CN102457178A - 一种电荷泵升压速度控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电荷泵升压速度控制装置，包括：电荷泵，用于输出电压；电压检测模块，用于检测电荷泵输出的电压；升压控制模块，用于控制电荷泵输出的电压的升压速度。通过升压控制模块调整电荷泵输出的高电压的升压速度，降低了编程/擦写过程对存储单元的晶体管的损耗，减弱了由于电荷泵的输出负荷或外部供电电压对电荷泵输出的高电压的升压时间的影响。

Description

一种电荷泵升压速度控制装置

技术领域

本发明主要涉及半导体存储器件，尤其涉及一种电荷泵升压速度控制装置。

背景技术

非易失性存储器芯片广泛用于电子产品、计算机、通讯器件、消费电子以及其他需要数据掉电保存的应用上。非易失性存储器包括多种类型，其中，EPROM、闪存(Flash Memory)等类型均具有编程与擦写功能。非易失性存储器芯片在编程与擦写时采用的高电压通常称为VPP，其典型的取值范围为10V至16V。高电压VPP基于外部供电电压VCC产生，其中，通过向非易失性存储器芯片内部的电荷泵输入外部供电电压VCC，使电荷泵产生并输出高电压VPP。

在非易失性存储器芯片内部，电荷泵作为一种增压电路，是非易失性存储器技术中的常用电路结构，通常情况下，电荷泵包括电压检测电路和升压控制电路。其中，当电压检测电路检测到电荷泵输出的高电压大于目标阀值时，将通过升压控制电路减弱电荷泵或者关闭电荷泵；反之，当电压检测电路检测到电荷泵输出的高电压小于目标阀值时，则通过升压控制电路加强电荷泵或者开启电荷泵。电荷泵从开启到输出恒定的高电压VPP，需要一定的建立时间，该建立时间的长短与多方面因素有关系，如外部供电电压VCC、电荷泵的输出负荷等，当这些因素在电荷泵启动时发生很大变化时，将造成电荷泵输出的高电压VPP的建立时间也存在较大差异，同时，如果电荷泵输出的高电压VPP的上升时间太短，当使用高电压VPP对非易失性存储器的存储单元的控制栅进行沟道热电子编程或者隧穿编程时，将会对非易失性存储器的存储单元产生不当的影响。

因此，对非易失性存储器芯片来说，经常需要控制电荷泵输出的高电压VPP的升压速度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电荷泵升压速度控制装置，精确控制电荷泵输出的高电压的升压速度，以解决非易失性存储器对于编程/擦写过程的高电压需求。

根据本发明的一方面，提供了一种电荷泵升压速度控制装置，包括：

电荷泵，用于输出电压；

电压检测模块，用于检测电荷泵输出的电压；

升压控制模块，用于控制电荷泵输出的电压的升压速度。

根据本发明的一个特征，

所述升压控制模块包括多个开关晶体管和串联连接的多个分压器件。

根据本发明的另一个特征，

所述电压检测模块包括：

比较器，所述比较器包括第一输入端、第二输入端和输出端，其中，

第一输入端与升压控制模块相连接，第二输入端与参考电压相连接，输出端与电荷泵相连接。

根据本发明的另一个特征，

通过控制多个开关晶体管和设置多个分压器件的值，使电荷泵输出的电压与比较器的第一输入端的节点电压成预定比例关系。

根据本发明的另一个特征，

所述多个分压器件的值设置为相同或者成相应比例。

根据本发明的另一个特征，

所述多个开关晶体管至少包括第一开关晶体管和第二开关晶体管；

所述多个分压器件中至少包括第一分压器件、第二分压器件、第三分压器件和第四分压器件。

根据本发明的另一个特征，

所述第一开关晶体管与所述第二分压器件并联连接；

所述第二开关晶体管与串联连接的所述第二分压器件、所述第三分压器件并联连接。

根据本发明的另一个特征，

所述分压器件为电阻、电容或二极管。

根据本发明的另一个特征，

所述多个开关晶体管为PMOS晶体管或NMOS晶体管。

根据本发明的另一个特征，

所述电荷泵包括使能输入端和输出端，其中，当所述电荷泵的使能输入端接收到使能信号后，所述电荷泵启动，通过所述电荷泵的输出端输出电压。

本发明所述的一种电荷泵升压速度控制装置，当使用电荷泵输出的高电压对非易失性存储器的存储单元的控制栅进行沟道热电子编程或者隧穿编程时，由于通过升压控制模块调整电荷泵输出的高电压的升压速度，因此，降低了编程/擦写过程对存储单元的晶体管的损耗，同时大大减弱了由于电荷泵的输出负荷或外部供电电压对电荷泵输出的高电压的升压时间的影响。

附图说明

图1为本发明实施例中电荷泵升压速度控制电路的结构框图；

图2A至图2C为本发明第一实施例中电荷泵升压速度控制电路图；

图3为本发明第一实施例中电荷泵升压速度控制时序图；

图4A至图4C为本发明第二实施例中电荷泵速度控制电路图；

图5为本发明第二实施例中电荷泵升压速度控制时序图；

图6为本发明实施例中电荷泵升压过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的具体实施例。

图1为本发明实施例中电荷泵升压控制电路的结构框图，图1中包括：电荷泵201、电压检测模块102和升压控制模块103，其中，

电荷泵201，用于输出电压；

电压检测模块102，用于检测电荷泵101输出的电压；

升压控制模块103，用于控制电荷泵101输出的电压的升压速度。

图2A至图2C为本发明第一实施例中电荷泵升压速度控制电路图。

图2A中包括：电荷泵201、电压检测模块202和升压控制模块203，其中，

电荷泵201包括使能输入端和输出端，其中，当使能输入端接收到使能信号后，电荷泵201启动，电荷泵201通过输出端输出电压。

电压检测模块202包括比较器2021，比较器2021包括第一输入端、第二输入端和输出端，其中，比较器2021的第一输入端与升压控制模块203相连接，比较器2021的第二输入端与参考电压Vref相连接，比较器2021的输出端与电荷泵的使能输入端相连接。

升压控制模块203包括：第一分压电阻R0、第二分压电阻R1、第三分压电阻R2、第四分压电阻R3，第一开关NMOS晶体管MN0、第二开关NMOS晶体管MN1。其中，

第一分压电阻R0、第二分压电阻R1、第三分压电阻R2、第四分压电阻R3相互串联连接；

第一开关NMOS晶体管MN0与串联连接的第二分压电阻R1、第三分压电阻R2并联连接；

第二开关NMOS晶体管MN1与第二分压电阻R1并联连接；

第一开关NMOS晶体管MN0包括第一控制端N0，第二开关NMOS晶体管MN1包括第二控制端N1。

第一分压电阻R0、第二分压电阻R1、第三分压电阻R2、第四分压电阻R3的值可以根据需要设置为相同或者成相应比例，虽然本实施例中使用了四个分压电阻，但也可以根据需要设置预定个数的分压电阻。

图2B中包括：电荷泵201、电压检测模块202和升压控制模块204，其中，

图2B中的电荷泵201、电压检测模块202与图2A中的电荷泵201、电压检测模块202相同，在此不再重复叙述。

升压控制模块204包括：第一分压二极管D0、第二分压二极管D1、第三分压二极管D2、第四分压二极管D3，第一开关NMOS晶体管MN0、第二开关NMOS晶体管MN1。

第一分压二极管D0、第二分压二极管D1、第三分压二极管D2、第四分压二极管D3串联连接；

第一开关NMOS晶体管MN0与串联连接的第二分压二极管D1、第三分压二极管D2并联连接；

第二开关NMOS晶体管MN1与第二分压二极管D1并联连接；

第一开关NMOS晶体管MN0包括第一控制端N0，第二开关NMOS晶体管MN1包括第二控制端N1。

第一分压二极管D0、第二分压二极管D1、第三分压二极管D2、第四分压二极管D3的等效电阻值可以根据需要设置为相同或者成相应比例，虽然本实施例中使用了四个分压二极管，但也可以根据需要设置预定个数的分压二极管。

图2C中包括：电荷泵201、电压检测模块202和升压控制模块205，其中，

图2C中的电荷泵201、电压检测模块202与图2A中的电荷泵201、电压检测模块202相同，在此不再重复叙述。

升压控制模块205包括：第一分压电容C0、第二分压电容C1、第三分压电容C2、第四分压电容C3，第一开关NMOS晶体管MN0、第二开关NMOS晶体管MN1。

第一分压电容C0、第二分压电容C1、第三分压电容C2、第四分压电容C3串联连接；

第一开关NMOS晶体管MN0与串联连接的第二分压电容C1、第三分压电容C2并联连接；

第二开关NMOS晶体管MN1与第二分压电容C1并联连接；

第一开关NMOS晶体管MN0包括第一控制端N0，第二开关NMOS晶体管MN1包括第二控制端N1。

第一分压电容C0、第二分压电容C1、第三分压电容C2、第四分压电容C3的等效电阻值可以根据需要设置为相同或者成相应比例，虽然本实施例中使用了四个分压电容，但也可以根据需要设置预定个数的分压电容。

下面描述本发明第一实施例中电荷泵升压速度控制电路的工作原理。

当电荷泵201开始启动时，第一控制端N0为高电平，第一开关NMOS晶体管MN0，经过第一预定时间T1后，电荷泵201的输出电压VPP升高到2倍的节点电压V1，并保持在2倍的节点电压V1；然后，第一控制端N0变为低电平，第二控制端N1变为高电平，第二开关NMOS晶体管MN1导通，经过第二预定时间T2后，电荷泵201的输出电压VPP升高到3倍的节点电压V1，并保持在3倍的节点电压V1。以此类推，电荷泵201的输出电压VPP会以每次升高节点电压V1的幅度，最终达到预定的输出电压。也就是说，通过控制多个开关晶体管和设置多个分压器件的值，使电荷泵输出的电压与比较器的第一输入端的节点电压成预定比例关系。

图3为本发明第一实施例中电荷泵升压速度控制时序图

Vpp1和Vpp2表示了两种不同条件下电荷泵的升压过程，Vpp3和Vpp4表示了经过本发明第一实施例中的升压控制模块控制之后的两种不同条件下的升压过程。

图4A至图4C为本发明第二实施例中电荷泵升压速度控制电路图。

图4A中包括：电荷泵201、电压检测模块202和升压控制模块403，其中，

电荷泵201包括使能输入端和输出端，其中，当使能输入端接收到使能信号后，电荷泵201启动，电荷泵201通过输出端输出电压。

电压检测模块202包括比较器2021，比较器2021包括第一输入端、第二输入端和输出端，其中，比较器2021的第一输入端与升压控制模块403相连接，比较器2021的第二输入端与参考电压Vref相连接，比较器2021的输出端与电荷泵的使能输入端相连接。

升压控制模块403包括：第一分压电阻R0、第二分压电阻R1、第三分压电阻R2、第四分压电阻R3，第一开关PMOS晶体管MP0、第二开关PMOS晶体管MP1。其中，

第一分压电阻R0、第二分压电阻R1、第三分压电阻R2、第四分压电阻R3串联连接；

第一开关PMOS晶体管MP0与串联连接的第二分压电阻R1、第三分压电阻R2并联连接；

第二开关PMOS晶体管MP1与第二分压电阻R1并联连接；

第一开关PMOS晶体管MP0包括第一控制端P0，第二开关PMOS晶体管MP1包括第二控制端P1。

第一分压电阻R0、第二分压电阻R1、第三分压电阻R2、第四分压电阻R3的值可以根据需要设置为相同或者成相应比例，虽然本实施例中使用了四个分压电阻，但也可以根据需要设置预定个数的分压电阻。

图4B中包括：电荷泵201、电压检测模块202和升压控制模块404，其中，

图4B中的电荷泵201、电压检测模块202与图4A中的电荷泵201、电压检测模块202相同，在此不再重复叙述。

升压控制模块404包括：第一分压二极管D0、第二分压二极管D1、第三分压二极管D2、第四分压二极管D3，第一开关NMOS晶体管MN0、第二开关NMOS晶体管MN1。

第一分压二极管D0、第二分压二极管D1、第三分压二极管D2、第四分压二极管D3串联连接；

第一开关PMOS晶体管MP0与串联连接的第二分压二极管D1、第三分压二极管D2并联连接；

第二开关PMOS晶体管MP1与第二分压二极管D1并联连接；

第一开关PMOS晶体管MP0包括第一控制端P0，第二开关PMOS晶体管MP1包括第二控制端P1。

第一分压二极管D0、第二分压二极管D1、第三分压二极管D2、第四分压二极管D3的等效电阻值可以根据需要设置为相同或者成相应比例，虽然本实施例中使用了四个分压二极管，但也可以根据需要设置预定个数的分压二极管。

图4C中包括：电荷泵101、电压检测模块202和升压控制模块405，其中，

图4C中的电荷泵201、电压检测模块202与图4A中的电荷泵201、电压检测模块202相同，在此不再重复叙述。

升压控制模块405包括：第一分压电容C0、第二分压电容C1、第三分压电容C2、第四分压电容C3，第一开关PMOS晶体管MP0、第二开关PMOS晶体管MP1。

第一分压电容C0、第二分压电容C1、第三分压电容C2、第四分压电容C3串联连接；

第一开关PMOS晶体管MP0与串联连接的第二分压电容C1、第三分压电容C2并联连接；

第二开关PMOS晶体管MP1与第二分压电容C1并联连接；

第一开关PMOS晶体管MP0包括第一控制端P0，第二开关PMOS晶体管MP1包括第二控制端P1。

第一分压电容C0、第二分压电容C1、第三分压电容C2、第四分压电容C3的等效电阻值可以根据需要设置为相同或者成相应比例，虽然本实施例中使用了四个分压电容，但也可以根据需要设置预定个数的分压电容。

下面描述本发明第一实施例中电荷泵升压速度控制电路的工作原理。

当电荷泵101开始启动时，第一控制端P0为低电平，第一开关PMOS晶体管MP0，经过第一预定时间T1后，电荷泵101的输出电压VPP升高到2倍的节点电压V1，并保持在2倍的节点电压V1；然后，第一控制端P0变为高电平，第二控制端P1变为低电平，第二开关PMOS晶体管MP1导通，经过第二预定时间T2后，电荷泵101的输出电压VPP升高到3倍的节点电压V1，并保持在3倍的节点电压V1。以此类推，电荷泵101的输出电压VPP会以每次升高节点电压V1的幅度，最终达到预定的输出电压。也就是说，通过控制多个开关晶体管和设置多个分压器件的值，使电荷泵输出的电压与比较器的第一输入端的节点电压成预定比例关系。

图5为本发明第二实施例中电荷泵升压速度控制时序图，Vpp1和Vpp2表示了两种不同条件下电荷泵的升压过程，Vpp3和Vpp4表示了经过本发明第二实施例中的升压控制模块控制之后的两种不同条件下的升压过程。

根据上述第一、第二实施例可知，通过在升压控制模块中设置固定的分压器件(例如，电阻、电容或二极管等)和开关晶体管，并设定升高每级电压需要的预定时间，则可以得到比较一致的升压时间。升压级数可以根据需求来设定，一般来说，通过设置预定个数的分压器件来产生预定的升压级数。其中，

分压器件的电气特性即等效电阻的大小，可以根据需要设定为相同或者不同。例如，可以调整所对应的分压器件的电阻大小来调节某个分压结点上的电压的大小。

图6为本发明实施例中电荷泵升压过程示意图，其中，图6的横坐标表示电荷泵的升压时间，单位为微秒；图6纵坐标表示电荷泵的输出电压，单位为伏。在本发明实施例中的升压控制模块的控制下，电荷泵输出的高电压呈台阶上升，从而防止了电荷泵升压过快产生的不良影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，对本发明实施例所作的任何修改、变更、组合、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电荷泵升压速度控制装置，其特征在于，包括：

电荷泵，用于输出电压；

电压检测模块，用于检测电荷泵输出的电压；

升压控制模块，用于控制电荷泵输出的电压的升压速度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述升压控制模块包括多个开关晶体管和串联连接的多个分压器件。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述电压检测模块包括：

比较器，所述比较器包括第一输入端、第二输入端和输出端，其中，

第一输入端与升压控制模块相连接，第二输入端与参考电压相连接，输出端与电荷泵相连接。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，

通过控制多个开关晶体管和设置多个分压器件的值，使电荷泵输出的电压与比较器的第一输入端的节点电压成预定比例关系。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，

所述多个分压器件的值设置为相同或者成相应比例。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述多个开关晶体管至少包括第一开关晶体管和第二开关晶体管；

所述多个分压器件中至少包括第一分压器件、第二分压器件、第三分压器件和第四分压器件。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述第一开关晶体管与所述第二分压器件并联连接；

所述第二开关晶体管与串联连接的所述第二分压器件、所述第三分压器件并联连接。

8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述分压器件为电阻、电容或二极管。

9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述多个开关晶体管为PMOS晶体管或NMOS晶体管。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述电荷泵包括使能输入端和输出端，其中，当所述电荷泵的使能输入端接收到使能信号后，所述电荷泵启动，通过所述电荷泵的输出端输出电压。

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