CN102857098A - 升压电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种升压电路，该升压电路具有：输出电路，该输出电路包括：根据第一传送控制信号将第一升压节点所累积的电荷传送至第一输出节点的第一传送电路、检测第一输出节点的电压的检测电路、以及根据检测电路的检测信号对第一升压电路节点以电荷预充电的预充电电路；第一泵电路，该第一泵电路包括：根据第二传送控制信号将电荷传送至第二输出节点的第二传送电路、以及耦接至第一升压节点，且根据传送至第二输出节点的电荷将第一升压节点的电位升压的第一电容单元；以及，耦接至输出电路以及第一泵电路，且根据第一输出节点的电位控制第二传送控制信号的控制电路。

Description

升压电路
技术领域
本发明是关于升压方法，特别是关于用于需要高电压的半导体存储器等等的半导体装置的升压电路。
背景技术
随着对半导体设计的微缩，驱动半导体元件所需的操作电压降低，提供至半导体装置所需的电源电压也随之降低。例如，从半导体存储器外部所提供的电源电压由3.3到2.5V被降低至1.8V。另一方面，半导体存储器的内部电路常需要多种不同的电源，例如用于驱动晶体管的电压、施加至基底和井的电压等等，需要比电源电压更高的高电压。因此，半导体装置需具有可将外部所提供的电源电压提升至所需的电压的升压电路。这样的升压电路一般通过充电泵(charge-pump)电路所构成。
如图1a、图1b所示，专利文件1(日本专利：特开2005-235315号公报)揭露二串联的泵电路，构成可将电源电压升压2倍以上的升压电路。此升压电路用于动态存储器的内部电路，转换电源电压VDD为更高的电压Vpp以施加至字线。该升压电路具有反相器INV、电容C1、C2、开关SW1、SW2。如图1a所示，当开关SW1、SW2不导通的时候，电容C1的负极接地，电容器C1蓄积对应于电源VDD的电荷，电容器C2也同样蓄积对应于电源VDD的电荷。
当施加驱动电压Vpp至DRAM的字线的时候，驱动开关SW1、SW2导通，电容C1的电极从VDD升压至2*VDD，通过此升压后的电压将电容C2的电极升压至3*VDD，施加升压电压Vpp至字线。
此外，有鉴于半导体存储器升压电路的动作时机与升压电压被消耗的时机并不一致，以及鉴于充电泵电路的升压动作高速化的困难，使得许多的升压电路互相分散操作，专利文件2(日本专利：特开2001-250381号公报)揭露一可消耗一致化的时间以得到较好操作效率的升压电路。
图2绘示一传统由泵电路串联而成的升压电路的结构。此升压电路用以将外部所提供的电源电压Vdd升压，使其输出3倍于电源电压Vdd的升压电压。
输出电路包括输出端OUT。于预充电期间，时脉信号CLK为低电压位准，这段期间，通过P型的预充电晶体管Pre1将升压节点boost-1预充电至Vdd。之后时脉信号CLK变为高电压位准，传送控制信号Kickb变为低电压位准，于升压节点boost-1所蓄积的电荷通过P型的传送晶体管TP2传送至输出节点Kick。自传送开始经过反相器IN2、IN3所延迟的时间后，关闭预充电晶体管Pre1。
升压节点boost-1耦接至包括电容单元C1在中间的泵电路。泵电路和输出电路有相同的组成，但在这中间的泵电路，提供经过反相器IN4、IN5、IN6所延迟时脉信号CLK的时脉信号。输出电路也相同地，通过传送晶体管TP5，将升压节点boost-2的所预充电的电荷传送至输出节点Kick-1，因此，容量结合的升压节点boost-1被升压。
此外，升压节点boost-2耦接至包括电容C2前段的泵电路。前段的泵电路包括，传送电源Vdd至输出节点Kick-2的传送晶体管TP7，提供经过反相器IN4、IN5、IN9、IN10、IN11所延迟时脉信号CLK的时脉信号至传送晶体管TP7、TN7。若输出节点Kick-2升压至Vdd，则容量结合的升压节点boost-2升压至2*Vdd，最后，输出电路的输出节点kick产生3*Vdd的升压电压。
像这样的升压电路，具有可产生同步于时脉信号CLK的升压电压的优点，然而如果为了将升压电路高速操作而把时脉信号CLK的频率提高，在升压节点boost-1、boost-2被充分预充电至Vdd位准之前，升压节点boost-1、boost-2的电荷就会被传送至输出节点Kick、Kick-1，而无法于输出OUT获得3*Vdd的升压电压(＜3*Vdd)。
发明内容
本发明的目的是用以解决上述过去的问题，以提供能确实产生升压电压的升压电路为目标。
此外，本发明更可监控被升压的输出节点，并以较简单的组成来提供产生稳定的升压电压的升压电路。
根据本发明的一实施例的升压电路具有一输出电路，包括：一第一传送电路，根据用于控制电荷传送的一第一传送控制信号，传送一第一升压节点所累积的电荷至一第一输出节点；一第一检测电路，检测上述第一输出节点的电压；以及一第一预充电电路，根据上述第一检测电路的一第一检测信号，对上述第一升压电路节点以电荷预充电、一第一泵电路，包括：一第二传送电路，根据用于控制电荷传送的一第二传送控制信号，传送电荷至一第二输出节点；以及一第一电容单元，耦接至上述第一升压节点，且根据传送至上述第二输出节点的电荷对上述第一电压节点的电位升压、以及一控制电路，耦接至上述输出电路以及上述第一泵电路，根据上述第一输出节点的电位控制上述第二传送控制信号。
根据本发明的一实施例的升压电路具有一种升压电路，包括：一输出电路，包括：一第一传送电路，根据用于控制电荷传送的一第一传送控制信号，传送一第一升压节点所累积的电荷至一第一输出节点；一第一检测电路，检测上述第一输出节点的电压；以及一第一预充电电路，根据上述第一检测电路的一第一检测信号，对上述第一升压电路节点以电荷预充电、以及一第一泵电路，包括：一第二传送电路，根据用于控制电荷传送的一第二传送控制信号，传送电荷至一第二输出节点；以及一第一电容单元，耦接至上述第一升压节点，且根据传送至上述第二输出节点的电荷对上述第一电压节点的电位升压，其中，上述第二传送控制信号耦接至上述第一检测信号。
根据本发明的一较佳实施例的升压电路，其中上述第一泵电路更包括：一第二检测电路，检测上述第二输出节点的电压；以及一第二预充电电路，根据上述第二检测电路的一第二检测信号，对上述第二升压电路节点以电荷预充电。根据本发明的一较佳实施例的升压电路，更包括：一第二泵电路，包括：一第三传送电路，根据用于控制电荷传送的一第三传送控制信号，传送电荷至一第三输出节点；以及一第二电容单元，耦接至上述第二升压节点，且根据传送至上述第三输出节点的电荷对上述第二电压节点的电位升压，其中，上述控制电路更根据上述第二输出节点的电位控制上述第三传送控制信号。根据本发明的一较佳实施例的升压电路，当上述第一输出节点达到一临界值以上的时候，上述第一预充电电路停止对第一升压节点的电荷预充电，并且上述第二传送电路将上述第二升压节点所蓄积的电荷传送至上述第二输出节点，将上述第一升压节点的电位升压。根据本发明的一较佳实施例的升压电路，其中当上述第二输出节点达到上述临界值以上的时候，上述第二预充电电路停止对第二升压节点的电荷预充电，并且上述第三传送电路将电荷传送至上述第三输出节点，将上述第二升压节点的电位升压。根据本发明的一较佳实施例的升压电路，更包括多个上述第一泵电路串联。
发明的有益技术效果：本发明通过根据输出节点的电压控制对升压节点的预充电，避免升压节点或者输出节点的电位在不充分的状态下进行对电容的升压操作，因此，可确实获得预定的升压电压。
附图说明
图1a、图1b是表示传统的充电泵电路的一实施例的图式。
图2是表示传统的升压电路的一实施例的图式。
图3是表示根据本发明的一实施例的升压电路的组成图。
图4是表示如图3所示的升压控制电路的一组成实施例。
图5是表示根据本发明实施例的升压电路的动作流程图。
图6是表示根据本发明实施例的升压电路的节点或信号的状态列表。
图7是表示传统升压电路的节点或信号的状态列表。
图8是表示根据本发明实施例的升压电路的节点或信号的波形图。
图9是表示根据本发明实施例的升压电路的节点或信号的波形图。
图10是表示根据本发明的升压电路的其他组成实施例的图式。
图11是表示根据本发明第2个实施例的升压电路的组成图。
附图标号：
100、100A～升压电路；
110～输出电路；
120、120-1、120-n～第一泵电路；
130～第二泵电路；
140～升压控制电路；
142～时脉信号产生单元；
144～传送控制信号产生单元；
boost-1、boost-2～升压节点；
C1、C2～电容单元；
CLK～时脉信号；
DT1、DT2～检测信号；
Enable～致能信号；
INV、IN1、IN2、IN3、IN4、IN5、IN6、IN7、IN8、IN9、IN10、IN11、IN20～反相器；
Kick、Kick-1、Kick-2、Kickb、Kickb-1、Kickb-2、clmpg、clmpg-1～节点；
NAND1、NAND2～与非门；
OUT～输出；
SW1、SW2～开关；
TN1、TP1、TN2、TP2、TN3、TP3、TN4、TP4、TN5、TP5、TN6、TP6、TN7、TP7、Pre1、Pre2～晶体管；
Vdd、VDD、Vpp、Vss～电压。
具体实施方式
用于实施发明的形态：
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
实施例：
图3绘示本发明的一实施例的升压电路的组成图。本实施例的升压电路100包括：输出电路110、第一泵电路120、第二泵电路130以及升压控制电路140。此外，图中与图2所示的先前装置相同的组成元件直接以相同的参考符号表示。
输出电路110的组成包括，预充电升压节点boost-1的预充电电路，将升压节点boost-1预充电的电荷传送至输出节点Kick(OUT)的传送电路，以及检测输出节点Kick的电压的检测电路。
预充电电路，具有耦接至电源电压Vdd的P型的预充晶体管Pre1，和耦接至预充晶体管Pre1栅极的N型晶体管TN1以及P型晶体管TP1，其中晶体管TN1、TP1的栅极共同耦接至检测电路的检测信号DT1。
传送电路包括，由P型的晶体管TP2以及N型的晶体管TN2组成的CMOS反相器，其输入端耦接至从升压控制电路140传送的控制信号Kickb。传送电路的输出节点Kick，同时耦接至输出OUT、升压控制电路140以及检测电路。检测电路包括，由P型的晶体管TP3以及N型的晶体管TN3组成的CMOS反相器，其输入端耦接至输出节点Kick，并对应输出节点Kick来提供检测信号DT1至预充电电路。
输出电路110与第一泵电路120串联。第一泵电路120与输出电路110同样包括，预充电电路(Pre2、TN4、TP4)、传送电路(TP5、TN5)、检测电路(TP6、TN6)，并更进一步包括对输出电路110的升压节点boost-1结合容量的电容单元C1。第一泵电路120的传送电路的输出节点Kick-1耦接至电容单元C1、检测电路以及升压控制电路140。另外，第一泵电路120的传送控制信号kickb-1，如同后述，对应输出节点Kick的状态具有高电压位准或是低电压位准。
第二泵电路130，是构成最前段的泵电路，第二泵电路130与第一泵电路120不同，并不具有预充电电路。也就是说，第二泵电路130的组成包括，将电源Vdd的电荷传送至输出节点Kick-2的传送电路(TP7、TN7)，以及对第一泵电路120的升压节点boost-2结合容量的电容单元C2，其中输出节点Kick-2耦接至电容单元C2以及升压控制电路140。另外，第二泵电路130的传送控制信号kickb-2对应输出节点Kick-1的状态具有高电压位准或是低电压位准。
本实施例的升压电路100为了将从外部所提供的电源电压Vdd升压至约3倍的升压电压(3*Vdd)，具有如图3所示的电路组成，然而此电路组成如同后述，可相应地变更升压的电压的大小。举例来说，使用更多的泵电路产生更大的升压电压的状况下，可串联更多的第一泵电路120。例如在产生4*Vdd的升压电压的状况下，串联二个第一泵电路120，在产生5*Vdd的升压电压的状况下，亦可串联三个第一泵电路120。
升压控制电路140耦接至输出电路110、第一泵电路120以及第二泵电路130，并根据输出节点Kick的电压产生致能传送电路的传送控制信号Kickb-1、根据输出节点Kick-1的电压产生致能传送电路的传送控制信号Kickb-2、根据输出节点Kick-2的电压产生除能传送电路的传送控制信号Kickb、Kickb-1、Kickb-2。
图4是表示升压控制电路140组成的一实施例。升压控制电路140，具有时脉信号产生单元142，根据输出节点Kick、Kick-1、Kick-2产生时脉信号CLK或是致能信号Enable信号(以下皆以时脉信号CLK称之)，以及传送控制信号产生单元144，根据时脉信号CLK产生传送控制信号Kickb、Kickb-1、Kickb-2。电源电压Vdd被提供至时脉信号产生单元142以及传送控制信号产生单元144。
传送控制信号产生单元144具有耦接至时脉信号CLK的反相器IN20、与非门NAND1、NAND2。反相器IN20仅延迟时脉信号一段时间，产生具有其反相信号的传送控制信号Kickb。反相器IN20亦可为一个或多个反相器的串联。与非门NAND1，输入时脉信号CLK以及输出节点Kick，从其输出产生传送控制信号Kickb-1。与非门NAND2，输入时脉信号CLK和输出节点Kick-1，从其输出产生传送控制信号Kickb-2。另外，时脉信号产生单元142的输出节点Kick-2为Vdd电压位准的时候，产生高电压位准的时脉信号CLK。
接着，就本实施例的升压电路的动作进行说明。图5是表示升压电路的动作流程图，图6是表示升压电路的节点或信号的状态列表，图8以及图9是升压电路的节点或信号的波形图。如图6所示，升压电路一周期内于相位关闭，相位1、相位2以及相位3的四个相位的动作。
升压动作开始的时候即相位关闭的时候，升压电路的输入，传送控制信号Kickb、Kickb-1、Kickb-2为高电压位准。意即，时脉信号产生单元142输出低电压位准的时脉信号CLK。从而输出节点Kick、Kick-1、Kick-2为0V或是GND(接地)，检测信号DT1、DT2变为高电压位准、节点clmpg、clmpg-1变为低电压位准，预充晶体管Pre1、Pre2不导通，电容单元C1、C2一侧的电极为GND，而电容单元C1、C2另一侧的电极，即升压节点boost-1、boost-2，从电源Vdd预充电电荷，升压节点boost-1、boost-2变为Vdd位准(步骤S101、S102)。
接着，相位1中传送控制信号Kickb从高电压位准转换到低电压位准(步骤S103)。意即，时脉信号产生单元142输出高电压位准的时脉信号CLK。此时，与非门NAND1、NAND2输入端的节点Kick、Kick-1，由于是低电压位准与非门NAND1、NAND2为除能状态，传送控制信号Kickb-1、Kickb-2为高电压位准。此外，传送控制信号Kickb从高电压位准转换到低电压位准的时间，设定为电容单元C1、C2被Vdd电压位准充分充电的时间。
相应于传送控制信号Kickb转换为低电压位准，输出电路110的传送电路的晶体管TP2导通，升压节点boost-1的电荷被传送至输出节点Kick，输出节点Kick被升压至Vdd(步骤S104)。此时，预充晶体管Pre1由于仍在导通状态，因此升压节点boost-1可维持电压Vdd的电位。通过检测电路，判断输出节点Kick是否达到临界值Vth(电压Vdd)(步骤S105)，如果输出节点Kick到达电压Vdd，检测信号DT1变为低电压位准，节点clmpg变为高电压位准，预充晶体管Pre1则不导通。藉此，升压节点boost-1自电源Vdd断开(步骤S106)。
由输出节点Kick被升压至Vdd所对应的相位2开始。意即，当输出节点Kick变为Vdd位准，与非门NAND1被致能，从其输出端输出低电压位准的传送控制信号Kickb-1(步骤S107)。藉此，第一泵电路120的传送电路的晶体管TP5导通，升压节点boost-2的电荷传送至输出节点Kick-1，输出节点Kick-1被升压至Vdd位准。这时候，由于预充电晶体管Pre2仍为导通状态，升压节点boost-2的电位不低于Vdd。检测电路判断输出节点Kick-1是否达到临界值Vth(Vdd位准)(步骤S108)，如果输出节点Kick-1达到Vdd位准，检测信号DT2变为低电压位准，预充电晶体管Pre2切换为不导通。藉此，升压节点boost-2自电源Vdd断开(步骤S109)。另外，由于输出节点Kick-1被升压至Vdd位准，升压节点boost-1从Vdd位准升压至2*Vdd位准。
由输出节点Kick-1被升压至Vdd所对应的相位3开始。意即，当输出节点Kick-1变为Vdd水准，与非门NAND2被致能，从其输出端输出低电压位准的传送控制信号Kickb-2(步骤S109)。通过第二泵电路130的传送电路的晶体管TP7导通，输出节点Kick-2传送自电源Vdd的电荷，输出节点Kick-2被升压至Vdd位准。由于输出节点Kick-2被升压至Vdd位准，升压节点boost-2从Vdd升压至2*Vdd，而由于升压节点boost-2被升压至2*Vdd，升压节点boost-1被升压至3*Vdd。
输出节点Kick-2被升压至Vdd位准所对应的相位3结束。意即，时脉信号产生单元142，当检测到Kick-2＝Vdd时，(步骤S111)，时脉信号CLK从高电压位准变换到低电压位准，变为相位关闭。藉此，传送控制信号Kickb、Kickb-1、Kickb-2全部变为高电压位准。
图7是表示一比较实施例，表示如图2所示的传统升压电路的节点或信号的状态。关于传统的升压电路，其传送控制信号Kick、Kickb-1、Kick-b2，为延迟时脉信号CLK一段时间的信号，预充电晶体管Pre1、Pre2，根据延迟时脉信号CLK的反相器IN2、IN3、IN7、IN8所决定的充电时间，对升压节点boost-1、boost-2充电。因此，当充电时间短，升压节点boost-1、boost-2在被充分充电至Vdd位准以前，传送晶体管TP2、TP6导通，于最后的输出OUT无法获得所欲升压的电压。另外，输出节点Kick被升压至Vdd之前，根据后段的输出节点Kick-1的升压节点boost-1也同样地无法获得所欲升压的电压。图7是表示，输出节点Kick被升压至0.8*Vdd的时候或升压节点boost-1被升压至0.8*Vdd的时候，从最后的输出OUT只获得3*(0.8*Vdd)的电压。
相对于此，本实施例的升压电路、升压节点boost-1以及输出节点Kick确实被升压至Vdd位准之前，将继续预充电电路的动作，所以升压节点boost-1以及输出节点Kick避免未满Vdd位准，因此，可从输出OUT确实得到所需的升压电压。
图10是表示本发明第1个实施例之外的其他组成实施例。图3的升压电路100，虽然具有第一泵电路120以及第二泵电路130，然而为了得到所需的升压电压，也可以使用具有n阶(n为自然数)串联的第一泵电路120-1、120-2、120-n。
接着，就第2个实施例来进行说明。第1个实施的升压电路，虽然表示根据后段的输出节点的电位提供至前段的传送控制信号的控制例子，然而第2个实施例，如图11所示，将输出电路110的检测信号DT1用于传送控制信号Kickb-1，第一泵电路130的检测信号DT2亦可用于传送控制信号Kick-2。藉此，能更简化升压控制电路140的组成。此外，于图11和图3中相同的组成用相同符号表示以省略说明。
虽本发明较佳的实施形态已详述如上，然而本发明并非限定为上述特别指定的实施形态，应可根据权利要求的范围记载的本发明的范围内，具有各种变形或修改。
上述实施例的升压电路，虽然表示输出被升压的电压至自己的充电泵电路的例子，然而升压电路的输出(OUT)亦可利用用于操作其他充电泵电路的时脉。另外，如图3所示的升压电路，由于仅表示一个较佳的电路实施例，本发明并非限定为图3所表示的相同电路，完成如图5所示的一样的动作流程也可以。此外，本发明的升压电路利于使用在如快闪存储器等需要从外部提供电源的半导体装置上。

Claims (7)

1.一种升压电路，其特征在于，所述升压电路包括：
一输出电路，包括：
一第一传送电路，根据用于控制电荷传送的一第一传送控制信号，传送一第一升压节点所累积的电荷至一第一输出节点；
一第一检测电路，检测所述第一输出节点的电压；以及
一第一预充电电路，根据所述第一检测电路的一第一检测信号，对所述第一升压电路节点以电荷预充电；
一第一泵电路，包括：
一第二传送电路，根据用于控制电荷传送的一第二传送控制信号，传送电荷至一第二输出节点；
一第一电容单元，耦接至所述第一升压节点，且根据传送至所述第二输出节点的电荷对所述第一电压节点的电位升压；以及
一控制电路，耦接至所述输出电路以及所述第一泵电路，根据所述第一输出节点的电位控制所述第二传送控制信号。
2.一种升压电路，其特征在于，所述升压电路包括：
一输出电路，包括：
一第一传送电路，根据用于控制电荷传送的一第一传送控制信号，传送一第一升压节点所累积的电荷至一第一输出节点；
一第一检测电路，检测所述第一输出节点的电压；
一第一预充电电路，根据所述第一检测电路的一第一检测信号，对所述第一升压电路节点以电荷预充电；以及
一第一泵电路，包括：
一第二传送电路，根据用于控制电荷传送的一第二传送控制信号，传送电荷至一第二输出节点；以及
一第一电容单元，耦接至所述第一升压节点，且根据传送至所述第二输出节点的电荷对所述第一电压节点的电位升压；
其中，所述第二传送控制信号耦接至所述第一检测信号。
3.如权利要求1或2所述的升压电路，其特征在于，所述第一泵电路更包括：
一第二检测电路，检测所述第二输出节点的电压；以及
一第二预充电电路，根据所述第二检测电路的一第二检测信号，对所述第二升压电路节点以电荷预充电。
4.如权利要求3所述的升压电路，其特征在于，所述升压电路更包括：
一第二泵电路，包括：
一第三传送电路，根据用于控制电荷传送的一第三传送控制信号，传送电荷至一第三输出节点；以及
一第二电容单元，耦接至所述第二升压节点，且根据传送至所述第三输出节点的电荷对所述第二电压节点的电位升压；
其中，所述控制电路更根据所述第二输出节点的电位控制所述第三传送控制信号。
5.如权利要求3所述的升压电路，其特征在于，当所述第一输出节点达到一临界值以上的时候，所述第一预充电电路停止对第一升压节点的电荷预充电，并且所述第二传送电路将所述第二升压节点所蓄积的电荷传送至所述第二输出节点，将所述第一升压节点的电位升压。
6.如权利要求4所述的升压电路，其特征在于，当所述第二输出节点达到所述临界值以上的时候，所述第二预充电电路停止对第二升压节点的电荷预充电，并且所述第三传送电路将电荷传送至所述第三输出节点，将所述第二升压节点的电位升压。
7.如权利要求1或2所述的升压电路，其特征在于，所述升压电路更包括多个所述第一泵电路串联。
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