DE10259054B4

DE10259054B4 - Spannungsgeneratoranordnung

Info

Publication number: DE10259054B4
Application number: DE10259054A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dipl.-Ing. Schneider; Stephan Dr.-Ing. Schröder; Manfred Pröll; Joerg Dr. Vollrath
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2022-12-18
Also published as: US20040124824A1; US6900626B2; DE10259054A1

Abstract

Integrierte Spannungsgeneratoranordnung, umfassend:
– einen Anschluß (6) für ein Versorgungspotential (VEXT), einen Anschluß (5) für ein Bezugspotential (VSS) und einen Ausgangsanschluß (42) für ein abzugreifendes Ausgangspotential (VINT);
– eine erste mit dem Anschluß (5) für das Bezugspotential (VSS) verbundene Bezugspotentialleitung (51) und eine zweite mit dem Anschluß (5) für das Bezugspotential (VSS) verbundene Bezugspotentialleitung (54);
– eine Band-Gap-Referenzschaltung (1), die an die erste Bezugspotentialleitung (51) angeschlossen ist, mit einem Ausgangsanschluß (11);
– eine Impedanzwandlerschaltung (2), die zwischen den Anschluß (6) für das Versorgungspotential (VEXT) und die erste Bezugspotentialleitung (51) geschaltet ist und die eingangsseitig an die Band-Gap-Referenzschaltung (1) angeschlossen ist und die einen Ausgangsanschluß (21) aufweist;
– einen Spannungsgenerator (4), der zwischen den Anschluß für das Versorgungspotential (VEXT) und die zweite Bezugspotentialleitung (54) geschaltet ist, der eingangsseitig vom Ausgangsanschluß (21) der Impedanzwandlerschaltung (2) ansteuerbar ist und der ausgangsseitig mit dem Ausgangsanschluß (42) für das abzugreifende...

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungsgeneratoranordnung. Die Spannungsgeneratoranordnung ist zur Integration auf einem Halbleiterchip geeignet und erzeugt eine konstante Ausgangsspannung zum Treiben und Versorgen von Funktionseinheiten.
In integrierten Halbleiterschaltungen, beispielsweise in dynamischen Halbleiterspeicherbausteinen, sogenannten DRAMs, wird eine Vielzahl von internen Spannungen verschiedener Höhe benötigt, um die internen Funktionseinheiten und deren bestimmungsgemäßen Betrieb zu bewirken. Es ist erforderlich, daß die Ausgangsspannung möglichst konstant und möglichst niederohmig mit ausreichender Stromtreiberfähigkeit bereitgestellt wird.
Ein DRAM umfaßt bekanntlich Speicherzellen mit einem Speicherkondensator, dessen Ladungszustand die gespeicherte Information repräsentiert. Auf Grund von Leckströmen wird der gespeicherte Ladungszustand im Kondensator verändert und der Abstand zu einer Referenz nimmt ab. Um trotzdem die gespeicherte Information fehlerfrei auslesen zu können, ist erforderlich, daß die zu verwendenden Referenzpegel auch unter ungünstigen Betriebszuständen möglichst konstant und bei vorbestimmter Pegelhöhe vorliegen. Beispielsweise ist ein Spannungsgenerator erforderlich, der genau mittig zwischen den die beiden binären logischen Zustände repräsentierenden Spannungspegeln liegt. Da die auszulesende Information mit diesem mittigen Spannungspegel verglichen wird, sind erhöhte Anforderungen an dessen Genauigkeit zu stellen. Schließlich werden auch weitere das Speicherzellenfeld und die Schaltungen zum Ein- und Auslesen versorgende Potentiale von einer übergeordneten Spannungsgeneratoranordnung bereitgestellt.
Eine solche Spannungsgeneratoranordnung umfaßt mehrere Stufen. Eine Bandabstands-Referenzschaltung (Band-Gap-Referenzschaltung) stellt ein von äußeren Betriebseinflüssen wie externer Versorgungsspannung oder Temperatur weitgehend unabhängiges, auf Bezugspotential bezogenes Ausgangspotential bereit. Die Band-Gap-Referenzschaltung weist einen hochohmigen Ausgang auf. Zweckmäßigerweise wird daher der Band-Gap-Referenzschaltung ausgangsseitig ein Impedanzwandler nachgeschaltet, der das hochohmig bereitgestellte Referenzpotential niederohmig transformiert. Der Impedanzwandler steuert schließlich einen ausgangsseitig angeordneten Spannungsgenerator an, der ein möglichst konstantes Ausgangspotential bei hoher Stromtreiberfähigkeit liefert, das in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Impedanzwandlers in seiner Höhe eingestellt wird. Es können mehrere Impedanzwandler von der gleichen Band-Gap-Referenzschaltung parallel angesteuert werden, oder es können verschiedene ausgangsseitige Spannungsgeneratoren vorgesehen werden, um verschiedene Ausgangsspannungen oder an verschiedenen Orten auf dem Halbleiterchip einzuspeisende gleiche Spannungen zu erzeugen.
Bei einer solchen Spannungsgeneratoranordnung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, getrennte Bezugspotentialleitungen vorzusehen. Hierbei sind die Band-Gap-Referenzschaltung und der Impedanzwandler an eine erste Bezugspotentialleitung angeschlossen. Die Band-Gap-Referenzschaltung und der Impedanzwandler verbrauchen unabhängig von den verschiedenen Betriebsabständen des DRAMs konstanten Strom. Der Stromverbrauch ist außerdem relativ gering. Daher ist der Spannungsabfall längs dieser Leitung konstant bzw. kann einfach kompensiert werden. Der ausgangsseitige Spannungsgenerator ist an eine von der ersten separate, zweite Bezugspotentialleitung angeschlossen. Beide Bezugspotentialleitungen sind beispielsweise aus in einer Metallisierungsebene des Halbleiterchips verlaufenden Metallbahnen gebildet, die beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Das Bezugspotential wird von außen über eine Anschlußfläche, soge nanntes Pad, zugeführt. Es sind auch verschiedene Pads denkbar, die dann chipextern miteinander verbunden sind. Zumindest erfolgt die Verbindung der genannten beiden Bezugspotentialleitungen typischerweise über das Anschlußpad zur externen Zuführung des Bezugspotentials.
Da über den externen Spannungsgenerator an eine zu treibende Last ein im Betriebsfall nicht unerheblicher Strom geliefert wird, der über die zweite Bezugspotentialleitung an das Anschlußpad zurückfließt, wobei außerdem der Stromverbrauch abhängig von den Betriebszuständen des DRAMs relativ stark schwanken kann, ist der Spannungsabfall längs der zweiten Bezugspotentialleitung nicht mehr vernachlässigbar. Es entsteht daher ein Spannungsabfall zwischen dem Anschlußpad und derjenigen Stelle, an der der ausgangsseitige Spannungsgenerator an die zweite Bezugspotentialleitung kontaktiert ist. Dieser Spannungsabfall kann zeitlich schwanken.
Problematisch bei der beschriebenen Spannungsgeneratoranordnung ist daher, daß der Referenzgenerator und der Impedanzwandler stets von konstantem Bezugspotential versorgt werden, während das Potential am Bezugspotentialanschluß des ausgangsseitigen Spannungsgenerators abhängig von dem über die zweite Bezugspotentialleitung fließenden Strom schwankt. Im Betriebsfall weichen die Bezugspotentiale für den ausgangsseitigen Spannungsgenerator einerseits und für die Band-Gap-Referenzschaltung und den Impedanzwandler andererseits voneinander ab. Bisher hebt der ausgangsseitige Spannungsgenerator die vom Impedanzwandler gelieferte Referenzspannung auf ein höheres Spannungsniveau an. Beispielsweise liefert die Band-Gap-Referenzschaltung eine Ausgangsspannung von 1,2 V, und der Impedanzwandler liefert eine Ausgangsspannung von 1,6 V. Letztere Ausgangsspannung wird vom ausgangsseitigen Spannungsgenerator auf beispielsweise 2,0 V angehoben. Durch den ausgangsseitigen Spannungsgenerator wird daher der an der zweiten Bezugspotentialleitung anliegende Spannungsabfall und folglich der Spannungsfehler innerhalb der zu erzeugenden Ausgangsspannung verstärkt.
Besonders mit fortschreitender Verkleinerung der Strukturen auf dem integrierten Halbleiterchip und der wachsenden Komplexität der zu versorgenden Schaltungen besteht ein Trend dahingehend, daß einerseits die internen Spannungen weiter verringert werden, andererseits aber höhere Ströme erforderlich sind, obwohl die Widerstände der Metallisierungsleitungen aufgrund der kleineren Strukturbreiten zunehmen. Bezogen auf die Anzahl der zu versorgenden Funktionseinheiten werden die Bezugspotentialleitungen mit fortschreitender Integration relativ gesehen länger. Unter diesen Randbedingungen ist es problematisch, mit den herkömmlichen Konzepten die erforderlichen internen Spannungen mit ausreichender Konstanz und hoher Stromtreiberfähigkeit bereitzustellen. Durch die Verstärkung des parasitären Spannungsabfalls längs der zweiten Bezugspotentialleitung im ausgangsseitigen Spannungsgenerator wird die Stabilität der Ausgangsspannung zusätzlich verschlechtert.

In der DE 694 30 806 T2 ist eine Ladungspumpe zur Spannungsvervielfachung gezeigt, die einen Komparator aufweist, der eine Ladungspumpe ansteuert. Das Ausgangssignal wird spannungsgeteilt und über den Komparator rückgekoppelt.

In der DE 102 20 561 A1 ist ein Spannungsgenerator mit Pegeldetektor und Reglereinheit gezeigt, der negative Spannungen erzeugt. Der Spannungsgenerator weist einen Oszillator auf, der eine negative Ladungspumpe mit einem Taktsignal versorgt. Die negative Ausgangsspannung der Ladungspumpe wird einer Detektionseinrichtung zugeführt, die diese Ausgangsspannung mit einer Referenzspannung vergleicht. Davon abhängig wird der Oszillator ein- und ausgeschaltet. Die von der negativen Ladungspumpe erzeugte negative Ausgangsspannung wird wiederum einem weiteren Spannungsgenerator zugeführt, der einen weiteren Regler enthält und ebenfalls das Referenzsignal verarbei tet. Der weitere Spannungsgenerator erzeugt aus der negativ gepumpten Spannung eine geglättete, betragsmäßig niedrigere Spannung. Die niedrigere Spannung wird durch das Referenzsignal festgelegt.

Die Verwendung einer Band-Gap-Referenzschaltung ist in der WO 95/00953 gezeigt. Hier vergleicht ein Komparator ein von der ausgangsseitig erzeugten Spannung abgeleitetes rückgekoppeltes Signal mit einem von der Band-Gap-Referenzschaltung erzeugten Signal und steuert anschließend entsprechende Taktphasen eines Taktgenerators. Das Ausgangssignal wiederum wird von einer Ladungspumpe bereitgestellt.

Schließlich ist in der DE 101 25 334 A1 beschrieben, dass integrierte Schaltkreise in ein System von Schaltkreisen eingebunden sein können und zur Reduzierung von Rauschsignalen die Masseanschlüsse aller Schaltkreise sternförmig mit einem gemeinsamen festen Potential verbunden werden können.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine integrierte Spannungsgeneratoranordung anzugeben, die eine ausreichend stabile Ausgangsspannung für eine zu versorgende Funktionseinheit unter den oben angegebenen Randbedingungen erzeugt.

Insbesondere soll der Spannungsgenerator auch in höher integrierten Schaltungen mit geringeren Strukturbreiten eine möglichst stabile Ausgangsspannung bereitstellen.

Gemäß der Erfindung ist zur Lösung der oben genannten Aufgabe eine integrierte Spannungsgeneratoranordnung vorgesehen, die umfasst: einen Anschluß für ein Versorgungspotential, einen Anschluß für ein Bezugspotential und einen Ausgangsanschluß für ein abzugreifendes Ausgangspotential; eine erste mit dem Anschluß für das Bezugspotential verbundene Bezugspotentialleitung und eine zweite mit dem Anschluß für das Bezugspotential verbundene Bezugspotentialleitung; eine Band-Gap-Referenzschaltung, die an die erste Bezugspotentialleitung ange schlossen ist, mit einem Ausgangsanschluß; eine Impedanzwandlerschaltung, die zwischen den Anschluß für das Versorgungspotential und die erste Bezugspotentialleitung geschaltet ist und die eingangsseitig an die Band-Gap-Referenzschaltung angeschlossen ist und die einen Ausgangsanschluß aufweist; einen Spannungsgenerator, der zwischen den Anschluß für das Versorgungspotential und die zweite Bezugspotentialleitung geschaltet ist, der eingangsseitig vom Ausgangsanschluß der Impedanzwandlerschaltung ansteuerbar ist und der ausgangsseitig mit dem Ausgangsanschluß für das abzugreifende Ausgangspotential verbunden ist, wobei die Höhe des Ausgangspotentials von durch ein am Ausgangsanschluß der Impedanzwandlerschaltung anliegendes Potential gesteuert wird; wobei die Impedanzwandlerschaltung ein gegenüber dem ihr von der Band-Gap-Referenzschaltung zugeführten Eingangspotential erhöhtes Ausgangspotential erzeugt und der Spannungsgenerator ein gegenüber dem ihm von der Impedanzwandlerschaltung zugeführten Potential niedrigeres Ausgangspotential erzeugt.

Bei der Spannungsgeneratoranordnung gemäß der Erfindung wird vom bisherigen Konzept, gemäß dem von der Impedanzwandlerstufe zum ausgangsseitigen Spannungsgenerator eine Potentialanhebung stattfand, aufgegeben und statt dessen bereits in der Impedanzwandlerstufe eine so hohe Ausgangsspannung erzeugt, daß demgegenüber die ausgangsseitige Spannungsgeneratorstufe keine Potentialanhebung, sondern eine Potentialabsenkung durchführt. Dadurch wird erreicht, daß ebenfalls der Einfluß des nachteiligen Spannungsabfalls längs der zweiten Bezugspotentialleitung in der Ausgangsspannung verringert wird.

Eine vorzugsweise Realisierungsvariante zur Umsetzung dieses Konzepts der Erfindung in einer integrierten Schaltung sieht vor, daß im Impedanzwandler eine Ladungspumpenschaltung in den Signalpfad einkoppelt. Bekanntlich erzeugt eine Ladungspumpenschaltung durch taktweise gesteuerte Pumpvorgänge aus einer niedrigen Eingangsspannung eine demgegenüber erhöhte Ausgangsspannung. Die Ladungspumpenschaltung bei der Erfin dung sorgt dafür, daß die vom Impedanzwandler abgegebene Aus gangsspannung so hoch ist, daß sie vom ausgangsseitigen Spannungsgenerator wieder erniedrigt werden kann, um die ausgangsseitige Zielspannung zu erreichen. Zweckmäßigerweise ist hierzu der Ausgangsanschluß der Ladungspumpenschaltung mit dem Eingangsanschluß des ausgangsseitigen Spannungsgenerators, der die Höhe der Ausgangsspannung steuert, gekoppelt.

Es haben sich zwei verschiedene Schaltungsvarianten als bevorzugte Ausführungsformen für das Konzept der Erfindung als vorteilhaft herausgestellt. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist der Ausgangsanschluß der Ladungspumpe direkt mit dem Steuereingang des nachgeschalteten, ausgangsseitigen Spannungsgenerators verbunden. Die erhöhte Ausgangsspannung der Ladungspumpenschaltung steuert direkt die Ausgangsspannung. Die Ladungspumpe wird ihrerseits eingangsseitig von einem Komparator angesteuert, auf den die Ausgangsspannung des Impedanzwandlers bzw. der Ladungspumpenschaltung rückgekoppelt ist, zweckmäßigerweise über einen Spannungsteiler. Zwar kann hier die volle Spannung der Ladungspumpe weitergeleitet werden, so daß der nachgeschaltete Spannungsgenerator einen hohen Potentialabsenkungsfaktor haben kann, um den längs der zweiten Bezugspotentialleitung anfallenden Spannungsabfall äußerst verringert weiterzugeben. Allerdings weist die von der Ladungspumpe erzeugte Ausgangsspannung wegen der taktweisen Betriebsart eine gewisse Welligkeit auf, die vom Spannungsgenerator möglicherweise nicht vollständig ausgeregelt werden kann.

Eine zweite Ausführungsform sieht daher vor, daß der Impedanzwandler ausgangsseitig einen Lasttransistor aufweist, der von einem Komparator angesteuert wird, in welchen die vom Impedanzwandler abgegebene Ausgangsspannung rückgekoppelt wird. Der Laststrompfad des Lasttransistors wird hierbei vom Ausgang der Ladungspumpenschaltung mit Strom und Versorgungsspannung gespeist. Die Ladungspumpenschaltung ihrerseits wird vorzugsweise bei Vollast betrieben, so daß die Welligkeit ihrer Ausgangsspannung durch ansonsten erforderliche Ein- und Ausschaltvorgänge verringert wird. Außerdem wird die Welligkeit der vom Impedanzwandler abgegebenen Ausgangsspannung durch den Regelkreis innerhalb des Impedanzwandlers gedämpft. Insgesamt weist bei dieser Ausführungsform die Ausgangsspannung der Spannungsgeneratoranordnung äußerst geringe Welligkeit und hohe Konstanz auch bei hohem geforderten Ausgangsstrom auf.

Bei beiden Ausführungsvarianten wird die Ausgangsspannung des Impedanzwandlers mit einem zwischen Ausgang und erster Bezugspotentialleitung geschalteten Spannungsteiler abgegriffen und auf den jeweiligen Komparator rückgekoppelt. In beiden Fällen sind allerdings die Eingangsanschlüsse der Komparatoren unterschiedlich beschaltet. Bei ersterer Ausführungsform koppelt der Spannungsteiler auf den invertierenden Minus-Eingang des Komparators zurück, bei letzterer Ausführungsform auf den nicht-invertierenden Plus-Eingang.

Nur der ausgangsseitige Spannungsgenerator ist an die zweite Bezugspotentialleitung angeschlossen. Die Band-Gap-Referenzschaltung sowie sämtliche der Impedanzwandlerschaltung zuzurechnenden Funktionsblöcke sind an die erste Bezugspotentialleitung angeschlossen, insbesondere auch die Ladungspumpenschaltung. Diese Schaltungen einschließlich der Ladungspumpenschaltung verbrauchen einen konstanten, von Betriebszuständen unabhängigen geringen Strom, so daß der Spannungsabfall längs der ersten Bezugspotentialleitung leicht kompensierbar ist bzw. im Hinblick auf die Betrachtungsgenauigkeit vernachlässigt werden kann.

Für die ausgangsseitige Spannungsgeneratorschaltung empfiehlt sich eine Ausführung, bei der ein Lasttransistor den Laststrom aus der externen Versorgungsspannung abgreift und durch einen Komparator gesteuert an den Ausgangsanschluß, der die interne Versorgungsspannung bereitstellt, weiterleitet. Der Ausgang ist unmittelbar auf den nicht-invertierenden Plus-Eingang des Vergleichers rückgekoppelt. Der invertierende Mi nus-Eingang des Vergleichers wird aus einem Spannungsteiler gespeist, der vom Ausgang des Impedanzwandlers angesteuert wird. Dieser Spannungsteiler ist an die zweite Bezugspotentialleitung angeschlossen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele im Detail erläutert. Gleiche oder entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm einer Spannungsgeneratoranordnung gemäß der Erfindung;
2 ein Detailschaltbild für eine Impedanzwandlerschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
3 ein Detailschaltbild für eine Impedanzwandlerschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
4 ein Detailschaltbild für einen ausgangsseitigen Spannungsgenerator zur Anwendung in der Spannungsgeneratoranordnung.
Der in 1 dargestellte Spannungsgenerator erzeugt aus einer extern zugeführten Versorgungsspannung VEXT eine interne Versorgungsspannung VINT. Beide Spannungen VEXT, VINT sind auf Bezugspotential VSS bezogen. Das Bezugspotential VSS ist beispielsweise Masse. Das externe Versorgungspotential VEXT wird an einem Anschluß 6 der integrierten Schaltung niederohmig zugeführt und an sämtliche Stufen der Spannungsgeneratoranordnung weitergeleitet. Das Bezugspotential VSS wird am Anschlußpad 5 eingespeist. Beim Anschlußpad 5 handelt es sich um eine Metallisierungsfläche in der obersten Metallisierungsebene des die Spannungsgeneratoranordnung tragenden Halbleiterchips. Auf das Anschlußpad 5 ist ein Bond-Draht aufgestempelt oder eine sonstige Leiterbahn aufgedrückt, um das Bezugspotential VSS von extern an den Chip heranzuführen.
Das Bezugspotential VSS wird einerseits über eine erste Bezugspotentialleitung 51 und andererseits über eine zweite Bezugspotentialleitung 54 an die Funktionsstufen der gezeigten Spannungsgeneratoranordnung weitergeleitet. Die erste und die zweite Bezugspotentialleitung 51 bzw. 54 sind nur über das Anschlußpad 5 leitend miteinander verbunden. Die zweite Bezugspotentialleitung 54 ist an einem Ende 52 mit dem Anschlußpad 5 verbunden und weist ein anderes, schaltungsinnenseitiges Ende 53 auf.
Die Spannungsgeneratoranordnung in 1 umfaßt eine Band-Gap-Referenzschaltung 1, die versorgungsspannungsseitig von der externen Versorgungsspannung VEXT versorgt wird und die an die erste Bezugspotentialleitung 51 angeschlossen ist. Eine Band-Gap-Referenzschaltung ist in der integrierten Schaltungstechnik hinlänglich bekannt. Sie erzeugt eine Ausgangsspannung von 1,2 V, die weitgehend stabil und unabhängig von der Betriebstemperatur und der anliegenden Versorgungsspannung erzeugt wird. Die Ausgangsspannung VBGREF an einem Ausgangsanschluß 11 der Band-Gap-Referenzschaltung 1 ist zwischen den Ausgang 11 und der ersten Bezugspotentialleitung 51 anliegend. Der Ausgang 11 der Band-Gap-Referenzschaltung 1 ist mit einem Eingang 22 eines Impedanzwandlers 2 verbunden.
Der Impedanzwandler 2 ist versorgungsspannungsmäßig ebenfalls zwischen den Anschluß 6 zur Zuführung des externen Versorgungspotentials VEXT und die erste Bezugspotentialleitung 51 geschaltet. Der Impedanzwandler 2 weist einen Ausgangsanschluß 21 auf, der den hochohmigen Ausgang 11 der Band-Gap-Referenzschaltung in ein niederohmiges Signal umwandelt. Am Ausgang 21 liegt ein Referenzpotential VREF bezogen auf Bezugspotential VSS an.
Schließlich ist ein ausgangsseitiger Spannungsgenerator 4 vorgesehen, der aus dem niederohmig zugeführten externen Versorgungspotential VEXT am Anschluß 6 gespeist wird und an einem Ausgangsanschluß 42 ein Ausgangspotential VINT bereit stellt. Bezugspotentialseitig ist der Spannungsgenerator 4 an einer Stelle 41 mit der zweiten Bezugspotentialleitung 54 verbunden. Vom Ausgangsanschluß 42 wird eine Vielzahl von Funktionselementen mit der möglichst konstanten Spannung zwischen dem Ausgangsanschluß 42 des Spannungsgenerators 4 und der Bezugspotentialleitung 54 versorgt. Die (nicht dargestellten) zwischen Anschluß 42 und Bezugspotentialleitung 54 geschalteten Funktionselemente verbrauchen einen relativ hohen Strom. Der Strom fließt über die zweite Bezugspotentialleitung 54 wieder an das Anschlußpad 5 zurück. Die Höhe des Pegels des Potentials VINT bzw. der entsprechenden auf Bezugspotentialleitung 54 bezogenen Spannung wird durch das am Eingangsanschluß 45 des Spannungsgenerators 4 zugeführte Steuersignal VREF möglichst konstant eingestellt.
Die Band-Gap-Referenzschaltung 1 und der Impedanzwandler 2 einschließlich der Ladungspumpe verbrauchen nur wenig und konstanten Strom, so daß über die Bezugspotentialleitung 51 nur ein geringer, konstanter Strom fließt. Die längs der ersten Bezugspotentialleitung 51 abfallende Spannung kann daher mit ausreichender Betrachtungsgenauigkeit als Null angesehen werden. Das an allen Stellen der Bezugspotentialleitung 51 anliegende Potential VSS1 stimmt daher mit dem von extern zugeführten Bezugspotential VSS überein. Längs der zweiten Bezugspotentialleitung 54 fließt ein nicht zu vernachlässigender dynamischer und in Abhängigkeit von Betriebszuständen schwankender Strom, der im wesentlichen in der an den Anschluß 42 angeschlossenen Last verbraucht wird. Der Spannungsabfall längs des Verlaufs der zweiten Bezugspotentialleitung 54 kann daher nicht mehr als vernachlässigbar angesehen werden. Das Potential VSS2, das beispielsweise an der Stelle 41 betrachtet wird, an der der Spannungsgenerator 4 an die zweite Bezugspotentialleitung 54 angeschlossen ist, weicht daher um die Spannung VGND vom extern zugeführten Bezugspotential VSS ab.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß die von der Impedanzwandlerschaltung 2 erzeugte Ausgangsspannung VREF wesentlich gegenüber der Ausgangsspannung VBGREF der Band-Gap-Referenzschaltung 1 erhöht ist. Die Ausgangsspannung VINT am Anschluß 42 ist gegenüber der Referenzspannung VREF erniedrigt. In der Praxis können beispielsweise folgende Relationen mit schaltungstechnisch vertretbarem Aufwand realisiert werden: VREF = 3,3·VBGREF; VINT = 0,5·VREF. Da das Potential VINT gegenüber dem dem Spannungsgenerator 4 eingangsseitig zugeführten Steuerpotential VREF erniedrigt ist, ist der Anteil des Spannungsanteils VGND längs der Leitung 54 zwischen den Enden 52, 53 bzw. der Kontaktstelle 41 ebenfalls um den gleichen Faktor verringert. Lastschwankungen, die aufgrund unterschiedlichen Stromverbrauchs in der am Anschluß 42 angeschlossenen Last den Spannungsabfall VGND längs der zweiten Bezugspotentialleitung 54 erzeugen, gehen daher nur noch verringert in die Ausgangsspannung ein. Die Ausgangsspannung ist daher unabhängig vom Stromverbrauch in der angeschlossenen Last weitgehend konstant und weist eine hohe Stromtreiberfähigkeit auf.
Zur Erzeugung der überhöhten Spannung VREF ist eine Ladungspumpe erforderlich, die vom externen Versorgungspotential VEXT gespeist wird und gegenüber der zugeführten Spannung eine wesentlich höhere Ausgangsspannung erzeugt. Ladungspumpen sind dem auf dem einschlägigen Gebiet tätigen Fachmann sehr gut bekannt. Sie arbeiten taktweise. Die Ladungspumpen können geregelt arbeiten, um in Abhängigkeit von einem Steuersignal ein- und ausgeschaltet zu werden, so daß sich eine möglichst konstante erhöhte Ausgangsspannung ergibt. Durch den internen Schaltungsaufbau bedingt, arbeitet eine Ladungspumpe ohne Ein-/Ausschaltfunktion in Sättigung und erzeugt eine gesättigte maximale erhöhte Ausgangsspannung. Zur Realisierung des Impedanzwandlers 2 in 1 können alternativ die beiden in 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen verwendet werden. Die in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen der Impendanzwandlerschaltung 2 bewirken eine sehr große Erhöhung des Ausgangspotentials VREF gegenüber dem eingangsseitig zugeführten Signal VBGREF, wobei der Eingang 22 hochohmig und der Ausgang 21 niederohmig sind.
Gemäß 2 hat die Ladungspumpe 24 einen Ausgangsanschluß 221, der eine auf Bezugspotential VSS1 bezogene Pumpspannung VPUMP erzeugt. Der Ausgang der Ladungspumpe 24 ist direkt mit dem Ausgang 21 verbunden, der das Referenzpotential VREF führt. Dieses Potential wird dem Spannungsgenerator 4 zugeführt. Die Höhe des Steuerpotentials VREF wird durch Ein- und Ausschalten der Ladungspumpe 24 mittels eines Steuersignals CTRL an einem Steuereingang 241 der Ladungspumpe bewirkt. Das Steuersignal CTRL wird von einem Komparator 23 erzeugt, der einerseits an seinem nicht-invertierenden Eingang 22 die Ausgangsspannung VBGREF der Band-Gap-Referenzschaltung empfängt und andererseits an seinem invertierenden Eingang 231 ein vom Ausgangspotential VREF abgeleitetes rückgekoppeltes Signal empfängt. Hierzu ist der Ausgangsanschluß 21 des Impedanzwandlers 2 über einen Spannungsteiler 251, 252 mit der Bezugspotentialleitung 51 bzw. Bezugspotential VSS1 verbunden. Die Eingangsseite des Spannungsteilers 251, 252 ist durch die Anschlüsse 21, 51 gebildet. Der Ausgangsanschluß 253, der am Kopplungsknoten der Widerstände 251, 252 gebildet ist, ist auf den Eingangsanschluß 231 des Komparators 23 zurückgekoppelt. Wenn das Ausgangspotential VREF des Impedanzwandlers 2 eine Schaltschwelle überschreitet, wird dies der Ladungspumpe 24 durch das Steuersignal CTRL mitgeteilt, und der Pumpvorgang in der Ladungspumpe 24 wird abgeschaltet. Aufgrund von Leckströmen und Stromverbrauch sinkt das Potential VREF wieder ab, so daß das Steuersignal CTRL die Ladungspumpe wieder einschaltet, um das Potential VREF wieder anzuheben. Die Schaltschwelle wird durch geeignete Dimensionierung der Widerstände des Spannungsteilers 251, 252 bezogen auf das Band-Gap-Referenzpotential VBGREF eingestellt.
Gemäß der Ausführungsform in 3 wird das Ausgangspotential VREF am Ausgang 21 der Ladungspumpe 2 durch den Drain- Source-Pfad eines p-Kanal-MOS-Transistors 35 bereitgestellt. Der Drain-Source-Pfad des Transistors 35 ist andererseits an den Ausgang 341 einer Ladungspumpe 34 angeschlossen. Die Ladungspumpe 34 arbeitet beispielsweise in Sättigung und stellt stets eine konstante erhöhte gesättigte Ausgangsspannung VPUMP bereit. Ein Komparator 33 steuert den Gate-Anschluß des Lasttransistors 35. Der invertierende Eingang des Komparators 33 bildet den Eingangsanschluß 22 des Impedanzwandlers 2 und ist direkt mit dem Ausgang 11 der Band-Gap-Referenzschaltung 1 verbunden. Der nicht-invertierende Eingang des Komparators 33 empfängt das über einen Spannungsteiler 351, 352 rückgekoppelte Ausgangspotential. Hierzu ist die Eingangsseite des Spannungsteilers 351, 352 zwischen den Anschluß 21 und die erste Bezugspotentialleitung 51 bzw. Bezugspotential VSS1 geschaltet. Der Ausgangsabgriff 353 des Spannungsteilers ist auf den nicht-invertierenden Eingang des Komparators 33 rückgekoppelt. Der Lasttransistor 35 regelt das Ausgangspotential VREF aus der erhöhten Pumpspannung VPUMP herab in Abhängigkeit von der durch den Komparator 33, den Widerstandsteiler 351, 352 und das Band-Gap-Referenzpotential VBGREF definierten Schaltschwelle. Gegenüber der in 2 dargestellten Ausführungsform weist die Schaltung gemäß 3 eine gedämpfte Welligkeit der Ausgangsspannung VREF auf.
Schließlich ist in 4 eine Realisierung für den Spannungsgenerator 4 dargestellt. Die Laststrecke bzw. der Drain-Source-Strompfad eines Lasttransistors 44 ist zwischen den Anschluß 6 zur Zuführung des externen Versorgungspotentials VEXT und den Ausgangsanschluß 42 für das zu regelnde externe Ausgangspotential VINT geschaltet. Der Gate-Anschluß des Lasttransistors 44 wird von einem Komparator 43 angesteuert. Der invertierende Eingang des Komparators 43 wird vom Ausgang 443 eines Spannungsteilers 441, 442 gespeist. Der Spannungsteiler 441, 442 liegt eingangsseitig zwischen dem Eingangsanschluß 45 des Spannungsgenerators 4 und dem Anschluß 41 der zweiten Bezugspotentialleitung 54 bzw. dem entsprechenden Bezugspotential VSS2. Der nicht-invertierende Eingang des Kom parators 43 ist über eine Leitung 54 zweckmäßigerweise unmittelbar und direkt mit dem Ausgang 42 kurzgeschlossen. Die Schaltung in 4 bewirkt, daß das Eingangspotential VREF zum Ausgangspotential VINT herabgesetzt wird, wobei der Anschluß 42 eine hohe Stromtreiberfähigkeit aufweist. Durch die Schaltung in 4 werden Schwankungen des Versorgungspotentials VEXT durch den als Längsregler wirkenden Transistor 44 weitgehend ausgeregelt.
Die Spannungsgeneratoranordnung in 1 kann im Umfeld von DRAMs eingesetzt werden, um das Potential VBLEQ zu erzeugen, welches genau in der Mitte zwischen eine logische "1" (Potential VBLH) und eine logische "0" (Potential VSS) repräsentierenden Signalpegeln liegt. Da das von einer Speicherzelle auszulesende Signal mit dem Potential VBLEQ verglichen wird, muß dieses unter allen Umständen möglichst konstant bereitgestellt werden, um Lesefehler zu vermeiden. Wenn beispielsweise eine logische "1" in die Speicherzelle geschrieben wird und anschließend wieder ausgelesen oder wieder aufgefrischt wird, kann das Potential längs der zweiten Bezugspotentialleitung 54 aufgrund inzwischen anderer Lastverhältnisse verändert sein. Um sicher auslesen zu können, müssen zum Schreib- und zum Lesezeitpunkt das Potential VBLEQ und VBLH idealerweise identisch sein. Darüber hinaus eignet sich die Spannungsgeneratoranordnung auch zur Bereitstellung weiterer Signale im DRAM. Hierzu können dem Ausgang 11 der Band-Gap-Referenzschaltung weitere Impedanzwandler und ausgangsseitige Spannungsgeneratoren parallel geschaltet werden oder das Steuersignal VREF eines Impedanzwandlers steuert mehrere Spannungsgeneratoren, vergleichbar dem Generator 4.

1: Band-Gap-Referenzschaltung
2: Impedanzwandler
4: Spannungsgenerator
5: Anschlußpad
6: Anschluß für externes Versorgungspotential
11, 21, 42: Ausgangsanschlüsse
22, 45: Eingangsanschlüsse
23, 33, 43: Komparatoren
24, 34: Ladungspumpenschaltungen

251, 252: Spannungsteiler
351, 352: Spannungsteiler
441, 442: Spannungsteiler
253, 353, 443: Ausgänge von Spannungsteilern
35, 44: Lasttransistoren
41: Anschlußstelle
45: Leitung
51: erste Bezugspotentialleitung
54: zweite Bezugspotentialleitung
52, 53: Enden der zweiten Bezugspotentialleitung
VEXT: externes Versorgungspotential
VSS: Bezugspotential, Masse
VSS1, VSS2: Bezugspotentiale
VGND: Bezugspotentialdifferenz
VBGREF: Band-Gap-Referenzpotential
VREF: Referenzpotential
VINT: Ausgangspotential
CTRL: Steuersignal
VPUMP: gepumptes Potential

Claims

Integrierte Spannungsgeneratoranordnung, umfassend: – einen Anschluß (6) für ein Versorgungspotential (VEXT), einen Anschluß (5) für ein Bezugspotential (VSS) und einen Ausgangsanschluß (42) für ein abzugreifendes Ausgangspotential (VINT); – eine erste mit dem Anschluß (5) für das Bezugspotential (VSS) verbundene Bezugspotentialleitung (51) und eine zweite mit dem Anschluß (5) für das Bezugspotential (VSS) verbundene Bezugspotentialleitung (54); – eine Band-Gap-Referenzschaltung (1), die an die erste Bezugspotentialleitung (51) angeschlossen ist, mit einem Ausgangsanschluß (11); – eine Impedanzwandlerschaltung (2), die zwischen den Anschluß (6) für das Versorgungspotential (VEXT) und die erste Bezugspotentialleitung (51) geschaltet ist und die eingangsseitig an die Band-Gap-Referenzschaltung (1) angeschlossen ist und die einen Ausgangsanschluß (21) aufweist; – einen Spannungsgenerator (4), der zwischen den Anschluß für das Versorgungspotential (VEXT) und die zweite Bezugspotentialleitung (54) geschaltet ist, der eingangsseitig vom Ausgangsanschluß (21) der Impedanzwandlerschaltung (2) ansteuerbar ist und der ausgangsseitig mit dem Ausgangsanschluß (42) für das abzugreifende Ausgangspotential (VINT) verbunden ist, wobei die Höhe des Ausgangspotentials (VINT) von durch ein am Ausgangsanschluß (21) der Impedanzwandlerschaltung (2) anliegendes Potential (VREF) gesteuert wird; wobei – die Impedanzwandlerschaltung (2) ein gegenüber dem ihr von der Band-Gap-Referenzschaltung (1) zugeführten Eingangspotential (VBGREF) erhöhtes Ausgangspotential (VREF) erzeugt und der Spannungsgenerator (4) ein gegenüber dem ihm von der Impedanzwandlerschaltung (2) zugeführten Potential (VREF) niedrigeres Ausgangspotential (VINT) erzeugt.
Spannungsgeneratoranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ladungspumpenschaltung (24, 34), die zwischen den Anschluß (6) für das Versorgungspotential (VEXT) und eine der Bezugspotentialleitungen (51, 54) geschaltet ist und die in den Signalweg zwischen die Band-Gap-Referenzschaltung (1) und einen Eingangsanschluß (45) des Spannungsgenerators (4) einkoppelt.
Spannungsgeneratoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungspumpenschaltung (24, 34) einen Ausgangsanschluß (221, 341) zur Bereitstellung eines gegenüber einem Eingangspotential (VEXT) erhöhten Ausgangspotentials (VPUMP) aufweist und daß der Ausgangsanschluß (221, 341) der Ladungspumpenschaltung (24, 34) mit einem Eingangsanschluß (45) des Spannungsgenerators (4) gekoppelt ist.
Spannungsgeneratoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzwandlerschaltung (2) einen Vergleicher (23) enthält, der eingangsseitig mit der Band-Gap-Referenzschaltung (1) verbunden ist und der ausgangsseitig mit einem Steuereingang (241) der Ladungspumpenschaltung (24) zur Steuerung der Höhe deren Ausgangsspannung (VPUMP) verbunden ist, und daß der Ausgangsanschluß (221) der Ladungspumpenschaltung (24) auf die Eingangsseite (231) des Vergleichers (23) zurückgekoppelt ist.
Spannungsgeneratoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzwandlerschaltung (2) einen Spannungsteiler (251, 252) aufweist, der eingangsseitig zwischen den Ausgangsanschluß (21) der Impedanzwandlerschaltung (2) und die erste Bezugspotentialleitung (51) geschaltet ist, und daß ein Ausgangsanschluß (253) mit einem Eingang des Vergleichers (23) verbunden ist.
Spannungsgeneratoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (251, 252) auf einen invertierenden Eingang (231) des Vergleichers (23) rückgekoppelt ist und die Band-Gap-Referenzschaltung (1) mit dem nicht-invertierenden Eingang (22) des Vergleichers verbunden ist.
Spannungsgeneratoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzwandlerschaltung einen Vergleicher (33) aufweist, der eingangsseitig mit der Band-Gap-Referenzschaltung (1) verbunden ist und der ausgangsseitig einen Lasttransistor (35) steuert, daß der Laststrompfad des Lasttransistors (35) zwischen den Ausgangsanschluß (341) der Ladungspumpenschaltung (34) und den Ausgangsanschluß (21) des Impedanzwandlers (2) geschaltet ist.
Spannungsgeneratoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Band-Gap-Referenzschaltung (1) mit einem invertierenden Eingang des Vergleichers (33) verbunden ist und daß der Ausgangsanschluß (21) der Impedanzwandlerschaltung (2) über einen Spannungsteiler (351, 352) auf einen nicht-invertierenden Eingang des Vergleichers (33) rückgekoppelt ist.
Spannungsgeneratoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsgenerator (4) einen Vergleicher (43) aufweist, der ausgangsseitig einen Lasttransistor (44) steuert, daß der Lasttransistor (44) zwischen den Anschluß (6) für das Versorgungspotential (VEXT) und den Ausgangsanschluß (42) für das abzugreifende Ausgangspotential (VINT) geschaltet ist, daß letzterer Ausgangsanschluß (42) unmittelbar mit einem Eingangsanschluß des Vergleichers (43) verbunden ist und daß der Ausgang der Impedanzwandlerschaltung (2) über einen Spannungsteiler (441, 442) mit einem anderen Eingangsanschluß des Vergleichers (43) verbunden ist.
Spannungsgeneratoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungspumpenschaltung (24, 34) an die erste Bezugspotentialleitung (51) kontaktiert ist.
Spannungsgeneratoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Spannungsteiler (441, 442), der an den Ausgangsanschluß (21) der Impedanzwandlerschaltung (2) angeschlossen ist, um ein Steuersignal zur Steuerung des am Ausgangsanschluß (42) abzugreifenden Ausgangspotentials (VINT) bereitzustellen.
Spannungsgeneratoranordnung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (441, 442) an die zweite Hezugspotentialleitung (54) angeschlossen ist.