NL8701472A - Geintegreerde schakeling met meegeintegreerde, voedingsspanningsverlagende spanningsregelaar. - Google Patents

Description

* PHN 12.161 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven

Geïntegreerde schakeling met meegeintegreerde, voedingsspannings- verlagende spanningsregelaar.

De uitvinding heeft betrekking op een geïntegreerde schakeling, omvattende een extern en een intern voedingsknooppunt en een tussen genoemde knooppunten geschakelde spanningsomzetter voor het aan het interne voedingsknooppunt leggen van een lagere spanning dan die aan 5 het externe voedingsknooppunt ligt.

Een geïntegreerde schakeling van de zojuist genoemde soort is bekend uit 1987 IEEE International Solid-State Circuits Conference, 27 februari, 1987, SESSION XIX: HIGH DENSITY SRAMs, FAM 19.2: A 256K SRAM with On-Chip Power Supply Conversion, Alan L. Roberts 10 et al., bladzijden 252-253.

De uit de hierboven genoemde publikatie bekende geïntegreerde schakeling omvat naast de genoemde spanningsomzetter een detektor die detekteert of aan het externe voedingsknooppunt een standaardvoedingsspanning van 5,0 V ligt, dan wel een lagere 15 voedingsspanning van in dit geval 3,3 V. Verder omvat de bekende geïntegreerde schakeling een schakelcircuit met twee elektronische schakelaars die door de detektor worden gestuurd. Een eerste elektronische schakelaar kan direkt het externe en het interne voedingsknooppunt verbinden, terwijl de tweede elektronische schakelaar 20 de spanningsomzetter met het externe en het interne voedingsknooppunt kan verbinden. Detekteert de detektor een externe voedingsspanning van 3,3 V dan zet de detektor de eerste elektronische schakelaar aan en de tweede uit. Detekteert de detektor een standaard-voedingsspanning van 5 V dan gebeurt het omgekeerde, dat wil zeggen eerste elektronische 25 schakelaar uit en tweede elektronische schakelaar aan. Aldus kunnen in het geval van het aanleggen van een standaard-voedingsspanning van 5 V aan het externe voedingsknooppunt de detektor en het schakelcircuit van de bekende geïntegreerde schakeling worden weggedacht en de ingang van de spanningsomzetter als verbonden met het externe voedingsknooppunt 30 worden beschouwd.

De spanningsomzetter van de bekende geïntegreerde schakeling is voorzien van een aktieve spanningsdeler, dat wil zeggen 8701472 PHN 12.161 2 een analoge schakeling met het daaraan klevende nadeel van het mogelijk optreden van oscillaties.

De uitvinding beoogt althans het hierboven genoemde nadeel op te heffen en voorziet daartoe in een geïntegreerde 5 schakeling van de in de aanhef genoemde soort, die het kenmerk heeft, dat de spanningsomzetter is voorzien van middelen om de aan het interne voedingsknooppunt liggende geïntegreerde schakelingskapaciteit periodiek tot een bepaalde spanning op te laden.

In tegenstelling tot het omzettingsbedrijf van de bekende 10 geïntegreerde schakeling is dat van de onderhavige niet kontinu, maar periodiek.

In haar essentie berust de uitvinding op het inzicht dat de geïntegreerde schakelingskapaciteit kan worden gebruikt als een stroomvoorziening van de geïntegreerde schakeling waar deze deel van 15 uitmaakt.

Opgemerkt wordt nog dat het uit de genoemde publikatie op zichzelf bekend is gebruik te maken van de geïntegreerde schakelingskapaciteit. In de bekende geïntegreerde schakeling wordt echter deze geïntegreerde schakelingskapaciteit als 20 ontkoppelkapaciteit gebruikt, terwijl volgens de onderhavige uitvinding de geïntegreerde schakelingskapaciteit wordt gebruikt als voedingsbron voor het leveren van een lagere spanning dan de standaardvoedingsspanning voor althans een bepaalde soort van geïntegreerde schakelingen.

25 De uitvinding zal nu aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden en onder verwijzing naar de tekening worden toegelicht, in welke tekening: figuur 1 een vereenvoudigd gekombineerd schakel- en vervangingsschema van een geïntegreerde schakeling volgens de 30 uitvinding is; figuur 2 een grafiek laat zien, die de hysterese van de in figuur 1 getoonde detektor illustreert; figuur 3 een grafiek is, die het verloop van de interne voedingsspanning en het uitgangssignaal van de detektor in de tijd van 35 de schakeling volgens figuur 1 laat zien; figuur 4 een schema laat zien, dat overeenkomt met dat van figuur 1, maar is uitgebreid met een tweede elektronische schakelaar 87 0 U 7 2 PHN 12.161 3 en een logisch circuit dat aanspreekt op een geïntegreerde schakelings-selektiesignaal; figuur 5 een schakelschema is at een nogelijke implementatie van de detektor in met name figuur 4 laat zien; en 5 figuur 6 een golfvormendiagram is, dat het verloop in de tijd van de knooppunten in de detektorschakeling van figuur 5 optredende signalen laat zien.

Alvorens met een bespreking van de uitvinding aan de hand van de tekening te beginnen, zal nu eerst de achtergrond van de 10 onderhavige uitvinding worden beschreven.

Om betrouwbaarheidsredenen is het noodzakelijk een lagere afvoer-bronspanning dan de standaard-voedingsspanning van 5 V te gebruiken voor MOS-koraponenten met bijvoorbeeld kanaallengten van kleiner dan 1 pm. In het bijzonder in grote statische willekeurig 15 toegankelijke geheugens van vanaf 256 kbit, waarin uit zes CMOS-transistoren bestaande in een geheugenmatrix gerangschikte geheugencellen met een kanaallengte van zo klein als 0,7 pm worden gebruikt, wordt de behoefte aan een meegeintegreerde voedingsspanningverlagende spanningsregelaar noodzakelijk, zeker voor de 20 geheugenmatrix. Hier kunnen geen andere schakelingstechnische oplossingen worden gebruikt, bijvoorbeeld het in cascade schakelen van transistoren, omdat daardoor het celoppervlak te groot wordt.

De voorgestelde meegelntegreerde spanningverlagende stroomvoorziening berust op de parasitaire geïntegreerde 25 schakelingskapaciteit in de geheugenmatrix, tussen de geheugenmatrix-voedingsknooppunten, aarde en het substraat, de bitlijnen en aarde, de interne geheugencelknooppunten, aarde en voeding en de kapaciteit tussen het putgebied en het substraat.

Het principeschema van een mogelijke uitvoeringsvorm van 30 de wat in het hierna volgende de spanningsomzetter van de uitvinding zal worden genoemd, is in kombinatie met het vervangingsschema van de geïntegreerde schakeling voor zover het de geïntegreerde schakelingskapaciteit betreft, in figuur 1 getoond.

In figuur 1 is met A het externe voedingspunt en met B 35 het interne voedingspunt aangegeven. Tussen het externe voedingspunt A en het interne voedingspunt B is een elektronische schakelaar, in dit geval een PMOS-vermogenschakeltransistor 1 verbonden, terwijl een 8701472 f PHN 12,161 4 detektor, in het bijzonder een detektorversterker 3 met de detektie-ingang is verbonden met het interne voedingspunt B en met de uitgang is verbonden met de stuuringang van de elektronische schakelaar, in het getoonde voorbeeld met de stuurelektrode van transistor 1. Met het 5 verwijzingscijfer 5 is de geïntegreerde schakelingskapaciteit aangegeven, die bijvoorbeeld een waade van 3 nF kan hebben in het geval van een 256 k SRAM. Tenslotte geeft het verwijzingscijfer 7 een stroombron aan, die een laststroom IL levert, wanneer de geïntegreerde schakeling aktief is. Merk op dat dit ook de ontlaadstroom van 10 kapaciteit 5 is. In een laadstroom ICH voor de kapaciteit 5 wordt voorzien door transistor 1.

De overdrachtskarakteristiek van de detektor 3 is getoond in figuur 2. In dit geval, waartoe overigens de uitvinding niet is beperkt, heeft de detektor een hysterese van ongeveer 120 mV. De in de 15 kapaciteit 5 opgeslagen lading is 3 nC per volt in het genoemde geval van een kapaciteitswaarde van 3 nF, oftewel 3 pC/mV. Een last- oftewel ontlaadstroom (IL·) van bijvoorbeeld 10 mA ontlaadt de kapaciteit 5 met 10 pC/ns. Onder deze omstandigheden daalt de spanning op knooppunt B met ongeveer 3,3 mV/ns. De ontlaadtijd voor een spanningsdaling op knooppunt 20 B van 120 mV is dan 36 ns. Deze met de hysterese van de detektor 3 overeenkomende spanningsdaling op knooppunt B is de maximaal toegestane, zodat na de genoemde 36 ns detektor 3 transistor 1 zal aanschakelen om kapaciteit 5 opnieuw op te laden. Indien de laadstroom ICH die door transistor 1 wordt geleverd vier maal zo groot is als de ontlaadstroom 25 die gelijk is aan de door stroombron 7 geleverde stroom IL·, dan duurt het opladen een derde van de ontlaadtijd, dat wil zeggen 12 ns. Aldus is de cyklustijd van de detektor 48 ns.

In figuur 3 is de betrekking in de tijd tussen de spanningen op knooppunt B en aan de uitgang van de detektor 3 aangegeven 30 door respektievelijk krommen a en b.

De uitvoeringsvorm van een spabningsomzetter volgens de uitvinding die in figuur 4 is getoond, komt overeen met die van figuur 1, zodat dezelfde verwijzingssymbolen worden gebruikt om dezelfde onderdelen aan te geven, maar die van figuur 4 is uitgebreid met een 35 aantal voorzieningen die in de praktijk hun nut hebben. Zo is er parallel aan transistor 1 een tweede transistor 2 geschakeld, waarbij de laatste voor kleinere stromen is gedimensioneerd dan de eerste, en is er 8701 47 2 PHN 12.161 5 voorzien in een logisch circuit 4, waarbij de kleinere transistor 2 en het logisch circuit 4 zijn bedoeld om wanneer de geïntegreerde schakeling is gedeselekteerd in plaats van transistor 1 transistor 2 te gebruiken, ten einde de piekstromen te verlagen. Hiertoe is een eerste 5 ingang van het logisch circuit 4 verbonden met de uitgang van de detektor 3, terwijl een andere ingang van het logisch circuit 4 het schakelingsdeselektiesignaal Ss ontvangt. Afhankelijk van de logische toestand van het signaal C5 zal het uitgangssignaal van de detektor 3 of naar de stuurelektrode van transistor 1, of naar de 10 stuurelektrode van transistor 2 worden doorgelaten. Het logische circuit 4 heeft verder nog twee testingangen TEST1, TEST2 om de stuurelektrode van de transistoren 1, 2 te aarden zodat de spanning op knooppunt B gelijk wordt aan die op knooppunt A. De detektor 3 wordt uitgeschakeld. In het bijzonder is in figuur 4 te dat het uitgangssignaal van de 15 detektor 3 via een inverterende logische poort (serieschakeling van een EN-poort en een NOF-poort) van het logisch circuit 4 vermogenstransistor 1 stuurt. Transistor 2 van figuur 4, die wordt gestuurd door een verdere inverterende logische poort met dezelfde opbouw in het logisch circuit 4, kan aktief worden, wanneer de geïntegreerde schakeling is 20 geselekteerd, teneinde zoals gezegd laadstroompieken te verkleinen.

Opgemerkt wordt nog dat het uitgangssignaal van de detektor 3 van figuur 4 het geïnverteerde signaal van de uitgang van detektor 3 van figuur 1 is.

De detektor, meer in het bijzonder detektorversterker, 3 25 (van figuur 4) bestaat zoals in figuur 5 is te zien uit drie gedeelten, namelijk een met de NMOS-transistoren N16 tot en met N25 en de PM0S-transistoren P1 tot en met P3 opgebouwde stroomspiegelschakeling, een de NMOS-transistoren N6 tot en met N15, NC1, NC2, N1, N4 en N5 en de PM0S-transistoren P2 en P3 omvattende detektieschakeling en een inverterende 30 versterkertrap met de NMOS-transistoren N3 en NC3 en PMOS-transistor P4.

De transistoren NCI, NC2 en NC3 beschermen de transistoren N1, N2 en N3 tegen een te hoge drain source spanning (hete elektronen). Daarenboven helpt transistor NC1 om de spanningsslag op knooppunt E tussen de transistoren N1 en NC1 klein te houden, doordat 35 transistor NC1 met de stuurelektrode is verbonden met intern voedingsknooppunt B. Knooppunt B van figuur 5 is de ingang van de detektor 3, knooppunt I de uitgang.

8701472 Λ ΡΗΝ 12.161 6

Opgemerkt dient te worden dat de schakeling volgens figuur 5 één van de vele mogelijkheden is. De interne voedingsspanning op knooppunt B is in het onderhavige geval gelijk aan twee maal de drempelspanning van de transistoren plus de spanningsslag, 5 maar zou ook kunnen worden gebaseerd op een interne voedingsspanning van bijvoorbeeld drie maal de drempelspanning van de transistoren plus de spanningsslag; dit natuurlijk afhankelijk van de gewenste interne voedingsspanning en de drempelspanning van de NMOS-transistoren.

De werking van de detektorversterker 3 van figuur 5 zal 10 met behulp van figuur 6 worden toegelicht. Figuur 6 geeft het verloop van de spanningen in de tijd t (krommen b, c, e, f, g, i en j) op de knooppunten B, C, E, F, G, I en J in de detektor 3 van figuur 5 weer bij een externe voedingsspanning van 4,5 V, laadstroom van 16 mA, ontlaadstroom (IL) van 10 mA en temperatuur van 100 °G.

15 Transistor N6 veroorzaakt een drempelspanningsverschuiving VTN op knooppunt C ten opzichte van knooppunt B. Transistoren N7 tot en met N15 vormen een spanningsdeler. (In plaats daarvan zou ook hier drempelspanningsverschuiving kunnen worden gebruikt).

20 Knooppunt D is verbonden met de stuurelektrode van transistor N1. De stuurelektrode van transistor N4 ligt aan de externe voedingsspanning door verbinding met het externe voedingsknooppunt A. Deze transistor N4 zorgt voor de hysterese, terwijl transistor N5 een zekere tegenkompensatie geeft om deze hysterese te verkleinen.

25 Figuur 6 begint op het moment dat de interne voedingsspanning 6 op het interne voedingsknooppunt B stijgende is. De spanning i op knooppunt I is dan hoog. Transistor 1 van figuur 4 is dan aktief, dat wil zeggen dat de geïntegreerde schakelingskapaciteit wordt opgeladen, meer in het bijzonder wordt bijgeladen. Als de spanning 30 i op knooppunt I hoog is, in het getoonde geval 4,5 V, dan is de spanning g op knooppunt G laag, in het getoonde geval 0,5 V, en langzaam stijgend ten gevolge van een dalende spanning f op knooppunt F. Dit komt door een zeer kleine stijging van de spanning op knooppunt D. Terloops wordt opgemerkt dat in dit uitvoeringsvoorbeeld een variatie in spanning 35 6 op intern voedingsknooppunt B van 120 mV is toegestaan. De spanning op knooppunt D heeft verlies en aldus hebben we dan nog + 80 mV totale variatie. De spanning e op knooppunt E verandert nauwelijks gedurende 8701 472 PHN 12.161 7 het grootste gedeelte van de cyklus, omdat spanning ten gevolge van transistor NC1 met drempelspanning plus sturing lager dan de spanning b op intern voedingsknooppunt B is. Onder deze omstandigheden vloeit zowel stroom vanaf de tak van knooppunt G, als stroom van de tak van knooppunt 5 F via knooppunt J door transistor N4 en N5 naar aarde.

Tijdens het schakelen van de knooppunten F en G vermindert de totale stroom door de beide takken bij knooppunt Jr waardoor de spanning j op knooppunt J daalt, terwijl de spanning op knooppunt D stijgt, hetgeen op de beurt een versnelde daling van de 10 spanning f op knooppunt F veroorzaakt en dientengevolge ook van de spanning e op knooppunt E met het resultaat dat de spanning g op knooppunt G zeer snel stijgt waardoor de spanning i op knooppunt I, dat wil zeggen de uitgang van de detektor 3, zeer snel omschakelt van 4,5 V op 0 V. Transistor 4 schakelt nu uit, waardoor de spanning j op 15 knooppunt J weer enigszinds stijgt. Indien dit niet zo zou zijn, zou de spanning j op knooppunt J te laag blijven met als gevolg een te grote hysterese. De spanning i op knooppunt I is nu 0 V, waardoor op de stuurelektrode van transistor 1 in figuur 4 4,5 V (h in figuur 6) komt te staan, als gevolg waarvan deze transistor uitschakelt.

20 Door de ononderbroken ontlaststroom IL (stroombron 7 in figuur 1 en 4) van in dit voorbeeld 10 mk daalt de spanning b op knooppunt B en dus ook de spanning op knooppunt D. Hierdoor beginnen de spanningen e, f op de knooppunten E, F weer te stijgen en zal daarna het het volgende omschakelpunt optreden, waarop alle knooppunten weer in de 25 tegengestelde richting schakelen. Tijdens het omschakelen treedt een doorschieten van de hysterese op, waardoor oscilleren tijdens het schakelen wordt voorkomen.

8701 472.

Claims (4)

1. Geïntegreerde schakeling, omvattende een extern en een intern voedingsknooppunt en een tussen genoemde knooppunten geschakelde spanningsomzetter voor het aan het interne voedingsknooppunt leggen van een lagere spanning dan die aan het externe voedingsknooppunt ligt, met 5 het kenmerk, dat de spanningsomzetter is voorzien van middelen om de aan het interne voedingsknooppunt liggende geïntegreerde schakelingskapaciteit periodiek tot een bepaalde spanning op te laden.

2. Geïntegreerde schakeling volgens konklusie 1, met het kenmerk, dat de genoemde middelen een tussen de genoemde knooppunten 10 verbonden elektronische schakelaar omvatten, alsmede een detektor, waarvan een ingang met het interne voedingsknooppunt is verbonden en de uitgang met de stuuringang van de elektronische schakelaar is verbonden, om deze afhankelijk van de spanning op het interne voedingsknooppunt aan of uit te zetten.

3. Geïntegreerde schakeling volgens konklusie 2, met het kenmerk, dat parallel aan de genoemde, hierna te noemen eerste elektronische schakelaar een voor kleinere stromen gedimensioneerde, tweede elektronische schakelaar is verbonden en dat de geïntegreerde schakeling een logisch circuit omvat, waarvan een eerste ingang met de 20 uitgang van de detektor is verbonden en een tweede ingang in bedrijf een geïntegreerde schakelingsselektiesignaal ontvangt, en waarvan een eerste en een tweede uitgang respektievelijk zijn verbonden met de stuuringang van de eerste en de tweede elektronische schakelaar, om afhankelijk van de logische toestand van het geïntegreerde 25 schakelingsselektiesignaal het uitgangssignaal door te laten naar de eerste of de tweede uitgang van het logische circuit.

4. Geïntegreerde schakeling volgens konklusie 2, met het kenmerk, dat de detektor een overdrachtskarakteristiek heeft, die hysterese vertoont. &701 472