JP2014066528A - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2014066528A JP2014066528A JP2012210071A JP2012210071A JP2014066528A JP 2014066528 A JP2014066528 A JP 2014066528A JP 2012210071 A JP2012210071 A JP 2012210071A JP 2012210071 A JP2012210071 A JP 2012210071A JP 2014066528 A JP2014066528 A JP 2014066528A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- node
- temperature measurement
- semiconductor device
- temperature
- potential
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
【課題】高い精度で温度を測定できる温度測定回路を備えた半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置が温度測定回路10を備えている。温度測定回路10は、電流生成素子(MP1)と、キャパシタ12と、帰還ループ(MN2、MP3)と、検知部(13、14)とを具備する。電流生成素子(MP1)は、ノードN11に流れ込む検知電流を生成する。ここで電流生成素子(MP1)は、検知電流が電流生成素子(MP1)の温度に対応する電流レベルを有するように構成されている。キャパシタ12は、ノードN11に一端が接続されている。帰還ループ(MN2、MP3)は、ノードN11の電位の変化を増幅するようにノードN11に対してフィードバックを行うように構成されている。検知部(13、14)は、ノードN11の電位に応答して、温度に対応する測定温度信号STMPを生成する。
【選択図】図3
【解決手段】半導体装置が温度測定回路10を備えている。温度測定回路10は、電流生成素子(MP1)と、キャパシタ12と、帰還ループ(MN2、MP3)と、検知部(13、14)とを具備する。電流生成素子(MP1)は、ノードN11に流れ込む検知電流を生成する。ここで電流生成素子(MP1)は、検知電流が電流生成素子(MP1)の温度に対応する電流レベルを有するように構成されている。キャパシタ12は、ノードN11に一端が接続されている。帰還ループ(MN2、MP3)は、ノードN11の電位の変化を増幅するようにノードN11に対してフィードバックを行うように構成されている。検知部(13、14)は、ノードN11の電位に応答して、温度に対応する測定温度信号STMPを生成する。
【選択図】図3
Description
本発明は、半導体装置に関し、特に、半導体装置の内部で流れる電流の温度依存性を利用して温度を測定する温度測定回路を備えた半導体装置に関する。
ある種の半導体装置では、半導体チップに集積化された温度測定回路を用いて該半導体チップの温度を測定し、測定された温度に応答して半導体チップに集積化された回路を制御する技術が用いられる。例えば、半導体チップの温度に応答して電源電圧を制御する技術が用いられることがある。
これは、高集積化、微細化が進むにつれ、それまでは誤動作の支配的な要因ではなかった半導体チップの温度変化に伴う動作マージンの縮小、例えば電流増加による内部電位の降下、内部スキュー変動によるデータの誤ラッチ等が無視できなくなってきているからである。このような背景から、温度測定回路を用いて半導体チップの温度をモニタし、温度変化による動作マージン縮小を相殺、抑制するような機能、例えば、温度に応答して電源電圧を制御する機能を持たせることで、動作マージンを確保する技術を確立することが求められている。半導体チップに集積化された温度測定回路は、例えば、下記の特許文献1〜6に開示されている。
温度測定回路に求められる一つの要求は、高い精度で温度を測定できることである。しかしながら、発明者の検討によれば、上記の特許文献に記載された温度測定回路、特に、温度依存性がある電流を容量素子に充電し、該容量素子の電圧上昇を利用して温度に対応する信号を生成する形式の温度測定回路(特許文献1、2)には、温度測定の精度に改良の余地がある。従来技術には、高い精度で温度を測定するというニーズに十分に対応できないという課題がある。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
一実施形態では、半導体装置が温度測定回路を備えている。温度測定回路は、電流生成素子と、容量素子と、帰還ループと、検知部とを具備する。電流生成素子は、第1ノードに流れ込み、又は、第1ノードから引き出される検知電流を生成する。ここで電流生成素子は、検知電流が電流生成素子の温度に対応する電流レベルを有するように構成されている。容量素子は、第1ノードに一端が接続されている。帰還ループは、第1ノードの電位の変化を増幅するように第1ノードに対してフィードバックを行うように構成されている。検知部は、第1ノードの電位に応答して、温度に対応する測定温度信号を生成する。
他の実施形態では、半導体装置が温度測定回路を備えている。温度測定回路は、電流生成素子と、容量素子と、第1導電型の第1MOSトランジスタと、該第1導電型とは逆の第2導電型の第2MOSトランジスタと、検知部とを具備する。電流生成素子は、第1ノードに流れ込み、又は、第1ノードから引き出される検知電流を生成する。ここで電流生成素子は、検知電流が電流生成素子の温度に対応する電流レベルを有するように構成されている。容量素子は、第1ノードに一端が接続されている。第1MOSトランジスタは、第1ノードにゲートが接続され、第2ノードにドレインが接続されている。第2MOSトランジスタは、第2ノードにゲートが接続され、第1ノードにドレインが接続されている。検知部は、第2ノードの電位に応答して、温度に対応する測定温度信号を生成する。
上記実施形態によれば、高い精度で温度を測定できる温度測定回路を備えた半導体装置を提供することができる。
以下に述べられる本実施形態の温度測定回路の技術的意義の理解を容易にするために、まず、温度依存性がある電流を容量素子に充電し、該容量素子の電圧上昇を利用して温度に対応する信号を生成する形式の温度測定回路について説明する。図1は、このような構成の温度測定回路200の回路構成の例を示す回路図である。なお、図1の構成の温度測定装置は、特許文献1(国際公開WO2009/084352)に開示されている。
図1の温度測定回路200は、キャパシタ202、インバータ204、205、カウンタ207及びスイッチ208を備えている。また、電流源として、PMOSトランジスタ201を備えている。PMOSトランジスタ201は、そのゲートがソースに接続されており、オフトランジスタとして機能する。図1の温度測定回路200は、PMOSトランジスタ201のオフリーク電流がキャパシタ202に充電され、キャパシタ202の電圧上昇を利用して温度に対応する信号を生成するように構成されている。
図2は、図1の温度測定回路200の動作を示すタイミングチャートである。温度を測定していないとき、制御信号が非活性化される。制御信号の非活性化に応答してスイッチ208がオンされ、キャパシタ202の電荷が接地に放電される。これにより、ノード203は接地電位(VSS)になっている。一方、制御信号の非活性化に応答して、カウンタ207の動作は停止されている。
制御信号が活性化されると、温度の測定が開始される。制御信号の活性化に応答してスイッチ208はオフにされ、ノード203は接地から切り離される。この状態では、電流源であるPMOSトランジスタ201のオフリーク電流でキャパシタ202が充電される。キャパシタ202のノード203の電位がインバータ204のNMOSトランジスタの閾値に達するとインバータ204およびインバータ205の出力信号がそれぞれ反転し、ノード206の電位がHighレベルとなる。カウンタ207は、制御信号が活性化されて以後、ノード206がLowレベルに維持されている時間(即ち、ノード206の電位がHighレベルになるまでの時間)をカウントする。カウンタ207のカウント値に対応する信号が、温度に対応する出力信号として外部に出力される。
図2に図示されている回路動作における一つの問題は、量子化ノイズによりノード206の電位が安定しない時間が長いことである。ノード203の電位が上昇してインバータ204のNMOSトランジスタの閾値を超えた直後には、ノード203の電位は、インバータ204のPMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタの両方が活性化するような電位(しばしば、中間電位と呼ばれる)になる。ノード203が中間電位にある場合には、ノード206の電位が安定しない状態、言い換えれば、ノード206に量子化ノイズが発生した状態になる。量子化ノイズの発生時間と程度によっては長時間、カウンタ207がカウントの終了と再開を繰り返すことになる。図2では、カウンタ207のカウント値が「11」から「13」まで変化する期間が、量子化ノイズが発生している時間に相当する。量子化ノイズが長時間発生していると、カウンタ207の一つのカウンタ値が、より広い温度に対応することになり、温度測定の精度が低下する。
以下で述べられる実施形態では、量子化ノイズによる温度測定の精度の低下を抑制するような、様々な温度測定回路の構成が提示される。
(第1の実施形態)
図3は、第1の実施形態の温度測定回路10の構成を示す回路図である。温度測定回路10は、PMOSトランジスタMP1、MP3、MP4と、NMOSトランジスタMN2と、スイッチ11と、キャパシタ12と、インバータ13と、カウンタ14とを備えている。
図3は、第1の実施形態の温度測定回路10の構成を示す回路図である。温度測定回路10は、PMOSトランジスタMP1、MP3、MP4と、NMOSトランジスタMN2と、スイッチ11と、キャパシタ12と、インバータ13と、カウンタ14とを備えている。
PMOSトランジスタMP1は、そのソースとゲートが電源VDDに共通に接続されており、そのドレインはノードN11に接続されている。PMOSトランジスタMP1は、いわゆるオフトランジスタとして機能する(なお、以下において、符号「VDD」は、電源、及び、該電源によって生成される電源電位の両方を指すために使用される)。PMOSトランジスタMP1を流れるオフリーク電流は、当該PMOSトランジスタMP1の温度、即ち、当該温度測定回路10の温度に依存する。このオフリーク電流が、温度を測定するための検知電流として使用される。
スイッチ11とキャパシタ12とは、ノードN11と接地の間に並列に接続されている。キャパシタ12は、温度測定が行われるときに、PMOSトランジスタMP1を流れるオフリーク電流によって充電され、これにより温度に対応する電圧を生成する容量素子である。スイッチ11は、温度測定を行わないときにノードN11を接地電位にプリチャージする、即ち、キャパシタ12を放電するようにキャパシタ12をプリチャージするプリチャージ回路部として機能する。スイッチ11は、制御信号CTRLに応答して動作する。
NMOSトランジスタMN2は、そのソースが接地に接続され、ゲートがノードN11に接続され、ドレインがノードN12に接続されている。NMOSトランジスタMN2のドレインに接続されたノードN12の電位は、ノードN11の電位、即ち、キャパシタ12の電圧に応答して変化する。一方、PMOSトランジスタMP3は、そのソースが電源VDDに接続され、ゲートがノードN12に接続され、ドレインがノードN11に接続されている。PMOSトランジスタMP3のドレインに接続されたノードN11の電位は、ノードN12の電位に応答して変化する。後述されるように、NMOSトランジスタMN2とPMOSトランジスタMP3とは、ノードN11の電位がNMOSトランジスタMN2の閾値を超えて上昇したときに、ノードN11の電位を更に上昇させるようにノードN11にフィードバックを行う帰還ループを構成している。
PMOSトランジスタMP4は、そのソースが電源VDDに接続され、ドレインがノードN12に接続されている。PMOSトランジスタMP4のゲートには、制御信号CTRLが供給される。PMOSトランジスタMP4は、温度測定が行われないときに、ノードN12の電位を電源電位VDDにプリチャージするプリチャージ回路部として動作する。
インバータ13及びカウンタ14は、ノードN12の電位に応答して(即ち、ノードN11の電位に応答して)、PMOSトランジスタMP1の温度に対応する測定温度信号STMPを生成する検知部として機能する。インバータ13は、その入力がノードN12に接続され、その出力がノードN13に接続されている。インバータ13は、ノードN13を、ノードN12の電位を反転した電位に設定する。カウンタ14は、それに入力されたクロック信号CLKのクロックパルスの数をカウントするように構成されている。カウンタ14の動作は、ノードN13の電位及び制御信号CTRLに応答して制御される。より具体的には、カウンタ14は、制御信号CTRLが非活性化されている状態では非活性化され、カウント動作を行わない。一方、制御信号CTRLが活性化されている状態では、ノードN13の電位に応答してカウント動作を行う。詳細には、制御信号CTRLが活性化されており、且つ、ノードN13の電位がLowレベルである場合、カウンタ14は、その内部で生成されるカウントイネーブル信号をHighレベルに設定し、カウント動作を行う。一方、制御信号CTRLが活性化されていても、ノードN13の電位がHighレベル(電源電位VDD)である場合には、カウントイネーブル信号がLowレベルに設定され、カウンタ14はカウント動作を行わない。カウンタ14は、それに保持されているカウンタ値を示す信号を測定温度信号STMPとして出力する。
続いて、図3に図示されている温度測定回路10の動作について、図4を参照しながら説明する。初期状態(時刻t4)においては、制御信号CTRLが非活性化され(本実施形態では、Lowレベルに設定され)、温度測定回路10は温度測定が行われない状態に設定されている。詳細には、制御信号CTRLの非活性化に応答して、スイッチ11はオンしており、キャパシタ12に接続されたノードN11は接地に接続されてLowレベルを維持している。初期状態では、キャパシタ12は完全に放電され、電荷を蓄積していない。更に、ノードN11がゲートに接続されたNMOSトランジスタMN2はオフされている。また、制御信号CTRLが非活性化されている(即ち、制御信号CTRLがLowレベルに設定されている)ことに応答して、PMOSトランジスタMP4がオンになり、ノードN12は電源電位VDD(Highレベル)にプリチャージされている。フィードバック素子であるPMOSトランジスタMP3は、ノードN12がHighレベルになっていることからオフされる。更に、ノードN12、即ち、インバータ13の入力がHighレベルを維持しているため、インバータ13の出力、即ち、ノードN13は、Lowレベルに維持されている。カウンタ14は、制御信号CTRLの非活性化に応答して、カウント動作を行わない非活性状態になっている。初期状態では、カウンタ14はリセットされており、そのカウント値は0に設定される。
制御信号CTRLが活性化されると(図4においては、時刻t40において制御信号CTRLがLowレベルからHighレベルにプルアップされると)、温度測定回路10が温度を測定する状態に設定される。詳細には、制御信号CTRLの活性化に応答して、スイッチ11及びPMOSトランジスタMP4がオフされる。スイッチ11がオフされることでノードN11が接地から切り離され、PMOSトランジスタMP4がオフされることでノードN12が電源VDDから切り離される。ただし、時刻t40の直後においては、ノードN11は接地電位であり、ノードN12は電源電位VDDである。また、時刻t40の直後においては、ノードN13はLowレベル(接地電位)である。
加えて、制御信号CTRLが活性化されることにより、カウンタ14は、ノードN13の電位に応じてカウント動作を行う状態に設定される。時刻t40の直後においてはノードN13がLowレベルであり、カウンタ14の内部では、ノードN13の電位に応じて内部で生成されるカウントイネーブル信号がHighレベルになる。カウンタ14は、カウントイネーブル信号がHighレベルになったことに応答してカウント動作を開始する。
時刻t40において制御信号CTRLが活性化された後では、PMOSトランジスタMP1のオフリーク電流によってキャパシタ12に電荷が蓄積され、これにより、ノードN11の電位が、長い時間をかけて徐々に上昇する。
やがて時刻t41において、ノードN11の電位がNMOSトランジスタMN2の閾値を超えると、NMOSトランジスタMN2がオンし、ドレインに接続されたノードN12を接地電位(Lowレベル)にプルダウンし始める。加えて、ノードN12のプルダウンに応答して、ノードN12がゲートに接続されているPMOSトランジスタMP3が、ノードN11を電源電位VDD(Highレベル)にプルアップするフィードバック素子として機能し始める。この動作により、ノードN11の電位は、NMOSトランジスタMN2の閾値から電源電位VDDに急速に上昇する。PMOSトランジスタMP3がノードN11をプルアップする動作を開始する時刻にはある程度の不定性があるが、図4の時刻t42は、このプルアップ動作が開始される時刻として想定される最も遅い時刻を示している。
ノードN11の電位が急速に上昇すると、ノードN12の電位が急速に接地電位にプルダウンされ、更に、ノードN13の電位が急速に電源電位VDDにプルアップされる。ノードN13の電位がHighレベルにプルアップされると、カウントイネーブル信号が非活性化され、カウンタ14はカウント動作を停止する。
ノードN11の電位が急速に上昇すると、ノードN12の電位が急速に接地電位にプルダウンされ、更に、ノードN13の電位が急速に電源電位VDDにプルアップされる。ノードN13の電位がHighレベルにプルアップされると、カウントイネーブル信号が非活性化され、カウンタ14はカウント動作を停止する。
最後に時刻t43で、制御信号CTRLが非活性化されると(即ち、Lowレベルになると)、温度を測定しない状態へと戻り、温度測定のシーケンスを終了する。制御信号CTRLが非活性化された時点におけるカウンタ14のカウント値(即ち、カウントイネーブル信号のパルス幅に対応する値)を示す信号が、測定温度信号STMPとして出力される。
ここで、温度測定が行われている間、PMOSトランジスタMP4は、制御信号CTRLがHighレベルであることから、ノードN11の電位と無関係にオフしていることに留意されたい。PMOSトランジスタMP4が制御信号CTRLに応答してオフされる動作によれば、PMOSトランジスタMP4とNMOSトランジスタMN2との両方がオンされることによる貫通電流は発生せず、ノードN12のHighレベルからLowレベルへの遷移が阻害されることはない。図1に図示された温度測定回路200の構成では、インバータ204の入力が中間電位になった時点でPMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタの両方がオンされて貫通電流が発生し、インバータ204、205の出力の遷移が阻害されてしまう。本実施形態の温度測定回路10の回路構成のように、ノードN11にNMOSトランジスタMN2のゲートが接続される一方でPMOSトランジスタのゲートは接続されていない構成は、ノードN12及びノードN13の電位の遷移を阻害しない点で好ましい。
本実施形態の温度測定回路10の利点は、NMOSトランジスタMN2及びPMOSトランジスタMP3で構成される帰還ループでのフィードバック動作により、カウンタ14のカウント動作が停止される時刻の不定性が低減され、温度測定の精度を向上できる点である。当該帰還ループでのフィードバック動作により、ノードN11のNMOSトランジスタMN2の閾値からHighレベルへの遷移が加速され、カウンタ14の入力に接続されたノードN13がHighレベルにもLowレベルにもなりうるような時間(ハッチングで示されている時間)が短縮される。即ち、カウンタ14の入力が不定である時間(バラツキ時間)w42は著しく減少する。結果として、測定温度信号STMPとして出力されるカウンタ値に対応するカウントイネーブル信号のパルス幅のバラツキは、図4に図示されている時間w4からw4+w40(ここで、w40≒w42)の間に抑制され、量子化ノイズが顕著に低減される。このため、温度測定の精度を向上させることができる。
図5は、第1の実施形態の温度測定回路10の変形例を示している。図5の温度測定回路10の構成は、図3の温度測定回路10の構成とほぼ同一であるが、電源VDDとノードN12の間に接続されているPMOSトランジスタMP4のゲートがノードN11に接続されている点で相違する。この場合、NMOSトランジスタMN2とPMOSトランジスタMP4とがインバータとして動作する。
NMOSトランジスタMN2とPMOSトランジスタMP4とがインバータとして動作する図5の温度測定回路10の構成においても、温度測定回路10の動作は本質的には同一である。制御信号CTRLが活性化されてPMOSトランジスタMP1のオフリーク電流によってキャパシタ12が充電され始めると、ノードN11の電位が上昇する。ノードN11の電位がNMOSトランジスタMN2とPMOSトランジスタMP4とで構成されるインバータの閾値電位(該インバータの出力が反転される電位)を超えるとノードN12が接地電位にプルダウンされ、PMOSトランジスタMP3がオンされる。PMOSトランジスタMP3がオンされることにより、ノードN11の電位が急速に電源電位VDDにプルアップされる。ノードN11の電位が急速に電源電位VDDにプルアップされることで、ノードN12の電位が急速に接地電位にプルダウンされ、ノードN13の電位が急速に電源電位VDD(Highレベル)にプルアップされる。カウンタ14は、制御信号CTRLが活性化された後、ノードN13の電位が電源電位VDDにプルアップされるまでの時間に対応するカウント値を示す信号を、測定温度信号STMPとして出力する。
図5の温度測定回路10の構成においても、NMOSトランジスタMN2及びPMOSトランジスタMP3で構成される帰還ループでのフィードバック動作により、ノードN11のNMOSトランジスタMN2の閾値からHighレベルへの遷移が加速される。したがって、図5の構成によっても、カウンタ14のカウント動作が停止される時刻の不定性が低減され、温度測定の精度を向上できる。ここで、図5の温度測定回路10の構成では、図3の構成とは異なり、PMOSトランジスタMP4とNMOSトランジスタMN2との両方がオンされることによる貫通電流が発生するという問題が発生する。しかしながら、図5の温度測定回路10の構成でも、図3の構成と同様に、NMOSトランジスタMN2及びPMOSトランジスタMP3で構成される帰還ループでのフィードバック動作に起因する温度測定の精度の向上の効果は得られる。
図6は、第1の実施形態の温度測定回路10の他の変形例を示している。図6の温度測定回路10の構成は、図3及び図5の温度測定回路10の構成とほぼ同一であるが、スイッチ15が追加的に設けられている点で相違している。スイッチ15は、電源VDDとノードN12の間に接続されているPMOSトランジスタMP4のゲートを、ノードN11又は制御信号CTRLが供給される端子のいずれかに接続する。PMOSトランジスタMP4のゲートの接続先は、外部から供給される選択信号がよって選択されてもよい。その代わりに、スイッチ15の制御端子に、配線により、ノードN11と制御信号CTRLが供給される端子のいずれかを選択するための電圧が固定的に供給されてもよい。
図6の温度測定回路10は、PMOSトランジスタMP4のゲートがスイッチ15によって制御信号CTRLが供給される端子に接続されている場合には、図3の温度測定回路10と同じ動作を行う。一方、PMOSトランジスタMP4のゲートがスイッチ15によってノードN11に接続されている場合には、図5の温度測定回路10と同じ動作を行う。
図6の温度測定回路10においても、NMOSトランジスタMN2及びPMOSトランジスタMP3で構成される帰還ループでのフィードバック動作により、ノードN11のNMOSトランジスタMN2の閾値からHighレベルへの遷移が加速される。したがって、図6の構成によっても、カウンタ14のカウント動作が停止される時刻の不定性が低減され、温度測定の精度を向上できる。
なお、本実施形態では、温度測定回路10の温度に依存する電流を生成するための電流源としてオフトランジスタ(即ち、PMOSトランジスタMP1)が使用されているが、他の素子が用いられてもよい。例えば、オフトランジスタの代わりに、逆方向に接続されたダイオードを用いてもよい。
(第2の実施形態)
図7は、第2の実施形態の温度測定回路20の構成を示す回路図である。第2の実施形態の温度測定回路20は、概略的には、第1の実施形態の温度測定回路10に含まれるPMOSトランジスタをNMOSトランジスタに置き換え、温度測定回路10に含まれるNMOSトランジスタをPMOSトランジスタに置き換えた構成を有している。より具体的には、温度測定回路20は、NMOSトランジスタMN1、MN3、MN4と、PMOSトランジスタMP2と、スイッチ21と、キャパシタ22と、インバータ23と、カウンタ24とを備えている。
図7は、第2の実施形態の温度測定回路20の構成を示す回路図である。第2の実施形態の温度測定回路20は、概略的には、第1の実施形態の温度測定回路10に含まれるPMOSトランジスタをNMOSトランジスタに置き換え、温度測定回路10に含まれるNMOSトランジスタをPMOSトランジスタに置き換えた構成を有している。より具体的には、温度測定回路20は、NMOSトランジスタMN1、MN3、MN4と、PMOSトランジスタMP2と、スイッチ21と、キャパシタ22と、インバータ23と、カウンタ24とを備えている。
NMOSトランジスタMN1は、そのソースとゲートが接地に共通に接続されており、そのドレインはノードN21に接続されている。NMOSトランジスタMN1は、いわゆるオフトランジスタとして機能する。NMOSトランジスタMN1を流れるオフリーク電流は、当該NMOSトランジスタMN1の温度、即ち、当該温度測定回路20の温度に依存する。このオフリーク電流が、温度を測定するための検知電流として使用される。
スイッチ21は、ノードN21と電源VDDの間に接続されており、キャパシタ22は、ノードN21と接地の間に接続されている。スイッチ21は、温度測定を行わないときにノードN21を電源電位VDDにプリチャージし、キャパシタ22を充電するために使用される。キャパシタ22は、温度測定が行われるときに、PMOSトランジスタMP1を流れるオフリーク電流によって放電され、これにより温度に対応する電圧を生成する容量素子である。スイッチ21は、制御信号CTRLに応答して動作する。
PMOSトランジスタMP2は、そのソースが電源VDDに接続され、ゲートがノードN21に接続され、ドレインがノードN22に接続されている。PMOSトランジスタMP2のドレインに接続されたノードN22の電位は、ノードN21の電位、即ち、キャパシタ22の電圧に応答して変化する。一方、NMOSトランジスタMN3は、そのソースが接地に接続され、ゲートがノードN22に接続され、ドレインがノードN21に接続されている。NMOSトランジスタMN3のドレインに接続されたノードN21の電位は、ノードN22の電位に応答して変化する。後述されるように、PMOSトランジスタMP2とNMOSトランジスタMN3とは、ノードN21の電位が、電源電位VDDからPMOSトランジスタMP2の閾値電圧の絶対値を減じた電位よりも低下したときに、ノードN21の電位を更に低下させるようにノードN21にフィードバックを行う帰還ループを構成している。
NMOSトランジスタMN4は、そのソースが電源VDDに接続され、ドレインがノードN22に接続されている。NMOSトランジスタMN4のゲートには、制御信号CTRLの反転信号/CTRLが供給される。NMOSトランジスタMN4は、温度測定が行われないときに、ノードN22の電位を電源電位VDDにプリチャージするプリチャージ回路部として動作する。
インバータ23は、制御信号CTRLがその入力に供給されており、NMOSトランジスタMN4のゲートに供給される反転信号/CTRLを生成する。
カウンタ24は、ノードN22の電位に応答して(即ち、ノードN21の電位に応答して)、NMOSトランジスタMN1の温度に対応する測定温度信号STMPを生成する検知部として機能する。カウンタ24は、それに入力されたクロック信号CLKのクロックパルスの数をカウントするように構成されている。カウンタ24の動作は、ノードN22の電位及び制御信号CTRLに応答して制御される。より具体的には、カウンタ24は、制御信号CTRLが非活性化されている状態では非活性化され、カウント動作を行わない。一方、制御信号CTRLが活性化されている状態では、ノードN22の電位に応答してカウント動作を行う。詳細には、制御信号CTRLが活性化されており、且つ、ノードN22の電位がLowレベルである場合、カウンタ24は、その内部で生成されるカウントイネーブル信号をHighレベルに設定し、カウント動作を行う。一方、制御信号CTRLが活性化されていても、ノードN22の電位がHighレベルである場合には、カウントイネーブル信号がLowレベルに設定され、カウンタ24は、カウント動作を行わない。カウンタ24は、それに保持されているカウンタ値を示す信号を測定温度信号STMPとして出力する。
続いて、図7に図示されている温度測定回路20の動作について、図8を参照しながら説明する。ここで、本実施形態の温度測定回路20は、第1の実施形態の温度測定回路10において各MOSトランジスタの極性が反転された構成を有しているから、本実施形態の温度測定回路20の動作は、本質的には、第1の実施形態の温度測定回路10と同一であることに留意されたい。
初期状態(時刻t8)においては、制御信号CTRLが非活性化され(本実施形態では、Lowレベルに設定され)、温度測定回路20は温度測定が行われない状態に設定されている。詳細には、制御信号CTRLの非活性化に応答して、スイッチ21はオンしており、キャパシタ22に接続されたノードN21は電源VDDに接続されている。即ち、初期状態では、キャパシタ22は電源電位VDDで充電されている。更に、ノードN21がゲートに接続されたPMOSトランジスタMP2はオフされている。また、制御信号CTRLが非活性化されている(即ち、制御信号CTRLの反転信号/CTRLがHighレベルに設定されている)ことに応答して、NMOSトランジスタMN4がオンになり、ノードN22は接地電位(Lowレベル)にプリチャージされている。フィードバック素子であるNMOSトランジスタMN3は、ノードN22がLowレベルになっていることからオフされる。カウンタ24は、制御信号CTRLの非活性化に応答して、カウント動作を行わない非活性状態になっている。初期状態では、カウンタ24はリセットされており、そのカウント値は0に設定される。
制御信号CTRLが活性化されると(図8においては、時刻t80において制御信号CTRLがLowレベルからHighレベルにプルアップされると)、温度測定回路20が温度を測定する状態に設定される。詳細には、制御信号CTRLの活性化に応答してスイッチ21及びNMOSトランジスタMN4がオフされる。スイッチ21がオフされることでノードN21が電源VDDから切り離され、NMOSトランジスタMN4がオフされることでノードN22が接地から切り離される。ただし、時刻t80の直後においては、ノードN21は電源電位VDDであり、ノードN22は接地電位である。
加えて、制御信号CTRLが活性化されることにより、カウンタ24は、ノードN22の電位に応じてカウント動作を行う状態に設定される。時刻t80の直後においてはノードN22がLowレベルであり、カウンタ24の内部では、ノードN22の電位に応じて内部で生成されるカウントイネーブル信号がHighレベルになる。カウンタ24は、カウントイネーブル信号がHighレベルになったことに応答してカウント動作を開始する。
時刻t80において制御信号CTRLが活性化された後では、NMOSトランジスタMN1のオフリーク電流によってキャパシタ22から電荷が放電され、これにより、ノードN21の電位が、長い時間をかけて徐々に低下する。
やがて時刻t81において、ノードN21の電位が電源電位VDDからPMOSトランジスタMP2の閾値電圧の絶対値を減じた電位よりも低くなると、PMOSトランジスタMP2がオンし、ドレインに接続されたノードN22を電源電位VDD(Highレベル)にプルアップし始める。加えて、ノードN22のプルアップに応答して、ノードN22がゲートに接続されているNMOSトランジスタMN3が、ノードN21を接地電位(Lowレベル)にプルダウンするフィードバック素子として機能し始める。この動作により、ノードN21の電位は、電源電位VDDからPMOSトランジスタMP2の閾値電圧の絶対値を減じた電位から接地電位に急速に低下する。NMOSトランジスタMN3がノードN21をプルダウンする動作を開始する時刻にはある程度の不定性があるが、図8の時刻t82は、このプルダウン動作が開始される時刻として想定される最も遅い時刻を示している。
ノードN21の電位が急速に低下すると、ノードN22の電位が急速に電源電位VDDにプルアップされる。ノードN22の電位がHighレベルにプルアップされると、カウントイネーブル信号が非活性化され、カウンタ24はカウント動作を停止する。
ノードN21の電位が急速に低下すると、ノードN22の電位が急速に電源電位VDDにプルアップされる。ノードN22の電位がHighレベルにプルアップされると、カウントイネーブル信号が非活性化され、カウンタ24はカウント動作を停止する。
最後に時刻t83で、制御信号CTRLが非活性化されると(即ち、Lowレベルになると)、温度を測定しない状態へと戻り、温度測定のシーケンスを終了する。制御信号CTRLが非活性化された時点におけるカウンタ24のカウント値(即ち、カウントイネーブル信号のパルス幅に対応する値)を示す信号が、測定温度信号STMPとして出力される。
ここで、温度測定が行われている間、NMOSトランジスタMN4は、制御信号CTRLの反転信号/CTRLがLowレベルであることから、ノードN21の電位と無関係にオフしていることに留意されたい。NMOSトランジスタMN4が制御信号CTRLに応答してオフされる動作によれば、NMOSトランジスタMN4とPMOSトランジスタMP2との両方がオンされることによる貫通電流は発生せず、ノードN22のLowレベルからHighレベルへの遷移が阻害されることはない。
本実施形態の温度測定回路20でも、第1の実施形態の温度測定回路10と同様に、PMOSトランジスタMP2及びNMOSトランジスタMN3で構成される帰還ループでのフィードバック動作により、温度測定の精度を向上することができる。詳細には、該帰還ループでのフィードバック動作により、ノードN21の電源電位VDDからLowレベルへの遷移が加速され、カウンタ24の入力に接続されたノードN22がHighレベルにもLowレベルにもなりうるような時間(ハッチングで示されている時間)が短縮される。即ち、カウンタ24の入力が不定である時間(バラツキ時間)w82は著しく減少する。結果として、測定温度信号STMPとして出力されるカウンタ値に対応するカウントイネーブル信号のパルス幅のバラツキは、図8に図示されている時間w8からw8+w80(ここで、w80≒w82)の間に抑制され、量子化ノイズが顕著に低減される。このため、温度測定の精度を向上させることができる。
図9は、第2の実施形態の温度測定回路20の変形例を示している。図9の温度測定回路20の構成は、図7の温度測定回路20の構成とほぼ同一であるが、接地とノードN22の間に接続されているNMOSトランジスタMN4のゲートがノードN21に接続されている点で相違する。この場合、PMOSトランジスタMP2とNMOSトランジスタMN4とがインバータとして動作する。
PMOSトランジスタMP2とNMOSトランジスタMN4とがインバータとして動作する図9の温度測定回路20の構成においても、温度測定回路20の動作は本質的には図7の温度測定回路20の動作と同一である。制御信号CTRLが活性化されてNMOSトランジスタMN1のオフリーク電流によってキャパシタ22が放電し始めると、ノードN21の電位が低下する。ノードN21の電位が、PMOSトランジスタMP2とNMOSトランジスタMN4とで構成されるインバータの閾値電位(該インバータの出力が反転される電位)よりも低くなるとノードN22が電源電位VDDにプルアップされ、NMOSトランジスタMN3がオンされる。NMOSトランジスタMN3がオンされることにより、ノードN21の電位が急速に接地電位にプルダウンされる。ノードN21の電位が急速に接地電位にプルダウンされることで、ノードN22の電位が急速に電源電位VDDにプルアップされる。カウンタ24は、制御信号CTRLが活性化された後、ノードN22の電位が電源電位VDDにプルアップされるまでの時間に対応するカウント値を示す信号を、測定温度信号STMPとして出力する。
図9の温度測定回路20の構成においても、PMOSトランジスタMP2及びNMOSトランジスタMN3で構成される帰還ループでのフィードバック動作により、ノードN21の電源電位VDDから接地電位(Lowレベル)への遷移が加速される。したがって、図9の構成によっても、カウンタ24のカウント動作が停止される時刻の不定性が低減され、温度測定の精度を向上できる。ここで、図9の温度測定回路20の構成では、図7の構成とは異なり、NMOSトランジスタMN4とPMOSトランジスタMP2との両方がオンされることによる貫通電流が発生するという問題が発生する。しかしながら、図9の温度測定回路20の構成でも、図7の構成と同様に、PMOSトランジスタMP2及びNMOSトランジスタMN3で構成される帰還ループでのフィードバック動作に起因する温度測定の精度の向上の効果は得られる。
図10は、第2の実施形態の温度測定回路20の他の変形例を示している。図10の温度測定回路20の構成は、図7及び図9の温度測定回路20の構成とほぼ同一であるが、スイッチ25が追加的に設けられている点で相違している。スイッチ25は、接地とノードN22の間に接続されているNMOSトランジスタMN4のゲートを、ノードN21又はインバータ23の出力(即ち、制御信号CTRLの反転信号/CTRLが供給される端子)のいずれかに接続する。NMOSトランジスタMN4のゲートの接続先は、外部から供給される選択信号がよって選択されてもよい。その代わりに、スイッチ25の制御端子に、配線により、ノードN21とインバータ23の出力のいずれかを選択するための電圧が固定的に供給されてもよい。
図10の温度測定回路20は、NMOSトランジスタMN4のゲートがスイッチ25によってインバータ23の出力に接続されている場合には、図7の温度測定回路20と同じ動作を行う。一方、NMOSトランジスタMN4のゲートがスイッチ25によってノードN21に接続されている場合には、図9の温度測定回路20と同じ動作を行う。
図10の温度測定回路20においても、PMOSトランジスタMP2及びNMOSトランジスタMN3で構成される帰還ループでのフィードバック動作により、ノードN21の電源電位VDDから接地電位への遷移が加速される。したがって、図10の構成によっても、カウンタ24のカウント動作が停止される時刻の不定性が低減され、温度測定の精度を向上できる。
(温度測定回路の応用例)
図11は、上述の温度測定回路10、20が適用された半導体装置の構成を示すブロック図である。図11の半導体装置は、第1の実施形態の温度測定回路10又は第2の実施形態の温度測定回路20に加え、電源制御回路30、電源回路40、及び、内部回路50を備えている。ここで、温度測定回路10又は20、電源制御回路30、電源回路40、及び、内部回路50は、モノリシックに(即ち、同一の半導体チップに)集積化される。
図11は、上述の温度測定回路10、20が適用された半導体装置の構成を示すブロック図である。図11の半導体装置は、第1の実施形態の温度測定回路10又は第2の実施形態の温度測定回路20に加え、電源制御回路30、電源回路40、及び、内部回路50を備えている。ここで、温度測定回路10又は20、電源制御回路30、電源回路40、及び、内部回路50は、モノリシックに(即ち、同一の半導体チップに)集積化される。
図11の半導体装置では、温度測定回路10又は20によって計測された温度が、内部回路50に供給される内部電源電圧VDD INTの制御に使用される。詳細には、電源制御回路30は、温度測定回路10又は20に供給される制御信号CTRLを生成し、更に、測定温度信号STMPに示された温度に応答して電源回路40を制御する制御信号SCTRLを生成する。電源回路40は、制御信号SCTRLに応答して、内部回路50に供給される内部電源電圧VDD INTを制御する。内部回路50は、内部電源電圧VDD INTで動作する。例えば、温度測定回路10又は20によって測定された温度が高い場合には、内部電源電圧VDD INTを低下し、これにより、内部回路50の発熱を抑制する。これにより、電流増加による内部電位の降下や、内部スキュー変動によるデータの誤ラッチを抑制することができる。一方、温度測定回路10又は20によって測定された温度が低い場合には、内部電源電圧VDD INTを上昇させ、内部回路50の動作速度を速くすることができる。
なお、本実施形態では、温度測定回路20の温度に依存する電流を生成するための電流源としてオフトランジスタ(即ち、NMOSトランジスタMN1)が使用されているが、他の素子が用いられてもよい。例えば、オフトランジスタの代わりに、逆方向に接続されたダイオードを用いてもよい。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
10 :温度測定回路
11 :スイッチ
12 :キャパシタ
13 :インバータ
14 :カウンタ
15 :スイッチ
20 :温度測定回路
21 :スイッチ
22 :キャパシタ
23 :インバータ
24 :カウンタ
25 :スイッチ
30 :電源制御回路
40 :電源回路
50 :内部回路
CLK :クロック信号
CTRL :制御信号
MN1、MN2、MN3、MN4:NMOSトランジスタ
MP1、MP2、MP3、MP4:PMOSトランジスタ
N11、N12、N13、N21、N22:ノード
VDD :電源(電源電位)
STMP :測定温度信号
SCTRL:制御信号
VDD INT:内部電源電圧
200 :温度測定回路
201 :PMOSトランジスタ
202 :キャパシタ
203 :ノード
204 :インバータ
205 :インバータ
206 :ノード
207 :カウンタ
208 :スイッチ
11 :スイッチ
12 :キャパシタ
13 :インバータ
14 :カウンタ
15 :スイッチ
20 :温度測定回路
21 :スイッチ
22 :キャパシタ
23 :インバータ
24 :カウンタ
25 :スイッチ
30 :電源制御回路
40 :電源回路
50 :内部回路
CLK :クロック信号
CTRL :制御信号
MN1、MN2、MN3、MN4:NMOSトランジスタ
MP1、MP2、MP3、MP4:PMOSトランジスタ
N11、N12、N13、N21、N22:ノード
VDD :電源(電源電位)
STMP :測定温度信号
SCTRL:制御信号
VDD INT:内部電源電圧
200 :温度測定回路
201 :PMOSトランジスタ
202 :キャパシタ
203 :ノード
204 :インバータ
205 :インバータ
206 :ノード
207 :カウンタ
208 :スイッチ
Claims (12)
- 温度測定回路を備え、
前記温度測定回路は、
第1ノードに流れ込み、又は、前記第1ノードから引き出される検知電流を生成する電流生成素子であって、前記検知電流が前記電流生成素子の温度に対応する電流レベルを有するように構成された電流生成素子と、
前記第1ノードに一端が接続された容量素子と、
前記第1ノードの電位の変化を増幅するように前記第1ノードに対してフィードバックを行う帰還ループと、
前記第1ノードの電位に応答して、前記温度に対応する測定温度信号を生成する検知部
とを具備する
半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置であって、
前記帰還ループは、
前記第1ノードにゲートが接続され、第2ノードにドレインが接続された第1導電型の第1MOSトランジスタと、
前記第2ノードにゲートが接続され、前記第1ノードにドレインが接続された、前記第1導電型とは逆の第2導電型の第2MOSトランジスタ
とを含む
半導体装置。 - 請求項2に記載の半導体装置であって、
前記第1ノードには、前記第2導電型を有するMOSトランジスタのゲートは接続されていない
半導体装置。 - 請求項3に記載の半導体装置であって、
更に、前記第2ノードをプリチャージする第3MOSトランジスタを備え、
前記プリチャージMOSトランジスタは、前記第2導電型のMOSトランジスタであり、
前記プリチャージMOSトランジスタは、前記温度測定回路による温度測定を制御する制御信号がゲートに供給されており、前記温度測定の開始に応答してプリチャージを停止する
半導体装置。 - 請求項2乃至4のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記第1導電型がN型であり、
前記第2導電型がP型であり、
前記第1MOSトランジスタのソースが接地に接続され、
前記第2MOSトランジスタのソースが電源に接続された
半導体装置。 - 請求項2乃至4のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記第1導電型がP型であり、
前記第2導電型がN型であり、
前記第1MOSトランジスタのソースが電源に接続され、
前記第2MOSトランジスタのソースが接地に接続された
半導体装置。 - 請求項2又は3に記載の半導体装置であって、
更に、
前記第1ノードをプリチャージする第1プリチャージ回路部と、
前記第2ノードをプリチャージする第2プリチャージ回路部と、
を備え、
前記第1及び第2プリチャージ回路部は、前記温度測定回路による温度測定の開始に応答してプリチャージを停止し、
前記検知部は、前記温度測定の開始の停止に応答してカウントを開始し、前記第2ノードの電位に応答してカウンタを停止することで、前記電流レベル測定信号を生成するカウンタを備える
半導体装置。 - 請求項1乃至7のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記電流生成素子が、前記第2導電型を有し、且つ、ゲートがソースに接続されたMOSトランジスタであるオフトランジスタを含む
半導体装置。 - 温度測定回路を備え、
前記温度測定回路は、
第1ノードに流れ込み、又は、前記第1ノードから引き出される検知電流を生成する電流生成素子であって、前記検知電流が前記電流生成素子の温度に対応する電流レベルを有するように構成された電流生成素子と、
前記第1ノードに一端が接続された容量素子と、
前記第1ノードにゲートが接続され、第2ノードにドレインが接続された第1導電型の第1MOSトランジスタと、
前記第2ノードにゲートが接続され、前記第1ノードにドレインが接続された、前記第1導電型とは逆の第2導電型の第2MOSトランジスタと、
前記第2ノードの電位に応答して、前記温度に対応する測定温度信号を生成する検知部
とを具備する
半導体装置。 - 請求項9に記載の半導体装置であって、
前記第1ノードには、前記第2導電型のMOSトランジスタのゲートは接続されていない
半導体装置。 - 請求項10に記載の半導体装置であって、
更に、前記第2ノードをプリチャージする第3MOSトランジスタを備え、
前記プリチャージMOSトランジスタは、前記第2導電型のMOSトランジスタであり、
前記プリチャージMOSトランジスタは、前記温度測定回路による温度測定を制御する制御信号がゲートに供給されており、前記温度測定の開始に応答してプリチャージを停止する
半導体装置。 - 請求項1乃至11のいずれかに記載の半導体装置であって、
更に、
内部回路と、
前記内部回路に内部電源電圧を供給する電源回路と、
前記測定温度信号に応答して前記内部電源電圧を制御する制御信号を前記電源回路に供給する電源制御回路
とを具備する
半導体装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012210071A JP2014066528A (ja) | 2012-09-24 | 2012-09-24 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012210071A JP2014066528A (ja) | 2012-09-24 | 2012-09-24 | 半導体装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014066528A true JP2014066528A (ja) | 2014-04-17 |
Family
ID=50743093
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012210071A Pending JP2014066528A (ja) | 2012-09-24 | 2012-09-24 | 半導体装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2014066528A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021157547A (ja) * | 2020-03-27 | 2021-10-07 | ローム株式会社 | 容量検出回路、入力装置 |
-
2012
- 2012-09-24 JP JP2012210071A patent/JP2014066528A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021157547A (ja) * | 2020-03-27 | 2021-10-07 | ローム株式会社 | 容量検出回路、入力装置 |
JP7337742B2 (ja) | 2020-03-27 | 2023-09-04 | ローム株式会社 | 容量検出回路、入力装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI542153B (zh) | 弛張振盪器 | |
JP5987503B2 (ja) | リング発振器及び半導体装置 | |
JP2010166110A (ja) | 電圧検出回路 | |
JP2014106112A (ja) | 電圧変動検出回路及び半導体集積回路 | |
JP6378003B2 (ja) | 半導体装置、電池監視システム、及び半導体装置の起動方法 | |
JP2010147835A (ja) | パワーオンリセット回路 | |
JP2011050004A (ja) | 半導体装置及び位相検知回路 | |
KR100854452B1 (ko) | 디지털 온도검출기 및 이를 이용한 오실레이터 회로 | |
KR100500928B1 (ko) | 스위칭포인트 감지회로 및 그를 이용한 반도체 장치 | |
KR100950579B1 (ko) | 반도체 집적회로의 파워-업 회로 | |
JP5190767B2 (ja) | モニタ回路およびリソース制御方法 | |
KR101047004B1 (ko) | 입력버퍼 | |
JPWO2009147770A1 (ja) | クロック信号増幅回路 | |
JP2014066528A (ja) | 半導体装置 | |
JP5266156B2 (ja) | 差動増幅器 | |
KR100560298B1 (ko) | 공정조건 또는 전압변동에 관계없이 일정한 지연양을가지는 지연회로 및 그를 이용한 펄스생성회로 | |
KR20080066238A (ko) | 오실레이터 | |
KR100728572B1 (ko) | 반도체 메모리 장치 | |
US8981734B2 (en) | Power source generation circuit and integrated circuit | |
JP2011188361A (ja) | パワーオンリセット回路 | |
KR101719098B1 (ko) | 펄스 폭 측정을 위한 회로 및 방법 | |
JP2006074210A (ja) | 半導体集積回路装置のリセット回路 | |
KR100860976B1 (ko) | 파워업신호 생성장치 | |
KR100940825B1 (ko) | 반도체 집적회로의 파워-업 회로 | |
JP2008066930A (ja) | 発振回路 |