DE60319098T2

DE60319098T2 - Auf einem dac basierender spannungsregler für ein flash-speicherarray

Info

Publication number: DE60319098T2
Application number: DE60319098T
Authority: DE
Inventors: Massimiliano Frulio; Stefano Sivero; Simone Bartoli; Sabina Mognoni
Original assignee: Atmel Corp
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2023-09-10
Also published as: AU2003267123A8; NO20051218L; WO2004025389A3; TW200417155A; DE60319098D1; JP2005538678A; WO2004025389A2; AU2003267123A1; EP1537671B1; EP1537671A2; CA2497616A1; EP1537671A4

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Ladungspumpen-Schaltkreise. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung einen Digital-Analog-Wandler (DAC), der auf einem Spannungs-Regulator-System basiert, das den Ausgang von Ladungspumpen-Schaltkreisen in einem nicht-volatilen Speicher regulieren kann, um verschiedene Spannungen einzuspeisen, die in dem Speicherschaltkreis verwendet werden.
Nicht-volatile Speicher benötigen einen breiten Bereich von Spannungen, die an die Wortleitungen, die an die Gate-Anschlüsse des Speicherzellentransistors gekoppelt sind, angelegt werden. Eine Vielzahl von Spannungs-Regulatoren liefern die verschiedenen für jede Operation des Gerätes geeigneten Spannungen. Die Ausgangsspannung jedes Spannungs-Regulators ist fest und es gibt keinen Weg, die Ausgangsspannungen der Regulatorvorrichtung zu ändern. Ein Beispiel eines Spannungs-Regulators ist in US 5,221,890 A offenbart.
Ein nicht-volatiler Speicher benötigt mindestens einen Spannungs-Regulator, um die Speicherzellen-Gate-Anschlüsse mit Spannung zu versorgen zum Verifizieren einer programmierten Zelle und einer gelöschten Zelle und einen Spannungs-Regulator, um die Speicherzellen-Gate-Anschlüsse zum Programmieren der Speicherzellen mit einer Programmierspannung zu versorgen. In einigen nicht-volatilen Speichervorrichtungen ist wegen der Zuverlässigkeit einer Zelle erforderlich, dass die Programmierspannung nicht konstant ist, sondern dass die Spannung ansteigend ist. Für diesen Zweck müssen zusätzliche analoge Schaltkreise bereitgestellt werden. Beispiele für Schaltkreise mit sich über einen Bereich erstreckenden Spannungen sind in EP 0,701,259 A und US 6,011, 724 A offenbart.
Die vorliegende Erfindung sieht einen DAC-basierten integrierten Spannungs-Regulator wie in den anliegenden Ansprüchen definiert vor, zum Beispiel um eine nicht-volatile Speichervorrichtung mit den notwendigen regulierten Spannungen zu versorgen. Die Spannungsregulierung basiert auf einem Stromstärkenvergleich zwischen einer Referenzstromstärke und einem Stromstärkensignal, das von dem Hochspannungsausgang des Ladungspumpen-Schaltkreises erhalten wird. Die N Bits, die dem DAC bereitgestellt werden, generieren 2N Stromstärkenreferenzpegel, die von einer virtuellen Masse abgeführt werden. Ein Spannungs-Strom-Konverter generiert ein Stromstärkensignal von dem Hochspannungsausgang der Ladungspumpe, welches an die virtuelle Masse geliefert wird. Das Stromstärkenfehlersignal, das von dem Vergleich an der virtuellen Masse stammt, wird verstärkt und die Spannung wird von einem Transkonduktanz-Verstärker konvertiert. Ein zweiter Verstärker empfängt das Ausgangssignal des Transkonduktanz-Verstärkers und gibt einen CMOS-kompatiblen Spannungspegel aus, der die Ladungspumpe aktiviert oder entlädt, um den gewählten Ausgangsspannungswert zu erhalten. Daher kann die Ladungspumpe auf einen von 2^N Werten reguliert werden, entsprechend der Eingabe, die an dem DAC anliegt.
Der Spannungs-Regulator der vorliegenden Erfindung kann einen breiten Bereich von Ausgangsspannungen liefern, um die Wortleitungen einer nicht-volatilen Speichervorrichtung vorzuspannen. N Eingangssignale werden bereitgestellt, um die für jede Operation des nicht-volatilen Speichers geeignete Ausgangsspannung auszuwählen. Aufgrund dieses Merkmals kann eine Spannungsrampe leicht generiert werden, indem die Folge von Werten der Rampe geliefert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm des Ladungspumpen-Systems 10, das den DAC-basierten Spannungs-Regulator der vorliegenden Erfindung beinhaltet.
2 ist ein schematisches Diagramm eines veranschaulichenden DAC-basierten Spannungs-Regulators gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein detailliertes schematisches Diagramm eines veranschaulichenden Ausführungsbeispiels eines Schaltkreises, der als die Stromquelle in 2 verwendbar ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass die folgende Beschreibung der vorliegenden Erfindung nur zur Veranschaulichung dient und in keiner Weise beschränkend ist. Andere Ausgestaltungen dieser Erfindung werden für den Fachmann ausgehend von dieser Offenbarung leicht ersichtlich sein.
Die Spannungsregulierung basiert auf einem Stromstärkenvergleich zwischen einer Referenzstromstärke und einem Stromstärkensignal, das von dem Hochspannungsausgang des Ladungspumpen-Schaltkreises erhalten wird. Die N Bits, die dem DAC bereitgestellt werden, generieren 2^N Stromstärkenreferenzpegel, die von einer virtuellen Masse abgeführt werden. Ein Spannungs-Strom-Konverter generiert ein Stromstärkensignal aus dem Hochspannungsausgang der Ladungspumpe, das an die virtuelle Masse geliefert wird. Das Stromstärkenfehlersignal, das aus dem Vergleich an der virtuellen Masse stammt, wird von einem Transkonduktanz-Verstärker verstärkt und Spannungskonvertiert. Ein zweiter Verstärker empfängt das Ausgangssignal von dem Transkonduktanz-Verstärker und gibt einen CMOS-kompatiblen Spannungspegel aus, der die Ladungspumpe aktiviert oder entlädt, um den gewählten Ausgangsspannungswert zu erhalten. Daher kann die Ladungspumpe auf einen von 2^N Werten reguliert werden, entsprechend der Eingabe, die an dem DAC anliegt.
Bezug nehmend auf 1 wird zunächst ein Blockdiagramm eines Ladungspumpen-Systems 10 dargestellt, das den DAC-basierten Spannungs-Regulator der vorliegenden Erfindung enthält. Der DAC-basierte Spannungs-Regulator 12 akzeptiert einen N Bit digitalen Eingang auf dem Bus 14. Der DAC-basierte Spannungs-Regulator 12 liefert an die Ladungspumpe 16 ein Aktivierungssignal, das die Ladungspumpe 16 entweder aktiviert oder entlädt, um ihre Hochspannungsausgabe an dem Ausgangsknoten 18 zu regulieren.
Bezug nehmend auf 2 wird nun ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines DAC-basierten Regulators der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Hochspannungsausgangsknoten der Ladungspumpe (bezeichnet mit Bezugsziffer 20) ist durch einen Widerstand 24 und einen p-Kanal MOS-Transistor 26 an einen virtuellen Masseknoten 22 gekoppelt. Der p-Kanal MOS-Transistor 26 wird von dem Ausgang des Verstärkers 28 angesteuert. Der invertierende Eingang des Verstärkers 28 ist gekoppelt zu der Verbindung zwischen Widerstand 24 und dem Source-Anschluss des p-Kanal MOS-Transistors 26 und sein nicht-invertierender Eingang ist an eine Referenzspannung V_ref1 gekoppelt. Die Stromquelle 30 kann 2^N Pegel von Referenzstromstärken liefern, abhängig vom Status ihrer N Eingangsleitungen und ist mit einem Schaltkreisknoten gekoppelt, der den Drain-Anschluss des p-Kanal MOS-Transistors 26 und den invertierenden Eingang des Transkonduktanz-Verstärkers 32 umfasst. Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass dieser Schaltkreisknoten auf der virtuellen Masse liegt. Der nicht-invertierende Eingang des Transkonduktanz-Verstärkers 32 ist an eine Referenzspannung V_ref2 gekoppelt. Der Widerstand 34 legt die Verstärkung des Transkonduktanz-Verstärkers 32 fest. Der Transkonduktanz-Verstärker 32 steuert den nicht-invertierenden Eingang des Transkonduktanz-Verstärkers 36 an. Der invertierende Eingang des Transkonduktanz-Verstärkers 36 ist an die Referenzspannung V_ref2 gekoppelt.
Der Widerstand 24, der Verstärker 28 und der p-Kanal MOS-Transistor 26 generieren ein Stromstärkensignal, das eine Funktion der Spannung an dem Hoch spannungsausgangsknoten 20 der Ladungspumpe ist. Dieses Stromstärkensignal wird verglichen mit dem Referenzstromstärkensignal aus der Stromquelle 30. Wie vorliegend noch weiter offenbart wird, kann die Referenzstromstärke auf einen von 2^N Pegeln festgelegt werden.
Das Stromstärkenfehlersignal, das aus dem Vergleich an der virtuellen Masse resultiert, wird verstärkt und in eine Spannung im Transkonduktanz-Verstärker 32 konvertiert. Der zweite Verstärker 36 generiert CMOS-kompatible Ausgangspegel, um die Ladungspumpe zu aktivieren oder zu entladen.
Bezug nehmend auf 3 wird nun die Stromquelle 30 aus 2 im Detail dargestellt. Die Referenzstromstärke wird über den Widerstand 40 erhalten, welcher mit einem konstanten Spannungsabfall V_ref1 vorgespannt ist, der von dem Verstärker 42 und dem p-Kanal MOS-Transistor 44 gesteuert wird.
Der p-Kanal MOS-Transistor 46 und die n-Kanal MOS-Transistoren 48 und 50 spiegeln die Stromstärke durch den p-Kanal MOS-Transistor 44. Die n-Kanal MOS-Transistoren 52, 54, 56, 58, 60 und 62 sind derart ausgelegt, um die Stromstärke mit Zweierpotenzen zu multiplizieren; Transistor 52 ist einfach ausgelegt; Transistor 54 ist zweifach ausgelegt; Transistor 56 ist vierfach ausgelegt; Transistor 58 ist achtfach ausgelegt; Transistor 60 ist 2^N-fach ausgelegt. Transistor 62 ist minimal ausgelegt, um die Stromstärke mit einem minimalen Stromstärkenwert vorzuspannen. Die Strompfade durch die Transistoren 52, 54, 56, 58, 60 und 62 werden jeweils von den Transistoren 64, 66, 68, 70, 72 und 74 geschaltet. Die Gate-Anschlüsse der Transistoren 64, 66, 68, 70 und 72 werden von jeweils einer der N Eingangssteuerleitungen angesteuert. Der Transistor 74 ist als Diode geschaltet, um eine minimale Stromstärke zu liefern, wenn alle der N Eingangsleitungen logisch Null sind.
Das Stromstärkensignal aus dem Hochspannungsausgangsknoten 20 (2) der Ladungspumpe 30 wird von dem Verstärker 28 erzeugt, indem sein Rück kopplungskreis durch V_ref1 vorgespannt wird. Der Wert der Hochspannungsausgabe kann ausgedrückt werden durch: HVaus = (n + 1)(R24/R40)Vref1 + Vref1.
Wie von einem Durchschnittsfachmann erkannt werden kann, ist die Regulierung eine Funktion des Verhältnisses der Widerstände und nicht des absoluten Werts.
Zusammenfassung
Ein DAC-basiertes Spannungs-Regulator-System für eine nicht-volatile Speichervorrichtung umfasst einen Ladungspumpen-Schaltkreis mit einem Aktivierungs-Eingang und einen Spannungs-Ausgangs-Knoten. Ein Spannungs-Strom-Konverter weist einen Eingang, welcher mit dem Spannungs-Ausgangs-Knoten gekoppelt ist, und einen Ausgang, welcher mit einem virtuellen Masse-Knoten gekoppelt ist, auf. Eine Stromquelle ist mit dem virtuellen Masse-Knoten gekoppelt und führt, als Antwort auf Zustände aus einer Mehrzahl von digitalen Eingangssignalen, einen aus einer Mehrzahl von Strömen ab. Ein Transkonduktanz-Verstärker weist einen invertierenden Eingang an dem virtuellen Masse-Knoten, einen nicht-invertierenden Eingang, welcher mit einem Referenzspannungs-Potential gekoppelt ist, und einen Ausgang auf. Ein Komparator weist einen ersten Eingang, welcher mit dem Ausgang des Transkonduktanz-Verstärkers gekoppelt ist, einen zweiten Eingang, welcher mit einem Referenzspannungs-Potential gekoppelt ist, und einen Ausgang, welcher mit dem Aktivierungs-Eingang der Ladungspumpe gekoppelt ist, auf.

Claims

DAC-basiertes, integriertes Spannungs-Regulator-System (10) umfassend: • einen Ladungspumpen-Schaltkreis (16) mit einem Aktivierungs-Eingang und einem Spannungs-Ausgangs-Knoten; • einen virtuellen Masse-Knoten (22); • N digitale Eingänge (14); • einen Spannung-Strom-Konverter mit einem Eingang, welcher mit dem Spannungs-Ausgangs-Knoten gekoppelt ist, und einem Ausgang, welcher mit dem virtuellen Masse-Knoten gekoppelt ist; • eine Stromquelle (30), welche mit dem virtuellen Masse-Knoten gekoppelt ist, wobei die Stromquelle, als Antwort auf ein Zustandssignal auf den N digitalen Eingängen, einen aus einer Mehrzahl von Strömen abführt; • einen Transkonduktanz-Verstärker (32) mit einem invertierenden Eingang an dem virtuellen Masse-Knoten, mit einem nicht-invertierenden Eingang, welcher mit einem Referenzspannungs-Potential gekoppelt ist, und mit einem Ausgang; • und einen Komparator (36) mit einem ersten Eingang, welcher mit dem Ausgang des Transkonduktanz-Verstärkers gekoppelt ist, einem zweiten Eingang, welcher mit einem Referenzspannungs-Potential gekoppelt ist, und einem Ausgang, welcher mit dem Aktivierungs-Eingang der Ladungspumpe gekoppelt ist.
Integriertes Spannungs-Regulator-System nach Anspruch 1 in Kombination mit einem nicht-volatilen Speicher-Schaltkreis.
DAC-basiertes Spannungs-Regulator-System nach Anspruch 1, wobei die Spannungsquelle umfasst: • eine Referenz-Spannungsquelle; • einen Verstärker (42) mit einem invertierenden Eingang, welcher mit der Referenz-Spannungsquelle gekoppelt ist, mit einem nicht-invertierenden Eingang und mit einem Ausgang; • einen ersten p-Kanal-MOS-Transistor (44) mit einem Source-Anschluss, welcher mit einem Versorgungs-Potential gekoppelt ist, mit einem Drain-Anschluss, welcher mit dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers gekoppelt ist, und einem Gate-Anschluss, welcher mit dem Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist; • einen zweiten p-Kanal-MOS-Transistor (46) mit einem Source-Anschluss, welcher mit dem Versorgungs-Potential gekoppelt ist, mit einem Drain-Anschluss und mit einem Gate-Anschluss, welcher mit dem Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist; • einen ersten n-Kanal-MOS-Transistor (48) mit einem Drain- und einem Gate-Anschluss, welche mit dem Drain-Anschluss des zweiten p-Kanal-MOS-Transistors gekoppelt sind, und mit einem Source-Anschluss; • einen zweiten n-Kanal-MOS-Transistor (50) mit einem Drain-Anschluss, welcher mit dem Source-Anschluss des ersten n-Kanal-MOS-Transistors gekoppelt ist, mit einem Gate-Anschluss, welcher mit dem Versorgungs-Potential gekoppelt ist, und mit einem Source-Anschluss, welcher mit Masse gekoppelt ist; • einen Strom-Senke-Knoten; • einen Vorspannungs-Schaltkreis, welcher zwischen dem Strom-Senke-Knoten und dem Masse-Potential gekoppelt ist, wobei der Vorspannungs-Schaltkreis einen n-Kanal-MOS-Vorspannungs-Transistor minimaler Größe beinhaltet, mit einem Drain-Anschluss, welcher mit dem Strom-Senke-Knoten gekoppelt ist, mit einem Gate-Anschluss, welcher mit dem Gate-Anschluss des ersten n-Kanal-MOS-Transistors gekoppelt ist und mit einem Source-Anschluss, welcher über einen als Diode geschalteten n-Kanal-MOS-Transistor mit dem Masse-Potential gekoppelt ist; und • N digitale Eingangsstufen, wobei jede digitale Eingangsstufe zwischen dem Strom-Senke-Knoten und dem Masse-Potential gekoppelt ist und einen ersten Eingangsstufen-n-Kanal-MOS-Transistor (52–62) beinhaltet mit einem Drain-Anschluss, welcher mit dem Strom-Senke-Knoten ge koppelt ist, mit einem Gate-Anschluss, welcher mit dem Gate-Anschluss des ersten n-Kanal-MOS-Transistors gekoppelt ist, und mit einem Source-Anschluss, welcher über einen zweiten Eingangs-Stufen-n-Kanal-MOS-Transistor mit dem Masse-Potential gekoppelt ist, wobei der zweite Eingangsstufen-n-Kanal-MOS-Transistor (64–74) einen Gate-Anschluss besitzt, welcher mit einem der N digitalen Eingänge gekoppelt ist.