JPH046693A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH046693A
JPH046693A JP2105400A JP10540090A JPH046693A JP H046693 A JPH046693 A JP H046693A JP 2105400 A JP2105400 A JP 2105400A JP 10540090 A JP10540090 A JP 10540090A JP H046693 A JPH046693 A JP H046693A
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amplifier
voltage
power supply
frequency
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JP2105400A
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Jun Eto
潤 衛藤
Masakazu Aoki
正和 青木
Shinji Horiguchi
真志 堀口
Shinichi Ikenaga
伸一 池永
Hitoshi Tanaka
均 田中
Kiyoo Ito
清男 伊藤
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Hitachi Ltd
Hitachi Solutions Technology Ltd
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Hitachi ULSI Engineering Corp
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】
本発明は半導体装置内に設ける電源回路の位相補償回路
に関する。
【従来の技術】
近年の半導体装置の高集積化の進歩は百貨ましく、MO
Sダイナミック形メ子メモリ下DRAMと略す)を例に
とると4Mビットが量産期、16Mビットが試作期にあ
る。このような高集積化、大容量化は寄生容量の増加に
ともなう消費電力の増大を生じる。また、高集積化、大
容量化は主に素子の微細化によって支えられているが、
この素子の微細化は素子の耐圧の低下を生じる。したが
って、近年では消費電力の低減、素子の耐圧の確保の両
面から半導体装置内の回路の動作電圧を下げる方向にあ
る。 さて、動作電圧を下げる方法の1つとして、チップ内に
電圧降圧回路(電圧リミッタ)を設け、チップ内の電源
電圧(内部電源電圧)を低くする方法がある。これによ
るとチップに加える電源電圧は従来と同じ電圧でよく、
ユーザにとって使いやすくなる。 この従来例の回路方式の概略を第2図に示す。 同図で10は半導体チップ、20は電圧降圧回路、30
ばメモリ回路や論理回路である。50は外部電源電圧の
入力端子である。電圧降圧回路は内部電源電圧の基準と
なる電圧を作る基4−電圧発生回路40.電流増幅を行
なう増幅回路Aから成る。 この回路の動作は次のようである。外部電′fX電圧の
入力端子50に電圧が印加されると、基準電圧発生回路
40は基準電圧VRを発生する。この電圧は増幅回路A
により電流増幅され内部電源電圧VLとなる。この内部
電源電圧はメモリ回路や論理回路に供給される。 この種の回路として、特開平1−136361、特願平
1−16148.アイ イー イー イージャーナル 
オブ ソリッド ステート サーキット ニスシー22
巻、3号、437頁〜441頁、1987年6月(I 
E E E  J ournal  ofSolid 
 5tate  C1rcuits  Vol、  5
C−22No3  pp4°37−441  June
  1987)に示される技術がある。
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、チップ内の電源回路に増幅回路を用
いている。増幅回路で入力端子と出力端子間の小信号交
流特性をみると1条件によっては入力信号と8力信号の
位相がずれる場合がある。 8力端子から入力端子へ帰還パスがある状態で、この位
相のずれが180度になると増幅回路は発振するおそれ
がある。したがって、上記のような電源回路では回路の
安定化が非常に重要になる。 さて、上記のような電源回路を容量性負荷を充放電する
ダイナミック回路に用いると、次のような問題を生じる
ことがわかった。増幅回路の小信号交流特性は増幅回路
の負荷容量に大きな影響を受ける。すなわち上記位相の
ずれは負荷容量によって大きく変わる。ダイナミック回
路では負荷容量の大きさは負荷となる回路が動作してい
る間、変化する。これにより位相のずれも変化し、場合
によっては位相のずれが180度となる。 上記問題を第3図を使って詳しく説明する。第3図(a
)は電圧降圧回路を搭載した半導体装置、(b)は電圧
降圧回路を構成する増幅回路の小信号交流特性で、利得
−周波数特性を示している。 第3図(a)において、10は半導体チップ、20は電
圧降圧回路、30は電圧降圧回路の負荷回路で、実際に
はメモリ回路や論理回路である。 ここでは0MO5(コンプリメンタリMOS)インバー
タとその負荷容量Ct、で示している。50は外部電源
電圧の入力端子、COは内部電源線の寄生容量である。 電圧降圧回路20は基準電圧発生回路4o、増幅回路A
から成る。同図に示すMOS−FETで矢印の付いてい
るものはPチャネルMO5−FET (PMOS)、矢
印の付いてないものはNチャネルMO3−FET (N
MO5)である。 上記第3図(a)に示す回路の動作は次のようである。 外部電源電圧の入力端子50に電圧が加わると、基準電
圧発生回路40は基準電圧VFIを発生する。この電圧
は増幅回路Aにより電流増幅され内部電源電圧VLとな
る。 ここで増幅回路Aの安定性をみるために増幅回路の小信
号交流特性で、利得−周波数特性をみる。 増幅回路AはA1、A2の二つの増幅回路に分けること
ができ、それぞれメインのポールを一つもつ。 すなわち、A□は八〇の出力抵抗とM3のゲート容量に
よるポール、A2はA2の出力抵抗と内部電源線の寄生
容量coと負荷回路の容jt CLによるポールである
。 A工、A2のオープンループの利得−周波数特性を第3
図(b)に示す、同図で実線はA1の利得−周波数特性
で、利得は周波数がポール周波数fP□を越えると周波
数に対して一20dB/decの傾きで減少する。−点
鎖線(Ax’ −A2”の2本)はA2の利得−周波数
特性で、利得は周波数がポール周波数fpz(fp−)
を越えると周波数に対して一20dB/decの傾きで
減少するa AHの利得−周波数特性曲線が2本あるの
は負荷回路の容量CLが見える場合と見えない場合でポ
ール周波数が異なるためである。fp、はM工がオン、
M2がオフでCLが見える場合のポール周波数である*
fP3はM□がオフ、M2がオンでCt、が見えない場
合のポール周波数である。 このようにダイナミック回路を負荷とすると、負荷回路
が動作することによりポール周波数が変わる。ここでは
負荷回路を一つのインバータと一つの負荷容量で表した
が実際には負荷回路は多数のインバータと多数の負荷容
量で構成される。ここで、全部の負荷容量が見えたとき
の容量をCしとし、負荷回路が動作したとするとA2の
ポール周波数はA、のポール周波数fPiをはさんでf
p2からfp3の間で移動する。 したがって、A□のポール周波数とA2のポール周波数
が重なる場合がある。それを第3図(C)に示す、この
場合、A□とA2を合わせた利得−周波数特性、すなわ
ち増幅回路Aの利得−周波数特性は同図の破線のように
なる。この利得−周波数特性で利得は周波数がポール周
波数fp、を越えると周波数に対して一40dB/de
cの傾きで減少する。 この場合、利得が1 (Odd)以上で位相のずれが1
80度となり増幅回路Aは非常に不安定になる。 このように増幅回路の負荷が主に容量を駆動するダイナ
ミック回路の場合、ポールが負荷回路の動作とともに変
化するので増幅回路の安定化が難しくなる。 ところで、外部電源電圧に周波数の高いノイズが乗った
場合、次のような問題がある。増幅回路A1の過渡応答
が増幅回路A2の過渡応答に比に遅い場合、外部電源電
圧のノイズが内部電源電圧を変動させる0例えば、外部
電源電圧が急激に高くなったとする、この時、ALの応
答が遅いためA2を構成するトランジスタM、のゲート
電位は変化しない、一方、M3のソース電位は高くなる
のでM3のコンダクタンスが大きくなり、内部電源電圧
を高くする0次に、外部電源電圧が急激に低くなったと
する、この時、M、のゲート電位は上記と同様に変化し
ない、一方1M、のソース電位は低くなる0通常M3の
ゲート、ソース間電圧はしきい電圧より少し大きい程度
であるのでソース電位が低くなるとM、はオフ状態とな
る。したがって、内部電源電圧は高くなったままである
。外部電源電圧が上記のような変化を繰り返すと内部電
源電圧は上昇し、もはや電圧降圧回路として鋤かなくな
る。 従来技術では上記のような点について配慮がされておら
ず、チップ内の電源回路の安定性について問題があった
。 本発明の目的は負荷回路が主に容量を駆動するダイナミ
ック回路であっても安定性のよい電源回路を提供するこ
とにある。 本発明の他の目的は外部電源電圧に周波数の高いノイズ
が乗っても安定性のよい電源回路を提供することにある
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明においては、電圧降圧
回路の出力端子に位相補償回路を挿入した。
【作用】
位相補償回路は電圧降圧回路の負荷容量が最も小さく見
えるときでも、増幅回路A、のポール周波数を増幅回路
A1のポール周波数よりも低くする。これによって、A
工のポール周波数とA2のポール周波数が重なることが
無くなるので、増幅回路Aとしては利得が1以上で位相
のずれが180度まで大きくならない、したがって、電
圧降圧回路の安定性がよくなる。また、Aiの方がA2
より高い周波数まで動作するので外部電源電圧に周波数
の高いノイズが乗っても内部電源電圧が変動しない。
【実施例) 以下、本発明の一実施例を第4図により説明する。第4
図(a)は電圧降圧回路を搭載した半導体装置、(b)
は電圧降圧回路を構成する増幅回路の小信号交流特性で
、利得−周波数特性を示している。 第4図(a)で10は半導体チップ、20は電圧降圧回
路、CCは位相補償回路である。30は電圧降圧回路の
負荷回路で、実際にはメモリ回路や論理回路である。こ
こではCMOS (コンプリメンタリMOS)インバー
タとその負荷容量cしで示している。50は外部電源電
圧の入力端子、COは内部電源線の寄生容量である。電
圧降圧回路20は基準電圧発生回路40.増幅回路Aが
ら成る。増幅回路AはA工、A2の二つの増幅回路に分
けることができる。 この回路の動作は次のようである。外部電源電圧の入力
端子50に外部電源電圧Vccが加わると。 基準電圧発生回路40は基準電圧VRを発生する。 この電圧は増幅回路Aにより電流増幅され内部電源電圧
VLとなる。 上記増幅回路の利得−周波数特性を第4図(b)に示す
。 本発明は増幅回路Aの出力端子に位相補償回路(ここで
は容量)CCを挿入する。これは増幅回路Aの負荷容量
が最も小さいときでも、すなわち負荷回路の容量がほと
んど見えないときでも増幅回路A2のボール周波数を増
幅回路A工のボール周波数より低くする6 同図で、実線はA工の利得−周波数特性を示し、利得は
周波数がボール周波数fplを越えると周波数に対して
一20dB/decの傾きで減少する。−点鎖線(A、
’ 、 A、”の2本)はA2の利得−周波数特性を示
し、利得は周波数がボール周波数fP。 (fp−)を越えると周波数に対して一20dB/de
cの傾きで減少する。A2′で示す特性曲線は増幅回路
Aの負荷容量が最も大きい場合でfp4のボール周波数
を持つ、A2″で示す特性曲線は負荷容量が最も/JN
さい場合でfp、のボール周波数を持つ。 増幅回路A2のボール周波数fP4、fp、は位相補償
回路を挿入することにより増幅回路A工のボール周波数
fP1より小さくなっている。破線はA。 とA2を合わせた利得−周波数特性、すなわち増幅回路
Aの利得−周波数特性である。ここではA2がボール周
波数fpgを持つ場合の利得−周波数特性を示している
。 位相補償回路CCの容量値を適当な大きさにすることに
より、fP、をfP□から適当な大きさで離す、これに
より増幅回路Aの利得は周波数がボール周波数fp、を
越えて増加してもOdB以下になるまで一20dB/d
ecの傾きで減少する。したがって。 利得がOd8以上で位相が180度ずれることはない、
これにより電源回路の安定化が図れる。また、増幅回路
A□の方がA2より高い周波数まで動作するので外部電
源電圧に周波数の高いノイズが乗っても内部電源電圧が
変動しない。さらに電源回路の出力端子にコンデンサに
よる位相補償回路を設けているのでこのコンデンサが平
滑容量として働き、負荷回路で電流の急激な変化があっ
ても8力電圧の変動は小さくなる。 本発明の別の実施例を第1図により説明する。 第1図(a)は電圧降圧回路を搭載した半導体装置、(
b)は電圧降圧回路を構成する増幅回路の小信号交流特
性で、利得−周波数特性を示している。第1図(a)に
示す回路は第4図(a)に示す回路と位相補償回路が異
なる以外は同一である。 本実施例でも位相補償回路は増幅回路Aの出力端子に挿
入する。ただし本実施例では位相補償回路を抵抗と容量
の直列接続回路で構成する。この位相補償回路はゼロ点
をつくり、利得がOdB以上のとき位相が180度ずれ
ないようにする。 第1図(b)で実線はA□の利得−周波数特性。 −点鎖線(A2’ 、 A2”の2本)はA2の利得−
周波数特性である。A2′で示゛す特性曲線は増幅回路
Aの負荷容量が最も大きい場合で、A 2 ”で示す特
性曲線は負荷容量が最も小さい場合である。 本実施例では位相補償回路の抵抗と容量を適当な大きさ
にすることにより、ポール周波数fp1の近傍にゼロ点
を設ける。これにより増幅回路A2の利得−周波数特性
は次のようになる。周波数がfpv(fpG)を越えて
増加すると利得は一20dB/decの傾きで減少し、
fp、の近傍から一定値となる。 周波数がさらに増加すると利得は減少する。これにより
A□とA2を合わせた利得−周波数特性、すなわち増幅
−回路Aの利得−周波数特性は同図の破線のようになる
。利得は周波数がポール周波数fP、を越えて増加して
もOdB以下になるまで一20dB/decの傾きで減
少する。したがって、利得がOdB以上で位相が180
度ずれることはない。 これにより電源回路の安定化が図れる。また。 増幅回路A1の方がA2より高い周波数まで動作するの
で外部電源電圧に周波数の高いノイズが乗っても内部電
源電圧が変動しない。 なお、ゼロ点を用いた位相補償の方が位相補償回路の容
量値は小さくなる。したがって、位相補償回路のチップ
に占める面積は小さくなりチップサイズを小さくできる
。 第5図は位相補償回路の回路定数と、その時の小信号交
流特性の一例を示すものである。同図(a)で20は電
圧降圧回路、CCは位相補償回路、3oは負荷回路を示
している。Aは増幅回路で負荷電流を約100mA流す
ことができる回路定数となっている。なお、約100m
Aの電流は一般的なりRAMの過渡電流のピーク値であ
る。 MC8−FETのそばに示す数字は上側がMC5−FE
Tのチャネル幅、下側がチャネル長である。 単位はμmである。 第5図(b)、(C)は増幅回路の利得−周波数特性、
位相−周波数特性を示している。同図(b)に示すよう
に利得は周波数がポール周波数を越えて増加するとOd
B以下まで約−20dB/decの傾きで減少している
。同図(C)から利得がOdBでの位相余裕、すなわち
位相のずれ180度に対する余裕をみると約60度ある
。したがって、この増幅回路は安定である。 本発明の別の実施例を第6図により説明する。 第6図(a)はDRAMのメモリアレーに電圧降圧回路
を用いた例である。 同図で、MAはメモリアレー、XDはXデコーダ(ロウ
アドレスデコーダ)、YDはYデコーダ(カラムアドレ
スデコーダ)である、SADはセンスアンプの駆動回路
、20は電圧降圧回路、CCは位相補償回路、60はデ
ータ線のプリチャージ電圧とメモリセルの容量の端子い
わゆるプレートの電圧を発生する回路、Do、/D、〜
D、、/D、はデータ線、Wo、W、はワード線、MC
はメモリセルである。PCはデータ線のプリチャージ回
路、SAはメモリセルから取りだした信号を増幅するセ
ンスアンプ、YSはデータ線と共通データ線をつなぐス
イッチ回路である。CD、/CDは共通データ線、Y0
〜YllはYデコーダの出力線である。C5P、CSN
はセンスアンプの共通駆動線である。10oはデータ線
のプリチャージ電圧を伝える配線である。11oはプレ
ート電圧を伝える配線である。140はプリチャージ回
路PCを駆動する信号の配線である。 この回路の動作を第6図(b)のタイミングチャートを
用いて説明する。電圧降圧回路は外部電源電圧入力端子
50に外部電源電圧Vccが印加されると内部電源電圧
Vムを出力する。データ線のプリチャージ電圧とプレー
トの電圧を発生する回路60はデータ線のプリチャージ
電圧としてVL/2、プレートの電圧としてVL/2の
電圧を出力する。 さて、メモリが待機時、センスアンプの駆動回路SAD
にはいる信号(センスアンプ駆動信号)Pい/P2はそ
れぞれ低電位、高電位となっている。また、すべてのワ
ード線、Yデコーダの出力線はOvとなっている。デー
タ線のプリチャージ信号/Pが高電位であるのですべて
のデータ線はプリチャージ回路PCによりVL/2に充
電される。センスアンプの共通駆動線C5P、C5Nも
VL/2に充電される(共通駆動線のプリチャージ回路
は図示せず)、共通データ線はVt、/2に充電されて
いる。 メモリの読出し動作は次のようである。プリチャージ信
号/Pが低電位となる。次に、Xデコーダによりワード
線W。が選択され、高電位になる。 これにより、ワードmw、につながるメモリセルからデ
ータ線に信号が取り出される。ここではデータ線り。、
Dnに信号が呪われる。これによりり。、Dnの電位は
Vt、/2から少し変化する。一方、データ線/D、、
/D、(7)電位はVL/2+7)ままである。次に、
センスアンプ駆動信号P工、/P工がそれぞれ高電位、
低電位となりセンスアンプを動作させる。これにより対
となるデータ線は高電位のVL、低電位のOvにわかれ
る。この後、Xデコーダによりスイッチ回路YSのうち
一つが選択される。ここでYoが高電位になるとすると
、データ線D0、/D0と共通データ線CD、/CDが
つながる。これによりメモリセルから取り比された信号
は共通データ線に取り出される。この信号はさらに増幅
されチップ外に取り出される。この後、YoがOvにな
る。次に、ワード線w0がoVになる。次に、センスア
ンプ駆動信号P工、/P工がそれぞれ低電位、高電位と
なる。その後、プリチャージ信号/Pが高電位となり、
データ線、センスアンプの共通駆動線C5P、C5Nを
VL/2に充電する。 メモリセルへの書込み動作は次のようである。 センスアンプSAがメモリセルから取り出した信号を増
幅するまでは読出し動作と同じである。次に、Xデコー
ダによりスイッチ回路YSのうち一つが選択される。こ
こでYoが高電位になるとすると、データ線Do 、 
/ D 0と共通データ線CD、/CDがつながる。こ
の時、データ入力バッフ7(ここでは図示せず)にチッ
プ外部からデータが入力される。このデータが共通デー
タ線、データ線を介してメモリセルに書き込まれる。こ
の後、YoがOVになる。次に、ワード11waがOV
になる0次に、センスアンプ駆動信号Pい/P、がそれ
ぞれ低電位、高電位となる。その後、プリチャージ信号
/Pが高電位となり、データ線、センスアンプの共通駆
動線C5P、C8NをVt、/2に充電する。 以上述べたように、電圧降圧回路の負荷容量はセンスア
ンプが動作するとき非常に大きくなり。 センスアンプがオフ状態のときほとんど無くなる。 したがって、メモリアレー用の電圧降圧回路では位相補
償回路を電圧降圧回路の出方端に設けることにより安定
化が図れる。 以上、電圧降圧回路の位相補償を例に本発明を述べたが
、本発明は増幅回路を用いた電源回路で、負荷回路が容
量性の負荷を充放電する回路であれば前記各実施例と同
様の効果が得られる。 【発明の効果】 電圧降圧回路に用いている増幅回路の利得は周波数がポ
ール周波数を越えて増加してもOdB以下になるまで一
20dB/decの傾きで減少する。したがって、利得
がOdB以上で位相が180度ずれることはない、これ
により電圧降圧回路の安定化が図れる。また、増幅回路
A□の方がA2より高い周波数まで動作するので外部電
源電圧に周波数の高いノイズが乗っても内部電源電圧が
変動しない。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の電圧降圧回路を搭載した半
導体装置の回路図と利得−周波数特性図、第2図は従来
の電圧降圧回路を搭載した半導体装置の概略構成図、第
3図は従来の電圧降圧回路を搭載した半導体装置の回路
図と利得−周波数特性図、第4図は本発明の一実施例の
電圧降圧回路を搭載した半導体装置の回路図と利得−周
波数特性図、第5図は本発明の一実施例の電圧降圧回路
を搭載した半導体装置の回路図と利得−周波数特性図お
よび位相−周波数特性図、第6図は本発明の一実施例の
電圧降圧回路を搭載した半導体装置の回路図とタイミン
グチャートである。 符号の説明 10・・・半導体チップ、20・・・電圧降圧回路、3
0・・・負荷回路、40・・・基準電圧発生回路、50
・・・外部電源電圧の入力端子、A・・・増幅回路、C
C・・・位相補償回路、MA・・・メモリアレー、XD
・・・Xデコーダ、YD・・・Xデコーダ、MC−・・
メモリセル、PC・・・プリチャージ回路、SA・・・
センスアンプ、YS・・スイッチ回路。 SAD・・・センスアンプ駆動口 集 7に音ア電ジ駅′w斤 Vcc= ψ今77゜ あ 日 (へ) 系 図 83 @ (久) 第 図 (C) )TI蹟数(Ht) 藁 図 (へ) 14図 (へ) Y 4 図 (し) u道N (Ht) 1 5 口 (b) 爆 す 図 (^) co、Cp V1/2 巣 乙 図 (し)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、半導体チップの外部から供給する電源電圧を受けて
    チップ内で使う電圧を作る第1の回路と、第1の回路で
    作った電圧を使って動作する第2の回路を含み、第1の
    回路は少なくとも二つの増幅回路の従属接続回路を含み
    、その二つの増幅回路の後段の増幅回路の出力端子に第
    2の回路をつないだ半導体装置で、上記増幅回路の後段
    の増幅回路の出力端子に増幅回路の入力信号と出力信号
    の位相のずれを小さくする位相補償回路を接続したこと
    を特徴とする半導体装置。 2、半導体チップの外部から供給する電源電圧を受けて
    チップ内で使う電圧を作る第1の回路と、第1の回路で
    作った電圧を使って動作する第2の回路を含み、第2の
    回路は容量性の負荷を充放電する回路であり、第1の回
    路は少なくとも二つの増幅回路の従属接続回路を含み、
    その二つの増幅回路の後段の増幅回路の出力端子に第2
    の回路をつないだ半導体装置で、上記増幅回路の後段の
    増幅回路の出力端子に増幅回路の入力信号と出力信号の
    位相のずれを小さくする位相補償回路を接続したことを
    特徴とする半導体装置。 3、該第2の回路はダイナミックメモリを構成する回路
    であることを特徴とする特許請求の範囲第2項記載の半
    導体装置。 4、該第2の回路はダイナミックメモリの内、少なくと
    も情報を蓄積するメモリセル、メモリセルへの情報の入
    力、出力に使われるデータ線を含むメモリアレーである
    ことを特徴とする特許請求の範囲第2項記載の半導体装
    置。 5、該位相補償回路は抵抗とコンデンサの直列接続の回
    路であることを特徴とする特許請求の範囲第2項、第3
    項、第4項記載の半導体装置。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7208924B2 (en) 2002-06-20 2007-04-24 Renesas Technology Corporation Semiconductor integrated circuit device

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