DE60027706T2

DE60027706T2 - Ladungspumpenschaltung und Spannungserhöhungsanordnung mit Übertragung und Gewinnung der Ladung

Info

Publication number: DE60027706T2
Application number: DE60027706T
Authority: DE
Inventors: c/o Deis Universita' Bologna Mauro Zanuccoli; Roberto Canegallo; c/o Deis Universita' Bologna Davide Dozza
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 2000-02-15
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2020-02-16
Also published as: DE60027706D1; US20010017565A1; EP1158654B1; US6404272B2; EP1158654A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladungspumpen-Spannungserhöhungsvorrichtung mit Erhöhung und Rückgewinnung der Ladung.
Wie bekannt ist, verwenden nicht-flüchtige Speichervorrichtungen mit einer einzigen Spannungsversorgung sowohl negative als auch positive Spannungserhöhungsvorrichtungen. Die letzteren besitzen die Funktion des Erzeugens einer Spannungserhöhung, die einen Wert besitzt, der größer als die Versorgungsspannung ist. Die Erhöhungsspannung wird verwendet, um Vorgänge des Programmierens, des Lesens und des Löschens von Speichervorrichtungen durchzuführen.
Der allgemeine Aufbau einer Spannungserhöhungsvorrichtung wird beispielsweise in dem US-Patent US-A-5.420.505 offenbart.
Im Allgemeinen weisen diese Spannungserhöhungsvorrichtungen das Problem des hohen Stromverbrauchs auf und dass sie einen wesentlichen Bereich der Oberfläche benutzen beziehungsweise in Anspruch nehmen, insbesondere dann, wenn die Speichervorrichtungen, in denen sie eingesetzt sind, in Anwendungen verwendet werden, die einen reduzierten Stromverbrauch erfordern, wie es beispielsweise in tragbaren Anwendungen (Digitalkameras, MP3-Lesegeräte, Zellulartelefonvorrichtungen, Smart Cards) oder in Konsumelektronikanwendungen der Fall ist.
Es sind Spannungserhöhungsvorrichtungen bekannt, die in Anwendungen mit geringem Stromverbrauch verwendet werden, und die auf dem Pegel der Phasensignale arbeiten, die durch die in ihnen integrierten Phasenerzeugungsstufen erzeugt werden. Diese bekannten Spannungserhöhungsvorrichtungen sparen insbesondere Energie ein und laden die in den Spannungserhöhungsvorrichtungen integrierten Kondensatoren (Spannungserhöhungs-Kondensatoren) in zwei aufeinanderfolgenden Schritten auf, wobei in jedem dieser Schritte die internen Kondensatoren auf eine Spannung geladen werden, die der Hälfte der Versorgungsspannung entspricht. Um die benötigte Energie weiter zu reduzieren, wird ein Verfahren angewendet, bei dem die Ladung zwischen zwei parallelen Stufen aufgeteilt wird, die auf Gegentakt-Basis gesteuert werden.
Diese bekannten Spannungserhöhungsvorrichtungen könnten verbessert werden.
Das technische Problem, auf dem die vorliegende Erfindung basiert, besteht darin, eine Spannungserhöhungsvorrichtung bereitzustellen, die das Einsparen von Energie ermöglicht.
Das technische Problem wird durch eine Spannungserhöhungsvorrichtung, wie in Anspruch 1 definiert, gelöst.
Die Leistungsmerkmale und Vorteile der Spannungserhöhungsvorrichtung entsprechend der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das als nicht-begrenzendes Beispiel angeführt wird, in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen offensichtlich. In den Zeichnungen zeigt:
1 ein Schaltkreisdiagramm einer Spannungserhöhungsvorrichtung entsprechend der Erfindung;
2 zeigt die Entwicklung der elektrischen Werte, die an der in 1 dargestellten Spannungserhöhungsvorrichtung gemessen wurden; und
3 zeigt das Schaltkreisdiagramm der in 1 dargestellten Spannungserhöhungsvorrichtung in einer anderen Arbeitsbedingung.
1 zeigt eine Spannungserhöhungsvorrichtung 1, die in einem Speicher 100 des Flash-EEPROM-[elektrisch löschbarer programmierbarer Lesespeicher]Typs eingesetzt ist und einen Ladungspumpenschaltkreis 2, eine Phasenerzeugungseinrichtung 3 und einen Level-Shifter 4 umfasst.
Im Detail besitzt der Ladungspumpenschaltkreis 2 einen Eingang 30.0, an dem eine Eingangsspannung V_IN anliegt und einen Ausgang 30.N, an dem eine Ausgangsspannung V_OUT anliegt. Der Eingang 30.0 des Ladungspumpenschaltkreis 2 ist selektiv an eine Spannungsversorgungsleitung 7 angeschlossen, die mit Hilfe eines Selektors 8, der durch ein Steuerungssignal K gesteuert wird, auf eine Versorgungsspannung V_DD (bei spielsweise 1,8 V bis 3,3 V) eingestellt ist oder geerdet ist. Der Ladungspumpenschaltkreis 2 besteht aus einer Vielzahl von N Spannungserhöhungsstufen 10, die kaskadenartig zwischen dem Eingang 30.0 und dem Ausgang 30.N des Ladungspumpenschaltkreises 2 angeordnet sind und jede zwei von vier durch die Phasenerzeugungsstufe 3 zugeführten Phasensignale A, B, C und D empfängt; im Detail bedeutet dies, dass die ungeraden Spannungserhöhungsstufen 10 die Phasensignale A, B empfangen und dass die geraden Spannungserhöhungsstufen 10 die Phasensignale C, D empfangen.
Die Phasenerzeugungsstufe 3 ist ein logischer Schaltkreis eines allgemein bekannten Typs mit vier Ausgängen, die die Phasensignale A, B, C, D bereitstellen. Die Phasensignale A, B, C, D sind Logiksignale, die zwischen V_DD und 0 V schalten.
Der Level-Shifter 4, der ein bekannter Typ ist und nicht ausführlich dargestellt ist, ist zwischen dem Ausgang 30.N des Ladungspumpenschaltkreises 2 und Erdung angeschlossen und besitzt einen Signalausgang, der das Logiksignal C_K empfängt und einen Ausgang, der ein Hochspannungssignal REV bereitstellt.
Der Ausgang 30.N des Ladungspumpenschaltkreises 2 ist mit Hilfe einer Schaltung 11, die durch das Hochspannungssignal REV gesteuert wird, an einen Ladungsknoten 50 angeschlossen. Der Ladungsknoten 50 ist wiederum mit Hilfe eines Leitungsdecodierers 51 an eine ausgewählte Wortleitung 52 einer Speicherzellengruppe 53 angeschlossen. Ein Ladekondensator 12, der eine Kapazitanz C_Q besitzt, hat einen ersten Anschluss, der an den Ladungsknoten 50 angeschlossen ist und einen zweiten Anschluss, der an die Erdung angeschlossen ist. Der Ladekondensator 12 repräsentiert insbesondere die effektive kapazitive Ladung der ausgewählten Wortleitung 52. Zwischen dem Ausgang 30.N des Ladungspumpenschaltkreises 2 und der Erdung ist außerdem ein Filterkondensator 13 angeordnet, der eine Kapazitanz C_f besitzt. Insbesondere hat die Kapazitanz C_f einen hohen Wert, der typischerweise zwei oder drei Größenordnungen größer als die Kapazitanz C_Q ist.
1 zeigt im Detail zwei Spannungserhöhungsstufen des Ladungspumpenschaltkreises 2, die jeweils als 10.j und 10.j + 1 dargestellt sind, die im Aufbau einander entsprechen aber unterschiedliche Phasensignale empfangen, wie dies bereits erwähnt wurde. Der Einfachheit halber wird nur eine Spannungserhöhungsvorrichtung 10.j beschrieben, deren Komponenten durch eine Referenznummer und durch den Buchstaben angegeben sind; wobei die Spannungserhöhungsstufe 10.j + 1 identische Komponenten aufweist, die durch die gleichen Referenznummern und durch j + 1 hinter dem Punkt dargestellt sind.
Im Detail umfasst die Spannungserhöhungsstufe 10.j einen Speicherkondensator 14.j, der eine Kapazitanz C_J mit einem Wert besitzt, der der Hälfte des Wertes der Kapazitanz Co entspricht; einen Übertragungskondensator 15.j des N-Kanal-MOS-Typs; einen Spannungserhöhungskondensator 16.j, der eine Kapazitanz C_1j mit einem Wert besitzt, der höher (wenigstens eine Größenordnung höher) als die Kapazitanz C_j ist; und einen Vorladetransistor 20.j, der ebenfalls einem N-Kanal-MOS-Typ entspricht.
Der Ladekondensator 14.j besitzt einen ersten Anschluss, der an einen Übertragungsknoten 30.j angeschlossen ist, und einen zweiten Anschluss, der das Phasensignal D empfängt. Der Übertragungstransistor 15.j ist zwischen dem Übertragungsknoten 30.j der Spannungserhöhungsstufe 10.j und einem Übertragungsknoten 30.j – 1 der Spannungserhöhungsstufe 10.j – 1 angeschlossen, der an die linke Seite der Spannungserhöhungsstufe 10.j angeschlossen ist und einen Gate-Anschluss besitzt, der an einen Vorladeknoten 25j angeschlossen ist. Darüber hinaus wird der Transistor 15.j in Dreischichtform hergestellt und besitzt einen Substratanschluss B_j, der angemessen polarisiert ist, mit dem Ziel, den Substratvorspannungseffekt zu reduzieren. Der Spannungserhöhungskondensator 16.j besitzt einen ersten Anschluss, der an den Vorladeknoten 25.j angeschlossen ist und einen zweiten Anschluss, der das Phasensignal C empfängt. Der Vorladetransistor 20.j ist zwischen dem Übertragungsknoten 30.j – 1 der Spannungserhöhungsstufe 10.j – 1 und dem Vorladeknoten 25.j angeschlossen und besitzt einen Gate-Anschluss, der an den Ausgang des Unrichters 21.j angeschlossen ist; wobei der letztere wiederum einen Signaleingang, der das Hochspannungssignal REV empfängt und einen Versorgungseingang besitzt, der an den Übertragungsknoten 30.j der Spannungserhöhungsstufe 10.j angeschlossen ist. Zwischen dem Vorladekoten 25.j und dem Erdungsanschluss ist ein Entladungsnetz angeschlossen, das einem bekannten Typ entspricht und in der ausführlichen Darstellung weggelassen ist.
Wie bereits erwähnt wurde, weist die Spannungserhöhungsstufe 10.j + 1 den gleichen Aufbau auf und unterschiedet sich von der Spannungserhöhungsstufe 10.j nur in der Hinsicht, dass der Speicherkondensator 14.j + 1 das Phasensignal B empfängt und der Spannungserhöhungskondensator 16.j + 1 das Phasensignal A empfängt. In ähnlicher Art und Weise empfängt die Spannungserhöhungsstufe 10.j – 1 (von dem lediglich der Speicherkondensator 14.j – 1 dargestellt ist) die Phasensignale A und B.
Darüber hinaus umfasst die Spannungserhöhungsvorrichtung 1 auch eine Vielzahl von Übertragungsschaltungen 40.0, ..., 40.j, ..., 40.N, von denen jede zwischen dem Ladungsknoten 50 und einem entsprechenden Übertragungsknoten 30.1, ..., 30.j, ..., 30.N – 1 ebenso wie zwischen dem Ladungsknoten 50 und dem Eingang 30.0 und zwischen dem Ladungsknoten 50 und dem Ausgang 30.0 des Ladungspumpenschaltkreises 2 angeordnet ist. Jede Übertragungsschaltung 40.0, ..., 40.j, ..., 40.N wird mit Hilfe eines Transistors des NMOS-Typs gebildet und durch ein entsprechendes Schließungssignal S_o, ..., S_j, ..., S_N gesteuert. Die Schließungssignale S_o, ..., S_j, ..., S_N werden durch eine Steuerungseinheit 60 so gesteuert, dass das Schließen von lediglich einer der Übertragungsschaltungen 40.0, ..., 40.j, ..., 40.N pro Mal gesteuert wird und alle anderen im geöffneten Zustand gehalten werden.
Die Spannungserhöhungsvorrichtung 1 funktioniert in der folgenden Art und Weise.
Während der Phase des Ladens der ausgewählten Wortleitung 52 wird der Ladungspumpenschaltkreis 2 eingeschaltet, und das Hochspannungssignal REV befindet sich auf einem niedrigen Pegel. Demzufolge ist die Schaltung 11 geschlossen, und die Ausgangsspannung V_OUT liegt an den Enden des Ladekondensators 12 an. Darüber hinaus ist ein leitender Weg zwischen dem Knoten 30.j und dem Gate-Anschluss des Vorladetransistoren 20.j vorhanden, der nun eingeschaltet wird. Die Übertragungsschaltungen 40.0, ..., 40.j, ..., 40.N befinden sich in geöffnetem Zustand, wodurch die Übertragungsknoten 30.1, ..., 30.j, ..., 30.N – 1, der Eingang 30.0 und der Ausgang 30.N von dem Ladungsknoten 50 isoliert werden.
In Bezug auf 2 wird anfänglich der Moment t_o berücksichtigt, nachdem das Phasensignal A von hoch auf niedrig geschaltet wurde, das Signal B von niedrig auf hoch geschalten wurde und sich die Signale C und D auf jeweils niedrigem beziehungsweise hohem Pegel befinden.
Unter dieser Bedingung besitzen die Übertragungsknoten 30.j – 1 und 30.j eine hohe Spannung (bei einem Wert, der von der Anzahl der Spannungserhöhungsstufen 10 abhängt, die den dargestellten Spannungserhöhungsstufen 10 vorgeschaltet sind), und der Vorladeknoten 25.j wird, wie im Folgenden noch beschrieben wird, entladen; demzufolge wird der Vorladetransistor 20.j der Spannungserhöhungsstufe 10.j eingeschaltet und ermöglicht das Vorladen des Vorladeknotens 25.j (und auf diese Art und Weise des Spannungserhöhungskondensators 16.j) auf die Spannung, die an dem Übertragungsknoten 30.j – 1 der Spannungserhöhungsstufe 10.j – 1 anliegt. Außerdem wird der Übertragungstransistor 15.j ausgeschaltet.
Sobald die Phasensignale C und D auf die hohen beziehungsweise auf die niedrigen Pegel geschaltet werden (Moment t₁), wird der Vorladetransistor 20.j ausgeschaltet und ermöglicht, dass der Vorladeknoten 25.j einen hohen Spannungswert annimmt, der der Summe der vorher erreichten Spannung plus der Spannung entspricht, die dem hohen Logikwert des Phasensignals C entspricht (Versorgungsspannung V_DD.) Demzufolge wird der Übertragungstransistor 15.j eingeschaltet und ermöglicht die Übertragung eines Ladungspaketes von dem Übertragungsknoten 30.j – 1 der Spannungserhöhungsstufe 10.j – 1 zu dem Übertragungsknoten 30.j der Spannungserhöhungsstufe 10.j.
Zu dem Moment t₂ werden die Phasensignale C und D noch einmal auf den niedrigen beziehungsweise auf den hohen Pegel geschaltet, und die Spannung des Übertragungsknotens 30.j wird erhöht, wobei die Spannung des Vorladeknotens 25.j abnimmt; demzufolge wird der Vorladetransistor 20.j noch einmal eingeschaltet und ermöglicht die Entladung des Gate-Anschlusses des Übertragungstransistors 15.j in Richtung des Übertragungsknotens 30.j – 1 der Spannungserhöhungsstufe 10.j – 1 sowie das Ausschalten des Übertragungstransistors 15.j selbst.
In dieser Stufe wird der Vorladetransistor 20.j + 1 der Spannungserhöhungsstufe 10.j + 1 ebenfalls eingeschaltet und ermöglicht das Vorladen des Knotens 25.j + 1 (und demzufolge des Spannungserhöhungskondensators 16.j + 1), was in ähnlicher Art und Weise durchgeführt wird, wie für die Spannungserhöhungsstufe 10.j der Phase zwischen den Momenten t₀ und t₁ beschrieben wurde.
Zu dem Moment t₃ werden die Phasensignale A und B auf den hohen Pegel beziehungsweise auf den niedrigen Pegel geschaltet. Der Vorladetransistor 20.j wird eingeschaltet und hält den Vorlade-Zustand des Vorladeknotens 25.j aufrecht; der Übertragungstransistor 15.j verbleibt weiterhin im ausgeschalteten Zustand. Gleichzeitig wird der Übertragungstransistor 15.j + 1 eingeschaltet und ermöglicht das Übertragen eines Ladungspaketes von dem Speicherkondensator 14.j der Spannungserhöhungsstufe 10.j zu dem Ladungsspeicherkondensator 14.j + 1 der Spannungserhöhungsstufe 10.j + 1.
Durch diese Funktionsweise wird eine allmähliche Übertragung der Ladungen von dem Eingang 30.0 zu dem Ausgang 30.0 des Ladungspumpenschaltkreises 2 ermöglicht (1).
Bei Beendigung der Ladephase der ausgewählten Wortleitung 52 entspricht die Ausgangsspannung V_OUT, die an den Enden des Ladekondensators 12 angelegt ist, (N + 1)·V_DD; darüber hinaus liegt an den Enden eines jeden Speicherkondensators 14.0, ..., 14.j, ..., 14.N eine Zwischenspannung V_O, ..., V_j, ..., V_N an, die einen Wert zwischen der Versorgungsspannung V_DD und der Ausgangsspannung V_OUT entspricht; insbesondere ist V_DD < V_O, ..., < V_j ..., < V_N < V_OUT.
Unter dieser Bedingung ist es möglich, die erforderlichen Operationen (beispielsweise Lesen, Schreiben oder Löschen) an den Speicherzellen (nicht dargestellt) durchzuführen, die an die ausgewählte Wortleitung 52 angeschlossen sind. Bei Beendigung ist es erforderlich, die ausgewählte Wortleitung 52 zu entladen; entsprechend einem Aspekt der Erfindung wird dies durch Überfragen der gespeicherten Ladung von dem Ladekondensator 12 in Richtung der Speicherkondensatoren 14.0, ..., 14.j, ..., 14.N, die als Ladungsspeicherkondensatoren verwendet werden, durchgeführt.
Um als wahre Ladungsspeicherkondensatoren arbeiten zu können, müssen die Speicherkondensatoren 14.0, ..., 14.j, ..., 14.N elektrisch voneinander isoliert werden. Zu diesem Zweck wird der Ladungspumpenschaltkreis 2 ausgeschaltet, und die Phasenerzeugungsphase 3 wird durch die Steuerungseinheit 60 deaktiviert. Der Ladungspumpenschaltkreis 2 wird in der folgenden Art und Weise ausgeschaltet: der Level-Shifter 4 erzeugt das Hochspannungssignal REV auf einem hohen Pegel, wodurch der Anlass zum Ausschalten der Vorladetransistoren 20.0, ..., 20.j, ..., 20.N gegeben wird, wobei die Übertragungstransistoren 15.0, ..., 15.j, ..., 15.N ausgeschaltet werden, indem ihre Gate-Anschlüsse über die Entladungsschaltung 45 zur Erdung entladen werden. Darüber hinaus gibt das Hoch-Pegelsignal REV Anlass zum Öffnen der Schaltung 11, was ein Trennen des Filterkondensators 13 von dem Ladekondensator 12 nach sich zieht.
Die Ladungsübertragungsphase besteht aus N Ladungsverteilungsphasen zwischen dem Ladekondensator 12 und den Speicherkondensatoren 14.0, ..., 14.j, ..., 14.N. Diese N Ladungsverteilungsphasen überlappen sich zeitlich nicht und werden der Reihenfolge nach so lange von dem Speicherkondensator 14.N durchgeführt, bis der Speicherkondensator 14.0 erreicht wird.
In Bezug auf 3 umfasst eine jede Ladungsverteilungsphase das Schließen von lediglich einer der Übertragungsschaltungen 40.0, ..., 40.j, ..., 40.N, beginnend mit der Übertragungsschaltung 40.N, und alle anderen werden im geöffneten Zustand gehalten. Durch die se Funktionsweise ist lediglich einer der Speicherkondensatoren 14.0, ..., 14.j, ..., 14.N, beginnend mit dem Speicherkondensator 14.N direkt an den Ladekondensator 12 angeschlossen.
Noch ausführlicher beschrieben, ist zu Beginn der Ladungsübertragungsphase eine erste Ladungsverteilungsphase vorhanden, in der die Übertragungsschaltung 40.N geschlossen ist, was durch das Schließungssignal S_N gesteuert wird, und der Speicherkondensator 14.N ist direkt an den Ladekondensator 12 angeschlossen. Dadurch wird eine Übertragung der Ladung von dem Ladekondensator 12 zu dem Speicherkondensator 14.N ermöglicht, was ein darauffolgendes Ansteigen beziehungsweise Abfallen der Ausgangsspannung V_OUT und der Zwischenspannung V_N nach sich zieht. Die Übertragung der Ladung zwischen den beiden Kondensatoren 12 und 14.N hält so lange an, bis ein Gleichgewicht zwischen den zwei angelegten Spannungen erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt endet diese erste Ladungsverteilungsphase, und die Übertragungsschaltung 40.N wird geöffnet, wodurch der Speicherkondensator 14.N von dem Ladekondensator 12 isoliert wird.
Die beschriebene Vorgehensweise wird für alle der N Ladungsverteilungsphasen durchgeführt, und für jede der Ladungsverteilungsphasen nimmt die die Spannung, die an den Enden des Kondensators angelegt ist, ab, wobei sich die Zwischenspannung, die an den Enden des ausgewählten Speicherkondensators 14.0, ..., 14.j, ..., 14.N. angelegt ist, erhöht. Demzufolge ist bei Beendigung der Ladungsübertragungsphase ein erster Wert V_1OUT der Ausgangsspannung V_OUT an dem Ladekondensator 12 angelegt, der niedriger als die Werte der Zwischenspannungen V₁₀, ..., V_1j, ..., V_1N ist, die an den Enden des Speicherkondensators 14.0, ..., 14.j, ..., 14.N. angelegt sind; insbesondere ist V_1OUT ≤ V₁₀, ..., ≤ V_1j, ..., ≤ V_1N. Die Spannung V_1OUT kann unverändert beibehalten werden, oder sie kann weiter reduziert werden, indem der Ladekondensator 12 über ein entsprechendes Entladungsnetz zur Erdung entladen wird, was durch ein durch die Steuerungseinheit 60 erzeugtes Entladungssignal P gesteuert wird.
Anhand der vorangehenden Beschreibung wird offensichtlich, dass die Energie, die durch den Ladungspumpenschaltkreis 2 während der Phase des Ladens der ausgewählten Wortleitung 52 erzeugt wird, fast vollständig in die Speicherkondensatoren 14.0, ..., 14.j, ..., 14.N übertragen wird. Es kann jedoch nicht die gesamte durch den Ladungspumpenschaltkreis 2 erzeugte Energie in die Speicherkondensatoren 14.0, ..., 14.j, ..., 14.N übertragen werden, da eine jede Ladungsverteilungsphase mit einen unvermeidbaren Verlust von Energie einhergeht.
Nach Beendigung der Entladungsphase der ausgewählten Wortleitung 25, findet mit Hilfe des Leitungsdecodierers 51 eine Auswahl einer neuen Wortleitung 26 statt, deren Ladungsphase teilweise über eine Ladungsrückgewinnungsphase von den Speicherkondensatoren 14.0, ..., 14.j, ..., 14.N zu dem Ladekondensator 12 durchgeführt wird. Genauer gesagt, besteht die Ladungsrückgewinnungsphase aus N Phasen der Umverteilung von Ladung zwischen den Speicherkondensatoren 14.0, ..., 14.j, ..., 14.N und dem Ladenkondensator 12. Diese N Ladungsumverteilungsphasen überlappen sich zeitlich nicht gegenseitig und werden der Reihenfolge nach so lange von dem Speicherkondensator 14.0 aus durchgeführt, bis der Speicherkondensator 14.N erreicht wird.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3 umfasst eine jede Ladungsumverteilungsphase das Schließen einer einzelnen der Übertragungsschaltungen 40.0, ..., 40.j, ..., 40.N, ausgehend von der Übertragungsschaltung 14.0, und alle anderen werden in ihrem geöffneten Zustand gehalten. Durch diese Vorgehensweise ist ein einzelner der Speicherkondensatoren 14.0, ..., 14.j, ..., 14.N, beginnend mit dem Speicherkondensator 14.0, direkt an den Ladekondensator 12 angeschlossen. Noch ausführlicher beschrieben, ist zu Beginn der Ladungsrückgewinnungsphase eine erste Ladungsumverteilungsphase vorhanden, in der die Übertragungsschaltung 40.0 geschlossen ist, was durch das Schließungssignal S_O gesteuert wird, und der Speicherkondensator 14.0 ist direkt an den Ladekondensator 12 angeschlossen. Das ermöglicht die Übertragung der Ladung von dem Speicherkondensator 14.0 zu dem Ladekondensator 12, was ein Erhöhen beziehungsweise ein Abnehmen der Zwischenspannung V10 und der Ausgangsspannung V_1OUT, die an den Enden des Ladekondensators 12 angelegt sind, bei Beendigung der Entladungsphase der ausgewählten Wortleitung 52 nach sich zieht. Die Übertragung der Ladung zwischen den zwei Kondensatoren 14.0 und 12 hält so lange an, bis ein Gleichgewicht zwischen den angelegten Spannungen erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt endet die Ladungsumverteilungsphase, und die Übertragungsschaltung 40 wird geöffnet, wodurch der Speicherkondensator 14 von dem Ladekondensator 12 isoliert wird. Die beschriebene Vorgehensweise wird für alle N Ladungsumverteilungsphasen durchgeführt; genauer gesagt, erhöht sich in jeder Ladungsverteilungsphase die Spannung, die an den Enden des Kondensators 12 angelegt ist, wobei die Zwischenspannung, die an den Enden des ausgewählten Speicherkondensators 14.0, ..., 14.j, ..., 14.N angelegt ist, abnimmt. Demzufolge ist bei Beendigung der Ladungsübertragungsphase ein zweiter Wert V_2OUT der Ausgangsspannung V_OUT an dem Ladekondensator 12 vorhanden, der höher als die Zwischenspannungen V_2O, ..., V_2j, ..., V2_N sind, die an den Enden des Speicherkondensators 14.0, ..., 14.j, ..., 14.N vorhanden sind; genau gesagt ist, V_2O ≤ ..., ≤ V_2j, ..., ≤ V_2N ≤ V_2OUT. Da eine jede Ladungsumverteilungsphase mit einem Verlust von Energie einhergeht, ist der Wert der Spannung V_2OUT kleiner als der Wert der Ausgangsspannung V_OUT; genau gesagt, befindet sich der Wert der Spannung V_2OUT zwischen dem Wert der Ausgangsspannung V_OUT und dem Wert der Versorgungsspannung V_DD. Demzufolge muss der Ladungspumpenschaltkreis 2 erneut eingeschaltet werden, um in der Lage zu sein, die Ladung der Wortleitung 56, die aktuell ausgewählt ist, abzuschließen. Dennoch kommt es, verglichen mit den bekannten Spannungserhöhungsvorrichtungen, zu einer wesentlichen Rückgewinnung der Ladung, und demzufolge wird ein wesentliches Einsparen von durch den Ladungspumpenschaltkreis 2 erzeugter Energie erreicht. Tatsächlich entspricht die Spannung V_2OUT nicht 0 V, wie es der Fall bei den bekannten Spannungserhöhungsvorrichtungen ist, sondern sie besitzt einen hohen Wert, nahe der Ausgangsspannung V_OUT.
Der Filterkondensator 13, an dem immer noch eine Spannung V_F angelegt ist, die der Ausgangsspannung V_OUT entspricht, kann erneut mit Hilfe der Schaltung 11 oder bei Beendigung der Ladungsrückgewinnungsphase an den Ladekondensator 12 angeschlossen werden. In beiden Fällen ist jedoch eine weitere Ladungsumverteilungsphase so zwischen dem Filterkondensator 13 und dem Ladekondensator 12 eingebettet, dass der Ladekondensator 12 besser entladen/geladen werden kann, je nach dem, ob der Filterkondensator 13 erneut an den Ladekondensator 12 am Ende der Ladungsübertragungsphase oder am Ende der Ladungsrückgewinnungsphase angeschlossen wird.
Die Vorteile, die mit Hilfe der beschriebenen Spannungserhöhungsvorrichtung 1 erzielt werden, sind die folgenden. Zunächst ermöglicht, wie dies vorangehend beschrieben wurde, die Verwendung der Spannungserhöhungsvorrichtung 1 eine wesentliche Rückgewinnung der durch den Ladungspumpenschaltkreis 2 erzeugten Energie und demzufolge ein wesentliches Energieeinsparen (bis zu ungefähr 30 bis 40% verglichen mit den bekannten Spannungserhöhungsvorrichtungen). Dieses Energieeinsparen erhöht sich mit zunehmender Anzahl N der Erhöhungsstufen 10, die innerhalb des Ladungspumpenschaltkreises 2 vorhanden sind. Tatsächlich wird, wenn N sich erhöht, die Differenz zwischen den Spannungswerten, die in zwei aufeinanderfolgenden Phasen nach der Ladungsumverteilung vorhanden ist, kleiner, und demzufolge nimmt die Energie, die während jeder Ladungsumverteilungsphase verbraucht wird, ab.
Darüber hinaus weist die Spannungserhöhungsvorrichtung 1 hohe Leistungslevels hinsichtlich der Ladungsrückgewinnung auf, wenn die Versorgungsspannung V_DD abnimmt (was mit dem aktuellen Trend des Verwendens von zunehmend geringen Versorgungsspannungen vereinbar ist), da für die gleiche benötigte Ausgangspannung V_OUT, die Anzahl N von Spannungserhöhungsstufen 10 erhöht werden muss, und demzufolge nimmt, wie bereits erläutert wurde, die Energie, die während jeder Ladungsumverteilungsphase verbraucht wird, ab.
Darüber hinaus erfordert die Spannungserhöhungsvorrichtung 1 nur eine begrenzte Zunahme des Oberflächenbereichs, der verschwindend gering im Vergleich zu seinem Gesamtoberflächenbereich ist. Des Weiteren ermöglicht, wie voranstehend beschrieben wurde, die Verwendung der Spannungserhöhungsvorrichtung 1 das Ansteigen der Leistung hinsichtlich des Energieverbrauchs der Speichervorrichtung 100, in der sie eingesetzt ist, wobei sowohl die Speicherzellengruppe 53 als auch der Leitungsdecodierer 51 unverändert belassen werden.
Schließlich ist es offensichtlich, dass eine Vielzahl von Änderungen und Modifizierungen an der beschriebenen und dargestellten Spannungserhöhungsvorrichtung vorgenommen werden können, von denen alle in den in den angehangenen Ansprüchen definierten Umfang der Erfindung aufgenommen werden können. Insbesondere der Aufbau des Ladungspumpenschaltkreises 2 kann im Vergleich zu der bereitgestellten Beschreibung abgeändert werden; so können die Übertragungstransistoren 15 beispielsweise durch Dioden ersetzt werden. Darüber hinaus kann die vorliegende Spannungserhöhungsvorrichtung auch auf andere Geräte angewendet werden, wie beispielsweise auf Spannungsregler, DC/DC-Speiser, tragbare Vorrichtungen mit geringem Stromverbrauch und Messausrüstungen.

Claims

Ladungspumpen-Spannungserhöhungsvorrichtung (1), umfassend: – eine Ladungspumpenschaltung (2) mit einem Eingangsanschluss (30.0) und einem Ausgangsanschluss (30.N) und – einen Lastkondensator (12) mit einem Lastknoten (50), der an den Ausgangsanschluss (30.N) angeschlossen ist, die Ladungspumpenschaltung (2) umfasst: – eine Vielzahl von Schalteinrichtungen (15.0, ..., 15.j, ..., 15.N), die zwischen dem Eingangsanschluss (30.0) und dem Ausgangsanschluss (30.N) der Ladungspumpenschaltung (2) in Reihe miteinander geschaltet sind und zwischeneinander eine Vielzahl von Schaltungsknoten (30.1, ..., 30.j, ..., 30.N – 1) definieren, – eine Vielzahl von Speicherkondensatoren (14.0, ..., 14.j, ..., 14.N) mit einem an einen jeweiligen Schaltungsknoten (30.0, ..., 30.j, ..., 30.N) angeschlossenen ersten Anschluss und mit einem zweiten Anschluss, der Phasensignale (3) empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass sie Folgendes umfasst: – Einrichtungen zum Abschalten der Pumpe (60, 20.0, ..., 20.j, ..., 20.N, 21.0, ..., 21.j, ..., 21.N, 45), die simultan Öffnungssignale (REV) für die Schalteinrichtungen (15.0, ..., 15.j, ..., 15.N) erzeugen und Ladungsverteilungs-/Ladungsumverteilungssteuersignale (S₀, ..., S_j, ..., S_n) einspeisen, und – Ladungsverteilungs-/Ladungsumverteilungseinrichtungen (40.0, ..., 40.j, ..., 40.N), die zwischen den Lastknoten (50) und den ersten Anschluss des Speicherkondensators (14.0, ..., 14.j, ..., 14.N) geschaltet sind und die Ladungsverteilungs-/Ladungsumverteilungssteuersignale empfangen, wobei die Ladungsverteilungs-/Ladungsumverteilungseinrichtungen eine Vielzahl von gesteuerten Schaltelementen (40.0, ..., 40.j, ..., 40.N) umfassen, die zwischen den Lastknoten (50) und einen entsprechenden Schaltungsknoten (30.1, ..., 30.j, ..., 30.N – 1) geschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (60, 20.0, ..., 20.j, ..., 20.N, 21.0, ..., 21.j, ..., 21.N, 45) zum Abschalten der Pumpe Steuereinrichtungen (60) umfassen, die folgerichtig das Schließen eines einzelnen der gesteuerten Schaltelemente (40.0, ..., 40.j, ..., 40.N) nach dem anderen steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der gesteuerten Schaltelemente (40.0, ..., 40.j, ..., 40.N) einen Steueranschluss umfasst, der ein entsprechendes Ladungsverteilungs-/Ladungsumverteilungssteuersignal (S₀, ..., S_j, ..., S_n) empfängt, und die Ladungsverteilungs-/Ladungsumverteilungssteuersignale fähig sind, zwischen einem ersten Schließwert eines entsprechenden gesteuerten Schaltelements und einem zweiten Öffnungswert des entsprechenden gesteuerten Schaltelements umgeschaltet zu werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtungen (15.0, ..., 15.j, ..., 15.N) einen Steueranschluss (25.0, ..., 25.j, ..., 25.N) umfassen und dadurch, dass die Einrichtungen (60, 20.0, ..., 20.j, ..., 20.N, 21.0, ..., 21.j, ..., 21.N, 45) zum Abschalten der Pumpe umfassen: – eine Vielzahl von Transistorelementen (20.0, ..., 20.j, ... 20.N), die zwischen einen entsprechenden Schaltungsknoten (30.0, ..., 30.j, ..., 30.N) und einen entsprechenden Steueranschluss für die Schalteinrichtungen (15.0, ..., 15.j, ..., 15.N) geschaltet sind, und – eine Vielzahl von Treibereinrichtungen (21.0, ..., 21.j, ..., 21.N), die die Öffnungssignale (REV) empfangen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Treibereinrichtungen einen Umrichter (21.0, ..., 21.j, ..., 21.N) umfasst, der einen Signaleingang hat, der ein Öffnungssignal (REV) empfängt, einen Versorgungseingang hat, der an einen entsprechenden Schaltungsknoten (30.1, ..., 30.j, ..., 30.N) angeschlossen ist, und einen Ausgang hat, der an einen Steueranschluss eines entsprechenden Transistorelements (20.0, ..., 20.j, ... 20.N) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (60, 20.0, ..., 20.j, ..., 20.N, 21.0, ..., 21.j, ..., 21.N, 45) zum Abschalten der Pumpe zusätzlich Entladungseinrichtungen (45) umfassen, die zwischen den Steueranschlüssen der Schalteinrichtungen (15.0, ..., 15.j, ..., 15.N) und einer Referenzpotenzialleitung angeschlossen sind.
Verfahren zur Energieeinsparung bei einer Ladungspumpenschaltung-Spannungserhöhungsvorrichtung (1), die folgenden Schritte umfassend: – Laden einer Ladungspumpenschaltung (2), die einen Eingangsanschluss (30.0) und einen Ausgangsanschluss (30.N) aufweist, und – Übertragen der Ladung der Ladungspumpenschaltung (2) zu einem Lastkondensator (12) mit einem Lastknoten (50), der an den Ausgangsanschluss (30.N) angeschlossen ist, wobei der Schritt des Ladens einer Ladungspumpenschaltung (2) umfasst: – abwechselndes Schließen einer Vielzahl von Schalteinrichtungen (15.0, ..., 15.j, ..., 15.N), die zwischen dem Eingangsanschluss (30.0) und dem Ausgangsanschluss (30.N) der Ladungspumpenschaltung (2) in Reihe geschaltet sind und die zwischeneinander eine Vielzahl von Schaltungsknoten (30.0, ..., 30.j, ..., 30.N) definieren, und – Bereitstellen von Phasensignalen zu zweiten Anschlüssen einer Vielzahl von von Speicherkondensatoren (14.0, ..., 14.j, ..., 14.N), die einen an einen jeweiligen Schaltungsknoten (30.0, ..., 30.j, ..., 30.N) angeschlossenen ersten Anschluss aufweisen, gekennzeichnet durch die Schritte: – Abschalten der Ladungspumpe (2) und – Steuern der Ladungsverteilung/Ladungsumverteilung, die zwischen dem Lastkondensator (12) und Speicherkondensatoren (14.0, ..., 14.j, ..., 14.N) eingerichtet ist, – durch Schließen einer Vielzahl von gesteuerten Schaltelementen (40.0, ..., 40.j, ..., 40.N), die zwischen den Lastknoten (50) und einen entsprechenden Schaltungsknoten (30.0, ..., 30.j, ..., 30.N) geschaltet sind.
Verfahren nach Anspruch 7, den Schritt des folgerichtigen Schließens eines einzelnen der gesteuerten Schaltelemente (40.0, ..., 40.j, ..., 40.N) nach dem anderen umfassend.
Verfahren nach Anspruch 7, die folgenden Schritte umfassend: – Isolieren von Schaltungsknoten (30.0, ..., 30.j, ..., 30.N) vom Ausgangsanschluss und – Schließen eines einzelnen der gesteuerten Schaltelemente (40.0, ..., 40.j, ..., 40.N) nach dem anderen und Übertragen einer ersten Ladungsmenge vom Lastkondensator (12) zu einem der Speicherkondensatoren (14.0, ..., 14.j, ..., 14.N), der an ein einzelnes der gesteuerten Schaltelemente angeschlossen ist, und – Wiederholen des Schrittes des Schließens in Reihenfolge, beginnend von dem Ausgangsanschluss (30.N) in Richtung auf den Eingangsanschluss (30.0) der Ladungspumpenschaltung (2).
Verfahren nach Anspruch 9, umfassend in Folge die folgenden Schritte: – Schließen eines einzelnen der gesteuerten Schaltelemente (40.0, ..., 40.j, ..., 40.N) nach dem anderen und Übertragen einer zweiten Ladungsmenge von einem der Speicherkondensatoren (14.0, ..., 14.j, ..., 14.N), der an das einzelne der gesteuerten Schaltelemente angeschlossen ist, zu dem Lastkondensator (12) und – Wiederholen des Schrittes des Schließens in Reihenfolge, beginnend von dem Eingangsanschluss (30.0) in Richtung auf den Ausgangsanschluss (30.N) der Ladungspumpenschaltung (2).