JPH05507576A - 低スタンバイ電流中間直流電圧発生器 - Google Patents

低スタンバイ電流中間直流電圧発生器

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JPH05507576A JP92506432A JP50643292A JPH05507576A JP H05507576 A JPH05507576 A JP H05507576A JP 92506432 A JP92506432 A JP 92506432A JP 50643292 A JP50643292 A JP 50643292A JP H05507576 A JPH05507576 A JP H05507576A
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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】 ス ンバイ ゛ 艮五盆! 本発明は、直流電圧発生器の分野に関するものであり、とりわけ、集積回路に用 いられる低スタンバイ電流中間直流電圧レベルを発生する直流電圧発生器に関す るものである。
11挟■ 集積回路の用途には、小電力動作を必要とするものがいくつかある。例えば、C MOSベースの(相補型金属酸化膜半導体)集積回路は、一般に小電力回路であ る。さらに、可搬式コンビュータまたはパフテリ式装置のように、電力消費を最 小限に抑えることが望ましい場合がよくある。
集積回路の動作には、信号と基準電圧のような基準レベルとの比較が必要になる 場合がよ(ある。記憶セルの最適な、信頼に足る動作を確保するため、オン・チ ップ直流電圧発生器を利用して、DRAMメモリ・アレイのコンデンサ・プレー トにバイアスをかける場合がよくある。これらの基準電圧は、一般に、直流電圧 発生器によって発生する。図1には、直流電圧発生器の一例が示されている。
図1の先行技術による電圧発生器は、2つの相補対をなすソース結合トランジス タから構成される。第1の対をなすトランジスタは、1対のバイアス回路からド レーン及びゲート電流を受け取って、供給電圧を所望の基準電圧に変換する。
第2の相補対をなすトランジスタは、ゲートが第1の対をなすトランジスタのト レー7に結合されている。この第2の対をなすトランジスタは、ドライバ・トラ ンジスタの働きをし、ソースに結合された接合から出力を供給する。
図1を参照すると、直流発生器は、第1の相補対をなすトランジスタN1及びP I、第2の相補対をなすトランジスタN2及びP2、及び、バイアス回路11及 びI5から構成される。vCC供給電圧10が、バイアス回路11に加えられる 。バイアス回路11は、トランジスタNlのドレーンであるノード12から出力 を送り出す。ノード12は、トランジスタN1のゲートにも結合されている。
トランジスタN1のソースは、/−ド13においてトランジスタP1のソースに 結合されている。ノード13は、トランジスタP1の本体にも結合されている。
トランジスタPIのゲートは、ノード14においてトランジスタPIのドレーン に結合されている。ノード14は、バイアス回路15に結合されている。バイア ス回路15は、アースにも結合されている。バイアス回路11及びバイアス回路 15は、それぞれ、ノード12及び14からバイアス電流を供給するのに適した 任意のバイアス回路とすることができる。ノード13における電圧VIIEFは 、この回路の所望の基準電圧である。
VCC供給電圧lOは、トランジスタN2のドレーンにも結合されている。トラ ンジスタN2のゲートは、ノード12に結合されており、トランジスタN2のソ ースは、ノード16に結合されている。ノード16は、トランジスタP2のソー スに結合されている。トランジスタP20ドレーンは、アースに結合され、トラ ンジスタP2のゲートは、ノード14に結合されている。トランジスタN2及び P2は、駆動トランジスタであり、ノード16から出力電圧V 0LITを送り 出す。
VOLrTは、はぼvRεFに等しい。
ノード12における電圧は、 V REF+ VTNIによって示される。ノー ド14における電圧は、VREF−lvTptl(トランジスタPiのターン・ オン電圧)によりって示される。これらの電圧は、それぞれ、トランジスタN2 及びP2のゲートに加えられる。トランジスタN2及びP2のゲート電源電圧は 、下記によって示される。
Vcs+s2+−(VRar+V丁Nt) −VOLJTVca+p2+ −( VREF−I VTPI l ) −VOUT従って、ノード16における出力 電圧VouTは、vOl、J−rNとVoυTPの間にクランプされるが、これ については、下記のように示される。
VoU1=VRP:r+V丁Nl−VrN2=Vpgp−(VTN2 VTNI )Voutp=vRaF−l VTPII + l V丁P21 =V*ev+  (l VTP?、l −I Vrpl l)ここで、VTN2及びVTP2は 、トランジスタN2及びP2のターン・オン電圧である。
先行技術による電圧発生器の欠点は、プロセス余裕度の広い、安定した低スタン バイ電流能力を備えた中間基準電圧を提供することができない点にある。これは 、部分的には、トランジスタNZ、N2、PI、及びP2の間における関係によ るものである。トランジスタN2のターン・オン電圧VTN2は、一般に、トラ ンジスタNlのターン・オン電圧V TN l以下である。トランジスタP2の ターン・オン電圧VTP2は、一般に、トランジスタP1のターン・オン電圧V TPI以下である。
従って、図5に示すように、スタンバイ・モードで機能している間ドライバ・ト ランジスタN2及びP2の両方が同時にオンになり、数百マイクロ・アンペアの 11′ftが流れることがある。図5には出力電圧対供給電圧のグラフが示され ている。
回路の動作範囲には、N2とP2の両方がオンになり、電流が流れる領域50が ある。これは、低スタンバイ電流動作には有効ではない。
トランジスタN1及びN2のターン・オン電圧の関係は、チャネル長及びチャネ ル幅によって影響される。トランジスタN1は、関連する幅WNIとチャネル長 LNIを備えている。トランジスタP1は、幅WPI及び長さI−P 1を備え ている。トランジスタN2は、幅WN2及び長さLN2を備え、トランジスタP 2は、幅WP2及び長さLP2を備えている。
Nl及びN2のチャネル長はほぼ等しい。すなわち、LNIは、LN2にほぼ等 しい。さらに、トランジスタPi及びP2のチャネル長がほぼ等しいので、LP lはLP2にほぼ等しい。
固定トランジスタ幅を有するトランジスタの場合、しきい電圧は、チャネル長が 短くなるにつれて低下する。これは、「短チヤネル効果」として知られており、 図3に示されている。図3は、しきい電圧VT(ボルト表示)対トランジスタ・ チャネル長(ミクロン表示)の絶対値のグラフである。トランジスタ幅が6〜1 0ミクロンで、チャネル長が約0.6ミクロンのトランジスタの場合、しきい電 圧lc約0.6ボルトの値になる。チャネル長が約1ミクロンのトランジスタの 場合、しきい電圧は、約0.フボルトになる。しきい電圧は、チャネル長ととも に上昇し、約3.0ミクロンで横ばいになる。図3における横ばいポイントは用 いられるプロセス・テクノロジによって決まる。
しきい電圧VTは、トランジスタの幅によっても決まる。固定チャネル長のトラ ンジスタの場合、しきい電圧はトランジスタ幅の減少につれて低下する。しきい 電圧に対するトランジスタ幅の効果は、「狭幅効果jとして知られており、図4 に示されている。しきい電圧は、4つの狭いトランジスタ幅でトランジスタ幡に 反比例する。例えば、チャネル長が1.2ミクロンで、幅が約2ミクロノのトラ ンジスタのしきい電圧は、約1.3ボルトである。幅が約4ミクロンのトランジ スタのしきい電圧は、約0.95ボルトである。し合い電圧は、トランジスタの 幅が増すにつれて低下し、トランジスタ幅が約8〜10ミクgンに広がると、横 ばいになる。図4における横ばいポイントは、用いられるプロセス・テクノロジ によって決まる。
本l更二!L 本発明は、低スタンバイ電流をもたらす、中間直流電圧発生器に関するものであ る。本発明は、基準電圧レベルを発生するCMOSベースの集積回路である。
本発明は、このタスクを達成し、同時に、電力消費を最小限に抑えることによっ て、可搬式コンピュータまたは他のバフテリ式装置に適用できる。
本発明では、先行技術による箪2段のトランジスタを、チャネル長が初段のトラ ンジスタのチャネル長より長いトランジスタに置き換える。これによって、第2 段のトランジスタのターン・オン電圧が上昇する。さらに、箪2段のトランジス タのチャネル幅は初段のトランジスタのチャネル幅より狭いので、ターン・オン 電圧がさらに上昇する。こうして、図6に示すように、本発明の構成によれば、 回路の動作中N2またはPlが通常はオフのため、箪2段のトランジスタによっ て流れるスイッチング及びスタンバイ電流が減少する。領域60では、PlとN 2は、回路の動作中両方ともオフになる。したがつてスタンバイ・モードの間は 、バイアス回路が電流を流す唯一の回路である。本発明のバイアス電流は、5〜 lOマイクロ・アンペアの範囲内に指定されている。
本発明は、各トランジスタのソースに結合されたバイアス回路を備える箪lの対 をなす相補形MO3)ランジスタを有する。前記第lの対をなすPMOSトラン ジスタのソースは、互いに並列に結合された複数のPMO9)ランジスタのゲー トにも結合されている。前記第1の対をなすNMOSトランジスタのソースが、 互いに並列に結合された複数のNMOSトランジスタのゲートにも結合されてい る。両方の組をなす複数のトランジスタの結合されたドレーンは、互いに結合さ れているが、これは、出力電圧が取り出される場所である。
本発明は、第2の対をなすCMOS)ランジスタを、互いに結合された複数のC MOSベースの並列トランジスタに置き換えることによって、狭幅効果を利用し 、先行技術の直流発生器を改良するものである。小電力直流電圧発生器を適正に 動作させるには、第2の対をなすNMOSトランジスタとPMOSトランジスタ を同時にオンにする必要があり、従って、第2の対をなすNMOSトランジスタ とPMO]hMOSトランジスタ電圧は、第1の対をなすNMOSトランジスタ とPMO3)ランジスタのしきい電圧より高くなければならない。元のNMOS トランジスタとPMO3)ランジスタを分割して、複数の並列をなすNMOSト ランジスタとPMO8)ランジスタにすることによって、連続したNMOSトラ ンジスタとPMOSトランジスタはしきい電圧を直接上昇させる狭い幅を有して いる。
本発明は、第2の対をなすチャネルの長さが、確実に、第1の対をなすNMOS トランジスタとPMOSトランジスタからのチャネルの長さを超えるようにする ことによって、短チヤネル効果も利用している。この結果、チャネルが長くなる ことによって、第2の対をなすNMO!MOSトランジスタO5)ランジスタの しきい電圧が、第1の対をなすNMOS)ランジスタとPMO3)ランジスタの しきい電圧に比べて高くなる。
区i盈i艶笠区更 図1は、先行技術による直流電圧発生器を表した回路図である。
図2は、本発明の望ましい実施例の回路図である。
図3は、MOS)ランジスタのしきい電圧とチャネル長の関係を示すものである 。
図4は、MOSトランジスタのしきい電圧とトランジスタの幅の関係を示すもの である。
図5は、先行技術による直流電圧発生器のN2及びPlのターン・オン条件を示 す図である。
図6は、本発明の箪2の対をなすNMOSトランジスタとPMOSI−ランジス タのターン・オン条件を示す図である。
日を るための の七。
主として集積回路に用いられる低スタンバイ電流及び中間直流電圧レベルを発生 する直流電圧発生器について述べることにする。下記の説明において、しきい電 圧レベル、トランジスタ・チャネル幅、及びチャネル長さの明細といった多くの 特定の細部について、詳細に述べることによって、本発明の説明をより完全なも のにする。ただし、当該技術の熟練者には明らかなように、本発明は、こうした 特定の詳述がなくても、実施可能である。他の実施例の場合、本発明が曖昧にな らないように、周知の特徴についての説明は行わない。
本発明の望ましい実施例は、MOS)ランジスタに固有の特性に関する新規の利 用に依存するものである。直流電圧発生器における低スタンバイ電流を維持する ため、短チヤネル効果及び狭幅効果が利用される。これらの特性によりて、本発 明は、DRAM直流電圧発生器に関連したスタンバイ電流を減少させ、同時に、 直流電圧発生器によって得られる長所を維持することが可能になる。これらの長 所には、動作電流が少なく、より高速で、セルの信頼性が高(、ビット線の検知 機構が優れているといった点がある。
本発明は、短チヤネル効果及び狭幅効果を利用して、トランジスタN2及びPl のしきい電圧がトランジスタN1及びPlのしきい電圧より高くなることを保証 する。これによって、電圧発生器の通常の動作時に、トランジスタN2とPlが 同時にオンになるのが阻止される。トランジスタN2がオフの場合、VOUTは 、V RI:Fにほぼ等しくなる。さらに、バイアス回路における5〜10マイ クロ・アンペアの範囲の動作電流を減少させることによって、極めて低いスタン ノイイ電流レベルを達成することができる。本発明の箪2段のトランジスタは、 チャネル長が初段のトランジスタのチャネル長より長い。結果として、図3のし きい電圧とチャネル長の関係に示されるように、第2段のトランジスタは、しき い電圧が初段のトランジスタのしきい電圧より高い。さらに、本発明の第2段の トランジスタは、チャネル幅が、初段のトランジスタに比べて狭い。図4のしき い電圧対トランジスタ幅のグラフに示すように、この結果、しきい電圧が初段の トランジスタに比べて高くなる。
本発明の望ましい実施例では、先行技術による第2段のCMOSトランジスタ対 のNMOSトランジスタは、互いに並列に結合され、そのW/Lの和が元のNM OSトランジスタのトランジスタW/Lに等しくなる複数組のNMOSトランジ スタに置き換尤る。また、先行技術による第2段のCMOS)ランジスタ対のP MOSトランジスタを、互いに並列に結合され、そのW/Lの和が先行技術によ るPMOSトランジスタのトランジスタW/Lに等しくなる複数組のPMOSト ランジスタに置き換える。この設計は、第2段のしきい電圧がCMO8初段のし きい電圧より高(なり、なおかつ、先行技術における直流電圧発生器の電流駆動 能力が同じに保たれることを保証するために実施される。この結果、さらに、直 流電圧発生器の最適な動作が確保される。
図2には、本発明の望ましい実施例が示されている。本発明の直流電圧発生器は 、第1の相補対をなすトランジスタNl及びPl、第2段の相補形トランジスタ ・ブロック17及び18から構成され、ブロック17は、並列をなす複数のPM OSトランジスタであるブロック18に、ソースが結合された並列な複数のNM OSトランジスタである。NMO8)ランジスタN1のドレーンは、ノード12 でバイアス回路11に結合されているだけでなく、それ目体のゲート端子にも結 合されている。ノード12は、ブロック17において並列に結合されたNMOS トランジスタのゲート端子にも結合されている。Iイイアス回路11は、電源l Oに結合されている。NMOS トランジスタN1のソースは、ノード13にお いてPMOSトランジスタPIのソースに結合されており、ここから基準電圧v +ti2が取り出される。トランジスタP1のしきい電圧を低下させる本体効果 を最小限に抑えるため、ノード13には、トランジスタP1本体の端子も結合さ れてtする。
ノード14にトランジスタP1のゲート及びドレーンとフイイアス回路15が、 互いに結合されている。ノード14は、ブロック18内のPMOSトランジスタ のゲートにも結合される。バイアス回路15はアースに結合される。ブロック1 8内のトランジスタのドレーンはアースに結合される。ブロック18内のトラン ジスタのソースは、ノード16において、ブロック17内のトランジスタのソー スに結合される。出力電圧VOtJTがノード16から取り出される。ブロック 17内のトランジスタのドレーンは、電源VcclOに結合されるO本発明では 、スタンバイ電流を減少させるため、VOIJTが、プロ1り17におtlて、 Vutrまで引き上げられると、ブロック17及び18がオフになり、スタンバ イ電流が最小限に抑えられる。本発明では、トランジスタN1及びPlのしきい 電圧がブロック17及び18におけるトランジスタのしきい電圧より低(なるこ 慮に入れると分かるように、短チャネルによる低下はV丁になる。
狭幅効果は、ゲートて誘導される空間電荷の一部が、フリンジ電界で失われて、 空乏電荷が増し、これによって、さらに、し合い電圧が上昇するので、しきい電 終えるものとする。
FIG、3 要約 基準電圧レベルを発生する中間直流電圧発生器は、CMO5積分回路を有し、携 帯型コンビ二一夕その他の電池で動作する機器のために電力消耗を最小とするよ うに低スタンドバイ電流とされている。本発明は従来の第2段のトランジスタ( 17,18)を第1段のトランジスタ(Nl、PI)のチャネル長より長くする 。この結果第2段のトランジスタのターンオン電圧が高くなる。さらに、第2段 のトランジスタのチャネル幅を第1段のトランジスタのチャネル幅より狭くして ターンオン電圧をさらに高める。このようにして、142段のトランジスタがオ フとなり、この第2段でのドライバトランジスタによるスイッチング電流および スタンドバイ電流を減少させ、かつ中間レベル基準電圧が供給される。
国際調査報告

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.第2の導電性タイプの第2のトランジスタと直列に結合された、第1の導電 性タイプの第1のトランジスタからなる第1のCMOSトランジスタ段と、前記 第1のトランジスタに結合された第1のバイアス手段と、前記第2のトランジス タに結合された第2のバイアス手段と、前記第2の導電性タイプのトランジスタ が並列に結合された第2のトランジスタ組に直列合された、前記第1の導電タイ プのトランジスタが並列に結合された第1のトランジスタ組からなる第2のCM OSトランジスタ段とを有する低スタンバイ電流を発生するための直流電圧発生 回路。 2.前記第1の導電性タイプが、Nタイプであることを特徴とする請求の範囲1 に記載の直流電圧発生回路。 3.前記第2のCMOSトランジスタ段における前記第1のトランジスタ列のチ ャネル長が、前記第1のトランジスタのチャネル長より長いことを特徴とする請 求の範囲2に記載の直流電圧発生回路。 4.前記第2のCMOSトランジスタ段における前記第1のトランジスタ列のチ ャネル幅が、前記第1のトランジスタのチャネル幅より狭いことを特徴とする請 求の範囲3に記載の直流電圧発生回路。 5.前記第1のトランジスタ列のしきい電圧が、前記第1のトランジスタのしき い電圧より高い請求の範囲4に記載の直流電圧発生回路。 6.前記回路の通常の動作で、前記第1及び第2のCMOSトランジスタ段にお ける出力電圧がほぼ同じであり、前記第1と第2のトランジスタ列がオフである 請求の範囲5に記載の直流電圧発生回路。 7、供給電圧に結合された第1のバイアス手段と、第1のノードにおいて前妃第 1のバイアス手段に結合され、チャネル長L1及びチャネル幅W1を備えた第1 の導電性タイプの第1のトランジスタ手段と、前記第1のトランジスタ手段に結 合され、チャネル長L2及びチャネル幅W2を備えた第2の導電性タイプの第2 のトランジスタ手段と、第2のノードにおいて前記第2のトランジスタ手段に結 合された第2のバイアス手段と、 前記第1のノード及び前記供給電圧に結合され、チャネル長L3及びチャネル幅 W3を備えた第1の導電性タイプの第3のトランジスタ手段と、前記第2のノー ドに結合されるとともに、第3のノードにおいて前記第3のトランジスタ手段に 結合され、チャネル長L4及びチャネル幅W4を備えた第2の導電性タイプの第 4のトランジスタ手段とから構成され、前記第3のノードから出力電圧を生じ、 前記第3と第4のトランジスタ手段のしきい電圧が、前記第1と第2のトランジ スタのしきい電圧より低い出力電圧発生回路。 8.L3がし1より長い請求の範囲7に記載の出力電圧発生回路。 9.L4がし2より長い請求の範囲7に記載の出力電圧発生回路。 10.W3がW1より広い請求の範囲7に記載の出力電圧発生回路。 11.W4がW2より広い請求の範囲7に記載の出力電圧発生回路。 12.前記第1の導電性タイプがNタイプである請求の範囲7に記載の出力電圧 発生回路。 13.前記第3のトランジスタ手段が並列に結合された複数のNタイプトランジ スタから成る請求の範囲7に記載の出力電圧発生回路。 14.前記第4のトランジスタ手段が並列に結合された複数のPタイプトランジ スタから成る請求の範囲7に記載の出力電圧発生回路。 15.前記第1のトランジスタ手段が、ドレーンとゲートが前記第1のノードに 結合されたNタイプのトランジスタからなる請求の範囲7に記載の出力電圧発生 回路。 16.前記第2のトランジスタ手段が、ドレーンとゲートが前記第2のノードに 結合され、ソースが前記第1のトランジスタ手段のソースに結合されたPタイプ のトランジスタからなる請求の範囲7に記載の出力電圧発生回路。 17.供給電圧に結合された第1のバイアス手段と、第1のノードにおいて前記 第1のバイアス手段に結合され、チャネル長し1及びチャネル幅W1を備えた第 1の導電性タイプの第1のトランジスタ手段と、前記第1のトランジスタ手段に 結合され、チャネル長L2及びチャネル幅W2を備えた第2の導電性タイプの第 2のトランジスタ手段と、第2のノードにおいて前記第2のトランジスタ手段に 結合された第2のバイアス手段と、 前記第1のノード及び前記供給電圧に結合され、チャネル長し3及びチャネル幅 W3を備え、L3がし1より長く、W3がW1より狭くなっている第1の導電性 タイプの第3のトランジスタ手段と、前記第2のノードに結合されるとともに第 3のノードにおいて前記第3のトランジスタ手段に結合され、チャネル長L4及 びチャネル幅W4を備え、L4かL2より長く、W4がW2より狭くなっている 第2の導電性タイプの第4のトランジスタ手段とから構成され、 前記第3のノードから出力電圧を生じ、前記第3と第4のトランジスタ手段のし きい電圧が、前記第1と第2のトランジスタのしきい電圧より低い出力電圧発生 回路。 18.前記第1の導電性タイプがNタイプである請求の範囲17に記載の出力電 圧発生回路。 19.前記第3のトランジスタ手段が並列に結合された複数のNタイプトランジ スタから成る請求の範囲17に記載の出力電圧発生回路。 20.前記第4のトランジスタ手段が並列に結合された複数のPタイプトランジ スタからなる請求の範囲17に記載の出力電圧発生回路。 21.前記第1のトランジスタ手段がドレーンとゲートが前記第1のノードに結 合されたNタイプのトランジスタからなる請求の範囲17に記載の出力電圧発生 回路。 22.前記第2のトランジスタ手段が、ドレーンとゲートが前記第2のノードに 結合され、ソースが前記第1のトランジスタ手段のソースに結合されたPタイプ のトランジスタからなる請求の範囲17に記載の出力電圧発生回路。
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