(57)【要約】【課題】温度変化に対して出力電圧の変動を抑えることができる昇圧回路を提供する。【解決手段】温度依存クロック生成部１１は、温度に依存して、温度が高くなるほど周波数が高くなる昇圧回路駆動クロック１５を生成する。昇圧電圧生成部１２は、チャージポンプとして構成され、昇圧回路駆動クロック１５で駆動される。負荷回路１４におけるリーク電流を主成分とする定常電力消費は、温度が高くなるほど大きくなるが、昇圧電圧生成部１２を、温度が高くなるほど周波数が高くなる昇圧回路駆動クロック１５で駆動することにより、昇圧電圧生成部１２が供給する電力が増加するため、負荷回路１４の定常電力消費の増加に起因する出力電圧の変動を抑えることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度に依存した周波数のクロック信号を生成するクロック生成部と、
前記クロック信号に基づいてポンピング動作を行い、負荷回路に供給する昇圧電圧を発生させる昇圧電圧生成部とを備えたことを特徴とする昇圧回路。
【請求項２】
前記クロック生成部は、温度が高くなるほど前記クロック信号の周波数を高くする、請求項１に記載の昇圧回路。
【請求項３】
前記クロック生成部は、前記クロック信号の周波数が、温度増加に対して指数関数的に増加するように、前記クロック信号の周波数を制御する、請求項１又は２に記載の昇圧回路。
【請求項４】
前記クロック生成部は、
高電位側電源と低電位側電源との間に直列に挿入されたプリチャージ用トランジスタ及びリーク電流源と、前記プリチャージ用トランジスタと前記リーク電流源との接続ノードを判定ノードとして、該判定ノードの電位と所定の基準電位とを比較し、比較結果を出力する増幅器とを備え、
前記増幅器の出力に基づいて前記プリチャージ用トランジスタのオン／オフを制御し、クロックを生成する、請求項１〜３の何れか一に記載の昇圧回路。
【請求項５】
前記増幅器は、前記プリチャージ用トランジスタがオフされた後に、前記判定ノードの電位が前記基準電位にまで低下すると、出力を反転させて前記プリチャージ用トランジスタをオンする、請求項４に記載の昇圧回路。
【請求項６】
前記リーク電流源が、ゲート及びソースが前記低電位側電源に接続されたＮ型トランジスタを含む、請求項４又は５に記載の昇圧回路。
【請求項７】
前記負荷回路の動作クロック信号で駆動され、前記負荷回路に供給する昇圧電圧を生成する別の昇圧電圧生成部を更に備える、請求項１〜６の何れか一に記載の昇圧回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、昇圧回路に関し、更に詳しくは、クロック信号で駆動され、ポンピング動作により昇圧電圧を生成する昇圧回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ＤＲＡＭなどのメモリ回路では、ワード線選択などの際に電源電圧よりも高電圧の昇圧電圧が必要となる。昇圧電圧の生成には、入力電圧をキャパシタに蓄え、クロック信号によってポンピング動作を行うチャージポンプを用いることが多い。チャージポンプを用いた昇圧回路は、例えば特許文献１に記載されている。
【０００３】
一般に、昇圧回路では、クロック信号の周波数が高いほど、チャージポンプの動作を速めることができ、すばやく昇圧電圧を生成することができる。しかしながら、クロック信号の周波数が高いほど消費電力は増加するので、高い周波数のクロック信号でチャージポンプを駆動し続けると、消費電力が増大するという問題がある。特許文献１では、昇圧電圧の生成開始時には高い周波数のクロック信号でチャージポンプを駆動し、生成開始から所定時間の経過後は、低い周波数のクロック信号でチャージポンプを駆動する。このようにすることで、昇圧電圧をすばやく生成することができる一方、出力電圧が昇圧電圧まで上昇した後の消費電力を抑えることができる。
【０００４】
ここで、昇圧回路によって生成された昇圧電圧によって動作する負荷回路を考えると、負荷回路による電力消費には、トランジスタ等のスイッチングによる充放電による電力消費と、スイッチング動作とは無関係のトランジスタのリーク電流等を主成分とする定常電力消費との２つの成分が考えられる。昇圧回路は、これら２つの成分に対応して、スイッチング動作に伴う電力消費分による電圧低下を補償する昇圧回路と、定常電力消費による電圧低下を補償する昇圧回路との２つの昇圧回路を備えることが多い。
【０００５】
上記２つの昇圧回路のうち、スイッチングに伴う電力消費による電圧低下を補償するための昇圧回路は、負荷回路の動作クロック信号に応じた周期のクロック信号で駆動される。これは、負荷回路において、スイッチング動作が行われる回数は、動作クロックに依存するので、負荷回路の動作速度が速くなるほど、チャージポンプの動作を速める必要があるためである。一方、リーク電流に伴う電流消費は、負荷回路の動作速度とは関係なく一定であるので、一般に、定常電力供給用の昇圧回路は、固定クロックで駆動される。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１７３２８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、半導体の微細化に伴い、トランジスタのリーク電流が回路動作に与える影響が無視できなくなっている。消費電力についても、微細化に伴い、リーク電流による定常電流の占める割合が大きくなっている。定常電力の主成分は、トランジスタのリーク電力であり、そのリーク電流は、温度に大きく依存する。すなわち、温度が高いほどリーク電流は大きくなり、温度が低いほどリーク電流は小さくなる。一般に、チャージポンプは出力インピーダンスが高く、定常電力供給用の昇圧回路を固定クロックで駆動する従来の昇圧回路では、温度に依存して変化する定常電力に追従して電力を供給することができず、出力電圧が変動するという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、温度変化に依存して負荷回路の電力消費に変動があるときでも、出力電圧の変動を抑えることができる昇圧回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の昇圧回路は、温度に依存した周波数のクロック信号を生成するクロック生成部と、前記クロック信号に基づいてポンピング動作を行い、負荷回路に供給する昇圧電圧を発生させる昇圧電圧生成部とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の昇圧回路では、クロック信号生成部にて、温度に依存して周波数が変化するクロック信号を生成し、このクロック信号で、昇圧電圧生成部を駆動する。昇圧回路が生成した昇圧電圧で動作する負荷回路での電力消費を考えると、動作速度が一定であるとすれば、トランジスタのリーク電流は温度に依存して増加することから、温度上昇に伴って消費電力も増加すると考えられる。そこで、昇圧電圧生成部を駆動するクロック信号の周波数を温度変化に依存して変化させ、昇圧回路から負荷回路に供給する電力を増やす。温度が高くなるほど、クロック信号生成回路にて生成するクロック信号の周波数を高くすることで、昇圧回路が負荷回路に供給する電力を、温度上昇に起因する負荷回路の消費電力の増加分に見合う分だけ増加させることができる。これにより、昇圧回路の出力電圧を、温度変化に対して安定化させることができる。
【００１１】
本発明の昇圧回路では、前記クロック生成部は、温度が高くなるほど前記クロック信号の周波数を高くする構成を採用できる。この場合、前記クロック生成部は、前記クロック信号の周波数が、温度増加に対して指数関数的に増加するように、前記クロック信号の周波数を制御する構成が好ましい。一般に、トランジスタのリーク電流は、温度変化に対して指数関数的に増加する。従って、負荷回路のリーク電流による消費電力は、温度に対して指数関数的に増加する。クロック信号の周波数を、温度変化に対して指数関数的に変化させ、昇圧回路が負荷回路に供給する電力を、温度変化に対して指数関数的に変化させることで、負荷回路における消費電力の増加分を、昇圧回路が供給する電力の増加分で補うことができ、温度が変動したときでも、昇圧回路の出力電圧を一定に保つことができる。
【００１２】
本発明の昇圧回路では、前記クロック生成部は、高電位側電源と低電位側電源との間に直列に挿入されたプリチャージ用トランジスタ及びリーク電流源と、前記プリチャージ用トランジスタと前記リーク電流源との接続ノードを判定ノードとして、該判定ノードの電位と所定の基準電位とを比較し、比較結果を出力する増幅器とを備え、前記増幅器の出力に基づいて前記プリチャージ用トランジスタのオン／オフを制御し、クロックを生成する構成を採用できる。この場合、判定ノードの電位変化の速度は、リーク電流源を流れる電流によって決定し、クロック信号の周期は、電位変化の速度によって決定される。従って、リーク電流源に温度依存性を持たせることで、温度に依存して周波数が変化するクロック信号を生成できる。
【００１３】
本発明の昇圧回路では、前記増幅器は、前記プリチャージ用トランジスタがオフされた後に、前記判定ノードの電位が前記基準電位にまで低下すると、出力を反転させて前記プリチャージ用トランジスタをオンする構成を採用できる。また、本発明の昇圧回路では、前記リーク電流源が、ゲート及びソースが前記低電位側電源に接続されたＮ型トランジスタを含む構成を採用できる。リーク電流源に、ソースとゲートとが低電位側電源に接続されたＮ型のトランジスタを用いる場合、クロック信号の周期は、判定ノードの電位がプリチャージ用トランジスタがオンすることで基準電位以上の電位となる時点から、プリチャージ用トランジスタがオフし、リーク電流源を流れる電流によって判定ノードの電位が基準電位よりも低くなる時点までの時間差で決定することになる。リーク電流源を構成するＮ型トランジスタを流れるリーク電流は、温度が高くなるほど大きくなり、判定ノードの電位は、温度が高いときほど電位低下が速い。従って、このような構成のクロック生成部を用いることで、トランジスタのリーク電流の温度依存性と同等な温度依存性を有し、温度が高いときほど周波数が高くなるクロック信号を生成できる。
【００１４】
本発明の昇圧回路は、前記負荷回路の動作クロック信号で駆動され、前記負荷回路に供給する昇圧電圧を生成する別の昇圧電圧生成部を更に備える構成を採用できる。この、別の昇圧電圧生成部は、負荷回路の動作クロック信号で駆動されるため、動作クロック信号の周波数が高くなるほど、つまりは、負荷回路の動作速度が速くなるほど、負荷回路に供給する電力を増加させる。このような昇圧電圧生成部と、温度に依存して温度が高くなるほど負荷回路に供給する電力が増加する昇圧電圧生成部とを、負荷回路に対して並列に接続することで、負荷回路の動作速度の変化、及び、温度変化に対して、出力電圧を安定化できる昇圧回路を得ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の昇圧回路では、クロック信号生成部で、温度に依存して周波数が変化するクロック信号を生成し、そのクロック信号を用いて、昇圧電圧生成部を駆動する。温度が高くなるほど、クロック信号の周波数を高くすることで、昇圧電圧生成部から負荷回路に供給する電力を大きくすることができる。このようにすることで、負荷回路の消費電力が温度に依存して増加したときでも、その増加分に見合う分だけ昇圧電圧生成部から供給する電力を増やすことができ、温度変化に対して、出力電圧を安定化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態の昇圧回路の構成を示している。昇圧回路１０は、温度に依存したクロック信号を生成する温度依存クロック生成部１１と、昇圧電圧を生成する昇圧電圧生成部１２、１３とを備える。昇圧回路１０は、例えばＤＲＡＭ、ＦＬＡＳＨなどの内部に昇圧回路を持つようなメモリ回路で使用される。昇圧電圧生成部１２は、定常電力供給用の昇圧回路（チャージポンプ）であり、温度依存クロック生成部１１が生成したクロック信号（昇圧回路駆動クロック）１５で駆動される。昇圧電圧生成部１２は、ダイオードとキャパシタとを有し、昇圧回路駆動クロック１５に基づいてポンピング動作を行うことで、昇圧電圧を生成する。
【００１７】
昇圧電圧生成部１３は、負荷回路１４におけるスイッチング動作による電力消費を補償するための昇圧回路であり、負荷回路１４の動作クロック信号φで駆動される。昇圧電圧生成部１３は、ダイオードとキャパシタとを有し、クロック信号φに基づいてポンピング動作を行うことで、昇圧電圧を生成する。昇圧電圧生成部１２及び１３は、昇圧電源線１６に対して並列に接続されており、負荷回路１４には、昇圧電源線１６を介して、昇圧電圧生成部１２及び１３で生成された昇圧電圧が供給される。
【００１８】
温度依存クロック生成部１１は、温度に依存して周波数が変化する昇圧回路駆動クロック１５を生成する。温度依存クロック生成部１１は、温度が高くなるほど、昇圧回路駆動クロック１５の周波数を高くする。昇圧回路駆動クロック１５の温度依存性については、負荷回路１４内のトランジスタのリーク電流が温度変化に対して指数関数的に変化することから、昇圧回路駆動クロック１５の周波数が、温度変化に対して指数関数的に変化する特性とすることが好ましい。
【００１９】
図２は、温度依存クロック生成部１１の構成を示している。温度依存クロック生成部１１は、リーク電流源２１、プリチャージ用Ｐ型トランジスタ２３、増幅器２６、及び、ＡＮＤゲート２７を備える。リーク電流源２１及びプリチャージ用Ｐ型トランジスタ２３は、高電位側電源と低電位側電源との間に直列に挿入される。プリチャージ用Ｐ型トランジスタ２３のゲートは、ＡＮＤゲート２７の出力に接続されており、ＡＮＤゲート２７の出力論理によって、オン／オフが制御される。リーク電流源２１は、ゲート及びソースが低電位側電源に接続されたＮ型トランジスタで構成される。このＮ型トランジスタは、負荷回路１４内のトランジスタと同じプロセスで製造されている。リーク電流源２１を流れる電流は、温度依存性を有し、温度が高くなるほど、リーク電流源を流れる電流は大きくなる。
【００２０】
増幅器２６は、プリチャージ用Ｐ型トランジスタ２３とリーク電流源２１との接続ノード（判定ノード）２４と、基準電位Ｖｒｅｆとの比較結果を出力する。増幅器２６は、判定ノード２４の電位が、基準電位Ｖｒｅｆよりも高いときにはＨレベルを出力し、基準電位Ｖｒｅｆよりも低いときにはＬレベルを出力する。増幅器２６の出力は、インバータなどのバッファを介して、昇圧回路駆動クロック１５として出力されると共に、ＡＮＤゲート２７に帰還される。このとき、増幅器２６の出力と、ＡＮＤゲート２７の入力とが同位相となるように、バッファの段数などを設定する。ＡＮＤゲート２７は、増幅器２６の出力と、発振許可信号ｅｎとの論理積を出力する。
【００２１】
温度依存クロック生成部１１の発振動作について説明する。図３は、温度依存クロック生成部１１の各部の動作波形を示している。この例では、始め、発振許可信号ｅｎは、Ｌレベルに制御されており、ＡＮＤゲート２７の出力がＬレベルであるから、プリチャージ用Ｐ型トランジスタ２３はオンし、判定ノード２４の電位は、ほぼ高電位側電源電圧に等しくなっている。このとき、ＡＮＤゲートのもう一方の入力である昇圧回路駆動クロックはＨレベルとなる。発振許可信号ｅｎがＨレベルに変化すると、ＡＮＤゲート２７の出力はＨレベルとなり、プリチャージ用Ｐ型トランジスタ２３はオフする。
【００２２】
プリチャージ用Ｐ型トランジスタ２３がオフすることで、判定ノード２４の電位は、リーク電流源２１を介して電流が流れることで低下していく。判定ノード２４の電位低下の速度は、リーク電流源２１を流れる電流の大きさによって決定される。リーク電流源２１を構成するＮ型トランジスタを流れる電流は、負荷回路１４内のトランジスタのリーク電流と同様の温度依存性を有し、温度が高くなるほど、リーク電流源２１を流れる電流の大きさは大きくなる。従って、温度が高いほど、判定ノード２４の電位が低下する速度は速くなる。
【００２３】
判定ノード２４の電位が、基準電位Ｖｒｅｆよりも低くなると、増幅器２６の出力はＬレベルに変化する。増幅器２６から入力する信号がＬレベルになることで、ＡＮＤゲート２７は、出力をＬレベルに変化させる。これにより、プリチャージ用Ｐ型トランジスタ２３はオンし、判定ノード２４の電位は、ほぼ高電位側電源電圧にまで回復する。判定ノード２４の電位が基準電位Ｖｒｅｆよりも高くなることで、増幅器２６の出力はＨレベルに変化する。
【００２４】
増幅器２６の出力がＨレベルとなることで、ＡＮＤゲート２７の出力はＨレベルに変化し、プリチャージ用Ｐ型トランジスタ２３がオフすることで、判定ノード２４の電位は低下していく。このような動作を繰り返し行うことで、増幅器２６の出力は、Ｈレベルへの変化とＬレベルへの変化とを繰り返し、周期的にＨレベルとＬレベルとが交互に現れる昇圧回路駆動クロック１５が得られる。昇圧回路駆動クロック１５の周期は、判定ノード２４の電位低下速度で決まり、温度が高いほど、クロック周期が短くなる。言い換えれば、温度が高いほど、周波数が高くなる。
【００２５】
図４（ａ）は、トランジスタのリーク電流の温度依存特性を示す。トランジスタのリーク電流は、温度増加に対して指数関数的に増加する。昇圧回路駆動クロック１５の周波数は、リーク電流源２１を流れる電流が図４（ａ）に示すように温度増加に対して指数関数的に増加することで、図４（ｂ）に示すように、温度増加に対して指数関数的に増加する。一方、負荷回路１４における定常電力分の消費電力は、図４（ｃ）に示すように、温度増加に対して指数関数的に増加する。しかしながら、昇圧回路駆動クロック１５の周波数を温度増加に対して指数関数的に増加させることで、昇圧回路１０が供給する電力も温度に対して指数関数的に増加するため、昇圧回路１０の出力電圧は、図４（ｄ）に示すように、温度に依存せず、安定した出力電圧を得ることができる。
【００２６】
本実施形態では、温度依存クロック生成部１１にて、温度が高くなるほど周波数が高くなるクロック信号を生成し、そのクロック信号を用いて、昇圧電圧生成部１２を駆動する。昇圧電圧生成部１２を、温度に応じた周波数のクロック信号により駆動することで、温度によって変化する負荷回路１４の消費電力を補完することができ、温度変化に対して出力電圧が変化しない昇圧回路を得ることができる。また、温度依存クロック生成部１１内で、負荷回路１４内のトランジスタと同等なトランジスタをリーク電流源２１に用い、このリーク電流源２１のリーク電流の大きさに応じた周期でクロック信号を生成することで、トランジスタの製造ばらつきによるリーク電流のばらつきに起因する負荷回路１４の消費電力のばらつきを補完することができる。
【００２７】
なお、上記実施形態では、リーク電流源２１に、負荷回路１４内のトランジスタと同等なトランジスタを用い、温度に依存した周期の昇圧回路駆動クロック１５を生成したが、温度依存性を有する昇圧回路駆動クロック１５の生成の仕方はこれには限定されず、その他の方式を用いて、温度依存性を有する昇圧回路駆動クロック１５を生成する構成でもよい。また、昇圧回路１０が、定常電力供給用の昇圧電圧生成部１２と、スイッチング動作時の消費電力を補償するための昇圧電圧生成部１３との２つを持つ例について説明したが、昇圧電圧生成部１３は必ずしも必要ではなく、例えば、負荷回路１４の消費電力の大部分が定常電力で占められるような場合には、昇圧電圧生成部１３を省略する構成とすることもできる。
【００２８】
上記実施形態では、リーク電流源２１として、Ｎ型トランジスタを用いたが、これには限定されず、その他の構成を採用することもできる。例えば、リーク電流源を、Ｐ型トランジスタにて構成することもできる。この場合には、リーク電流源に直列に接続され、ＡＮＤゲート２７の出力によってオン／オフが制御されるプリチャージ用のトランジスタにＮ型のトランジスタを用い、増幅器２６にて、判定ノード２４の電位が基準電位Ｖｒｅｆ以上の電位となったときに、昇圧回路駆動クロック１５を反転させる構成とする。昇圧回路駆動クロック１５の周期は、判定ノード２４の電位が、プリチャージ用のＮ型トランジスタがオンして基準電圧Ｖｒｅｆよりも低くなった時点から、リーク電流源であるＰ型トランジスタを流れるリーク電流によって基準電位Ｖｒｅｆ以上の電位となる時点までの時間で決まることになる。また、リーク電流源を構成するトランジスタは１つには限定されず、リーク電流源を、電源に対して直列に接続された、或いは、並列に接続された複数のトランジスタで構成してもよい。
【００２９】
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明の昇圧回路は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態の昇圧回路の構成を示すブロック図。
【図２】温度依存クロック生成部の構成を示すブロック図。
【図３】温度依存クロック生成部の各部の動作波形を示す波形図。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれリーク電流、発振周波数、消費電力、出力電圧の温度依存性を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３１】
１０：昇圧回路
１１：温度依存クロック生成部
１２、１３：昇圧電圧生成部
１４：負荷回路
１５：昇圧回路駆動クロック
１６：昇圧電源線
２１：リーク電流源
２３：プリチャージ用Ｐ型トランジスタ
２４：判定ノード
２６：増幅器
２７：ＡＮＤゲート
【図１】
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【図２】
2008219470.tif 000004
【図３】
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【図４】
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