NL9001493A - Geintegreerde schakeling met meegeintegreerde voedingsspanningsverlaging. - Google Patents

Description

Geïntegreerde schakeling met meegelntegreerde voedingsspanningsverlaging.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (4)

1. 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, met het kenmerk, dat de spanningsomzetter voorzien is van middelen voor het aanleggen van een interne voedingsspanning met een positieve temperatuurcoëfficiënt.

2. Geïntegreerde schakeling volgens conclusie 1, waarbij de spanningsomzetter een tussen de genoemde knooppunten verbonden elektronische schakelaar omvat, alsmede een detectorschakeling die in afhankelijkheid van de interne voedingsspanning de schakelaar aan- of uitzet, voor het periodiek opladen van een aan het interne voedingsknooppunt liggende geïntegreerde schakelingscapaciteit, met het kenmerk, dat de middelen een subschakeling omvatten voor het genereren van een referentiespanning met een positieve temperatuurcoëfficiënt, waarbij de interne voedingsspanning door toevoer van de referentiespanning aan de detectorschakeling gerelateerd wordt aan de referentiespanning.

3. Geïntegreerde schakeling volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de subschakeling een referentie stroombron omvat, waarin een PTAT spanningsbron is toegepast.

4. Geïntegreerde schakeling volgens één der conclusies 1 tot en met 3, met het kenmerk, dat de waarde van de temperatuurcoëfficiënt van de interne voedingsspanning ligt tussen +1,5 mV/K en +6 mV/K.