TWI314681B - Semiconductor device with a power down mode supporting circuit and method for performing a power down mode - Google Patents

Description

1314681 --- 年月日修正替換頁 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種半導體裝置，尤指一種具有省電模 式而可節省其內部電流消耗的半導體裝置。 【先前技術】 諸如行動電話、個人數位助理器（P D A)等行動通訊設備 中，倘使用記憶裝置時，立即呈現的，即是要求儉省內部 的電力耗費，因此，行動通訊設備所用的動態隨機存取記 φ 憶體（dram)乃使用省電模式，其中內部的電力消耗，係響 應於經C KE接腳所輸入之信號而減少並低至某種程度的準 位。 第1圖爲先前具有省電模式之半導體裝置方塊圖。 使用CKE接腳之傳統省電模式中，在信號以低狀態經 CKE接腳輸入時，除了來自CKE之信號外，半導體裝置的 內部電路設計並不接受其他任何信號，因此，藉由控制內 部電路之動作，半導體裝置乃得以減少電流消耗。

然而，會有在該等電路被以下成分所停止的狀態下， 引起在習用半導體裝置中的電流消耗量的問題：當組成該 半導體裝置之MOS電晶體的閾電壓（threshold voltage)被降 低時所產生的關閉時之漏電流成分；以及在諸如內部電壓 產生器等類比電路所產生的靜態電流成分。 【發明內容】 因之，本發明之主要目的，係提供一種具有省電模式 之半導體裝置，在省電模式中可有效的減少電流消耗。 '1314681 1 ί.λ、 · . · "· —·ν * 一 f

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'- - -·.·.> ^ - J 本發明之另一目的，係提供一種具有省電模式之半導 體裝置’在省電模式中，可阻止因關閉時之洩漏電流成分 所引起的電流消耗。 本發明之再一目的，係提供一種具有省電模式之半導 體裝置，在省電模式中，可阻止因內部類比電路所產生之 靜電流成分所.導致的電流消耗。 依本發明之一實施例，係提供一種省電模式支援電路 ，包括：省電檢知單元，倘啓動省電模式時，藉由檢知而 % 可產生省電模式信號；電源控制單元’用以產生電力控制 信號’其致能期間對失能期間的比例係由省電模式信號作 決定；及電力切換單元，係響應於電力控制信號而對供給 半導體裝置中某些內部單元之電力施以控制。 依本發明之另一實施例，係提供一種具有省電模式之 半導體裝置’包括：省電檢知單元，倘啓動省電模式時， 藉由檢知而可產生省電模式信號；電源控制單元，用以產 生電力控制信號，其致能期間對失能期間之比率係由省電 ^ 模式信號作決定；省電流單元，在省電模式中，係減少所 需之驅動電流；及電力切換單元，係響應電力控制信號而 控制供給省電流單元之電力。 【實施方式】 以下，佐以附圖詳細說明本發明之參考實施例。 如第2圖所示，係依本發明一實施例具有省電模式之 半導體裝置方塊圖。 本發明之半導體裝置’包括：省電模式支援電路；省 -1314681 Πίί ϋ'Η·- 電流單元3 Ο，在省電模式中，其電流消耗需予以減少；及 非省電流單元90在省電模式中，其電流消耗不需要減少。 省電模式支援電路包含：省電檢知單元i 〇，藉由對省 電模式的判別而產生省電模式信號p d e η ;電源控制單元2 0 ’用以產生電力控制信號enb，其致能期間對失能期間的 比率係由省電模式信號pden作決定；及電力切換單元40 ’係響應於電力控制信號enb而控制供給省電流單元3 〇之 電力。

倘爲低電力D R A Μ之狀況，當經由C K E接腳輸入內部 之信號爲低狀態時，希望DARM可在省電模式中動作並當 作一種規則。 省電檢知單元1〇係藉由接收來自CKE接腳之信號 CKE而檢知省電模式並產生省電信號pdeil，以將省電模式 之啓動回報給半導體裝置之諸內部電路。 當由所耦接之省電信號pden檢知爲省電模式時 > 電源 控制單元20乃產生某種時脈形的電力控制信號enb。電力 ^ 控制信號enb，保持著在正常動作模式中用以導通電力切 換單元4 0的狀態。 此處，電力切換單元4 0在控制信號e nb下，純係實行 用以將電源電壓端VDD及接地電壓端VSS連接於省電流單 元3 0的切換動作。但是，其亦可爲一種較精密的構成，用 以遂行更精密的切換及切換裝置之電壓準位轉移。 在省電模式中，省電流單元30並未被啓動，但內部電 路仍需供應最小電流以保持其內部狀態，雖然所需的電流

1314681 在比較正常操作模式所需電流之下並不多，但仍爲需要。 例如’ DRAM具有作爲省電流電路之讀/寫動作支援電路、 類比式比較電路等。 非省電流單元9 0係由多個電路組成，在省電模式中， 仍須要供給如同正常動作模式時等量的電流。 第3圖所示’係如第2圖所示本發明之一實施例中， 該電源控制單元2 0之詳細構成方塊圖。

電源控制單元20包含一鈴聲振盪器220，可產生用以 產生電力控制信號eub的參考脈衝enb0 ;—除頻器240， 用以把參考脈衝enbO分頻，俾產生分開的脈衝enb丨；及一 信號合成器2 6 0 ’用以實行參考脈衝e n b 〇及分開的脈衝 enbl兩者之邏輯動作而產生電力控制信號enb。 第4 A圖爲第3圖之鈴聲振盪器2 2 0詳細電路說明圖。 鈴聲振盪器220具有複數個反相器in 41〜IN44; —延 遲單元DE40 ;及複數個NAND閘NAN41與NAN42 ;用以 響應省電信號pden而控制振盪動作。 當省電信號pden爲低狀態時，NAND閘NAN4 1及NAN 42經常產生高値之輸出。由NAND閘NAN42所輸出的高 値係以反相器IN 4 4作變換，如是，鈴聲振盪器2 2 0於設備 非在省電模式時係經常輸出低狀態的參考脈衝enbO。另一 方面，當省電信號pden爲高狀態時，因NAND閘NAN4 1 及NAN42之動作如同反相器，故第4A圖之電路仿如由5 個反相器及1個延遲單元所組成的鈴聲振盪器遂行其動作 。結果，鈴聲振盪器220乃輸出以設定頻率振盪之參考脈

1314681 年月―曰修正替換頁I 衝 e n b 0 〇 第4B圖爲第3圖除頻器24〇之詳細電路圖，其係一種 2階段的除頻器，含有2個通閘（pass gate)PG41、PG42及 2 個栓鎖 LAT41、 LAT42。 除頻器240具有：第1及第2通閘PG41、PG42，用於 接收來自鈴聲振盪器220所輸出業經振盪的時脈enbO及 en〇作爲其之控制信號，其中振盪的時脈enO係把參考脈衝 enbO變換而作成之；第一栓鎖LAT41用以將來自第1通閘 Φ PG41所提供之信號加以栓鎖並由第1通閘PG41輸出該信 號之變換信號至第2通閘PG42 ;第2栓鎖LAT42用以將 來自第2通閘PG42所耦合的信號加以栓鎖；及回授反相器 IN49，係用以將第2栓鎖LAT42之輸出信號加以變換並把 變換後的信號提供至第1通閘PG4 1。 建構第1及第2栓鎖LAT4 1、LAT42之反相器中，一 個反相器係變更爲如第4B圖所示的NAND閘NAN43，故 可接收省電信號’結果’當省電信號pden爲低狀態時，除 ® .頻器24。並不動作。 上述實施例中，除頻器2 4 0雖由一個2階段除頻器所 形成，但如爲2個階段以上之分頻時，其可遂行更多個除 頻器的功能。 第4 C圖所示之信號合成器2 6 0係利用振盪的時脈e n b 0 及分開的時脈enbl實施AND動作以產生電力控制信號enb 第5圖爲第3、4A及4C圖之電源控制單元20所產生 1314681 之信號圖。 如第5圖所不’具有經由CKE接腳所輸入之變換形信 號的省電模式信號P d e η高周期係用作省電模式。 在省電模式期間’鈴聲振盪器220係產生振邊的時脈 enb〇’除頻器240則把振盪的時脈enb〇分開而產生分開的 時脈e n b 1。

將振Μ的時脈enbO及分開的時脈enbl施行邏輯動作 所作成之電力控制信號enb的高周期長度，係和振盪的時 脈e n b 0，且其頻率與分開的時脈e n b 1相同。 第6圖爲依本發明另一實施例具有省電模式之半導體 裝置方塊圖。 本發明之該半導體裝置，包括N個省電流單元，其所 需的驅動電流各自不同；及：N個電力切換單元，各單元用 以切換各自對應的省電流單元。N爲整數，例如，第6圖 所示之N爲2個。 因爲在省電模式中省電流單元50及70須要不同的電 ^ 力強度，故用以切換’電力切換單元60之電力控制信號、 其致能期間對失能期間的比率乃不同於用於以切換其他電 力切換單元8 0的電力控制信號。 在第6圖所示之半導體裝置中，電源控制單元2〇所產 生的數個彳g號中’振盪的時脈e n b 0係提供於對應省電流單 元70之電力切換單元80，該省電流單元70所須之電力相 較於‘電流單兀5 0則係較少者。同時，振邊的時脈e n b爲 耦連於對應省電流單元5 0之電力切換單元6 0，而省電流 -10- 1314681 單元5 0所須的電力相較於省電流單元7 0則爲較大者。 第7圖爲依本發明一實施例，於第2圖所示之電力切 換單元4 0說明圖。 電力切換單元40包含復電（PU)切換單元42，用以控 制省電流單元30及電源電壓端VDD間的連接；及省電（PU) 切換單元4 4，用以控制省電流單元3 0及接地電壓端V S S 間的連接。 PU切換單元42具有切換PMOS電晶體ΡΜ71及反相 ^ 器陣列ΙΝ71、ΙΝ72，用以令電力控制信號enb接近方波。 同時，PD切換單元44則具有切換NMOS電晶體NM71及 反相器陣列IN73〜IN75,用以變換、並令電力控制信號enb 接近方波。 第8A圖依本發明另一實施例，第2圖中之電力切換單 元4 0的復電單元。

第8A圖中，係以PMOS電晶體PM81形成提升開關， 將電源電壓VDD傳送至省電流單元30中，故較諸於電晶 體PM81切斷之狀況，最好是，將高於電源電壓VDD之高 準位電壓耦接於PMOS電晶體PM81之閘極，用以藉由電 晶體PM81對VDD傳播作更明確的截斷（blocking)。如第 8A圖之說明，爲了使提升開關具有高於電源電壓VDD之 增強電壓VPP作爲該提升開關的切斷信號，乃利用反相器 IN82及IN83在增強電壓準位VPP及接地電壓VSS兩者間 作雙態觸變（t 〇 g g 1 i n g，即：时動）。 準位轉移器（level shift er)LSl係把在電源電壓VDD及 1314681

接地電壓V S S間作轉接的電力控制信號e n b變換成在增強 電壓VPP及接地電壓VSS間作轉接的提升切換信號Pu_off 。由於以對角線配置之MOS電晶體係響應於電力控制信號 enb及內部反相器IN81之動作而導通，故準位轉移器LS1 可產生在增強電壓VPP及接地電壓VSS間作轉接的輸出信 號。 第8B圖依本發明另一實施例，於第2圖中之電力切換 單元40的省電切換單元圖。

第8 B圖中，係以Ν Μ Ο S電晶體N Μ 8 1形成降低開關， 以將接地電壓V S S供給於省電流單元3 0，故較諸於電晶體 ΝΜ81切斷之狀況，最好是將低於接地電壓VSS之低準位 電壓饋送至NMOS電晶體ΝΜ81之閘極。如第8Β圖所示， 爲了使降低開關具有低於接地電壓VSS之基本接地電壓 VBB作爲降低開關之切斷信號，故乃設以反相器ΙΝ86及 ΙΝ87在電源電壓VDD及基本接地電壓準位VBB閘作雙態 觸變 •(时動）。 準位轉移器LS2係把在電源電壓VDD及接地電壓VSS 間作轉換之電力控制信號變換爲降低切換信號P u_〇 ff，此 一信號係在電源電壓VDD及基本接地電壓VBB間作轉接 。因爲以對角線配設的Μ Ο S電晶體係響應於電力控制信號 enb及內部反相器ΙΝ85之動作而導通’故準位轉移器LS2 可產生在電源電壓VDD及基本接地電壓VBB間作轉接的 輸出信號。 -12- 1314681 年月日修Ji.替換頁1 第8C圖爲依本發明再一個實施例，於第2圖中該電力 切換單元40之省電切換單元電路圖。 NMOS電晶體NM82係形成爲提升開關，用以把電源 電壓VDD送至省電流單元30。如第8C圖所示，提升切換 信號Pu_offb具有增強電壓準位VPP之導通電壓及接地電 壓準位VSS之切斷電壓。結果，提升開關NM82可明確的 作導通及切斷。

一種用於實施本發明上述半導體裝置構成所執行省電 模式之方法所包括的步驟爲：響應於省電指令而檢知省電 模式（S 1 2 0 );產生具有脈衝形式之電力控制信號，其致能 期間對失能期間之比率係由省電模式決定（s 1 4 0);及遂行 切換動作’在電力控制信號之控制下，把電源電壓供給至 省電流單元中（S 1 6 0 )。 步驟S120中，省電檢知單元1〇係在檢知省電指令 (CKE)後’產生省電信號pden於半導體裝置的其他電路單 元中’而可將省電模式通報給該等單元。

步驟S 1 4 0中，電源控制單元2 0係產生第5圖所例示 之電力控制信號e n b。 同時’步驟S160中，復電單元PU_SW1係進行電源電 壓端VDD及省電流單元50間之連接，且省電單元PDjwi 係進行接地電壓端VS S及省電流單元5 0間之連接。第6 圖中，係以數個電力切換單元60及80執行步驟S160。此 時’電力控制信號enb之致能期間對失能期間的比率和電 力控制信號enbO不同，其中電力控制信號enb及enb〇係 3 1314681 分別提供於電力切換單元60及80者。 如上述，本發明之半導體裝置在省電模式（省電力模式） 中，可預先防止因關閉時之拽漏電流（off-leakage)所產生的 電流消耗。 依本發明之半導體裝置，在省電模式中，亦可防止由 於內部類比電路所產生之靜電流成分導致的電流消耗。 又者，依本發明之半導體裝置，在省電模式中，由於 其諸個內部電路所需的電力最爲適當，故可大幅的減少電 ^ 流消耗。 本發明之主題內容係對應於2005年3月31日所申請 之第2005-27388號韓國專利申請案，該案全篇內容可資參 考。 同時’本發明業已舉示實施例詳述如上，然此道行家 自可在本發明之精神及申請專利範圍中作若干的修飾與變 化，惟應均屬本發明專利保護範疇，其理至明，自不待述 0 Φ【圖式簡單說明】 第1圖爲具有傳統式省電模式之半導體裝置方塊圖。 第2圖爲具有依本發明一實施例省電模式之半導體裝 置方塊圖。 第3圖爲第2圖中電源控制單元之方塊圖。 第4A圖爲第3圖中鈴聲振盪器之電路說明圖。 第4B圖爲第3圖中除頻器之詳細電路圖。 第4C圖爲第3圖中信號合成器之詳細電路圖。 -14- .131.4681 第5圖爲電源控制單元所使用的波形圖。 第6圖爲具有依本發明另一實施例省電模式之半導體 裝置方塊圖。 第7圖爲依本發明該一實施例，於第2圖中之電力切 換單元電路圖。 第8A圖爲依本發明該另一實施例，於第2圖中之復電 切換單元電路圖。 第8B圖爲依本發明該另一實施例，於第2圖中之省電 φ 切換單元電路圖。 第8C圖爲依本發明之再一個實施例，於第2圖中之省 電切換單元電路圖。 【主要元件符號說明】

10 省 電 檢 知 單 元 20 電 源 控 制 單 元 30 省 電 流 單 元 40 電 力 切 換 單 元 80 電 源 控 制 單 元 90 非 省 電 流 單 元 220 鈴 士 rii 振 盪 器 240 除 頻 器 260 信 號 合 成 器 -15-

Claims (1)

1314681 ---------—-] 年月日修正替換, J. 第94122138號「具省電模式供應電路之半導體裝置以及執行 省電模式之方法」專利案 (2008年1 1月修正） 十、申請專利範圍： 1. 一種具有省電模式之半導體裝置，包括： 省電檢知單元，倘啓動該省電模式時，可藉由檢知 而產生省電模式信號； 電源控制單元，用以產生電力控制信號，其致能期 間對失能期間之比率係由該省電模式信號作決定； 省電流單元，在省電模式中，可減少所需的驅動電 流；及 電力切換單元，係響應於該電力控制信號而控制供 給該省電流單元之電力。 2 .如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中在該省電模 式當中，該電源控制單元係產生時脈形式之該電力控制 信號。 3 .如申請專利範圍第2項之半導體裝置，尙包括非省電流 單元，在該省電模式中，其所需之驅動電流係與正常動 作模式中所需之驅動電流相同。 4 .如申請專利範圍第2項之半導體裝置，其中該電源控制 單元包括： 振盪器，用以產生參考脈衝： 除頻器，係把該參考脈衝除頻而產生已除頻之脈衝 :及 1314681 j年月日修皆換頁 信號合成器’藉由邏輯性運作該參考脈衝及該已除 頻之脈衝而產生該電力控制信號。 5.如申請專利範圍第4項之半導體裝置，其中該振盪器具 有： 一第1 NAND閘’用以接收該省電信號以及一第2 NAND閘之輸出； 一延遲單元以及一奇數個反相器，用以延遲該第1 N AND閘之輸出； 第2N AND閘，用以接收省電信號以及該延遲單元之 輸出及奇數個反相器；以及 —第4反相器，用以接收該第2 N AND閘之輸出並 輸出參考脈衝。 6.如申請專利範圍第4項之半導體裝置，其中該除頻器具 有： 第1及第2通閘（pass gate)，用以接收來自該振盪 器所輸出之振盪時脈而作爲控制信號； 第1栓鎖，用以栓鎖來自該第1通閘所輸入之信號 ’並提供該被栓鎖之信號的反相信號至該第2通閘； 第2栓鎖，用以栓鎖來自該第2通閘所供應之信號 :及 回授反相器，用以變換來自該第2栓鎖所輸出之信 號’並將變換後之信號供給該第1通閘。 7 ·如申請專利範圍第4項之半導體裝置，其中該信號合成 器爲一種AND閘，用以執行該參考脈衝之AND動作’ 1314681 且該已除頻之脈衝乃因而輸出AND動作之結果作爲該電 力控制信號。 8.如申I靑專利朝圍第7項之半導體裝置，其中該電力切換 單元包括： 復電切換單元’用以控制該省電流單元及電源供應 電壓端之間的連接；及 省電切換單元，用以控制該省電流單元及接地電壓 端之間的連接。 • 9.如申請專利範圍第8項之半導體裝置，其中該復電切換 單元具有一切換MOS電晶體及一反相器陣列，用以接收 該電力控制信號並輸出相同於該電力控制信號之邏輯狀 態之一信號；而該省電切換單元具有一切換MOS電晶體 及一反相器陣列，用以接收該電力控制信號並輸出邏輯 狀態相反於該電力控制信號之一信號。 1 0 .如申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中該復電切換 單元之反相器陣列具有複數個反相器，係在增強的電壓 準位及接地電壓準位間作雙態觸變（toggling)，以提供增 強的電壓於該切換Μ 0 S電晶體之閘極來作爲切斷信號 ，該增強的電壓之準位係高於供給電壓之準位；而該省 電切換單元之反相器陣列具有複數個反相器，係在供給 電壓準位及基本接地電壓準位間作雙態觸變，以將基本 接地電壓供給於切換Μ 0 S電晶體之閘極來作爲切斷信 號，該基本接地電壓之準位係低於該接地電壓之準位。 11.如申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中該復電切換 1314681 單元之反相器陣列具有複數個反相器’係在 準位及接地電壓準位間作雙態觸變’以提供 至切換MOS電晶體之閘極來作爲導通信號’ 之準位係高於供應電壓之準位；而該省電切 反相器陣列具有複數個反相器，係在供應電 本接地電壓準位間作雙態觸變，以提供基本 切換MOS電晶體之閘極來作爲切斷信號，基 之準位係低於接地電壓之準位。 β 12.—種具有省電模式之半導體裝置，包括： 省電檢知單元，倘啓動該省電模式時’ 而產生省電模式信號； 電源控制單元，係響應該於省電模式信 用以產生Ν個電力控制信號，各個電力控制 期間對失能期間的比率均不同，Ν爲整數； Ν個省電流單元，在該省電模式中，各 對於所需驅動電流之減少相互間爲不同；及 ® Ν個電力切換單元，係響應於該個別的 號而控制供給於該個別的省電流單元之電力 1 3 .如申請專利範圍第1 2項之半導體裝置，其中 單元在該省電模式期間係產生時脈形式之該 號。 1 4 .如申請專利範圍第1 2項之半導體裝置，尙包 單元，其在該省電模式中所需之驅動電流係 操作模式中所需的驅動電流。 增強的電壓 增強的電壓 該增強電壓 換單元之該 壓準位及基 接地電壓至 本接地電壓 可藉由檢知 號而動作， ίθ號之致能 省電流單元 電力控制信 〇 該電源控制 電力控制信 括非省電流 相同於正常 -4- __________ ( 1314681 乖穿3科P料賴頁 i 5 .如申請專利範圍第i 3項之半導體裝置，其中該電源控制 單元包括： 振盪器，用以產生參考脈衝； 除頻器，係把該參考脈衝作除頻而產生已除頻之脈 衝；及 信號合成器，用於邏輯性運作該參考脈衝及已除頻 之脈衝以產生該電力控制信號。 1 6 .如申請專利範圍第1 5項之半導體裝置，其中各個電力切 換單元包括： 復電切換單元，用以控制對應之省電流單元及電源 供應電壓端之間的連接；及 省電切換單元，用以控制該對應省電流單元及接地 電壓端之間的連接。 17.如申請專利範圍第16項之半導體裝置，其中該復電切換 單元具有切換MOS電晶體及反相器陣列，用以接收該電 力控制信號及輸出邏輯狀態與該電力控制信號相同之信 號，而該省電切換單元具有切換MOS電晶體及反相器陣 列，用以接收該電力控制信號及輸出邏輯狀態相反於該 電力控制信號之信號。 1δ.如申請專利範圍第17項之半導體裝置，其中該復電切換 單元之反相器陣列具有複數個反相器，該等反相器在增 強的電壓準位及接地電壓準位間作雙態觸變，以提供增 強的電壓至切換MOS電晶體之聞極作爲切斷信號，增強 電壓之準位係商於供應電壓之準位；而該省電切換單元 1314681 I % %21修正替換頁| 之該反相器陣列具有複數個反相器，該等反相器在供應 電壓準位及基本接地電壓準位兩者間作雙態觸變，以供 給基本接地電壓至切換MOS電晶體中之閘極來作爲切 斷信號，該基本接地電壓之準位係低於該接地電壓之準 位。 19. 一種省電模式支援電路，包括： 省電檢知單元，倘啓動該省電模式時，藉由檢知而 產生省電模式信號； ® 電源控制單元，用以產生電力控制信號，其致能期 間對失能期間之比率係以該省電模式信號作決定；及 電力切換單元，係響應於該電力控制信號而控制供 給於半導體裝置所預設內部諸單元的電力。 20 ·如申請專利範圍第1 9項之省電模式支援電路，其中該電 源控制單元係在該省電模式期間產生時脈形式之該電力 控制信號。 2 1 .如申請專利範圍第2 0項之省電模式支援電路，其中該電 ’力切換單元包括： 復電切換單元，用以控制各內部單元及電源供應電 壓端之間的連接；及 省電切換單元，用以控制各內部單元及接地電壓端 之間的連接。 22 . —種實行省電模式的方法，係響應於來自半導體裝置外 側之外部省電指令而減少供應驅動電力於半導體裝置諸 個內部單元中作爲省電流單元之某些內部單元，該方法 -6- 1314681 97. 1L26'__ 年月S館正替換頁 包括以下步驟： (a) 響應於該省電指令而檢知該省電模式； (b) 產生脈衝形式之電力控制信號，無論是否啓動 該省電模式均確定其致能期間對失能期間的比率；及 (c) 執行切換動作以控制供給諸省電流單元之該驅 動電力。 23 .如申請專利範圍第22項之方法，其中在步驟（c)中係啓 動：一切換單元，用以連接電源供應端、該省電流單元 ;以及一切換單元，乃可響應於該電力控制信號而將該 省電流單元附加於接地電壓端。

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