CN1320889A - 具有多个独立激活的电荷泵的电荷泵系统及相应方法 - Google Patents

Abstract

一种提供电荷泵发生器系统和方法,通过根据电源电压所达到的电压电平来运行部分或全部可用电荷泵,更准确地保持内部产生的电源电压的电平。当电源电压远离其目标电平时,运行第一组和每二组电荷泵。第一组最好具有比第二组更快的泵送率或更多的电荷泵数量。当电源电压超过第一预定电平时,第一组电荷泵被断开,同时第二组电荷泵保持接通,以减慢电荷传送率。第二组电荷泵继续运行直至第二电压电平(例如目标电压电平)被超过。然后较慢的电荷传送率有效地减少连接到电源电压线上的过冲、振铃和噪声。优选地,至少一个电荷泵以备用和活动两种模式运行,由此减小芯片面积。

Description

具有多个独立激活的电荷泵 的电荷泵系统及相应方法

本申请涉及1999年10月29日申请的题为“具有多个充电率的电荷泵系统及相应方法”的美国专利申请No.09/430,807，该申请被全部引用至此以作参考。

本发明涉及集成电路，特别是涉及保持集成电路内部产生的电源电压的方法。

经常需要在集成电路内部产生电源电压。例如，存储电路需要在内部产生特殊的电源电压作为增强的字线电源电压(例如3.3V)或作为负字线低电源(例如-0.5V)。电荷泵是一种易于组合到集成电路上的装置，它可用于通过外部电源电压产生并保持内部电源电压。

仅通过例示，并且不想把“电荷泵”的含义局限于所显示的内容，图9所示为从第一恒定电压输入Vdd产生电源电压Vout的电荷泵250的简图。电荷泵250接收CLK输入及控制信号P1,CLK输入确定电荷传送率，控制信号P1控制电荷泵的开关切换。正如所理解的，CLK在被交替保持的电容器CP2和CP1上提供电荷泵时钟信号Vclk及其反相信号 Vclk。在CLK的第一个半周期内，Vclk保持高， Vclk保持低且从电压输入Vdd对CP1进行充电，使得CP1上的电压上升至 Vclk+Vdd。在CLK的第二个半周期内，Vclk降到低，同时 Vclk升到高。这使CP1上的电势升高，同时CP2上的电势暂时下降，使得存储在CP1上的电荷传输到CP2。最后，在CLK的第二个全周期内，电荷从CP2传输到所产生的电源电压输出Vout上。

对来自电源电压的电流的要求根据集成电路的工作状态而变。例如，在诸如计算机和打印机等许多系统中，存储器芯片有时在需要相对高电流的激活模式下运行例如存取芯片上的数据，而其它时间是在需要相对小电流的备用方式或“睡眠方式”下运行，例如需要仅仅保持内部稳态电压电平，例如当没有访问存储单元时防止漏电流的Vbleq。

图10示出了一例现有技术的电荷泵系统，该电荷泵系统既有激活电荷泵124又有备用电荷泵126。通过“泵起动”信号P1来起动活动泵124，同时备用电荷泵126持续保持能向芯片提供电流，例如需要保持电源电压Vout的电平不因电荷泄漏而降低。将活动泵124设计成能够满足激活操作期间的大电流需求，因此，具有比备用电荷泵126更高的泵送率，即具有更高的容量或更高的电荷传送率。另一方面，将备用电荷泵126设计成几乎不消耗功率并长时间保持输出电压处于几乎恒定的电平，因此，设计成具有较低泵送率，即较慢的泵送率。

当在芯片内没有被激活的字线时，仅需要备用电荷泵126再充满备用方式或睡眠方式内漏掉的电荷。在任何字线被激活以存取所存储的位或刷新操作的时候，活动泵都是接通的。与活动泵相比，备用电荷泵126以单一及更低的速度连续运行，即根据不变的CLK频率。到目前为止，由于备用电荷泵以比活动泵更低的输出电流连续运行，因此备用电荷泵不得不被设计成具有该功能的独立单元。然而，尽管备用电荷泵126提供比激活电荷泵124少很多的输出电流，但实现备用电荷泵126所需的芯片面积却与实现激活电荷泵124所需的芯片面积差不多。

图11是图10所示的现有技术电荷泵系统运行的时序图。激活电荷泵124通常由环形振荡器驱动，该环形振荡器具有固定输出频率，以与参考上述图9所述电荷泵相类似的方式作为电荷泵的CLK输入。因此，在运行的“激活区间”内，由于激活电荷泵124仅能根据输出电压Vout超过单个参考电压Vref而被激活或被去激活，因此激活电荷泵124使输出电压相对快地上升和下降。“振铃(ringing)”的电平取决于限制器速度及导线的阻抗。具有较低反馈速度及高导线电阻的限制器导致更高的振铃电平。这是因为当限制器检测到输出电平下降到目标电平以下时，将激活接通泵的控制信号(未示出)以打开电荷泵。首先，触发控制信号需要时间，然后沿线路将控制信号传送回电荷泵需要更多的时间。在这一些时间内，电压电平将继续下冲。同样地，当限制器检测到输出电平已达到目标电平时，产生控制信号断开电荷泵。然而，产生控制信号并将信号传回电荷泵的延迟使电压电平过冲。

减少这种振铃的一种方法是利用高速限制器。然而，由于利用电阻分压器及吸进高直流电流的差分放大器使高速限制器消耗很高的功率，因此通常高速限制器被认为是不合适的。另一种可能的方法是利用更宽的导体减少导线阻抗。然而，这么做会直接增加芯片面积。在Vout电压电平上相对大的“振铃”将噪声引入存储芯片。备用电荷泵126在活动期间也可运行，但其输出电流对Vout的上升和下降几乎没有影响，其输出电流比激活电荷泵124的输出电流小多了。

在运行备用期间内，通过泵起动信号P1变成无效来断开活动泵124。然而，备用泵126未被禁止，而是继续运行因为需要将输出电压Vout恢复到目标电平。如此可在激活及备用期间内使输出电压Vout保持在或接近目标电平。

本发明的一个目的是提供一种电荷泵系统，在该系统中除去了专用备用电荷泵，由此减少半导体芯片上的版图面积。

本发明的另一个目的是提供一种电荷泵系统，在该系统中，到电源电压的电荷传送率作为电源电压所达到的电压电平的函数进行变化。

本发明的另一个目的是提供一种电荷泵系统，在该系统中，不同组的电荷泵响应电源电压达到不同的预定电压电平独立接通、断开。

本发明的另一个目的是通过根据所到达的电压电平改变电荷传送率更准确地控制电源电压电平，由此减少连接到电源电压线上的振铃和噪声量。

本发明的这些及其它目的由多个充电率电荷泵系统及本发明的方法来提供。

电荷泵系统运行，使得当产生的电源电压电平低于第一预定电平时，运行第一和第二电荷泵组将电压快速增加至目标电平。当电压超过第一预定电平时，断开第一组电荷泵，但第二组继续运行以增加电源电压的电平，虽然速率比以前低。最后，当电源电压升至超过第二预定电平(通常相当于目标电压电平)的电平时，第二组电荷泵也被断开。

在那时，最好剩下一个电荷泵是接通的，该电荷泵作为以较慢速度运行以帮助保持目标电压电平的备用电荷泵。当电压再次降至第二预定电平之下时，再次接通第二组电荷泵以再次以较慢速率将电压增大到目标电平。然而，如果第二组电荷泵不输出足够功率，电压会降至第一预定电压电平以下。在这种情况下，第一组电荷泵会再次接通与第二组电荷泵并联，以增加电荷传送率并将电压再次恢复到其目标电平。

尽管以下所示实施例仅针对所产生的达到两个预定电平中每个电平的电源电压描述了电荷泵控制，但本领域的技术人员将理解如何将本发明的原理和教导应用到根据两个以上电平实现控制的系统中。利用本发明，可保持对输出电压电平更紧密的控制而不出现使用高速限制器或宽线路模式的上述缺陷。

图1所示为根据本发明第一实施例构造的电荷泵系统框图。

图2所示为控制信号C0和C1的激活与电源电压电平关系的时序图。

图3是两级限制器112的示意图。

图4是另一个两级限制器112的示意图。

图5是振铃振荡器210的示意图。

图6是本发明的多电荷泵实施例框图。

图7是本发明的另一个多电荷泵实施例框图。

图8是图6实施例所示的备用限制器/振荡器310的框图及示意图。

图9所示为示范性的现有技术电荷泵的示意图。

图10所示为现有技术电荷泵系统的框图。

图11是图10所示的现有技术电荷泵系统运行的时序图。

图12所示为在本发明中使用的双模式电荷泵互连的结构及控制信号的简化示意图。

图1所示为根据本发明第一实施例的发生器系统10的框图。在该实施例中，如这里的其它实施例一样，响应达到多个预定电压电平的电源电压Vout来控制电荷从电荷泵20传送到所产生的电源电压Vout。发生器系统包括两级限制器12，两级限制器12响应Vout所达到的电压电平来改变控制信号C0和C1的状态。控制信号C0和C1分别作为振荡器15和16、电荷泵20和30的输入。电荷泵20、30以及限制器12从泵起动电路18接收起动输入P1。控制信号C0和C1分别控制电荷泵20和30的开关切换。

图3所示为可用作图1中限制器12的两级限制器112的示意图。限制器112包括由串联电阻R1、R2和R3形成的电阻分压器，串联电阻R1、R2和R3通过晶体管对P60和N70连接在Vout两端。电阻分压器提供与Vout成预定关系的输出电压K1和K2。差分放大器30响应分压K1超过固定参考电压Vref以去激活控制信号C0。除相对于分压K2操作之外，差分放大器40以相同的方式运行以去激活控制信号C1。利用标记为P1的泵起动信号来接通及断开两级限制器，泵起动信号通过控制晶体管开关pMOS P60和nMOS P70起动来禁用发生器系统。因此，当Vout低于第一电压电平V1时，限制器112将控制信号C0和C1保持在高状态。然后，当Vout达到电压V1时，限制器112去激活控制信号C0。最后，当Vout达到电压V2时，限制器112去激活控制信号C1。

在运行中，如图2a至2c所示，当首先接通电荷泵系统10时，电源电压Vout的电平低于第一预定电压电平V1。限制器12保持控制信号C0和C1为高状态，从而使两个振荡器15和16以及两个电荷泵20和30都运行。限制器12响应电源电压达到第一预定电压电平(V1)来去激活断开振荡器15和电荷泵20的控制信号C0，因为仅有一个电荷泵在运行，由此减少传送到电源电压Vout上的电荷率。当电源电压达到第二预定信号(V2)时，限制器去激活信号C1，它又去激活振荡器16和电荷泵30，由此停止电荷传送到电源电压Vout上。

根据具体条件下从电源电压Vout发送的预期电流，电荷泵20和30的电荷传送率可被有意设定为不同值。通过以下参数来确定电荷传送率：诸如振荡器15和16的输出频率，特定控制信号C0或C1控制的电荷泵数量，每个电荷泵20或30内的储存电容器CP1、CP2的容量，以及为每个电荷泵20或30供电的外部电压Vdd。例如，当Vout位于V1以下时，期望以V1被超出时存在的传送率两倍以上的高电荷传送率来运行泵系统10。在这种情况下，电荷泵20所需要的电荷传送率比电荷泵30所需要的更大。

为在电荷泵20中提供更大的电荷传送率，要进行一些或所有的下列变化。可将振荡器15的输出频率设定得比振荡器16的输出频率更高些。信号C0控制的电荷泵20的数量可增加至比电荷泵30的数量更多。在一个或多个电荷泵20中使用的储存电容器CP1、CP2的容量或外部电源电压Vdd电平可增加至比电荷泵30中使用的值更大。本领域的技术人员可认识到上述参数的各种变化，这些参数是用来规定电荷泵20和30之间电荷传送率的相对差的。

图5所示为提供振荡CLK输出的示例性振荡器210的示意图。该示例性振荡器210包括5级，每级均提供在每级B,C,D,E和F的输出节点上反映的可控延迟。每级均包括电阻器R101A和R101B,pMOS晶体管开关P201和nMOS晶体管开关N201。控制信号C0或C1起动振荡器210的运行。

在另一个实施例中，每组电荷泵包括多个电荷泵。因此，在图6所示的实施例600中，将第一组电荷泵CP2,CPn-1等连接起来接收控制信号C0，同时将第二组电荷泵CP3,CPn等相连来接收控制信号C1和泵起动输入P1。两级限制器112(图3所示)根据电源电压Vout所达到的电平确定控制信号C0和C1的状态。另一个电荷泵CP1340是双模式电荷泵，其接收来自备用限制器/振荡器310的控制信号Cs，而不是P1。电荷泵CP1340的结构及接收控制信号如图12所示。需要注意的是，仅在激活区间内是活动的P1,C0或C1控制信号都不需要用于起动CP1340去运行。

图8所示为备用限制器/振荡器310的结构。该电路将备用时钟CKS输出到双模式电荷泵CP1中。限制器312使用分压器产生备用控制信号，分压器使用低电流差分放大器501及由电阻器R24和R25形成的电阻分压器。电阻分压器的全部串联电阻最好比图3所示限制器112的电阻器R1,R2,R3的全部串联电阻大5至20倍。需要高电阻R24,R25和低电流差分放大器501以便减少备用期间的直流功耗，例如在集成电路处于暂停或睡眠状态时。另一方面，高电流差分放大器30,40和活动限制器112的低电阻R1,R2,R3在活动期间内提供控制信号C0,C1的快速切换。

只在P1处于不活动的备用期间内，选择差分放大器501的输出作为Cs输出。否则，在P1处于活动的活动期间内，将控制信号C1作为控制信号Cs传送到输出。只要控制信号Cs是活动的，振荡器503就为电荷泵340提供输出频率。因此，振荡器503为双模式电荷泵340提供起动输出频率CKS，而不管其它控制信号的状态。

多电荷泵系统实施例600在活动状态和备用模式下运行。在活动期间(活动模式运行)中，P1信号为活动的，如图3所示，使两级限制器112输出控制信号C0和C1。如上所述，控制信号C0以与控制图1中电荷泵20相类似的方式控制每个电荷泵CP2,Cpn-1的运行。如上所述，控制信号C1以与控制图1中电荷泵30相类似的方式控制每个电荷泵CP3,Cpn的运行。在活动期间，电荷泵CP1340在信号Cs控制下运行，作为帮助将电荷输送到Vout的活动电荷泵。

在备用期间(备用模式运行)中，泵起动(P1)信号被去激活。这又使两级限制器112和振荡器320,321失效。然后，所有作为“只活动”泵(CP2…CPn)的电荷泵被断开。然而，备用限制器振荡器310和电荷泵CP1340在备用期间继续运行。P1的去活动使多路复用器502选择备用限制器312的输出，然后再作为控制信号Cs传送到振荡器503。在备用期间内，振荡器503又将提供双模式电荷泵CP1340运行所需的时钟输出CKS。然后电荷泵340在Cs控制下运行，根据输出电压Vout所达到的电平来接通和断开备用限制器312来提供Cs。因此，电荷泵340作为双模式电荷泵运行，在活动和备用期间内，其可以作为电源电压Vout所达到的电压电平的函数被接通和断开。

图7是另一个多电荷泵实施例700的框图。该实施例与实施例600(图6所示)的不同之处在于：使用双功能两级限制器212(图4所示)来代替实施例600中使用的独立限制器112和312。限制器212的输出与以下组件相连：C0和C1控制信号，与限制器112的C0和C1信号相同，以与实施例600中相同的方式分别输入到电荷泵CP2…Cpn-1；CP3…Cpn中。上面参考图4对限制器212产生Cx控制信号进行了描述。控制信号Cx在活动和备用期间内控制双模式电荷泵CP1440(见图12)的运行，并当P1不活动时将起动输入提供给振荡器420。

图4所示为在活动和备用运行模式中运行的双模式限制器212的示意图。在活动期间内，限制器212产生控制信号C0和C1的方式与限制器112产生信号C0,C1的方式相同。除限制器112的电路外，限制器212还包括具有更大电阻值的附加电阻分压器R14和R15，其串联电阻最好比限制器112的R11,R12,R13大5至20倍。另外，限制器212还包括低备用电流差分放大器120以及多路复用器220，它们分别完成限制功能和在备用期间内选择其输出。如在备用期间所需要的，更高的电阻R12,R15和更低电流的差分放大器120节省了直流电，同时较高电流的差分放大器130,140和较低的电阻R11,R12,R13提供活动期间内控制信号C0,C1的快速切换。

在活动期间内，多路复用器220响应活动的泵起动信号P1选择输出控制信号C0作为控制信号Cx。当P1在备用期间内不活动时，差分放大器120的输出通过多路复用器220传送到输出Cx。

多电荷泵系统实施例700在活动和备用两种模式下运行。在活动期间(活动模式运行)中，起动P1信号，如图4所示，使两级限制器212输出控制信号Cx,C0和C1。如上所述，控制信号C0以与图1中电荷泵20相类似的方式控制每个电荷泵CP2,Cpn-1的运行。如上所述，控制信号C1以与图1中电荷泵30相类似的方式控制每个电荷泵CP3,Cpn的运行。在活动期间，电荷泵CP1440也运行来帮助将电荷输送到Vout。

在备用期间(备用模式运行)内，泵起动(P1)信号被去活动。这又去激活C0和C1控制信号和振荡器421。然后断开所有的只活动泵CP2…CPn。然而，不活动P1信号将差分放大器120的Cy输出选作多路复用器220的Cx输出。然后Cx信号在备用期间内控制振荡器420和电荷泵440的运行。在备用期间内，Cx控制信号根据输出电压Vout是低于还是超过由电阻R14和R15确定的预定电平被活动和去活动。然后在备用期间内根据信号Cx的状态接通和断开CP1440。因此，在活动和备用期间内，CP1440作为双模式电荷泵运行，其接通和断开作为输出电压Vout所达到的电压电平的函数。

本领域的技术人员可以理解，通过对如本文所述实施例进行细微变化，本发明的原理就可以应用到其它系统中，这些系统用超过两级以上限制器和具有相应数量输出频率的振荡器来更好地控制输出电压。

虽然已对本发明的最佳实施例进行了详细描述，本领域的技术人员可以在不脱离本发明实质的范围内对其作出各种变化和改进。

Claims (27)

1．一种多速率电荷泵发生器系统，用于保持集成电路内产生的电源电压电平，包括：

限制器，响应达到第一预定电压电平的所述电源电压来改变第一控制信号的状态；

第一泵组，具有至少一个电荷泵，所述第一控制信号的状态确定所述第一泵组的开关切换；及

第二泵组，具有至少一个电荷泵，所述第二泵组将电荷传送到所述电源电压而不管所述第一控制信号的状态如何。

2．根据权利要求1的发生器系统，其中所述第一泵组包括的电荷泵数量比所述第二泵组多。

3．根据权利要求1的发生器系统，其中所述第一组的所述泵的电荷传送率比所述第二组的所述泵高。

4．根据权利要求3的发生器系统，其中所述第一组的所述泵包括的电容器容量比所述第二组的所述泵的大。

5．根据权利要求3的发生器系统，其中所述第一组的所述泵接收的振荡器输入频率比所述第二组的所述泵高。

6．根据权利要求3的发生器系统，其中所述第一组的所述泵由一个外部电压源供电，这个外部电压源的电压电平与给所述第二组的所述泵供电的电压源的电压电平不同。

7．一种多速率电荷泵发生器系统，用于保持集成电路内产生的电源电压电平，包括：

限制器，响应达到第一预定电压电平的所述电源电压来改变第一控制信号的状态，响应达到第二预定电压电平的所述电源电压来改变第二控制信号的状态；

第一泵组，具有至少一个电荷泵，所述第一控制信号的状态确定所述第一泵组的开关切换；及

第二泵组，具有至少一个电荷泵，所述第二泵组将电荷传送到所述电源电压而不管所述第一控制信号的状态如何，所述第二控制信号的状态确定所述第二泵组的开关切换。

8．根据权利要求7的发生器系统，其中所述第一组的所述泵的电荷传送率比所述第二组的所述泵高。

9．根据权利要求8的发生器系统，其中所述第一组的所述泵包括的电容器容量比所述第二组的所述泵的大。

10．根据权利要求8的发生器系统，其中所述第一组的所述泵接收的振荡器输入频率比所述第二组的所述泵高。

11．根据权利要求8的发生器系统，其中所述第一组的所述泵由一个外部电压源供电，这个外部电压源的电压电平与给所述第二组的所述泵供电的电压源的电压电平不同。

12．根据权利要求7的发生器系统，其中所述第一和所述第二预定电平之间的区间介于大约50和300毫伏之间。

13．根据权利要求7的发生器系统，其中所述第一泵组包括的电荷泵数量比所述第二泵组多。

14．根据权利要求7的发生器系统，其中所述第二泵组包括多个电荷泵，多个电荷泵包括至少一个双模式电荷泵，该双模式电荷泵在活动期间内同所述第二泵组的其他电荷泵一起作为活动电荷泵运行，所述双模式电荷泵在备用期间内作为备用电荷泵运行，在备用期间，当所述第二泵组的其它电荷泵断开时，所述双模式荷泵继续将电荷传送到所述电源电压。

15．根据权利要求14的发生器系统，还包括备用限制器，所述备用限制器在所述备用期间内响应所述电源电压的电压电平的变化，控制所述备用电荷泵的开关切换。

16．根据权利要求15的发生器系统，其中所述第二控制信号在所述活动期间内控制所述双模式电荷泵的开关切换。

17．根据权利要求14的发生器系统，其中所述限制器为双模式限制器，包括活动限制器和备用限制器，所述活动限制器在活动期间内响应所述电源电压电平以改变所述第一和第二控制信号的状态，所述备用限制器在所述备用期间内响应达到第三预定电压电平的所述电源电压电平，以改变第三控制信号的状态，所述第三控制信号在所述备用期间内控制所述双模式电荷泵的开关切换。

18．根据权利要求17的发生器系统，其中所述活动限制器导致所述第一和第二控制信号变化比所述备用限制器快。

19．根据权利要求17的发生器系统，其中所述备用限制器平均比所述活动限制器吸进更少的电流。

20．根据权利要求17的发生器系统，其中所述活动限制器和所述备用限制器均包括电阻分压器，其中所述备用限制器的所述电阻分压器的总电阻是所述活动限制器总电阻的5至20倍。

21．根据权利要求15的发生器系统，其中所述活动限制器在所述备用期间内被断开。

22．根据权利要求17的发生器系统，其中所述活动限制器在所述备用期间内被断开。

23．一种保持集成电路内部产生的电源电压电平的方法，包括：

确定所述电源电压的电平是否超过第一预定电压电平；

在所述电源电压超过所述电平之前，运行每组包括至少一个电荷泵的第一和第二泵组，并在所述电源电压超过所述电平后断开所述第一泵组，同时继续运行所述第二泵组。

24．根据权利要求23的方法还包括在所述电源电压超过第二预定电平时断开所述第二泵组。

25．根据权利要求24的方法，其中所述第一泵组的所述电荷泵的泵送率比所述第二泵组的所述电荷泵高。

26．根据权利要求24的方法，其中所述第一泵组的所述电荷泵接收的振荡器输入频率比所述第二泵组的所述电荷泵高。

27．根据权利要求24的方法，其中所述第一泵组包括的电荷泵数量比所述第二泵组多。

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