CN107453601B - 电荷泵和存储器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种电荷泵，其输入端接收电源电压、输出端提供大于电源电压的供电电压，其特征在于，电荷泵包括在电荷泵的输入端至电荷泵的输出端之间依次级联的多个电压级，每个电压级包括：电容单元，其第一端提供本级的输出电压，其第二端接收时钟信号，电容单元包括串联在第一端和第二端之间的至少一个电容器，至少一个电容器的数量和类型根据电容单元的设定容值和实现面积确定；以及开关模块，用于根据电源电压或前一个电压级的输出电压对电容单元的第一端进行充电，其中，多个电压级中至少有两个电压级的电容单元中的电容器的数量不相同。本发明实施例提供的电荷泵和存储器能够在保证输出电压的同时有效地减小电荷泵的面积。

Description

电荷泵和存储器
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种电荷泵和存储器。
背景技术
随着半导体技术的发展，基于低功耗、低成本的设计要求，存储器的电源电压通常比较低。然而，为了实现存储信息的读写，通常需要远高于电源电压的编程电压和擦除电压。因此，电荷泵被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读取电压、编程电压以及擦除电压。
电荷泵使用开关过程来提供大于其直流输入电压。通常，电荷泵可具有耦合到输入端与输出端之间的开关的电容器。在一个时钟相位期间(充电半周期)，电容器并联地耦合到输入端，以充电达到输入电压。在第二时钟相位期间(转移半周期)，充电的电容器与输入电压串联耦合以提供两倍于输入电压的电平的输出电压。此过程说明于图1A和1B中。在图1A中，电容器5与输入电压VIN并联配置以说明充电半周期。在图1B中，充电的电容器5与输入电压VIN串联配置以说明转移半周期。如图1B所示，充电的电容器5的正极端子将因此相对于接地为2*VIN。
上述一般电荷泵只在转移半周期期间转移功率。图2示出了现有技术的一种电荷泵的电路示意图。如图2所示，现有技术的电荷泵包含数个倍增电压的电压级，每一级包含一个电容器。从这种电路的输出电压可以被示为：
Vout＝[Vdd+n(Vclk-VT)]-VT (1)
图1的电荷泵电路存在的问题是：因为电路的每一级都只有一个电容器，那么到第N级，电容器将必须经受VCC*2(N-1)的电压应力，因此这些电容器需要较大的抗电压能力，需要较厚的氧化物绝缘层以防止电介质击穿和短路，这样电荷泵的面积也会相应的增加。
发明内容
鉴于此，本发明旨在提供一种可以在提供足够的输出电压的同时节约面积的电荷泵和存储器。
根据本发明的一方面，提供一种电荷泵，其输入端接收电源电压、输出端提供大于所述电源电压的供电电压，其特征在于，所述电荷泵包括在所述电荷泵的输入端至所述电荷泵的输出端之间依次级联的多个电压级，每个所述电压级包括：电容单元，其第一端提供本级的输出电压，其第二端接收时钟信号，所述电容单元包括串联在所述第一端和所述第二端之间的至少一个电容器，所述至少一个电容器的数量和类型根据所述电容单元的设定容值和实现面积确定；以及开关模块，用于根据所述电源电压或前一个所述电压级的所述输出电压对所述电容单元的第一端进行充电，其中，所述多个电压级中至少有两个所述电压级的所述电容单元中的所述电容器的数量不相同。
优选地，所述多个电压级至少包括第一部分以及级联在所述第一部分之后的第二部分，所述第一部分和所述第二部分分别包括一个所述电压级或级联的多个所述电压级，所述第一部分的各个所述电压级的所述电容单元中的所述电容器为低压类型且数量等于1，所述第二部分的各个所述电压级的所述电容单元中的所述电容器为低压类型且数量大于1。
优选地，在所述多个电压级的所述第二部分中，级联在后的所述电压级的所述电容单元中的所述电容器的数量大于等于级联在先的所述电压级的所述电容单元中的所述电容器的数量。
优选地，所述多个电压级还包括级联在所述第二部分之后的第三部分，所述第三部分包括一个所述电压级或级联的多个所述电压级，在所述第三部分的各个所述电压级中，所述电容单元中的所述电容器为高压类型且数量大于等于1，所述电容单元的实现面积小于相同设定容值下由至少一个低压类型的所述电容器串联而成的电容单元的实现面积。
优选地，在每个所述电压级中，所述电容单元的所述电容器的数量根据该所述电压级的电压应力确定。
优选地，所述时钟信号包括互不交叠的第一时钟信号和第二时钟信号，在所述依次级联的多个电压级中，从所述电荷泵的输入端起的第奇数个所述电压级中的所述电容单元的第二端接收所述第一时钟信号、第偶数个所述电压级中的所述电容单元的第二端接收所述第二时钟信号。
优选地，所述第一时钟信号与所述第二时钟信号的相位相反。
优选地，所述开关模块包括二极管，所述二极管的阳极接收所述电源电压或前一个所述电压级的所述输出电压，所述二极管的阴极与同一电压级的所述电容单元的第一端相连。
优选地，所述二极管由工作在线性区的P型MOSFET或N型MOSFET实现。
根据本发明的另一个方面，提供一种使用上述任一种电荷泵的存储器。
与传统存储器的电荷泵电路相比，本发明实施例电荷泵在多个电压级分别采用电容器串联以及低压类型与高压类型的电容器配合的方式实现电容单元，以减小各电压级所承受的电压应力。在一些优选的实施例中，在前几级电压级中，使用单个低压类型的电容，随着电压级的增加，采用低压类型的电容器串联的方式来降低单个电容器承受的电压应力，当串联的低压类型的电容器的面积大于相同电压应力下单个高压类型的电容器的面积时，采用高压类型的电容器。因为低压类型的电容器的面积远小于高压类型的电容器的面积，所以这种结构可以在不影响电荷泵输出电压的同时有效地减小电荷泵的面积。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1A示出的是通用电荷泵中充电半周期的简化电路图示意图；
图1B示出的是通用电荷泵中转移半周期的简化电路图示意图；
图2示出的是现有技术的一种电荷泵的电路示意图；
图3示出根据本发明第一实施例的电荷泵简化电路示意图；
图4示出图3的第一时钟信号和第二时钟信号的波形示意图；
图5示出图3中电荷泵的一种电路结构示意图；
图6示出图5中第一时钟信号和第二时钟信号的波形示意图；
图7示出了图5电荷泵的充电和转移过程示意图；
图8示出了本发明第一实施例的一个替代实施例的电荷泵的电路示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
本发明可以以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图3示出根据本发明第一实施例的电荷泵简化电路示意图。图4示出图3的第一时钟信号和第二时钟信号的波形示意图。
如图3所示，电荷泵100的输入端接收电源电压VCC、输出端提供大于电源电压的供电电压Vout，在电荷泵的输入端至电荷泵的输出端之间具有依次级联的多个电压级，例如图3所示的6个电压级A到F，每个电压级都包括开关模块110和电容单元120，电容单元120的第一端与开关模块110相连并提供本级输出电压，电容单元120的第二端接收时钟信号(第一时钟信号CLK1或第二时钟信号CLK2，如图4所示)。
电容单元120包括串联在第一端和第二端之间的一个或多个电容器，每个电容单元120中的电容器的数量和类型根据该电容单元的设定容值和实现面积确定。在每个电容单元中，各个电容器的编号与其所在的电压级数有关，例如电压级A到F中的电容器编号为C1到C6，并且因为本发明就是通过电容器串联来降低每个电容承受的电压应力，所以对于有电容器串联的级，使用在其编号后加数字的方式编号，例如电压级C中有两个电容器串联，则这些电容器的编号为C31和C32，第一个数字是电容器所在的电压级，第二个数字代表这是串联的第几个电容器。其中，每一级都可以按照他们接收到的那一时刻的时钟信号来进行充电和转移的过程。
如图3所示，电压级A、C、E接收第一时钟信号CLK1，而电压级B、D、F接收与第一时钟信号互补的第二时钟信号CLK2，第一和第二时钟信号的高电平电压等于电源电压VCC或不同于电源电压VCC的其他电压，第一和第二时钟信号的低电平电压等于接地电压。可以假设第一时钟信号CLK1以低电平的第一时钟半周期开始，接着是高电平的第二时钟半周期，然后是低电平的第三时钟半周期等等。因此，在奇数时钟半周期期间，第一时钟信号CLK1是低电平，在偶数时钟半周期期间，第一时钟信号CLK1是高电平。类似地，第二时钟信号CLK2在奇数时钟半周期期间是高电平，在偶数时钟半周期期间是低电平。
在每个电压级中，电容器的第一极板接收相应的第一时钟信号或者第二时钟信号，电容器的第二极板提供本级输出电压，对于最后一级电压级F来说，其本级输出电压作为电荷泵的最终输出的供电电压Vout。在每个电压级中，当开关模块110在相关控制信号的作用下导通且电容器的第一级板所接收的相应的第一时钟信号或第二时钟信号为低电平时，该电压级中的电容器的第二极板上的电压被充电至前一级电压级所提供的充电电压(对于电压级A中的电容器来说，其第二极板被充电至电源电压VCC)；当开关模块110在相关控制信号的作用下被关断且电容器的第一极板所接收的相应的第一时钟信号或第二时钟信号为高电平时，该电压级中的电容器的第二极板上的电压被抬高，被抬高的电压值等于第一时钟信号或第二时钟信号的高电平电压。因此，级联的电压级A至F可以利用第一时钟信号和第二时钟信号实现电压的逐级抬高以得到高于电源电压VCC的供电电压Vout。
多个电压级A至F分为第一部分以及级联在第一部分之后的第二部分，第一部分和第二部分分别包括一个电压级或级联的多个电压级。例如，如图3所示，第一部分包括电压级A和B，第一部分的各个电压级的电容单元120中的电容器为低压类型且数量等于1；第二部分包括电压级C至F，第二部分的各个电压级的电容单元120中的电容器为低压类型且数量大于1，具体地，在第二部分中，级联在后的电压级的电容单元120中的电容器的数量大于等于级联在先的电压级的电容单元中的电容器的数量，例如图3中电压级E和F中电容单元的电容器数量为3，大于电压级C和D中的电容器数量。
具体地，在每个电压级中，开关模块110可以由多种方式实现，例如包括二极管(例如由工作在线性区的P型MOSFET或N型MOSFET实现)，或者包括由多个晶体管组成的开关电路等。下面以由NMOS实现的开关模块为例进行详细说明。
图5示出图3中电荷泵的一种电路结构示意图。图6示出图5中第一时钟信号和第二时钟信号的波形示意图。
如图5所示，时钟产生模块210输出第一时钟信号CLK1和第二时钟信号CLK2，假设第一和第二时钟时钟信号的高电平等于VCC，第一和第二时钟信号的低电平等于接地电压，如图6所示。在第一时钟信号CLK1的奇数半周期期间(此时CLK1为低电平)，NMOS管N1导通，此时电源电压VCC对与电容器C1相连的节点1进行充电，直到电容器C1的第二极板电压等于VCC；当在第一时钟信号CLK1的偶数半周期期间(此时CLK1为高电平)，NMOS管N1断开，电容器C1的第二极板的电压理论上被抬高到2*VCC，此时节点1的电压等于2*VCC，虽然电容器C1已经被充电到2*VCC，但是由于电荷分享、电容性耦合和/或泄露和其他因素造成的损失，因此在此是“理论上被抬高”，下同。与此同时第二时钟信号CLK2正处于奇数半周期期间(此时CLK2为低电平)，NMOS管N2导通，则节点1对与电容器C2相连的节点二进行充电，直到电容器C2的第二极板电压等于2*VCC；当再次进入第一时钟信号CLK1的奇数半周期期间，此时第二时钟信号CLK2处于偶数半周期期间(此时CLK2为高电平)，NMOS管N2断开，电容器C2的第二极板的电压理论上被抬高到3*VCC，此时节点2的电压等于3*VCC。如此循环，直到完成六级电容的充电和转移过程。
图7示出了图5电荷泵的充电和转移过程示意图。
如图7所示，对于电压级A、C、E来说，在第一时钟信号CLK1的奇数半周期期间，电压级A中的电容器C1的第二极板电压理论上等于VCC，电压级C中的电容器C3的第二极板电压理论上等于3*VCC，电压级E中电容器C5的第二极板电压理论上等于5*VCC；而在偶数半周期期间，电压级A中的电容器C1的第二极板电压理论上等于2*VCC，电压级C中的电容器C3的第二极板电压理论上等于4*VCC，电压级E中的电容器C5的第二极板电压理论上等于6*VCC。
如图7所示，随着电压级的增加，每个电压级上的电容器承载的电压应力相应的也会增加。如图3所示，在前k级的时候(k为非零自然数)，电压应力比较小，所以直接使用低压类型的电容器，例如电容器C1和C2，k的具体值要根据所选的低压类型的电容器的耐压性和电源电压决定，随着电压级的增加，可以使用低压类型的电容器的串联来降低单个电容承受的电压应力，例如电压级C，使用了两个低压类型的电容器C31和C32串联的方式。因为低压类型的电容器的面积是远小于高压类型的电容器的面积的，所以采用这样的结构可以在提供足够的电压输出的同时，有效的减小电荷泵的面积。
图8示出了本发明第一实施例的一个替代实施例的电荷泵的电路示意图。
多个电压级可以分为第一至第三部分，其中第三部分级联在第二部分之后，包括一个电压级或级联的多个电压级(如图8中的电压级G和H)，在第三部分的各个电压级中，电容单元中的电容器为高压类型且数量大于等于1，电容单元的实现面积小于相同设定容值下由至少一个低压类型的电容器串联而成的电容单元的实现面积。
具体地，如图8所示，当电压级数超过一定值的时候，采用低压类型的电容器和高压类型的电容器的配合使用，前k级采用单个低压类型的电容器(例如图8所示的电压级A至B)，随后的第k+1至k+a级采用低压类型的电容器串联来降低单个低压类型的电容器多承受的电压应力(例如图8所示的电压级C到F)，其中k和a均为非零自然数，k和a的取值根据所选的低压类型的电容器的耐压性和电源电压等因素决定；当随着电压级的增加，串联的低压类型的电容器的面积大于相同电压应力作用下的单个高压类型的电容器的面积时，则采用单个高压类型的电容器，例如电压级G和H，这样的结构可以在提供更大的输出电压的同时有效地减小电荷泵的面积。
需要说明的是，上述各实施例中的第一时钟信号和第二时钟信号为反相互补的信号，在一些替代的实施例中，第一时钟信号和第二时钟信号还可以为不交叠信号。
本发明的第二实施例还提供一种存储器，其中包括一个或多个如上所述的电荷泵，用于提供一种或多种供电电压。
综上所述，与传统存储器的电荷泵和存储器相比，本发明实施例电荷泵和存储器在多个电压级分别采用电容器串联以及低压类型与高压类型的电容器配合的方式实现电容单元，以减小各电压级所承受的电压应力。在一些优选的实施例中，在前几级电压级中，使用单个低压类型的电容，随着电压级的增加，采用低压类型的电容器串联的方式来降低单个电容器承受的电压应力，当串联的低压类型的电容器的面积大于相同电压应力下单个高压类型的电容器的面积时，采用高压类型的电容器。因为低压类型的电容器的面积远小于高压类型的电容器的面积，所以这种结构可以在不影响电荷泵输出电压的同时有效地减小电荷泵的面积。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种理论的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和理论应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种电荷泵，其输入端接收电源电压、输出端提供大于所述电源电压的供电电压，其特征在于，所述电荷泵包括在所述电荷泵的输入端至所述电荷泵的输出端之间依次级联的多个电压级，每个所述电压级包括：
电容单元，其第一端提供本级的输出电压，其第二端接收时钟信号，所述电容单元包括串联在所述第一端和所述第二端之间的至少一个电容器，所述至少一个电容器的数量和类型根据所述电容单元的设定容值和实现面积确定；以及
开关模块，用于根据所述电源电压或前一个所述电压级的所述输出电压对所述电容单元的第一端进行充电，
其中，所述多个电压级包括依次级联在所述输入端与所述输出端之间的第一部分电压级、第二部分电压级以及第三部分电压级，所述第一部分电压级、所述第二部分电压级以及所述第三部分电压级各包括一个或多个所述电压级，所述第一部分电压级和所述第二部分电压级中的所述电容单元中的所述电容器为低压类型，所述第一部分电压级中每个所述电压级的所述电容单元中的所述电容器数量相同且小于所述第二部分电压级中任意一个电压级的所述电容单元中的所述电容器数量，所述第三部分电压级的所述电容单元中的所述电容器为高压类型，且所述第三部分中所述电容单元的实现面积小于相同设定容值下由至少一个所述低压类型的所述电容器串联而成的所述电容单元的实现面积，在每个所述电压级中，所述电容单元的所述电容器的数量根据该所述电压级的电压应力确定。
2.根据权利要求1所述的电荷泵，其特征在于，
所述第一部分的各个所述电压级的所述电容单元中的所述电容器数量等于1，
所述第二部分的各个所述电压级的所述电容单元中的所述电容器数量大于1。
3.根据权利要求2所述的电荷泵，其特征在于，在所述多个电压级的所述第二部分中，级联在后的所述电压级的所述电容单元中的所述电容器的数量大于等于级联在先的所述电压级的所述电容单元中的所述电容器的数量。
4.根据权利要求2或3所述的电荷泵，其特征在于，在所述第三部分的各个所述电压级中，所述电容单元中的所述电容器数量大于或等于1。
5.根据权利要求1所述的电荷泵，其特征在于，所述时钟信号包括互不交叠的第一时钟信号和第二时钟信号，
在所述依次级联的多个电压级中，从所述电荷泵的输入端起的第奇数个所述电压级中的所述电容单元的第二端接收所述第一时钟信号、第偶数个所述电压级中的所述电容单元的第二端接收所述第二时钟信号。
6.根据权利要求5所述的电荷泵，其特征在于，所述第一时钟信号与所述第二时钟信号的相位相反。
7.根据权利要求1所述的电荷泵，其特征在于，在每个所述电压级中，所述开关模块包括二极管，所述二极管的阳极接收所述电源电压或前一个所述电压级的所述输出电压，所述二极管的阴极与同一电压级的所述电容单元的第一端相连。
8.根据权利要求7所述的电荷泵，其特征在于，所述二极管由工作在线性区的P型MOSFET或N型MOSFET实现。
9.一种存储器，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的电荷泵。
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