DE112007002994T5

DE112007002994T5 - Ladungspumpe zum Erzeugen von mehreren Ausgangsspannungspegeln

Info

Publication number: DE112007002994T5
Application number: DE112007002994T
Authority: DE
Inventors: Massimiliano Frulio; Stefano Sivero; Marco Passerini; Caser Fabio Tassan
Original assignee: Atmel Corp
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2006-12-11
Filing date: 2007-12-10
Publication date: 2009-10-15
Also published as: CN101563845B; WO2008073862A3; WO2008073862A2; US7579902B2; US20080136500A1; TW200837525A; CN101563845A

Abstract

Ladungspumpenschaltung zum Erzeugen einer Vielzahl von Spannungen aus einer Versorgungsspannung, die umfasst:
eine erste Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen, die jeweils einen Eingang und einen Ausgang aufweisen, wobei der Eingang einer ersten aus der ersten Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen von der Versorgungsspannung angesteuert wird und der Eingang jeder folgenden aus der ersten Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen von dem Ausgang der vorausgehenden Stufe aus der ersten Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen angesteuert wird,
eine erste Ausgangsstufe mit einem Eingang, der von dem Ausgang einer letzten aus der ersten Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen angesteuert wird, und mit einem Ausgang, der mit einem ersten Spannungsknoten verbunden ist,
eine zweite Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen, die jeweils einen Eingang und einen Ausgang aufweisen, wobei der Eingang einer ersten aus der zweiten Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen von dem Ausgang der letzten aus der ersten Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen angesteuert wird, der Eingang jeder folgenden aus...

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldung
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 11/608,941 vom 11. Dezember 2006, die hier unter Bezugnahme eingeschlossen ist.
Hintergrund der Erfindung
1. Erfindungsfeld
Die vorliegende Erfindung betrifft integrierte Schaltungen und Ladungspumpen sowie insbesondere eine Ladungspumpe zum Erzeugen von mehreren Ausgangsspannungspegeln.
2. Stand der Technik
Ladungspumpen sind geschaltete Kondensatorschaltungen, die verwendet werden, um entweder eine Ausgangsspannung, die höher als die Stromversorgung (V_DD) ist, oder eine negative Spannung in einem elektronischen System zu erhalten. Ladungspumpen finden weite Verbreitung in integrierten Schaltungen für verschiedenste Anwendungen wie etwa Leistungs-ICs, Filter, Speicher usw. Auch Flash-Speicher gehören zu diesen Anwendungen, weil hohe Spannungspegel benötigt werden, um Flash-Speicher-Operationen wie etwa das Programmieren und Löschen durchzuführen. Und weil zunehmen niedrigere Spannungsversorgungen angefordert werden, ist auch ein Spannungspegel, der höher als V_DD ist, für die Flash-Speicher-Leseoperation erforderlich.
Wie in 1 gezeigt, umfasst eine herkömmliche Ladungspumpenschaltung 10 eine Reihe von Pumpenstufen 12, deren Anzahl von der erforderlichen Spannungsverstärkung abhängt, und gewöhnlich eine Ausgangsstufe 14. Dem Fachmann sollte deutlich sein, dass jede Pumpenstufe Kondensatoren, Schalter und Ansteuereinrichtungen umfasst und durch ein oder mehrere Taktsignale gesteuert wird. Eine Spannungsvervielfältigung wird erhalten, indem die Kondensatoren der Pumpenstufen entsprechend aufgeladen und geschaltet werden. Es können verschiedene Spannungsvervielfältigungen erzielt werden, indem die Topologie der Pumpenstufen, die Schaltreihenfolge usw. geändert werden. Zum Beispiel können verschiedene Ladungspumpen durch Dickson-Stufen oder Spannungsverdoppler erhalten werden.
Unabhängig von dem Betriebsprinzip der Ladungspumpe muss häufig die Ausgangsspannung geregelt werden. In diesem Fall ist eine Reglerschaltung 16 wie in 2 gezeigt erforderlich, um sicherzustellen, dass die Ausgangsspannung nicht über einen maximalen Wert steigt und nicht unter einen minimalen Wert fällt.
Eine Spannungsregelung lässt sich durch zwei verschiedene Typen realisieren: durch eine Pulse-Skip-Regelung und durch eine lineare Regelung. Die Pulse-Skip-Regelung aktiviert die Pumptakte nur dann, wenn die Ausgangsspannung niedriger als ein bestimmter Wert ist, und unterdrückt die Taktsignale, wenn die Ausgangsspannung diesen Wert überschreitet. Die lineare Regelung steuert die Ausgangsspannung mittels eines geregelten Fehlerverstärkers und einer passiven Einrichtung. Beide Techniken sind aus dem Stand der Technik bekannt.
3A ist ein Blockdiagramm, das einen Hochspannungserzeuger mit einer Pulse-Skip-Regelung zeigt. Die Ladungspumpenschaltung 10 wird an dem Bezugszeichen 18 mit der externen Stromversorgung V_DD versorgt und gibt eine elektrische Ladung zu der mit dem Ausgang verbundenen Last 20 (C_LOAD) aus. Die Regelung wird durch einen Vergleicher 22 bewerkstelligt, dessen nicht-invertierender Eingang mit einem Teil V_f der durch die Widerstände 24 und 26 geteilten Ausgangsspannung verbunden ist und dessen invertierender Eingang mit einer fixen Spannung BGAP von einer Quelle wie etwa einer Bandlückenreferenz verbunden ist. Wenn V_f > BGAP, ist das Signal STOP an dem Ausgang des Vergleichers 22 hoch und wird die Ausgabe aus dem Pumptaktsignalerzeuger 28 unterbunden. Wenn dagegen V_f < BGAP ist, ist das Signal STOP niedrig und gibt der Taktsignalerzeuger 28 Taktsignale an die Ladungspumpe 10 aus, um das Laden des Kapazität 20 an der Ausgangsleitung V_OUT zu ermöglichen.
3B ist ein Blockdiagramm, das einen Hochspannungserzeuger mit einer linearen Regelung zeigt. Wiederum ist die Ladungspumpe durch das Bezugszeichen 10 angegeben. In dieser Konfiguration ist der Takterzeuger 28 stets aktiviert. Die lineare Regelung wird durch einen Verstärker 30, einen Passtransistor 32 und ein Widerstandsnetz mit den Widerständen 24 und 26 in einer Regelungskonfiguration implementiert. Bei der Pulse-Skip-Regelung und bei der linearen Regelung wird die geregelte Ausgabe durch OUT = r·BGAP erhalten, wobei r = (R₂₄ + R₂₆)/R₂₆. Die Widerstände 24 und 26 können derart konfiguriert sein, dass der Benutzer eine spezifische Ausgangsspannung wählen kann.
In vielen Anwendungen sind mehr als ein Hochspannungspegel erforderlich. Zum Beispiel sind in Flash-Speichern verschiedene Hochspannungspegel für das Programmieren, Löschen und Lesen erforderlich. Außerdem sind in einigen Flash-Speicher-Architekturen alle verwendeten Ansteuereinrichtungen als n-Kanal-Transistoren ausgebildet, um Speicherleistungen zu verbessern und/oder die Chipfläche der Ansteuereinrichtungen zu begrenzen. In diesen ersten Bereichen muss eine erste Spannung zu der Ansteuereinrichtung gegeben werden und ist eine zweite Spannung, die höher als die erste Spannung ist, erforderlich, um die Ansteuereinrichtung selbst vorzuspannen. Es ist zu beachten, dass die Verwendung der gleichen Spannung für beide Aufgaben zu einem Verlust in der Ausgangsspannung gleich der Schwellspannung der n-Kanal-Transistors führen würde.
Dies ist in 4A und 4B gezeigt, in denen ein Beispiel für alle n-Kanal-Wortleitungs-Ansteuerelemente für einen Flash-Speicher gezeigt ist, in dem Transistoren 40 und 42 verwendet werden. Die in 4A und 4B gezeigte Ansteuereinrichtung wechselt zwischen den Werten 0 und V₁ (zum Beispiel 0 für die nicht gewählte Wortleitung und V₁ für die gewählte Wortleitung). 4A zeigt eine korrekte Ansteuereinrichtungsvorspannung für den Pull-up-Transistor 40 der Ansteuereinrichtung mit einer Spannung V₂ die ausreichend hoch ist, um V₁ ohne Spannungsverlust zu der Wortleitung zu geben, während 4B eine nicht-optimale Vorspannung zeigt, die zu einem Abfall in der Wortleitungsspannung gleich dem Schwellwert des Transistors 40 führt.
In derartigen Anwendungen, in denen mehrere Hochspannungspegel in dem Chip erforderlich sind, werden eine Vielzahl von Ladungspumpen 10 verwendet, um die Spannungen V₁, V₂ und V_n nach Bedarf wie in 5A gezeigt zu erzeugen.
Alternativ hierzu kann wie in 5B gezeigt eine einzelne Ladungspumpe 10 verwendet werden, um die höchste erforderliche Spannung (V₁) zu erzeugen, während die anderen Spannungen V₂ und V₃ aus mit dem Ladungspumpenausgang verbundenen linearen Reglern 16 wie etwa in 3B gezeigt erhalten werden können. In diesem Fall (Verwendung von mehreren linearen Reglern) ist eine verminderte Effizienz zu erwarten, weil jeder lineare Regler Strom aus der Pumpenausgangsspannung zieht.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Ladungspumpenarchitektur n Pumpenstufen und mehrere Ausgangsspannungspegel auf. Eine erste Ausgangsspannung V₁ wird aus V_DD durch die Vervielfältigung der ersten m Pumpenstufen und eine erste Ausgangsstufe erhalten, während eine zweite Spannung V₂ aus V_DD durch die Vervielfältigung aller n Pumpenstufen und eine zweite Ausgangsstufe erhalten wird. Weitere Ausgangspegel können vorgesehen werden, indem zusätzliche Ausgangsstufen mit ausgewählten Pumpenstufen verbunden werden. Dementsprechend enthält eine Ladungspumpenschaltung zum Erzeugen einer Vielzahl von Spannungen über einer Versorgungsspannung eine erste Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen, wobei der Eingang einer ersten Ladungspumpenstufe in der ersten Gruppe durch die Versorgungsspannung angesteuert wird. Eine erste Ausgangsstufe weist einen von dem Ausgang einer letzten Ladungspumpenstufe aus der ersten Gruppe angesteuerten Eingang und einen mit einem ersten Spannungsknoten verbundenen Ausgang auf. Es ist eine zweite Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen vorgesehen, wobei der Eingang der ersten Ladungspumpenstufe aus der zweiten Gruppe von dem Ausgang der letzten Ladungspumpenstufe aus der ersten Gruppe angesteuert wird. Eine zweite Ausgangsstufe weist einen von dem Ausgang der letzten Ladungspumpenstufe in der zweiten Gruppe angesteuerten Eingang und einen mit einem zweiten Spannungsknoten verbundenen Ausgang auf.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Ladungspumpenarchitektur n Pumpenstufen und mehrere Ausgangsspannungspegel auf. Eine erste Ausgangsspannung V₁ wird aus V_DD durch die Vervielfältigung der ersten m Pumpenstufen und eine erste Ausgangsstufe erhalten, während eine zweite Spannung V₂ aus V_DD durch eine Vervielfältigung aller n Pumpenstufen und eine zweite Ausgangsstufe erhalten wird. Jede Ausgangsstufe kann durch einen unabhängigen Pulse-Skip-Regler oder einen linearen Regler gesteuert werden. Weitere Ausgangspegel können vorgesehen werden, indem zusätzliche Ausgangsstufen mit ausgewählten Pumpenstufen verbunden werden. Die n Ladungspumpenstufen können alle durch einen einzelnen Satz von Taktsignalen oder durch mehrere Sätze von Taktsignalen gesteuert werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm, das eine typische Ladungspumpenschaltung aus dem Stand der Technik zeigt.
2 ist ein Blockdiagram, das einen typischen geregelten Spannungserzeuger aus dem Stand der Technik zeigt.
3A ist ein Diagramm, das eine typische Ladungspumpe mit einem Pulse-Skip-Regler aus dem Stand der Technik zeigt.
3B ist ein Diagramm, das eine typische Ladungspumpe mit einem linearen Regler aus dem Stand der Technik zeigt.
4A und 4B sind schematische Diagramme, die eine nur-NMOS-Wortleitungs-Ansteuereinrichtung aus dem Stand der Technik unter optimalen Vorspannungsbedingungen und unter nicht-optimalen Vorspannungsbedingungen zeigt.
5A und 5B sind Blockdiagramme, die jeweils Lösungen aus dem Stand der Technik für die Erzeugung mehrerer Hochspannungen im Chip unter Verwendung von mehreren Ladungspumpen und einer einzelnen Ladungspumpe mit mehreren linearen Reglern zeigt.
6 ist ein Blockdiagramm, das eine Ladungspumpenarchitektur gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei Ausgangsspannungspegeln zeigt.
7 ist ein Blockdiagramm, das eine Ladungspumpenarchitektur gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei unabhängigen Pulse-Skip-Reglern zeigt.
8A ist ein Blockdiagramm, das eine Ladungspumpenarchitektur gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei Ausgangsspannungspegeln und einem einzelnen Satz von Pumpentaktsignalen mit durch Vergleicher gesteuerten Ausgangsstufen zeigt.
8B ist ein Blockdiagramm, das eine Ladungspumpenarchitektur gemäß der vorliegenden Erfindung mit durch Pumptaktsignale gesteuerten Ausgangsstufen und Ausgangsspannungen zeigt, die durch zusätzliche durch Vergleicher gesteuerte Schalter geschaltet werden.
9 ist ein Blockdiagramm, das eine Ladungspumpenarchitektur gemäß der vorliegenden Erfindung für eine nur-NMOS-Speicheransteuerungsanwendung zeigt.
Ausführliche Beschreibung der vorliegenden Erfindung
Dem Fachmann sollte deutlich sein, dass die folgende Beschreibung der vorliegenden Erfindung lediglich beispielhaft ist und die Erfindung in keiner Weise einschränkt. Andere Ausführungsformen der Erfindung können durch den Fachmann realisiert werden.
Beide Verfahren aus dem Stand der Technik zum Erzeugen einer Vielzahl von Hochspannungswerten erfordern eine beträchtliche Chipfläche und eine gewisse Komplexität, weil Ladungspumpen oder lineare Regler für jeden zu erzeugenden Spannungspegel vorgesehen werden müssen. Die vorliegende Erfindung bezweckt, diese Anforderungen zu beseitigen.
Die vorliegende Erfindung sieht mehrere Ausgangsspannungen in einer einzelnen Ladungspumpe vor und verwendet verschiedene Regelungsmethoden für jede benötigte Ausgangsspannung. Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden ausführlicher mit Bezug auf ein Beispiel beschrieben, in dem zwei positive Spannungspegel V₁ und V₂ benötigt werden. Dem Fachmann sollte jedoch deutlich sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese beispielhafte Ausführungsform beschränkt ist und dass zahlreiche andere Ausgangsspannungen in Übereinstimmung mit den hier beschriebenen Prinzipien vorgesehen werden können.
Das Blockdiagramm von 6 zeigt eine beispielhafte Ladungspumpenarchitektur 50 gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei Ausgangsspannungspegeln. Die erste Ausgangsspannung V₁ wird aus V_DD durch eine Vervielfältigung der ersten m Pumpenstufen erhalten, während die zweite Spannung V₂ aus V_DD durch eine Vervielfältigung aller n Pumpenstufen erhalten wird. Die Pumpenstufe 52 verwendet also V_DD als Eingangsspannung. Der Ausgang der Pumpenstufe 52 steuert den Eingang der Pumpenstufe 54 an. Der Ausgang der Pumpenstufe 54 steuert folgende Pumpenstufen (nicht gezeigt) an, wobei der Ausgang der letzten dieser Pumpenstufen den Eingang der Pumpenstufe 56 ansteuert. Der Ausgang der Pumpenstufe 56 steuert die Ausgangsstufe 58 an.
Der Ausgang der Pumpenstufe 58 steuert auch den Eingang der Pumpenstufe 60 an. Der Ausgang der Pumpenstufe 60 steuert folgende Pumpenstufen (nicht gezeigt) an, wobei der Ausgang der letzten dieser Pumpenstufen den Eingang der Pumpenstufe 62 ansteuert. Der Ausgang der Pumpenstufe 62 steuert den Eingang der Pumpenstufe 64 an. Der Ausgang der Pumpenstufe 64 steuert die Ausgangsstufe 66 an. Die Pumpenstufen 52, 54, 56, 60, 62 und 64 und die Ausgangsstufen 58 und 66 können durch dieselben Taktsignale oder unterschiedliche Taktsignale wie aus dem Stand der Technik bekannt angesteuert werden.
Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, sind bei einer üblichen vier-Phasen-Dickson-Ladungspumpe die zwei Ausgangsspannungen begrenzt durch: V1R(m + 1)VDD V2R(n + 1)VDD
Es gibt verschiedene Methoden, um die zwei Ausgangsspannungen gemäß der vorliegenden Erfindung zu gewünschten Pegeln zu regeln. Wie in 7 gezeigt, kann gemäß der vorliegenden Erfindung zum Beispiel eine Pulse-Skip-Regelung verwendet werden, um V₁ und V₂ zu regeln. Elemente in 7, die gleiche Funktionen wie Elemente in 6 ausführen, werden durch gleiche Bezugszeichen wie in 6 angegeben.
Wie in der Ausführungsform von 6 wird die erste Ausgangsspannung V₁ aus V_DD durch eine Vervielfältigung der ersten m Pumpenstufen erhalten, während die zweite Stufe V₂ aus V_DD durch eine Vervielfältigung aller n Pumpenstufen erhalten wird. Die Pumpenstufe 52 verwendet V_DD also als Eingangsspannung. Der Ausgang der Pumpenstufe 52 steuert den Eingang der Pumpenstufe 54 an. Der Ausgang der Pumpenstufe 54 steuert folgende Pumpenstufen (nicht gezeigt) an, wobei der Ausgang der letzten dieser Pumpenstufen den Eingang der Pumpenstufe 56 ansteuert. Der Ausgang der Pumpenstufe 56 treibt die Ausgangsstufe 58 an.
Der Ausgang der Pumpenstufe 58 steuert auch den Eingang der Pumpenstufe 60 an. Der Ausgang der Pumpenstufe 60 steuert folgende Pumpenstufen (nicht gezeigt) an, wobei der Ausgang der letzten dieser Pumpenstufen den Eingang der Pumpenstufe 64 ansteuert. Der Ausgang der Pumpenstufe 64 steuert die Ausgangsstufe 66 an. Die Pumpenstufen 52, 54, 56, 60 und 64 und die Ausgangsstufen 58 und 66 werden durch dieselben Taktsignale wie aus dem Stand der Technik bekannt angesteuert.
In der Ausführungsform von 7 werden zwei Sätze von Taktsignalen unabhängig durch die Vergleicher der zwei Puls-Skip-Regler gesteuert. Die Ausgabe der Ausgangsstufe 58 wird über einen Spannungsteiler, der durch die Widerstände 70 und 72 gebildet wird, zu dem nicht-invertierenden Eingang eines Vergleichers 68 gegeben. Der invertierende Eingang des Vergleichers 68 wird durch eine Bezugsspannung wie etwa eine Bandlückenreferenz wie aus dem Stand der Technik bekannt angesteuert. Die Ausgabe des Vergleichers 68 ist ein STOP1-Signal, das bei einem logischen „1”-Pegel eine erste Takterzeugungsschaltung 74 sperrt, deren Ausgabe die Pumpenstufen 53, 54 und 56 und die Ausgangsstufe 58 ansteuert. Entsprechend wird die Ausgabe der Ausgangsstufe 66 über einen Spannungsteiler, der durch die Widerstände 78 und 80 gebildet wird, zu dem nicht-invertierenden Eingang des Vergleichers 76 gegeben. Der invertierende Eingang des Vergleichers 76 wird durch eine Bezugsspannung wie etwa eine Bandlückenreferenz wie aus dem Stand der Technik bekannt angesteuert. Die Ausgabe der Vergleichers 6 ist ein STOP2-Signal, das bei einem logischen „1”-Pegel eine zweite Takterzeugungsschaltung 82 sperrt, deren Ausgabe die Pumpenstufen 60 und 64 und die Ausgangsstufe 66 ansteuert. Dem Fachmann sollte deutlich sein, dass die Vergleicher für die Skip-Pulse-Reguler in 7 und den folgenden Figuren als Spannungsvergleicher gezeigt sind, wobei sie jedoch bei entsprechenden Änderungen in der Topologie der elektrischen Schaltung auch als Stromvergleicher implementiert werden könnten. In der vorliegenden ausführlichen Beschreibung wird der Einfachheit halber angenommen, dass die Vergleicher Spannungsvergleicher sind, wobei die Erfindung jedoch nicht auf die Verwendung von Spannungsvergleichern beschränkt ist.
Wenn V₁ und V₂ unter bestimmten Zielen sind, sind beide Signale STOP1 und STOP2 niedrig, sodass ein Pumpen aller Stufen der Ladungspumpenschaltung ermöglicht wird. Wenn dagegen nur eine Ausgabe unter dem Sollwert liegt, ist nur eines der zwei STOP-Signale niedrig, sodass nur das Pumpen der ersten Gruppe von Stufen oder nur das Pumpen der zweiten Gruppe von Stufen gestattet wird, je nachdem, welche der beiden Ausgangsspannungen unter dem Sollwert liegt.
Eine alternative Lösung ist in 8A gezeigt. Elemente in 8A, die gleiche Funktionen wie Elemente in 6 und 7 erfüllen, werden durch gleiche Bezugszeichen wie in diesen Figuren angegeben.
Der Ladungspumpenteil der Schaltung von 8A wird wie oben mit Bezug auf 6 und 7 beschrieben betrieben. In der Schaltung von 8A steuern die zwei Spannungsregler gleichzeitig denselben Satz von Taktsignalen aus dem Takterzeuger 84. Die Taktsignale werden zu Pumpenstufen 52, 54 und 56 sowie über ein UND-Gatter 86 zu der Ausgangsstufe 58 geführt, wobei die STOP1-Ausgabe des Vergleichers 68 den anderen Eingang des UND-Gatters 86 steuert. Entsprechend werden die Taktsignale zu den Pumpenstufen 60 und 64 sowie über ein UND-Gatter 88 zu der Ausgangsstufe 60 geführt, wobei die STOP2-Ausgabe des Vergleichers 76 den anderen Eingang des UND-Gatters 88 steuert. Wenn in der Schaltung von 8A eine der zwei Ausgaben V₁ oder V₂ niedrig ist, dann werden die Taktsignale über UND-Gatter 84 und 86 aktiviert und werden alle Stufen der Pumpe aktiv. Die Ausgangsstufe 58 wird nur dann aktiviert, wenn das Signal STOP1 niedrig ist, d. h. nur dann, wenn V₁ unter dem Sollwert liegt. Und die Ausgangsstufe 66 wird nur dann aktiviert, wenn das Signal STOP2 niedrig ist, d. h. nur dann wenn V₂ unter dem Sollwert liegt. Ansonsten werden die Taktsignale deaktiviert.
Die Ausgangslastkapazitäten der Knoten V₁ und V₂ sind gewöhnlich viel höher als diejenigen der internen Pumpknoten. Dadurch wird vermieden, dass V₁ und V₂ weit über den geregelten Wert steigen, wenn ihre entsprechenden Ausgangsstufen eingeschaltet werden. Es können jedoch zusätzliche Schaltungen wie aus dem Stand der Technik bekannt hinzugefügt werden, um bei Bedarf kleine Überschwingungen zu korrigieren. Die Schaltung von 8A vermeidet Chipfläche, die ansonsten erforderlich wäre, wenn zwei verschiedene Sätze von Taktsignalerzeugern und Ansteuereinrichtungen verwendet würden.
In 8B ist eine Alternative zu der Schaltung von 8A gezeigt. Der Ladungspumpenteil der Schaltung von 8B wird wie oben mit Bezug auf 6 und 7 beschrieben betrieben.
Die Schaltung von 8B verendet einen Schalter 88, der zwischen der Ausgangsstufe 58 und VP2 verbunden ist, und eine Hochspannungsleitung V₁ und einen Schalter 90, die zwischen der Ausgangsstufe 66 und der Hochspannungsleitung V₂ verbunden sind. In diesem Fall werden die Ausgangsstufen 58 und 66 durch Taktsignale aus dem Takterzeuger 84 gesteuert, wobei aber der Schalter 88 die Hochspannungsleitung V₁ nur dann mit der Ausgangsstufe 58 verbindet, wenn STOP1 = 0, und wobei der Schalter SW2 die Hochspannungsleitung V2 nur dann mit der Ausgangsstufe 58 verbindet, wenn Stop2 = 0. Wenn STOP1 und STOP2 beide wahr sind, wird der Takterzeuger 83 durch das UND-Gatter deaktiviert. Es sind auch Variationen dieser Anordnung möglich.
In einigen Anwendungen muss nur eine der zwei Hochspannungen (z. B. V₁) feingeregelt werden, während die andere (z. B. V₂) über einem bestimmten Wert V₁ + Δ sein muss, aber einen maximalen Wert V_max nicht überschreiten darf. Dies ist eine typische Situation in Flash-Speichern mit einer nur-NMOS-Ansteuerschaltung.
Eine beispielhafte Ladungspumpe gemäß der vorliegenden Erfindung zum Ausführen dieser Funktion ist in 9 gezeigt. Der Ladungspumpenteil der Schaltung von 9 wird ebenfalls wie weiter oben mit Bezug auf 6 und 7 beschrieben betrieben.
In der Schaltung von 9 ist die Hochspannungsleitung V₁ über einen Pass-Transistor 94 mit der Ausgangstufe 58 verbunden. Der Vergleicher 68 und das Spannungsteilungsnetz mit den Widerständen 70 und 72 sind verbunden, um einen herkömmlichen Pulse-Skip-Regler zu bilden. Der Vergleicher 76 erfasst die Spannung V₂ und vergleicht diese mit V₁ + ΔV.
Wenn das Signal STOP2 niedrig ist (d. h. V₂ < V₁ + ΔV), ist die Ausgabe des UND-Gatters 92 niedrig und werden die Taktsignale aktiviert, um ein Pumpen an allen Stufen unabhängig von dem Wert des Signals STOP1 zu ermöglichen. Wenn in diesem Fall STOP1 niedrig ist, d. h. wenn V₁ unter dem Sollwert ist, dann wird der Pass-Transistor 94 durch den invertierten Eingang des ODER-Gatters 96 eingeschaltet und wird V₁ mit dem Ausgang der Ausgangsstufe 58 verbunden. Wenn dagegen STOP1 hoch ist, d. h. V₁ über dem Sollwert ist, dann wird der Pass-Transistor 94 durch den invertierten Eingang des ODER-Gatters 96 ausgeschaltet und wird die Hochspannungsleitung V₁ von dem Ausgang der Ausgangsstufe 58 getrennt. Wenn das Signal STOP2 hoch ist, dann wird der Pass-Transistor 94 durch den nicht-invertierten Eingang des ODER-Gatters 96 eingeschaltet und werden die Signale durch STOP1 über das UND-Gatter 92 gesteuert. Um sicherzustellen, dass die Spannung V₂ einen maximalen Wert V_max nicht überschreitet, genügt es, eine Anzahl von Stufen zu wählen, die die folgende Beziehung erfüllt: ΔV < (n – m)VDD < Vmax – V1
Dem Fachmann sollte deutlich sein, dass zusätzliche Schaltungen zu den hier gezeigten Schaltungen hinzugefügt werden können, um bei Bedarf kleine Oberschwingungen zu korrigieren, die auf hohen Spannungsleitungen aufgrund von Schaltaktivitäten erzeugt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung müssen Ladungspumpenschaltungen oder lineare Regelungsschaltungen nicht mehrfach vorgesehen werden, sodass also die erforderliche Chipfläche nicht vergrößert wird. Die Erfindung gestattet mehr als eine Ausgabe für eine einzelne Ladungspumpenschaltung. Die unterschiedlichen Ausgaben können durch Pulse-Skip-Regler geregelt werden, die jeweils eine andere Gruppe von Pumpenstufen steuern. Alternative Implementierungen verwenden einen einzelnen Satz von Taktsignalen, wobei alle Pumpenstufen gleichzeitig aktiviert werden können.
Es wurden Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung beschrieben und gezeigt, wobei dem Fachmann deutlich sein sollte, dass auch viele weitere Modifikationen möglich sind, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird. Der Erfindungsumfang wird durch die folgenden Ansprüche definiert.
Zusammenfassung
Eine Ladungspumpenschaltung zum Erzeugen einer Vielzahl von Spannungen aus einer Versorgungsspannung umfasst eine erste Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen, wobei der Eingang einer ersten Ladungspumpenstufe in der ersten Gruppe von der Versorgungsspannung angesteuert wird. Eine erste Ausgangsstufe weist einen Eingang, der von dem Ausgang einer letzten Ladungspumpenstufe der ersten Gruppe angesteuert wird und einen mit einem ersten Spannungsknoten verbundenen Ausgang auf. Weiterhin ist eine zweite Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen vorgesehen, wobei der Eingang der ersten Ladungspumpenstufe der zweiten Gruppe von dem Ausgang der letzten Ladungspumpenstufe der ersten Gruppe angesteuert wird. Eine zweite Ausgangsstufe weist einen Eingang, der von dem Ausgang der letzten Ladungspumpenstufe der zweiten Gruppe angesteuert wird, und einen mit einem zweiten Spannungsknoten verbundenen Ausgang auf.

Claims

Ladungspumpenschaltung zum Erzeugen einer Vielzahl von Spannungen aus einer Versorgungsspannung, die umfasst: eine erste Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen, die jeweils einen Eingang und einen Ausgang aufweisen, wobei der Eingang einer ersten aus der ersten Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen von der Versorgungsspannung angesteuert wird und der Eingang jeder folgenden aus der ersten Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen von dem Ausgang der vorausgehenden Stufe aus der ersten Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen angesteuert wird, eine erste Ausgangsstufe mit einem Eingang, der von dem Ausgang einer letzten aus der ersten Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen angesteuert wird, und mit einem Ausgang, der mit einem ersten Spannungsknoten verbunden ist, eine zweite Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen, die jeweils einen Eingang und einen Ausgang aufweisen, wobei der Eingang einer ersten aus der zweiten Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen von dem Ausgang der letzten aus der ersten Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen angesteuert wird, der Eingang jeder folgenden aus der zweiten Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen von dem Ausgang der vorausgehenden Stufe aus der zweiten Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen angesteuert wird, und eine zweite Ausgangsstufe mit einem Eingang, der von dem Ausgang einer letzten aus der zweiten Gruppe von kaskadierten Ladungspumpenstufen angesteuert wird, und mit einem Ausgang, der mit einem zweiten Spannungsknoten verbunden ist.
Ladungspumpenschaltung nach Anspruch 1, wobei wenigstens einer der Ausgangsknoten über einen Pulse-Skip-Spannungsregler mit seiner Ausgangsstufe verbunden ist.
Ladungspumpenschaltung nach Anspruch 1, wobei wenigstens einer der Ausgangsknoten über einen linearen Spannungsregler mit seiner Ausgangsstufe verbunden ist.
Ladungspumpenschaltung nach Anspruch 1, wobei ein Satz von Taktsignalen zum Betreiben der Ladungspumpenstufen in der ersten Gruppe durch einen Pulse-Skip-Spannungsregler gesteuert wird.
Ladungspumpenschaltung nach Anspruch 1, wobei ein Satz von Taktsignalen zum Betreiben der Ladungspumpenstufen in der zweiten Gruppe durch einen Pulse-Skip-Spannungsregler gesteuert wird.
Ladungspumpenschaltung nach Anspruch 1, wobei: ein einzelner Satz von Taktsignalen die Ladungspumpenstufen in der ersten und in der zweiten Gruppe betreibt, und ein Pulse-Skip-Spannungsregler, der mit dem Ausgang der ersten Ausgangsstufe verbunden ist, das Zuführen des Satzes von Taktimpulsen zu der ersten Ausgangsstufe steuert.
Ladungspumpenschaltung nach Anspruch 1, wobei: ein einzelner Satz von Taktsignalen die Ladungspumpenstufen in der ersten und in der zweiten Gruppe betreibt, und ein Pulse-Skip-Spannungsregler, der mit dem Ausgang der zweiten Ausgangsstufe verbunden ist, das Zuführen des Satzes von Taktimpulsen zu der zweiten Ausgangsstufe steuert.
Ladungspumpenschaltung nach Anspruch 1, die weiterhin umfasst: einen Takterzeuger, der einen einzelnen Satz von Taktsignalen mit den Ladungspumpenstufen in der ersten und in der zweiten Gruppe sowie mit der ersten und der zweiten Ausgangsstufe verbindet, wobei der Takterzeuger einen Deaktivierungseingang aufweist, einen ersten Schalter, der zwischen der ersten Ausgangsstufe und dem ersten Ausgangsknoten verbunden ist und ein Steuerelement aufweist, einen zweiten Schalter, der zwischen der ersten Ausgangsstufe und dem ersten Ausgangsknoten verbunden ist und ein Steuerelement aufweist, einen ersten Vergleicher, der mit einer Bezugsspannung und über einen Spannungsteiler mit dem ersten Ausgangsknoten verbunden ist, wobei der erste Vergleicher einen Ausgang aufweist, der mit dem Steuerelement des ersten Schalters verbunden ist, einen zweiten Vergleicher, der mit einer Bezugsspannung und über einen Spannungsteiler mit dem zweiten Ausgangsknoten verbunden ist, wobei der zweite Vergleicher einen Ausgang aufweist, der mit dem Steuerelement des zweiten Schalters verbunden ist, und ein UND-Gatter mit einem ersten Eingang, der mit dem Ausgang des ersten Vergleichers verbunden ist, einem zweiten Eingang, der mit dem Ausgang des zweiten Vergleichers verbunden ist, und einem Ausgang, der mit dem Deaktivierungseingang des Takterzeugers verbunden ist.
Ladungspumpenschaltung nach Anspruch 1, die weiterhin umfasst: einen Takterzeuger, der einen einzelnen Satz von Taktsignalen mit den Ladungspumpenstufen in der ersten und in der zweiten Stufe sowie mit der ersten und der zweiten Ausgangsstufe verbindet, wobei der Takterzeuger einen Deaktivierungseingang aufweist, einen Schalter, der zwischen der ersten Ausgangsstufe und dem ersten Ausgangsknoten verbunden ist und ein Steuerelement aufweist, einen ersten Vergleicher, der mit einer ersten Bezugsspannung und über einen Spannungsteiler mit dem ersten Ausgangsknoten verbunden ist, wobei der erste Vergleicher einen Ausgang aufweist, einen zweiten Vergleicher, der mit einer zweiten Bezugsspannung und mit dem zweiten Ausgangsknoten verbunden ist, wobei der zweite Vergleicher einen Ausgang aufweist, ein UND-Gatter mit einem ersten Eingang, der mit dem Ausgang des ersten Vergleichers verbunden ist, einem zweiten Eingang, der mit dem Ausgang des zweiten Vergleichers verbunden ist, und einem Ausgang, der mit dem Deaktivierungseingang des Takterzeugers verbunden ist, und ein ODER-Gatter mit einem nicht-invertierten Eingang, der mit dem Ausgang des ersten Vergleichers verbunden ist, einem invertierten Eingang, der mit dem Ausgang des zweiten Vergleichers verbunden ist, und einem Ausgang, der mit dem Steuereingang des Schalters verbunden ist.