TW202121428A - 電壓產生電路以及使用該電壓產生電路之半導體裝置 - Google Patents

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Abstract

提供一種電壓產生電路，能夠追求省空間化、構成簡易、並且產生高信賴性的電壓。本發明的電壓產生電路包含基準電壓產生部、PTAT電壓產生部、比較部以及選擇部。基準電壓產生部產生幾乎沒有溫度依存性的基準電壓。PTAT電壓產生部產生具有正或負的溫度依存性的溫度依存電壓，且溫度依存電壓在目標溫度時具有與基準電壓相等的電壓。比較部比較基準電壓以及溫度依存電壓。選擇部基於比較部的比較結果，選擇基準電壓或溫度依存電壓的其中一個，並輸出所選擇的基準電壓或溫度依存電壓。

Description

電壓產生電路以及使用該電壓產生電路之半導體裝置
本發明是關於一種電壓產生電路，特別是關於一種產生溫度補償後基準電壓之電壓產生電路。
諸如記憶體或邏輯等半導體裝置中，一般藉由產生對應於操作溫度的溫度補償後電壓，並利用溫度補償後電壓讓電路運作，以維持電路的信賴性。舉例來說，記憶體電路中，當讀取資料時，若讀取電流因溫度變化而減低，將造成讀取裕度(Margin)減低，且無法讀取正確的資料。因此，通常會藉由使用溫度補償後電壓來讀取資料，以防止讀取電流減低，或是讓用來與讀取電流比較的參照電流，同樣與讀取電流擁有溫度依存性。舉例來說，日本特開2016-173869號公報揭示了一種方法，將電壓補償後電流與溫度補償後電流，加上不會依存溫度以及電源電壓之基極(Base)電流，來產生參照電流。
如上面記載，半導體裝置搭載了溫度補償電路，產生具有溫度依存性的電壓，以對應溫度變化。第1(A)圖示意既有的溫度補償電路的其中一例。此溫度補償電路具有：晶載(On-chip)的溫度感測器10；邏輯部20，其接收溫度感測器10的檢測結果，並運算出溫度補償後電壓位準；以及類比部30，根據邏輯部20的運算結果，輸出溫度補償後電壓。
溫度感測器10具有：基準電路12，產生不依存溫度的基準電壓
Figure 02_image005
，還有響應晶載上的操作溫度之檢測電壓
Figure 02_image007
；以及ADC(類比數位轉換器)14，接收基準電壓
Figure 02_image005
以及檢測電壓
Figure 02_image007
，以將檢測電壓
Figure 02_image007
的類比電壓轉換成數位電壓。舉例來說，如第1(B)圖所示，ADC 14根據基準電壓
Figure 02_image005
設定最小位準。邏輯部20基於補償製造公差的修剪碼(Trim Code)，以及來自於溫度感測器10的數位輸出，算出有多大的溫度補償後電壓會從類比部30產生。類比部30包含複數個調節器，用以基於邏輯部20的算出結果產生溫度補償後電壓。舉例來說，為了從記憶單元讀取資料，其中一個調節器可產生施加在電晶體的閘極之讀取電壓。
第1(B)圖示意響應於溫度Ta的變化而帶有正斜率Tc之檢測電壓
Figure 02_image007
，與ADC 14的輸出之間的關係。如同圖所示，ADC 14從最小位準到最大位準的分解能之間，以步階寬度將檢測電壓
Figure 02_image007
量化（數位處理）。因此，最後由類比部30輸出的溫度補償後電壓中，會含有量化雜訊(步階寬度)，而未必就是線性或要求的溫度補償電壓。舉例來說，在某個轉移溫度需要溫度補償後電壓
Figure 02_image009
時，將受到量化雜訊的影響，而無法獲得溫度補償後電壓
Figure 02_image009
，因此，可能會無法實現電路的運作性能。另外，晶載的溫度感測器10或邏輯部20的電路規模很大，因此需要較大的布局面積，且邏輯部20的控制也很複雜。
本發明之目的在於解決像這樣的既有課題，並提供一種電壓產生電路以及使用該電壓產生電路之半導體裝置，能夠追求省空間化、構成簡易、並且產生高信賴性的電壓。
關於本發明的電壓產生電路，包含：基準電壓產生部，產生實質上沒有溫度依存性的基準電壓；溫度依存電壓產生部，具有正或負的溫度依存性，產生在目標溫度時具有與該基準電壓相等的電壓之至少一溫度依存電壓；比較部，比較該基準電壓以及該溫度依存電壓；以及選擇部，基於該比較部的比較結果，選擇該基準電壓或該溫度依存電壓的其中一個，並將所選擇的該基準電壓或該溫度依存電壓做為溫度補償基準電壓而輸出。
關於本發明的半導體裝置，包含：以上記載的電壓產生電路；以及驅動裝置，基於該電壓產生電路所產生的該基準電壓或該溫度依存電壓而驅動電路。某實施態樣中，該驅動裝置包含連接記憶單元的電晶體；該驅動裝置在比該目標溫度低的溫度範圍內，對該電晶體的閘極，施加基於該基準電壓的驅動電壓；在該目標溫度以上的溫度範圍內，對該電晶體的閘極，施加基於帶有正斜率之溫度依存電壓的驅動電壓。某實施態樣中，該記憶單元包含可變電阻元件，以及連接該可變電阻元件的存取用電晶體；該驅動裝置透過字元線，對該存取用電晶體的閘極，施加該基準電壓或該溫度依存電壓。
根據本發明，比較基準電壓以及溫度依存電壓，基於比較結果選擇基準電壓或溫度依存電壓，並輸出所選擇的基準電壓或溫度依存電壓，因此，可以獲得高信賴性的電壓，且該電壓不包含AD轉換器所產生的量化雜訊。除此之外，並不需要像習知的那種晶載的溫度感測器，或用以從該溫度感測器之結果算出溫度補償電壓的邏輯，因此，能夠削減電路規模，並追求省空間化。
接著，針對本發明的實施形態，參照圖式進行說明。藉由本發明的電壓產生電路所產生的温度補償後基準電壓，可準確地實現半導體裝置的電路等的設計規格之性能。本發明的溫度補償後基準電壓可以包含在某個溫度範圍內幾乎不與溫度依存的電壓，以及在某個溫度範圍內與溫度依存的電壓之組合。電壓產生電路將至少一個幾乎不與溫度依存的電壓與至少一個與溫度依存的電壓進行比較，選擇任一方較高的電壓、任一方較低的電壓、或是以其他方法所產生之幾乎不與溫度依存的電壓或與溫度依存的電壓，並將所選擇的電壓作為溫度補償後電壓而輸出。舉例來說，在某個低於目標溫度的溫度範圍內，輸出斜率幾乎恆定的基準電壓；在目標溫度以上的溫度範圍內，輸出帶有正或負的斜率之溫度依存電壓。
關於本發明的電壓產生裝置，可以實裝於各種的半導體裝置，例如：可變電阻式記憶體或快閃記憶體、微處理器、微控制器、邏輯、應用特定積體電路、數位訊號處理器、處理影像或聲音的電路設備、或處理無線訊號等訊號的電路等。
第2圖為關於本發明第1實施例之電壓產生電路的構成的方塊示意圖。本實施例的電壓產生電路100包含：基準電壓產生部110，產生幾乎不與溫度依存的基準電壓
Figure 02_image005
；PTAT(Proportional-to-absolute-temperature, 和絕對溫度成比例)電壓產生部120，產生與溫度依存的溫度依存電壓
Figure 02_image011
；比較部130，比較基準電壓
Figure 02_image005
以及溫度依存電壓
Figure 02_image011
；以及選擇部140，基於比較部130的比較結果，選擇基準電壓
Figure 02_image005
或溫度依存電壓
Figure 02_image011
的其中一個，並輸出所選擇的基準電壓
Figure 02_image005
或溫度依存電壓
Figure 02_image011
。
基準電壓產生部110包含能帶隙參考電路(Band Gap Reference Circuit, 以下稱BGR電路)，產生幾乎不與電源電壓或運作溫度依存的電壓，基準電壓產生部110利用BGR電路產生的電壓，產生基準電壓
Figure 02_image005
。另外，雖然此處並未圖示，但基準電壓產生部110還可以包含修剪電路，用以補償電路的製造公差。修剪電路舉例來說，包含可變電阻，相應從非揮發性記憶體讀取的修剪碼讓電阻值變化，修剪電路藉由該可變電阻調整基準電壓
Figure 02_image005
的電壓位準。
PTAT電壓產生部120產生帶有正斜率之溫度依存電壓
Figure 02_image011
，或帶有負斜率之溫度依存電壓
Figure 02_image011
。某實施態樣中，PTAT電壓產生部120可以利用基準電壓產生部110所產生的基準電壓
Figure 02_image005
以產生溫度依存電壓
Figure 02_image011
，但並不以此為限；PTAT電壓產生部120自己也可以產生溫度依存電壓
Figure 02_image011
。
PTAT電壓產生部120可以事先調整為在操作溫度變化時，產生電路所要求之帶有正或負斜率之電壓。舉例來說，當電路的運作溫度超過某個溫度Tp時，若需要帶有正的斜率α 之電壓，則PTAT電壓產生部120可以事先調整為產生帶有正的斜率α 之溫度依存電壓
Figure 02_image011
。或者，當電路的運作溫度超過某個溫度Tp時，若需要帶有負的斜率β 之電壓，則PTAT電壓產生部120可以事先調整為產生帶有負的斜率β 之溫度依存電壓
Figure 02_image011
。PTAT電壓產生部120的構成並沒有特別限定，舉例來說，可以包含帶有正的溫度特性之一個或複數個電阻，或是帶有負的溫度特性之一個或複數個雙極電晶體，或是以半導體材料製造的電阻等。
比較部130接收並比較基準電壓
Figure 02_image005
與溫度依存電壓
Figure 02_image011
，且將該比較結果輸出至選擇部140。比較部130舉例來說，當基準電壓
Figure 02_image005
≧溫度依存電壓
Figure 02_image011
時，輸出H位準的訊號；當基準電壓
Figure 02_image005
＜溫度依存電壓
Figure 02_image011
時，輸出L位準的訊號。
選擇部140基於比較部130的比較結果，選擇基準電壓
Figure 02_image005
或溫度依存電壓
Figure 02_image011
較高或較低的一方，並將其輸出。舉例來說，當基準電壓
Figure 02_image005
≧溫度依存電壓
Figure 02_image011
時，選擇基準電壓
Figure 02_image005
；當基準電壓
Figure 02_image005
＜溫度依存電壓
Figure 02_image011
時，選擇溫度依存電壓
Figure 02_image011
。或者，也可以把上述關係反過來，當基準電壓
Figure 02_image005
≧溫度依存電壓
Figure 02_image011
時，選擇溫度依存電壓
Figure 02_image011
；當基準電壓
Figure 02_image005
＜溫度依存電壓
Figure 02_image011
時，選擇基準電壓
Figure 02_image005
。
第4圖的(A)、(B)示意基準電壓
Figure 02_image005
與溫度依存電壓
Figure 02_image011
的關係例。於第4(A)圖中，響應於溫度Ta的變化，基準電壓產生部110產生幾乎沒有斜率之基準電壓
Figure 02_image005
，PTAT電壓產生部120產生帶有正斜率之溫度依存電壓
Figure 02_image011
。溫度Ta的單位例如為攝氏[C]，基準電壓
Figure 02_image005
與溫度依存電壓
Figure 02_image011
的單位例如為伏特[V]。目標溫度Tg是當基準電壓
Figure 02_image005
等於溫度依存電壓
Figure 02_image011
時所對應的溫度，且溫度補償是以目標溫度Tg為邊界來進行。PTAT電壓產生部120可以被預先調整為產生在目標溫度Tg時與基準電壓
Figure 02_image005
交叉，且符合要求之正斜率的溫度依存電壓
Figure 02_image011
。
於第4(A)圖所對應的一實施例中，選擇部140的輸出如第4圖的(A-1)所示，選擇部140選擇基準電壓
Figure 02_image005
或溫度依存電壓
Figure 02_image011
較高的一方做為輸出。因此，由電壓產生電路100輸出的溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
，在比目標溫度Tg還低的溫度範圍內等於基準電壓
Figure 02_image005
；在目標溫度Tg以上的溫度範圍內等於溫度依存電壓
Figure 02_image011
。
於第4(A)圖所對應的另一實施例中，選擇部140的輸出如第4圖的(A-2)所示，選擇部140選擇基準電壓
Figure 02_image005
或溫度依存電壓
Figure 02_image011
較低的一方做為輸出。在這種情況下，由電壓產生電路100輸出的溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
，在比目標溫度Tg還低的溫度範圍內等於溫度依存電壓
Figure 02_image011
；在目標溫度Tg以上的溫度範圍內等於基準電壓
Figure 02_image005
。
另一方面，於第4圖的(B)中，響應於溫度Ta的變化，基準電壓產生部110產生幾乎沒有斜率之基準電壓
Figure 02_image005
，PTAT電壓產生部120產生帶有負斜率之溫度依存電壓
Figure 02_image011
。PTAT電壓產生部120可以被預先調整為產生在目標溫度Tg時與基準電壓
Figure 02_image005
交叉，且符合要求之負斜率之溫度依存電壓
Figure 02_image011
。
於第4(B)圖所對應的一實施例中，選擇部140的輸出如第4圖的(B-1)所示，選擇部140選擇基準電壓
Figure 02_image005
或溫度依存電壓
Figure 02_image011
較高的一方做為輸出。因此，由電壓產生電路100輸出的溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
，在比目標溫度Tg還低的溫度範圍內等於溫度依存電壓
Figure 02_image011
；在目標溫度Tg以上的溫度範圍內等於基準電壓
Figure 02_image005
。
於第4(B)圖所對應的另一實施例中，選擇部140的輸出如第4圖的(B-2)所示，選擇部140選擇基準電壓
Figure 02_image005
或溫度依存電壓
Figure 02_image011
較低的一方做為輸出。在這種情況下，由電壓產生電路100輸出的溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
，在比目標溫度Tg還低的溫度範圍內等於基準電壓
Figure 02_image005
；在目標溫度Tg以上的溫度範圍內等於溫度依存電壓
Figure 02_image011
。
由電壓產生電路100輸出的溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
，可以直接提供給對應的電路；或者，也可以透過運算放大器或調節器等的轉換電路，轉換為期望的電壓位準之後再提供給對應的電路。
接著，針對本發明第2實施例進行說明。第3圖示意關於第2實施例之電壓產生電路100A的構成，與第2圖相同的構成會給予同一個符號。於第2實施例中，PTAT電壓產生部120A包含DC(直流)電壓調整部122，其被配置為將溫度依存電壓
Figure 02_image011
的DC電壓往正或負的方向偏置。如上面記載，溫度依存電壓
Figure 02_image011
可以被設定成在目標溫度Tg時與基準電壓
Figure 02_image005
交叉，然而基於電路的製造公差等原因，有的時候需要將目標溫度Tg往正或負的方向調整。
舉例來說，如第4圖的(C)所示，PTAT電壓產生部120A所產生的初始溫度依存電壓
Figure 02_image015
在目標溫度Tg與基準電壓
Figure 02_image005
交叉，但由於目標溫度Tg受到電路的製造公差等影響，因此本實施例藉由DC電壓調整部122將目標溫度Tg平移到Tg－P或者Tg＋P。如第4圖的(C-1)所示，DC電壓調整部122能夠將初始溫度依存電壓
Figure 02_image015
加上DC偏置電壓
Figure 02_image017
，藉以產生溫度依存電壓
Figure 02_image011
，以將目標溫度Tg向下平移到Tg－P。或者，如第4圖的(C-2)所示，DC電壓調整部122能夠將初始溫度依存電壓
Figure 02_image015
減去DC偏置電壓
Figure 02_image017
，藉以產生溫度依存電壓
Figure 02_image011
，以將目標溫度Tg向上平移到Tg＋P。
接著，針對本發明第3實施例進行說明。第5圖為關於本發明第3實施例之電壓產生電路100B的方塊示意圖，與第2圖相同的構成會給予同一個符號。於第3實施例中，PTAT電壓產生部120B產生斜率相異的兩個溫度依存電壓
Figure 02_image019
、
Figure 02_image021
。兩個溫度依存電壓
Figure 02_image019
、
Figure 02_image021
分別在不同的目標溫度Tg0、Tg1與基準電壓
Figure 02_image005
交叉，且分別具有要求的斜率。比較部130B個別比較基準電壓
Figure 02_image005
與溫度依存電壓
Figure 02_image019
、以及基準電壓
Figure 02_image005
與溫度依存電壓
Figure 02_image021
，並將個別的比較結果COMP0、COMP1輸出至選擇部140B。
選擇部140B基於比較結果COMP0、COMP1的邏輯組合，選擇基準電壓
Figure 02_image005
、溫度依存電壓
Figure 02_image019
、
Figure 02_image021
的其中一個作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
。第7圖的(A)~(D)例示幾個態樣。在第7圖的(A)的範例中，溫度依存電壓
Figure 02_image019
具有負的斜率，且在目標溫度Tg0時與基準電壓
Figure 02_image005
交叉；溫度依存電壓
Figure 02_image021
具有正的斜率，且在目標溫度Tg1時與基準電壓
Figure 02_image005
交叉。根據第7圖的(A)的範例，於一實施例中，選擇部140B的輸出可如第7圖的(A-1)的範例所示，選擇部140B在比目標溫度Tg0還低的溫度範圍內，選擇電壓較高的溫度依存電壓
Figure 02_image019
作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出；在目標溫度Tg0~Tg1的溫度範圍內，選擇電壓較高的基準電壓
Figure 02_image005
作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出；在目標溫度Tg1以上的溫度範圍內，選擇電壓較高的溫度依存電壓
Figure 02_image021
作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出。另外，根據第7圖的(A)的範例，於另一實施例中，選擇部140B的輸出可如第7圖的(A-2)的範例所示，選擇部140B在比目標溫度Tg0還低的溫度範圍內，選擇電壓較低的基準電壓
Figure 02_image005
作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出；在目標溫度Tg0~Tg1的溫度範圍內，選擇電壓較高的溫度依存電壓
Figure 02_image019
、
Figure 02_image021
作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出；在目標溫度Tg1以上的溫度範圍內，選擇電壓較低的基準電壓
Figure 02_image005
作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出。
在第7圖的(B)的範例中，溫度依存電壓
Figure 02_image019
具有正的斜率，且在目標溫度Tg0時與基準電壓
Figure 02_image005
交叉；溫度依存電壓
Figure 02_image021
具有負的斜率，且在目標溫度Tg1時與基準電壓
Figure 02_image005
交叉。根據第7圖的(B)的範例，於一實施例中，選擇部140B的輸出可如第7圖的(B-1)的範例所示，選擇部140B在比目標溫度Tg0還低的溫度範圍內，選擇電壓較低的溫度依存電壓
Figure 02_image019
作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出；在目標溫度Tg0~Tg1的溫度範圍內，選擇電壓較低的基準電壓
Figure 02_image005
作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出；在目標溫度Tg1以上的溫度範圍內，選擇電壓較低的溫度依存電壓
Figure 02_image021
作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出。另外，根據第7圖的(B)的範例，於另一實施例中，選擇部140B的輸出可如第7圖的(B-2)的範例所示，選擇部140B在比目標溫度Tg0還低的溫度範圍內，選擇電壓較高的基準電壓
Figure 02_image005
作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出；在目標溫度Tg0~Tg1的溫度範圍內，選擇電壓較低的溫度依存電壓
Figure 02_image019
、
Figure 02_image021
作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出；在目標溫度Tg1以上的溫度範圍內，選擇電壓較高的基準電壓
Figure 02_image005
作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出。
在第7圖的(C)的範例中，溫度依存電壓
Figure 02_image019
具有正的斜率，且在目標溫度Tg0時與基準電壓
Figure 02_image005
交叉；溫度依存電壓
Figure 02_image021
具有正的斜率，且在目標溫度Tg1時與基準電壓
Figure 02_image005
交叉。溫度依存電壓
Figure 02_image019
的斜率與溫度依存電壓
Figure 02_image021
的斜率可以相等，也可以不相等。據此，選擇部140B的輸出可如第7圖的(C-1)所示，在比目標溫度Tg0還低的溫度範圍內，選擇電壓較低的溫度依存電壓
Figure 02_image019
作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出；在目標溫度Tg0~Tg1的溫度範圍內，選擇介於溫度依存電壓
Figure 02_image019
與溫度依存電壓
Figure 02_image021
之間的基準電壓
Figure 02_image005
作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出；在目標溫度Tg1以上的溫度範圍內，選擇電壓較高的溫度依存電壓
Figure 02_image023
而輸出。
在第7圖的(D)的範例中，溫度依存電壓
Figure 02_image019
具有負的斜率，且在目標溫度Tg0時與基準電壓
Figure 02_image005
交叉；溫度依存電壓
Figure 02_image021
具有負的斜率，且在目標溫度Tg1時與基準電壓
Figure 02_image005
交叉。溫度依存電壓
Figure 02_image019
的斜率與溫度依存電壓
Figure 02_image021
的斜率可以相等，也可以不相等。據此，選擇部140B的輸出可如第7圖的(D-1)所示，在比目標溫度Tg0還低的溫度範圍內，選擇電壓較高的溫度依存電壓
Figure 02_image019
作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出；在目標溫度Tg0~Tg1的溫度範圍內，介於溫度依存電壓
Figure 02_image019
與溫度依存電壓
Figure 02_image021
之間的選擇基準電壓
Figure 02_image005
作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出；在目標溫度Tg1以上的溫度範圍內，選擇電壓較低的溫度依存電壓
Figure 02_image021
作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出。
如此根據本實施例，可以用兩個邊界(目標溫度Tg0、Tg1)產生溫度特性相異的溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
，能夠增加溫度補償電壓的變化性。另外，第3實施例中能夠應用第2實施例所說明的DC電壓調整部122。
接著，針對本發明第4實施例進行說明。第6圖為關於本發明第4實施例之電壓產生電路100C的方塊示意圖，與第5圖相同的構成會給予同一個符號。於第4實施例中，基準電壓產生部110C產生電壓值相異的兩個基準電壓
Figure 02_image025
、
Figure 02_image027
。在這種情況下，兩個溫度依存電壓
Figure 02_image019
、
Figure 02_image021
，會分別與兩個基準電壓
Figure 02_image025
、
Figure 02_image027
在兩個目標溫度交叉。比較部130B將兩個基準電壓
Figure 02_image025
、
Figure 02_image027
以及兩個溫度依存電壓
Figure 02_image019
、
Figure 02_image021
之間的四種組合進行比較，將多個比較結果COMP0、COMP1、COMP2、COMP3輸出至選擇部140C。選擇部140C基於比較結果COMP0、COMP1、COMP2、COMP3的邏輯組合，選擇基準電壓
Figure 02_image025
、
Figure 02_image027
、溫度依存電壓
Figure 02_image019
、
Figure 02_image021
的其中一個作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出。
在第7圖的(E)的範例中，溫度依存電壓
Figure 02_image019
具有正的斜率，且在目標溫度Tg0、Tg1時分別與基準電壓
Figure 02_image025
、
Figure 02_image027
交叉；溫度依存電壓
Figure 02_image021
具有負的斜率（本實施例設定其絕對值與溫度依存電壓
Figure 02_image019
之正的斜率相等），且在目標溫度Tg1、Tg0時分別與基準電壓
Figure 02_image025
、
Figure 02_image027
交叉。根據第7圖的(E)的範例，於一實施例中，選擇部140C的輸出可如第7圖的(E-1)的範例所示，在比目標溫度Tg0還低的溫度範圍內，選擇部140C選擇基準電壓
Figure 02_image025
(即這些基準電壓中較低的一者)作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出；在目標溫度Tg0~Tg1的溫度範圍內，選擇溫度依存電壓
Figure 02_image019
作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出；在目標溫度Tg1以上的溫度範圍內，選擇基準電壓
Figure 02_image027
(即這些基準電壓中較高的一者)作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出。根據第7圖的(E)的範例，於另一實施例中，選擇部140C的輸出可如在7圖的(E-2)的範例中，在比目標溫度Tg0還低的溫度範圍內，選擇部140C選擇基準電壓
Figure 02_image027
(即這些基準電壓中較高的一者)作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出；在目標溫度Tg0~Tg1的溫度範圍內，選擇溫度依存電壓
Figure 02_image021
作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出；在目標溫度Tg1以上的溫度範圍內，選擇基準電壓
Figure 02_image025
(即這些基準電壓中較低的一者)作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出。
如此根據本實施例，利用幾乎沒有溫度依存性的兩個基準電壓
Figure 02_image025
、
Figure 02_image027
，以及具有溫度依存性的兩個溫度依存電壓
Figure 02_image019
、
Figure 02_image021
之組合，能夠產生更加複雜的溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
。另外，如果使用這樣的溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
，透過調節器或運算放大器等的轉換電路，轉換為期望的電壓位準，則也可以進行轉換後電壓的溫度補償。
第8(A)~8(C)圖為關於本發明第2實施例之電壓產生電路100A的概略電路圖。基準電壓產生部110包含幾乎不與電源電壓Vcc的變動或溫度變化依存之BGR電路。BGR電路舉例來說如同圖所示，包含第1以及第2電流路徑，位於電源電壓Vcc與GND之間；第1電流路徑包括串聯連接的PMOS電晶體P1、電阻R1及雙極電晶體Q1；第2電流路徑包括串聯連接的PMOS電晶體P2、電阻R2、電阻R3及雙極電晶體Q2(雙極電晶體Q2的射極面積m，為雙極電晶體Q1的射極面積之n倍)。另外，差動放大電路AMP的反相輸入端(－)連接於電阻R1與雙極電晶體Q1的連接節點；非反相輸入端(＋)連接於電阻R2與電阻R3的連接節點；輸出端則共同連接PMOS電晶體P1、P2的閘極。藉由適當選擇電阻R1、R2、R3、雙極電晶體Q1、Q2，就可以從PMOS電晶體P2與電阻R2之間的連接節點，輸出幾乎沒有溫度依存性的基準電壓
Figure 02_image005
。
PTAT電壓產生部120A包括串聯在電源電壓Vcc與GND之間的PMOS電晶體P3、電阻R4、R5、R6、可變電阻VR及DC電壓調整部122。PMOS電晶體P3的閘極與BGR電路的PMOS電晶體P1、P2連通，與BGR電路連通的電流iBGR，透過PMOS電晶體P3提供給電流路徑。可變電阻VR調整電路的公差等，舉例來說，根據預先準備的修剪碼，來切換電阻分割的抽頭(Tap)。藉由適當選擇電阻R4、R5、R6，就可以從電阻R5與電阻R6之間的連接節點，輸出溫度依存電壓
Figure 02_image011
。
第8(B)圖示意DC電壓調整部122的構成例。DC電壓調整部122包含差動放大電路，其反相輸入端(－)用以接收基準電壓
Figure 02_image005
除以電阻R後的分壓，其非反相輸入端(＋)用以接收電阻R7、R8之間的分壓節點的電壓，且其輸出耦接至電阻R7。藉由調整電阻R，DC電壓調整部122輸出DC偏置電壓
Figure 02_image017
，用以偏置初始溫度依存電壓
Figure 02_image015
。
第8(C)圖示意比較部130與選擇部140的構成。比較部130包含比較器COMP，其接收且比較基準電壓
Figure 02_image005
與溫度依存電壓
Figure 02_image011
，並輸出H或L位準的訊號以表示基準電壓
Figure 02_image005
與溫度依存電壓
Figure 02_image011
的比較結果。選擇部140包含反相器INV，其接收比較部130的輸出；以及CMOS開關SW，包括多個CMOS電晶體。於本實施例中，CMOS開關SW的其中一個CMOS電晶體接收基準電壓
Figure 02_image005
，而另一個CMOS電晶體接收溫度依存電壓
Figure 02_image011
，且CMOS開關SW基於比較器CP的比較結果的反向值(即反相器INV的輸出)選擇基準電壓
Figure 02_image005
與溫度依存電壓
Figure 02_image011
中的其中一者，並將被選擇的一者作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
輸出。選擇部140基於比較器CP的比較結果，選擇溫度依存電壓
Figure 02_image011
及基準電壓
Figure 02_image005
中較高的一者做為輸出。舉例來說，當溫度依存電壓
Figure 02_image011
＞基準電壓
Figure 02_image005
時，比較器COMP的輸出為H位準，且CMOS開關SW中耦接至輸入溫度依存電壓
Figure 02_image011
的CMOS電晶體導通，耦接至基準電壓
Figure 02_image005
的CMOS電晶體斷開，並輸出温度依存電圧
Figure 02_image011
作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
。
第9圖為關於本發明第3實施例之電壓產生電路100B的構成例。第3實施例中，基準電壓產生部110產生基準電壓
Figure 02_image005
，PTAT電壓產生部120B產生兩個溫度依存電壓
Figure 02_image019
、
Figure 02_image021
，且比較部130B接收基準電壓
Figure 02_image005
及這些溫度依存電壓
Figure 02_image019
、
Figure 02_image021
。比較部130B包含：比較器CP0，比較基準電壓
Figure 02_image005
與溫度依存電壓
Figure 02_image019
，且輸出比較結果COMP0；以及比較器CP1，比較基準電壓
Figure 02_image005
與溫度依存電壓
Figure 02_image021
，且輸出比較結果COMP1。
選擇部140B包含：三個NAND閘(反及閘)，被配置以執行比較器CP0、CP1的比較結果COMP0、COMP1之多種組合的邏輯運算；多個反向器，其輸入端分別耦接至這些NAND閘的輸出；以及CMOS開關SW1、SW2、SW3，分別耦接至這些反相器。CMOS開關SW1的輸入端接收溫度依存電壓
Figure 02_image019
；CMOS開關SW2的輸入端接收基準電壓
Figure 02_image005
；且CMOS開關SW3的輸入端接收溫度依存電壓
Figure 02_image021
。CMOS開關SW1、SW2、SW3的其中一者依據COMP0、COMP1的邏輯運算結果而被導通，藉此溫度依存電壓
Figure 02_image019
、
Figure 02_image021
與基準電壓
Figure 02_image005
的其中一者可以被選擇以作為溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
而輸出。
接著，第10圖例示可變電阻式隨機存取記憶體的構成，作為應用關於本發明實施例的電壓產生電路之半導體裝置的其中一例。本實施例的可變電阻式記憶體200包含記憶體陣列210、行解碼器與驅動電路(X-DEC)220、列解碼器與驅動電路(Y-DEC)230、列選擇電路(YMUX)240、控制電路250、感測放大器260及寫入驅動・讀取偏壓電路270。記憶體陣列210以行列狀配置有複數個記憶單元，各記憶單元包含可變電阻元與存取用電晶體。行解碼器與驅動電路(X-DEC)220基於行位址X-Add進行字元線WL的選擇及驅動。列解碼器與驅動電路(Y-DEC)230基於列位址Y-Add產生選擇訊號SSL/SBL，該選擇訊號SSL/SBL是用以選擇全域位元線GBL以及全域源極線GSL。列選擇電路(YMUX)240基於選擇訊號SBL，選擇全域位元線GBL與位元線BL之間的連接，以及基於選擇訊號SSL選擇全域源極線GSL與源極線SL之間的連接。控制電路250，基於從外部接收的指令、位址、以及資料等以控制各部。感測放大器260透過被選擇的全域位元線GBL與位元線BL感測記憶單元讀取出的資料。寫入驅動・讀取偏壓電路270，透過被選擇的全域位元線GBL與位元線BL施加讀取運作時的偏壓電壓，施加寫入運作時的設定、重設之相應的電壓；以及上述實施例所說明用以產生溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
的電壓產生電路100。
記憶體陣列210包含m個子陣列210-1、210-2、…、110-m，m個列選擇電路(YMUX)240對應連接m個子陣列。m個列選擇電路(YMUX)240分別地連接至感測放大器260以及寫入驅動・讀取偏壓電路270。於讀取運作時，感測放大器260所感測到的讀取資料，透過內部資料匯流排DO輸出至控制電路250；於寫入運作時，由外部輸入的寫入資料，從控制電路250透過內部資料匯流排DI讓寫入驅動・讀取偏壓電路270接收。
在存取記憶單元時，藉由行解碼器與驅動電路(X-DEC)220選擇字元線WL，讓存取用電晶體導通，被選擇的記憶單元透過列選擇電路(YMUX)240，與被選擇的位元線BL以及源極線SL電氣連接。在寫入運作時，寫入驅動・讀取偏壓電路270所產生的設定或重設所相應之電壓，透過被選擇的位元線BL以及被選擇的源極線SL施加在被選擇的記憶單元。在讀取運作時，寫入驅動・讀取偏壓電路270所產生的讀取電壓，透過被選擇的位元線BL以及被選擇的源極線SL施加在被選擇的記憶單元；而可變電阻元件經過設定或重設後所相應之電壓或電流，可透過被選擇的位元線BL以及被選擇的源極線SL由感測電路所感測。通常，將可變電阻元件寫入成低電阻狀態，我們稱之為「設定」(SET)；將可變電阻元件寫入成高電阻狀態，我們稱之為「重設」(RESET)。
電壓產生電路100產生的溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
，能夠利用於寫入驅動・讀取偏壓電路270或行解碼器與驅動電路(X-DEC)220，以產生用來驅動存取用電晶體的字元線電壓、寫入選擇記憶單元時的設定或重設電壓、以及讀取被選擇的記憶單元時的偏壓電壓。
這裡舉例來說，當運作溫度比室溫(25℃)還高時，有可能造成驅動存取用電晶體的字元線電壓變得不足夠，而流經存取用電晶體的汲極電流減低。因此，我們希望行解碼器與驅動電路220產生的字元線電壓其形態為：從低溫到室溫的溫度範圍內為恆定；在超過室溫的溫度範圍內以正的斜率上升。因此，電壓產生電路100如第4(A-1)圖所示，產生目標溫度Tg符合室溫的溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
，由該溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
所產生的電壓，將提供給行解碼器與驅動電路220。行解碼器與驅動電路220可以將溫度補償後基準電壓
Figure 02_image013
作為字元線電壓來驅動存取用電晶體；或者也可以先透過運算放大器或調節器等轉換電路，轉換為期望的電壓位準之後，再將其作為字元線電壓來驅動存取用電晶體。
如此根據本實施例，比較基準電壓
Figure 02_image005
以及類比產生的溫度依存電壓
Figure 02_image011
，基於該比較結果，選擇基準電壓
Figure 02_image005
或溫度依存電壓
Figure 02_image011
的其中一個，因此，並不需要像習知的那種電路規模較大的晶載的溫度感測器或邏輯，而能夠追求布局的省空間化。除此之外，本實施例中，由於並不像習知那樣使用DA轉換器(數位/類比轉換器)，因此可以抑制量化雜訊所造成之基準電壓的精度劣化。另外，本實施例的電壓產生電路，除了能夠應用在以上記載的可變電阻式記憶體之外，還能夠應用在各種的記憶體或邏輯等的半導體裝置之溫度補償電路。
詳述了關於本發明較佳的實施形態，但本發明並非限定於特定的實施形態，在申請專利範圍所記載的發明要旨的範圍內，可進行各種的變形/變更。
10:溫度感測器 12:基準電路 14:ADC(類比/數位轉換器) 20:邏輯部 30:類比部 100,100A,100B,100C:電壓產生電路 110,110C:基準電壓產生部 120,120A,120B,120C:PTAT電壓產生部 122:DC電壓調整部 130,130B,130C:比較部 140,140B,140C:選擇部 200:可變電阻式記憶體 210:記憶體陣列 210-1,210-2,210-m:子陣列 220:行解碼器與驅動電路(X-DEC) 230:列解碼器與驅動電路(Y-DEC) 240:列選擇電路(YMUX) 250:控制電路 260:感測放大器(SA) 270:寫入驅動・讀取偏壓電路(WD) AMP:差動放大電路 BL:位元線 COMP0~COMP3:比較結果 Control:控制訊號 CP,CP0,CP1:比較器 DI,DO:內部資料匯流排 DQ:輸出端 GBL:全域位元線 GSL:全域源極線 iBGR(Vcc):電源電壓 INV:反相器 P1,P2,P3:PMOS電晶體 Q1,Q2:電晶體 R1~R8:電阻 SBL,SSL:選擇訊號 SL:源極線 SW,SW1,SW2,SW3:CMOS開關 Ta:溫度 Tc:溫度斜率 Tg,Tg0,Tg1:目標溫度 Tg＋P:目標溫度 Tg－P:目標溫度
Figure 02_image013
:溫度補償後基準電壓
Figure 02_image017
:DC偏置電壓
Figure 02_image011
,
Figure 02_image019
,
Figure 02_image021
:溫度依存電壓
Figure 02_image015
:初始溫度依存電壓
Figure 02_image005
,
Figure 02_image025
,
Figure 02_image027
:基準電壓
Figure 02_image007
:檢測電壓 VR:可變電阻 WL:字元線 X-Add:行位址 Y-Add:列位址
第1(A)~1(B)圖說明使用既有晶載的溫度感測器之溫度補償後基準電壓的產生方法。 第2圖為一方塊圖，示意關於本發明第1實施例之電壓產生電路的構成。 第3圖為一方塊圖，示意關於本發明第2實施例之電壓產生電路的構成。 第4圖的(A)~(C-2)為本發明第1以及第2實施例所產生的溫度補償後基準電壓之波形例。 第5圖為一方塊圖，示意關於本發明第3實施例之電壓產生電路的構成。 第6圖為一方塊圖，示意關於本發明第4實施例之電壓產生電路的構成。 第7圖的(A)~(E-2)為本發明第3以及第4實施例所產生的溫度補償後基準電壓之波形例。 第8(A)~8(C)圖為關於本發明第2實施例之電壓產生電路的詳細構成例。 第9圖為關於本發明第3實施例之電壓產生電路的詳細構成例。 第10圖示意應用關於本發明實施例的電壓產生電路之可變電阻式隨機存取記憶體的構成。
100:電壓產生電路
110:基準電壓產生部
120:PTAT電壓產生部
130:比較部
140:選擇部
VPTAT:溫度依存電壓
VREF:基準電壓

Claims (15)

  1. 一種電壓產生電路，包含： 基準電壓產生部，被配置為產生實質上沒有溫度依存性的基準電壓； 溫度依存電壓產生部，被配置為具有正或負的溫度依存性，產生在目標溫度時具有與該基準電壓相等的電壓之至少一溫度依存電壓； 比較部，被配置為比較該基準電壓以及該溫度依存電壓；以及 選擇部，被配置為基於該比較部的比較結果，選擇該基準電壓或該溫度依存電壓的其中一個，並將所選擇的該基準電壓或該溫度依存電壓做為溫度補償基準電壓而輸出。
  2. 如請求項1之電壓產生電路， 其中，該選擇部被配置為在低於該目標溫度時選擇該基準電壓，在該目標溫度以上時選擇該溫度依存電壓。
  3. 如請求項1之電壓產生電路， 其中，該選擇部被配置為在低於該目標溫度時選擇該溫度依存電壓，在該目標溫度以上時選擇該基準電壓。
  4. 如請求項1之電壓產生電路， 其中，該選擇部被配置為選擇由該比較部所比較的該基準電壓或該溫度依存電壓之較大者。
  5. 如請求項1之電壓產生電路， 其中，該選擇部被配置為選擇由該比較部所比較的該基準電壓或該溫度依存電壓之較小者。
  6. 如請求項1之電壓產生電路， 其中，當該溫度依存電壓產生部輸出具有相異溫度特性的第1以及第2溫度依存電壓時，該第1溫度依存電壓在第1目標溫度時具有與該基準電壓相等的電壓； 該第2溫度依存電壓在第2目標溫度時具有與該基準電壓相等的電壓； 其中，該比較部包含：第1比較電路，被配置為比較該第1溫度依存電壓以及該基準電壓；以及第2比較電路，被配置為比較該第2溫度依存電壓以及該基準電壓； 其中，該選擇部被配置為基於該第1比較電路以及該第2比較電路的比較結果，選擇該第1溫度依存電壓、該第2溫度依存電壓、或該基準電壓的其中一個。
  7. 如請求項6之電壓產生電路， 其中，該選擇部被配置為在低於該第1目標溫度時選擇該第1溫度依存電壓；在該第1目標溫度至該第2目標溫度之間時選擇該基準電壓；在該第2目標溫度以上時選擇該第2溫度依存電壓。
  8. 如請求項6之電壓產生電路， 其中，該選擇部被配置為在低於該第1目標溫度時選擇該基準電壓；在該第1目標溫度至該第2目標溫度之間時選擇該第1或該第2溫度依存電壓的其中一個；在該第2目標溫度以上時選擇該基準電壓。
  9. 如請求項1之電壓產生電路， 其中，當該基準電壓產生部產生第1以及第2基準電壓時，該溫度依存電壓在第1目標溫度時具有與該第1基準電壓相等的電壓，且在第2目標溫度時具有與該第2基準電壓相等的電壓； 其中，該選擇部被配置為在低於該第1目標溫度時選擇該第1基準電壓；在該第1目標溫度至該第2目標溫度之間時選擇該溫度依存電壓；在該第2目標溫度以上時選擇該第2基準電壓。
  10. 如請求項1之電壓產生電路，更包含： 轉換電路，接收該選擇部所輸出的該溫度補償基準電壓，並轉換該溫度補償基準電壓的電壓位準。
  11. 如請求項1之電壓產生電路， 其中，該溫度依存產生部包含DC電壓調整部，用來將溫度依存產生部所產生的初始溫度依存電壓往正或負的方向偏置，以產生該溫度依存電壓。
  12. 如請求項1之電壓產生電路， 其中，該基準電壓產生部包含能帶隙參考電路。
  13. 一種半導體裝置，包含： 請求項1至12任何一項之電壓產生電路；以及 驅動裝置，基於該電壓產生電路所產生的該基準電壓或該溫度依存電壓而驅動電路。
  14. 如請求項13之半導體裝置， 其中，該驅動裝置包含連接記憶單元的電晶體； 其中，該驅動裝置在比該目標溫度低的溫度範圍內，對該電晶體的閘極，施加基於該基準電壓的驅動電壓；在該目標溫度以上的溫度範圍內，對該電晶體的閘極，施加基於帶有正的溫度斜率之溫度依存電壓的驅動電壓。
  15. 如請求項14之半導體裝置， 其中，該記憶單元包含可變電阻元件，以及連接該可變電阻元件的存取用電晶體； 其中，該驅動裝置透過字元線，對該存取用電晶體的閘極，施加該基準電壓或該溫度依存電壓。
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