制御される半導体集積回
路を搭載した半導体基板を負電位にバイアスする第1の
チャージポンプ回路と、第1の発振器とは独立した第2
の発振器と、前記第2の発振器の出力によって駆動され
る第3のドライバ回路と、前記第3のドライバ回路の出
力によって駆動され、前記半導体基板を負電位にバイア
スする第2のチャージポンプ回路とにより構成される基
板バイアス電圧発生器を提供する。
作用 第1図と第3図を参照して作用を説明する。
パルス幅変換回路とは第3図に示すように、クロック入
力端子▲▼の入力信号を波形整形した逆相信号φ
のパルス幅を拡げる回路で、信号φの立下り時間を遅延
させる機能をもつ。
パルス幅変換回路出力は第1のドライバ回路を経て制御
信号SBLとなる。SBLは第1の発振器13を制御し、SBLが
ハイレベル時に第1の発振器13を動作させ、SBLがロウ
レベル時に第1の発振器13を停止させる。従って▲
▼入力がロウレベル時(メモリ回路動作時)はSBLは
ハイレベルのため第1の発振器13を動作させ第1のチャ
ージポンプ24を動作させる。一方▲▼入力がハイ
レベルになると(メモリ回路待機時)しばらくしてSBL
がロウレベルになり第1の発振器13を停止させ第1のチ
ャージポンプ動作を停止させる。この時第1の発振器1
3,第2のドライバ回路14,第1のチャージポンプ回路24
の消費電流はほとんどなくなる。それとともに基板を負
にバイアスする機能もなくなるので第2の発振器19およ
び第2のチャージポンプ25の動作により基板を負に保
つ。第2の発振器および第2のチャージポンプ回路は第
1の発振器および第1のチャージポンプ回路に比較し、
電流駆動能力は1桁以上少ないものでよい。このため第
2の発振器19の周波数は第1の発振器19の周波数より低
く設定でき、また第2のチャージポンプ回路のキャパシ
タ21も第1のチャージポンプ回路のキャパシタ15よりも
少ないものでよい。従ってメモリ回路待機時は第1の発
振器が停止し、消費電流の少ない第2の発振器19,第3
のドライバ回路20,第2のチャージポンプ回路25しか動
作しないため、消費電流を著しく減少させることが可能
となる。
▲▼クロックによって第1の発振器13の動作を停
止させてスタンバイ電流を減少させるだけならパルス幅
変換回路11は不要と考えられる。ところが、▲▼
クロックの周期が短かくなり、しかも▲▼クロッ
クのロウレベルの時間が第1の発振器13の周期と同程度
になった場合、波形整形回路出力φで直接発振器を制御
すると、φ波形のハイレベルの時間が短いため、第1の
発振器13が満足に発振しなくなり十分なチャージポンプ
作用が期待できなくなる。従って、パルス幅変換回路11
は▲▼クロックのロウレベル時間が短い場合でも
第1の発振器13が正常に発振できるだけの時間を確保す
ることが目的である。パルス幅変換回路11によるパルス
幅の増加量ΔTは、ΔTの時間に最低2サイクルの発振
器出力が必要なことから第1の発振器13の周期T0の2倍
以上(すなわちΔT≧2T0)必要である。ただしΔTはM
OSダイナミックメモリのリフレッシュ周期よりも短かく
なければ、その効果がなくなる。
またパルス幅変換回路11を用いると、▲▼入力ク
ロックの周期Tiがパルス幅の増加量ΔTよりも短い場
合、第1の発振器13を連続発振させることが可能とな
る。これは第4図に示すようにΔTがTiよりも長いため
パルス幅変換回路11出力のSBLの立下りよりも前に次の
周期の立上りができるため、SBLは常にハイレベルとな
ることによる。基板電流は▲▼クロック周期Ti
反比例して増加するため、Tiが短い時に発振器が連続発
振できチャージポンプ回路の電流駆動能力が最大になる
ことは好ましい。
実施例 本発明の実施例としてパルス幅変換回路11、第1の発振
器13および第1と第2のドライバ回路12,14の回路を第
5図に、そのタイミング図を第6図にそれぞれ示す。第
5図に示す回路はエンハンスメント型MOSトランジスタ
およびキャパシタで構成され、第2のドライバ回路14の
出力を第1図の第1のチャージポンプ回路24に接続す
る。パルス幅変換回路11の入力信号φ,は従来のMOS
ダイナミックメモリに搭載されている▲▼入力の
波形整形回路10の出力およびその逆相信号をそのまま利
用する。先ず▲▼入力信号がロウレベルとなり信
号φが立上るとトランジスタ32によりキャパシタ34が直
ちにチャージアップされ、トランジスタ35,36,37,38で
構成されたインバータ出力がロウレベルとなる。この信
号がトランジスタ39,40のインバータに入り、制御信号S
BLをハイレベルとする。次に▲▼入力信号がハイ
レベルとなるとは立上り、トランジスタ33が導通状態
になり、▲▼入力信号ロウレベル時にキャパシタ
34に蓄積した電荷を放電する。キャパシタ34の容量およ
びトランジスタ33の導通状態のインピーダンスを適切に
選ぶことにより、トランジスタ35,36,37,38で構成され
たインバータがロウレベルからハイレベルに反転する時
間を遅延させることが可能で、これによりSBLの立下り
を遅延させパルス幅を長くすることができる。信号φと
信号SBLのパルス幅の増加分ΔTは通常1〜2μsとな
るよう設計することが望ましい。
第1の発振器13はインバータ5段のリング発振器で各イ
ンバータの入力トランジスタ44,47,50,53,56のソースは
トランジスタ58を介して接地電位(GND)に接続されて
いる。制御信号SBLがハイレベルの時トランジスタ58は
オン状態でリングオシレータの各段インバータの入力ト
ランジスタのソースは接地され、発振器13は発振する。
一方制御信号SBLがロウレベル時はトランジスタ58はオ
フし、発振は停止する。発振停止時は、電源VccからGND
までの電流経路が遮断され消費電流がほぼゼロとなる。
トランジスタ59,60は発振停止時にドライバ14の入力ト
ランジスタ62をオフさせるためのもので第2のドライバ
回路14での消費電流もゼロになるよう回路が構成されて
いる。従って▲▼入力がハイレベルになって一定
時間(ΔT強)後、第5図の回路での消費電流はトラン
ジスタ39のソース−ドレイン間電流だけとなり、スタン
バイ時の消費電流を数十μA程度に著しく減少させるこ
とができる。
第1の発振器13の停止時に基板にバイアスを印加する手
段として第5図の回路とは別に第1図に示すように1組
の第2の発振器,第3のドライバ回路,第2のチャージ
ポンプ回路が必要で、これは従来の基板バイアス発振器
と全く同じ回路でよい。この回路の電流駆動能力は小さ
いものでよく消費電流を100μA程度にすることが可能
である。従って第5図に示した実施例の回路を採用すれ
ば▲▼入力ハイレベル時消費電流が150μAの低
消費電流の基板バイアス電圧発生器を実現することがで
きる。
なお、この実施例ではMOSトランジスタはすべてエンハ
ンスメントタイプで回路が構成されているが、回路中の
インバータの負荷トランジスタにデプレーションタイプ
のトランジスタを使用してもよい。
発明の効果 本発明の基板バイアス発生器はMOSダイナミックメモリ
の▲▼入力信号を波形整形後、パルス幅を変換
し、この信号により発振器を制御する構成のため、メモ
リ待機時の消費電流が著しく少ない。その結果MOSダイ
ナミックメモリのスタンバイ電流を従来の2mAから約1.5
mAにまで減少させることができる。待機時は第1の発振
器は停止するものの、低消費電流の第2の発振器が第2
のチャージポンプ回路を駆動しているので基板バイアス
電圧は動作時とかわらず印加されており、メモリの動作
には全く悪影響をおよぼさない。また▲▼クロッ
ク入力の周期が短かく、かつ▲▼クロック入力の
ロウレベルの時間が短い場合でも、本発明では▲
▼クロック入力で制御される発振器は連続発振状態とな
り、基板電流の大きくなる動作条件ではチャージポンプ
回路の電流駆動能力を最大とすることができる。
本発明の基板バイアス電圧発生器は以上述べた効果を有
し、その実用的効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の基板バイアス電圧発生器の構成を示す
ブロック図、第2図は従来の基板バイアス電圧発生器の
構成を示すブロック図、第3図は本発明のパルス幅変換
回路のタイミング図、第4図は▲▼入力の周期が
短い場合の本発明のパルス幅変換回路のタイミング図、
第5図は本発明の実施例を示す回路図、第6図は本発明
の第5図に示す実施例の回路のタイミング図である。 10……波形整形回路、11……パルス幅変換回路、12……
第1のドライバ回路、13……第1の発振器、14……第2
のドライバ回路、26,21,15……コンデンサ、16,17,22,2
3,27,28……MOSトランジスタ、24……第1のチャージポ
ンプ回路、18……基板、19……第2の発振器、20……第
3のドライバ回路、25……第2のチャージポンプ回路、
24a……発振器、25a……ドライバ回路、▲▼……
入力クロック波形、φ……波形整形回路出力、SBL……
パルス幅変換回路出力、Ti……入力クロックの周期、Δ
T……パルス幅変換出力回路の増分幅、30〜33……MOS
トランジスタ、34……コンデンサ、35〜44……MOSトラ
ンジスタ、46,47,49,50,52,53,55,56,58〜62……MOSト
ランジスタ、45,48,51,54,57……コンデンサ、63……制
御信号SBL、64……制御信号▲▼、Vcc……電源電
圧。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】クロック入力信号を波形整形する波形整形
    回路と、波形整形後のパルス波形のパルス幅を変えるパ
    ルス幅変換回路と、前記パルス幅変換回路の出力により
    駆動される第1のドライバ回路と、前記第1のドライバ
    回路の出力により発振の起動および停止が制御される第
    1の発振器と、前記発振器の出力により駆動される第2
    のドライバ回路と、前記第2のドライバ回路の出力によ
    って駆動され、前記クロック入力信号により動作状態と
    待機状態が制御される半導体集積回路を搭載した半導体
    基板を負電位にバイアスする第1のチャージポンプ回路
    と、前記第1の発振器とは独立した第2の発振器と、前
    記第2の発振器の出力によって駆動される第3のドライ
    バ回路と、前記第3のドライバ回路の出力によって駆動
    され前記半導体基板を負電位にバイアスする第2のチャ
    ージポンプ回路とにより構成される基板バイアス電圧発
    生器。
  2. 【請求項2】半導体集積回路が半導体メモリ装置であ
    り、パルス幅変換回路の出力波形のパルス幅が前記パル
    ス幅変換回路の入力波形のパルス幅に比較して、第1の
    発振器の出力波形の周期の2倍以上長く、かつ前記半導
    体メモリ装置のリフレッシュ周期より短い特許請求の範
    囲第1項記載の基板バイアス電圧発生器。
  3. 【請求項3】第2発振器の周波数が第1の発振器の周波
    数よりも低い特許請求の範囲第1項または第2項記載の
    基板バイアス電圧発生器。
  4. 【請求項4】第2チャージポンプ回路のキャパシタ容量
    が第1のチャージポンプ回路のキャパシタ容量よりも小
    さい特許請求の範囲第1項,第2項または第3項記載の
    基板バイアス電圧発生器。
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