CN105049021B - 高可靠性负压电荷泵电路与集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高可靠性负压电荷泵电路与集成电路，高可靠性负压电荷泵电路包括第一互补交叠时钟装置、第二互补交叠时钟装置、第一电荷泵装置、第二电荷泵装置、分压电路、第一比较装置以及第二比较装置，采用第一互补交叠时钟装置驱动所述第一电荷泵装置，第二互补交叠时钟装置驱动所述第二电荷泵装置，有效提高电荷泵的传输效率，通过两级电荷泵并联，有效提高电荷泵的运行可靠性，另外，两级电荷泵装置共用分压电路和比较装置，有效的减少了占用面积，且根据需要的输出电压选择不同部分工作，有效提高负压电荷泵长时间工作的可靠性，即更进一步提高本发明高可靠性负压电荷泵电路的可靠性。

Description

高可靠性负压电荷泵电路与集成电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及高可靠性负压电荷泵电路与集成电路。

背景技术

现阶段，集成电路的集成规模越来越大，功能也更为复杂。在集成电路内部一般不止需要正偏压，还需要很多的负偏压，用于实现很多复杂的功能，例如存储器中用于数据编程的负偏压、芯片中控制衬底电压的负偏压、预警电路中加速退化的负偏压、液晶显示的驱动负偏压等。

现在大多数集成电路都是基于标准CMOS工艺设计，在统一的P衬底上制作NMOS管，由于P衬底电压是接地，NMOS用于设计负压电荷泵会造成衬底与源漏极的PN结正偏，产生非常大的正偏电流，使芯片烧毁，因此只有PMOS可以用于负压电荷泵。但是，由于衬底偏压引起的阈值电压变化，会造成负压电荷泵效率非常低，负压下线有限，且每级电荷泵承受的偏压较大，可靠性较差。

发明内容

基于此，有必要针对现有电荷泵可靠性差，影响集成电路正常工作的问题，提供一种可靠性高的高可靠性负压电荷泵电路，确保集成电路正常工作，另外还提供一种包括该高可靠性负压电荷泵电路的集成电路。

一种高可靠性负压电荷泵电路，包括第一互补交叠时钟装置、第二互补交叠时钟装置、第一电荷泵装置、第二电荷泵装置、分压电路、第一比较装置以及第二比较装置；

所述第一互补交叠时钟装置与所述第一电荷泵装置连接，所述第二互补交叠时钟装置与所述第二电荷泵装置连接，所述第一电荷泵装置以及所述第二电荷泵装置分别与所述分压电路连接，所述分压电路分别与所述第一比较装置的同相输入端以及第二比较装置的同相输入端连接，所述第一比较装置的输出端分别与所述第一互补交叠时钟装置以及所述第二互补交叠时钟装置连接，所述第二比较装置的输出端分别与所述第一互补交叠时钟装置、所述第二互补交叠时钟装置、所述第一电荷泵装置以及所述第二电荷泵装置连接，所述第一比较装置的反相输入端外接预设第一输入电压，所述第二比较装置的反相输入端外接预设第二输入电压；

所述第一互补交叠时钟装置用于驱动所述第一电荷泵装置，所述第二互补交叠时钟装置用于驱动所述第二电荷泵装置。

一种集成电路，包括集成电路本体和所述高可靠性负压电荷泵电路，所述集成电路本体与所述高可靠性负压电荷泵电路连接。

本发明高可靠性负压电荷泵电路，包括第一互补交叠时钟装置、第二互补交叠时钟装置、第一电荷泵装置、第二电荷泵装置、分压电路、第一比较装置以及第二比较装置，采用第一互补交叠时钟装置驱动所述第一电荷泵装置，第二互补交叠时钟装置驱动所述第二电荷泵装置，有效提高电荷泵的传输效率，通过两级电荷泵并联，有效提高电荷泵的运行可靠性，另外，两级电荷泵装置共用分压电路和比较装置，有效的减少了占用面积，且根据需要的输出电压选择不同部分工作，有效提高负压电荷泵长时间工作的可靠性，即更进一步提高本发明高可靠性负压电荷泵电路的可靠性。

另外，本发明还提供一种包括所述高可靠性负压电荷泵电路的集成电路，所述集成电路包括集成电路本体和所述高可靠性负压电荷泵电路，所述集成电路本体与所述高可靠性负压电荷泵电路连接，所述集成电路具有良好的可靠性。

附图说明

图1为本发明高可靠性负压电荷泵电路第一个实施例的结构示意图；

图2为本发明高可靠性负压电荷泵电路第二个实施例的电路原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种高可靠性负压电荷泵电路，包括第一互补交叠时钟装置100、第二互补交叠时钟装置200、第一电荷泵装置300、第二电荷泵装置400、分压电路500、第一比较装置600以及第二比较装置700；

所述第一互补交叠时钟装置100与所述第一电荷泵装置300连接，所述第二互补交叠时钟装置200与所述第二电荷泵装置400连接，所述第一电荷泵装置300以及所述第二电荷泵装置400分别与所述分压电路500连接，所述分压电路500分别与所述第一比较装置600的同相输入端以及第二比较装置700的同相输入端连接，所述第一比较装置600的输出端分别与所述第一互补交叠时钟装置100以及所述第二互补交叠时钟装置200连接，所述第二比较装置700的输出端分别与所述第一互补交叠时钟装置100、所述第二互补交叠时钟装置200、所述第一电荷泵装置300以及所述第二电荷泵装置400连接，所述第一比较装置600的反相输入端外接预设第一输入电压，所述第二比较装置700的反相输入端外接预设第二输入电压；

所述第一互补交叠时钟装置100用于驱动所述第一电荷泵装置300，所述第二互补交叠时钟装置200用于驱动所述第二电荷泵装置400。

第一互补交叠时钟装置100驱动第一电荷泵装置300，第二互补交叠时钟装置200驱动第二电荷泵装置400，第一电荷泵装置300与第二电荷泵装置400并联。通过改变外部输入第一比较装置600和第二比较装置700中的电压值，调节第一比较装置600和第二比较装置700输出的高低电平从而控制第一互补交叠时钟装置100以及第二互补交叠时钟装置200是否工作，以是否驱动第一电荷泵装置300以及第二电荷泵装置400。整体而言采用两个电荷泵装置，提高整个高可靠性负压电荷泵电路的可靠性，另外两个电荷泵装置是否工作可以由外部输入的电压值进行调节，避免电荷泵装置长时间处于负荷工作状态，延长其使用寿命，在一定程度上同样有利于提高整个高可靠性负压电荷泵电路的可靠性。

本发明高可靠性负压电荷泵电路，包括第一互补交叠时钟装置100、第二互补交叠时钟装置200、第一电荷泵装置300、第二电荷泵装置400、分压电路500、第一比较装置600以及第二比较装置700，采用第一互补交叠时钟装置100驱动所述第一电荷泵装置300，第二互补交叠时钟装置200驱动所述第二电荷泵装置400，有效提高电荷泵的传输效率，通过两级电荷泵并联，有效提高电荷泵的运行可靠性，另外，两级电荷泵装置共用分压电路500和比较装置，有效的减少了占用面积，且根据需要的输出电压选择不同部分工作，有效提高负压电荷泵长时间工作的可靠性，即更进一步提高本发明高可靠性负压电荷泵电路的可靠性。

在其中一个实施例中，所述第一互补交叠时钟装置100为两相互补交叠时钟，所述第二互补交叠时钟装置200为四相互补交叠时钟。

两相互补交叠时钟和四相互补交叠时钟为常用的两种时钟电路，其结构可以根据实际需要进行设置，在此不再赘述。

在其中一个实施例中，所述分压电路500包括多个二级管串联的PMOS管。

多个二极管串联的PMOS管实现良好的分压效果。非必要的，如图2所示，我们可以选用D1～D9共计九个二级管连接的PMOS管，为了最大限度的降低阈值电压的影响，D1～D6的衬底电压直接连接到其各自的源极，D7～D8的衬底电压统一连接到D7的源极。为了提高比较器的精度，选择D2的漏极电压输入第一比较装置600和第二比较装置700。

如图2所示，在其中一个实施例中，所述第一电荷泵装置300包括第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3、第四开关管M4、第五开关管M5、第六开关管M6、第七开关管M7、第一电容C1、第二电容C2以及第三电容C3；

所述第一电容C1的一端与所述第一互补交叠时钟装置100低电平输出端连接，所述第一电容C1的另一端分别与第一开关管M1的控制端、第二开关管M2的输入端以及第六开关管M6的输入端连接，所述第六开关管M6的输出端与所述第七开关管M7的输出端连接，所述第六开关管M6的控制端与所述第七开关管M7的输入端连接，所述第六开关管M6的输入端与所述第七开关管M7的控制端连接，所述第二电容C2的一端与所述第一互补交叠时钟装置100高电平输出端连接，所述第二电容C2的另一端分别与所述第二开关管M2的控制端、第一开关管M1的输出端以及第三开关管M3的输入端连接，所述第一开关管M1的输入端连接外部输入电压，所述第四开关管M4的输入端以及所述第五开关管M5的控制端分别与所述第一开关管M1的输入端连接，所述第四开关管M4的输出端与所述第五开关管M5的输出端连接，所述第四开关管M4的控制端与所述第一开关管M1的输出端连接，所述第三开关管M3的控制端与所述第三开关管M3的输入端连接，所述第三开关管M3的输出端与所述分压电路500以及所述第三电容C3的一端连接，所述第三电容C3的另一端接地。

在其中一个应用实例中，可以通过调节第一比较装置600的外接预设第一输入电压和第二比较装置700的外接预设第二输入电压来控制第一电荷泵装置300产生-V_max/2到0V连续可调的负偏压。如图2所示，所述第一电荷泵装置300包括PMOS管M1、M2、M3和M4、M5、M6、M7，电容C1、C2和C3，M4和M5控制M1和M3的衬底电压始终等于M1源极和漏极中较高的电压，M6和M7控制M2的衬底电压始终等于其源极和漏极中较高的电压，防止M1、M3和M2源漏极与衬底间形成正偏PN结。当两相互不交叠时钟的clk-为低电平，clk+为高电平时，M1漏极电平为-VDD，M1工作在线性区，此时M1相当于一个电阻，其源极电压可以下降到漏极电压值，而不会受其阈值电压的影响。当两相互不交叠时钟的clk-为高电平，clk+为低电平时，M2导通，此时M1相当于一个处于反偏状态下的二极管，M1源极的负偏压保持不变。M3是隔离二极管，降低输出电容C3上电压的波动，但是由于M3的存在，会使输出的负偏压比M1的源极小一个阈值电压。

在其中一个实施例中，所述第一开关管M1、所述第二开关管M2、所述第三开关管M3、所述第四开关管M4、所述第五开关管M5、所述第六开关管M6以及所述第七开关管M7均为PMOS管。

PMOS是指n型衬底、p沟道，靠空穴的流动运送电流的MOS管。PMOS管是一种性能优异，目前广发使用的开关管器件。

如图2所示，在其中一个实施例中，所述第二电荷泵装置400包括第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八开关管M8、第九开关管M9、第十开关管M10、第十一开关管M11、第十二开关管M12、第十三开关管M13、第十四开关管M14、第十五开关管M15以及第十六开关管M16；

所述第四电容C4的一端与所述第二互补交叠时钟装置200的第一高电平输出端连接，所述第四电容C4另一端分别与第八开关管M8的控制端、第十六开关管M16的输入端以及第九开关管M9的控制端连接，所述第十六开关管M16的输出端与第十五开关管M15的输出端连接，所述第十五开关管M15的控制端与所述第十六开关管M16的输入端连接，所述第十五开关管M15的输入端分别与所述第十六开关管M16的控制端、所述第九开关管M9的输出端、第八开关管M8的输入端以及第十三开关管M13的输入端连接，所述第十三开关管M13的输出端与所述第十四开关管M14的输出端连接，所述第十四开关管M14的控制端与所述第十三开关管M13的输入端连接，所述第十四开关管M14的输出端与所述第十三开关管M13的控制端以及所述第八开关管M8的输出端连接；

所述第五电容C5的一端与所述第二互补交叠时钟装置200的第二高电平输出端连接，所述第五电容C5的另一端分别与所述第九开关管M9的控制端、所述第八开关管M8的输出端、所述第十一开关管M11的输出端以及所述第十开关管M10的输入端连接；

所述第六电容C6的一端与所述第二互补交叠时钟装置200的第一低电平输出端连接，所述第六电容C6的另一端分别与所述第十一开关管M11的输入端以及所述第十开关管M10的控制端连接；

所述第七电容C7的一端与所述第二互补交叠时钟装置200的第二低电平输出端连接，所述第七电容C7的另一端分别与所述第十一开关管M11的控制端、所述第十开关管M10的输出端以及所述第十二开关管M12的输入端连接，所述第十二开关管M12的控制端与所述第十二开关管M12输入端连接，所述第十二开关管M12的输出端与所述分压电路500连接。

在其中一个应用实例中，可以通过调节第一比较装置600的外接预设第一输入电压和第二比较装置700的外接预设第二输入电压来控制第二电荷泵装置400产生-V_max到-V_max/2连续可调的负偏压。第二电荷泵装置400包括PMOS管M8～M16，电容C4～C7，如图2所示，M13和M14控制M8、M10和M12的衬底电压始终等于M8源极和漏极中较高的电压，M15和M16控制M9和M11的衬底电压始终等于M9源极和漏极中较高的电压，防止M8源漏极与衬底间PN结正偏。第二电荷泵装置400的工作原理与上述的第一电荷泵装置300类似，其最后输出的电压保存在第一电荷泵装置300的C3上。

在其中一个实施例中，所述第八开关管M8、所述第九开关管M9、所述第十开关管M10、所述第十一开关管M11、所述第十二开关管M12、所述第十三开关管M13、所述第十四开关管M14、所述第十五开关管M15以及所述第十六开关管M16均为PMOS管。

如图2所示，在其中一个实施例中，所述第一比较装置600和所述第二比较装置700均为比较器。

在其中一个实施例中，所述高可靠性负压电荷泵电路还包括第一开关控制装置、第二开关控制装置以及非门电路；

所述第一控制开关装置的输入端与外部电源连接，所述第一控制开关装置的输出端与所述第一互补交叠时钟装置100输入端连接，所述第一开关控制装置的控制端与所述第二比较装置700的输出端连接；

所述第二控制开关装置的输入端与外部电源连接，所述第二控制开关装置的输出端与所述第二互补交叠时钟装置200输入端连接，所述第二开关控制装置的控制端通过所述非门电路与所述第二比较装置700的输出端连接。

第二比较装置700控制第一控制开关装置和第二控制开关装置的开断情况，具体来说，当第二比较装置700输出高电平时，第一互补交叠时钟装置100和第一电荷泵装置300工作，当第二比较装置700输出低电平时，第二互补交叠时钟装置200和第二电荷泵装置400工作。非必要的，如图2所示，关于第一控制开关装置和第二控制开关装置，分别可以包括两个控制开关，其中第一控制开关装置包括第二控制开关S2和第四控制开关S4，第二控制开关装置包括第一控制开关S1和第三控制开关S3，当分压电路500输出电压大于比较器输入电压VB2时，比较器CM2输出高电平，S2和S4闭合，S1和S3断开，此时两相互不交叠时钟和第一电荷泵装置300开始工作，四相互不交叠时钟和第二电荷泵装置400停止工作。相反，当分压电路500输出电压小于VB2时，比较器CM2输出低电平，S2和S4断开，S1和S3闭合，此时两相互不交叠时钟和一级电荷泵停止工作，四相互不交叠时钟和两级电荷泵开始工作。因此，在需要-Vmax/2到0V的负偏压时，选择两相互不交叠时钟和一级电荷泵工作，此时电荷泵传输效率较高；需要-Vmax到-Vmax/2的负偏压时，选择四相互不交叠时钟和两级电荷泵工作，此时即能产生非常低的负压，又能保证传输效率。通过两部分相结合，可以减少承受高压的两级电荷泵使用时间，从而提高整个高可靠性负压电荷泵电路的可靠性。

一种集成电路，包括集成电路本体和所述高可靠性负压电荷泵电路，所述集成电路本体与所述高可靠性负压电荷泵电路连接。

本发明还提供一种包括所述高可靠性负压电荷泵电路的集成电路，所述集成电路包括集成电路本体和所述高可靠性负压电荷泵电路，所述集成电路本体与所述高可靠性负压电荷泵电路连接，所述集成电路具有良好的可靠性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种高可靠性负压电荷泵电路，其特征在于，包括第一互补交叠时钟装置、第二互补交叠时钟装置、第一电荷泵装置、第二电荷泵装置、分压电路、第一比较装置以及第二比较装置；

所述第一互补交叠时钟装置与所述第一电荷泵装置连接，所述第二互补交叠时钟装置与所述第二电荷泵装置连接，所述第一电荷泵装置以及所述第二电荷泵装置分别与所述分压电路连接，所述分压电路分别与所述第一比较装置的同相输入端以及第二比较装置的同相输入端连接，所述第一比较装置的输出端分别与所述第一互补交叠时钟装置以及所述第二互补交叠时钟装置连接，所述第二比较装置的输出端分别与所述第一互补交叠时钟装置、所述第二互补交叠时钟装置、所述第一电荷泵装置以及所述第二电荷泵装置连接，所述第一比较装置的反相输入端外接预设第一输入电压，所述第二比较装置的反相输入端外接预设第二输入电压；

所述第一互补交叠时钟装置用于驱动所述第一电荷泵装置，所述第二互补交叠时钟装置用于驱动所述第二电荷泵装置；

所述第一电荷泵装置包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第一电容、第二电容以及第三电容；

所述第一电容的一端与所述第一互补交叠时钟装置低电平输出端连接，所述第一电容的另一端分别与第一开关管的控制端、第二开关管的输入端以及第六开关管的输入端连接，所述第六开关管的输出端与所述第七开关管的输出端连接，所述第六开关管的控制端与所述第七开关管的输入端连接，所述第六开关管的输入端与所述第七开关管的控制端连接，所述第二电容的一端与所述第一互补交叠时钟装置高电平输出端连接，所述第二电容的另一端分别与所述第二开关管的控制端、第一开关管的输出端以及第三开关管的输入端连接，所述第一开关管的输入端连接外部输入电压，所述第四开关管的输入端以及所述第五开关管的控制端分别与所述第一开关管的输入端连接，所述第四开关管的输出端与所述第五开关管的输出端连接，所述第四开关管的控制端与所述第一开关管的输出端连接，所述第三开关管的控制端与所述第三开关管的输入端连接，所述第三开关管的输出端与所述分压电路以及所述第三电容的一端连接，所述第三电容的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的高可靠性负压电荷泵电路，其特征在于，所述第一互补交叠时钟装置为两相互补交叠时钟，所述第二互补交叠时钟装置为四相互补交叠时钟。

3.根据权利要求1或2所述的高可靠性负压电荷泵电路，其特征在于，所述分压电路包括多个二级管串联的PMOS管。

4.根据权利要求1所述的高可靠性负压电荷泵电路，其特征在于，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管以及所述第七开关管均为PMOS管。

5.根据权利要求1或2所述的高可靠性负压电荷泵电路，其特征在于，所述第二电荷泵装置包括第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管、第十三开关管、第十四开关管、第十五开关管以及第十六开关管；

所述第四电容的一端与所述第二互补交叠时钟装置的第一高电平输出端连接，所述第四电容另一端分别与第八开关管的控制端、第十六开关管的输入端以及第九开关管的控制端连接，所述第十六开关管的输出端与第十五开关管的输出端连接，所述第十五开关管的控制端与所述第十六开关管的输入端连接，所述第十五开关管的输入端分别与所述第十六开关管的控制端、所述第九开关管的输出端、第八开关管的输入端以及第十三开关管的输入端连接，所述第十三开关管的输出端与所述第十四开关管的输出端连接，所述第十四开关管的控制端与所述第十三开关管的输入端连接，所述第十四开关管的输出端与所述第十三开关管的控制端以及所述第八开关管的输出端连接；

所述第五电容的一端与所述第二互补交叠时钟装置的第二高电平输出端连接，所述第五电容的另一端分别与所述第九开关管的控制端、所述第八开关管的输出端、所述第十一开关管的输出端以及所述第十开关管的输入端连接；

所述第六电容的一端与所述第二互补交叠时钟装置的第一低电平输出端连接，所述第六电容的另一端分别与所述第十一开关管的输入端以及所述第十开关管的控制端连接；

所述第七电容的一端与所述第二互补交叠时钟装置的第二低电平输出端连接，所述第七电容的另一端分别与所述第十一开关管的控制端、所述第十开关管的输出端以及所述第十二开关管的输入端连接，所述第十二开关管的控制端与所述第十二开关管输入端连接，所述第十二开关管的输出端与所述分压电路连接。

6.根据权利要求5所述的高可靠性负压电荷泵电路，其特征在于，所述第八开关管、所述第九开关管、所述第十开关管、所述第十一开关管、所述第十二开关管、所述第十三开关管、所述第十四开关管、所述第十五开关管以及所述第十六开关管均为PMOS管。

7.根据权利要求1或2所述的高可靠性负压电荷泵电路，其特征在于，所述第一比较装置和所述第二比较装置均为比较器。

8.根据权利要求1或2所述的高可靠性负压电荷泵电路，其特征在于，还包括第一开关控制装置、第二开关控制装置以及非门电路；

所述第一开关控制装置的输入端与外部电源连接，所述第一开关控制装置的输出端与所述第一互补交叠时钟装置输入端连接，所述第一开关控制装置的控制端与所述第二比较装置的输出端连接；

所述第二开关控制装置的输入端与外部电源连接，所述第二开关控制装置的输出端与所述第二互补交叠时钟装置输入端连接，所述第二开关控制装置的控制端通过所述非门电路与所述第二比较装置的输出端连接。

9.一种集成电路，其特征在于，包括集成电路本体和如权利要求1-8任意一项所述的高可靠性负压电荷泵电路，所述集成电路本体与所述高可靠性负压电荷泵电路连接。