DE102004055122A1 - Generator für hohe Spannung mit Ladungspumpe - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Generator für hohe Spannung mit einer Ladungspumpeinheit (300), einer in Abhängigkeit von einem externen Freigabesignal (EN) arbeitenden Spannungsteilereinheit (302) und einer in Abhängigkeit von einer Referenzspannung (V¶ref¶) und einem Steuertaktsignal (OSC) arbeitenden Pumpsteuereinheit (304). DOLLAR A Erfindungsgemäß erzeugt die Ladungspumpeinheit mehrere hohe Spannungen (V¶O¶1) bis (V¶O¶N) mit unterschiedlichen Spannungspegeln durch Anheben einer an einem Eingangsanschluss zugeführten Eingangsspannung (V¶I¶), und die Spannungsteilereinheit erzeugt mehrere geteilte Spannungen (V¶D¶1) bis (V¶D¶N) in Reaktion auf die mehreren hohen Spannungen der Ladungspumpeinheit. Die Pumpsteuereinheit arbeitet abhängig vom externen Freigabesignal und erzeugt mehrere Pumpsteuersignale in Reaktion auf die Referenzspannung, das Steuertaktsignal und die mehreren geteilten Spannungen der Spannungsteilereinheit, wobei das jeweilige Pumpsteuersignal einer der geteilten Spannungen zugeordnet ist und die Ladungspumpeinheit zur Durchführung eines Spannungsanhebebetriebs zwecks Erzeugung einer der hohen Spannungen steuert. DOLLAR A Verwendung z. B. für Flash-Speicher.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Generator für hohe Spannung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Spannungsgeneratoren dieser Art sind beispielsweise in Halbleiterbauelementen, wie Flashspeicher, verwendbar, um verschiedene hohe Spannungspegel zu erzeugen und abzugeben.
  • Im allgemeinen benötigt das Programmieren oder Löschen von Daten in einem Flashspeicher eine Spannung mit einem relativ hohen Spannungspegel. Diese hohe Spannung für den Flashspeicher kann von einem Generator für hohe Spannung bereitgestellt werden, der eine Ladungspumpe benutzt. 1 zeigt im Blockschaltbild einen solchen herkömmlichen Generator mit einer Ladungspumpeinheit 100, einer Spannungsteilereinheit 102 und einer Pumpsteuereinheit 104. Dieser Spannungsgenerator hebt eine Eingangsspannung VI auf eine gewünschte Sollspannung an und gibt diese ab. 2 zeigt einen typischen Aufbau für die Ladungspumpeinheit 100 mit einer Anzahl von seriellen Pumpschaltungen. Wie aus 2 ersichtlich, erzeugt jede vorhergehende Pumpschaltung eine gegenüber einer Eingangsspannung angehobene Ausgangsspannung, die wiederum als Eingangsspannung einer nach folgenden Pumpschaltung zugeführt wird. Im Beispiel der 1 und 2 heben die Pumpschaltungen die Spannung in Reaktion auf ein von der Pumpsteuereinheit 104 zugeführtes Pumpsteuersignal OSC_1 an. Wenn das Pumpsteuersignal OSC_1 nicht von der Pumpsteuereinheit 104 zugeführt wird, führen die einzelnen Pumpschaltungen der Ladungspumpeinheit 100 keinen Spannungsanhebebetrieb aus.
  • Die Spannungsteilereinheit 102 arbeitet abhängig von einem externen Freigabesignal EN und teilt eine Ausgangsspannung VO der Ladungspumpeinheit 100, um eine geteilte Spannung VD zu erzeugen. Der Spannungspegel der geteilten Spannung VD ist von den Widerstandswerten seriell verschalteter Widerstände innerhalb der Spannungsteilereinheit 102 abhängig. Die Pumpsteuereinheit 104 erzeugt das Pumpsteuersignal OSC_1 zur Steuerung des Spannungsanhebebetriebs für jede der Pumpschaltungen abhängig von der geteilten Spannung VD, die von der Spannungsteilereinheit 102 zugeführt wird, sowie von einer extern zugeführten Referenzspannung Vref, einem Steuertaktsignal OSC und dem externen Freigabesignal EN. Wenn die geteilte Spannung VD niedriger als die Referenzspannung Vref ist, erreicht die Ausgangsspannung der Ladungspumpeinheit 100 die Sollspannung nicht. Daher erzeugt die Pumpsteuereinheit 100 das Pumpsteuersignal OSC_1 unter Verwendung des Steuertaktsignals OSC derart, dass sie das Pumpsteuersignal OSC_1 jeder Pumpschaltung zuführt, um einen Spannungsanhebebetrieb auszuführen. Wenn die geteilte Spannung VD hingegen höher als die Referenzspannung Vref ist, erreicht die Ausgangsspannung der Ladungspumpeinheit 100 die Sollspannung. Daher erzeugt die Pumpsteuereinheit 100 das Pumpsteuersignal OSC_1 nicht, so dass der Spannungsanhebebetrieb der Ladungspumpschaltung 100 gestoppt wird.
  • Der herkömmliche Spannungsgenerator mit der Struktur gemäß den 1 und 2 vermag nur eine Spannung mit einem einzigen Spannungspegel zu erzeugen. Somit sind, wenn eine Anzahl von Spannungen mit unterschiedlichen Pegeln benötigt werden, zusätzliche Generatoren für diese jeweiligen hohen Spannungspegel gemäß dieser herkömmlichen Technik erforderlich. Dies erhöht die insgesamt für den Spannungsgenerator erforderliche Schaltkreisfläche, was die Erzielung hoher Integrationsgrade im Fall von integrierten Schaltkreisbauelementen beeinträchtigt.
  • Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Spannungsgenerators zugrunde, der mit vergleichsweise geringem Aufwand realisierbar und in der Lage ist, mehrere hohe Spannungspegel zu liefern.
  • Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Spannungsgenerators mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
    •
  • Vorteilhafte, nachfolgend beschriebene Ausführungsformen der Erfindung sowie das zu deren besserem Verständnis oben erläuterte herkömmliche Ausführungsbeispiel sind in den Zeichnungen dargestellt, in denen zeigen:
  • 1 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Generators für hohe Spannung,
  • 2 ein Blockschaltbild einer Ladungspumpeinheit für den herkömmlichen Spannungsgenerator von 1,
  • 3 ein Blockschaltbild eines Generators für mehrere hohe Spannungspegel gemäß der Erfindung,
  • 4 ein Blockschaltbild einer für den Spannungsgenerator von 3 geeigneten Ladungspumpeinheit,
  • 5 ein Blockschaltbild einer für die Ladungspumpeinheit von 4 geeigneten Pumpstufe,
  • 6 ein Blockschaltbild einer für den Spannungsgenerator von 3 geeigneten Spannungsteilereinheit,
  • 7 ein Schaltbild einer für die Spannungsteilereinheit von 6 geeigneten Spannungsteilerschaltung,
  • 8 ein Blockschaltbild einer für den Spannungsgenerator von 3 geeigneten Pumpsteuereinheit und
  • 9 ein Schaltbild einer für die Pumpsteuereinheit von 8 geeigneten Pumpsteuerschaltung.
  • Ein in 3 gezeigter Spannungsgenerator für mehrere hohe Spannungspegel umfasst eine Ladungspumpeinheit 300, eine Spannungsteilereinheit 302 und eine Pumpsteuereinheit 304. Die Ladungspumpeinheit 300 hebt eine Eingangsspannung VI, die an einen Eingangsanschluss angelegt wird, zur Erzeugung einer Mehrzahl hoher Spannungen VO1 bis VON mit unterschiedlichen Spannungspegeln an. Der Spannungsanhebebetrieb der Ladungspumpeinheit 300 wird durch Pumpsteuersignale OSC_0 bis OSC_N gesteuert, die von der Pumpsteuereinheit 304 zugeführt werden.
  • 4 zeigt eine für den Spannungsgenerator von 3 geeignete Realisierung der Ladungspumpeinheit 300. Wie aus 4 ersichtlich, umfasst die Ladungspumpeinheit 300 in diesem Beispiel eine Mehrzahl von Pumpstufen, die seriell zwischen einen Eingangsanschluss A der Ladungspumpeinheit 300 und einen Endausgangsanschluss B eingeschleift sind. Jede Pumpstufe hebt ihre Eingangsspannung gemäß je eines zugehörigen der Pumpsteuersignale OSC_1 bis OSC_N auf eine Ausgangsspannung an. Die Ausgangsspannungen der Pumpstufen bilden jeweils eine Ausgangsspannung der Ladungspumpeinheit. Jede Ausgangsspannung einer vorhergehenden Pumpstufe dient zudem als Eingangsspannung einer anschließenden Pumpstufe. Folglich wird eine K-te Pumpstufe 402, mit K = 1,...,N, durch das K-te Pumpsteuersignal OSC_K gesteuert, um ihre Eingangsspannung, d.h. für K > 1 die Ausgangsspannung VO(K – 1) der (K – 1)-ten Pumpstufe, anzuheben und für K < N die angehobene Spannung VOK der (K + 1)-ten Pumpstufe zuzuführen. Außerdem wird die angehobene Spannung VOK als ein jeweiliges Ausgangssignal der Ladungspumpeinheit 300 an die Spannungsteilereinheit 302 als ein Eingangssignal angelegt.
  • 5 veranschaulicht eine mögliche Realisierung für die Pumpstufen der Ladungspumpeinheit von 4 exemplarisch anhand einer K-ten Pumpstufe 402. Wie aus 5 ersichtlich, umfasst die Pumpstufe 402 in diesem Beispiel eine Anzahl N von Pumpschaltungen, die in Reihe geschaltet sind. Die Pumpstufe 402 erzeugt eine gewünschte Sollspannung durch den kombinierten Betrieb der Pumpschaltungen und gibt die dadurch erzeugte Spannung ab. Die übrigen Pumpstufen von 4 können den gleichen Aufbau wie diejenige von 5 haben, wobei ihnen jeweils ein anderes Pumpsteuersignal zugeordnet ist und eine andere Anzahl von Pumpschaltungen vorgesehen ist. Für die Pumpschaltungen kann jede beliebige Schaltung verwendet werden, mit der eine Eingangsspannung angehoben werden kann.
  • 6 zeigt eine für den Spannungsgenerator von 3 geeignete, beispielhafte Realisierung der Spannungsteilereinheit 302. Wie aus 6 ersichtlich, umfasst die Spannungsteilereinheit 302 in diesem Beispiel eine Anzahl N von Spannungsteilerschaltungen, welche die jeweils zugeführte Eingangsspannung VO1 bis VON teilen. Jede Spannungsteilerschaltung teilt die zugehörige, von der Ladungspumpschaltung 300 zu geführte Spannung VO1 bis VON und gibt die dadurch erzeugte, geteilte Spannung VD1 bis VDN an die Pumpsteuereinheit 304 aus, wenn ein externes Freigabesignal EN angelegt wird.
  • 7 zeigt eine mögliche Realisierung der Spannungsteilerschaltungen für die Spannungsteilereinheit von 6 am Beispiel einer K-ten Spannungsteilerschaltung 602. Wie aus 7 ersichtlich, umfasst die K-te Spannungsteilerschaltung 602 zwei Inverter 706 und 708 zur Steuerung der Spannungsteilerschaltung, mehrere MOS-Transistoren P11, N11, N12 und N13 sowie Widerstände R1 und R2, die in Reihe geschaltet sind. Die K-te Spannungsteilerschaltung 602 teilt eine ihr von der Ladungspumpeinheit 300 zugeführte hohe Spannung VOK entsprechend dem Verhältnis zwischen den Widerstandswerten der in Reihe geschalteten Widerstände 702 und 704. Dies bedeutet, dass die hohe Spannung VOK von der Ladungspumpeinheit 300, wenn das externe Freigabesignal EN anliegt, entsprechend dem Verhältnis R2/(R1 + R2) der Widerstände R1 und R2 geteilt wird, um die geteilte Spannung VDK zu erzeugen. Die anderen Spannungsteilerschaltungen haben eine vergleichbare Struktur wie diejenige von 7, jedoch können die Widerstandwerte der Widerstände R1 und R2 jeweils anders sein, da die anderen anliegenden hohen Spannungen und die anderen geteilten Spannungen verschieden sind.
  • 8 zeigt eine für den Spannungsgenerator von 3 geeignete, exemplarische Realisierung der Pumpsteuereinheit 304. Wie aus 8 ersichtlich, arbeitet die Pumpsteuereinheit 304 in diesem Beispiel abhängig vom extern angelegten Freigabesignal EN und umfasst eine Anzahl von Pumpsteuerschaltungen. Jede Pumpsteuerschaltung erzeugt eines der Pumpsteuersignale OSC_1 bis OSC_N in Reaktion auf eine der geteilten Spannungen VD1 bis VDN von der Spannungsteilereinheit 302 sowie in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Referenzspannung Vref. Jedes Pumpsteuersignal OSC_1 bis OSC_N, das von der jeweili gen Pumpsteuerschaltung erzeugt wird, steuert den Spannungsanhebebetrieb einer der in der Ladungspumpeinheit 300 enthaltenen Pumpschaltungen.
  • 9 veranschaulicht eine für die Pumpsteuereinheit 304 von 8 geeignete, schaltungstechnische Realisierung der Pumpsteuerschaltungen am Beispiel der K-ten Pumpsteuerschaltung 802. Wie aus 9 ersichtlich, umfasst die Pumpsteuerschaltung 802 in diesem Beispiel einen Differenzverstärker 902 und eine Logikschaltung. Der Differenzverstärker 902 weist eine Anzahl von PMOS-Transistoren P20, P21 und P22 sowie eine Anzahl von NMOS-Transistoren N20, N21 und N22 auf. Die Logikschaltung beinhaltet NAND-Gatter 904 und 908 sowie Inverter 906 und 910. Der Differenzverstärker 902 dient als Komparator zum Vergleichen der Referenzspannung Vref mit der angelegten geteilten Spannung VDK, um die geteilte Spannung VDK auf dem gleichen Pegel wie die Referenzspannung Vref zu halten.
  • Der Differenzverstärker 902 der Pumpsteuerschaltung 802 vergleicht die geteilte Spannung VDK mit der Referenzspannung Vref. Wenn die geteilte Spannung VDK niedriger als die Referenzspannung Vref ist, wird das Pumpsteuersignal OSC_K unter Verwendung des Steuertaktsignals OSC erzeugt und der K-ten Pumpstufe 402 der Ladungspumpeinheit 300 zugeführt. Wie oben erläutert, hebt jede Pumpschaltung durch den Spannungsanhebebetrieb ihre Eingangsspannung zur Bereitstellung einer entsprechend erhöhten Ausgangsspannung an, wenn das betreffende Pumpsteuersignal OSC_K an die Pumpstufe 402 angelegt wird. Wenn hingegen die geteilte Spannung VDK größer als die Referenzspannung Vref ist, wird das Pumpsteuersignal OSC_K von der Pumpsteuerschaltung 802 nicht erzeugt. Dadurch bricht die Pumpstufe 402 den Spannungsanhebebetrieb ab, um die vorherige Ausgangsspannung beizubehalten. Mit anderen Worten stellt die Pumpstufe 402 fest, dass die Ausgangsspannung VOK die Sollspannung erreicht hat und stoppt den Spannungsanhebebetrieb jeder Pumpschaltung.
  • Erfindungsgemäß wird eine Eingangsspannung durch eine einzige Ladungspumpe gleichzeitig zur Erzeugung mehrerer hoher Spannungen mit unterschiedlichen Pegeln angehoben. Dadurch kann der Integrationsgrad von Halbleiterspeichern und anderen integrierten Halbleiterbauelementen, die hohe Spannungen mit verschiedenen Pegeln benötigen, gesteigert werden.

Claims (11)

  1. Generator für hohe Spannung mit – einer Ladungspumpeinheit (300), – einer Spannungsteilereinheit (302), die in Reaktion auf ein externes Freigabesignal (EN) arbeitet, und – einer Pumpsteuereinheit (304), die abhängig von einer Referenzspannung (Vref) und einem Steuertaktsignal (OSC) arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass – die Ladungspumpeinheit (300) zur Erzeugung mehrerer hoher Spannungen (VO1) bis (VO4) mit unterschiedlichen Spannungspegeln durch Anheben einer an einem Eingangsanschluss (A) zugeführten Eingangsspannung (VI) eingerichtet ist, – die Spannungsteilereinheit (302) zur Erzeugung mehrerer geteilter Spannungen (VD1) bis VDN) in Reaktion auf die von der Ladungspumpeinheit gelieferten hohen Spannungen eingerichtet ist und – die Pumpsteuereinheit (304) abhängig vom externen Freigabesignal (EN) arbeitet und mehrere Pumpsteuersignale (OSC_1 bis OSC_N) in Reaktion auf die Referenzspannung (Vref), das Steuertaktsignal (OSC) und die mehreren geteilten Spannungen der Spannungsteilereinheit erzeugt, von denen jedes mit einer der geteilten Spannungen korrespondiert und zur Steuerung der Ladungspumpeinheit zwecks Durchführung eines Spannungsanhebebetriebs für die Erzeugung einer zugehörigen der mehreren hohen Spannungen dient.
  2. Spannungsgenerator nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungspumpeinheit mehrere Pumpstufen umfasst, die in Reihe zwischen den Eingangsanschluss (A) und einen Ausgangsanschluss (B) eingeschleift sind.
  3. Spannungsgenerator nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Pumpstufe darauf ausgelegt ist, eine Eingangsspannung in Reaktion auf eines der Pumpsteuersignale anzuheben.
  4. Spannungsgenerator nach Anspruch 2 oder 3, weiter dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Pumpstufen mehrere, in Reihe geschaltete Pumpschaltungen umfasst, die jeweils vom gleichen Pumpsteuersignal gesteuert werden.
  5. Spannungsgenerator nach Anspruch 4, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die betreffende Pumpschaltung dafür eingerichtet ist, einen Spannungsanhebebetrieb für eine Eingangsspannung auszuführen, wenn das zugehörige Pumpsteuersignal zugeführt wird.
  6. Spannungsgenerator nach Anspruch 4 oder 5, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die betreffende Pumpschaltung keinen Spannungsanhebebetrieb ausführt, wenn das zugehörige Pumpsteuersignal nicht zugeführt wird.
  7. Spannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsteilereinheit eine Mehrzahl von Spannungsteilerschaltungen (602) für jeweils eine der hohen Spannungen der Ladungspumpeinheit umfasst.
  8. Spannungsgenerator nach Anspruch 7, weiter dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Spannungsteilerschaltungen mehrere, in Reihe geschaltete Widerstände umfasst und dafür eingerichtet ist, eine der hohen Spannungen gemäß einem Widerstandsverhältnis der Widerstände in Reaktion auf das Freigabesignal zu teilen.
  9. Spannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpsteuereinheit mehrere Pumpsteuerschaltungen (802) umfasst, die jeweils einer der von der Spannungsteilereinheit zugeführten, geteilten Spannungen zugeordnet ist.
  10. Spannungsgenerator nach Anspruch 9, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die betreffende Pumpsteuerschaltung folgende Elemente enthält: – einen Differenzverstärker (902), der in Abhängigkeit vom externen Freigabesignal arbeitet und dafür eingerichtet ist, Pegel der Referenzspannung und der zugehörigen geteilten Spannung beizubehalten, und – eine Logikschaltung (904 bis 910), die dafür eingerichtet ist, das zugehörige Pumpsteuersignal in Reaktion auf ein Ausgangssignal des Differenzverstärkers, des externen Freigabesignals und des Steuertaktsignals zu erzeugen.
  11. Spannungsgenerator nach Anspruch 10, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Pumpsteuersignal als ein Taktsignal abgegeben wird.
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