KR100398568B1 - 내부 전원전압 발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내부 전원전압 발생기에 관한 것으로, 특히, 소정레벨의 제 1기준전압을 발생하는 기준전압 발생기와, 내부 전원전압을 공급받고, 내부클럭에 응답하여 온도의 변화에 대응하여 가변 펄스 폭의 가변펄스신호를 발생하는 온도연동 펄스발생기와, 상기 가변펼스신호의 펄스 폭에 따라 가변전압을 생성하고, 상기 제 1기준전압과 상기 가변전압의 비교에 의해 제 2기준전압을 발생하는 기준전압 변환기와, 상기 내부 전원전압을 발생하고, 상기 제 2기준전압과 상기 내부 전원전압의 비교에 의해 온도 보상된 내부 전원전압을 발생하며, 온도의 변화에 따라 상기 내부전원전압의 증감을 조절하는 구동부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

내부 전원전압 발생기{Internal supply voltage generator}
본 발명은 반도체 집적 회로의 내부 전원전압 발생기에 관한 것으로, 특히, 온도나 외부전압변동에 무관하게 일정한 내부 전원전압을 발생하는 내부 전원전압 발생기에 관한 것이다.
반도체 집적 회로에서는 특정 노드의 AC 임피던스를 낮추고 DC 레벨을 안정화하여 그 노드의 전압을 내부 전원으로 사용하는 것이 필요할 때가 있다. 그러나 이 두 가지 요구 조건을 동시에 만족하는 것이 쉽지 않은데, 그 가운데 낮은 임피던스라는 점에 중심을 둔 것을 내부 전원이라 한다.
또 반도체 집적 회로에서는 온도나 외부 전압 변동에 대해 안정하게 일정한 레벨의 전압을 공급해 줄 필요가 있는데, 이와 같은 기능의 회로를 기준 전압 발생기라고 한다. 우수한 내부 전원을 확보하기 위해서는 이 두 가지 회로를 연계해서 설계한 내부 전원전압 발생기가 필요하다.
도 1은 종래의 내부 전원전압 발생기를 나타낸 블록 다이어그램으로서, 도시된 바와 같이, 기준전압 발생기(102)와, 기준전압 변환기(104)와, 구동부(110)로 구성된다.
기준전압 발생기(102)는 전원전압(VDD)으로부터 소정 레벨의 제 1 기준전압(Vref1)을 발생하여 기준전압 변환기(104)에 제공한다. 기준전압 변환기(104)는 기준전압 발생기(102)로부터의 제 1기준전압(Vref1)을 변환하여 제 2기준전압(Vref2)을 발생한다. 이를 위해 기준전압 변환기(104)는 전류 싱크(current sink)(106)를 포함한다. 이 전류싱크(106)는 기준전압 변환기(104) 내의 특정 노드의 전류량을 제어한다. 구동부(110)는 제 2기준전압(Vref2)을 입력받아 내부 전원전압(Vperi)을 발생한다.
구동부(110)는 내부적으로 내부 전원전압(Vperi)과 제 2기준전압(Vref2)의 전압 차를 검출하는 비교기(미도시)와, 이 비교기의 출력에 의해 구동하는 매우 큰 사이즈의 구동 트랜지스터(미도시)를 갖고 제 2기준 전압(Vref2)이 내부 전원전압(Vperi) 레벨이 되도록 동작한다.
이와 같이 구성된 종래의 내부 전원전압 발생기는 온도와 무관하게 기준 전압을 발생시켜서 온도 변화에 따른 반도체 소자의 지연 특성 변화를 충분히 보상하지 못한다. 이 때문에 동작 온도 조건 내에서 회로의 특성이 변화하여 회로 동작 여유도 감소의 주원인이 되고 있다.
본 발명에 따른 내부 전원전압 발생기의 목적은 온도 변화에 따른 특성 변화를 내부 전원전압 레벨에 직접 반영하여 보상하도록 함으로써 안정된 레벨의 내부 전원전압을 공급하도록 하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 내부 전원전압 발생기는 소정레벨의 제 1기준전압을 발생하는 기준전압 발생기; 내부 전원전압을 공급받고, 내부클럭에 응답하여 온도의 변화에 대응하여 가변 펄스 폭의 가변펄스신호를 발생하는 온도연동 펄스발생기; 상기 가변펼스신호의 펄스 폭에 따라 가변전압을 생성하고, 상기 제 1기준전압과 상기 가변전압의 비교에 의해 제 2기준전압을 발생하는 기준전압 변환기; 및 상기 내부 전원전압을 발생하고, 상기 제 2기준전압과 상기 내부 전원전압의 비교에 의해 온도 보상된 내부 전원전압을 발생하며, 온도의 변화에 따라 상기 내부전원전압의 증감을 조절하는 구동부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래의 내부 전원전압 발생기를 나타낸 블록 다이어그램.
도 2는 본 발명에 따른 내부 전원전압 발생기를 나타낸 블록 다이어그램.
도 3은 본 발명에 따른 온도 연동 펄스 발생기를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 온도 연동 펄스 발생기의 동작 특성을 나타낸 타이밍 다이어그램.
도 5는 본 발명에 따른 기준전압 변환기(204)와 구동부(210)를 나타낸 회로도.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 내부 전원전압 발생기를 나타낸 블록 다이어그램으로서, 도시된 바와 같이, 기준전압 발생기(202)와, 온도연동 펄스발생기(204)와, 기준접압 변환기(206)과, 구동부(210)로 구성된다.
기준전압 발생기(202)는 전원전압(VDD)으로부터 소정 레벨의 제 1기준전압(Vref1)을 발생시킨다. 온도연동 펄스발생기(202)는 내부클럭(CLK_I)을 입력받아 온도에 따라 펄스 폭이 가변되는 가변펄스신호(Ptemp)를 발생시킨다. 이 가변펄스신호(Ptemp)는 저온일수록 "하이" 레벨 구간이 커지고, 고온일수록 "하이" 레벨 구간이 작아진다. 기준전압 변환기(206)는 전류싱크부(current sink)(208)를 포함하며, 기준전압 발생기(202)에서 출력되는 제 1기준전압(Vref1)과 온도연동 펄스발생기(204)에서 출력되는 가변펄스신호(Ptemp)에 따라 제 1기준 전압(Vref1)을 레벨 쉬프트시켜서 소정의 내부 전원전압(Vperi) 레벨의 제 2기준 전압(Vref2) 발생한다.전류싱크부(208)는 가변펄스신호(Ptemp)에 의해 제어되어 기준전압 변환기(206) 내의 특정 노드의 전류량을 가변 제어하도록 이루어진다. 구동부(210)는 기준전압 변환기(206)로부터 제 2기준전압(Vref2)을 입력받아 내부 전원전압(Vperi)을 발생한다.구동부(210)는 내부적으로 내부 전원전압(Vperi)과 제 2기준전압(Vref2)의 전압 차를 검출하는 비교기와, 이 비교기의 출력에 의해 구동하는 매우 큰 사이즈의 구동 트랜지스터를 갖고, 제 2기준 전압(Vref2)이 내부 전원전압(Vperi) 레벨이 되도록 동작한다.
도 3은 본 발명에 따른 온도 연동 펄스발생기를 나타낸 도면으로서, (a)는 전체 회로도이고 (b)는 딜레이부를 구성하는 인버터 체인을 나타낸 회로도이다.
먼저 도 3(a)에 나타낸 바와 같이, 온도연동 펄스발생기(204)는 딜레이부(302)와, 인버터(304)와, 앤드 게이트(306)로 구성된다.딜레이부(302)는 온도의 변화에 따라 내부 클럭(CLK_I)을 가변적으로 지연시킨다. 인버터(304)는 딜레이부(304)에 의해 지연된 내부 클럭(CLK_I)를 반전하여 앤드 게이트(306)의 일입력으로 출력한다. 앤드 게이트(306)는 내부 클럭(CLK_I)과 이 내부 클럭(CLK_I)의 지연 및 반전된 신호의 위상 차에 의해 펄스 폭이 결정되는 가변펄스신호(Ptemp)를 출력한다.도 3(b)에 나타낸 바와 같이, 딜레이부(302)는 각각이 내부 전원전압(Vperi)을 공급받는 직렬 인버터 체인으로서 짝수 개의 인버터(INV1~INVn)로 구성되어 지연신호를 노드(N1)으로 출력하며, 온도가 상승하면 상기 직렬 인버터 체인에 의한 지연이 커지는 특성을 갖는다. 이 직렬 인버터 체인에 의해 지연된 신호는 도 3(a)의 인버터(304)에 의해 반전되어 앤드 게이트(306)에 입력된다.
도 4는 본 발명에 따른 온도연동 펄스발생기의 동작 특성을 나타낸 타이밍 다이어그램이다. 도 4(2)에서 도 4(4)에 나타낸 파형에서 굵은 실선(━)은 저온에서의 파형이고, 가는 실선(─)은 상온에서의 파형이며, 파선(--)은 고온에서의 파형이다. VN1은 도 3에서 노드(N1)의 출력파형이고, VN2는 도 3에서 노드(N2)의 출력파형이다.
도 4(4)에서 알 수 있듯이, 온도 변화에 따라 가변펄스신호(Ptemp)의 듀티 사이클도 함께 변화한다. 이는 전술한 바와 같이 온도가 상승함에 따라 딜레이부(302)의 인버터 체인의 지연이 커져 가변펄스신호(Ptemp)의 "하이"레벨의 구간이 감소하기 때문이다.
도 5는 본 발명에 따른 기준전압 변환기(204)와 구동부(210)를 나타낸 회로도이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 기준전압 변환기(204)는 가변펄스신호(Ptemp)에 따라 전류량을 제어하여 가변전압 출력노드(N3)를 통해 가변전압을 발생하는 전류싱크부(208)와, 제 1기준전압(Vref1)과 상기 가변전압의 비교에 의해 구동신호를 출력하는 제 1비교기(512)와, 전원전압(VDD)과 기준전압 출력노드(N4) 사이에 결합되며 상기 제 1비교기(512)의 출력신호에 의해 구동되어 기준전압 출력노드(N4)를 통해 제 2기준전압(Vref2)을 발생하는 제 1구동 트랜지스터(502)와, 기준전압 출력노드(N4)와 가변전압 출력노드(N3) 간에 결합된 제 1저항소자(504)로 구성된다.전류싱크부(208)는 가변펄스신호(Ptemp)에 의해 제어되어 가변전압 출력노드(N3)의 전류량을 가변 시킨다. 이를 위해 전류싱크부(208)는 상기 가변전압 출력노드와 접지사이에 결합되어 가변펄스신호(Ptemp)에 의해 구동되는 엔모스 트랜지스터(508)와, 상기 엔모스 트랜지스터와 병렬 연결된 제 2저항 소자(508)와, 엔모스 트랜지스터(508)와 병렬 연결된 커패시터(510)로 구성된다. 여기서, 커패시터(510)는 제 2저항 소자(506) 양단의 전압을 평활(smoothing)하기 위한 것이다.본 발명의 실시예에 따라 가변펄스신호(Ptemp)는 저온일 때 펄스 폭이 증가되어 "하이" 레벨 구간이 커지게 되고, 고온일때 펄스 폭이 감소하여 "하이" 레벨 구간이 줄어들게 된다. 이에 따라 전류싱크부(208)의 엔모스 트랜지스터(508)는 저온일 때 턴 온 시간이 길어져 가변전압 출력노드(N3)의 전압을 제 1기준전압(Vref1)보다 낮아지게 하고, 고온일 때 턴 온 시간이 짧아져 가변전압 출력노드(N3)의 전압을 제 1기준전압(Vref1)보다 크게 한다.
이렇게 전류싱크부(208)에 의해 전류량이 변화하는 가변전압 노드(N3)의 전압은 제 1비교기(512)에 입력되어 제 1기준전압(Vref1)과 비교된다. 가변전압 출력노드(N3)의 전압보다 제 1기준전압(Vref1)이 더 크면 제 1비교기(512)는 논리레벨 "로우"의 출력을 발생하여 제 1구동 트랜지스터(502)를 턴온 시킨다. 제 1구동 트랜지스터(502)가 턴온되면 기준전압 출력노드(N4)에서 출력되는 제 2기준전압(Vref2)은 전원전압(VDD) 레벨이 된다.구동부(210)는 제 2기준전압(Vref2)과 내부 전원전압(Vperi)을 비교함에 의해 구동신호를 발생하는 제 2비교기(516)와, 전원전압(VDD)과 제 2비교기(516)의 비반전입력단(+) 사이에 결합되며, 제 2비교기(516)의 출력신호에 구동되어 상기 온도 보상된 내부 전원전압을 발생하는 제 2구동 트랜지스터(514)로 구성된다.
제 2비교기(516)는 기준전압 변환기(206)에서 출력되는 제 2기준 전압(Vref2)과 내부 전원전압(Vperi)의 크기를 비교하여 제 2기준 전압(Vref2)이 크면 논리레벨 "하이"의 출력을 발생하고, 제 2기준 전압(Vref2)이 작으면 논리레벨 "로우"의 출력을 발생한다. 제 2구동 트랜지스터(514)는 제 2 비교기(516)의 출력 신호에 의해 제어되는데, 소스에는 전원전압(VDD)이 공급되고 드레인에는 내부 전원전압(Vperi)이 연결된다.도 5의 회로에서는 고온일 경우, 먼저, 가변펄스신호(Ptemp)의 하이 레벨 구간이 감소하여 전류 싱크(206)의 동작 구간이 감소한다. 이 때문에 저항(506)의 등가 저항 값이 증가하여 노드(N3)의 전압이 상승한다. 이 때 제 1비교기(512)는 제 1기준전압(Vref1)이 노드(N3)의 전압보다 작기 때문에 논리레벨 "로우"의 출력을 발생하고, 이로 인해 제 1구동 트랜지스터(502)는 턴온되고, 제 2기준 전압(Vref2)은 내부 전원전압(Vperi) 보다 커진다. 그러면, 제 2비교기(516)의 출력은 논리레벨 "로우"가 되고, 제 2구동 트랜지스터(514)가 턴온된다. 이에 따라 전원전압(VDD)에 의해 전류 공급이 이루어짐으로써 내부 전원전압(Vperi)이 전원전압(VDD) 레벨로 상승하게 된다.
한편, 저온일 경우, 먼저, 가변 펄스 신호(Ptemp)의 하이 레벨 구간이 증가하여 전류 싱크(206)의 동작 구간이 증가한다. 이 때문에 저항(506)의 등가 저항 값이 감소하여 노드(N3)의 전압이 감소한다. 이 때 제 1비교기(512)는 제 1기준전압(Vref1)이 노드(N3)의 전압보다 크기 때문에 논리레벨 "하이"의 출력을 발생하고, 이로 인해 제 1구동 트랜지스터(502)는 턴오프되고, 제 2기준 전압(Vref2)은 내부 전원전압(Vperi) 보다 작아진다. 그러면, 제 2비교기(516)의 출력은 논리레벨 "하이"가 되고, 제 2구동 트랜지스터(514)가 턴오프된다. 이에 따라 전원전압(VDD)에 의해 전류 공급이 중단됨으로써, 내부 전원전압(Vperi)이 전원전압(VDD) 레벨로 상승하는 것을 중지시킨다.
따라서, 본 발명은 고온일 경우 내부 전원전압(Vperi)을 증가시켜, 딜레이부(302)의 인버터 체인의 지연특성을 감소시키고, 저온일 경우 내부 전원전압(Vperi)을 낮추어 딜레이부(302)의 인버터 체인의 지연특성을 증가시킴으로써, 내부 전원전압(Vperi)을 평형상태에 도달하게 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 내부 전원전압 발생기는 온도 변화에 따른 특성 변화를 네거티브 피드백 동작에 의해 내부 전원전압 레벨을 보상하도록 함으로써 안정된 레벨의 내부 전원전압을 공급하는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 소정레벨의 제 1기준전압을 발생하는 기준전압 발생기;
    내부 전원전압을 공급받고, 내부클럭에 응답하여 온도의 변화에 대응하여 가변 펄스 폭의 가변펄스신호를 발생하는 온도연동 펄스발생기;
    상기 가변펼스신호의 펄스 폭에 따라 가변전압을 생성하고, 상기 제 1기준전압과 상기 가변전압의 비교에 의해 제 2기준전압을 발생하는 기준전압 변환기; 및
    상기 내부 전원전압을 발생하고, 상기 제 2기준전압과 상기 내부 전원전압의 비교에 의해 온도 보상된 내부 전원전압을 발생하며, 온도의 변화에 따라 상기 내부전원전압의 증감을 조절하는 구동부를 구비하는 것을 특징으로 하는 내부 전원전압 발생기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 온도연동 펄스발생기는 상기 내부클럭을 일정 시간 지연시키는 딜레이부와, 상기 딜레이부의 출력 신호를 반전시키는 제 1인버터와, 상기 내부클럭과 상기 제 1 인버터의 출력신호를 입력받아 상기 가변펄스신호를 출력하는 앤드 게이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 내부 전원전압 발생기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 딜레이부는 상기 온도 보상된 내부 전원전압을 공급받는 짝수개의 제 2인버터가 직렬 연결되어 인버터 체인을 이루는 것을 특징으로 하는 내부 전원전압 발생기.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준전압 변환기는 상기 가변펄스신호에 따라 전류량을 제어하여 가변전압 출력노드를 통해 상기 가변전압을 발생하는 전류싱크부와, 상기 제 1기준전압과 상기 가변전압의 비교에 의해 구동신호를 출력하는 제 1비교기와, 전원전압과 기준전압 출력노드 사이에 결합되며 상기 제 1비교기의 출력신호에 의해 구동되어 상기 기준전압 출력노드를 통해 상기 제 2기준전압을 발생하는 제 1구동 트랜지스터와, 상기 기준전압 출력노드와 상기 가변전압 출력노드 간에 결합된 제 1저항소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 내부 전원전압 발생기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전류싱크부는 상기 가변전압 출력단과 접지사이에 결합되어 상기 가변신호에 의해 구동되는 엔모스 트랜지스터와, 상기 엔모스 트랜지스터와 병렬 연결된 제 2저항 소자와, 상기 엔모스 트랜지스터와 병렬 연결된 커패시터로 구성되는 것을 특징으로 하는 내부 전원전압 발생기.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동부는 상기 제 2기준전압과 상기 내부 전원전압을 비교함에 의해 구동신호를 발생하는 제 2비교기와, 상기 전원전압과 상기 비교기의 비반전입력단 사이에 결합되며, 상기 제 2비교기의 출력신호에 구동되어 상기 온도 보상된 내부 전원전압내부 전원전압제 2구동 트랜지스터로 구성되는 것을 특징으로 하는 내부 전원전압 발생기.
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