JPWO2005001938A1 - 半導体集積回路 - Google Patents

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Abstract

本発明は、半導体集積回路において、スタンバイ時における昇圧電圧生成回路における電流消費を削減することを目的とする。本発明による半導体集積回路は、外部電源電圧を昇圧して昇圧電圧を生成するポンプ回路と、ポンプ回路が生成する昇圧電圧を検出してポンプ回路の駆動/非駆動を制御する検出回路を含み、検出回路は、昇圧電位と基準電位とを比較する差動増幅器と、差動増幅器に流れるバイアス電流の量をポンプ回路の駆動/非駆動に応じて制御する電流制御回路を含むことを特徴とする。

Description

本発明は、一般に半導体集積回路に関し、詳しくは昇圧電源回路や降圧電源回路等の内部電源回路を備えた半導体集積回路に関する。
一般に半導体集積回路では、外部電源電圧Vddから昇圧電圧Vppや降圧電圧Vii等を生成し内部回路に供給する。例えば半導体記憶装置においては、昇圧電圧Vppはワード線を駆動するため等に用いられ、降圧電圧Viiはメモリコア回路及びその周辺回路で電源電圧として用いられる。昇圧電圧や降圧電圧を生成するためには、昇圧電圧生成回路や降圧電圧生成回路等の電源回路が使用される。
昇圧電圧生成回路は検出回路とポンプ回路とを含み、検出回路が昇圧電圧の下降を検出すると、これに応答してポンプ回路が駆動して昇圧電圧を昇圧する。図1は、検出回路の構成の一例を示す回路図である。
図1の検出回路は、NMOSトランジスタ11乃至13、PMOSトランジスタ14及び15、抵抗16及び17、及びインバータ18を含む。抵抗16及び17は分圧器を構成し、昇圧電圧Vppを電圧分割する。NMOSトランジスタ11乃至13とPMOSトランジスタ14及び15は差動増幅器を構成し、昇圧電圧Vppを分圧した電圧値と基準電圧Vrefとの差に応じた電圧をインバータ18に供給する。インバータ18の出力pump_onはポンプ回路に供給される。昇圧電圧Vppが下降すると、昇圧電圧Vppを分圧した電圧値が基準電圧Vrefよりも小さくなり、インバータ18の入力がLOWになる。これにより出力pump_onがHIGHとなり、これに応答してポンプ回路が駆動し、昇圧電圧Vppを昇圧する。
図2は、昇圧電圧Vppの変化を示す図である。図2に示すように半導体集積回路のスタンバイ時には、昇圧電圧Vppは内部回路におけるリーク電流により徐々に下降する(図2に示すポンプ・オフの期間)。昇圧電圧Vppが所定値まで下降すると、ポンプ回路が駆動され昇圧電圧Vppが上昇する。昇圧電圧Vppが所定値まで上昇すると、ポンプ回路の動作が停止される。図2において、ポンプ回路の動作期間はポンプ・オンとして示される。以上の動作によって、昇圧電圧Vppが一定の電位に保たれる。
図1において、NMOSトランジスタ11を流れるバイアス電流Ib1は、ポンプ回路が駆動している状態(図2のポンプ・オンの期間)に要求される動作速度に応じた電流値に設定される。バイアス電流Ib1が大きければ図1の差動増幅器の動作速度は速く、急峻な昇圧電圧Vppの変化に応答して電位検出することができる。バイアス電流Ib1の量が不足すると、図2のポンプ・オンの期間での動作速度が不十分となり、電圧検出が遅れ、急激に上昇している昇圧電圧Vppが所定値を超えた過剰電圧値となってしまう。従って、バイアス電流Ib1はポンプ回路駆動時に要求される動作速度に応じた電流値に設定される必要がある。
しかしバイアス電流Ib1をポンプ回路駆動時に合わせて設定すると、ポンプ・オフ時におけるバイアス電流Ib1による電流消費が無駄になる。即ち、ポンプ・オフ時には昇圧電圧Vppの変化は緩やかであり速い応答速度は要求されないにも関わらず、大きなバイアス電流Ib1を流しているからである。
以上を鑑みると、スタンバイ時における昇圧電圧生成回路における電流消費を削減する構成を提供することが必要である。
また降圧電圧生成回路においても無駄な電流が消費されている。図3は、降圧電圧生成回路周辺を示す図である。図3は、パワーダウン制御回路21、VGI生成回路22、NMOSトランジスタ23及び24、及びパワーダウン制御パッド25を示す。ここで降圧電圧を生成する回路部分はNMOSトランジスタ24である。NMOSトランジスタ24のゲートに所定のゲート電圧Vgiが印加されており、ドレイン端は電源電圧Vddに接続され、ソース端が内部降圧電位Viiを供給する。内部回路での電流消費により降圧電位Viiが下降すると、ゲート電位Vgiとソース電位(降圧電位Vii)との差が大きくなり、NMOSトランジスタ24に流れる電流が増大する。これにより降圧電位Viiが上昇する。このようにして、降圧電位Viiはゲート電位Vgiにより定まる一定電位になるように制御される。
図3の構成において、パワーダウン時にはパワーダウン制御パッド25に外部からの信号がアサートされ、パワーダウン制御回路21の出力信号PDがHIGHになる。これによりNMOSトランジスタ23が導通し、VGI生成回路22の出力がLOW(グラウンド電位VSS)となり、NMOSトランジスタ24が非導通となる。このようにしてパワーダウン時には、内部回路に対する内部降圧電圧Viiの供給が停止される(例えば特許文献1)。
半導体集積回路のタイプによっては、内部降圧電圧Viiの電位を、通常よりも多少高い電圧に設定したい場合がある。そのような場合には、ゲート電位Vgiを上げることには限界があるので、NMOSトランジスタ24として閾値電圧の小さいものを使用することが一般に行われる。しかしNMOSトランジスタ24として閾値電圧の小さいものを使用すると、パワーダウンモードになりゲート電位VgiがLOWとなっても、NMOSトランジスタ24が完全にはOFFされずに多少の電流が流れつづけることになる。これにより、パワーダウン時の消費電流が大きくなってしまう。
以上を鑑みると、降圧電圧生成回路におけるパワーダウン時における電流消費を削減する構成を提供する必要がある。
特開2002−373026
本発明は、上記関連技術の一つ又は複数の問題点を解決することを一般的な目的とする。
また本発明は、スタンバイ時における昇圧電圧生成回路における電流消費を削減することを第1の具体的な目的とする。
上記目的を解決するために、本発明による半導体集積回路は、外部電源電圧を昇圧して昇圧電圧を生成するポンプ回路と、該ポンプ回路が生成する該昇圧電圧を検出して該ポンプ回路の駆動/非駆動を制御する検出回路を含み、該検出回路は、該昇圧電位と基準電位とを比較する差動増幅器と、該差動増幅器に流れるバイアス電流の量を該ポンプ回路の駆動/非駆動に応じて制御する電流制御回路を含むことを特徴とする。
上記半導体記憶装置によれば、ポンプ回路が駆動する期間においてバイアス電流を大きくして十分な応答速度を確保し、またポンプ回路が非駆動の期間にはバイアス電流を小さくして無駄な電流消費を削減することができる。従って、スタンバイ時における昇圧電圧生成回路における電流消費を削減することができる。
また本発明は、降圧電圧生成回路におけるパワーダウン時における電流消費を削減することを第2の具体的な目的とする。
上記目的を解決するために、本発明による半導体集積回路は、所定の電圧を生成する電圧生成回路と、該電圧生成回路が出力する該所定の電圧をゲート端に受け取り、外部電源電圧をドレイン端に受け取り、該外部電源電圧を該所定の電圧に応じて降圧してソース端に降圧電圧を生成するNMOSトランジスタと、該NMOSトランジスタの該ドレイン端と該外部電源電圧との間に設けられパワーダウンモードを指示するパワーダウン信号をゲート端に受け取るPMOSトランジスタを含むことを特徴とする。
上記半導体集積回路によれば、パワーダウン時には、PMOSトランジスタを非導通状態として、内部降圧電位に対して流れる電流を減らすことができる。これにより、NMOSトランジスタがパワーダウン時において完全に非導通にならなくとも、パワーダウン時において降圧電位生成回路から流れ出す消費電流を削減することが可能となる。
図1は、検出回路の構成の一例を示す回路図である。
図2は、昇圧電圧の変化を示す図である。
図3は、降圧電圧生成回路周辺を示す図である。
図4は、本発明を適用する半導体集積回路の一例として半導体記憶装置の一般的構成を示すブロック図である。
図5は、Vpp生成回路の構成を示すブロック図である。
図6は、本発明による検出回路の構成の一例を示す回路図である。
図7は、検出回路の別の実施例の構成を示す回路図である。
図8は、検出回路の更に別の実施例の構成を示す回路図である。
図9は、ポンプ回路の回路構成の一例を示す回路図である。
図10は、本発明によるVii生成回路の回路構成の一例を示す回路図である。
図11は、本発明によるVii生成回路の回路構成の別の一例を示す回路図である。
図12は、本発明によるVii生成回路の回路構成の更に別の一例を示す回路図である。
図13は、VGI生成回路の回路構成を示す回路図である。
以下に、本発明の実施例を添付の図面を用いて詳細に説明する。
図4は、本発明を適用する半導体集積回路の一例として半導体記憶装置の一般的構成を示すブロック図である。
図4の半導体記憶装置は、電源回路31、周辺回路32、メモリコア回路33、及び内部電源線34を含む。電源回路31は、昇圧電位を生成するVpp生成回路35、及び降圧電位を生成するVii生成回路36を含む。Vpp生成回路35が生成する昇圧電位Vppと、Vii生成回路36が生成する降圧電位Viiは、それぞれの内部電源線34を介して周辺回路32及びメモリコア回路33に供給される。半導体記憶装置には、データ入出力するアクティブモード、データ入出力はないがデータを保持している状態のスタンバイモード、及びデータを保持していない状態のパワーダウンモードがある。
図5は、Vpp生成回路35の構成を示すブロック図である。
図5のVpp生成回路35は、検出回路41及びポンプ回路42を含む。検出回路41が昇圧電圧Vppの下降を検出すると、これに応答してポンプ回路42が駆動して昇圧電圧Vppを昇圧する。
図6は、本発明による検出回路の構成の一例を示す回路図である。
図6の検出回路41は、NMOSトランジスタ51乃至53、PMOSトランジスタ54及び55、抵抗56及び57、インバータ58、及びNMOSトランジスタ61及び62を含む。抵抗56及び57は分圧器を構成し、昇圧電圧Vppを電圧分割する。NMOSトランジスタ51乃至53とPMOSトランジスタ54及び55は差動増幅器を構成し、昇圧電圧Vppを分圧した電圧値と基準電圧Vrefとの差に応じた電圧をインバータ58に供給する。インバータ58の出力pump_onはポンプ回路42に供給される。昇圧電圧Vppが下降すると、昇圧電圧Vppを分圧した電圧値が基準電圧Vrefよりも小さくなり、インバータ58の入力がLOWになる。これにより出力pump_onがHIGHとなり、これに応答してポンプ回路42が駆動し、昇圧電圧Vppを昇圧する。
本発明による検出回路41においては、NMOSトランジスタ61及び62が設けられている。NMOSトランジスタ62のゲート端には、インバータ58の出力pump_onが印加される。従って、NMOSトランジスタ62は、ポンプ回路42が駆動する期間において導通状態となる。
NMOSトランジスタ51を流れる電流Ib1とNMOSトランジスタ62を流れる電流Ib2との合計が大きければ、図6の差動増幅器の応答速度は速く、急峻な昇圧電圧Vppの変化に応答して電位検出することができる。本発明においては、合計のバイアス電流Ib1+Ib2の量を、ポンプ回路42が駆動する期間(図2のポンプ・オンの期間)において大きくして十分な応答速度を確保し、またポンプ回路42が非駆動の期間(図2のポンプ・オフの期間)には小さくして無駄な電流消費を削減する。これにより、半導体記憶装置のスタンバイ時の消費電流を削減することができる。
なおNMOSトランジスタ61は、NMOSトランジスタ51に印加されるゲート電圧Vbiasで駆動され、NMOSトランジスタ51と同様に電流源として機能する。NMOSトランジスタ62は、単にオン・オフするスイッチとして機能するだけであるので、NMOSトランジスタ62だけでは差動増幅器に過大な電流が流れてしまう。従って、電流源として機能するNMOSトランジスタ61により、電流Ib2の電流量を調整している。
図7は、検出回路の別の実施例の構成を示す回路図である。図7において、図6と同一の構成要素は同一の番号で参照し、その説明は省略する。
図7の検出回路41Aにおいては、NMOSトランジスタ51のゲート電位とNMOSトランジスタ61のゲート電位とが、それぞれ独立した電位Vbias1及びVbias2に設定されている。その他の構成は、図6の検出回路41と同様である。図6の構成では、NMOSトランジスタ51及び61が同じ特性とすれば、電流Ib1と電流Ib2とはそれぞれ同じ電流量となる。それに対して図7のように構成すれば、電流Ib1と電流Ib2とをそれぞれ異なる電流量に設定することが可能となる。
図8は、検出回路の更に別の実施例の構成を示す回路図である。図8において、図6と同一の構成要素は同一の番号で参照し、その説明は省略する。
図8の検出回路41Bにおいては、図6のNMOSトランジスタ61が取り除かれている。その他の構成は、図6の検出回路41と同様である。前述の説明のように、図6の構成ではNMOSトランジスタ62は単にオン・オフするスイッチとして機能するだけであるので、電流源として機能するNMOSトランジスタ61を設け、電流Ib2の電流量を調整している。図8の構成では、電流源として機能するNMOSトランジスタ61を取り除き、NMOSトランジスタ62のみで電流量の調整をしている。即ち、NMOSトランジスタ62がオン状態においてNMOSトランジスタ62を流れる電流量は、NMOSトランジスタ62のゲート・ソース間電圧により定められている。この場合の電流量を適切な値に調整するのは、例えば、NMOSトランジスタのチャネルサイズを調整することにより行うことができる。図6、7、8で用いた検出回路の電流量の調整方法は、負電位電源の電圧検出にも用いることができる。
図9は、ポンプ回路42の回路構成の一例を示す回路図である。
図9のポンプ回路42は、NAND回路71、インバータ72及び73、コンデンサ74、NMOSトランジスタ75及び76を含む。検出回路41からの信号pump_onがHIGHになると、NAND回路71及びインバータ72及び73からなるリングオシレータが発振する。リングオシレータ発振の各サイクルの電圧変動が、コンデンサ74による容量結合を介して、NMOSトランジスタ75及び76側に伝播される。この発振の各サイクルの電圧変動により、電源電圧Vddから供給される電荷が累積的に蓄積されていき、電源電圧Vddよりも高い昇圧電位Vppが生成される。
図10は、本発明によるVii生成回路36の回路構成の一例を示す回路図である。
図10のVii生成回路36は、パワーダウン制御回路81、VGI生成回路82、NMOSトランジスタ83及び84、パワーダウン制御パッド25、及びNMOSトランジスタ86を含む。ここで降圧電圧を生成する回路部分はNMOSトランジスタ84である。NMOSトランジスタ84のゲートには所定のゲート電圧Vgiが印加されており、ドレイン端はPMOSトランジスタ86を介して電源電圧Vddに接続され、ソース端が内部降圧電位Viiを供給する。内部回路での電流消費により降圧電位Viiが下降すると、ゲート電位Vgiとソース電位(降圧電位Vii)との差が大きくなり、NMOSトランジスタ84に流れる電流が増大する。これにより降圧電位Viiが上昇する。このようにして、降圧電位Viiはゲート電位Vgiにより定まる一定電位になるように制御される。
パワーダウン時には、パワーダウン制御パッド85に外部からの信号がアサートされ、パワーダウン制御回路81の出力信号PDがHIGHになる。これによりNMOSトランジスタ83が導通し、VGI生成回路82の出力がLOW(グラウンド電位VSS)となり、NMOSトランジスタ84が非導通となる。このようにしてパワーダウン時には、内部回路に対する内部降圧電圧Viiの供給が停止される。
図10の構成では、内部降圧電圧Viiの電位を通常よりも多少高い電圧に設定するために、低閾値電圧のNMOSトランジスタを用いソース電位を基板電位に接続して、バックバイアス効果をなくすことによりNMOSトランジスタ84の閾値電圧を小さくしている。
本発明においては、更にPMOSトランジスタ86を設け、そのゲート端にパワーダウン時にHIGHになるパワーダウン制御回路81の出力信号PDを印加している。従って、パワーダウン時には、PMOSトランジスタ86が非導通状態となり、内部降圧電位Viiに対して流れる電流は減少する。これにより、NMOSトランジスタ84がパワーダウンモードにおいて完全に非導通にならなくとも、パワーダウン時においてVii生成回路36から流れ出す消費電流を削減することが可能となる。
図11は、本発明によるVii生成回路の回路構成の別の一例を示す回路図である。図11において、図10と同一の構成要素は同一の番号で参照し、その説明は省略する。
図11のVii生成回路36Aにおいては、図10の低閾値電圧のNMOSトランジスタ84の代わりに、通常の閾値電圧のNMOSトランジスタ84Aを設けている。その他の構成は、図10の構成と同一である。図11の構成においても、パワーダウン時においてVii生成回路36Aから流れ出す消費電流を減らすことが可能となる。
図12は、本発明によるVii生成回路の回路構成の別の一例を示す回路図である。図12において、図10と同一の構成要素は同一の番号で参照し、その説明は省略する。
図12のVii生成回路36Bにおいては、図10のNMOSトランジスタ84の代わりに複数のNMOSトランジスタ84−1、84−2、・・・が設けられ、また図10のPMOSトランジスタ86の代わりに複数のPMOSトランジスタ86−1、86−2、・・・が設けられる。これら複数のNMOSトランジスタ84−1、84−2、・・・及び複数のPMOSトランジスタ86−1、86−2、・・・は、半導体記憶装置内の異なった位置に離散して配置され、半導体記憶装置内のそれぞれが配置される部位において内部降圧電圧Viiを供給する。その他の動作については図10の構成と同様である。
図13は、VGI生成回路82の回路構成を示す回路図である。
VGI生成回路82は、NMOSトランジスタ101乃至104、PMOSトランジスタ105乃至108、抵抗109及び110、及びインバータ111を含む。NMOSトランジスタ101乃至104とPMOSトランジスタ106及び107とで差動増幅器を構成し、抵抗109及び110で電圧分割器を構成する。電圧分割器で出力信号Vgiを分圧し、分圧後の電圧を差動増幅器により基準電位Vrefと比較する。分圧後の電圧と基準電位Vrefの差に応じた電圧によりPMOSトランジスタ108を駆動することで、出力信号Vgiを生成する。このようにしてVGI生成回路82は、フィードバック制御により、出力信号Vgiを所望の電圧値に調整する。
パワーダウン時には、パワーダウン信号PDがHIGHになり、インバータ111の出力がLOWになる。これによりNMOSトランジスタ102が非導通となり、差動増幅器の動作が停止される。このとき、VGI生成回路82の出力信号Vgiは、クランプ用のNMOSトランジスタ83によりグランド電位にクランプされる。
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能である。

Claims (10)

  1. 外部電源電圧を昇圧して昇圧電圧を生成するポンプ回路と、
    該ポンプ回路が生成する該昇圧電圧を検出して該ポンプ回路の駆動/非駆動を制御する検出回路
    を含み、該検出回路は、
    該昇圧電位と基準電位とを比較する差動増幅器と、
    該差動増幅器に流れるバイアス電流の量を該ポンプ回路の駆動/非駆動に応じて制御する電流制御回路
    を含むことを特徴とする半導体集積回路。
  2. 該電流制御回路は、
    常時導通状態にある第1のトランジスタと、
    該ポンプ回路の駆動/非駆動を制御する信号に応じて導通/非導通が制御される第2のトランジスタ
    を含み、該第1のトランジスタに流れる電流と該第2のトランジスタに流れる電流との合計を該バイアス電流とすることを特徴とする請求項1記載の半導体集積回路。
  3. 該電流制御回路は、該第2のトランジスタに直列に接続される第3のトランジスタを更に含み、該第1のトランジスタと該第3のトランジスタとは同一のゲート電圧が供給されることを特徴とする請求項2記載の半導体集積回路。
  4. 該電流制御回路は、該第2のトランジスタに直列に接続される第3のトランジスタを更に含み、該第1のトランジスタと該第3のトランジスタとにはそれぞれ異なるゲート電圧が供給されることを特徴とする請求項2記載の半導体集積回路。
  5. 該電流制御回路の該第2のトランジスタがオン状態で該第2のトランジスタに流れる電流量は、該第2のトランジスタのゲート・ソース間の電圧により定められることを特徴とする請求項2記載の半導体集積回路。
  6. 所定の電圧を生成する電圧生成回路と、
    該電圧生成回路が出力する該所定の電圧をゲート端に受け取り、外部電源電圧をドレイン端に受け取り、該外部電源電圧を該所定の電圧に応じて降圧してソース端に降圧電圧を生成するNMOSトランジスタと、
    該NMOSトランジスタの該ドレイン端と該外部電源電圧との間に設けられパワーダウンモードを指示するパワーダウン信号をゲート端に受け取るPMOSトランジスタ
    を含むことを特徴とする半導体集積回路。
  7. 該NMOSトランジスタの該ソース端は基板電位に接続されていることを特徴とする請求項6記載の半導体集積回路。
  8. 該パワーダウン信号による該パワーダウンモードの指示に応じて該NMOSトランジスタの該ゲート端をグラウンド電圧にクランプする回路を更に含むことを特徴とする請求項6記載の半導体集積回路。
  9. 外部からの信号に応じて該パワーダウンモードを指示する該パワーダウン信号を生成するパワーダウン制御回路を更に含むことを特徴とする請求項6記載の半導体集積回路。
  10. 該NMOSトランジスタと該PMOSトランジスタとの対を複数含み、該複数の対がチップ内で離散した場所に配置されていることを特徴とする請求項6記載の半導体集積回路。
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