WO1999048208A1 - Circuit for reducing leaking current - Google Patents

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WO1999048208A1
WO1999048208A1 PCT/DE1999/000677 DE9900677W WO9948208A1 WO 1999048208 A1 WO1999048208 A1 WO 1999048208A1 DE 9900677 W DE9900677 W DE 9900677W WO 9948208 A1 WO9948208 A1 WO 9948208A1
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Jörg BERTHOLD
Martin Eisele
Matthias Eberlein
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Infineon Technologies Ag
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/0008Arrangements for reducing power consumption
    • H03K19/0016Arrangements for reducing power consumption by using a control or a clock signal, e.g. in order to apply power supply

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement with circuit parts consisting of transistors of low threshold voltage (NV transistors).
  • NV transistors low threshold voltage
  • a low current consumption of microelectronic circuit arrangements is desirable, since the service life is correspondingly prolonged for a given battery or accumulator capacity.
  • the current consumption is reduced, for example, by reducing the supply voltage, which, however, leads to reduced switching speeds in the case of MOS transistors.
  • the threshold voltage of the transistors must be reduced in addition to the supply voltage.
  • a supply voltage of, for example, 1 volt threshold voltages of the transistors of typically 0.3 to 0.2 volt (corresponding to a value of a quarter of the supply voltage) are required, compared with 0.6 to approximately 0.4 volt threshold voltage at a supply voltage of 3 , 3 volts.
  • Such low operating voltages lead to greatly increased leakage currents with closed, i.e. uncontrolled transistors, which leads to a load on the battery or the accumulator, particularly in the case of long idle phases ("standby") of the circuit arrangements.
  • these transistors are activated (the gate voltages of VDD and VSS are at the NMOS or PMOS transistor), the local supply lines VDDL and VSSL are thus at VDD or VSS.
  • the transistors are closed (there are gate voltages from VSS and VDD at the NMOS or PMOS transistor), and the current consumption is then reduced to the low leakage currents due to the high threshold voltages of the switching transistors.
  • circuit parts that store the data retain their information. If the high-voltage switching transistors are closed, the high leakage currents of the NV transistors (transistors of low threshold voltage) of the circuit arrangement lead to an equalization of all voltages within the circuit arrangement after some time, as a result of which the information of the storing elements in the circuit parts is lost.
  • One way to prevent the loss of information is to use transistors with a high threshold voltage in the storing circuit parts. However, this basically requires new circuit designs because of the adaptation of the storing circuit parts.
  • the disadvantage of this measure is that two additional voltages are required and that regardless of the duration of the standby If the circuit parts are only to be deactivated, only the threshold voltages of the transistors in the wells can be influenced (in the case of n-well processes, these are the PMOS transistors), and the substrate potential is the same for all circuit parts.
  • the invention has for its object to provide a microelectronic circuit arrangement, in particular for portable applications with a low current consumption, in which, in addition to a low current consumption, a high switching speed of the transistors is guaranteed at the same time, and in which the leakage currents when the transistor is closed are not 4 controlled transistors of the circuit parts and thus the
  • Load on the battery or accumulator capacity can in particular be reduced during long periods of rest of the circuit arrangement.
  • the circuit part is coupled to a supply voltage (VDD, VSS) by interposing a switching transistor with a high threshold voltage (HV transistor), an NV control transistor being connected in parallel with the HV switching transistor.
  • VDD supply voltage
  • VSS supply voltage
  • HV transistor high threshold voltage
  • the invention enables the leakage current of circuits and circuit parts consisting of transistors with low threshold voltages (LV transistors) to be reduced, the solution according to the invention having the following advantages over the previously known measures:
  • Figure 1A shows a circuit arrangement according to the invention according to a first embodiment
  • FIG. 1B shows a schematic curve over time of the supply voltage VDDL of the circuit arrangement according to the first exemplary embodiment
  • Figure 2A shows a circuit arrangement according to the invention according to a second embodiment
  • FIG. 2B shows a schematic course of the curve over time
  • Figure 3A shows a circuit arrangement according to the invention according to a third embodiment
  • FIG. 3B shows a schematic course of the curve over time
  • FIG. 4A shows a circuit arrangement according to the invention in accordance with a fourth exemplary embodiment
  • FIG. 4B shows a schematic course of the curve over time
  • FIG. 5A shows a circuit arrangement according to the invention in accordance with a fifth exemplary embodiment
  • FIG. 5B shows a schematic course of the curve over time
  • FIG. 6 shows a schematic diagram of the PMOS leakage current versus the supply voltage Vds.
  • HV transistors high Vth transistors
  • NV transistors enieder- Vth transistors
  • the exemplary embodiments shown represent schematic example circuits which have been checked on the basis of simulations, the storage circuit parts and the combinatorial circuit parts each being referred to collectively as block circuits which are connected to local supply voltage lines VDDL and / or VSSL.
  • All the transistors in these storing and combinatorial circuit parts combined to form the block mentioned have a low threshold voltage of IowVthn, IowVthp ⁇ 0.25 volts for MOS or PMOS transistors.
  • HV transistors with the threshold voltages highVthn, highVthp ⁇ 0.5 volts are used for the switching transistors.
  • the active phase extends to 0.5 ⁇ s, after which a stand-by phase begins, which lasts up to 65 ⁇ s. This is followed by another active phase. 7
  • the following connections are uniformly designated as follows:
  • circuit block 2 storing circuit part
  • a V-NMOS transistor MNH1 is connected in parallel to the HV-PMOS switching transistor gate MPl, the gate 19 of which is driven by the global supply voltage VDD.
  • the NV transistor MNH1 thus represents a diode connected in parallel with the HV switching transistor MPl, consisting of an NV transistor MNH1 of opposite polarity.
  • the transistor MP1 When the circuit arrangement is active, the transistor MP1 is conductive, the local supply voltage line VDDL is at the supply voltage VDD. If the transistor MPl is closed, the potential of VDDL drops in FIG. 1 due to the higher leakage currents of the NV transistors of the circuit parts 2 and 3 (FIG. IB).
  • VDDL If the potential of VDDL reaches the value VDD - IowVthn *, the transistor MNH1 begins To conduct electricity. As a result, the potential VDDL is kept at this value, as a result of which the storing circuit parts 2 can hold their data.
  • the value IowVthn * is the threshold voltage of the low voltage transistors which is increased by the substrate control effect, since the substrate is at a lower potential than the source node of the transistor M ⁇ H1.
  • the transistors MPl and M ⁇ 1 are conductive, the potential lines VDDL and VSSL are at the potentials VDD and VSS. If the transistor MP1 is closed, the potential of VDDL drops due to the higher leakage current of the NV transistors of block 1 (FIG. 2B). If the potential of VDDL reaches the value VDD - IowVthn *, the transistor M ⁇ H1 begins to conduct current.
  • the values IowVthn * and IowVthp * are the threshold voltages of the NV transistors which are increased due to the substrate control effect (well and substrate are at a higher or lower potential than the respective source nodes).
  • the drain-source voltage for the closed transistors in the circuit parts 2 and 3 is reduced to significantly below VDD, which results in a lower leakage current.
  • the effective threshold voltage of the NV transistors in block 1 is increased, since the substrate potential and the well potential remain at VSS and VDD, respectively. This corresponds, however, without an additional voltage source, a pretensioning of the substrate (back-biasing) and trough.
  • the thereby increased threshold voltage leads to a further reduction in the leakage currents of the circuit parts 2 and 3, which is supplied by the voltage supply VDD. Using simulations, the leakage current was reduced to 1/15 compared to 1 volt.
  • FIG. 3A shows a modified, third exemplary embodiment, in which only one (number word) HV switching transistor M ⁇ 1 with an NV transistor MPH1 connected in parallel as a diode is used in comparison with the second exemplary embodiment explained above.
  • the advantage here is that the area requirement is halved due to the switching transistor M ⁇ 1 and the "diode transistor" MPH1 compared to the aforementioned embodiments.
  • the threshold voltage increase due to the substrate control effect.
  • the leakage currents are only reduced by the lower drain-source voltage. Using simulations, the leakage current was reduced to 1/10 compared to 1 volt.
  • 3B shows the 10 course of VDDL and VSSL during a standby phase
  • NV transistors of opposite polarity compared to the HV switching transistors connected as diodes are used. This leads to the lowering or raising of the potential of VDDL or VSSL by IowVthp * or IowVthn *, the higher threshold voltages of the NV transistors due to the substrate control effect.
  • the potential of VDDL and VSSL is shifted by IowVthp and IowVthn, i.e. the operating voltages of the NV transistors with substrate and well potential of VSS or VDD (no substrate control effect with M ⁇ H1 and MPHl).
  • 4B shows the course of VDDL and VSSL during a standby phase.
  • the fifth exemplary embodiment according to FIG. 5A offers the following solution: This is achieved by connecting NV transistors connected in series as diodes (with the same polarity as the HV transistors) Potential of VDDL and VSSL shifted by the corresponding multiple of IowVthp and IowVthn, respectively.
  • two ⁇ V transistors MPH1, MPH2 or M ⁇ H1 and M ⁇ H2 are connected in parallel to the switching transistors MPl and MN1.
  • 5B again shows the course of VDDL and VSSL during a standby phase.

Abstract

The invention relates to a circuit made of parts (2,3) consisting of transistors with a low threshold voltage (NV transistors). In order to reduce leakage current from said circuit parts (2,3), each part is coupled to a supply voltage (VDD, VSS) by means of an intermediate switching transistor (MP1, MN1) with a high threshold voltage (HV transistor) and an NV control transistor (MNH1, MPH1) is connected in parallel to the HV switching transistor (MP1, MN1).

Description

Beschreibungdescription
Schaltungsanordnung zur Reduzierung des LeckstromesCircuit arrangement for reducing the leakage current
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit aus Transistoren niedriger Einsatzspannung (NV-Transistoren) bestehenden Schaltungsteilen.The invention relates to a circuit arrangement with circuit parts consisting of transistors of low threshold voltage (NV transistors).
Insbesondere bei portablen Anwendungen ist eine niedrige Stromaufnahme von mikroelektronischen Schaltungsanordnungen wünschenswert, da sich bei gegebener Batterie- oder Akkumulatorkapazität die Standzeit entsprechend verlängert. Eine Erniedrigung der Stromaufnahme wird beispielsweise durch eine Reduzierung der Versorgungsspannung erreicht, die allerdings bei MOS-Transistoren zu reduzierten Schaltgeschwindigkeiten- führt. Wird neben der niedrigen Stromaufnahme gleichzeitig eine hohe Schaltgeschwindigkeit der Transistoren benötigt, muss zusätzlich zur Versorgungsspannung die Einsatzspannung der Transistoren reduziert werden. Bei einer Versorgungsspannung von beispielsweise 1 Volt werden Einsatzspannungen der Transistoren von typischerweise 0,3 bis 0,2 Volt (entsprechend einem Wert von einem Viertel der Versorgungsspannung) benötigt, verglichen mit 0,6 bis etwa 0,4 Volt Einsatzspannung bei einer Versorgungsspannung von 3,3 Volt. Derart niedrige Einsatzspannungen führen aber zu stark erhöhten Leckströmen bei geschlossenen, d.h. nicht angesteuerten Transistoren, was insbesondere bei langen Ruhephasen ("Standby") der Schaltungsanordnungen zu einer Belastung der Batterie bzw. des Akkumulators führt.In particular in portable applications, a low current consumption of microelectronic circuit arrangements is desirable, since the service life is correspondingly prolonged for a given battery or accumulator capacity. The current consumption is reduced, for example, by reducing the supply voltage, which, however, leads to reduced switching speeds in the case of MOS transistors. If a high switching speed of the transistors is required in addition to the low current consumption, the threshold voltage of the transistors must be reduced in addition to the supply voltage. With a supply voltage of, for example, 1 volt, threshold voltages of the transistors of typically 0.3 to 0.2 volt (corresponding to a value of a quarter of the supply voltage) are required, compared with 0.6 to approximately 0.4 volt threshold voltage at a supply voltage of 3 , 3 volts. Such low operating voltages, however, lead to greatly increased leakage currents with closed, i.e. uncontrolled transistors, which leads to a load on the battery or the accumulator, particularly in the case of long idle phases ("standby") of the circuit arrangements.
Es sind verschiedentlich Maßnahmen vorgeschlagen worden, die eine Reduzierung der statischen Leckstromaufnahme in den Ruhephasen der Schaltungsanordnung erlauben sollen. So ist beispielsweise aus Shinxichiro Mutoh et al., IEEE International Solid-State Circuits Conference, 1996, S. 168 ff. vorgeschlagen worden, Transistoren mit mehreren Einsatzspannungen in einer Schaltungsanordnung einzusetzen, sogenannte Multi-Threshold-Voltage CMOS-Transistoren. Hierbei ist die mikroelektronische Schaltungsanordnung über PMOS und/oder NMOS-Tranistoren mit hoher Einsatzspannung an die Versorgungsspannungen VDD bzw. VSS angeschlossen. Im aktiven Zustand sind diese Transistoren angesteuert (die Gatespannungen von VDD und VSS liegen am NMOS bzw. PMOS-Transistor) , die lokalen Versorgungsleitungen VDDL und VSSL liegen damit auf VDD bzw. VSS. Im Standby-Modus sind die Transistoren geschlossen (es liegen Gatespannungen von VSS und VDD am NMOS- bzw. PMOS- Transistor) , und die Stromaufnahme reduziert sich dann auf die wegen der hohen Einsatzspannungen der Schalttransistoren niedrigen Leckströme.Various measures have been proposed which are intended to allow the static leakage current consumption to be reduced in the idle phases of the circuit arrangement. For example, Shin x ichiro Mutoh et al., IEEE International Solid-State Circuits Conference, 1996, p. 168 et seq. Proposed using transistors with multiple threshold voltages in a circuit arrangement, so-called multi-threshold voltage CMOS transistors. Here, the microelectronic circuit arrangement is connected to the supply voltages VDD or VSS via PMOS and / or NMOS transistors with a high threshold voltage. In the active state, these transistors are activated (the gate voltages of VDD and VSS are at the NMOS or PMOS transistor), the local supply lines VDDL and VSSL are thus at VDD or VSS. In standby mode, the transistors are closed (there are gate voltages from VSS and VDD at the NMOS or PMOS transistor), and the current consumption is then reduced to the low leakage currents due to the high threshold voltages of the switching transistors.
Damit speichernde Schaltungsteile ihre Information behalten, sind allerdings weitere Vorkehrungen zu treffen. Werden näm- lieh die Hochspannungs-Schalttransistoren geschlossen, führen die hohen Leckströme der NV-Transistoren (Transistoren niedriger Einsatzspannung) der Schaltungsanordnung nach einiger Zeit zu einer Angleichung aller Spannungen innerhalb der Schaltungsanordnung, wodurch die Information der speichernden Elemente in den Schaltungsteilen verloren geht. Eine Möglichkeit, den Informationsverlust zu verhindern besteht darin, in den speichernden Schaltungsteilen Transistoren mit hoher Einsatzspannung zu verwenden. Damit sind jedoch wegen der Anpassung der speichernden Schaltungsteile grundsätzlich neue Schaltungsentwürfe erforderlich.However, further precautions must be taken so that circuit parts that store the data retain their information. If the high-voltage switching transistors are closed, the high leakage currents of the NV transistors (transistors of low threshold voltage) of the circuit arrangement lead to an equalization of all voltages within the circuit arrangement after some time, as a result of which the information of the storing elements in the circuit parts is lost. One way to prevent the loss of information is to use transistors with a high threshold voltage in the storing circuit parts. However, this basically requires new circuit designs because of the adaptation of the storing circuit parts.
Eine weitere Maßnahme zur Reduzierung der statischen Leckstromaufnahme in der Ruhephase besteht darin, die Wannen- und Substratpotentiale zur Erhöhung der effektiven Einsatzspan- nung vorzuspannen. Diese auch unter der Bezeichnung "Back- 3Another measure to reduce the static leakage current consumption in the idle phase is to pretension the tub and substrate potentials to increase the effective operating voltage. This also under the name "back 3
Biasing" bekannte Maßnahme ist beispielsweise aus Tadahiro Kuroda et al . , IEEE International Solid-State Circuits Conference, 1996, S. 166 ff. beschrieben. Während der Standby- Phase wird die Wanne auf Spannungen oberhalb der Versorgungs- Spannung VDD erhöht, das Substratpotential auf Werte unterhalb der VersorgungsSpannung VSS verringert. Dies führt zu höheren Einsatzspannungen der PMOS- bzw. NMOS-Transistoren, mit den entsprechend niedrigeren Leckströmen. Nachteil dieser Maßnahme ist allerdings, daß zwei weitere Spannungen benötigt werden, und daß unabhängig von der Dauer der Standby-Phase immer die gleiche Schaltenergie zum Umladen des Substrats und der Wannen benötigt wird. Sollen nur Schaltungsteile deaktiviert werden, können nur die Einsatzspannungen der in den Wannen befindlichen Transistoren beeinflusst werden (bei n- Wannenprozessen sind dies die PMOS-Transistoren) , und das Substratpotential ist für alle Schaltungsteile gleich.Biasing "known measure is described for example from Tadahiro Kuroda et al., IEEE International Solid-State Circuits Conference, 1996, p. 166 ff. During the standby phase, the well is increased to voltages above the supply voltage VDD, the substrate potential reduced to values below the supply voltage VSS. This leads to higher threshold voltages of the PMOS or NMOS transistors, with the correspondingly lower leakage currents. However, the disadvantage of this measure is that two additional voltages are required and that regardless of the duration of the standby If the circuit parts are only to be deactivated, only the threshold voltages of the transistors in the wells can be influenced (in the case of n-well processes, these are the PMOS transistors), and the substrate potential is the same for all circuit parts.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 195 15 417 AI ist eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Leistungs- MOSFETs bekannt, bei der ein Steuer-IC über einen steuerbaren Schalter derart mit einer Versorgungsspannung verbunden ist, daß der Steuer-IC über den steuerbaren Schalter geschaltet wird, wenn der Leistungs-MOSFET abgeschaltet ist. Hierdurch wird eine drastische Reduzierung des Ruhestromes durch den Steuer-IC erreicht.From the German patent application DE 195 15 417 AI a circuit arrangement for driving a power MOSFET is known in which a control IC is connected to a supply voltage via a controllable switch in such a way that the control IC is switched via the controllable switch when the power MOSFET is switched off. As a result, the control IC drastically reduces the quiescent current.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mikroelektronische Schaltungsanordnung insbesondere für portable Anwendungen mit niedriger Stromaufnahme zur Verfügung zu stellen, bei der neben einer geringen Stromaufnahme gleichzeitig eine hohe Schaltgeschwindigkeit der Transistoren gewährleistet ist, und bei welcher die Leckströme bei geschlossenen, nicht 4 angesteuerten Transistoren der Schaltungsteile und damit dieThe invention has for its object to provide a microelectronic circuit arrangement, in particular for portable applications with a low current consumption, in which, in addition to a low current consumption, a high switching speed of the transistors is guaranteed at the same time, and in which the leakage currents when the transistor is closed are not 4 controlled transistors of the circuit parts and thus the
Belastung der Batterie- bzw. Akkumulatorkapazität insbesonde¬ re bei langen Ruhephasen der Schaltungsanordnung vermindert werden kann.Load on the battery or accumulator capacity can in particular be reduced during long periods of rest of the circuit arrangement.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a circuit arrangement according to claim 1.
Erfindungsgemäß ist das Schaltungsteil durch Zwischenschal- tung eines Schalttransistors hoher Einsatzspannung (HV-Tran- sistor) an eine Versorgungsspannung (VDD, VSS) gekoppelt, wobei parallel zum HV-Schalttransistor ein NV-Steuertransistor geschaltet ist.According to the invention, the circuit part is coupled to a supply voltage (VDD, VSS) by interposing a switching transistor with a high threshold voltage (HV transistor), an NV control transistor being connected in parallel with the HV switching transistor.
Die Erfindung ermöglicht durch den Einsatz von Transistoren mit hoher und niederer Einsatzspannung eine Reduzierung des Leckstromes von Schaltungen und Schaltungsteilen bestehend aus Transistoren niedriger Einsatzspannung (NV-Transistoren) , wobei die erfindungsgemäße Lösung gegenüber den vorbekannten Maßnahmen folgende Vorteile besitzt:By using transistors with high and low threshold voltages, the invention enables the leakage current of circuits and circuit parts consisting of transistors with low threshold voltages (LV transistors) to be reduced, the solution according to the invention having the following advantages over the previously known measures:
- Es ist der Erhalt von Daten in den speichernden Elementen der Schaltungsteile gewährleistet, ohne daß Vorkehrungen bei den speichernden Schaltungsteilen erforderlich werden, und- The preservation of data in the storage elements of the circuit parts is guaranteed without precautions being required in the storage circuit parts, and
- ohne daß mehrere Versorgungsspannungen und/oder Versor- gungsspannungsregelungen benötigt werden.- Without multiple supply voltages and / or supply voltage regulations being required.
Das Umschalten vom aktiven Modus in den Standby-Modus erfolgt hierbei durch digitale Steuersignale, wobei die erfindungsgemäßen Maßnahmen von Vorteil auch für die Schaltungsteile selbst anwendbar sind.Switching from the active mode to the standby mode takes place here using digital control signals, the measures according to the invention also being advantageously applicable to the circuit parts themselves.
Weitere zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung darge¬ stellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:Further expedient developments of the invention result from the subclaims. The invention is based in the drawing Darge further explained ¬ imputed embodiments. The schematic diagrams show in detail:
Figur 1A eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;Figure 1A shows a circuit arrangement according to the invention according to a first embodiment;
Figur 1B einen schematischen zeitlichen Kurvenverlauf der Versorgungsspannung VDDL der Schaltungsanordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;FIG. 1B shows a schematic curve over time of the supply voltage VDDL of the circuit arrangement according to the first exemplary embodiment;
Figur 2A eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;Figure 2A shows a circuit arrangement according to the invention according to a second embodiment;
Figur 2B einen schematischen zeitlichen Kurvenverlauf derFIG. 2B shows a schematic course of the curve over time
Versorgungsspannungen VDDL und VSSL der Schaltungsanordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;Supply voltages VDDL and VSSL of the circuit arrangement according to the second exemplary embodiment;
Figur 3A eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;Figure 3A shows a circuit arrangement according to the invention according to a third embodiment;
Figur 3B einen schematischen zeitlichen Kurvenverlauf derFIG. 3B shows a schematic course of the curve over time
Versorgungsspannungen VDDL und VSSL der Schaltungs- anordnung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel;Supply voltages VDDL and VSSL of the circuit arrangement according to the third exemplary embodiment;
Figur 4A eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;FIG. 4A shows a circuit arrangement according to the invention in accordance with a fourth exemplary embodiment;
Figur 4B einen schematischen zeitlichen Kurvenverlauf derFIG. 4B shows a schematic course of the curve over time
Versorgungsspannungen VDDL und VSSL der Schaltungsanordnung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel;Supply voltages VDDL and VSSL of the circuit arrangement according to the fourth embodiment;
Figur 5A eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß ei- nem fünften Ausführungsbeispiel; Figur 5B einen schematischen zeitlichen Kurvenverlauf derFIG. 5A shows a circuit arrangement according to the invention in accordance with a fifth exemplary embodiment; FIG. 5B shows a schematic course of the curve over time
VersorgungsSpannungen VDDL und VSSL der Schaltungsanordnung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel; undSupply voltages VDDL and VSSL of the circuit arrangement according to the fifth embodiment; and
Figur 6 eine schematische Kurvendarstellung des PMOS-Leck- stromes gegenüber der Versorgungsspannung Vds .FIG. 6 shows a schematic diagram of the PMOS leakage current versus the supply voltage Vds.
Bei den im Folgenden anhand der Figuren erläuterten Ausfüh- rungsbeispiele der Erfindung bezeichnen gleiche Bezugsziffern gleiche Schaltungsbestandteile. Im Folgenden werden Transistoren mit hoher Einsatzspannung (d.h. Einsatzspannungen Vth von etwa 0,4 V bis etwa 0,6 V) als HV-Transistoren (Hoch-Vth- Transistoren) bezeichnet, diejenigen mit niedriger Einsatz- Spannung als NV-Transistoren (Νieder-Vth-Transistoren) . Die dargestellten Ausführungsbeispiele stellen schematische Beispielschaltungen dar, die anhand von Simulationen überprüft wurden, wobei die speichernden Schaltungsteile und die kombinatorischen Schaltungsteile jeweils zusammenfassend als Blockschaltungen bezeichnet sind, die an lokalen Versorgungs- spannungsleitungen VDDL und/oder VSSL hängen. Sämtliche Transistoren in diesen zu dem genannten Block zusammengefassten speichernden und kombinatorischen Schaltungsteilen besitzen eine niedrige Einsatzspannung von IowVthn, IowVthp ~ 0,25 Volt für MOS- bzw. PMOS-Transistoren. Für die Schalttrani- storen werden HV-Transistoren mit den Einsatzspannungen highVthn, highVthp ~ 0,5 Volt eingesetzt.In the exemplary embodiments of the invention explained below with reference to the figures, the same reference numbers denote the same circuit components. In the following, transistors with a high threshold voltage (ie threshold voltages Vth from approximately 0.4 V to approximately 0.6 V) are referred to as HV transistors (high Vth transistors), those with a low threshold voltage as NV transistors (enieder- Vth transistors). The exemplary embodiments shown represent schematic example circuits which have been checked on the basis of simulations, the storage circuit parts and the combinatorial circuit parts each being referred to collectively as block circuits which are connected to local supply voltage lines VDDL and / or VSSL. All the transistors in these storing and combinatorial circuit parts combined to form the block mentioned have a low threshold voltage of IowVthn, IowVthp ~ 0.25 volts for MOS or PMOS transistors. HV transistors with the threshold voltages highVthn, highVthp ~ 0.5 volts are used for the switching transistors.
Bei dem zu jedem Ausführungsbeispiel dargestellten Spannungs- verlauf von VDDL und VSSL reicht die aktive Phase bis 0,5 μs, danach beginnt eine Stand By-Phase, die bis zum Zeitpunkt 65 μs andauert. Daran anschließend beginnt eine weitere aktive Phase. 7 Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen sind die folgenden Anschlüsse einheitlich wie folgt bezeichnet:In the case of the VDDL and VSSL voltage curve shown for each exemplary embodiment, the active phase extends to 0.5 μs, after which a stand-by phase begins, which lasts up to 65 μs. This is followed by another active phase. 7 In all of the exemplary embodiments, the following connections are uniformly designated as follows:
1 Schaltungsblock 2 speichernder Schaltungsteil1 circuit block 2 storing circuit part
3 kombinatorischer Schaltungsteil3 combinatorial circuit part
4 Dateneingang (datain)4 data input (datain)
5 Takteingang (clock)5 clock input (clock)
6 Ausgang des kombinatorischen Schaltungsteiles 3 7, 11 Hochspannung Substrat6 output of the combinatorial circuit part 3 7, 11 high voltage substrate
8, 12 Wannenspannung8, 12 pan tension
9, 13 Niederspannung Substrat9, 13 low voltage substrate
10, 14 Substratspannung10, 14 substrate tension
15 Datenausgang des speichernden Schaltungsteiles 2 16 Eingang des kombinatorischen Schaltungsteiles 315 Data output of the storing circuit part 2 16 Input of the combinatorial circuit part 3
17, 18 Steuersignale, Schalttransistoren17, 18 control signals, switching transistors
MPl, MN1 Schalttransistoren hoher Einsatzspannung (HV-Transistoren)MPl, MN1 switching transistors with high threshold voltage (HV transistors)
MNH1, MPH1 Steuertransistoren niedriger Einsatzspannung (NV-Steuertransistoren) .MNH1, MPH1 control transistors low threshold voltage (NV control transistors).
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1A ist in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung parallel zu dem HV-PMOS- Schalttranisstor MPl ein V-NMOS-Transistor MNH1 geschaltet, dessen Gate 19 mit der globalen Versorgungsspannung VDD angesteuert ist. Der NV-Transistor MNH1 stellt damit eine dem HV- Schalttransistor MPl parallel geschaltete Diode dar, bestehend aus einem NV-Transistor MNH1 entgegengesetzter Polarität. Im aktiven Zustand der Schaltungsanordnung ist der Tran- sistor MPl leitend, die lokale Versorgungsspannungsleitung VDDL liegt auf der Versorgungsspannung VDD. Wird der Transistor MPl geschlossen, sinkt aufgrund der höheren Leckströme der NV-Transistoren der Schaltungsteile 2 und 3 in dem Block 1 das Potential von VDDL ab (Fig. IB) . Erreicht das Potential von VDDL den Wert VDD - IowVthn*, beginnt der Transistor MNH1 Strom zu leiten. Dadurch wird das Potential VDDL auf diesen Wert gehalten, wodurch die speichernden Schaltungsteile 2 ihre Daten halten können. Der Wert IowVthn* ist die durch den Substratsteuereffekt erhöhte Einsatzspannung der NV-Transis- toren, da das Substrat auf einem tieferen Potential als der Source-Knoten des Transistors MΝH1 liegt.In the exemplary embodiment according to FIG. 1A, in the circuit arrangement according to the invention, a V-NMOS transistor MNH1 is connected in parallel to the HV-PMOS switching transistor gate MPl, the gate 19 of which is driven by the global supply voltage VDD. The NV transistor MNH1 thus represents a diode connected in parallel with the HV switching transistor MPl, consisting of an NV transistor MNH1 of opposite polarity. When the circuit arrangement is active, the transistor MP1 is conductive, the local supply voltage line VDDL is at the supply voltage VDD. If the transistor MPl is closed, the potential of VDDL drops in FIG. 1 due to the higher leakage currents of the NV transistors of the circuit parts 2 and 3 (FIG. IB). If the potential of VDDL reaches the value VDD - IowVthn *, the transistor MNH1 begins To conduct electricity. As a result, the potential VDDL is kept at this value, as a result of which the storing circuit parts 2 can hold their data. The value IowVthn * is the threshold voltage of the low voltage transistors which is increased by the substrate control effect, since the substrate is at a lower potential than the source node of the transistor MΝH1.
Die Reduzierung des Leckstromes ergibt sich aus dessen Abhängigkeit von der Drain-Source-Spannung. Dieser Sachverhalt ist in Figur 6 anhand von Messergebnissen dargestellt, wobei nach rechts die Source-Drain-Spannung Vds, und nach oben der PMOS- Leckstrom (Einsatzspannung Vth = 0,2 V) aufgetragen ist. Wird die Source-Drain-Spannung Vds von 1 Volt auf beispielsweise 0,5 Volt reduziert, nimmt der Leckstrom um ca. 70 % ab. Dies bedeutet, daß die Spannungsversorgung nicht den Leckstrom des Blockes 1 im Betriebszustand (bei 1 Volt) liefern muss, sondern nur einen auf ein Drittel reduzierten Leckstrom. Liegt die Drain-Source-Spannung Vds noch niedriger, ist eine deutlichere Reduzierung möglich.The reduction of the leakage current results from its dependence on the drain-source voltage. This situation is shown in FIG. 6 on the basis of measurement results, the source-drain voltage Vds being plotted on the right and the PMOS leakage current (threshold voltage Vth = 0.2 V) being plotted on the right. If the source-drain voltage Vds is reduced from 1 volt to 0.5 volt, for example, the leakage current decreases by approximately 70%. This means that the voltage supply does not have to supply the leakage current of block 1 in the operating state (at 1 volt), but only a leakage current reduced to one third. If the drain-source voltage Vds is even lower, a more pronounced reduction is possible.
Bei der Schaltungsanordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbei- spiel nach Figur 2A, bei der innerhalb der Schaltungsanordnung das Wannenpotential von der Spannungsversorgung VDDL getrennt geführt wird und mit VDD verbunden ist, ist über die Vds-Abhängigkeit hinaus eine weitere Reduzierung des Leckstromes möglich. Im aktiven Zustand der Schaltungsanordnung nach Figur 2A sind die Transistoren MPl und MΝ1 leitend, die Potentialleitungen VDDL und VSSL liegen auf den Potentialen VDD bzw. VSS. Wird der Transistor MPl geschlossen, sinkt auf- grund der höheren Leckströmung der NV-Transistoren des Blok- kes 1 das Potential von VDDL ab (Fig. 2B) . Erreicht das Potential von VDDL den Wert VDD - IowVthn* , beginnt der Transistor MΝH1, Strom zu leiten. Gleiches trifft für das Potential VSSL zu: Erreicht das Potential VSS den Wert VSS + IowVthp* = IowVthp (wegen VSS = 0) , beginnt der Transistor MPH1 zu lei- 9 ten. Dadurch werden die Potentiale VDDL und VSSL auf dieseIn the circuit arrangement according to the second exemplary embodiment according to FIG. 2A, in which the well potential is conducted separately from the voltage supply VDDL and is connected to VDD within the circuit arrangement, a further reduction in the leakage current is possible in addition to the Vds dependency. In the active state of the circuit arrangement according to FIG. 2A, the transistors MPl and MΝ1 are conductive, the potential lines VDDL and VSSL are at the potentials VDD and VSS. If the transistor MP1 is closed, the potential of VDDL drops due to the higher leakage current of the NV transistors of block 1 (FIG. 2B). If the potential of VDDL reaches the value VDD - IowVthn *, the transistor MΝH1 begins to conduct current. The same applies to the potential VSSL: If the potential VSS reaches the value VSS + IowVthp * = IowVthp (because of VSS = 0), the transistor MPH1 begins to conduct 9 th. The potentials VDDL and VSSL on this
Werte gehalten, wodurch speichernde Schaltungsteile 2 ihre Daten halten können. Die Werte IowVthn* und IowVthp* sind die durch den Substratsteuereffekt erhöhten Einsatzspannungen der NV-Transistoren (Wanne und Substrat liegen auf einem höheren bzw. tieferen Potential als die jeweiligen Source-Knoten) . Auch hier ist die Drain-Source-Spannung für die geschlossenen Transistoren in den Schaltungsteilen 2 und 3 auf deutlich unterhalb von VDD reduziert, was einen niedrigeren Leckstrom zur Folge hat. Gleichzeitig erfolgt eine Erhöhung der effektiven Einsatzspannung der NV-Transistoren im Block 1, da das Substratpotential und das Wannenpotential auf VSS bzw. VDD verbleiben. Diesem entspricht, allerdings ohne zusätzliche Spannungsquelle, einem Vorspannen von Substrat (Back-Biasing) und Wanne. Die dadurch erhöhte Einsatzspannung führt zu einer weiteren Reduzierung der Leckströme der Schaltungsteile 2 und 3, welcher von der Spannungsversorgung VDD geliefert wird. Anhand von Simulationen konnte eine Reduktion des Leckstromes auf 1/15 im Vergleich zu 1 Volt festgestellt werden.Values held, whereby storing circuit parts 2 can hold their data. The values IowVthn * and IowVthp * are the threshold voltages of the NV transistors which are increased due to the substrate control effect (well and substrate are at a higher or lower potential than the respective source nodes). Here too, the drain-source voltage for the closed transistors in the circuit parts 2 and 3 is reduced to significantly below VDD, which results in a lower leakage current. At the same time, the effective threshold voltage of the NV transistors in block 1 is increased, since the substrate potential and the well potential remain at VSS and VDD, respectively. This corresponds, however, without an additional voltage source, a pretensioning of the substrate (back-biasing) and trough. The thereby increased threshold voltage leads to a further reduction in the leakage currents of the circuit parts 2 and 3, which is supplied by the voltage supply VDD. Using simulations, the leakage current was reduced to 1/15 compared to 1 volt.
Figur 3A zeigt ein modifiziertes, drittes Ausführungsbei- spiel, bei dem gegenüber dem vorstehend erläuterten zweiten Ausführungsbeispiel lediglich ein (Zahlwort) HV-Schalttran- sistor MΝ1 mit einem als Diode parallel geschalteten NV- Transistor MPH1 zum Einsatz gelangt. Der Vorteil hier liegt darin, daß sich der Flächenbedarf aufgrund des Schalttransistors MΝ1 und des "Diodentransistors" MPH1 gegenüber den vorgenannten Ausführungsbeispielen halbiert. In diesem Fall tritt nur bei den Ν-Kanal-NV-Transistoren der Schaltungsteile 2 und 3 des Blockes 1 eine Erhöhung der Einsatzspannung durch den Substratsteuereffekt ein. Bei den sperrenden P-Kanal-NV- Transistoren ergibt sich eine Reduzierung der Leckströme nur durch die niedrigere Drain-Source-Spannung. Anhand von Simulationen konnte eine Reduktion des Leckstromes auf 1/10 im Vergleich zu 1 Volt festgestellt werden. Fig. 3B zeigt den 10 Verlauf von VDDL und VSSL während einer Standby-Phase,FIG. 3A shows a modified, third exemplary embodiment, in which only one (number word) HV switching transistor MΝ1 with an NV transistor MPH1 connected in parallel as a diode is used in comparison with the second exemplary embodiment explained above. The advantage here is that the area requirement is halved due to the switching transistor MΝ1 and the "diode transistor" MPH1 compared to the aforementioned embodiments. In this case, only in the Ν-channel low-voltage transistors of circuit parts 2 and 3 of block 1 does the threshold voltage increase due to the substrate control effect. In the case of the blocking P-channel NV transistors, the leakage currents are only reduced by the lower drain-source voltage. Using simulations, the leakage current was reduced to 1/10 compared to 1 volt. 3B shows the 10 course of VDDL and VSSL during a standby phase,
Bei den vorgenannten Ausführungsbeispielen werden als Dioden geschaltete NV-Transistoren entgegengesetzter Polarität (ge- genüber den HV-Schalttransistoren) verwendet. Dies führt zur Absenkung bzw. Anhebung des Potentials von VDDL bzw. VSSL um IowVthp* bzw. IowVthn* , den mittels Substratsteuereffekt höheren Einsatzspannungen der NV-Transistoren . Von Vorteil ist jedoch ebenso möglich, den HV-Schalttransistoren als Dioden geschaltete NV-Transistoren gleicher Polarität parallel zu schalten. Dieser Fall ist als viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Figur 4A dargestellt. Bei der Schaltungsanordnung nach Figur 4A wird das Potential von VDDL und VSSL um IowVthp bzw. IowVthn verschoben, d.h. um die Einsatzspannun- gen der NV-Transistoren mit Substrat- und Wannenpotential von VSS bzw. VDD (kein Substratsteuereffekt bei MΝH1 und MPHl) . Fig. 4B zeigt den Verlauf von VDDL und VSSL während einer Standby-Phase .In the aforementioned exemplary embodiments, NV transistors of opposite polarity (compared to the HV switching transistors) connected as diodes are used. This leads to the lowering or raising of the potential of VDDL or VSSL by IowVthp * or IowVthn *, the higher threshold voltages of the NV transistors due to the substrate control effect. However, it is also advantageous to connect the HV switching transistors as diodes-connected NV transistors of the same polarity in parallel. This case is shown as the fourth exemplary embodiment of the invention in FIG. 4A. In the circuit arrangement according to FIG. 4A, the potential of VDDL and VSSL is shifted by IowVthp and IowVthn, i.e. the operating voltages of the NV transistors with substrate and well potential of VSS or VDD (no substrate control effect with MΝH1 and MPHl). 4B shows the course of VDDL and VSSL during a standby phase.
Für den Fall, daß eine Verschiebung von VDDL und VSSL umIn the event that a shift of VDDL and VSSL by
IowVthp bzw. IowVthn wie bei vorstehendem Ausführungsbeispiel erläutert nicht ausreicht, d.h. die Source-Drain-Spannung der NV-Transistoren im Block 1 ist noch zu hoch, bietet das fünfte Ausführungsbeispiel nach Figur 5A folgende Lösung: Durch eine Reihenschaltung von als Dioden geschalteten NV-Transistoren (mit gegenüber den HV-Transistoren gleicher Polarität) wird das Potential von VDDL und VSSL um die entsprechende Vielfache von IowVthp bzw. IowVthn verschoben. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 5A sind hierzu jeweils zwei ΝV-Transistoren MPHl, MPH2 bzw. MΝH1 und MΝH2 parallel zu den Schalttransistoren MPl bzw. MN1 geschaltet. Fig. 5B zeigt wiederum den Verlauf von VDDL und VSSL während einer Standby- Phase. IowVthp or IowVthn as explained in the above embodiment is not sufficient, i.e. The source-drain voltage of the NV transistors in block 1 is still too high, the fifth exemplary embodiment according to FIG. 5A offers the following solution: This is achieved by connecting NV transistors connected in series as diodes (with the same polarity as the HV transistors) Potential of VDDL and VSSL shifted by the corresponding multiple of IowVthp and IowVthn, respectively. In the embodiment according to FIG. 5A, two ΝV transistors MPH1, MPH2 or MΝH1 and MΝH2 are connected in parallel to the switching transistors MPl and MN1. 5B again shows the course of VDDL and VSSL during a standby phase.

Claims

11 Patentansprüche 11 claims
1. Schaltungsanordnung mit aus Transistoren niedriger Einsatzspannung (NV-Transistoren) bestehenden Schaltungsteilen (2, 3), bei der zur Reduzierung des Leckstromes der Schaltungsteile (2, 3) die Schaltungsteile durch Zwischenschaltung eines Schalttransistors (MPl, MNl) hoher Einsatzspannung an eine Versorgungsspannung (VDD, VSS) gekoppelt sind, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß parallel zum Schalttransistor (MPl, MNl) hoher Einsatzspannung ein Steuertransistor (MNHl, MPHl) niedriger Einsatzspannung geschaltet ist.1.Circuit arrangement with circuit parts (2, 3) consisting of transistors with a low threshold voltage (NV transistors), in which, in order to reduce the leakage current of the circuit parts (2, 3), the circuit parts by interposing a switching transistor (MPl, MNl) high threshold voltage to a supply voltage (VDD, VSS) are coupled, characterized in that a control transistor (MNHl, MPHl) low threshold voltage is connected in parallel with the switching transistor (MPl, MNl) of high threshold voltage.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß auch die andere Versorgungsspannung (VSS, VDD) durch einen zu einem Schalttransistor (MNl, MPl) hoher Einsatzspannung parallel geschalteten Steuertransistor (MPHl, MNHl) niedriger Einsatzspannung mit den Schaltungsteilen verbunden ist.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the other supply voltage (VSS, VDD) is also connected to the circuit parts by a control transistor (MPHl, MNHl) of low switching voltage connected in parallel with a switching transistor (MNl, MPl).
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schalttransistoren (MPl, MNl) hoher Einsatzspannung und die Steuertransistoren (MNHl, MPHl) niedriger Einsatzspannung entgegengesetzte Polarität besitzen.3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized g e k e n n z e i c h n e t that the switching transistors (MPl, MNl) high threshold voltage and the control transistors (MNHl, MPHl) low threshold voltage have opposite polarity.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schaltungsteile einen aktiven und einen passiven ("Standby") -Betriebszustand besitzt, und das Umschalten zwischen den beiden Betriebszuständen durch digitale Steuersignale erfolgt. 124. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the circuit parts have an active and a passive ("standby") operating state, and the switching between the two operating states is carried out by digital control signals. 12
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß mehrere Steuertransistoren niedriger Einsatzspannung (MNHl, MNH2, MNP1, MNP2) gleicher Polarität einem Schalttran- sistor (MPl, MNl) hoher Einsatzspannung parallel geschaltet sind.5. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that several control transistors of low threshold voltage (MNHl, MNH2, MNP1, MNP2) of the same polarity are connected in parallel to a switching transistor (MPl, MNl) of high threshold voltage.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Schaltungsteil (2, 3) in einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, und das Halbleitersubstrat und sämtliche in dem Halbleitersubstrat ausgebildeten Wannenbereiche mit den lokalen Versorgungsspannungen (VSSL bzw. VDDL) gekoppelt sind (Fig. 1A) .6. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the circuit part (2, 3) is formed in a semiconductor substrate, and the semiconductor substrate and all well regions formed in the semiconductor substrate are coupled to the local supply voltages (VSSL or VDDL) (Fig. 1A).
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Schaltungsteil (2, 3) in einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, und die in dem Halbleitersubstrat ausgebil- deten Wannenbereiche mit einer globalen Versorgungsspannung (VSS bzw. VDD) gekoppelt sind (Fig. 2A bis Fig. 5A) . 7. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the circuit part (2, 3) is formed in a semiconductor substrate, and the well regions formed in the semiconductor substrate are coupled to a global supply voltage (VSS or VDD) ( 2A to 5A).
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