KR100761369B1 - 온도변화 적응형 내부 전원 발생 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 외부전원을 다운컨버팅하여 내부전원을 발생하는 내부전원 구동장치에 있어서, 기준전압과 내부전원단으로부터 피드백된 피드백전압을 비교하기 위한 비교수단; 상기 비교수단의 출력신호에 응답하여 상기 내부전원단을 풀업 구동하기 위한 구동수단; 및 온도 독립 기준전압, 온도보상 기준전압, 온도비례 기준전압 각각에 제어받아 상기 비교수단에 바이어스 전류를 제공하기 위한 다수의 바이어스 수단을 구비하는 내부전원 구동장치가 제공된다.

내부전압, 온도, 드라이버, 온도 독립 기준전압, 온도보상 기준전압, 온도비례 기준전압

Description

온도변화 적응형 내부 전원 발생 장치{Internal voltage generator adapted to variation of temperature}

도 1은 종래 기술에 따른 다운컨버팅 방식의 내부전원 발생회로 블록도.

도 2는 상기 도1의 기준전압 발생 회로의 상세도.

도 3은 상기 도1의 버퍼회로 상세도.

도 4는 상기 도1의 드라이버 상세도.

도 5은 본 발명에 따른 다운컨버팅 방식의 내부전원 발생회로 블록도.

도 6는 상기 도5의 드라이버 상세도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1, 11: 기준회로 2, 12: 버퍼

3, 13: 내부전압 구동회로 4: 드라이버

5, 15: 비교부 6, 16: 바이어스부

본 발명은 내부 전원 발생 장치에 관한 것으로, 특히 반도체 소자에서의 온도 변화에 따른 다양한 응답(response)을 제어 할 수 있는 내부 전원 발생 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 메모리 소자인 디램에서 요구되는 초고속 및 저전력의 요구 사항에 부합하기 위하여 외부회로에서 인가는 외부 전원(Vdd)을 낮은 전위로 변환하여 내부 전원(Vint)으로 만들고, 이 내부 전원(Vint)을 이용해서 스탠바이(standby) 및 액티브(active) 동작시 내부에서 소모되는 전류를 드라이빙(driving)하는 방법이 주로 사용되고 있다. 아울러 상기 메모리 이외에도 비메모리 소자를 포함하는 모든 반도체 소자에서도 외부 전원을 이용하여 내부 전원을 만들어 드라이빙하는 방법이 활용되고 있다.

내부 전원은 외부 전원을 다운컨버팅(down converting)하거나 전하펌핑(charge pumping)을 수행하여 만들게 된다.

종래 기술에서는 전류미러(current mirror) 방식의 단위 이득 버퍼(unit gain buffer) 및 증폭기(amplifier)를 이용하여 외부 전원을 다운컨버팅하여 일정한 내부 전위로 만들고 이를 이용해 필요한 전류를 구동하는 방식으로 일정한 내부 전원을 만들어 왔다. 이렇게 만들어진 내부전원은 디램의 코어(core) 및 주변회로(peripheral) 지역에서 스탠바이 및 액티브동작시에 사용된다. 이는 디램에서 외부 전원을 그래도 사용하는 것보다 디램의 동작 영역에서 일정한 레벨을 유지하도록 하는 것이 소자 동작의 신뢰도(reliability) 및 전력 소모 측면에서 유리하기 때문 이다. 또한 이렇게 만든 내부 전위는 전력의 소모를 줄이기 위해 디램이 어떤 동작 상태(standby 또는 active) 있느냐에 따라 이 드라이버들을 각각 혹은 함께 사용하기도 한다.

구체적인 종래기술의 일례를 도1을 참조하여 간단히 설명하면 다음과 같다.

도1은 내부전압(Vint)을 발생시키는 방식에 대한 개념도로, 내부전압(Vint)를 만들기 위해 기준(reference)회로(1)(밴드 갭 혹은 위들러 등)에서 제1 기준 전위(vref_sum0)를 만들고, 내부전압 구동회로(Vint driver)(3)에서는 버퍼(2)를 통해 입력된 제2 기준 전위(vref_sum)를 입력으로하여 전류미러와 증폭기등을 이용해서 일련의 비교(comparison)동작 및 피드백(feedback) 과정을 거쳐 최종적으로 내부전압(Vint)을 만들게 된다.

도 2는 상기 도1의 기준전압 발생 회로(1)의 상세도이다. 종래의 기술에서 기준전압 발생 회로(1)에서 만든 기준 전위는 온도, 공정, 전위의 변화에 무관하게 일정 전위를 유지할 수 있도록 밴드갭(band gap) 혹은 위들러 방식을 사용하여 만든다. 이렇게 만들어진 상기 제1 기준전위(vref_sum0)는 도1의 에 있는 버퍼(2) 및 내부전압 구동회로(3)로 입력되어 내부전압(Vint)을 만드는 기준 전위로 사용되게 된다. 여기서는 기준전압 발생 회로(1)에 대해서는 상세히 설명하지 않는다. 다만, 여기서 만들어지는 출력인 제1 기준전위(vref_sum0)는 기준전압 발생 회로(1)의 설계시 PVT(Process, Voltage Temperature) 변화에 대해서 일정한 전위를 사용한다는 것이다. 통상적으로, 반도체 온도센서는 바이폴라 접합 트랜지스트(bipolar junction transistor: BJT)의 베이스-에미터 전압(Vbe)을 이용하게 되는데, 온도보 상형(complementary to absolute temperature: CTAT) BJT와 온도비례형(proportional to absolute temperature: PTAT) BJT를 이용하여 전압을 형성하게 된다.

도3은 상기 도1의 버퍼회로 상세도로서, 통상적인 버퍼회로의 일례를 도시한 도면이다. 즉, 도1에서 생성된 제1 기준전위(vref_sum0)을 인가 받아 인에이블(enable)되어 구동신호 (DRV)를 생성하고, 이 구동신호는 드라이버(4)를 구동하여 외부전원(Vdd)로부터 상기 제2 기준전위(vref_sum)를 생성하게 된다.

도4는 상기 도1의 드라이버 상세도로서, 내부전압(Vint)을 이용한 스탠바이 드라이버(Standby Driver)를 도시하고 있다.

드라이버의 동작을 위한 입력값으로 외부 전원 Vdd 와 Vss가 있고 내부 전원을 만들기 위해서 DRAM 내부에서 만든 제 2 기준전위(vref_sum)가 있다. 그리고 이 드라이버의 출력값으로는 상기 내부전압(Vint)이 출력되게 된다.

내부전원 오프신호(Vint_off)는 정상동작에서는 ‘로우’ 상태가 되어 비교부(5)가 정상적인 동작을 수행하도록 하고,‘하이’상태가 되면 노드 L, R을 Vdd 전압으로 프리차지 시켜 비교부(5)의 동작을 디스에이블 시킨다. 단, 여기서 내부 전원을 만들기 위한 기준 전위(vref_sum)는 파워업레벨(power up level) 이 되기 전에 미리 셋업(setup)이 되어 있어야 한다.

비교부(5)의 동작을 자세히 설명하면 다음과 같다. 회로의 초기화를 알리는 파워업(power up) 신호가 인에이블되어 정상 동작을 할 수 있는 레벨로 외부 전원이 올라가면 PMOS트랜지스터(p1 및 p2)를 통해서 일정 전류가 공급되기 시작한다.

이때 기준전압회로(1)에서 만들어진 기준전압(vref_sum)(더욱 상세하게는 버퍼를 통과한 제2 기준전압) NMOS트랜지스터(n1 및 n3)의 게이트로 인가되어 이들 트랜지스터들을 포화영역으로 만들어 비교부(5)를 동작시킨다. 이후 기준전압(vref_sum)을 기준으로 한 피드백전압(Vint_ref)의 레벨이 낮으면 노드 l 에서 전류가 빠져나가 이 노드의 전위가 하강하게 되어 PMOS트랜지스터(p5,p6 및 p7)를 통해 출력단에 전류를 더 많이 공급하게 된다. 이 동작은 기준전압(vref_sum)과 피드백전압(vint_ref)의 전위가 같아질 때까지 계속되며 만약 상기 기준전압(vref_sum) 보다 피드백전압(vint_ref)이 높아지면 노드 l에 전류를 공급하여 이 노드의 전위를 높여 PMOS트랜지스터(p5,p6 및 p7)를 통해 출력단에 공급하는 전류를 저감시키게 된다.

그리고 이런 일련의 전류미러의 센싱 동작에 의해 기준전압(vref_sum)을 기준으로 피드백전압(vint_ref)을 이와 동일한 전위를 만들게 되고, 이에 의해서 출력단은 다이오드 접속된 PMOS 디바이더(divider)(p8 및 p9)에 의해서 피드백전압(vint_ref)보다 두배 높은 전위가 된다. 또한, 이 다이오드 접속된 PMOS 디바이더를 통해 작은 전류가 흐르기 때문에 출력단이 발산하는 것을 막아준다. 여기서 캐패시터(cp 및 cn)는 노이즈의 개입을 막기 위해서 사용되었다.

그러나 종래 기술에서는 이들 드라이버들이 소자나 공정상의 이유로 원하지 않는 온도 특성을 가질 경우 이를 보상할 수 있는 방법이 없다. 이런 관점에서 종래기술에서 특히 문제가 되는 부분은 비교부(5)의 전류원인 바이어스부(6)내의 트랜지스터인 NMOS트랜지스터(n3)의 게이트에 물리게 되는 기준전압(vref_sum)의 전위이다. 이는 PVT 변화에 대해 일정한 전위를 가지기 때문에 드라이버가 네거티브한 혹은 포지티브한 온도 특성은 가지게 된다. 만약 드라이버가 온도에 대해 포지티브한 온도 특성을 가지고 있을 때에는, 저온에서 응답(response)이 너무 좋아지면서 전류 소모가 많아지고, 고온에서는 응답이 나빠지며 전류 소모는 줄게 된다. 그리고 드라이버가 네가티브한 온도 특성을 가진 경우에는 위와 반대의 경향성을 보인다.

이는 NMOS트랜지스터(n3)의 게이트 전위가 드라이버의 전류 소모와 응답 사이에는 트레이드오프(trade off) 관계가 있기 때문이다. 여기서 출력단에 주기적인 전류 소모가 있을 경우 이 노드에 얼마간의 캐패시턴스가 있다고 하더라도 이 노드의 전위가 변하게 되는데, 이를 얼마나 빨리 원래의 레벨로 회복시켜 주느냐가 응답이고, 이는 전류 소모 상황에서 매우 중요하다. 그리고 이는 페일(fail)의 직접적인 원인이 되기도 한다. 일반적으로 응답의 개선을 위해서는 NMOS트랜지스터(n3)의 게이트 전위를 높이거나 사이즈를 키우는 방식을 사용하게 된다. 그러나 이렇게 하면 NMOS트랜지스터(n3)에 흐르는 전류가 증가하여 스탠바이 전류가 직접적으로 증가하게 되는 문제점이 있다.

상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 본 발명은 온도 특성을 원하는 방향으로 조절가능한 내부전압 발생회로를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 온도 특성에 적절히 대처하여 반도체 소자의 동작 특성을 개선하고 그 신뢰도를 증진 시킬수 있는 내부전압 발생회로를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 외부전원을 다운컨버팅하여 내부전원을 발생하는 내부전원 구동장치에 있어서, 기준전압과 내부전원단으로부터 피드백된 피드백전압을 비교하기 위한 비교수단; 상기 비교수단의 출력신호에 응답하여 상기 내부전원단을 풀업 구동하기 위한 구동수단; 및 온도 독립 기준전압, 온도보상 기준전압, 온도비례 기준전압 각각에 제어받아 상기 비교수단에 바이어스 전류를 제공하기 위한 다수의 바이어스 수단을 구비하는 내부전원 구동장치가 제공된다.

삭제

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 내부전원 발생회를 상세히 설명한다.

먼저, 도5는 본 발명에 따른 다운컨버팅 방식의 내부전원 발생회로 상세히 도시하고 있다.

도5는 내부전압(Vint)을 발생하는 방식에 대한 본 발명에 대한 개념도로서, 기준회로(11), 버퍼(12) 및 내부전압 구동회로(Vint driver)(13)를 포함하여 구성상에서는 도1과 차이점이 없다. 다만, 합산기를 거친 온도독립 기준전압(vref_sum)와 더불어, 온도보상형(CTAT) BJT에 의한 기준전압(Vrer_ctat0)과 온도비례형(PTAT) BJT에 의한 기준전압(Vrer_ptat0)이 추가적으로 사용되고 있으며, 이들 각각의 오프신호(sum_off, ctat0_off, ptat0_off)가 사용되고 있다는 점에서 차이가 난다.

온도에 포지티브한 특성을 갖는 기준전압(vref_ptat0), 온도에 네거티브한 특성을 갖는 기준전압(vref_ctat0)를 모두 사용하여 내부전압(Vint) 드라이버 회로가 가지는 온도에 따른 응답특성을 조절하도록 구성되어 있다. 버퍼에 입력되는 기준전압의 사용 여부는 오프신호(ctat0_off, sum0_off, ptat0_off)를 이용하여 결정하게 되며, 이들 신호들은 외부에서 입력된 신호를 사용할 수도 있고, 온도 감지 회로에서 만들어 사용할 수도 있으며 테스트 모드를 사용할 수도 있다. 그리고 이들 조합을 이용하여 온도에 대해 어떤 응답특성을 사용할지를 결정하게 된다.

본 발명에서는 기준전압회로에서 내부전압(Vint)을 만들기 위한 기준 전위인 vref_ptat, vref_sum, vref_ctat를 버퍼에서 만들고, 내부전압 드라이버에서는 이를 입력으로 전류미러와 증폭기를 이용해서 일련의 비교동작 및 피드백 과정을 거치게 하여 원하는 내부전압(Vint)을 만들게 된다.

도 6은 본 발명에 따른 내부전압 스탠바이 드라이버 회로이다. 그리고 그 동작은 종래 기술과 같은 방식이며 다만 바이어스부(16) 부분이 종래 기술과 다른 부분이다. 여기서는 이 부분의 동작만을 설명한다.

본 발명에서는 종래 기술에서 문제가 되는 부분인 비교부(15)의 전류원인 바이어스부(16)내의 트랜지스터를 NMOS트랜지스터(n3, n4 및 n5)로 3개로 구성하여, 이들의 게이트 입력에 각각 온도에 네거티브한 특성을 보이는 기준전위(vref_ctat), 온도에 독립적인 특성을 보이는 기준전위(vref_sum), 및 온도에 포지티브한 특성을 보이는 기준전위(vref_ptat)를 각각 병렬로 연결하여 적절한 조합하여 바이어스부(16)를 구성함으로써 드라이버의 온도에 따른 응답특성을 조절할 수 있게 하였다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 온도 독립 기준전압(vref_sum)와, 온도보상형 기준전압(Vrer_ctat0), 온도비례형 기준전압(Vrer_ptat0)을 함께 사용하여 비교기의 바이어스 전류를 제어함으로써 전압 드라이버의 온도에 따른 응답특성을 조절할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 외부전원을 다운컨버팅하여 내부전원을 발생하는 내부전원 구동장치에 있어서,

   기준전압과 내부전원단으로부터 피드백된 피드백전압을 비교하기 위한 비교수단;

   상기 비교수단의 출력신호에 응답하여 상기 내부전원단을 풀업 구동하기 위한 구동수단; 및

   온도 독립 기준전압, 온도보상 기준전압, 온도비례 기준전압 각각에 제어받아 상기 비교수단에 바이어스 전류를 제공하기 위한 다수의 바이어스 수단

   을 구비하는 내부전원 구동장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 바이어스 수단은,

   상기 온도 독립 기준전압을 게이트 입력으로 하는 제1 NMOS 트랜지스터와,

   상기 온도보상 기준전압을 게이트 입력으로 하는 제2 NMOS 트랜지스터와,

   상기 온도비례 기준전압을 게이트 입력으로 하는 제3 NMOS 트랜지스터를 구비하며, 상기 제1 내지 제3 NMOS 트랜지스터는 서로 병렬연결된 것을 특징으로 하는 내부전원 구동장치.

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