NL9001493A

NL9001493A - INTEGRATED CIRCUIT WITH INCLUDED POWER SUPPLY REDUCTION.

Info

Publication number: NL9001493A
Application number: NL9001493A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1990-06-29
Publication date: 1992-01-16
Also published as: JPH0549237A; KR100196592B1; JP3299551B2; EP0464909A1; DE69116451T2; DE69116451D1; EP0464909B1

Description

Geïntegreerde schakeling met meegelntegreerde voedingsspanningsverlaging.Integrated circuit with integrated supply voltage reduction.

De uitvinding heeft betrekking op een geïntegreerde schakeling, bevattende submicron-componenten, een extern en een intern voedingsknooppunt en een tussen genoemde knooppunten geschakelde spanningsomzetter, voor het aan het interne voedingsknooppunt leggen van een lagere interne voedingsspanning dan die aan het externe voedingsknooppunt ligt.The invention relates to an integrated circuit, comprising submicron components, an external and an internal power supply node and a voltage converter connected between said nodes, for applying a lower internal supply voltage to the internal power supply node than that applied to the external power supply node.

Een dergelijke geïntegreerde schakeling is bekend uit de Nederlandse octrooiaanvrage 8701472. Daar de afmetingen van transistoren en andere componenten van een geïntegreerde schakeling steeds kleiner worden, worden ook de afstanden, waarover spanningen in de orde van grootte van de voedingsspanning optreden, steeds kleiner.Such an integrated circuit is known from Dutch patent application 8701472. Since the dimensions of transistors and other components of an integrated circuit are getting smaller and smaller, the distances over which voltages in the order of magnitude of the supply voltage become smaller and smaller.

Dit heeft hoge elektrische veldsterkten tot gevolg, die onder andere zogenaamde "hot carrier stress" veroorzaken in bijvoorbeeld veldeffecttransistoren. Om betrouwbaarheidsredenen is het daarom noodzakelijk een lagere voedingsspanning dan de standaard voedingsspanning van 5 V te gebruiken voor MOS-componenten met bijvoorbeeld kanaallengten van kleiner dan 1 pm (zogenaamde submicron-componenten) . De bekende geïntegreerde schakeling heeft een extern (5 V) en een intern voedingsknooppunt, met daartussen een spanningsomzetter, die herhaaldelijk een aan het interne voedingsknooppunt gelegen parasitaire capaciteit oplaadt. Deze capaciteit wordt gebruikt als stroomvoorziening voor de geïntegreerde schakeling. De spanningsomzetter bevat een detectorschakeling die, in afhankelijkheid van de spanning op het interne voedingsknooppunt en met een zekere hysterese, een elektronische schakelaar aan- of uitzet, die tussen het interne en het externe voedingsknooppunt is geschakeld.This results in high electric field strengths, which cause so-called "hot carrier stress" in, for example, field effect transistors. For reliability reasons, it is therefore necessary to use a lower supply voltage than the standard supply voltage of 5 V for MOS components with, for example, channel lengths of less than 1 µm (so-called submicron components). The known integrated circuit has an external (5 V) and an internal supply node, with a voltage converter in between, which repeatedly charges a parasitic capacitance located at the internal supply node. This capacity is used as the power supply for the integrated circuit. The voltage converter includes a detector circuit which, depending on the voltage on the internal power node and with a certain hysteresis, turns an electronic switch on or off, which is switched between the internal and the external power node.

Nadeel van de bekende geïntegreerde schakeling is, dat de snelheid van de schakeling en de optredende hinder van hot carrier stress sterk variëren met de temperatuur.A drawback of the known integrated circuit is that the speed of the circuit and the inconvenience of hot carrier stress vary greatly with the temperature.

De uitvinding beoogt onder andere te voorzien in een geïntegreerde schakeling wier werking (met name de schakelsnelheid en de gevoeligheid voor hot carrier stress) minder afhankelijk is van de temperatuur. Daartoe heeft een geïntegreerde schakeling volgens de uitvinding het kenmerk, dat de spanningsomzetter voorzien is van middelen voor het aanleggen van een interne voedingsspanning met een positieve temperatuurcoëfficiënt.One of the objects of the invention is to provide an integrated circuit whose operation (in particular the switching speed and the sensitivity to hot carrier stress) is less dependent on the temperature. For this purpose, an integrated circuit according to the invention is characterized in that the voltage converter is provided with means for applying an internal supply voltage with a positive temperature coefficient.

In haar essentie berust de uitvinding op het inzicht dat bij een stijgende temperatuur de snelheid van een schakeling afneemt en ook de hot carrier stress, terwijl bij een stijgende interne voedingsspanning de snelheid van een schakeling toeneemt en ook de hot carrier stress. Een geïntegreerde schakeling volgens de uitvinding, waarin bij een stijgende temperatuur ook de interne voedingsspanning stijgt, biedt dus bij temperatuurveranderingen een nagenoeg gelijk blijvende schakelsnelheid en een nagenoeg gelijk blijvende hot carrier stress. De bovengenoemde effecten heffen elkaar dan nagenoeg op, terwijl ze elkaar bij een negatieve temperatuurcoëfficiënt juist versterken. Een temperatuurcoëfficiënt met een waarde tussen +1,5 mV/K en +6 mV/K is voordelig gebleken.In essence, the invention is based on the insight that with an increasing temperature the speed of a circuit decreases and also the hot carrier stress, while with an increasing internal supply voltage the speed of a circuit increases and also the hot carrier stress. An integrated circuit according to the invention, in which the internal supply voltage also rises with an increasing temperature, thus offers an almost constant switching speed and an almost constant hot carrier stress with temperature changes. The above-mentioned effects then virtually cancel each other out, while they reinforce each other at a negative temperature coefficient. A temperature coefficient with a value between +1.5 mV / K and +6 mV / K has proven advantageous.

De uitvinding zal nu aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden en onder verwijzing naar de figuren worden toegelicht, waarbij: figuur 1 een bekende geïntegreerde schakeling toont en figuur 2 een geïntegreerde schakeling volgens de uitvinding toont.The invention will now be elucidated on the basis of exemplary embodiments and with reference to the figures, in which: figure 1 shows a known integrated circuit and figure 2 shows an integrated circuit according to the invention.

Alvorens de uitvinding te bespreken aan de hand van de figuren, zal eerst de achtergrond van de uitvinding worden beschreven. Om betrouwbaarheidsredenen is het noodzakelijk een lagere voedingsspanning (bijvoorbeeld 3,3 V) dan de standaard voedingsspanning (van 5 V) te gebruiken voor MOS-componenten met kanaallengten van bijvoorbeeld kleiner dan 1 μια. In het bijzonder in grote statische willekeurig toegankelijke geheugens van vanaf 256 kbit, waarin uit zes CMOS-transistoren bestaande in een geheugenmatrix gerangschikte geheugencellen met een kanaallengte van zo klein als 0,7 μια worden gebruikt, is een meegelntegreerde voedingsspanningsverlaging noodzakelijk. Andere schakelingstechnische oplossingen, zoals het in cascade schakelen van transistoren, kunnen hier niet worden gebruikt, omdat daardoor het celoppervlak te groot zou worden.Before discussing the invention with reference to the figures, the background of the invention will first be described. For reliability reasons, it is necessary to use a lower supply voltage (e.g. 3.3 V) than the standard supply voltage (of 5 V) for MOS components with channel lengths of, for example, less than 1 μια. Particularly in large static random access memories from 256 kbit, which use six CMOS transistors memory cells arranged in a memory matrix with a channel length as small as 0.7 μια, an integrated supply voltage reduction is necessary. Other circuit engineering solutions, such as cascading transistors, cannot be used here because it would make the cell surface too large.

In figuur 1 is met A het externe voedingsknooppunt (met een spanning VD van bijvoorbeeld 5 V) en met B het interne voedingsknooppunt (met een spanning VI van bijvoorbeeld 3,3 V) weergegeven. Daartussen is een spanningsomzetter geschakeld, bestaande uit een elektronische schakelaar, in dit geval een PM0S-vermogenschakeltransistor 1, en een detectorschakeling, in het bijzonder een detectorversterker 2, die met de detectie-ingang is verbonden met het interne voedingsknooppunt B en met de uitgang is verbonden met de stuuringang van de elektronische schakelaar, in figuur 1 de stuurelektrode van transistor 1. De geïntegreerde (parasitaire) schakelingscapaciteit 4, die bijvoorbeeld een waarde kan hebben van 3 nF bij een 256 kbit SRAM, wordt herhaaldelijk via transistor 1 bijgeladen, namelijk wanneer de detector 2 constateert dat spanning VI op intern voedingsknooppunt B lager is geworden dan een bepaalde drempelwaarde.In Figure 1, A indicates the external power supply node (with a voltage VD of, for example, 5 V) and B for the internal power supply node (with a voltage VI, for example, 3.3 V). A voltage converter is connected between them, consisting of an electronic switch, in this case a PM0S circuit-breaker transistor 1, and a detector circuit, in particular a detector amplifier 2, which is connected with the detection input to the internal power supply node B and to the output connected to the control input of the electronic switch, in figure 1 the control electrode of transistor 1. The integrated (parasitic) switching capacitance 4, which can for instance have a value of 3 nF at a 256 kbit SRAM, is repeatedly charged via transistor 1, namely when detector 2 detects that voltage VI on internal supply node B has fallen below a certain threshold value.

Dan wordt transistor 1 aangeschakeld en capaciteit 4 bijgeladen tot detector 2 constateert dat spanning VI hoger is geworden dan een verdere bepaalde drempelwaarde. Het verschil van deze drempelwaarden komt overeen met de hysterese van detector 2. Op deze manier wordt de onvermijdelijk aanwezige parasitaire capaciteit 4 gebruikt om subraicron-componenten 3 van stroom te voorzien.Then transistor 1 is turned on and capacitance 4 is recharged until detector 2 detects that voltage VI has become higher than a further determined threshold value. The difference of these thresholds corresponds to the hysteresis of detector 2. In this way, the inevitably present parasitic capacitance 4 is used to power subraicron components 3.

Bij het gebruik van MOS-transistoren met kleine kanaallengten (in het submicron gebied) of kleine oxide-dikten in geïntegreerde schakelingen treedt het gevaar van "hot carrier stress" op. Bij afnemende kanaallengte van de transistoren wordt het maximaal toegestane spanningsverschil over het drain-source pad namelijk kleiner. Een verlaging van de voedingsspanning (van bijvoorbeeld 5 V naar 3,3 V) vermindert de gevoeligheid voor hot carrier stress, maar leidt ook tot trager werkende schakelingen.When using MOS transistors with small channel lengths (in the submicron region) or small oxide thicknesses in integrated circuits, the danger of "hot carrier stress" arises. As the channel length of the transistors decreases, the maximum permitted voltage difference over the drain-source path becomes smaller. A decrease in the supply voltage (from 5 V to 3.3 V, for example) reduces the sensitivity to hot carrier stress, but also leads to slower operating circuits.

In het algemeen is het wenselijk om een interne voedingsspanning ter beschikking te hebben die zo constant mogelijk is en met name onafhankelijk is van de temperatuur. Bij stijgende temperatuur neemt in het algemeen de snelheid waarmee een schakeling werkt af, en ook de hinder van hot carrier stress (zie artikel "Hot-carrier and wear-out phenomena in submicron VLSI's" van E. Takeda, Proceedings VLSI-Symposium 1985, pagina 2-5). Bij een stijgende interne voedingsspanning echter neemt de snelheid van een schakeling toe, en ook de hinder van hot carrier stress. Wanneer nu een interne voedingsspanning wordt gebruikt met een temperatuurcoëfficiënt rond nul of negatief, dan wordt de invloed van de temperatuur op de snelheid en de gevoeligheid voor hot carrier stress van een schakeling niet gecompenseerd, en in het geval van een negatieve temperatuurcoëfficiënt zelfs versterkt.In general, it is desirable to have an internal supply voltage available which is as constant as possible and in particular independent of the temperature. With increasing temperature, the speed at which a circuit operates generally decreases, as does the discomfort of hot carrier stress (see article "Hot carrier and wear-out phenomena in submicron VLSIs" by E. Takeda, Proceedings VLSI Symposium 1985, page 2-5). With an increasing internal supply voltage, however, the speed of a circuit increases, as does the annoyance of hot carrier stress. When an internal supply voltage is used with a temperature coefficient around zero or negative, the influence of the temperature on the speed and the sensitivity to hot carrier stress of a circuit is not compensated, and in the case of a negative temperature coefficient it is even amplified.

De spanningsomzetter, die beschreven is in de Nederlandse octrooiaanvrage 8701472, heeft een interne voedingsspanning die afhangt van enkele malen de drempelspanning van de transistoren plus de spanningsslag. De drempelspanningen dalen bij stijgende temperatuur, en dit geeft voor de interne voedingsspanning een negatieve temperatuurcoëfficiënt. Een via deze spanningsomzetter gevoede schakeling is dan ook zeer temperatuurgevoelig wat betreft snelheid en hinder van hot carrier stress.The voltage converter, which is described in Dutch patent application 8701472, has an internal supply voltage which depends on several times the threshold voltage of the transistors plus the voltage stroke. The threshold voltages drop with increasing temperature, and this gives a negative temperature coefficient for the internal supply voltage. A circuit fed via this voltage converter is therefore very temperature sensitive in terms of speed and nuisance from hot carrier stress.

Figuur 2 toont een geïntegreerde schakeling volgens de uitvinding. Dezelfde verwijzingssymbolen worden gebruikt om dezelfde onderdelen aan te geven als in figuur 1. Figuur 2A toont een referentie stroombron 6, verbonden met de externe voedingsspanning, die een constante stroom levert en via weerstand 7 met aarde is verbonden. Via knooppunt C is de stroombron verbonden met een ingang van een op zich bekende vergelijkingsschakeling 5, wier andere ingang is verbonden met knooppunt D, dat eventueel via een spanningsverlager 9 is verbonden met knooppunt B. De ene (niet-inverterende) uitgang Q van de vergelijkingsschakeling 5 is via een inverterend element 10, zoals een standaard CMOS inverter, verbonden met de stuurelektrode van schakelaar 1, de andere (inverterende) uitgang QB is via een verder inverterend element 11 en hysterese-transistor 8 teruggekoppeld met knooppunt D. Als vergelijkingsschakeling 5 kan een verschilversterker worden gebruikt, of bijvoorbeeld een n-kanaal versterkertrap in serie geschakeld met een p-kanaal versterkertrap. Weerstand 7 kan worden gerealiseerd door bijvoorbeeld drie n-kanaal MOS-transistoren in serie te schakelen, waarbij hun gates verbonden zijn met knooppunt C, waarop tevens de drain van de eerste transistor is aangesloten, en waarbij de source van de derde transistor aan aarde ligt. Stroombron 6 is gebaseerd op een PTAT (Proportional To Absolute Temperature) spanningsbron, zoals bijvoorbeeld beschreven is in het artikel 11A new CMOS current reference" van W. Sansen, F. Op 't Eynde en M. Steyaert, Digest of the ESSCIRC 1987, pagina 125-128. Door het gebruik van een dergelijke op zich bekende stroombron wordt op knooppunt C een referentiespanning VR gegenereerd met een positieve temperatuurcoëfficiënt van bijvoorbeeld 4,5 mV/K.Figure 2 shows an integrated circuit according to the invention. The same reference symbols are used to indicate the same parts as in Figure 1. Figure 2A shows a reference current source 6, connected to the external supply voltage, which provides a constant current and is connected to ground through resistor 7. The current source is connected via node C to an input of a comparative circuit 5 known per se, the other input of which is connected to node D, which optionally is connected via a voltage reducer 9 to node B. The one (non-inverting) output Q of the comparison circuit 5 is connected via an inverting element 10, such as a standard CMOS inverter, to the control electrode of switch 1, the other (inverting) output QB is fed back to node D via a further inverting element 11 and hysteresis transistor 8. a differential amplifier can be used, or for example an n-channel amplifier stage connected in series with a p-channel amplifier stage. Resistor 7 can be realized, for example, by connecting three n-channel MOS transistors in series, their gates being connected to node C, to which the drain of the first transistor is also connected, and the source of the third transistor being connected to ground . Current source 6 is based on a PTAT (Proportional To Absolute Temperature) voltage source, as described, for example, in article 11A new CMOS current reference "by W. Sansen, F. Op 't Eynde and M. Steyaert, Digest of the ESSCIRC 1987, pages 125-128 By using such a current source known per se, a reference voltage VR is generated at node C with a positive temperature coefficient of, for example, 4.5 mV / K.

De waarde van de referentiespanning VR op knooppunt C is bij voorkeur een drempelspanning lager gekozen dan interne voedingsspanning VI, om stroombron 6 en vergelijkingsschakeling 5 in hun optimale werkgebied te laten functioneren. Daartoe is ook de spanning op knooppunt D een drempelspanning ten opzichte van VI verlaagd, door spanningsverlager 9. Deze kan, zoals in figuur 2B is weergegeven, bijvoorbeeld zijn uitgevoerd door een p-kanaal MOS-transistor, wiens source met knooppunt B is verbonden en wiens gate en drain zijn verbonden, waarbij deze drain verbonden is met de drain van een n-kanaal MOS-transistor, wiens gate aan de externe voedingsspanning ligt en wiens source met aarde is verbonden.The value of the reference voltage VR at node C is preferably a threshold voltage selected lower than internal supply voltage VI, to allow current source 6 and comparator 5 to function in their optimum operating range. To this end, the voltage at node D is also reduced by a threshold voltage relative to VI, by voltage reducer 9. This can, for example, as shown in Figure 2B, be made by a p-channel MOS transistor, whose source is connected to node B and whose gate and drain are connected, this drain is connected to the drain of an n-channel MOS transistor, whose gate is at the external supply voltage and whose source is connected to ground.

De referentiespanning VR met positieve temperatuurcoëfficiënt wordt toegevoerd aan de vergelijkingsschakeling 5, die nu door de terugkoppeling op knooppunt D een spanning induceert met eveneens een positieve temperatuurcoëfficiënt, zodat ook de interne voedingsspanning VI op knooppunt B een positieve temperatuurcoëfficiënt krijgt van bijvoorbeeld 3,2 mV/K, met alle bovengenoemde voordelen.The reference voltage VR with positive temperature coefficient is applied to the comparison circuit 5, which now induces a voltage with also a positive temperature coefficient through the feedback on node D, so that the internal supply voltage VI on node B also has a positive temperature coefficient of, for example, 3.2 mV / K, with all the above advantages.

Claims

Integrated circuit, comprising submicron components, an external and an internal power supply node and a voltage converter connected between said nodes, for applying to the internal power supply node a lower internal supply voltage than that applied to the external power supply node, characterized in that the voltage converter is provided with means for applying an internal supply voltage with a positive temperature coefficient.

Integrated circuit as claimed in claim 1, wherein the voltage converter comprises an electronic switch connected between said nodes and a detector circuit which switches the switch on or off in dependence on the internal supply voltage, for periodically charging an integrated circuit located at the internal supply node switching capacity, characterized in that the means comprise a sub-circuit for generating a reference voltage with a positive temperature coefficient, the internal supply voltage being related to the reference voltage by supplying the reference voltage to the detector circuit.

Integrated circuit according to claim 2, characterized in that the sub-circuit comprises a reference current source in which a PTAT voltage source is applied.

Integrated circuit according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the value of the temperature coefficient of the internal supply voltage is between +1.5 mV / K and +6 mV / K.