-
Die
Erfindung betrifft eine Spannungserzeugungsschaltung, die eine betragsmäßig über einer Versorgungsspannung
liegende Spannung erzeugt.
-
Integrierte
Schaltkreise weisen häufig
eine Versorgungsspannung auf, die für den Betrieb bestimmter Bauelemente
nicht geeignet ist. In der Regel ist die von dem Schaltkreis bereitgestellte
Versorgungsspannung für
den Betrieb dieser Bauelemente zu gering.
-
Insbesondere
bei integrierten Halbleiterspeichern, wie z. B. dynamische Speicher
(DRAMs), werden programmierbare elektrische Sicherungen, so genannte
Efuses, eingebaut, um korrigierende Aktionen auszulösen, damit
eine permanente Chipfunktionalität
gewährleistet
werden kann. Efuses erfordern üblicherweise
wesentlich höhere
Spannungen, als sie auf dem Chip zur Verfügung stehen. Um für solche
Bauelemente geeignete Spannungen zu erzeugen, werden Ladungspumpen
verwendet. Beim Betrieb von Ladungspumpen wird innerhalb mehrerer Zeitintervalle
eine bestimmte Zielspannung erzeugt, mit der elektrische Schaltungen
oder elektrische Bauelemente versorgt werden können. Beim Erreichen der Zielspannung
wird die Pumpe ausgeschaltet bzw. die Pumpaktivität wird reduziert.
Wird die erpumpte Ausgangsspannung belastet, bricht diese ein, und
die Pumpe beginnt wieder zu pumpen. Das Ein- und Ausschalten der
Pumpe, bzw. das Erhöhen und
Verringern der Pumpleistung, übernimmt
eine Limiter-Schaltung. Da die Limiter-Schaltung und die Pumpe nur
mit endlicher Geschwindigkeit schalten können, wird das Ausgangsnetz
der Pumpe noch mit Kapazitäten
gestützt,
um ein starkes Einbrechen der Ausgangsspannung bis zum Anlaufen
der Pumpe zu verhindern. Der Spannungseinbruch führt zu einer Reduktion des
lieferbaren Stromes, was bei den zu versorgenden Schaltungen oder
Bauelementen eine Leistungsreduktion zur Folge hat.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur
Verfügung
zu stellen, die das Einbrechen der Ausgangsspannung verringern soll,
gleichzeitig Stützkapazitäten überflüssig machen
soll und einen Mindeststrom garantieren soll.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Aus- und Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet. Gemäß der Erfindung
wird die Aufgabe weiterhin durch ein Verfahren gemäß des Patentanspruchs
14 gelöst.
Eine bevorzugte Ausführungsform
einer Spannungserzeugungsschaltung zur Erzeugung einer Ausgangsspannung,
die betragsmäßig größer ist als
der Wert einer die Schaltungsanordnung versorgenden Versorgungsspannungen,
weist einen Eingangsanschluss, einen Ausgangsanschluss und einen
oder eine Vielzahl von Anschlüssen
zur Energieversorgung auf. An dem Eingangsanschluss kann für die Dauer
der benötigten
Ausgangsspannung eine Eingangsspannung angelegt werden, und an dem Ausgangsanschluss
kann die erpumpte Zielspannung abgegriffen werden. Ferner umfasst
die Spannungserzeugungsschaltung mindestens eine Ladungspumpe, ein
Schaltelement und eine mindestens zwei Spannungen vergleichende
Schaltungseinheit, im Folgenden Komparator genannt. Häufig müssen Ladungspumpen
eine Leistung für
Schaltungen oder Bauelemente bereitstellen, die während des
Betriebs kaum oder gar nicht eingesetzt werden. Dies trifft beispielsweise
für Schaltungen
oder Bauelemente zu, die während
der Fertigung des Halbleiterbauelements benötigt werden oder die für ein Auslösen korrigierender
Aktionen eingesetzt werden können. Ein
wesentlicher Gedanke der Erfindung ist, beispielsweise beim Betrieb
derartiger Schaltungen oder Bauelemente eine andauernd eingeschaltete Ladungspumpe
vorzusehen. Eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführung einer Spannungserzeugungsschaltung
weist eine Ladungspumpe auf, die während eines Betriebs derartiger
Schaltungen oder Bauelementen ohne Unterbrechung pumpt. Der Ausgang
der Ladungspumpe ist mit einem Eingang eines Schaltelements verbunden.
Das andere Ende des Schaltelements ist beispielsweise mit dem Bezugspotential
verbunden. Der Steuereingang des Schaltelements kann vorteilhafterweise
mit dem Ausgang eines Komparators verbunden sein. Ein am Ausgang
des Komparators verfügbares
Potential kann über
den Steuereingang des Schaltelements das Schaltelement leitend schalten,
wenn beispielsweise die Zielspannung erreicht ist. Die von der weiterhin
eingeschalteten Ladungspumpe erzeugte Ladung fließt dann über den
leitend geschalteten Schalter ab. Wird die Zielspannung unterschritten,
wird das Schaltelement durch ein Ausgangssignal des Komparators
in den sperrenden Zustand zurückgeschaltet.
Die eingeschaltete Pumpe erzeugt weiterhin Ladungen, die jetzt nicht über das
Schaltelement abgeführt
werden, sondern dem Ausgang zugeführt werden, und es stellt sich
wiederum die Zielspannung ein.
-
Ist
am Ausgang der Spannungserzeugungsschaltung ein von der Ladungspumpe
zu versorgendes Bauelement oder eine zu versorgende Schaltung, z.
B. eine elektrisch programmierbare Sicherung (Efuse), angeschlossen,
kann die Ausgangsspannung kurzzeitig vom Zielwert abweichen. Aufgrund
der Abweichung ändert
sich das Ausgangssignal des Komparators, und das Schaltelement wird sperrend
geschaltet. Das Schaltelement wird durch den Komparator in den leitenden
Zustand geschaltet, wenn die Zielspannung am Ausgang wieder erreicht ist.
Eine erfindungsgemäße Spannungserzeugungsschaltung
dieser Art kann auf einen Lastwechsel am Ausgang sehr schnell reagieren,
weil die Ladungspumpe nicht abgeschaltet wird. Außerdem ist
keine die Ausgangsspannung haltende Stützkapazität notwendig. Eine für die interne
Stromversorgung bereitzustellende Chipfläche kann dadurch erheblich
vermindert werden. Die Verlustleistung einer erfindungsgemäßen Spannungserzeugungsschaltung
spielt in vielen Fällen
keine Rolle. Dies trifft besonders für erfindungsgemäße Spannungserzeugungsschaltungen
zu, die während Fertigungsprozesse
von Chips oder während
der Inbetriebnahme eines Schaltkreises benötigt werden.
-
Vorzugsweise
ist vorgesehen, eine erfindungsgemäße Spannungserzeugungsschaltung
mit einer variablen Zielspannung zu realisieren. Diese Ausführung ist
besonders vorteilhaft, um konstante Arbeitspunkte bei Technologieschwankungen
ermöglichen
zu können.
-
Darüber hinaus
ist die Möglichkeit
gegeben, eine positive oder negative Ausgangsspannung zu erzeugen.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
ist das die Zielspannung begrenzende Schaltelement aus einem n-
oder p-Kanal-Feldeffekttransistor
realisiert. Geeignet ist auch die Realisierung des Schaltelements
durch einen Feldeffekttransistor selbstsperrenden Typs. Eine weitere
Ausführungsform
sieht eine Vielzahl von n- oder p-Kanal-Feldeffekttransistoren als
Schaltmittel vor.
-
Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass der Komparator einen Potentialunterschied eines
Referenzpotentials und einem Versorgungspotential bewerten kann.
Für eine
Optimierung der Schaltungsanordnung ist vorgesehen, dass der Komparator
ein steuerbares Referenzpotential umfasst.
-
Eine
bevorzugte Ausführung
eines Komparators umfasst einen ersten Widerstand der mit seinem
einen Ende mit einem ersten Versorgungspotential verbunden ist.
Ein zweiter Widerstand, der mit seinem einen Ende mit dem einen
Ende an ein zweites Versorgungspotential verbunden ist und mit seinem
anderen Ende mit dem anderen Ende des ersten Widerstands verbunden
ist. Ein mit dem anderen Ende des ersten oder zweiten Widerstands
ist ein Signal abgreifbar das mit dem Steuereingang des Schaltelements
verbunden werden kann. Die gewünschte
Zielspannung kann über
eine geeignete Dimensionierung der beiden Widerstände eingestellt werden.
Vorzugsweise ist eine Viel zahl von Widerständen vorgesehen, die über Steuersignale
beispielsweise zu- oder abgeschaltet werden können, um ein flexibles oder
exaktes Einstellen der Zielspannung vorzunehmen. Ebenfalls können dadurch
Technologieschwankungen kompensiert werden.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird das Ausgangssignal durch aktive und passive oder nur durch
aktive Bauelemente erzeugt. Als mögliche Ausgestaltung einer
Schaltung zur Steuerung eines Schaltmittels kann hierbei ein so
genannter Stromspiegel dienen.
-
Ein
vorteilhaftes Verfahren für
die Realisierung eines stabilen Signals zur Steuerung des Schaltmittels
besteht darin, eine Kapazität
zwischen dem Ausgang des Komparators und dem Versorgungspotential
vorzusehen.
-
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine
bevorzugte Realisierung einer erfindungsgemäßen Spannungserzeugungsschaltung für eine negative
Ausgangsspannung.
-
2 eine
Realisierung einer Spannungserzeugungsschaltung mit einer Tiefpassspannungsmessung
zur Erzeugung einer positiven Ausgangsspannung.
-
Die
der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, in einer integrierten
Schaltung, insbesondere in einem Speicherbaustein (DRAM) oder in einem
Flashspeicherbaustein, eine Spannungserzeugungsschaltung mit einer
Ladungspumpe zu integrieren, die nach Erreichen der erpumpten Zielspannung
nicht abgeschaltet wird. Die Ladungspumpe arbeitet ununterbrochen
in einem Zeitraum, in dem die von der Pumpe zu versorgende Schaltung
arbeitet. Nach Erreichen der Zielspannung werden überschüssige Ladungen über ein
Schaltelement abgeführt.
-
Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist
es möglich,
eine konstante Ausgangsspannung für schnelle Lastwechsel zur
Verfügung
zu stellen. Eine Notwendigkeit, ausreichend große Stützkapazitäten bereitzustellen, entfällt. In
Folge dessen kann eine erfindungsgemäße Spannungserzeugungsschaltung
mit geringem Chipflächenaufwand
realisiert werden.
-
1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Spannungserzeugungsschaltung
(1). Die Spannungserzeugungsschaltung (1) erzeugt
eine betragsmäßig höhere Ausgangspannung
VNEG als die Versorgungsspannung GND. Mit
der Ausgangsspannung VNEG wird eine Last
(2) betrieben, beispielsweise eine elektrisch programmierbare
Sicherung "Efuse", für die eine
Spannung von –3V
benötigt
wird. Für
die Dauer eines Programmiervorgangs einer Efuse (2) kann
der Spannungserzeugungsschaltung (1) ein Eingangssignal
(E) über
einen von einem Signal (SIG) leitend geschalteten Schalter (S) zugeführt werden.
Nach Abschluss des Programmiervorgangs kann Schalter (S) über das
Signal (SIG) in den sperrenden Zustand geschaltet werden. Der Zeitpunkt
des Ein- oder Ausschaltens der Spannungspumpe durch Schalter (S) kann
beispielsweise durch einen auf einem Speichermodul sitzenden Controller
ausgelöst
werden, der ein Steuersignal (SIG) senden kann. Gemäß 1 erzeugt
eine erfindungsgemäße Ladungspumpenanordnung
(1) eine Ausgangsspannung VNEG von
beispielsweise –3V,
die niedriger als das Versorgungspotential Ground GND ist. Eine
herkömmliche
Ladungspumpe (100), die beispielsweise auf dem Dickson-Schaltungsprinzip
beruht, wird am Eingang (1001) durch ein Signal (E) angesteuert.
Der Ausgang (1002) der Ladungspumpe (100) ist
mit einem Anschluß (1021)
eines als Schalter ausgebildeten selbstsperrenden n-Kanal Feldeffekttransistors
(200) verbunden. Der andere Anschluß (1022) des Feldeffekttransistors
(200) ist mit Ground verbunden. Die Steuerelektrode (1023)
des Feldeffekttransistors (200) ist mit Ausgang (1032)
einer Komparatorschaltung (103) verbunden. Die Komparatorschaltung (103)
umfasst einen Widerstand (300), der mit einem einen Ende
(301) mit dem Versorgungspotential Ground GND verbunden
ist. Der Komparator (103) umfasst ferner einen zweiten
Widerstand (400) der mit seinem einen Ende (401)
mit dem Anschluß (1031)
des Komparators verbunden ist und mit seinem anderen Ende (402)
mit dem anderen Ende (302) des Widerstands (300)
verbunden ist. Parallel zum Widerstand (300) ist eine Kapazität (500)
realisiert. Anschluß (1031)
des Komparators kann mit Ausgang (1002) der Ladungspumpe
(100) verbunden werden. Der Komparator (103) verfügt über einen
Anschluß (1032),
der mit dem anderen Ende (302) des ersten (300)
oder (402) des zweiten Widerstands (400) verbunden
ist. An Anschluß (1032)
des Komparators (103) ist ein Signal BIAS abgreifbar, das mit
dem Steuereingang (1023) des Feldeffekttransistors (200)
verbunden werden kann. Die benötigte Zielspannung
VNEG kann an Anschluß (1031) zur Verfügung gestellt
werden.
-
Mit
Schalter S kann die Ladungspumpe (100) eingeschaltet werden.
Bei laufender Pumpe (100) liegen die Spannungen Ground
VNEG und BIAS zunächst auf gleichem Potential.
Dadurch ergibt sich zunächst
eine Schwellspannung von 0 Volt für den n-Kanal-Feldeffekttransistor (200),
die diesen in den sperrenden Zustand schaltet. Bei laufender Spannungspumpe
(100) fällt
das Potential VNEG gegenüber Ground ab, d. h. VNEG wird negativer als Ground. Ebenfalls
fällt über dem
Spannungsteiler, bestehend aus Widerstand (300) und Widerstand
(400), eine entsprechende Spannung ab. Baut sich über widerstand
(400) eine Spannung auf, die größer oder gleich der Schwellspannung
des Feldeffekttransistors ist, schaltet der Feldeffekttransistor
(200) in den leitenden Zustand. Dadurch wird ein leitender
Pfad, sein so genannter "Leckstrom-Pfad", von VNEG nach Ground
GND gebildet, der den negativen Spannungsanstieg auf VNEG begrenzt.
Vorteilhaft ist es, durch geeignete Dimensionierung der Widerstände (300)
und (400) den Transistor mit einer typischen Schwellspannung
zu betreiben, um möglichst
schnell eine Zielspannung VNEG zu erzeugen.
Vorteilhaft kann es auch sein, die Widerstände (300) und (400)
in mehrere einzelne Serienwiderstände aufzuteilen, welche über gesonderte Steuersignale
kurzschließbar
sind. Damit kann ein variables Einstellen der Zielspannung VNEG ermöglicht
werden, um z. B. Technologieschwankungen zu kompensieren. Eine weitere vorteilhafte
Ausgestaltung stellt die Kapazität
(500) dar, die parallel zu dem Widerstand (300)
liegt. Diese Kapazität
(500) hält
die Ausgangsspannung des Komparators (103) "Bias" gegenüber Ground
stabil und ermöglicht
so ein schnelles Verkleinern der Gate/Source-Spannung UGS zwischen
BIAS und VNEG. Belastet ein Verbraucher
(2), beispielsweise eine elektrisch programmierbare Sicherung,
die Ladungspumpenanordnung (1), bricht die Ausgangsspannung
VNEG kurzzeitig ein. Aufgrund des Spannungszusammenbruchs
sinkt die Gate/Source-Spannung des n-Kanal-Feldeffekttransistors unterhalb
der Schwellspannung UTH und der n-Kanal-Feldeffekttransistor
(200) schaltet in den sperrenden Zustand. Bei sperrend
geschaltetem n-Kanal-Feldeffekttransistor
(200) bewirkt die laufende Ladungspumpe (100)
ein Absinken der Spannung VNEG gegenüber Ground
GND. Fällt über Widerstand
(400) eine Spannung ab, die mindestens der Schwellspannung
UTH des n-Kanal-Feldeffekttransistors entspricht,
ist die Zielspannung VNEG erreicht und der
n-Kanal-Feldeffekttransistor
(200) schaltet in den leitenden Zustand.
-
2 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Ladungspumpenanordnung
(1) für
eine positive Zielspannung. Diese Ausführungsform ist vergleichbar
mit der in 1 beschriebenen Ausführungsform
für die
Gewinnung einer negativen Zielspannung. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
(1) umfasst einen Komparator (104), an dessen
ersten Eingang (1045) eine extern zugeführte Referenzspannung VREF angelegt ist. Ein zweiter Eingang (1046)
des Komparators (104) misst das Potential über einer
Stützkapazität (CS), die mit ihrem einen Ende an das Versorgungspotential
VSS angeschlossen ist und mit ihrem anderen Ende mit dem zweiten
Eingang des Komparators (1046) und einem Ausgang (A2) einer
zu versorgenden Last (RL) verbunden ist.
Das andere Ende (A1) der Last (RL) ist mit
dem Ausgang (1002) der Ladungspumpe (100) verbunden.
Ein Steuereingang (1023) eines Schaltelements (102)
das als p-Kanal-Feldeffekttransistor ausgebildet ist, ist mit dem
Ausgang (1042) des Komparators (104) verbunden.
Der Drainanschluß (DR) des
p-Kanal-Feldeffekttransistors ist mit dem Ausgang (1002)
der Ladungspumpe (103) verbunden, der Sourceanschluß (SO) ist
mit dem Versorgungspotential VSS verbunden. Die Elemente (RL) und (CS) stellen
einen Tiefpass dar. Die dargestellte Ausführungsform ermöglicht eine
quasi statische Regelung. Bei möglichen
auftretenden Überschwingern
wird der p-Kanal-Feldeffekttransistor in den leitenden Zustand geschaltet.
Bei möglichen
auftretenden Unterschwingern bzw. bei einem Spannungseinbruch über (RL) wird der p-Kanal-Feldeffekttransistor in den sperrenden
Zustand geschaltet.
-
- 1
- Spannungserzeugungsschaltung
- 2
- Last
- S
- Schaltelement
- Sig
- Steuersignal
für Schaltelement
S
- 100
- Ladungspumpe
- E
- Eingangssignal
für Ladungspumpe
- 1001
- Eingangsanschluß der Ladungspumpe
- 1002
- Ausgangsanschluß der Ladungspumpe
- 102
- Schalteinrichtung
- 200
- Schalter
- 1021
- Anschluß 1
- 1022
- Anschluß 2
- 1023
- Steueranschluß
- 103
- Komparator
- 1031
- Anschluß Komparator
- 1032
- Ausgangsanschluß Komparator
- 300
- Widerstand
- 301
- Anschluß Widerstand 300
- 302
- Anschluß Widerstand 300
- 400
- Widerstand
- 401
- Anschluß Widerstand 400
- 402
- Anschluß Widerstand 400
- 500
- Kapazität
- 104
- Komparator
- 1045
- Eingangsanschluß Komparator 104
- 1046
- Eingangsanschluß Komparator 104
- 1042
- Ausgangsanschluß Komparator 104
- BIAS
- Ausgangsanschluß Komparator
- VSS
- Versorgungspotential
- Vneg
- Ausgangsspannung
- Gdn
- Versorgungspotential
- RL
- Lastwiderstand
- CS
- Stützkapazität
- Uth
- Schwellspannung
- A1
- Anschluß Last
- A2
- Anschluß Last
- DR
- Drainanschluß
- SO
- Sourceanschluß