CN102624222B - 电荷泵及电荷泵系统 - Google Patents

Abstract

一种电荷泵及电荷泵系统。所述电荷泵包括：升压电路、控制电路和电压传输电路；所述升压电路，用于根据第一控制信号将第一输入电压升压；所述电压传输电路包括第一NMOS管，所述第一NMOS管的源极连接升压电路，栅极连接控制电路，漏极作为电荷泵的第一输出端；所述控制电路用于控制所述第一NMOS管的导通或断开；所述第一NMOS管在导通时将升压后的第一输入电压输出；第一NMOS管包括P型衬底，在所述P型衬底中包括N型阱区，在所述N型阱区中包括P型阱区，在所述P型阱区中包括N型掺杂的源极区和漏极区；第一NMOS管的P型衬底、N型阱区分别与源极区相连。本发明避免了MOS管被击穿，提高了电路的可靠性；消除了MOS管的衬偏效应，提高了电荷泵的传输效率。

Description

电荷泵及电荷泵系统

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种电荷泵及电荷泵系统。

背景技术

在信息时代，各种类型的存储器得到越来越广泛的应用。基于低功耗、低成本的要求，存储器的电源电压通常比较低，例如2.5V、1.8V等等，然而为了实现信数据的“写入”和“擦除”，通常需要远高于电源电压的编程电压和擦除电压，例如8V或11V等等。因此，电荷泵电路广泛应用于存储器中，用于通过较低的电源电压获得较高的编程电压或擦除电压。

图1示出了现有技术中电荷泵系统的结构示意图。如图1所示，电源电压VDD经过多阶电荷泵，如图1中所示的一阶电荷泵Stage 1、二阶电荷泵Stage 2、N阶电荷泵Stage n后输出较高电压HV。

其中，所述一阶电荷泵Stage 1由时钟脉冲信号CK1和时钟脉冲信号CK2控制以输出电压A和C；所述二阶电荷泵Stage 2由时钟脉冲信号CK3和时钟脉冲信号CK4控制以输出电压B和D；所述N阶电荷泵Stage n由时钟脉冲信号CK1和时钟脉冲信号CK2控制，并最终输出较高电压HV。其中，所述时钟脉冲信号CK1和时钟脉冲信号CK2的相位相反；所述时钟脉冲信号CK3和时钟脉冲信号CK4的相位相反。

通常在存储器中，所述电源电压VDD的范围为1.8V～3V；而经过多阶电荷泵后，输出的较高电压HV的范围为8V～12V。

图2示出了图1中二阶电荷泵的结构示意图。如图2所示，所述二阶电荷泵Stage 2包括：第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第三NMOS管N3、第一电容C1、第二电容C2和反相器INV。

所述第一NMOS管N1的源极与第二NMOS管N2的源极、第三NMOS管N3的源极以及第一电容C1的一端相连于节点a，并作为第一输入端接收上阶电荷泵(即图1中所示的一阶电荷泵Stage 1)的输出电压A；所述第一电容C1的另一端连接反相器INV的输出端；所述反相器INV的输入端连接时钟脉冲信号CK3。

所述第一NMOS管N1的栅极与第二NMOS管N2的栅极、第三NMOS管N3的漏极以及第二电容C2的一端相连于节点b，并作为第二输入端接收上阶电荷泵(即图1中所示的一阶电荷泵Stage 1)的输出电压C；所述第二电容C2的另一端连接时钟脉冲信号CK4。

所述第一NMOS管N1的漏极连接所述第三NMOS管N3的栅极，并作为所述二阶电荷泵Stage 2的第一输出端以输出电压B；所述第二NMOS管N2的漏极作为第二输出端以输出电压D。

其中，所述第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第三NMOS管N3的衬底均接地GND。

图2所示的电荷泵中，所述第一电容C1不断地由所述时钟脉冲信号CK3进行充电和放电，从而提升了第一NMOS管N1的源极电压，也即上阶电荷泵的输出电压A不断提升。而所述第二电容C2由所述时钟脉冲信号CK4进行充电和放电，从而使得所述第一NMOS管N1的栅极电压上升。当所述第一NMOS管N1的栅源之间的电压差大于其阈值电压时，所述第一NMOS管N1导通，从而使得其漏极将输出电压B输出，此时的输出电压B即为提升后的节点a处的电压。

然而，如图2所示的电荷泵所能承受的最大输入电压(如上阶电荷泵的输出电压A)受第一NMOS管N1的源极与衬底之间的击穿电压的限制。通常地，所述第一NMOS管N1的源极与衬底之间的击穿电压为9V，因此，上阶电荷泵(即图1中所示的一阶电荷泵Stage 1)的输出电压A不能超过9V，否则将导致所述第一NMOS管N1被击穿，进而影响电荷泵的可靠性。

另一方面，图2所示的电荷泵中各MOS管均采用普通工艺形成，且其衬底均接地GND。而这种结构的MOS管存在衬偏效应，随着上阶电荷泵的输出电压的电压值的增大，这种衬偏效应也就越加明显，从而影响电荷泵的传输效率。

因此，如何避免MOS管被击穿以提高电路的可靠性以及提高电荷泵的传输效率就成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种电荷泵及电荷泵系统，以有效地提高电荷泵的可靠性及其传输效率。

为解决上述问题，本发明提供一种电荷泵包括：升压电路、控制电路和电压传输电路；所述升压电路，用于根据第一控制信号将第一输入电压升压；所述电压传输电路包括第一NMOS管，所述第一NMOS管的源极连接所述升压电路，栅极连接所述控制电路，漏极作为所述电荷泵的第一输出端；所述控制电路用于控制所述第一NMOS管的导通或断开；所述第一NMOS管在导通时将升压后的第一输入电压输出；其中，所述第一NMOS管包括P型衬底，在所述P型衬底中包括N型阱区，在所述N型阱区中包括P型阱区，在所述P型阱区中包括N型掺杂的源极区和漏极区；所述第一NMOS管的P型衬底、N型阱区分别与源极区相连。

可选地，所述升压电路包括第一电容和反相器，所述第一电容的一端连接所述第一NMOS管的源极，另一端连接所述反相器的输出端，所述反相器的输入端接收第一控制信号。

可选地，所述控制电路包括第二电容，所述第二电容的一端连接所述第一NMOS管的栅极，另一端接收第二控制信号；所述第二控制信号与第一控制信号的相位相反，并且所述第二控制信号的幅值大于所述第一控制信号的幅值。

可选地，所述电荷泵还包括第二NMOS管，所述第二NMOS管的源极连接所述第一NMOS管的源极，栅极连接所述第一NMOS管的栅极，漏极作为所述电荷泵的第二输出端。

可选地，所述第二NMOS管包括P型衬底，在所述P型衬底中包括N型阱区，在所述N型阱区中包括P型阱区，在所述P型阱区中包括N型掺杂的源极区和漏极区；所述第二NMOS管的衬底与源极区相连。

可选地，所述电荷泵还包括第三NMOS管，所述第三NMOS管的源极连接第一NMOS管的源极，栅极连接所述第一NMOS管的漏极，漏极连接所述第一NMOS管的栅极并接收第二输入电压。

可选地，所述第三NMOS管包括P型衬底，在所述P型衬底中包括N型阱区，在所述N型阱区中包括P型阱区，在所述P型阱区中包括N型掺杂的源极区和漏极区；所述第三NMOS管的衬底与源极区相连。

相应地，本发明还提供了一种电荷泵系统，所述电荷泵系统包括多个上述的电荷泵，其中，上阶电荷泵的输出端对应连接下阶电荷泵的输入端。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

1)本发明的电荷泵中，采用深阱工艺形成所述第一NMOS管，并且所述第一NMOS管的衬底与源极相连。采用这种结构的NMOS管进行电压传输时，消除了衬偏效应，因此可以有效地提高传输的效率。

2)第一NMOS管的衬底与源极连接后，所述第一NMOS管就不再存在源极与衬底之间的击穿电压问题，因此也可以避免NMOS管被击穿，从而可以提高电荷泵的可靠性。

3)本发明中的第一NMOS管的源极与漏极之间存在寄生二极管，该寄生二极管可以在电荷泵的工作过程中进行电压的传输，也就是说，通过所述寄生二极管也可以将升压后的上阶电荷泵的第一输出电压输出。这样也进一步地提高了本发明电荷泵的传输效率。

附图说明

图1是现有技术中电荷泵系统的结构示意图；

图2是图1中二阶电荷泵的结构示意图；

图3是本发明电荷泵的结构示意图；

图4是本发明电荷泵中第一NMOS管的结构示意图；

图5是本发明电荷泵的实施例一的示意图；

图6是本发明电荷泵的实施例二的示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有技术的电荷泵中采用普通工艺形成各个MOS管，这种结构的MOS管所能承受的输入电压会受到MOS管的源极与衬底之间的击穿电压的限制，若输入电压过大将导致MOS管被击穿，从而影响电荷泵的应用和可靠性。另一方面，普通工艺形成的MOS管的衬底与地相连，从而存在着衬偏效应，这种衬偏效应会随着输入电压的增大而越加明，进而使得MOS管的阈值电压大大升高，这样就不利于电荷泵的传输效率。

本发明电荷泵的电压传输电路中采用深阱工艺形成第一NMOS管，所述第一NMOS管的衬底与源极相连，这样就消除了源极与衬底之间的击穿电压限制，并且也消除了衬偏效应，从而一方面提高了本发明电荷泵的可靠性，另一方面也提高了其传输效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

图3示出了本发明电荷泵的结构示意图，如图3所示，所述电荷泵包括：升压电路10、控制电路20和电压传输电路30。

所述升压电路10，用于根据第一控制信号CK13将第一输入电压V1升压，所述升压电路10的输出电压为V1′。

所述电压传输电路30包括第一NMOS管N11，所述第一NMOS管N11的源极连接所述升压电路10，栅极连接所述控制电路20，漏极作为所述电荷泵的第一输出端。

所述控制电路20用于控制所述第一NMOS管N11的导通或断开；所述第一NMOS管N11在导通时将升压后的第一输入电压(即所述升压电压10的输出电压V1′)输出。参考图3所示，所述电压传输电路30的输出电压，即所述电荷泵的第一输出电压为Vout1。

其中，所述第一NMOS管N11包括P型衬底，在所述P型衬底中包括N型阱区，在所述N型阱区中包括P型阱区，在所述P型阱区中包括N型掺杂的源极区和漏极区；所述第一NMOS管的P型衬底、N型阱区分别与源极区相连。

这种结构的NMOS管的衬底与源极之间不存在击穿电压问题，从而提高了电荷泵的可靠性。另一方面，这种结构的NMOS管消除了衬偏效应，因此也有效地提高了电荷泵的传输效率。

图4示出了所述第一NMOS管的结构示意图。所述第一NMOS管N11采用P型衬底。参考图4，所述P型衬底Psub中包括N型阱区DNwell，在所述N型阱区DNwell中包括P型阱区Pwell，在所述P型阱区Pwell中包括N型掺杂的源极区和漏极区(如图4所示的源极区100和漏极区200)。

这样，在所述P型衬底Psub与N型阱区DNwell之间形成有第一寄生二极管(图中未示出)，在所述N型阱区与所述P型阱区之间形成有第二寄生二极管(图中未示出)，所述第一寄生二极管与所述第二寄生二级管的负极相对，并且其负极均连接至所述NMOS管的源极。换句话说，所述第一NMOS管N11的N型阱区DNwell与源极区100相连。并且在本发明中，所述第一NMOS管N11的P型衬底Psub也与源极区100相连。

下面再结合具体的实施例对本发明电荷泵做详细说明。

实施例一

图5示出了本发明电荷泵的实施例一的示意图。如图5所示，所述电荷泵包括升压电路10、控制电路20和电压传输电路30。

所述电压传输电路30包括第一NMOS管N11。所述第一NMOS管N11的源极与所述升压电路10的输出端共同连接至节点e，栅极与所述控制电路20共同连接至节点f，漏极作为电荷泵的第一输出端，用于输出电压Vout1。

所述升压电路10包括：第一电容C11和反相器INV1。所述第一电容C11的一端连接所述第一NMOS管N11的源极，即连接节点e，另一端连接所述反相器INV1的输出端，所述反相器INV1的输入端接收第一控制信号CK13。

所述升压电路10在第一控制信号CK13的控制下将第一输入电压V1进行升压，升压后的电压为V1′。

所述控制电路20包括第二电容C12，所述第二电容C12的一端连接所述第一NMOS管N11的栅极，另一端接收第二控制信号CK14。

其中，所述第二控制信号CK14与第一控制信号CK13的相位相反，并且所述第二控制信号CK14的幅值大于所述第一控制信号CK13的幅值。

也就是说，当所述第一控制信号CK13为低电平时，所述第二控制信号CK14为高电平。这样所述第一控制信号CK13经过反相器INV1后变为高电平，从而对第一电容C11进行充电；经过充电，所述第一电容C11将上阶电荷泵的第一输出电压V1升压至V1′。

而此时的第二控制信号CK14为高电平，同样对第二电容C12进行充电，所述第二电容C12将节点f，也即第一NMOS管N11的栅极电压升高；并且由于所述第二控制信号CK14的幅值大于所述第一控制信号CK13的幅值，从而使得所述第一NMOS管N11的栅极与源极之间的电压差(即节点f与节点e之间的电压差)大于所述第一NMOS管N11的阈值电压，这样就使得所述第一NMOS管N11导通，其漏极将电荷泵的第一输出电压Vout1输出。

继续参考图5，在本实施例中，所述电荷泵还可以包括第二NMOS管N12。

所述第二NMOS管N12的源极连接所述第一NMOS管N11的源极，栅极连接所述第一NMOS管的栅极N11，漏极作为所述电荷泵的第二输出端，用于输出电压Vout2。

在本实施例中，所述第二NMOS管N12包括P型衬底，在所述P型衬底中包括N型阱区，在所述N型阱区中包括P型阱区，在所述P型阱区中包括N型掺杂的源极区和漏极区；所述第二NMOS管的衬底与源极区相连。

具体地，参考图5所示，所述第一NMOS管N11中存在着第一寄生二极管D1和第二寄生二极管D2，所述第一寄生二极管D1和第二寄生二极管D2的负极相对，且其负极均连接至所述第一NMOS管N11的源极。

这样，所述第一寄生二极管D1和第二寄生二极管D2均反向连接，因此其均处于截止状态。从而可以避免所述第一NMOS管N11中存在漏电流，进而进一步提高了电荷泵的性能。

所述第二NMOS管N12中的寄生二极管的连接方式与所述第一NMOS管N11的相类似，故在此不再赘述。

继续参考图4和图5，采用深阱工艺形成的NMOS管的源极区100和漏极区200之间也存在着寄生二极管，如图5中所示，所述第一NMOS管N11的源极与漏极之间存在着第三寄生二极管D3，且所述第三寄生二极管的正极连接所述第一NMOS管N11的源极，负极连接所述第一NMOS管N11的漏极。这样，在电荷泵初始工作且所述第一NMOS管N11未导通时，所述第三寄生二极管D3即导通，因此，所述电荷泵仍可输出电压Vout1。

通过所述第三寄生二极管D3，可以有效地提高电压传输电路30的传输效率，同样也提高了该电荷泵的可靠性。

下面再结合图5对本实施例中电荷泵的工作原理做进一步说明。

参考图5，当第一控制信号CK13为低电平时，所述第二控制信号CK14为高电平。此时，所述第一控制信号CK13经过所述反相器INV1后变为高电平，因此，所述第一电容C11处于充电状态，从而使得节点e的电压升高至V1′。而此时的第二电容C12在高电平的第二控制信号CK14的控制下进行充电，从而使得节点f的电压升高，由于所述第二控制信号CK14的幅值大于所述第一控制信号CK13的幅值，从而使得节点f与节点e的电压差大于第一NMOS管N11的阈值电压，所述第一NMOS管N11导通，并由其漏极输出电压Vout1。在电荷泵系统中，所述电压Vout1可以作为下阶电荷泵的第一输入电压。

此时，所述第二NMOS管N12也处于导通状态，从而使得其漏极输出电压Vout2。所述第二NMOS管N12的输出电压Vout2与所述第一NMOS管N11的输出电压Vout1的电压值相同。在电荷泵系统中，所述电压Vout2可以作为下阶电荷泵的第二输入电压。

当所述第一控制信号CK13为高电平时，所述第二控制信号CK14为低电平。所述第一控制信号CK13经过反相器INV1后变为低电平，此时，所述第一电容C11处于放电状态，从而将节点e处的电压拉低，也就是说此时节点e处的电压小于第一输入电压V1。

理想状态下，所述第二电容C12在所述第二控制信号CK14的控制下同样处于放电状态，从而使得节点f处的电压也随之降低。由于所述第二控制信号CK14的幅值大于所述第一控制信号CK13的幅值，从而节点f处的电压将小于节点e处的电压，即第一NMOS管N11的栅极电压小于其源极电极，从而使得所述第一NMOS管N11截止。

但是，在实际应用中，所述第二控制信号CK14与第一控制信号CK13之之间可能存在着一定的相位差，从而使得所述第一NMOS管N11在节点e处的电压下降后不能及时截止，从而导致其漏极的输出电压Vout1也随之下降。

为了解决上述问题，本发明还提供了电荷泵的第二种实施例。

实施例二

图6示出了本发明电荷泵的实施例二的示意图。参考图6，与实施例一相比，本实施例的电荷泵还包括了第三NMOS管N13。

所述第三NMOS管N13的源极连接第一NMOS管N11的源极，栅极连接所述第一NMOS管N11的漏极，漏极连接所述第一NMOS管N11的栅极并接收第二输入电压V2。

并且，在本实施例中，所述第三NMOS管N13包括P型衬底，在所述P型衬底中包括N型阱区，在所述N型阱区中包括P型阱区，在所述P型阱区中包括N型掺杂的源极区和漏极区；所述第三NMOS管的衬底与源极区相连。

下面结合图6对本实施例的电荷泵的工作原理做详细说明。

首先，需要说明的是，图6所示的电荷泵电路中，第一输入电压V1与第二输入电压V2的电压值相同。

当节点e处的电压下降的瞬间，所述第三NMOS管N13的源极电压下降。然而，所述第三NMOS管N13的栅极连接所述第一NMOS管N11的漏极，也就是说其栅极的电压为电压Vout1，从而使得这时的第三NMOS管N13导通，所述第三NMOS管N13将上阶电荷泵的第二输出电压V2传输至节点e。由于上阶电荷泵的第二输出电压V2与其第一输出电压V1的电压值相同，从而使得节点e处的电压维持在稳定状态，因此，解决了由于第一NMOS管N11不能及时截止而导致的输出电压Vout1下降的问题。

在本实施例中，所述电荷泵的其他结构与实施例一中的对应结构相类似，故在此不再赘述。

需要说明的是，本发明的电荷泵的输入端数量和输出端数量可以根据实际需要进行相应设置，而不应局限于实施例一中的单端输入、双端输出或者实施例二中的双端输入、双端输出。在其他实施例中，还可以根据实际需要设置成单端输入、单端输出或者其他的结构，其均应落入本发明的保护范围。

相应地，本发明还提供一种电荷泵系统。所述电荷泵系统包括多个依次连接的上述电荷泵。具体地，在该电荷泵系统中，上阶电荷泵的输出端连接下阶电荷泵的输入端。所述电荷泵系统中各个电荷泵的结构以及工作原理与前述电荷泵的相类似，故在此不再赘述。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种电荷泵，其特征在于，包括升压电路、控制电路和电压传输电路；

所述升压电路，用于根据第一控制信号将第一输入电压升压；

所述电压传输电路包括第一NMOS管、第二NMOS管和第三NMOS管，所述第一NMOS管的源极连接所述升压电路，栅极连接所述控制电路，漏极作为所述电荷泵的第一输出端；所述第二NMOS管的源极连接所述第一NMOS管的源极，所述第二NMOS管的栅极连接所述第一NMOS管的栅极，所述第二NMOS管的漏极作为所述电荷泵的第二输出端；所述第三NMOS管的源极连接第一NMOS管的源极，所述第三NMOS管的栅极连接所述第一NMOS管的漏极，所述第三NMOS管的漏极连接所述第一NMOS管的栅极并接收第二输入电压；

所述控制电路用于控制所述第一NMOS管的导通或断开；所述第一NMOS管在导通时将升压后的第一输入电压输出；其中，所述第一NMOS管包括P型衬底，在所述P型衬底中包括N型阱区，在所述N型阱区中包括P型阱区，在所述P型阱区中包括N型掺杂的源极区和漏极区；所述第一NMOS管的P型衬底、N型阱区分别与源极区相连。

2.如权利要求1所述的电荷泵，其特征在于，所述升压电路包括第一电容和反相器，所述第一电容的一端连接所述第一NMOS管的源极，另一端连接所述反相器的输出端，所述反相器的输入端接收第一控制信号。

3.如权利要求2所述的电荷泵，其特征在于，所述控制电路包括第二电容，所述第二电容的一端连接所述第一NMOS管的栅极，另一端接收第二控制信号；所述第二控制信号与第一控制信号的相位相反，并且所述第二控制信号的幅值大于所述第一控制信号的幅值。

4.如权利要求1所述的电荷泵，其特征在于，所述第二NMOS管包括P型衬底，在所述P型衬底中包括N型阱区，在所述N型阱区中包括P型阱区，在所述P型阱区中包括N型掺杂的源极区和漏极区；所述第二NMOS管的衬底与源极区相连。

5.如权利要求1所述的电荷泵，其特征在于，所述第三NMOS管包括P型衬底，在所述P型衬底中包括N型阱区，在所述N型阱区中包括P型阱区，在所述P型阱区中包括N型掺杂的源极区和漏极区；所述第三NMOS管的衬底与源极区相连。

6.一种电荷泵系统，其特征在于，包括多个如权利要求1至5任一项所述的电荷泵，其中，上阶电荷泵的输出端对应连接下阶电荷泵的输入端。