NL8701278A

NL8701278A - Geintegreerde cmos-schakeling met een substraatvoorspanningsgenerator.

Info

Publication number: NL8701278A
Application number: NL8701278A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1987-05-29
Filing date: 1987-05-29
Publication date: 1988-12-16
Also published as: DE3880735D1; KR880014438A; JPS63307771A; EP0293045B1; KR960013760B1; DE3880735T2; EP0293045A1; US4820936A

Description

η ΡΗΝ 12.149 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven

Geïntegreerde CMOS-schakeling met een substraatvoorspanningsgenerator.

De uitvinding heeft betrekking op een geïntegreerde CMOS-schakeling met een substraatvoorspanningsgenerator, die wordt aangestuurd door een klokgenerator, welke ook de verdere circuits in de geïntegreerde schakeling stuurt.

5 Een geïntegreerde CMOS-schakeling, waarin een substraatvoorspanningsgenerator is opgenomen, is bekend uit het Europese Octrooi 0 029 681, dat op 28 januari 1987 is gepubliceerd. Substraatvoorspanningsgeneratoren worden in CMOS-schakelingen toegepast om te vermijden dat deze in de zogenaamde latch-up toestand gaan. Indien 10 geen substraatvoorspanningsgeneratoren worden toegepast, is de kans groot dat deze latch-up toestand wordt bereikt. In een CMOS-proces met n-wells, dat veel wordt toegepast, worden zowel n-type als p-type transistoren geïmplementeerd waardoor tevens parasitaire thyristoren worden gekreëerd. Indien een of meer van deze thyristoren door 15 bepaalde spanningen op knooppunten in een schakeling en op verschillende plaatsen in een substraat worden ontstoken, worden sommige knooppunten van de schakeling door deze thyristoren op een vaste spanning gehouden.

Het gevolg hiervan is dat de schakeling niet meer korrekt werkt en in een latch-toestand is geraakt. Het opwekken van een 20 substraatvoorspanning zorgt ervoor dat de thyristoren veel moeilijker kunnen ontsteken. Doorgaans bestaat een substraatvoorspanningsgenerator uit een kapacitieve pomp die door een ringoscillator wordt gestuurd. De ringoscillator wordt ook gebruikt voor het opwekken van de klokfrequentie die wordt gebruikt voor het sturen van de verdere 25 circuits op de geïntegreerde schakeling. Nu is echter de latch-up gevoeligheid afhankelijk van de klokfrequentie, omdat indien een hogere klokfrequentie wordt toegepast ook de pomp van de substraatvoorspanningsgenerator sneller moet pompen om de door de hogere klokfrequentie verhoogde substraatstromen te kunnen kompenseren.

30 Veel geïntegreerde CMOS-schakelingen hebben echter een ingangsklem voor het toevoeren van een kloksignaal met een door de gebruiker van de schakeling gewenste frequentie, omdat de schakeling in 8701278 * PHN 12.149 2 een door de gebruiker ontworpen systeem moet passen of omdat de schakeling in verschillende modes kan werken, waarbij voor de verschillende modes verschillende klokfrequenties nodig zijn. Een voorbeeld hiervan is een geheugenschakeling, die voor opslag van 5 teletekst-informatie in televisies dienst doet. De klokfrequentie voor het geheugen is dan mede bepaald door het in de televisie toegepaste 625 of 525 beeldlijnensysteem. Een oscillator voor het sturen van de ladingspomp van de substraatvoorspanningsgenerator wordt in zulke geïntegreerde schakelingen niet mee geïntegreerd. De ladingspomp 10 wordt dan gestuurd met klokpulsen, die van extern aan de schakeling worden toegevoerd. Echter wordt tijdens het testen van de geïntegreerde schakeling door de gebruiker niet altijd een klokfrequentie aangeboden. Wanneer in dat geval tests worden gedaan, wordt er geen substraatvoorspanning opgewekt waardoor dus een verhoogde 15 latch-up gevoeligheid ontstaat. Verder kunnen er bij de ontwikkeling van de schakeling op de eerste gefabriceerde siliciumwafers met de CMOS-schakeling gedurende meetprocedures onverwacht toch één of enkele delen van de schakeling in latch-up-toestand gaan, waardoor er substraatstromen gaan lopen, die de substraatvoorspanning laten 20 afnemen. Het gevolg hiervan is dat nog grotere delen van de geïntegreerde schakeling in de latch-up-toestand gaan enzovoorts. Uiteindelijk kan er helemaal niets meer gemeten worden aan de geïntegreerde schakeling.

Het is het doel van de uitvinding om in een 25 geïntegreerde CMOS-schakeling te voorzien, waarin maatregelen zijn genomen waardoor zelfs bij het afwezig zijn van de klokfrequentie bij het testen van de schakeling door de gebruiker of bij het meten van de schakeling bij de ontwikkeling van het produkt toch geen latch-up-toestand zal kunnen gaan optreden.

30 De geïntegreerde CMOS-schakeling volgens de uitvinding heeft daardoor het kenmerk, dat in de geïntegreerde schakeling een verdere substraatvoorspanningspomp is voorzien, die wordt aangestuurd door een geïntegreerde oscillator, die door schakelmiddelen inschakelbaar is, die door de uitgang van een komparatorschakeling voor 35 het vergelijken van de substraatvoorspanning met een referentie-spanning wordt aangestuurd.

Een geïntegreerde CMOS-schakeling met een dergelijke oscillator en 870 1 278 * PHN 12.149 3 substraatvoorspanningspomp heeft het voordeel dat, indien de substraatvoorspanning niet negatiever is, is dan een in te stellen spanning, bijvoorbeeld -2,2 Volt, deze voorspanningsgenerator automatisch ingeschakeld wordt. Hierdoor kunnen extra substraatstromen 5 tijdens normaal gebruik worden opgevangen maar de substraatvoorspanningsgenerator kan ook als volwaardig fungeren indien tijdens het testen bij de gebruiker of bij het meten van de geïntegreerde schakeling gedurende diens ontwikkeling geen klokpulsen worden aangeboden.

10 De geïntegreerde schakeling volgens de uitvinding zal worden toegelicht aan de hand van een in een tekening weergegeven voorbeeld, in welke tekening een substraatvoorspanningsgenerator is weergegeven.

In een geïntegreerde CMOS-schakeling volgens de 15 uitvinding wordt een oscillator 0 toegepast die met schakelmiddelen S in-en uitschakelbaar is, een vergelijkschakeling CO die de opgewekte substraatvoorspanning VBB vergelijkt met een referentie en een ladingspomp PU voor het opwekken van de substraatvoorspanning VBB' welke pomp PU wordt gestuurd door de uitgang van de oscillator 0. De 20 oscillator 0 bevat een aantal in serie geschakelde versterker- schakelingen 1 tot en met 6 en 8 tot en met 11 waarbij tussen versterker-schakelingen 6 en 8 een met de schakelmiddelen S in- of uitschakelbare versterker is opgenomen. De hier toegepaste schakelmiddelen S met versterkerschakeling vormen een NOR-poort, die twee in serie geschakelde 25 PHOS-transistoren en twee parallel geschakelde NMOS-transistoren bevat.

Van de NOR-poort vormen de P-transistor P15 en de N-transistor N15 de versterkerschakeling die deeluitmaakt van de ringoscillator 0 die de invertoren 1 tot en met 11 bevat. De transistoren P16 en N14 van de NOR-poort vormen de schakelmiddelen S waarmee de ringoscillator 0 wordt in-30 of uitgeschakeld. De uitgang van inverter 11 is verbonden met een ingang van een drijvertrap 12 die de substraatvoorspanningspomp PU aanstuurt. Substraatvoorspanningspompen PU zijn op zich bekend en behoeven verder geen nadere toelichting. De vergelijkschakeling CO bevat een spanningsdeler die tussen de voedingsspanning VQD en de 35 substraatspanning V0B is aangesloten. De spanningsdeler bevat drie transistoren die in serie zijn geschakeld waarbij uitgaande van VDD in serie staan een PMOS-transistor P13 waarvan de stuurelektrode aan massa 8701278 r t PHN 12.149 4 hangt successievelijk een NMOS-transistor waarvan eveneens de stuurelektrode aan massa hangt en een tweede PMOS-transistor waarvan de stuurelektrode met de substraatvoorspanning νββ is verbonden. Een knooppunt 15 tussen de drains van PMOS-transistor P13 en NMOS-transistor 5 N12 is verbonden met een ingang van inverter 13 waarvan de uitgang de schakelmiddelen S oftewel de transistoren P15 en N14 bestuurt. De werking van de vergelijkingsschakeling is als volgt. De transistoren P13 en P20 zijn altijd geleidend en vormen met de NMOS-transistor N12 een spanningsdeler indien deze transistor N12 eveneens geleidend is. De 10 dimensies van deze drie transistor P13, N12 en P20 is zo gekozen dat de ingangsspanning van inverter 13 altijd bij een voldoend lage substraat-spanning laag genoeg is om de uitgang hoog te laten zijn. Dit heeft het gevolg dat de transistor P15 wordt gesperd en de transistor N14 van de schakelmiddelen S geleidend is. Derhalve is de oscillator O 15 uitgeschakeld. Indien nu de substraatvoorspanning VfiB niet negatief genoeg meer is, met andere woorden positiever wordt, zal nu de NMOS-transistor N12 gaan sperren omdat diens stuurelektrode aan massa hangt. De spanning tussen de stuurelektrode en de hoofdelektrode op het knooppunt 14 tussen de NMOS-transistor 12 en de PMOS-transistor 20 is 20 dan niet meer groter dan de drempelspanning van de NMOS-transistor N12. De NMOS-transistor N12 zal daardoor gaan sperren en het knooppunt 15 wordt via de geleidende PMOS-transistor P13 opgeladen. Derhalve zal indien de spanning op knooppunt 15 boven de drempelspanning komt van de inverter 13 de uitgang van deze inverter 13 van hoog naar laag omslaan. 25 Derhalve wordt de PMOS-transistor P15 van de schakelaar S geleidend en de NMOS-transistor N14 van de schakelaar S sperrend. De oscillator 0 is daardoor ingeschakeld. Er wordt derhalve via de drijver 12 en de ladingspomp PO lading gepompt naar het substraat zodat de substraatvoorspanning VgB negatiever wordt. De oscillator O blijft werken tot 30 een voldoend negatieve substraatvoorspanning VBB is opgewerkt. Tijdens het afnemen van de substraatvoorspanning neemt ook de spanning op knooppunt 14 tussen de transistoren N12 en P20 verder af zodat de gate source spanning van transistor N12 toe zal nemen. Wordt nu een voldoend negatieve substraatvoorspanning VBB bereikt, dan zal transistor N12 35 weer stroom gaan geleiden, zodat het knooppunt 15 wordt ontladen. De ingang van inverter 13 wordt van een hoog potentiaal ontladen naar een laag potentiaal zodat de uitgang van inverter 13 een hoog uitgangsniveau 8701278 \ t PHN 12.149 5 verkrijgt en daardoor de oscillator O via de schakelmiddelen S bevattende de transistoren P15 en N14 uitschakelt.

De op zich bekende ladingspomp PU bevat een kapaciteit c, die tussen de inverter 12 en een knooppunt C1 is aangesloten, en twee 5 NHOS-transistoren N10 en N11, die respektievelijk tussen het knooppunt C1 en massa respektievelijk substraat zijn geschakeld. De beide transistoren N10 en N11 zijn op bekende wijze als diode gebruikt. De poapkapaciteit C van bijvoorbeeld 10 pf wordt opgeladen via de NMOS-transistor N10 (de uitgang van inverter 12 is hoog) en ontladen via de 10 transistor n11 naar het substraat. Bij het ontladen zal echter de transistor N11 zich als een bipolaire transistor gedragen, omdat de source van transistor N11 negatiever wordt dan het substraat (op VBB), dat dan als basis fungeert. Echter gedraagt de transistor N10 zich op dezelfde wijze, zodat de transistor N10 wel als MOS-veldeffekt-15 transistor is uitgeschakeld, maar als bipolair element wel stroomgeleidend is. Zijn de transistoren N10 en N11 even groot dan zal de helft van de in de kapaciteit C opgeslagen lading door transistor N10 worden afgevoerd. De ladingspomp PU heeft slechts een rendement van 50%. Wordt nu de transistor N11 groter gemaakt dan de transistor N10 20 (bijvoorbeeld breedte/lengte van N11 is 5x breedte/lengte van de transistor N10) dan is het rendement te verbeteren (bij het voorbeeld tot + 80%).

8701278

Claims

1. Geïntegreerde CMOS-schakeling met. een substraatvoor- spanningsgenerator, die door een externe klokgenerator aanstuurbaar is, welke ook verdere circuits in de geïntegreerde schakeling stuurt, met het kenmerk, dat in de geïntegreerde schakeling in een verdere 5 substraat-voorspanningspomp is voorzien, die wordt aangestuurd door een mee-geintegreerde oscillator, die door schakelmiddelen inschakelbaar is, die door de uitgang van een komparatorschakeling voor het vergelijken van de substraatvoorspanning met een referentiespanning wordt aangestuurd.

2. Geïntegreerde CMOS-schakeling volgens konklusie 1, met het kenmerk, dat de geïntegreerde oscillator een ringoscillator is van een aantal in serie geschakelde invertertrappen, waarbij een invertertrap samen met de schakelmiddelen een NOR-poort vormt.

3. Geïntegreerde CMOS-schakeling volgens konklusie 1 of 2, 15 met het kenmerk, dat de komparatorschakeling wordt gevormd door een inverter en een tussen de positieve voedingsspanning en substraatspanning gezette serieschakeling van een PMOS-transistor een NMOS-transistor en een tweede als diode geschakelde PMOS-transistor, waarbij de eerstgenoemde PMOS en de NMOS-transistor met hun 20 stuurelektrode aan massa zijn gelegd, een knooppunt van de drains ervan verbonden is met de ingang van de inverter en de diode tussen de NMOS-transistor en het substraat is geschakeld.

4. Geïntegreerde CMOS-schakeling met een subtraatvoor-spanningsgenerator, die tussen een eerste knooppunt en een uitgang van 25 een oscillator een kapaciteit bevat, tussen het eerste knooppunt en massa een eerste als diode geschakelde NMOS-transistor bevat en tussen het eerste knooppunt en het substraat een tweede als diode geschakelde NMOS-transistor bevat, met het kenmerk, dat de breedte/lengte-verhouding van de tweede transistor substantieel groter is dan de breedte/lengte-30 verhouding van de eerste transistor.

5. Geïntegreerde CMOS-schakeling volgens konklusie 4, met het kenmerk, dat de breedte/lengte-verhouding van de tweede transistor een faktor 5 groter is dan die van de eerste transistor. 8701278