應用於低供應電壓的充電泵電路的製作方法

2023-05-30 22:00:51

專利名稱：應用於低供應電壓的充電泵電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種充電泵電路，特別是涉及一種應用於低供應電壓的充電泵電路，可提供較高的正向或負向電壓。
由於在內存電路中會使用到一正向或負向的偏壓，所以，正電壓及負電壓的產生在內存中是必要的。對靜態隨機存儲器(SRAM)或動態隨機存儲器(DRAM)來說，正電壓或負電壓是用來減小漏電流或縮短對內存單元充放電時間。近年來，快擦寫存儲器已成為主要內存產品。快擦寫存儲器需要高正向或負向電壓來進行內存單元程序化或抹除的動作。目前已有許多充電泵電路可以適用，且絕大多數均是以J.F.狄克遜在採用改進電壓倍增器技術獲得NMOS集成電路中晶片高電壓的生成一文「J.F.Dickson，On-Chip High-Voltage generation in NMOSintergrated circuits using an improvement voltage multipliertechnique」(IEEE J.of Solid State Circuit，Vol.11，pp.374-378，1976)中所提出Dickson充電泵電路為基礎。但是，Dickson充電泵電路有許多的缺點，如高瞬時電流、高供應電壓、或由基底效應所造成高臨界電壓位移。
對使用單一電源的系統，時脈信號振幅及供應電壓大小是相同的。為了要達成以低供應電壓來得到較高輸出電壓之目的，必需將多個子電路串連在一起成為一多級充電泵電路。

圖1是一四級正壓充電泵電路的電路圖。此電路為基本四級Dickson充電泵電路。此充電泵電路具有五個串連電晶體M1~M5，其柵極均與其漏極連接且其基底接地，而電晶體M1的漏極接收一供應電壓Vdd且電晶體M5源極輸出一輸出電壓Vout。另具有四個電容Cp1~Cp4，分別連接至電晶體M2~M5的漏極，另有一CL代表負載電容與Vout端連接。另外，在電容Cp1~Cp4的另一端交錯連接至時脈信號(clock)ψ或時脈信號的反向信號ψ』。當級數增加時，在Vout端所出現的基底效應會愈來愈嚴重，因此Vout很難產生高正向電壓。對使用N型基底之P阱工藝技術來說，由於可以使用不同的P阱區來隔離N-MOSFET，所以N-MOSFET的基底端可以連接至柵極及漏極而使此電晶體成為一二極體，進而消除基底效應。但是，此充電泵電路很可能會因二極體導通所產生高瞬時電流而損壞。對使用P型基底N阱工藝技術來說，可以使用與上述相同的方法來建構一充電泵電路，但還是會發生同樣的問題。
為了克服現有技術的不足之處，本發明的目的在於提供一針對Dickson充電泵電路改進後的充電泵電路，可應用於低供應電壓的情況下而產生一高正向或負向電壓，增加電荷傳輸效率、消除基底效應及高瞬時電流、以及解決電荷回充(reverse charge sharing)的問題。
本發明是提供一種應用於低供應電壓的充電泵電路，包括多個第一、第二、第三電晶體、多個電容及一子充電泵電路。其中，每一第一電晶體源極與另一第一電晶體漏極連接，使所有第一電晶體串連，首端的第一電晶體的漏極連接接收一供應電壓，而尾端第一電晶體的源極是充電泵電路的輸出端，且尾端第一電晶體的柵極與漏極連接。每一第二電晶體唯一對應於非首端及尾端的每一第一電晶體，每一第二電晶體漏極與柵極相連且連接至相對第一電晶體的柵極，而每一第二電晶體的源極與基底相連且連接至相對第一電晶體的漏極。每一第三電晶體唯一對應於每一第一電晶體，每一第三電晶體的基底與源極相連且連接至相對第一電晶體的基底，而每一第三電晶體的漏極連接至相對第一電晶體的源極，對應於首端第一電晶體的第三電晶體的柵極連接至一時鐘信號，而其餘每一第三電晶體的柵極連接至相對第一電晶體的漏極。每一電容唯一對應於非首端的每一第一電晶體，該些電容的一端連接至相對第一電晶體的漏極，另一端則以交錯排列的方式連接至時脈信號或其反向信號。子充電泵電路則提供偏壓至每一第一電晶體柵極。
上述子充電泵電路包括多個第四、第五電晶體及多個電容。其中，每一第四電晶體源極與另一第四電晶體漏極連接使所有第四電晶體串連，首端第四電晶體的漏極連接接收供應電壓，而尾端第四電晶體的源極連接至輸出端，且每一第四電晶體的柵極與漏極相連，該些第一電晶體與非首端的第四電晶體一一對應，且該些第一電晶體柵極分別與相對第四電晶體的柵極連接。每一第五電晶體唯一對應於每一第四電晶體且其源極與基底相連而同時連接至相對第四電晶體的基底，其漏極亦與相對第四電晶體的源極連接，對應於首端第四電晶體的第五電晶體的柵極連接至時鐘信號，而其餘的第五電晶體的柵極連接相對第四電晶體的漏極。每一第二電容唯一對應於非首端的每一第四電晶體，該些第二電容的一端連接至相對第四電晶體的漏極，另一端則以交錯排列方式連接至時鐘信號或其反向信號。
在本發明中，由於第三電晶體的加入而消除了基底效應，亦由於第二電晶體的加入而消除了電荷回充的問題。因此本發明充電泵電路解決了在傳統Dickson電路中所產生的問題。
為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並結合所附圖，作詳細說明如下。
圖1一舊式Dickson充電泵電路的電路圖。
圖2本發明實施例一充電泵電路的電路圖。
圖3本發明另一實施例充電泵電路的電路圖。
圖號說明22、32主充電泵電路24、34子充電泵電路221、223、225充電泵單元M1~M5、Ms1~Ms5、MD1~MD3、Mu1~Mu8、Mus1~Mus8電晶體CL負載電容Cu1~Cu7、Cp1~Cp4電容圖2是一本發明使用N-MOSFET所構成的四級正壓充電泵電路。此充電泵電路的主要部份為圖2虛線下方的主充電泵電路22。主充電泵電路22包括一首級充電泵單元221、一尾級充電泵單元225及三個中間級充電泵單元223。首級充電泵單元221包括電晶體M1、Ms1，尾級充電泵單元225包括電晶體M5、Ms5及電容Cp4，而每一中間級充電泵單元223包括電晶體M2~M4及電晶體Ms2~Ms4，以及電容Cp1~Cp3。電晶體M1~M5以源極連接漏極的方式串連，為首的電晶體M1的漏極連接至供應電壓Vdd，而尾端的電晶體M5的源極是此充電泵電路之輸出端，可輸出一電壓Vout，並且其柵極與漏極直接連接。電晶體M2~M4的柵極則是經過電晶體MD1~MD3連接至它的漏極。另外，電晶體Ms1~Ms5的基底與源極相連且分別連接至電晶體M1~M5的基底，其漏極則分別連接至電晶體M1~M5的源極。電晶體Ms2~Ms5柵極分別連接至電晶體M2~M5的極而電晶體Ms1的極則直接連接至時鐘信號ψ。電晶體M1~M5漏極則經過電容Cp1~Cp4連接至時鐘信號ψ或時鐘信號的反向信號ψ』。其中時鐘信號ψ與其反向信號ψ』系以交錯之方式排列。CL系代表負載電容。
電晶體M1~M4的柵極由另一位於圖2虛線上方的子充電泵電路24所控制。在子充電泵電路24中，電晶體Mu1~Mu6以源極連接漏極的方式串連，為首的電晶體Mu1的漏極與其柵極相連，且連接至供應電壓Vdd，而尾端的電晶體Mu6的源極連接至此充電泵電路的輸出端。電晶體Mu1~Mu6的柵極連接至其漏極。另外，電晶體Mus1~Mus6的基底與源極相連且分別連接至電晶體Mu1~Mu6的基底，而其漏極則分別連接至電晶體Mu1~Mu6的源極。電晶體Mus2~Mus6柵極分別連接至電晶體Mu2~Mu6的漏極而電晶體Mu的s1柵極則直接連接至時鐘信號ψ。電晶體Mu2~Mu6的漏極則經過電容Cu1~Cu5連接至時鐘信號ψ或時鐘信號的反向信號ψ』。其中時脈信號ψ與其反向信號ψ』系以交錯方式排列。
圖2中所有的電晶體的信道長度是相同的。電晶體M1~M5的寬度及電容Cp1~Cp4的大小必需足夠推動負載電容CL。此實施例電晶體M1~M5的寬度為100μm，Cp1~Cp4為10pF而CL為20 pF。時鐘信號ψ及ψ』系用以控制電容Cp1~Cp4的充放電。電晶體Ms1~Ms5的寬度非常小，可以是2μm。其設置的目的在使電晶體M1~M5導通電流時，電晶體M1~M5的基底及源極的電位相等。電晶體Mu1~Mu5及Mus1~Mus5的寬度可以非常小而使其所佔晶片面積很小。此實施例的電晶體Mu1~Mu5的寬度為5μm，而電晶體Mus1~Mus5的寬度為2μm。電容Cu1~Cu5亦很小，可以是0.5pF。電晶體MD1~MD3的寬度可以很小以節省晶片面積，可以是2μm。電晶體MD1~MD3在輸出端有負載電流時可以消除電荷回充的問題。
子充電泵電路24的操作與圖1中所示之Dickson充電泵電路類似。當ψ＝Vdd而ψ』＝0時，電晶體Mu1、Mu3、Mu5被開啟。電容Cu1、Cu3、Cu5開始充電，而電晶體Mu2、Mu4是關閉。同時，電晶體Mus1、Mus3、Mus5是開啟的，因而使電晶體Mu1、Mu3、Mu5的基底與源極的電位相等而消除了基底效應。同樣的，當ψ＝0而ψ』＝Vdd時，電晶體Mu2、Mu4被開啟。電容Cu2、Cu4開始充電，而電晶體Mu1、Mu3、Mu5系關閉。同時，電晶體Mus2、Mus4是開啟的，因而使電晶體Mu2、Mu4之基底與源極之電位相等而消除了基底效應。換句話說，當ψ＝Vdd時，電晶體Mu1被開啟而電晶體Mu2關閉，使電容Cu1開始充電。當ψ＝0時，電晶體Mu2開啟而電晶體Mu1、Mu3關閉，使存於電容Cu1電荷轉送至電容Cu2上。如此重複此過程，電荷將會被送至電容Cu5上，而得最後在電容Cu5兩端的電壓非常高。其中必需特別注意的是，電晶體Mu2及Mus2的柵極連接在一起，造成兩個電晶體Mu2、Mus2的柵極電位相同而使電晶體Mus2不會受電晶體Mus3的漏極電位下降影響依然正常開啟。電晶體Mu3、Mus3、Mu4、Mus4、Mu5、Mus5亦是同樣情形。
主充電泵電路22的操作與上述子充電泵電路24類似，但由於其電晶體M1~M5及電容Cp1~Cp4大於子充電泵電路24中的電晶體及電容，因而具有較大的驅動能力。電晶體Ms1~Ms5的功能與電晶體Mus1~Mus5的功能相仿，系用以消除基底效應。電晶體M1~M4的柵極分別連接至電晶體Mu2~Mu5的源極。其目的在使M1~M4的柵極電位可以被子充電泵電路24拉升，使級與級之間傳送的電壓可以更大，也增加其電壓上升的速度。
電晶體MD1~MD3用以控制M2~M4的柵極電位，使柵極電位高出漏極電位一個臨界電壓值。由於電晶體M2~M4的柵極電位在電晶體M2~M4必需處於關閉狀態時能夠使立刻使電晶體M2~M4關閉，意即在Vgs≥Vt時，電晶體M1~M4可以將電荷向右推進，而在Vgs≤Vt時關閉以阻止電荷回充。因此，此方式可以解決電荷回充的問題。
此外，本發明亦可使用P-MOSFET構成一負壓充電泵電路。圖3為一本發明實施例的四級負壓充電泵電路。除了在電路左側輸入的電壓由Vdd改為直接接地以及使用P-MOSFET以外，其結構及操作方式均與圖2中的四級正壓充電泵電路類似。特別的是，此實施例中的子充電泵電路34，較圖2中的子充電泵電路24多出兩級，這是由於P-MOSFET的|Vt|與N-MOSFET的|Vt|不同，所以為了將主充電泵電路中電晶體M1~M4的柵極電壓最佳化，可以調整子充電泵電路34的級數。
本發明雖已以較佳實施例披露如上，但其並非用以限制本發明。任何熟知本領域技術者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾。因此本發明的保護範圍當視權得要求並結合說明書與附圖所界定者為準。
權利要求
1.一種應用於低供應電壓的充電泵電路，其特徵在於該充電泵電路包括多個第一電晶體，每一第一電晶體的源極與另一第一電晶體的漏極連接，使該等第一電晶體串連，首端的第一電晶體的漏極連接接收一供應電壓，而尾端的第一電晶體的源極是該充電泵電路一輸出端，且該尾端第一電晶體的柵極與漏極連接；多個第二電晶體，每一第二電晶體唯一對應於非首端及尾端的每一第一電晶體，每一第二電晶體的漏極與柵極相連且連接至相對第一電晶體的柵極，而每一第二電晶體的源極與基底相連且連接至相對第一電晶體的漏極；多個第三電晶體，每一第三電晶體唯一對應於每一第一電晶體，每一第三電晶體的基底與源極相連且連接至相對第一電晶體的基底，而每一第三電晶體的漏極連接至相對第一電晶體的源極，該對應於該首端第一電晶體之第三電晶體的柵極連接至一時鐘信號，而其餘每一第三電晶體的柵極連接至相對第一電晶體的漏極；多個電容，每一電容唯一對應於非首端的每一第一電晶體，該電容的一端連接至相對第一電晶體的漏極，另一端則以交錯排列的方式連接至該時鐘信號或該時鐘信號之反向信號；一子充電泵電路，提供偏壓至每一第一電晶體的柵極。
2.如權利要求1所述的充電泵電路，其特徵在於所述子充電泵電路包括多個第四電晶體，每一第四電晶體的源極與另一第四電晶體的漏極連接使該等第四電晶體串連，首端第四電晶體的漏極連接接收該供應電壓而尾端的第四電晶體的源極連接至該輸出端，且每一第四電晶體的柵極與漏極相連，該等第一電晶體與非首端的該第四電晶體唯一對應，且該等第一電晶體的柵極分別與相對第四電晶體的柵極連接，其中第四與第一電晶體相對應的原則與第四電晶體的漏極相連的電容上的時鐘和與第一電晶體的漏極相連的電容時鐘必須相同；多個第五電晶體，每一第五電晶體唯一對應於每一第四電晶體，且每一第五電晶體的源極與基底相連而同時連接至相對第四電晶體的基底，每一第五電晶體的漏極亦與相對第四電晶體的源極連接，該對應於該首端第四電晶體的第五電晶體的柵極連接至該時鐘信號而其餘的第五電晶體的柵極連接相對第四電晶體的漏極；多個第二電容，每一第二電容唯一對應於非首端的每一第四電晶體，該第二電容的一端連接至相對第四電晶體的漏極，另一端則以交錯排列的方式連接至該時鐘信號及該時鐘信號的反向信號。
3.如權利要求1所述的充電泵電路，其特徵在於所述電晶體是一NMOS電晶體而使該充電泵電路的輸出端輸出一正向偏壓。
4.如權利要求1所述充電泵電路，其特徵在於所述電晶體是一PMOS電晶體而使該充電泵電路的輸出端輸出一負向偏壓。
5.如權利要求4所述的充電泵電路，其特徵在於所述供壓電壓為零。
6.一種應用於低供應電壓的充電泵電路，其特徵在於所述充電泵電路包括一第一充電泵單元，包括一第一電晶體，漏極接收一供應電壓；一第二電晶體，基底與源極共同連接至該一電晶體的基底，漏極連接至該第一電晶體的源極，柵極接收一時鐘信號；一第二充電泵單元，包括一第三電晶體，漏極與柵極連接，源極是該充電泵電路的一輸出端；一第四電晶體，基底與源極共同連接至該第三電晶體的基底，漏極連接至該第三電晶體的源極，柵極連接至該第三電晶體的漏極；一第一電容，一端連接至該第三電晶體的漏極而另一端接收該時鐘信號；至少一第三充電泵單元，包括一第五電晶體，漏極連接至該第一電晶體的源極，源極連接至該第三電晶體的漏極；一第六電晶體，基底與源極共同連接至該第五電晶體的基底，漏極連接至該第五電晶體的源極，柵極連接至該第五電晶體的漏極；一第二電容，一端連接至該第五電晶體的漏極而另一端連接至該時鐘信號；一第七電晶體，漏極與柵極共同連接至該第五電晶體的柵極，源極與基底共同連接至該第五電晶體的的漏極，該第七電晶體可防止因子充電泵電路上的電壓過高，產生電荷回充的問題；一子充電泵電路，提供偏壓至該第一及第五電晶體的柵極；其中，該時鐘信號是以正向與反向交錯的方式連接至該第二電晶體、第二及第一電容。
7.如權利要求6所述的充電泵電路，其特徵在於所述充電泵電路具有串接而成多個第三充電泵電路。
8.如權利要求6所述的充電泵電路，其特徵在於所述電晶體是一NMOS電晶體而使該充電泵電路的輸出端輸出一正向偏壓。
9.如權利要求6所述的充電泵電路，其特徵在於所述電晶體是一PMOS電晶體而使該充電泵電路的輸出端輸出一負向偏壓。
10.如權利要求9所述的充電泵電路，其特徵在於所述供壓電壓為零。
全文摘要
一種應用於低供應電壓充電泵電路,是在Dickson充電泵電路每一級中,在原有電晶體柵極上由另一子充電泵電路提供一偏壓且在基底與源極間加入一個第一電晶體,以消除基底效應。亦在原有電晶體柵極與漏極間加入一個第二電晶體,以消除電荷回充問題。因此,此充電泵電路可利用低供應電壓而提供一較高正向或負向電壓,而同時消除Dickson充電泵電路中問題。
文檔編號H02M3/02GK1378329SQ0111040
公開日2002年11月6日 申請日期2001年4月2日 優先權日2001年4月2日
發明者林泓均, 張凱勳, 王是琦 申請人:華邦電子股份有限公司