CN1832311A - 电荷泵电路及其方法 - Google Patents

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Abstract

电荷泵电路可以包括多个电荷泵单元。每个电荷泵单元还可以包括用于提供电荷的输出节点、用于接收时钟信号的泵浦节点和泵浦电容器，所述泵浦电容器可以连接在输出节点和泵浦节点之间，用于存储电荷，并且可以响应于多个时钟信号而重复充电或放电操作和/或预充电操作。在预充电操作中，可以从较低电压输出节点到较高电压输出节点执行单向电荷提供。

Description

电荷泵电路及其方法
技术领域
本发明的示例实施例涉及电荷泵电路及其方法。
背景技术
相关技术电荷泵电路可以使用驱动器向一个节点处的电容器充电，而同时使邻近节点处的电容器放电。在这些相关技术电荷泵电路中，电荷消耗可以与电容和供电电压的乘积成比例，并且可以通过经由一个节点充电、在经由地节点放电之前经由邻近节点预放电(或预充电)、并且在从邻近节点断开之后经由地节点完成放电而减少。
如果通过交替进行充电操作和预充电操作来执行电荷泵浦(pumping)，则在充电操作中可以首先从所述节点执行预充电，然后可以从外部电压源提供剩余的电荷，并且可以减少在充电操作中消耗的电荷量。
图1是示出了相关技术电压产生电路10的方框图。参看图1，电压产生电路10可以包括振荡器11、时钟发生器12、电荷泵电路13和调节器14。振荡器(例如环形振荡器)11可以产生用于触发时钟发生器12的操作的振荡信号OSC，其可以被使能(enable)信号EN使能(例如，开始、触发等)。时钟发生器12可以被振荡信号OSC触发，并且可以产生用于控制电荷泵电路13的操作的时钟信号。电荷泵电路13可以包括多个电荷泵单元，并且可以基于从时钟发生器12输出的时钟信号而通过交替进行充电和放电操作来执行电荷泵浦操作，以输出用于半导体电路的较高的电压。例如，当从电荷泵电路13输出的电压达到阈值电平(例如，所希望的电平)时，调节器14可以输出用于去激活(deactivate)(例如，关断)振荡器11的复位信号。调节器14可以控制振荡器11的操作，使得电荷泵电路13的输出电压可以达到阈值电平(例如，所希望的电平)。
图2是示出相关技术电荷泵电路20的电路图。图3是用于驱动图2所示的相关技术电荷泵电路20的时钟信号的时序图。
图2图示了相关技术电荷泵电路20的多个电荷泵单元的一部分。电荷泵电路20可以通过使用如图2所示串联连接的多个电荷泵单元来泵浦电荷而产生较高的电压。参看图2，电荷泵电路20可以通过用于电荷泵浦的电容器(例如，泵浦电容器)Cp将电荷输入上拉到较高的电压，并且可以将该上拉电压输出到下一个单元。例如，当电荷泵电路20使用充电(charge)时钟信号nPh1来将连接到第i单元的电压输出节点N(i)的电容器Cp驱动到较高的电压、并将开关时钟信号Ph1a上拉到较高的电平时，来自第i单元的电压输出节点N(i)的电荷可以运动到第(i+1)单元的输出节点N(i+1)。电容器Cp、第一寄生电容器Cc和第二寄生电容器Cs可以由充电时钟信号nPh1和nPh2驱动。当泵浦电容器Cp工作时，第一寄生电容器Cc可以具有电容器Cp的寄生电容，而第二寄生电容器Cs可以具有另一电容(例如，杂散电容)，该电容也可以是每个节点的寄生电容。
当在电荷泵电路20中执行电荷泵浦时消耗的电荷量平均起来可以是Vdd×(Cp+Cc)×N，其中，N表示电荷泵单元的数量。电荷泵浦效率E是：E＝Q_load/Q_consumed＝{Cp/(Cp+Cs)×(N+1)×Vdd-V_target}/{N2×Vdd×(Cp+Cc)}，其中，Q_load表示提供给例如输出节点的负载的电荷量，Q_consumed表示在泵浦操作中消耗的电荷量，Vdd表示输入电压，V_target表示负载的输出电压，并且N表示电荷泵单元的数量。
可以去除第一和第二寄生电容器Cc和Cs以增大(例如，最大化)电荷泵浦效率E。第一和第二寄生电容器Cc和Cs的电容可以通过电荷提供方案和泵浦电容器Cp的结构来确定。
在相关技术电荷泵浦方法中，用于向泵浦电容器Cp充电的电荷可被随后释放。为了减少所释放的电荷量并增大电荷泵浦效率E，相关技术电荷泵电路可以在使一个泵浦电容器放电之前与邻近电容器共享该泵浦电容器中的电荷。
图4是示出了能够分配电荷的相关技术电荷泵电路40的电路图。图5是示出用于驱动图4所示的电荷泵电路40的时钟信号的时序图。
当电荷泵电路40使用图5所示的时钟信号使第i单元的输出节点N(i)和第(i+1)单元的输出节点N(i+1)充电或放电时，电荷泵电路40可以通过共享每个节点处的初始电荷并充电或放电以补偿电荷的不足或过剩来减少电荷的消耗。例如，当连接到第i单元的输出节点N(i)的泵浦电容器Cp的时钟是0V、并且连接到第(i+1)单元的输出节点N(i+1)的泵浦电容器Cp的时钟是Vdd时，可以通过在连接到输出节点N(i)的泵浦电容器Cp被充电并且连接到输出节点N(i+1)的泵浦电容器Cp被放电之前将预充电时钟信号Ph3使能到Vdd，来共享连接到输出节点N(i)和输出节点N(i+1)的泵浦电容器的电荷。在相关技术中，预充电可以通过与邻近节点N(i+1)共享电荷来将输出节点N(i)的电压增加到Vdd/2，并且输出节点N(i+1)的电压可以减小到Vdd/2。通过将Vdd提供给连接到输出节点N(i)的泵浦电容器Cp、并将0V提供给连接到输出节点N(i+1)的泵浦电容器Cp，在将预充电时钟信号Ph3禁止到0V之后，可以将连接到输出节点N(i)的泵浦电容器Cp从Vdd/2充电到Vdd，可以将连接到输出节点N(i+1)的泵浦电容器Cp从Vdd/2放电到0V，并且电荷泵电路40可以消耗减少的电荷量。
相关技术电荷泵电路40可以通过在预充电期间保持电荷提供晶体管42不活动(例如，截止)来抑制从输出节点N(i+1)到输出节点N(i)的反向流动电荷。
图6示出了预充电操作期间的相关技术电荷泵电路60。
在图6所示的相关技术电荷泵电路60中，泵浦电容器Cp可以和第二寄生电容器Cs  串联连接。每个节点分享的电荷量可以是Vdd/2×[Cc+{Cp×Cs/(Cp+Cs)}]。在相关技术中，电荷泵电路60的每个节点的第二寄生电容器Cs的电容可以减小泵浦效率。此外，由于寄生电容器Cc和Cs的电容相对于泵浦电容器Cp的电容较小，因此共享电荷量是Vdd×(Cc+Cs)，并且泵浦效率的增大可能受到限制(例如，不显著)。
发明内容
本发明的示例实施例提供电荷泵电路，其可以例如通过交替进行充电操作和预充电操作，来在用于产生较高电压的电荷泵电路中产生较高的电压、抑制电荷消耗和/或增加在预充电操作中预充电的电荷量。
本发明的示例实施例提供例如可以通过增加在预充电操作中提供的电荷量来增加泵浦效率的电荷泵电路。
在本发明的示例实施例中，电荷泵电路可以包括多个电荷泵单元。所述多个电荷泵单元的每一个可包括第一输出节点、第一泵浦节点和电容器。第一输出节点可以传送电荷，并且第一泵浦节点可以接收时钟信号。电容器可以连接在第一输出节点和第一泵浦节点之间，可以存储电荷，并且可以响应于多个时钟信号而重复充电、放电或预充电操作。预充电操作可以包括从第一输出节点到第二输出节点执行的单向电荷传送，第二输出节点具有比第一输出节点高的电压。
本发明的另一示例实施例提供一种方法，其可以包括：响应于预充电使能时钟信号，激活第一电荷泵单元中的第一泵浦节点和第二电荷泵单元中的第二泵浦节点之间的连接；通过使用经由第一泵浦节点传送的电荷向第一泵浦电容器充电来改变第一输出节点的电压；当第一和第二输出节点具有相等的电压时，激活第一电荷泵单元中的第一输出节点和第二电荷泵单元中的第一输出节点之间的连接；以及经由第一和第二输出节点传送电荷。
本发明的另一示例实施例提供一种电荷泵单元。该电荷泵单元可以包括第一输出节点、第一泵浦节点和电容器。第一输出节点可以传送电荷，并且第一泵浦节点可以接收时钟信号。电容器可以连接在第一输出节点和第一泵浦节点之间，可以存储电荷，并且可以响应于多个时钟信号而重复充电、放电或预充电操作。预充电操作可以包括从第一输出节点到第二输出节点执行的单向电荷传送，第二输出节点具有比第一输出节点高的电压。
在本发明的示例实施例中，当第一输出节点的电压等于第二输出节点的电压时，可以通过激活第一输出节点和第二输出节点之间的连接来执行电荷传送。
在本发明的示例实施例中，在充电和放电期间，可以将第一输出节点和第二输出节点之间的连接去激活。
在本发明的示例实施例中，可以使用开关来连接第一泵浦节点和第二泵浦节点，所述开关可以在预充电操作中被激活，并在充电和放电操作中被去激活。
在本发明的示例实施例中，所述开关可以包括响应在预充电操作中被使能的时钟信号的晶体管。
在本发明的示例实施例中，可以使用其栅极可连接到第一输出节点的晶体管来将第一输出节点连接到第二输出节点。
本发明的示例实施例可以响应于输入到第一泵浦节点的泵浦时钟信号而执行充电和/或放电操作，并且可以响应于输入到所述开关的预充电时钟信号而执行预充电操作。
在本发明的示例实施例中，所述多个电荷泵单元中的至少一个还可以包括第一晶体管和第二晶体管。第一晶体管可以连接在第一泵浦节点和第二泵浦节点之间，并且可以响应在预充电期间被使能的时钟信号。第二晶体管可以连接在第一输出节点和第二输出节点之间，并且可以具有连接到第一输出节点的栅极。
在本发明的示例实施例中，所述多个电荷泵单元中的至少一个还可以包括连接在第一输出节点和第二晶体管的栅极之间的第三晶体管，并且第二电容器可以连接到第二晶体管的栅极。
在本发明的示例实施例中，所述多个电荷泵单元中的至少一个还可以包括连接在第一泵浦节点和第二泵浦节点之间的第一晶体管。第一晶体管可以响应在预充电操作中被使能的时钟信号。第二晶体管可以连接在第一输出节点和第二输出节点之间，并且第二电容器可以连接到第二晶体管的栅极。第三晶体管和第四晶体管可以串联连接在第二晶体管的栅极和第二输出节点之间，并且第五晶体管可以连接在第四晶体管的栅极和第二输出节点之间。第三电容器可以连接到第四晶体管的栅极，第三晶体管的栅极可以连接到第一输出节点，并且第五晶体管的栅极可以连接到第四晶体管的栅极。
在本发明的示例实施例中，所述多个电荷泵单元中的至少一个还可以包括连接在第一泵浦节点和第二泵浦节点之间的第一晶体管。该第一晶体管可以响应在预充电操作中被使能的时钟信号。第二晶体管可以连接在第一输出节点和第二输出节点之间，并且第二电容器可以连接到第二晶体管的栅极。第三晶体管和第四晶体管可以串联连接在第二晶体管的栅极和第二输出节点之间，并且第五晶体管可以连接在第四晶体管的栅极和第二输出节点之间。第三电容器可以连接到第四晶体管的栅极。第三晶体管的栅极可以连接到第二晶体管的栅极，并且第五晶体管的栅极可以连接到第四晶体管的栅极。
本发明的示例实施例还可以包括禁止预充电使能信号、以及响应于泵浦时钟信号而使泵浦电容器充电或放电。
在本发明的示例实施例中，所述晶体管的任何一个或全部可以是PMOS或NMOS晶体管。
附图说明
通过详细描述附图，本发明的示例实施例将变得更加明显，在附图中：
图1是示出相关技术电压产生电路的方框图；
图2是相关技术电荷泵电路的电路图；
图3是用于驱动图2所示的相关技术电荷泵电路的时钟信号的时序图；
图4是另一相关技术电荷泵电路的电路图；
图5是用于驱动图4所示的相关技术电荷泵电路的时钟信号的时序图；
图6图示另一相关技术电荷泵电路；
图7是图示根据本发明示例实施例的电荷泵电路的电路图；
图8是示出了根据本发明另一示例实施例的电荷泵电路的电路图；
图9是用于驱动根据本发明示例实施例的电荷泵电路的时钟信号的时序图；
图10是根据本发明另一示例实施例的电荷泵电路的电路图；
图11是用于驱动根据本发明示例实施例的电荷泵电路的时钟信号的时序图；
图12是根据本发明另一示例实施例的电荷泵电路的电路图；
图13是用于驱动根据本发明示例实施例的电荷泵电路的时钟信号的时序图：
图14是根据本发明另一示例实施例的电荷泵电路的电路图；
图15是用于驱动根据本发明示例实施例的电荷泵电路的时钟信号的时序图。
具体实施方式
现在将参考附图详细描述本发明的示例实施例。在整个附图中，相同的参考数字表示相同的元件。
图7是图示根据本发明示例实施例的电荷泵电路的电路图。
图7图示了示例电荷泵电路70，其中，连接在第i单元的泵浦节点P(i)和第(i+1)单元的泵浦节点P(i+1)之间的晶体管72是有效的(active)(例如，处于导通状态)。二极管74可以连接在第i单元的输出节点N(i)和第(i+1)单元的输出节点N(i+1)之间。在示例预充电操作中，例如在第i单元的输出节点N(i)的电压小于第(i+1)单元的输出节点N(i+1)的电压时，在第i单元的输出节点N(i)和第(i+1)单元的输出节点N(i+1)之间的连接可以是无效的(例如，处于截止状态)，而例如在第i单元的输出节点N(i)的电压大于或等于第(i+1)单元的输出节点N(i+1)的电压时，所述连接可以是有效的(例如，导通)。
在图7的电路中，例如，当第i单元的泵浦电容器Cp的时钟电平是0V并且第(i+1)单元的泵浦电容器Cp的时钟电平是Vdd时，输出节点N(i)的电压可以是Vpp-α，并且输出节点N(i+1)的电压可以是Vpp。如果预充电时钟信号Ph3被使能并且泵浦节点P(i)被连接到泵浦节点P(i+1)，则泵浦节点P(i)的电压可以从0V增加到Vdd/2，而泵浦节点P(i+1)的电压可以从Vdd减小到Vdd/2。输出节点N(i)的电压可以响应于泵浦节点P(i)的电压增加而增加例如等于电荷量的量，并且输出节点N(i+1)的电压可以响应于泵浦节点P(i+1)的电压减小而减小。如果输出节点N(i)的电压增加而输出节点N(i+1)的电压减小，则第i单元的输出节点N(i)的电压变得大于第(i+1)单元的输出节点N(i+1)的电压，并且这两个输出节点N(i)和N(i+1)之间的连接可以是有效的。例如，由于输出节点N(i)的电荷可以被传送到输出节点N(i+1)，因此这两个输出节点N(i)和N(i+1)可以保持相同或基本相同的电压。
例如，泵浦节点P(i)和P(i+1)的泵浦电压可以是2V，输出节点N(i)的电压可以是7V，并且在电荷泵浦(例如，第一电荷泵浦)之后，输出节点N(i+1)的电压可以是8V。
在另一示例预充电操作中，泵浦节点P(i)的电压可以从0V增加到1V，并且泵浦节点P(i+1)的电压可以从2V减小到1V。如果输出节点N(i)的电压小于输出节点N(i+1)的电压，例如当泵浦节点P(i)的电压是0V并且泵浦节点P(i+1)的电压是2V时，二极管74在预充电操作期间可以是无效的(例如，处于截止状态)。当泵浦节点P(i)的电压变成例如0.5V时，泵浦节点P(i+1)的电压可以是1.5V，输出节点N(i)的电压可以是7.5V，并且输出节点N(i+1)的电压可以是7.5V。在本发明的示例实施例中，输出节点N(i)和N(i+1)的电压可以相等或基本相等，并且这两个输出节点N(i)和N(i+1)之间的连接可以是有效的。
当泵浦节点P(i)的电压增加0.25V达到0.75V、并且泵浦节点P(i+1)的电压减小0.25V达到1.25V时，例如由于0.25V的改变，输出节点N(i)的电压可以是7.75V，并且输出节点N(i+1)的电压可以是7.25V。在这个示例中，由于这两个输出节点N(i)和N(i+1)之间的连接是有效的，因此例如可以通过将输出节点N(i)的电荷传送给输出节点N(i+1)而将输出节点N(i)和N(i+1)的电压保持在7.5V。
当泵浦节点P(i)的电压增加0.25V达到1V、并且泵浦节点P(i+1)的电压减小0.25V达到1V时，例如由于0.25V的改变，输出节点N(i)的电压可以是7.75V，并且输出节点N(i+1)的电压可以是7.25V。在这个示例中，由于这两个输出节点N(i)和N(i+1)之间的连接是有效的，因此例如可以通过将输出节点N(i)的电荷传送给输出节点N(i+1)而将输出节点N(i)和N(i+1)的电压保持在7.5V。
在本发明的示例实施例中，可以通过将连接在两个泵浦节点P(i)和P(i+1)之间的晶体管72去激活(例如，截止)来执行电荷泵浦操作。可以通过禁止预充电时钟信号Ph3、例如借助于增大泵浦节点P(i)的电压而向连接到输出节点N(i)的泵浦电容器Cp充电、以及例如借助于减小泵浦节点P(i+1)的电压而使连接到输出节点N(i+1)的泵浦电容器Cp放电，来将晶体管72去激活。
在示例预充电操作中，如果输出节点N(i)的电压等于或基本等于输出节点N(i+1)的电压，则这两个输出节点N(i)和N(i+1)之间的连接可以是有效的。在本发明的示例实施例中，泵浦电容器Cp、第一寄生电容器Cc和第二寄生电容器Cs可以被并联连接，并且电容和/或共享电荷量可以增加。例如，在并联中，例如当这两个输出节点N(i)和N(i+1)之间的连接无效时，一个电荷泵单元的电容可以是Cc+Cp//Cs(Cc+(Cp*Cs)/(Cp+Cs))，而当这两个输出节点N(i)和N(i+1)之间的连接可以有效时，该电容可以是Cc+Cp+Cs。
在关于图7的另一示例中，例如由于这两个输出节点N(i)和N(i+1)之间的连接可以是无效的，因此在泵浦节点P(i)的电压从0V改变到0.5V期间共享的电荷量可以是0.5V×(Cc+Cp//Cs)。例如由于这两个输出节点N(i)和N(i+1)之间的连接有效，因此在泵浦节点P(i)从0.5V改变到1V期间共享的电荷量可以是Cc+Cp+Cs。
在本发明的示例实施例中，阈值电压可以存在于这两个输出节点N(i)和N(i+1)之间。例如，如果二极管74包括一个晶体管，则二极管74可以具有大约0.5V的阈值电压。在这个示例中，例如在泵浦节点P(i)的电压从0V增大到0.75V、输出节点N(i)的电压从7V增大到7.75V、并且输出节点N(i+1)的电压从8V减小到7.25V时，二极管74可以是无效的。例如在泵浦节点P(i)的电压从0.75V增大到1V时，二极管74可以是有效的。在这个示例中，例如由于在这两个输出节点N(i)和N(i+1)之间的连接无效，因此在泵浦节点P(i)的电压从0V增加到0.75V时，在图7的电路的预充电操作期间共享的电荷量可以变成0.75V×(Cc+Cp//Cs)。例如由于这两个输出节点N(i)和N(i+1)之间的连接有效，因此在泵浦节点P(i)的电压从0.75V增加到1V时，在图7的电路中的预充电操作期间共享的电荷量可以变为0.25V×(Cc+Cp+Cs)。
如上所述，在相关技术的预充电操作中，例如由于在这两个输出节点N(i)和N(i+1)之间的连接无效，因此所共享的电荷量可以是1/2×Vdd(Cc+Cp//Cs)。由于寄生电容器Cs的电容可以小于泵浦电容器Cp的电容，因此共享电荷量可以变成1V×(Cc+Cs)。
在例如由根据本发明示例实施例的电荷泵电路执行的示例预充电操作中，共享电荷量可以是0.5V(Cc+Cp//Cs)+0.5V(Cc+Cp+Cs)。类似地，由于寄生电容器Cs的电容小于(例如显著(substantially)小于)泵浦电容器Cp的电容，因此共享电荷量可以是0.5V(Cc+Cs)+0.5V(Cc+Cp+Cs)。相对于相关技术电荷泵电路，共享电荷量可以增加例如0.5V×Cp。考虑到这两个输出节点N(i)和N(i+1)之间的阈值电压，相对于相关的现有技术，共享电荷量可以增加0.25V×Cp，并且可以是0.75V(Cc+Cs)+0.25V(Cc+Cp+Cs)。
在本发明的示例实施例中，泵浦电容器Cp的电容可以大于(例如，显著大于)寄生电容器Cs和Cc的电容，并且相对于相关技术中的共享电荷量的增加比率，在本发明的示例实施例中，共享电荷量的增加比率可以更大(例如，大得多)。
在本发明的示例实施例中，由于可以从在充电和/或放电操作中消耗的电荷中排除在电荷泵电路70的预充电操作中共享的电荷，因此在预充电操作中共享的电荷的增加可以导致在电荷泵电路70的充电和/或放电操作中消耗的较少的电荷。例如，在根据本发明示例实施例的电荷泵电路70中，相对于相关技术，对于每个电荷泵单元，电荷消耗可以减少0.5V×Cp或0.25V×Cp。
现在将相对于相关技术来描述例如在电荷泵电路70的预充电操作中的减少的电荷消耗量。
如果泵浦节点P(i)的电压从0V增加到Vdd/2，则输出节点N(i)的电压可以从Vpp-α增加到Vpp-α+Vdd/2。如果泵浦节点P(i+1)的电压从Vdd减小到Vdd/2，则输出节点N(i+1)的电压可以从Vpp减小到Vpp-Vdd/2。由于这两个输出节点N(i)和N(i+1)之间的连接有效，因此这两个输出节点N(i)和N(i+1)的电压可以是这两个电压的平均数(例如，平均值){(Vpp-α+Vdd/2)+(Vpp-Vdd/2)}/2或Vpp-α/2。
在本发明的示例实施例中，当连接到输出节点N(i)的泵浦电容器Cp还连接到输出节点N(i+1)时，电荷量可以是(Vpp-α+Vdd/2)-(Vdd-α/2)。由连接到输出节点N(i)的电容器获得的共享电荷量可以通过{Cc的电荷}+{例如在电荷从N(i)移动到N(i+1)之后剩余的电荷}+{从N(i)移动到N(i+1)的电荷}、即{Cc×Vdd/2}+{Cp//Cs×α/2}+{[Cp//(2×Cp+2×Cs)]×(Vdd/2-α/2)}来获得。在这个示例中，由于泵浦电容器Cp的电容大于(例如，显著大于)寄生电容器Cs和Cc的电容，因此共享电荷量可以变成{Cc×Vdd/2}+{Cs×α/2}+{Cp×(Vdd-α)/3}。
在电荷泵电路70中，如果输出电压是Vpp、泵浦电压是Vdd并且电荷泵单元的数量是N，则例如在准静态状态下，每个输出节点和每个泵浦节点之间的电压差可以是(Vpp-Vdd)/N。由于α＝2×(Vpp-Vdd)/N，因此每个电荷泵单元的减少的电荷消耗量可以是{Cc×Vdd/2}+{Cs×(Vpp-Vdd)/N}+{Cp×{(N+2)×Vdd-2×Vpp}/(3×N)}。电荷泵浦效率E可以等于输出电荷量/消耗电荷量，并且在相关技术中电荷泵浦效率E可以通过E[{(N+1)×Vdd-Vpp}/N]/[N×Vdd]来获得。在本发明的示例实施例中，可以通过电荷泵电路70的预充电操作来减少电荷消耗量，并且可以通过E[{(N+1)×Vdd-Vpp}/N]/[N×Vdd-{(N+2)×Vdd-2×Vpp}/3]获得电荷泵浦效率E。与相关技术电荷泵浦效率相比，在本发明的示例实施例中，电荷泵浦效率可以更大，或大得多。
图8是根据本发明另一示例实施例的电荷泵电路的电路图。图9是用于驱动图8所示的电荷泵电路80的时钟信号的时序图。
参考图8，电荷泵电路80可以包括多个例如串联连接的电荷泵单元。在第i电荷泵单元82中，在被提供有泵浦电压的泵浦节点P(i)和可以从中产生较高电压的输出节点N(i)之间可以包括泵浦电容器Cp，第一寄生电容器Cc可以连接到泵浦电容器Cp，并且第二寄生电容器Cs可以连接到输出节点N(i)。用于执行预充电操作的预充电晶体管84可以连接在第i电荷泵单元82的泵浦节点P(i)和第(i+1)电荷泵单元的输出节点P(i+1)之间。电荷传送晶体管86可以连接在第i电荷泵单元82的输出节点N(i)和第(i+1)电荷泵单元的输出节点N(i+1)之间，并且电荷传送晶体管86的栅极可以连接到输出节点N(i)。在本发明的这一示例实施例中，电荷传送晶体管86可以执行例如类似于图7的二极管74的二极管的功能。
泵浦节点P(i)可以由可被分别输入到晶体管(例如，PMOS晶体管)88和晶体管(例如NMOS晶体管)90的两个泵浦信号Ph1p和Ph1n所泵浦，并且可以将Vdd和0V提供(例如，有选择地提供)给泵浦节点P(i)。
现在将参照图8和9描述电荷泵电路80的示例操作。在示例充电操作中，当第i电荷泵单元82的两个泵浦信号Ph1p和Ph1n处于低电平时，晶体管88可以是有效的(例如，导通)，并且晶体管90可以是无效的(例如，截止)。泵浦节点P(i)可以被泵浦到Vdd电平，并且连接到泵浦节点P(i)的泵浦电容器Cp可以被Vdd充电。同时，邻近的(例如，相邻的)第(i+1)电荷泵单元可以执行与第i电荷泵单元82相反的放电操作。
在(例如，可处于上述充电操作之后的)另一示例预充电操作中，提供给晶体管88的时钟信号Ph1p可以处于较高的电平，并且提供给晶体管90的时钟信号Ph1n可以处于较低的电平。这两个晶体管88和90可以是无效的。预充电时钟信号Ph3可以被使能，并且预充电晶体管84可以是有效的。可以通过与邻近的第(i+1)电荷泵单元的泵浦电容器Cp共享连接到泵浦节点P(i)的泵浦电容器Cp的电荷，来执行该示例预充电操作。
当第i电荷泵单元82的两个泵浦信号Ph1p和Ph1n处于较高电平时，晶体管88可以是无效的，而晶体管90可以是有效的。泵浦节点P(i)可变成0V，连接到泵浦节点P(i)的泵浦电容器Cp可被放电，并且邻近的第(i+1)电荷泵单元可以执行充电操作。
图10是根据本发明另一示例实施例的电荷泵电路的电路图。图11是用于驱动图10所示的电荷泵电路100的时钟信号的时序图。
图10的电荷泵电路100可以例如通过减小这两个输出节点N(i)和N(i+1)之间的阈值电压来增加在预充电操作中共享的电荷量。
参照图10，用于预充电的第一晶体管(例如，NMOS晶体管)102可以连接在两个泵浦节点P(i)和P(i+1)之间，并且用于电荷传送的第二晶体管(例如，NMOS晶体管)104可以连接在两个输出节点N(i)和N(i+1)之间。第三晶体管(例如，NMOS晶体管)106可以连接在第i电荷泵单元的输出节点N(i)和第二晶体管104之间，并且第三晶体管106的栅极可以连接到第i电荷泵单元的输出节点N(i)。电容器108可以连接在第二晶体管104的栅极和时钟信号Ph2g之间。
现在将针对图10和11来描述电荷泵电路100的示例操作。在第i电荷泵单元可被放电并且第(i+1)电荷泵单元可被充电的示例充电和放电操作(I)中，输入到第二晶体管104的栅极的时钟信号Ph2g可处于较低电平。这两个输出节点N(i)和N(i+1)之间的连接可以是无效的。
在示例预充电操作(II)中，输入到第二晶体管104的栅极的时钟信号Ph2g可处于较高电平。这两个输出节点N(i)和N(i+1)之间的连接可以是有效的，第三晶体管106可以是有效的，并且使用例如二极管压降，第二晶体管104的栅极和第二晶体管104的源极之间的电压差可以是不变的，或者基本不变。在本发明的示例实施例中，无论第二晶体管104的阈值电压是什么，如果这两个输出节点N(i)和N(i+1)的电压相同或基本相同，则这两个输出节点N(i)和N(i+1)之间的连接可以是有效的。根据本发明的示例实施例，这可以导致更有效的0V阈值电压，从而可增加在预充电操作中共享的电荷量。
图12是根据本发明另一示例实施例的电荷泵电路的电路图。图13是用于驱动图12所示的电荷泵电路120的时钟信号的时序图。
图12所示的电荷泵电路120可以通过使用包括例如PMOS晶体管的电荷泵电路来获得。参照图12，用于预充电的晶体管(例如NMOS晶体管)122可以连接在两个泵浦节点P(i)和P(i+1)之间，并且用于电荷传送的第一晶体管(例如，PMOS晶体管)124可以连接在两个输出节点N(i)和N(i+1)之间。第一电容器132可以连接在第一晶体管124的栅极和时钟信号Ph2g之间。第二和第三晶体管(例如，PMOS晶体管)126和128可以被例如串联连接在第一晶体管124的栅极和输出节点N(i+1)之间。第二晶体管126的栅极可以连接到输出节点N(i)。第四晶体管(例如，PMOS晶体管)130可以连接在第三晶体管128的栅极和输出节点N(i+1)之间。第三和第四晶体管128和130的栅极都可以通过第二电容器134连接到时钟信号Ph2t。
图14是根据本发明另一示例实施例的电荷泵电路的电路图。图15是用于驱动图14所示的电荷泵电路140的时钟信号的时序图。
在图14所示的电荷泵电路140中，例如不考虑图12所示的电荷泵电路120的电荷传送晶体管(例如，PMOS晶体管)的阈值电压，可以共享电荷。例如，图14所示的电荷泵电路140可以组合如图10和/或图12所示的本发明示例实施例的任一或全部方面。
参照图14，用于预充电的晶体管(例如，NMOS晶体管)142可以连接在两个泵浦节点P(i)和P(i+1)之间，并且用于电荷传送的第一晶体管(例如PMOS晶体管)144可以连接在两个输出节点N(i)和N(i+1)之间。第二和第三晶体管(例如，PMOS晶体管)146和148可以例如串联连接在第一晶体管144的栅极和输出节点N(i+1)之间。第一电容器152可以连接在第一晶体管144的栅极和时钟信号Ph2g之间。第二晶体管146的栅极可以连接到第一晶体管144的栅极，并且第四晶体管(例如，PMOS晶体管)150可以连接在第三晶体管148的栅极和输出节点N(i+1)之间。第三和第四晶体管148和150的栅极可以通过第二电容器154连接到时钟信号Ph2t。
本发明的示例实施例可以提供一种电荷泵电路，该电荷泵电路可以通过在充电/放电操作之间执行预充电操作来减少在充电/放电操作中消耗的电荷量。通过增加在预充电操作中共享的电荷量，可以进一步减少所消耗的电荷量。例如，通过并联连接泵浦电容器和寄生电容器、并且/或者按照从具有较高电压的输出节点到具有较低电压的输出节点的方向传送电荷，该电荷泵电路可以增加共享电荷量。
如上所述，与只能减少在泵浦电容器的杂散电容中消耗的电荷的相关技术电荷消耗减少方法不同，本发明的示例实施例可以提供使用例如时钟方案来提高泵浦效率的方法，所述时钟方案也可减少在泵浦操作中连接到用于电荷传送的两个节点的全部或基本上全部电容器的电荷。
已经针对诸如PMOS和NMOS晶体管的特定方面描述了本发明的示例实施例。然而，应当理解，这些方面可以以任何适当的方式互换和/或组合。
根据本发明示例实施例的电荷泵电路也可以或者可替换地减少电荷消耗。
尽管已经具体示出和描述了本发明的示例实施例，但本领域普通技术人员将会理解，在不脱离由所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中进行各种形式和细节上的改变。
相关申请交叉引用
此非临时美国申请要求2004年12月20日在韩国知识产权局(KIPO)提交的韩国专利申请第10-2004-0108826号在35U.S.C.§119下的优先权，其公开内容通过引用而被整体合并于此。

Claims (24)

1.一种包括多个电荷泵单元的电荷泵电路，所述多个电荷泵单元中的每一个包括：
第一输出节点，用于传送电荷；
第一泵浦节点，用于接收时钟信号；以及
电容器，连接在第一输出节点和第一泵浦节点之间，用于存储电荷，并且响应于多个时钟信号而重复充电、放电或预充电操作；其中
预充电操作包括从第一输出节点到第二输出节点执行的单向电荷传送，第二输出节点具有比第一输出节点高的电压。
2.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中，当第一输出节点的电压等于第二输出节点的电压时，通过激活第一输出节点和第二输出节点之间的连接来执行所述电荷传送。
3.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中，在充电和放电期间，第一输出节点和第二输出节点之间的连接被去激活。
4.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中，使用开关连接第一泵浦节点和第二泵浦节点，所述开关在预充电操作中被激活，而在充电和放电操作中被去激活。
5.如权利要求4所述的电荷泵电路，其中，所述开关包括响应在预充电操作中被使能的时钟信号的晶体管。
6.如权利要求2所述的电荷泵电路，其中，使用其栅极连接到第一输出节点的晶体管来将第一输出节点连接到第二输出节点。
7.如权利要求6所述的电荷泵电路，其中，所述晶体管是NMOS晶体管。
8.如权利要求4所述的电荷泵电路，其中，电荷泵电路响应于输入到第一泵浦节点的泵浦时钟信号而执行充电或放电操作，并且响应于输入到所述开关的预充电时钟信号而执行预充电操作。
9.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中，所述多个电荷泵单元中的至少一个还包括：
第一晶体管，连接在第一泵浦节点和第二泵浦节点之间，并响应在预充电操作期间被使能的时钟信号，以及
第二晶体管，连接在第一输出节点和第二输出节点之间，并具有连接到第一输出节点的栅极。
10.如权利要求9所述的电荷泵电路，其中，第一和第二晶体管是NMOS晶体管。
11.如权利要求9所述的电荷泵电路，其中，所述多个电荷泵单元中的至少一个还包括：
第三晶体管，连接在第一输出节点和第二晶体管的栅极之间；和
第二电容器，连接到第二晶体管的栅极。
12.如权利要求11所述的电荷泵电路，其中，第三晶体管是NMOS晶体管。
13.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中，所述多个电荷泵单元中的至少一个还包括：
第一晶体管，连接在第一泵浦节点和第二泵浦节点之间，并响应在预充电操作中被使能的时钟信号，
第二晶体管，连接在第一输出节点和第二输出节点之间，
第二电容器，连接到第二晶体管的栅极，
第三晶体管和第四晶体管，串联连接在第二晶体管的栅极和第二输出节点之间，
第五晶体管，连接在第四晶体管的栅极和第二输出节点之间，以及
第三电容器，连接到第四晶体管的栅极，并且其中
第三晶体管的栅极连接到第一输出节点，并且第五晶体管的栅极连接到第四晶体管的栅极。
14.如权利要求13所述的电荷泵电路，其中，第二、第三、第四和第五晶体管是PMOS晶体管。
15.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中，所述多个电荷泵单元中的至少一个还包括：
第一晶体管，连接在第一泵浦节点和第二泵浦节点之间，并响应在预充电操作中被使能的时钟信号，
第二晶体管，连接在第一输出节点和第二输出节点之间，
第二电容器，连接到第二晶体管的栅极，
第三晶体管和第四晶体管，串联连接在第二晶体管的栅极和第二输出节点之间，
第五晶体管，连接在第四晶体管的栅极和第二输出节点之间，以及
第三电容器，连接到第四晶体管的栅极，并且其中
第三晶体管的栅极连接到第二晶体管的栅极，并且第五晶体管的栅极连接到第四晶体管的栅极。
16.一种方法，包括：
响应于预充电使能时钟信号，激活第一电荷泵单元中的第一泵浦节点和第二电荷泵单元中的第二泵浦节点之间的连接；
通过使用经由第一泵浦节点传送的电荷而向第一泵浦电容器充电，来改变第一输出节点的电压；
当第一和第二输出节点具有相等的电压时，激活第一电荷泵单元中的第一输出节点和第二电荷泵单元中的第一输出节点之间的连接；以及
经由第一和第二输出节点传送电荷。
17.如权利要求16所述的方法，还包括：
禁止预充电使能信号；和
响应于泵浦时钟信号而使泵浦电容器充电或放电。
18.一种在电荷泵电路中使用的电荷泵单元，该电荷泵单元包括：
第一输出节点，用于传送电荷；
第一泵浦节点，用于接收时钟信号；以及
电容器，连接在第一输出节点和第一泵浦节点之间，用于存储电荷，并且响应于多个时钟信号而重复充电、放电或预充电操作；其中
预充电操作包括从第一输出节点到第二输出节点执行的单向电荷传送，第二输出节点具有比第一输出节点高的电压。
19.如权利要求18所述的电荷泵单元，还包括：
第一晶体管，连接在第一泵浦节点和第二泵浦节点之间，并响应在预充电操作期间被使能的时钟信号；以及
第二晶体管，连接在第一输出节点和第二输出节点之间，并具有连接到第一输出节点的栅极。
20.如权利要求19所述的电荷泵单元，还包括：
第三晶体管，连接在第一输出节点和第二晶体管的栅极之间；以及
第二电容器，连接到第二晶体管的栅极。
21.如权利要求18所述的电荷泵单元，还包括：
第一晶体管，连接在第一泵浦节点和第二泵浦节点之间，并响应在预充电操作期间被使能的时钟信号，
第二晶体管，连接在第一输出节点和第二输出节点之间，
第二电容器，连接到第二晶体管的栅极，
第三晶体管和第四晶体管，串联连接在第二晶体管的栅极和第二输出节点之间，
第五晶体管，连接在第四晶体管的栅极和第二输出节点之间，以及
第三电容器，连接到第四晶体管的栅极，并且其中
第三晶体管的栅极连接到第一输出节点，并且第五晶体管的栅极连接到第四晶体管的栅极。
22.如权利要求18所述的电荷泵单元，还包括：
第一晶体管，连接在第一泵浦节点和第二泵浦节点之间，并响应在预充电操作中被使能的时钟信号，
第二晶体管，连接在第一输出节点和第二输出节点之间，
第二电容器，连接到第二晶体管的栅极，
第三晶体管和第四晶体管，串联连接在第二晶体管的栅极和第二输出节点之间，
第五晶体管，连接在第四晶体管的栅极和第二输出节点之间，以及
第三电容器，连接到第四晶体管的栅极，并且其中
第三晶体管的栅极连接到第二晶体管的栅极，并且第五晶体管的栅极连接到第四晶体管的栅极。
23.一种适配为执行权利要求16的方法的电荷泵电路。
24.一种包括根据权利要求18的多个电荷泵单元的电荷泵电路。
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