專利名稱：具有高效率電壓倍增的裝置及其用途的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于電壓倍增的按電荷泵原理工作的一種裝置，在此這樣的電荷泵由至少兩個泵晶體管和由兩個升壓晶體管以及四個電容器組成，并且具有四相位的節拍圖表。這樣的裝置經常單片集成地位于例如像EEPROM和閃電EEPROM那樣的電可編程只讀存儲器的半導體芯片上。從國際申請WO97/26657和WO98/01938中以及從在1998年9月中的IEEE會議ESSCIRC 98上的一個文獻中公開了這樣的裝置。
從US專利5,818,289中說明了具有泵電容器之間所謂的電荷共用的一種電路。在泵的這種控制上如此提高效率，使得已充電的泵電容器不是像以在上面所說明的泵原理那樣對機殼放電，而是將電荷經開關帶到下一個電容器上，在此將此電容器從0V充電到VDD/2上。然后第一電容器同樣位于VDD/2上，并且僅將此電荷向機殼導出。以此方式可能節省電源為了電容器充電所必須提供的能量的50％。在這里不利的是一種具有5個時間上互相分開節拍的比較費事的節拍圖表。
基于本發明的任務現在在于，說明用于電壓倍增的一種裝置，在此裝置上泵的總效率是盡可能高的和必要的芯片面積同時是盡可能小的。
按本發明通過權利要求1的特征解決此任務。其它的權利要求涉及有利的構成和本發明的一種優先的用途。
以下借助圖中所示實施例詳述本發明。在此展示的
圖1為用于具有高效率電壓倍增的一種裝置的兩個變型的電路圖，圖2為圖1的三態電路的詳圖，圖3和4為用于闡述圖1和2的電壓時間圖，圖5為用于生成圖1和2的兩個節拍電壓的電路詳圖，以及圖6為已知裝置的和本發明兩個實施例的效率比較圖。
通過本發明既在具有4個節拍的常規電荷泵上，也在具有電荷共用的電荷泵上達到尤其是在低輸出電流時的效率的重要改善。既通過具有兩個本身需要較少能量的節拍的簡化節拍生成，也通過在泵期間由泵電容器和升壓電容器上的電容過耦合所形成的較少寄生的電流尖峰達到這一點。在此不惡化泵的輸出功率，并且在小的輸出電流時輸出電壓甚至于上升。通過簡化的節拍圖表較小的芯片面積對于相同的泵功率也是必要的。通過較小數目的電流尖峰改善具有電荷泵電路的電磁幅射。
圖1中示范性地表示了用于電壓倍增的一種裝置，此裝置具有四個相同方式構造的級，和取決于四個節拍電壓n1，n2，cp1和cp2地從低的輸入電壓Vin中形成高的輸出電壓Vout。在此實例中所示的電荷泵用于生成正的輸出電壓Vout，并且在一個第一級中具有一個泵晶體管X1，一個升壓晶體管Y1和電容器11和12，在一個第二級中具有一個泵晶體管X2，一個升壓晶體管Y2和電容器21和22，在一個第三級中具有一個泵晶體管X3，一個升壓晶體管Y3和電容器31和32，以及在一個第四級中具有一個泵晶體管X4，一個升壓晶體管Y4和電容器41和42。在第一級中晶體管X1的一個第一接頭是與輸入電壓Vin的一個接頭連接的，泵晶體管X1的一個第二接頭是與第二級的泵晶體管X2的一個第一接頭連接的，并且泵晶體管X1的柵極是經電容器11與一個第一升壓節拍電壓n2的一個接頭連接的。除此之外泵晶體管X1的柵極是經升壓晶體管Y1與輸入電壓Vin的接頭連接的，此升壓晶體管Y1的柵極是與泵晶體管X1和X2之間的連接節點1連接的，此連接節點1在它這一方面是經電容器12與一個第一泵節拍電壓cp1的一個接頭連接的。在第二級中泵晶體管X2是經連接節點2與第三級的泵晶體管X3的一個第一接頭連接的，并且泵晶體管X2的柵極是經電容器21與第二升壓節拍電壓n1的一個接頭和經升壓晶體管Y2與連接節點1連接的。升壓晶體管Y2的柵極是與連接節點2連接的，并且此連接節點2是經電容器22與泵節拍電壓cp2的一個接頭連接的。在第三級中泵晶體管X3是經連接節點3與第四級的第四泵晶體管X4的一個第一接頭連接的，并且泵晶體管X3的柵極是經電容器31與第一升壓節拍電壓n2，和經升壓晶體管Y3與連接節點3連接的。升壓晶體管Y3的柵極是與連接節點3連接的，此連接節點3是經電容器32與泵節拍電壓cp1的一個接頭連接的。第四級的泵晶體管X4是以它的第二接頭與終端晶體管Z的一個第一接頭和柵極接頭連接的，終端晶體管Z的第二接頭提供輸出電壓Vout。泵晶體管X4的柵極是經電容器41與第二升壓節拍電壓n1的一個接頭和經升壓晶體管Y4與連接節點3連接的。升壓晶體管Y4的柵極是與連接節點4連接的，此連接節點4在它這一方面是經電容器42與第二泵節拍電壓cp2的一個接頭連接的。第一泵節拍電壓cp1的接頭是與一個第一三態門三態1的輸出端連接的，此三態門三態1的第一輸入端是與升壓節拍電壓n1的接頭連接的，和此三態門三態1的第二輸入端是與第二升壓節拍電壓n2的接頭連接的。第二泵節拍電壓cp2的接頭是與一個第二三態門三態2的輸出端連接的，此第二三態門三態2的第一輸入端是與笫二升壓節拍電壓n2的接頭連接的，和此第二三態門三態2的第二輸入端是與第一泵節拍電壓n1的接頭連接的，在此通過互換輸入端與三態門三態1相比產生對第一泵節拍電壓cp1逆變的泵節拍電壓cp2。此外從圖1中表明，有利地須形成或輸送僅兩個節拍電壓n1和n2，因為在裝置中反正形成兩個另外的節拍電壓cp1和cp2，這使本來電荷泵的脈沖生成簡化。
在按電荷共用原理的泵上僅僅附加地在圖1中用虛線表示了，在第一泵節拍電壓cp1的接頭和第二泵節拍電壓cp2的接頭之間存在著其柵極與NOR門NOR的輸出端連接的一個連接晶體管T12，在此NOR門的一個第一輸入端是與笫一升壓節拍電壓n1的接頭連接的，并且NOR門的一個第二接頭是與笫二升壓節拍電壓n2的接頭連接的。
圖2中表示了具有可選擇存在的連接晶體管T12的和NOR門的以及圖1的以實施例形式的三態門的一個部分。三態門三態1在此在一個第一電源電壓接頭VDD和第一泵節拍電壓cp1的接頭之間具有一個P溝道晶體管Tp1，并且在第一泵節拍電壓cp1的接頭和基準電位GND之間具有一個n溝道晶體管Tn1。晶體管Tp1的柵極是經逆變的驅動器D11與升壓電壓n1的接頭連接的，并且晶體管Tn1的柵極是經這里示范性地由逆變驅動器D21和前置逆變器組成的非逆變驅動器，與升壓節拍電壓n2的接頭連接的。三態門三態2在泵節拍電壓cp2的接頭與電源電壓VDD之間具有一個P溝道晶體管Tp2，并且在泵節拍電壓cp2的接頭和基準電位之間具有一個n溝道晶體管Tn2。晶體管Tp2的柵極是經逆變的驅動器D12與升壓節拍電壓n2的接頭連接的，并且晶體管Tn2的柵極是經這里由逆變驅動器D22和前置逆變器D22形成的非逆變驅動器，與升壓節拍電壓n1的接頭連接的。在基準電位和泵節拍電壓cp1的接頭之間列入了一個等效電容器CI1，并且在泵節拍電壓cp2的接頭和基準電位之間在這里列入了一個等效電容器CI2，這些等效電容器主要代表電容器12，22，32和42。
在節拍電壓cp1和cp2的接頭之間，如圖1中那樣存在著一個晶體管T12，在此晶體管T12的柵極上存在著通過NOR門NOR形成的節拍電壓t12。
通過三態驅動器可以取消泵節拍電壓cp1和cp2的生成，因為升壓節拍電壓(升壓脈沖)同時用作為三態驅動器三態1和三態2的控制。除此之外通過三態驅動器在電荷泵中的升壓循環期間如此妨礙泵電容器CI1和CI2的補充充電，使得驅動器在泵電容器的充電之后變成高阻抗的。由于泵電容器的補充充電需要無助于泵中電壓提高的能量，與現有技術相比已經單獨通過三態驅動器產生較少的損耗功率。
通過連接晶體管T12和NOR門NOR可以進一步減少用于電壓倍增裝置的損耗功率和因此進一步提高效率。在此通過泵電容器CI1和CI2的再充電“儲存”四分之一的能量。通過以此實現的能量節約可以將在三態驅動器三態1和三態2中的驅動器晶體管縮小一半，這節省芯片面積。
圖3中表示了按電荷共用原理泵的節拍電壓n1，n2，t12，cp1和cp2的電壓時間圖。為了在三態驅動器三態1和三態2上可以出現高阻抗的狀態，兩個節拍電壓n1和n2允許是不互相逆變的，而是必須擁有一個在這里例如大約0伏的共同電平的重疊范圍。通過NOR門形成連接晶體管T12的控制電壓t12，此控制電壓在這里在電壓n1和n2的重疊范圍中具有一個高電平，以便晶體管T12短時地在第一泵電容器CI1的充電和第二泵電容器CI2的充電之間可以進行電荷平衡。兩個節拍電壓cp1和cp2是梯級狀的和互相逆變的，在此兩個節拍電壓在重疊范圍中，也就是當電壓t12具有高電平時，具有VDD/2的共同中間電平。
圖4中表示了無電荷共用的泵的節拍電壓n1，n2，cp1和cp2的電壓時間圖。兩個節拍電壓n1和n2在這里也允許是不互相逆變的，而是必須擁有一個具有在這里例如大約0伏共同電平的重疊范圍。兩個節拍電壓cp1和cp2是在很大程度上互相逆變的，在此兩個節拍電壓在高電平時在重疊范圍中具有比其它高電平的電壓稍為較低的的電壓。
圖5中示范性地展示了用于從全局時鐘節拍信號CLK中生成時鐘節拍信號n1和n2的電路。在此給NOR門NOR1在一個第一輸入端上直接地，和在一個其它的輸入端上通過延遲元件延遲地輸送全局時鐘節拍信號CLK，并且在NOR門NOR1的輸入端上存在著時鐘節拍信號n1。NOR門NOR2的輸入端是相應地，卻逆變地接線的，并且在NOR門NOR2的輸出端上存在著信號n2。輸入端方面的逆變共同有UND門電路的功能。
圖6中對于用于無電荷共用“常規”的電壓倍增的一種通常裝置和具有相應于US專利5,818,289“US專利”的電荷共用的一種裝置，以及對于用于無電荷共用“三態”的電壓倍增裝置的一個按本發明實施例，和對于具有電荷共用“電荷共用”的一種裝置，表示了取決于輸出電流的效率。在此展示，正好在最高效率的范圍中存在著在用于電壓倍增裝置之間的可觀的差別。在相同的泵布局和相同的節拍頻率的情況下，通過無電荷共用電荷泵的按本發明的控制使最高效率從45％提高到52％。在具有電荷共用(US專利)的泵上用按本發明的控制使效率從54％提高到63％。在此情況下此外將在較高電流時的電流收獲量改善將近10％。
當然不僅在與這里所說明的用于生成正輸出電壓Vout的電荷泵的關聯中，而且也在與用于生成負輸出電壓的電荷泵的關聯中可以采用這樣的裝置，正如在開始時所述的現有技術中，例如在WO97/26657中所說明的那樣。
將用于電壓倍增的這樣的裝置可以有利地采用于生成在例如像EEPROM和閃電EEPROM那樣的電可編程只讀存儲器中的，比電源電壓較高的編程電壓，在此情況下裝置優先單片集成地位于這種只讀存儲器的半導體芯片上。優先在電池運行的設備中可以采用具有這樣裝置的只讀存儲器。
權利要求
1.用于電壓倍增的裝置，其中存在著具有許多升壓晶體管(Y1...Y4)的一種電荷泵，在此奇數升壓晶體管的柵極是經泵電容器(12，32)與一個第一泵電壓接頭(cp1)連接的，和在此偶數升壓晶體管的柵極是經其它的泵電容器(22，42)與一個第二泵電壓接頭(cp2)連接的，并且此電荷泵具有許多泵晶體管(X1...X4)，在此奇數泵晶體管(X1，X2)的柵極是經電容器(11，31)與一個第一升壓電壓接頭(n2)連接的，和在此偶數泵晶體管(X2，X4)的柵極是經電容器(21，41)與一個第二升壓電壓接頭(n1)連接的，其中第一和第二泵電壓接頭是分別與各自三態驅動器(三態1，三態2)的一個輸出端連接的，這些三態驅動器的各自輸入端是與兩個升壓電壓接頭(n1，n2)連接的，并且當兩個升壓電壓基本上是同等大時，則在三態驅動器的輸出端上出現高阻抗的狀態。
2.按權利要求1的裝置，其中第一和第二泵電壓接頭是經連接晶體管(T12)可以連接的，取決于升壓電壓(n1，n2)如此控制連接晶體管的柵極，使得當既無泵晶體管，也無升壓晶體管導通時，該連接晶體管導通。
3.按權利要求2的裝置，其中連接晶體管(T12)的柵極是與NOR門的輸出端，和NOR門的兩個輸入端分別是與兩個升壓電壓接頭(n1，n2)之一連接的。
4.按權利要求1至3之一的裝置，其中升壓電壓(n1)之一是如此形成的，使得給NOR門(NOR1)在一個第一輸入端上直接地，和在一個其它的輸入端上通過延遲元件(D)延遲地輸送全局時鐘節拍信號(CLK)，和在NOR門的輸出端上存在著這個升壓電壓，并且在此裝置上升壓電壓(n2)中的一個其它的是如此形成的，使得給UND連接(I1，I2，NOR2)在一個第一輸入端上直接地，和在一個其它的輸入端上通過延遲元件(D)延遲地輸送全局時鐘節拍信號(CLK)，并且在UND連接的輸出端上存在著這個升壓電壓。
5.按權利要求1至4之一的裝置，其中UND連接是通過其輸入端分別由逆變器(I1，I2)逆變的一個其它的NOR門(NOR2)形成的。
6.按權利要求1至5之一的裝置，其中一個各自的三態驅動器在一個第一電源電壓接頭(VDD)和三態驅動器的輸出端之間具有一個p溝道晶體管(Tp1)，和在基準電位(GND)和輸出端之間具有一個n溝道晶體管(Tn1)，其中p溝道晶體管的柵極是經逆變驅動器(D11)與第一升壓電壓接頭(n2)連接的，和其中n溝道晶體管的柵極是經非逆變驅動器(I21，D21)與第二升壓電壓接頭(n1)連接的。
7.采用按以上權利要求之一的裝置用于在電池運行的設備中損耗功率少地生成電可編程只讀存儲器的編程電壓。
全文摘要
本發明涉及用于在升壓電荷泵基礎上電壓倍增的一種裝置,這種裝置例如作為在EEPROM和閃電EEPROM上的片上高壓發生器得到采用。通過經三態驅動器的泵電容器的充電和通過簡化的節拍圖表來減少損耗功率和節省芯片面積。
文檔編號H03K17/06GK1331862SQ99814863
公開日2002年1月16日 申請日期1999年12月21日 優先權日1998年12月21日
發明者C·勞特巴赫 申請人:因芬尼昂技術股份公司