ITRM20000577A1 - Regolatore di tensione per circuiti a basso consumo. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ai regolatori di tensione e, più particolarmente, ad un regolatore di tensione destinato ad essere impiegato in un sistema circuitale a basso consumo.

E' noto che in un sistema circuitale costituito da vari dispositivi che svolgono in modo coordinato funzioni diverse, per ridurre il consumo di energia vengono alimentati solo i dispositivi di volta in volta necessari al sistema nelle condizioni di funzionamento prescelte, mentre i dispositivi non necessari vengono tenuti in uno stato di attesa, o stand-by, in cui il consumo di energia è molto basso. E' importante in molti casi che il passaggio dallo stato di stand-by allo stato attivo sia rapido ed esente da transitori.

Un sistema circuitale di questo tipo è quello che gestisce il funzionamento di una memoria non volatile. Nel seguito, per illustrare l'invenzione, si farà riferimento ad una tale applicazione e, in particolare, ad una memoria non volatile multi-livello.

In una memoria multi-livello ogni cella può assumere vari livelli di tensione di soglia, per cui è possibile la memorizzazione di più bit in ogni singola cella. Una cella in grado di memorizzare n bit sarà perciò caratterizzata da 2<n >possibili distribuzioni di tensioni di soglia.

E' evidente che, con l'aumentare del numero dei livelli della tensione di soglia, aumentano anche i requisiti di precisione per un corretto svolgimento delle operazioni della cella, in particolare delle operazioni di programmazione e di lettura. Come è noto, la programmazione avviene applicando sulla linea di riga (o linea di parola) contenente la cella da programmare, cioè sui terminali di gate di tutte le celle di una riga, una tensione variabile a gradini e applicando una tensione relativamente elevata sulla linea di colonna, cioè sul terminale di drain della cella stessa. La lettura, secondo una procedura usuale, avviene applicando sulla linea di riga della cella da leggere una tensione fissa e misurando la corrente che passa per la linea di colonna della stessa cella. Il valore della corrente misurata indica lo stato logico della cella.

L'ottenimento della precisione necessaria è ancora più difficile nel caso delle memorie multi livello a bassa tensione di alimentazione (3V o meno). In questi casi le alte tensioni necessarie alle operazioni di lettura, programmazione e cancellazione vengono generate mediante survoltori basati sul principio della pompa di carica. Come è noto, una pompa di carica è un generatore con caratteristiche piuttosto lontane da quelle di un generatore di tensione ideale: essa infatti ha una resistenza di uscita relativamente alta, per cui la tensione di uscita è fortemente dipendente dal carico. Inoltre essa, dopo un sovraccarico, richiede un tempo relativamente lungo per riportarsi alla tensione di uscita nominale. Poiché poi la tensione di uscita nominale non può essere fissata con precisione, è necessario associare alla pompa di carica un circuito di regolazione che, naturalmente, contribuisce al consumo di energia .

Per ridurre i consumi i survoltori vengono normalmente disattivati quando il dispositivo al quale appartengono è nello stato di stand-by. In condizioni ideali le tensioni presenti sui nodi di uscita dei survoltori rimarrebbero costanti per un tempo indefinito, in pratica però esse si riducono in tempi relativamente brevi a causa delle correnti di perdita delle giunzioni dei transistori collegati ai nodi di uscita. Perciò, quando si passa dallo stato di stand-by allo stato attivo non è possibile raggiungere velocemente e con la precisione voluta la tensione di polarizzazione necessaria .

Nella figura 1 è rappresentato in modo schematico un sistema circuitale noto per la polarizzazione di una linea di riga di una memoria non volatile che fa uso di un survoltore. Una memoria non volatile, per esempio una memoria flash a quattro livelli alimentata a 3V è formata da una pluralità di celle di memoria 10 ordinate in righe e colonne. In particolare, le celle 10 appartenenti a una stessa riga hanno i rispettivi elettrodi di gate collegati a una comune linea di riga 11. Un decodificatore di riga 12 collega selettivamente una delle linee di riga 11 al terminale di uscita OUT di un survoltore 9. Un condensatore 13 collegato tra il terminale di uscita OUT e il terminale di massa del sistema circuitale rappresenta la capacità parassita dei circuiti del decodificatore 12 e, in caso di connessione ad una linea di riga, la capacità parassita della linea stessa .

Il survoltore 9 comprende una pompa di carica 14, con capacità di uscita 17, e un regolatore di tensione. La pompa di carica 14 è collegata ad un nodo 16 al quale è collegato un terminale di alimentazione del regolatore. Quest'ultimo comprende un comparatore 18, una sorgente 20 di tensione di riferimento e un circuito di retroazione. Il comparatore 18 è costituito preferibilmente da uno stadio di ingresso differenziale, da uno stadio di uscita di potenza e da un circuito di compensazione di frequenza (non rappresentati). L'uscita del comparatore 18 è anche l'uscita OUT del regolatore ed è collegata, tramite un interruttore SW1, ad un generatore di tensione di standby 19. Anche il nodo 16 è collegato al generatore di tensione di stand-by 19 attraverso un interruttore SW2.

Il comparatore 18 ha un primo terminale di ingresso non invertente {+) collegato alla sorgente di tensione di riferimento 20 e un secondo terminale di ingresso invertente (-) collegato, tramite il circuito di retroazione, al terminale di uscita OUT. Il circuito di retroazione comprende un partitore resistivo 21 che è collegato, da una parte, all'uscita OUT attraverso un interruttore SW3 e, dall'altra, a un terminale di riferimento comune del circuito, in questo esempio alla massa, ed ha una presa intermedia collegata, in un nodo F, all'ingresso invertente del comparatore 18 e, attraverso un interruttore SW4, alla massa.

La sorgente di tensione di riferimento 20, preferibilmente un circuito a "bandgap", non viene mai disattivata, se non quando viene tolta l'alimentazione a tutto il dispositivo, perchè il suo tempo di accensione e di regolazione alla tensione di riferimento è relativamente lungo (10 με). Tuttavia, essa può essere realizzata in modo da dissipare una corrente relativamente bassa (10 μΑ).

Un circuito di comando 22, che fa parte preferibilmente dell'unità logica di gestione della memoria, genera un segnale di stand-by SB che attiva o disattiva la pompa di carica 14 e apre o chiude gli interruttori SW1-SW4. Nella figura 1 gli interruttori sono rappresentati nelle posizioni corrispondenti al segnale SB di livello alto, cioè quando il circuito è in condizione di stand-by.

Il partitore 21 comprende un elemento resistivo fisso Ro e un elemento resistivo RI variabile in funzione dello stato di un segnale digitale di n bit So - Sn-1 . Variando il rapporto di partizione del partitore 21 si varia anche il coefficiente di retroazione del regolatore. E' facile dimostrare che la tensione Vout sul terminale di uscita OUT è

Vout=Vref (1+Rl/Ro),

dove Vref è la tensione della sorgente di tensione di riferimento 20; il regolatore forma perciò un convertitore D/A (digitale/analogico) la cui tensione di uscita Vout è la grandezza analogica corrispondente ad una combinazione di stati degli ingressi So-Sn-1, cioè ad un numero binario di ingresso.

Nella gestione dello stato di stand-by si devono affrontare due problemi: trovare il modo di ridurre il consumo complessivo disattivando alcuni circuiti senza spegnerli completamente per consentirne una veloce riaccensione ed evitare transitori spuri all'uscita dallo stato di stand-by.

In un circuito del tipo rappresentato nella figura 1 il primo problema può essere risolto mantenendo, durante uno stato di stand-by, l'uscita OUT e la tensione sul nodo 16 ad un valore di tensione uguale o un poco superiore a quello di funzionamento. A tale scopo un generatore a basso consumo 19 con tensione d'uscita Voutsb viene collegato all'uscita OUT e al nodo 16 durante lo stato di stand-by (SW1 e SW2 chiusi). Un generatore utilizzabile nel circuito della figura 1 è descritto, ad esempio, nella domanda di brevetto europeo della richiedente dal titolo "Dispositivo di innalzamento di tensione per memorie non volatili operante in condizione di stand-by a basso consumo".

Il secondo problema può essere risolto solo evitando qualsiasi componente capacitiva nel circuito di retroazione del regolatore, come si può comprendere da quanto segue.

Con riferimento alle figure 1 e 2, in stand-by (segnale SB alto)la pompa di carica 14 è disattivata, l'uscita OUT e il nodo 16 sono connessi, tramite gli interruttori SWl e SW2, all'uscita del generatore a basso consumo 19, il circuito retroazione di è disattivato perché l'interruttore SW3 è aperto e il terminale di ingresso invertente (-) del comparatore 18 è collegato a massa tramite l'interruttore SW4: in questo modo il consumo del circuito di retroazione in stand-by è nullo. Quando si deve passare dallo stato di stand-by allo stato attivo (SB basso in figura 2), la tensione sul terminale OUT è pressoché al valore corretto (per esempio, se il regolatore deve fornire una tensione di lettura Vread=6V, Vout=Voutsb può essere di 6,2V) e perciò il regolatore non dovrebbe erogare corrente al carico. Tuttavia, ciò è vero solo se la tensione di retroazione Vf, cioè la tensione del terminale invertente (-) del comparatore 18, è uguale alla tensione (Vref) del terminale non invertente (+). Poiché il terminale invertente (-} si trova a massa durante lo stato di stand-by, il tempo di ritorno alla tensione Vref dipende dalle capacità parassite del circuito di retroazione. Durante la carica di queste capacità, la tensione sul terminale invertente (-)del comparatore 18 cresce da 0 a Vref e il regolatore eroga corrente al carico, per cui sul terminale OUT, come si vede nella figura 2, si ha un transitorio indesiderato che può essere di ampiezza anche notevole, per esempio 0,6 - 0,7V.

Per evitare o ridurre il più possibile questo effetto è necessario progettare il circuito di retroazione in modo che le capacità ad esso associate siano il più possibile ridotte. Per soddisfare questa esigenza non è possibile realizzare il partitore 21 con elementi resistivi formati da regioni diffuse "well" e da transistori a effetto di campo MOS, come sarebbe invece opportuno e vantaggioso specialmente se si vuole ottenere un rapporto di partizione preciso e variabile comandato da un segnale digitale.

Lo scopo principale della presente invenzione è quello di mettere a disposizione un regolatore del tipo sopra descritto che, pur avendo un circuito di retroazione con componenti capacitive rilevanti, non presenti effetti transitori al passaggio dallo stato di stand-by allo stato attivo.

Tale scopo viene conseguito realizzando il regolatore definito e caratterizzato in generale nella prima rivendicazione.

L'invenzione sarà meglio compresa dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma d'esecuzione esemplificativa e pertanto in nessun modo limitativa fatta in relazione agli uniti disegni, in cui:

la figura 1 è uno schema a blocchi di un circuito noto per la polarizzazione di una linea di riga di una memoria non volatile,

la figura 2 mostra come varia nel tempo la tensione in due nodi del circuito della figura 1 nello stato di stand-by e nello stato attivo,

la figura 3 è uno schema a blocchi di un circuito per la polarizzazione di una linea di riga secondo 1'invenzione,

la figura 4 è uno schema circuitale di un partitore utilizzabile nel circuito della figura 3 e

la figura 5 mostra come varia nel tempo la tensione in alcuni nodi del circuito della figura 3.

Lo schema a blocchi della figura 3 mostra un circuito simile a quello rappresentato nella figura 1 che utilizza però un regolatore secondo l'invenzione. Gli elementi della figura 3 uguali o corrispondenti a quelli della figura 1 sono indicati con gli stessi numeri o simboli di riferimento. Nel circuito della figura 3 gli interruttori comandati dal segnale SB sono rappresentati nelle posizioni corrispondenti allo stato attivo del circuito subito dopo uno stato di stand-by. La pompa di carica 14 è attivata solo quando il segnale SB è al livello basso, cioè nello stato attivo del circuito, e fornisce una tensione Vcp.

Il regolatore secondo l'invenzione comprende un circuito di avvio formato da un generatore di tensione 30, da un temporizzatore 31 e da un interruttore SW5 comandato dall'uscita del temporizzatore 31,a sua volta comandato dal segnale SB. L'interruttore SW5 consente di attivare o di disattivare la connessione del generatore di tensione 30 al nodo F, cioè al terminale invertente {-) del comparatore 18. Il generatore di tensione 30, rappresentato come un amplificatore operazionale con l'ingresso invertente collegato all'uscita e con l'ingresso non invertente collegato ad una sorgente 32 di tensione di riferimento, è alimentato dalla tensione Vcc di alimentazione del circuito integrato di cui fa parte il circuito della figura 3. La tensione della sorgente 32 è scelta sostanzialmente uguale alla tensione Vref della sorgente di tensione di riferimento 20. La chiusura dell'interruttore SW5 è comandata da un segnale di riavvio STR di durata prefissata TI generato dal temporizzatore 31.

Preferibilmente il partitore 21 è formato con elementi resistivi costituiti da regioni diffuse "well" e da transistori a effetto di campo MOS complementari collegati come porte comandabili (pass gate), tutti componenti aventi capacità parassite non trascurabili. Un esempio di un siffatto partitore è mostrato nella figura 4. L'elemento resistivo variabile RI è costituito da una rete formata da n rami in parallelo. Ciascuno degli n rami è formato da un resistore in serie ad una porta comandabile. Il rapporto di partizione del partitore 21 può essere impostato in 2<n >valori diversi selezionando lo stato delle n porte tramite opportuni segnali binari di comando So-Sn-1. Le capacità parassite sono rappresentate da due condensatori CO e CI in parallelo, rispettivamente, al resistore Ro e agli n rami che formano il resistore variabile RI.

Si consideri ora, con riferimento alla figura 5, il funzionamento del regolatore secondo l'invenzione nella situazione in cui si passi da uno stato di stand-by a uno stato attivo per un'operazione di lettura della memoria. Come è noto, l'operazione di lettura è l'operazione più critica al ripristino del funzionamento di una memoria dopo uno stato di stand-by perché il tempo necessario per la lettura è molto minore di quello necessario per le altre operazioni.

Nello stato di stand-by (SB alto) l'uscita OUT e il nodo 16 si trovano alla tensione Voutsb, generata dal generatore a basso consumo 19, che ha un valore compreso tra la tensione di uscita Vcp della pompa di carica 14 e la tensione di lettura Vread per la polarizzazione della linea di riga della memoria. Il terminale invertente(-) del comparatore 18 si trova al potenziale di massa perché l'interruttore SW4 è chiuso e l'interruttore SW5 è aperto. Nell'istante in cui il segnale SB passa al livello basso viene attivata la pompa di carica 14, viene avviato il temporizzatore 31, gli interruttori SW1, SW2 e SW4 vengono aperti e gli interruttori SW3 e SW5 vengono chiusi. In questa situazione il generatore 30, alimentato dalla tensione Vcc, applica la tensione Vref sul nodo F, caricando così le capacità presenti nel circuito di retroazione, in particolare le capacità parassite CO e CI dei resistori e dei transistori del partitore resistivo 21 .

Poiché i terminali di ingresso del comparatore 18 si trovano alla stessa tensione Vref, sull'uscita OUT non si manifesta nessun transitorio di tensione apprezzabile. La durata TI del segnale di avvio STR determinata dal temporizzatore 31 viene scelta non superiore al tempo ritenuto necessario per il corretto assestamento dei nodi interni del partitore. In un caso pratico tale durata era di circa 20ns. Col regolatore secondo l'invenzione perciò il passaggio dallo stato di stand-by allo stato attivo avviene velocemente e senza transitori parassiti sulla linea di riga, nonostante la presenza di capacità parassite nel circuito di retroazione.

Sebbene il regolatore secondo questa forma di esecuzione dell'invenzione sia stato descritto in relazione all'operazione di lettura, è chiaro che esso viene utilizzato con gli stessi vantaggi anche per regolare la tensione delle linee di riga in fase di programmazione della memoria. In questo caso si utilizzano pompe di carica aventi opportune tensioni di uscita e si selezionano opportuni rapporti di partizione mediante il segnale digitale So-Sn-l .

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1 . Regolatore di tensione comprendente: - un comparatore (18) avente un primo (+) e un secondo (-) terminale di ingresso, un terminale di uscita (OUT) che è l'uscita del regolatore e terminali di connessione ad una sorgente di tensione di alimentazione (14), una prima sorgente (20) di tensione di riferimento (Vref) collegata al primo terminale d'ingresso (+) del comparatore (18) e - un circuito di retroazione collegato tra il terminale di uscita (OUT) e il secondo terminale di ingresso (-) del comparatore (18), caratterizzato dal fatto che comprende inoltre: - una seconda sorgente (30) di tensione di riferimento sostanzialmente uguale alla tensione di riferimento (Vref) della prima sorgente (20) di tensione di riferimento, - mezzi interruttori comandabili (SW5) per collegare la seconda sorgente (30) di tensione di riferimento al secondo terminale di ingresso (-) del comparatore (18) e - mezzi di comando (22) atti ad attivare l'alimentazione del regolatore e a chiudere i mezzi interruttori (SW5) per un intervallo di tempo prefissato (Tl) quando l'alimentazione del regolatore viene attivata.
2. 2. Regolatore secondo la rivendicazione 1, in cui il circuito di retroazione comprende un partitore di tensione (21) collegato tra il terminale di uscita (OUT) del comparatore (18) e un terminale di riferimento ed avente una presa intermedia collegata al secondo terminale {-) del comparatore (18).
3. 3. Regolatore secondo la rivendicazione 2, in cui il circuito di retroazione comprende mezzi interruttori (SW3, SW4) comandabili dai mezzi di comando (22) per disattivare la retroazione.
4. 4. Regolatore secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui il partitore (21) comprende una pluralità di elementi resistivi con associati interruttori comandabili per modificare il rapporto di partizione del partitore mediante la selezione di diversi elementi resistivi.
5. 5. Convertitore digitale/analogico comprendente un regolatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui lo stato degli interruttori comandabili associati agli elementi resistivi identifica un dato di ingresso (So-Sn-l) da convertire e la tensione (Vout) sul terminale di uscita (OUT) del comparatore (18) rappresenta la grandezza analogica d'uscita del convertitore.
6. 6. Generatore di tensione di riga per una memoria non volatile comprendente un regolatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, un decodificatore di riga (12) avente un terminale di ingresso collegato al terminale di uscita (OUT) del comparatore (18) e un circuito di gestione della memoria comprendente i mezzi di comando (22).
7. 7. Generatore di tensione di riga secondo la rivendicazione 6, comprendente un generatore di tensione (19) e mezzi interruttori (SW1) comandabili dal circuito di gestione della memoria per collegare il generatore di tensione (19) al terminale d'uscita (OUT) del comparatore (18) quando l'alimentazione del regolatore è disattivata.