DE69307098T2

DE69307098T2 - Ladungspumpenschaltung

Info

Publication number: DE69307098T2
Application number: DE69307098T
Authority: DE
Inventors: Makoto Inoue
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1992-10-28
Filing date: 1993-10-28
Publication date: 1997-07-31
Anticipated expiration: 2013-10-29
Also published as: EP0595330B1; DE69307098D1; EP0595330A3; JP2806717B2; US5436821A; KR970005773B1; EP0595330A2; JPH06153493A; KR940010488A

Description

Ladungs-Pumpschaltung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladungs-Pumpschaltung und insbesondere eine Ladungs-Pumpschaltung, die wenig Leistung dissipiert.
Ein Beispiel einer herkömmlichen Ladungs-Pumpschaltung ist in Fig. 7 gezeigt. Die in Fig. 7 gezeigte Ladungs-Pumpschaltung enthält folgendes: einen Booster- Takttreiber 700 zum Ansteuem eines Boosterkondensators C1, der ein in den Fig. 8A und 8B gezeigtes Taktsignal OSC eingibt; einen Booster 701, der durch einen N-Kanal-MOS-Transistor N1 zum Zuführen einer Versorgungsspannung Vdd zum Boosterkondensator C1 und einen N-Kanal-MOS-Transistor N2 zum Zuführen einer Boosterspannung zu einem Kondensator C2 zum Halten der Boosterspannung gebildet ist; und eine Begrenzerschaltung 703 zum Stabilisieren der vom Booster ausgegebenen Boosterspannung.
Nun wird eine Operation der in Fig. 7 gezeigten Ladungs-Pumpschaltung unter Bezugnahme auf die Fig. 8A und 8B beschrieben. Fig. 8A zeigt eine Wellenform eines Taktsignals OSC und Fig. 8B zeigt eine Wellenform einer Ausgangsspannung Vout.
Wenn das in Fig. 8A gezeigte Taktsignal OSC auf der Versorgungsspannung Vdd ist, wird der N-Kanal-MOS-Transistor N3 eingeschaltet, und der P-Kanal-MOS- Transistor P3 wird ausgeschaltet. Demgemäß wird ein Erdpotential an eine Signalleitung E3 gelegt. Der Boosterkondensator C1 wird durch die Versorgungsspannung Vdd über den N-Kanal-MOS-Transistor N1 geladen. Das Potential V1 der Signalleitung E1 wird durch Gleichung (1) ausgedrückt, wenn von einem Schwellenwert des N-Kanal-MOS-Transistors N1 angenommen wird, daß er Vtn1 ist.
V1 = Vdd-Vtn1 ...(1)
Wenn das Taktsignal OSC zum Erdpotential geändert wird, wird der N-Kanal- MOS-Transistor N3 ausgeschaltet, und der P-Kanal-MOS-Transistor P3 wird eingeschaltet. Demgemäß wird die Signalleitung E3 auf das Versorgungspotential Vdd geladen. Ein Potential V1 einer Signalleitung E1 wird durch eine kapazitive Kopplung erhöht und durch Gleichung (2) ausgedrückt.
V1 = 2 Vdd-Vtn1 ...(2)
Da das Potential V1 ein Gate-Potential des N-Kanal-MOS-Transistors N1 übersteigt, wird der N-Kanal-MOS-Transistor N1 ausgeschaltet. Demgemäß werden die durch die Signalleitung E1 geladenen Ladungen selten zur Seite der Versorgung Vdd entladen. Weiterhin wird, da das Potential der Signalleitung E1 an ein Gate des N-Kanal-MOS-Transistors N2 angelegt wird, der N-Kanal-MOS-Transistor N2 eingeschaltet, und der Kondensator C2 wird geladen. Wenn die Begrenzerschaltung 703, die durch die P-Kanal-MOS-Transistoren P1 und P2 gebildet ist, nicht vorhanden ist, wird das Potential Vout der Signalleitung E2 erhöht, wie es durch die gestrichelte Linie in Fig. 8B gezeigt ist, und es erreicht einen Wert, der durch Gleichung (3) ausgedrickt wird, wenn von einem Schwellenwert des MOS- Transistors N2 angenommen wird, daß er Vtn2 ist.
VOUT = 2 Vdd-Vtn1-Vtn2 ...(3)
Jedoch wird diese Spannung VOUT durch die Begrenzerschaltung 703 stabilisiert (durch die Schwellenwerte Vtp1, Vtp2 der MOS-Transistoren P1 und P2 und der Versorgungsspannung begrenzt), und geändert, wie es durch die durchgezogene Linie in Fig. 8B gezeigt ist, und sie erreicht einen Wert, der durch Gleichung (4) ausgedrückt wird.
VOUT=Vdd+Vtp1 +Vtp2 ...(4)
Die Potentialdifferenz V12 zwischen der rechten Seite der Gleichung (3) und der rechten Seite der Gleichung (4) wird durch Gleichung (5) ausgedrückt.
V12=Vdd+Vtp1 +Vtp2 ...(5)
Die Begrenzerschaltung 703 dient als Konstantstromquelle und ein Strom i fließt in die Begrenzerschaltung 703.
Eine Leistung W4, die durch die Begrenzerschaltung 703 dissipiert wird, wird durch Gleichung (6) ausgedrückt.
W4=i (Vdd-(Vtn1 +Vtn2)-(Vtp1 +Vtp2)) ...(6)
Gemäß einer herkömmlichen Ladungs-Pumpschaltung, wird, wie es in Gleichung (6) gezeigt ist, die Differenz zwischen der durch die Gleichung (3) ausgedrückten Boosterspannung und dem durch die Gleichung (4) ausgedrückten begrenzten Potential um so größer, je höher die Versorgungsspannung ist, was in einer erhöhten Leistungsdissipation resultiert.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ladungs-Pumpschaltung mit niedriger Leistung und ein Boosterverfahren niedriger Leistung zu schaffen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Ladungs- Pumpschaltung folgendes auf: einen Booster-Takttreiber (100) zum Ausgeben eines Taktsignals, das sich in Antwort auf ein Taktsignal zwischen einer ersten Spannung (Vdd) und einer zweiten Spannung (Erde) ändert; eine Taktspannungs- Steuerschaltung (101, 201, 301), die mit dem Booster-Takttreiber verbunden ist, zum Erzeugen eines modifizierten Taktsignals (V3), indem ein hoher Pegel des Taktsignals auf niedriger als die erste Spannung eingestellt wird unwoder ein niedriger Pegel von ihm auf höher als die zweite Spannung eingestellt wird; eine Boosterschaltung (102), die mit der Taktspannungs-Steuerschaltung verbunden ist und mit einem Boosterkondensator (C1) versehen ist, dem das modifizierte Booster-Taktsignal zugeführt wird, und mit einem Haltekondensator (C2) zum Halten einer erhöhten Spannung, zum Empfangen der ersten Spannung und zum Erzeugen einer erhöhten Ausgangsspannung, die höher als die erste Spannung ist; und eine Begrenzerschaltung (103), die mit der Boosterschaltung (102) verbunden ist, zum Stabilisieren der Ausgangsspannung.
Beispielsweise ist die erste Spannung eine Versorgungsspannung (Vdd) und die zweite Spannung eine Erdspannung. Der Booster-Takttreiber (100) gibt das Taktsignal aus, von dem ein hoher Pegel die Versorgungsspannung (Vdd) ist und von dem ein niedriger Pegel (Erde) die Erdspannung ist.
Die Taktspannungs-Steuerschaltung (101, 301) stellt die Spannung des hohen Pegels des Taktsignals auf eine Spannung ein, die niedriger als die Versorgungsspannung ist, und/oder die Spannung des niedrigen Pegels des Taktsignals auf eine höhere Spannung als die Erdspannung. Die Taktspannungs-Steuerschaltung (101) weist folgendes auf: einen ersten N-Kanal-MOS-Transistor (N4) mit einem Strompfad, von dem ein Anschluß mit einem Ausgangsanschluß des Booster- Takttreibers (100) verbunden ist und von dem der andere Anschluß mit dem Booster-Kondensator (C1) verbunden ist; einen zweiten N-Kanal-MOS-Transistor (N6) mit einem Strompfad, von dem ein Anschluß mit dem ersten N-Kanal-MOS- Transistor (N4) verbunden ist; und einen dritten N-Kanal-MOS-Transistor (N5) mit einem Strompfad, von dem ein Anschluß mit einem Gate und dem anderen Anschluß des zweiten N-Kanal-MOS-Transistors (N6) verbunden ist und an dessen Gate und dessen anderen Anschluß eine erste Spannung angelegt ist. Die Taktspannungs-Steuerschaltung (201) weist folgendes auf: einen ersten P-Kanal- MOS-Transistor (P4) mit einem Strompfad, von dem ein Anschluß mit dem Ausgangsanschluß des Booster-Takttreibers (100) verbunden ist und von dem der andere Anschluß mit dem Booster-Kondensator (C1) verbunden ist; einen zweiten P- Kanal-MOS-Transistor (P6) mit einem Strompfad, von dem ein Anschluß mit dem ersten P-Kanal-MOS-Transistor (P4) verbunden ist; und einen dritten P-Kanal- MOS-Transistor (P5) mit einem Strompfad, von dem ein Anschluß mit dem Gateanschluß und dem anderen Anschluß des Strompfads des zweiten P-Kanal-MOS- Transistors (P6) verbunden ist und an dessen Gateanschluß und dessen anderen Anschluß eine zweite Spannung angelegt ist. Die Taktspannungs-Steuerschaltung (301) weist folgendes auf: einen vierten P-Kanal-MOS-Transistor (P4), von dem ein Gateanschluß und ein Anschluß des Strompfads mit dem Ausgangsanschluß des Booster-Takttreibers (100) und einem Anschluß des Booster-Kondensators (C1) verbunden ist, und wobei an den anderen Anschluß des Strompfades eine zweite Spannung angelegt ist; und einen vierten N-Kanal-MOS-Transistor (N4), von dem ein Gateanschluß und ein Anschluß des Strompfads mit dem Ausgangsanschluß des Booster-Takttreibers (100) und einem Anschluß des Booster- Kondensators verbunden ist, und wobei an den anderen Anschluß des Strompfades die erste Spannung angelegt ist.
Weiterhin weist ein Verfahren zum Erhöhen einer Spannung gemäß der vorliegenden Erfindung folgendes auf: einen Takterzeugungsschritt zum Ausgeben eines Taktsignals, das sich zwischen einer ersten Spannung (Vdd) und einer zweiten Spannung (Erde) in Antwort auf ein Taktsignal ändert; einen Taktmodifizierschritt zum Modifizieren eines hohen Pegels des durch den Takterzeugungsschritt erzeugten Taktsignals auf eine Spannung, die niedriger als die erste Spannung ist, und/oder zum Modifizieren seines niedrigen Pegels auf eine Spannung, die höher als die zweite Spannung ist, und zum Erzeugen eines modifizierten Taktsignals; einen Erhöhungssch ritt zum Ansteuem des Booster-Kondensators (C1) durch das modifizierte Taktsignal, um die erhöhte Spannung zu erhalten und zum Halten der erhöhten Spannung durch einen Kondensator (C2) für eine erhöhte Spannung; und einen Schritt zum Stabilisieren der durch den Erhöhungsschritt erzeugten Spannung.
Beispielsweise ist die erste Spannung eine Versorgungsspannung (Vdd) und die zweite Spannung ist eine Erdspannung. Der Takterzeugungsschritt erzeugt ein Taktsignal, von dem ein hoher Pegel die Versorgungsspannung ist und von dem ein niedriger Pegel die Erdspannung ist.
Der Taktmodifizierschritt modifiziert die Spannung mit hohem Pegel des Taktsignals auf eine Spannung, die niedriger als die Versorgungsspannung ist und/oder die Spannung mit niedrigem Pegel des Taktsignals auf eine Spannung, die höher als die Erdspannung ist.
Fig. 1 ist ein Schaltungsdiagramm einer Ladungs-Pumpschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2A ist eine Wellenform eines erhöhten Taktsignals, das der in Fig. 1 gezeigten Ladungs-Pumpschaltung zuzuführen ist;
Fig. 2B ist eine Wellenform eines Taktsignals, das einer Boosterschaltung der in Fig. 1 gezeigten Ladungs-Pumpschaltung zuzuführen ist;
Fig. 2C ist eine Wellenform einer Ausgangsspannung der in Fig. 1 gezeigten Ladungs-Pumpschaltung;
Fig. 3 ist ein Schaltungsdiagramm einer Ladungs-Pumpschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4A ist eine Wellenform eines erhöhten Taktsignals, das der in Fig. 3A gezeigten Ladungs-Pumpschaltung zuzuführen ist;
Fig. 4B ist eine Wellenform eines Taktsignals, das einer Boosterschaltung der in Fig. 3 gezeigten Ladungs-Pumpschaltung zuzuführen ist;
Fig. 4C ist eine Wellenform einer Ausgangsspannung der in Fig. 3 gezeigten Ladungs-Pumpschaltung;
Fig. 5 ist ein Schaltungsdiagramm einer Ladungs-Pumpschaltung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6A ist eine Wellenform eines erhöhten Taktsignals, das der in Fig. 5 gezeigten Ladungs-Pumpschaltung zuzuführen ist;
Fig. 6B ist eine Wellenform eines Taktsignals, das einer Boosterschaltung der in Fig. 5 gezeigten Ladungs-Pumpschaltung zuzuführen ist;
Fig. 6C ist eine Wellenform einer Ausgangsspannung der in Fig. 5 gezeigten Ladungs-Pumpschaltung;
Fig. 7 ist ein Schaltungsdiagramm einer herkömmlichen Ladungs- Pumpschaltung;
Fig. 8A ist eine Wellenform eines erhöhten Taktsignals, das der in Fig. 7 gezeigten Ladungs-Pumpschaltung zuzuführen ist; und
Fig. 8B ist eine Wellenform eines Ausgangssignals der in Fig. 7 gezeigten Ladungs-Pumpschaltung.
Nun wird ein Beispiel einer Ladungs-Pumpschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Die in Fig. 1 gezeigte Ladungs-Pumpschaltung weist folgendes auf: einen Booster- Takttreiber 100, eine Steuerschaltung 101, eine Boosterschaltung 102 und eine Begrenzerschaltung 103.
Der Booster-Takttreiber 100 enthält einen Inverter, der durch einen N-Kanal-MOS- Transistor N3 und einen P-Kanal-MOS-Transistor P3 gebildet ist.
Eine Ausgabe des Booster-Takttreibers 100 wird der Booster-Taktspannungs- Steuerschaltung 101 zugeführt. Die Booster-Taktspannungs-Steuerschaltung 101 weist einen N-Kanal-MOS-Transistor N5 auf, von dem ein Source- und ein Gateanschluß mit einer Leistungsversorgung verbunden sind, einen N-Kanal-MOS- Transistor N6, von dem ein Source- und ein Gateanschluß mit einem Drainanschluß des MOS-Transistors N5 verbunden sind, und einen N-Kanal-MOS- Transistor N4, von dem ein Gateanschluß mit einem Drainanschluß des N-Kanal- MOS-Transistors N6 verbunden ist. Ein Sourceanschluß des N-Kanal-MOS- Transistors N4 ist mit einem Ausgangsanschluß des Booster-Takttreibers 100 verbunden. Ein Drainanschluß des N-Kanal-MOS-Transistors N4 ist mit einem Anschluß eines Booster-Kondensators C1 innerhalb der Boosterschaltung 102 verbunden.
Mit dem anderen Anschluß des Booster-Kondensators C1 sind ein Drainanschluß eines N-Kanal-MOS-Transistors N1 verbunden, dessen Sourceanschluß und dessen Gateanschluß mit der Leistungsversorgung und einem Sourceanschluß und einem Gateanschluß des N-Kanal-MOS-Transistor N2 verbunden sind. Ein Drainanschluß des N-Kanal-MOS-Transistors N2 ist mit einem Kondensator C2 zum Halten eines erhöhten Potentials verbunden. Ein Knoten zwischen dem N-Kanal- MOS-Transistor N2 und dem Kondensator C2 dient als Ausgangsanschluß der Ladungs-Pumpschaltung.
Mit dem Ausgangsanschluß ist die Begrenzerschaltung 103 verbunden, die durch die P-Kanal-MOS-Transistoren P1 und P2 gebildet ist. Ein Sourceanschluß des P- Kanal-MOS-Transistors P2 ist geerdet, und eine Versorgungsspannung Vdd ist an seinen Gateanschluß angelegt. Ein Drainanschluß des P-Kanal-MOS-Transistors P2 ist mit dem Sourceanschluß und dem Gateanschluß des P-Kanal-MOS- Transistors P1 verbunden.
Nun wird eine Operation der in Fig. 1 gezeigten Ladungs-Pumpschaltung unter Bezugnahme auf die Fig. 2A bis 2C beschrieben. Fig. 2A zeigt eine Wellenform eines Taktsignals OSC. Fig. 2B ist eine Wellenform, die ein Potential V3 einer Signalleitung E3 zeigt. Fig. 2C zeigt eine Wellenform einer Ausgangsspannung VOUT.
Wenn das in Fig. 2A gezeigte Taktsignal OSC auf der Versorgungsspannung Vdd liegt, wird der N-Kanal-MOS-Transistor N3 eingeschaltet, und der P-Kanal-MOS- Transistor P3 wird ausgeschaltet. Demgemäß liegt dßr Ausgangsanschluß des Booster-Takttreibers 100 auf einem Erdpotential. Eine Spannung "Vdd-Vtn5-Vtn6", die um eine Summe jeweiliger Schwellenwerte Vtn5 und Vtn6 der N-Kanal-MOS- Transistoren N5 und N6 von der Versorgungsspannung Vdd abgefallen ist, wird dem Drainanschluß des N-Kanal-MOS-Transistors N6 innerhalb der Booster- Taktspannungs-Steuerschaltung 101 zugeführt.
Da das Source-Potential des N-Kanal-MOS-Transistors N4 auf dem Erdpotential liegt, wird der N-Kanal-MOS-Transistor N4 eingeschaltet, und die Spannung der Signalitung E3 liegt auf dem Erdpotential. Der Booster-Kondensator C1 wird durch die Versorgungsspannung Vdd über den N-Kanal-MOS-Transistor N1 geladen. Das Potential V1 der Signalleitung E1 wird durch die oben beschriebene Gleichung (1) ausgedrückt, wenn von einem Schwellenwert des MOS-Transistors N1 angenommen wird, daß er Vtn ist.
Danach wird dann, wenn das in Fig. 2A gezeigte Taktsignal OSC auf das Erdpotential geändert wird, der N-Kanal-MOS-Transistor N3 ausgeschaltet, und der P- Kanal-MOS-Transistor P3 wird eingeschaltet. Demgemäß liegt die Ausgangsspannung des Booster-Takttreibers 100 auf dem Versorgungspotential Vdd. Jedoch wird, da das Gate-Potential des N-Kanal-MOS-Transistors N4 auf "Vdd-Vtn5-Vtn6" begrenzt ist, die Spannung V3 der Signalleitung E3 nur auf einen Wert erhöht, der durch Gleichung (7) ausgedrückt wird, wie es in Fig. 2B gezeigt ist.
V3=Vdd-(Vtn4+Vtn5+Vtn6) ...(7)
Zu dieser Zeit wird die Spannung V1 der Signalleitung E1 durch eine kapazitive Kopplung erhöht und erreicht einen Wert, der durch Gleichung (8) ausgedrückt wird.
V1 =2 Vdd-Vtn1-(Vtn4+Vtn5+Vtn6) ...(8)
Da das erhöhte Potential V1 das Gate-Potential des N-Kanal-MOS-Transistors N1 überschreitet, wird der N-Kanal-MOS-Transistor N1 ausgeschaltet, und die in der Signalleitung E1 geladenen Ladungen entladen selten zur Seite der. Leistungsversorgung Vdd. Weiterhin wird das Potential V1 der Signalleitung E1 an den Gateanschluß des N-Kanal-MOS-Transistors N2 angelegt. Aus diesem Grund wird der N-Kanal-MOS-Transistor N2 eingeschaltet, und der Kondensator C2 wird geladen. Wenn die Begrenzerschaltung 103, die durch die P-Kanal-MOS-Transistoren P1 und P2 gebildet ist, nicht vorhanden ist, wird das Potential der Signalleitung E2, d.h. die Ausgangsspannung VOUT, erhöht, wie es in der gestrichelten Linie in Fig. 2C gezeigt ist, wenn vom Schwellenwert des MOS-Transistors N2 angenommen wird, daß er Vtn2 ist, und in einen Wert stabilisiert, der durch Gleichung (9) ausgedrückt wird.
VOUT=2 Vdd-Vtn1-Vtn2-(Vtn4+Vtn5+Vtn6) ...(9)
Jedoch wird diese Spannung VOUT aufgrund der Wirkung der Begrenzerschaltung 103 stabilisiert (durch die jeweiligen Schwellenwerte Vtp1 und Vtp2 der MOS- Transistoren P1 und P2 und der Versorgungsspannung begrenzt), und die Spannung VOUT wird geändert, wie es durch die durchgezogene Linie in Fig. 2C gezeigt ist, und erreicht einen Wert, der durch Gleichung (4A) ausgedrückt wird.
VOUT=Vdd+Vtp1+Vtp2 ...(4A)
Die Potentialdifferenz V12 zwischen der rechten Seite in der Gleichung (9) und der rechten Seite in der Gleichung (4A) wird durch Gleichung (10) ausgedrückt.
V12=Vdd-Vtp1-Vtp2-Vtn1-Vtn2-(Vtn4+Vtn5+Vtn6) ...(10)
Die Begrenzerschaltung 103 dient als Konstantstromquelle und ein Strom i fließt in die Begrenzerschaltung 103.
Eine durch die Begrenzerschaltung 103 dissipierte Leistung W1 wird durch Gleichung (11) ausgedrückt.
W1 =i (Vdd-(Vtn1+Vtn2)-(Vtp1+Vtp2)-(Vtn4+Vtn5+Vtn6)) ...(11)
Wie es aus dem Vergleich der Gleichung (6) und (11) klar wird, ist die dissipierte Leistung der Begrenzerschaltung 103 der Ladungs-Pumpschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung kleiner als jene einer Begrenzerschaltung einer herkömmlichen Ladungs-Pumpschaltung.
Nun wird eine Ladungs-Pumpschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben.
Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausfühwngsbeispiel darin, daß eine Booster-Taktspannungs-Steuerschaltung 201 P-Kanal-MOS- Transistoren P4, P5 und P6 aufweist.
Ein Sourceanschluß und ein Gateanschluß des P-Kanal-MOS-Transistors P5 sind geerdet und sein Drainanschluß ist mit einem Sourceanschluß und einem Gateanschluß des P-Kanal-MOS-Transistors P6 verbunden. Ein Sourceanschluß des P- Kanal-MOS-Transistors P4 ist mit einem Ausgangsanschluß des Booster- Takttreibers 100 verbunden, sein Gateanschluß ist mit dem Drainanschluß des P- Kanal-MOS-Transistors P6 verbunden, und sein Drainanschluß ist mit dem einen Anschluß des Booster-Kondensators C1 der Boosterschaltung 102 verbunden.
Nun wird eine Operation der in Fig. 3 gezeigten Ladungs-Pumpschaltung unter Bezugnahme auf die Fig. 4A bis 4C beschrieben.
Fig. 4A zeigt eine Wellenform des Taktsignals OSC. Fig. 4B zeigt eine Wellenform des Potentials V3 der Signalleitung E3. Fig. 4C zeigt eine Wellenform der Ausgangsspannung VOUT.
Wenn das in Fig. 4A gezeigte Taktsignal OSC auf dem Erdpotential liegt, wird der N-Kanal-MOS-Transistor N3 ausgeschaltet, und der P-Kanal-MOS-Transistor P3 wird eingeschaltet. Demgemäß wird die Versorgungsspannung Vdd zum Ausgangsanschluß des Booster-Takttreibers 100 geführt. Eine Summe "Vtp5+Vtp6" der jeweiligen Schwellenwerte Vtp5 und Vtp6 der P-Kanal-MOS-Transistoren P5 und P6 wird zum Drainanschluß des P-Kanal-MOS-Transistors P6 innerhalb der Booster-Taktspannungs-Steuerschaltung 201 geführt.
Da das Source-Potential des P-Kanal-MOS-Transistors P4 auf der Versorgungsspannung Vdd liegt, wird der P-Kanal-MOS-Transistor P4 eingeschaltet, und die Spannung V3 der Signalleitung E3 liegt auf der Versorgungsspannung Vdd, wie es in Fig. 4B gezeigt ist.
Danach wird dann, wenn ein Pegel des in Fig. 4A gezeigten Taktsignals OSC sich auf die Versorgungsspannung Vdd ändert, der N-Kanal-MOS-Transistor N3 eingeschaltet, und der P-Kanal-MOS-Transistor P3 wird ausgeschaltet. Demgemäß wird der Ausgangsanschluß des Booster-Takttreibers 100 bis zum Erdpotential entladen. Jedoch fällt, da das Gate-Potential des P-Kanal-MOS-Transistors P4 auf "Vtp5+Vtp6" liegt, die Spannung V3 der Signalleitung E3 nur auf einen Wert, der durch Gleichung (12) ausgedrückt wird, wie es in Fig. 4B gezeigt ist.
V3=Vt4+Vtp5+Vtp6 ...(12)
Demgemäß ändert sich die Spannung V3 der Signalleitung E3 zwischen der Versorgungsspannung Vdd und dem durch die Gleichung (12) ausgedrückten Wert, wie es in Fig. 4B gezeigt ist. Wenn keine Begrenzerschaltung 103 vorhanden ist, ändert sich das Potential VOUT der Signalleitung E2, wie es durch die gestrichelte Linie in Fig. 4C gezeigt ist, und erreicht einen durch Gleichung (13) ausgedrückten Wert.
VOUT=2 Vdd-Vtn1-Vtn2-(Vtn4+Vtn5+Vtn6) ...(13)
Jedoch wird die Spannung VOUT aufgrund der Wirkung der Begrenzerschaltung 103 in einen durch die Gleichung (4A) ausgedrückten Wert stabilisiert. Die Potentialdifferenz V12 zwischen der rechten Seite der Gleichung (13) und der rechten Seite der Gleichung (4A) wird durch Gleichung (14) ausgedrückt.
V12=Vdd-Vtp1-Vtp2-Vtn1-Vtn2-(Vtp4+Vtp5+Vtp6) ...(14)
Eine durch die Begrenzerschaltung 103 dissipierte Leistung W2 wird durch Gleichung (15) ausgedrückt.
W2=i {Vdd-(Vtn1+Vtn2)-(Vtp1+Vtp2)-(Vtp4+Vtp5+Vtp6)} ...(15)
Wie es aus dem Vergleich der Gleichungen (6) und (15) klar wird, ist die dissipierte Leistung der Begrenzerschaltung 103 in der Ladungs-Pumpschaltung gemäß dem Ausführungsbeispiel kleiner als jene der Begrenzerschaltung in der herkömmlichen Ladungs-Pumpschaltung.
Nun wird eine Ladungs-Pumpschaltung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben.
Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel darin, daß eine Booster-Taktspannungs-Steuerschaltung 301 einen P-Kanal-MOS- Transistor P4 und einen N-Kanal-MOS-Transistor N4 aufweist.
Ein Sourceanschluß des P-Kanal-MOS-Transistors P4 ist geerdet, und an einen Sourceanschluß des N-Kanal-MOS-Transistors N4 ist die Versorgungsspannung Vdd angelegt. Die Gateanschlüsse der MOS-Transistoren P4 und N4 sind gemeinsam mit dem Ausgangsanschluß des Booster-Takttreibers 100 verbunden, und ihre Drainanschlüsse sind gemeinsam mit einem Anschluß des Booster-Kondensators C1 der Boosterschaltung 102 verbunden.
Nun wird eine Operation der in Fig. 5 gezeigten Ladungs-Pumpschaltung unter Bezugnahme auf die Fig. 6A bis 6C beschrieben. Fig. 6A ist eine Wellenform des Taktsignals OSC. Fig. 6B ist eine Wellenform des Potentials V3 der Signalleitung E3. Fig. 6C zeigt eine Wellenform der Ausgangsspannung VOUT.
Wenn das in Fig. 6A gezeigte Taktsignal OSC auf dem Erdpotential liegt, wird der N-Kanal-MOS-Transistor N3 ausgeschaltet, und der P-Kanal-MOS-Transistor P3 wird eingeschaltet. Demgemäß liegt der versorgte Ausgangsanschluß des Booster- Takttreibers 100 auf dem Versorgungspotential Vdd. Aus diesem Grund wird der N-Kanal-MOS-Transistor N4 eingeschaltet, und der P-Kanal-MOS-Transistor P4 wird ausgeschaltet. Das Potential V3 der Signalleitung E3 nimmt einen Wert an, der durch Gleichung (16) ausgedrückt wird, wie es in Fig. 6B gezeigt ist, und zwar aufgrund des Schwellenwertes Vtn4 des N-Kanal-MOS-Transistors N4.
V3=Vdd-Vtn4 ...(16)
Wenn sich das in Fig. 6A gezeigte Taktsignal OSC auf das Versorgungspotential Vdd ändert, wird der N-Kanal-MOS-Transistor N3 eingeschaltet, und der P-Kanal- MOS-Transistor P3 wird ausgeschaltet. Demgemäß wird der Ausgangsanschluß des Booster-Takttreibers 100 auf einen Pegel der Erdspannung entladen. Demgemäß wird der N-Kanal-MOS-Transistor N4 ausgeschaltet, und der P-Kanal-MOS- Transistor P4 wird eingeschaltet. Aus diesem Grund fällt die Spannung V3 der Signalleitung E3 nur auf einen Wert ab, der durch Gleichung (17) ausgedrückt wird, wenn von einem Schwellenwert des P-Kanal-MOS-Transistors P4 angenommen wird, daß er Vtp4 ist.
V3=Vtp4 ...(17)
Demgemäß ändert sich die Spannung V3 der Signalleitung E3 zwischen der durch die Gleichung (17) ausgedrückten Spannung und der durch die Gleichung (16) ausgedrückten Spannung, wie es in Fig. 6B gezeigt ist. Wenn keine Begrenzerschaltung 103 vorhanden ist, ändert sich das Potential der Signalleitung E2, d.h. die Ausgangsspannung VOUT, wie es durch die gestrichelte Linie in Fig. 6C gezeigt ist und sie erreicht einen durch Gleichung (18) ausgedrückten Wert.
VOUT=2 Vdd-Vtn1-Vtn2-(Vtn4+Vtp4) ...(18)
Jedoch wird die Spannung VOUT aufgrund der Wirkung der Begrenzerschaltung 103 in einen durch die Gleichung (4A) ausgedrückten Wert.
Die Potentialdifferenz V12 zwischen der rechten Seite der Gleichung (18) und der rechten Seite der Gleichung (4A) wird durch Gleichung (19) ausgedrückt.
V12=Vdd-Vtp1-Vtp2-Vtn1-Vtn2-(Vtp4+Vtn4) ...(19)
Eine durch die Begrenzerschaltung 103 dissipierte Leistung W3 wird durch Gleichung (20) ausgedrückt.
W3=i {Vdd-(Vtn1+Vtn2)-(Vtp1+Vtp2)-(Vtp4+Vtp5)} ...(20)
Wie es aus dem Vergleich der Gleichungen (6) und (20) klar wird, ist die dissipierte Leistung der Begrenzerschaltung 103 bei der Ladungs-Pumpschaltung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kleiner als jene der Begrenzerschaltung bei der herkömmlichen Ladungs-Pumpschaltung.
Wie es oben beschrieben worden ist, ist die dissipierte Leistung der Begrenzerschaltung in der Ladungs-Pumpschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung um "i (Vtn4+Vtn5+Vtn6)" geringer als jene der Begrenzerschaltung in der in Fig. 7 gezeigten herkömmlichen Ladungs- Pumpschaltung.
Die dissipierte Leistung der Begrenzerschaltung in der Ladungs-Pumpschaltung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist um "i (Vt4+Vtp5+Vtn6)" geringer als jene der Begrenzerschaltung in der in Fig. 7 gezeigten herkömmlichen Ladungs-Pumpschaltung.
Die dissipierte Leistung der Begrenzerschaltung in der Ladungs-Pumpschaltung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist um "i (Vtp4+Vtn4)" geringer als jene der Begrenzerschaltung in der in Fig. 7 gezeigten herkömmlichen Ladungs-Pumpschaltung.
Wie es oben beschrieben worden ist, läßt ein Hinzufügen einer Spannungs- Steuerschaltung zum Steuern einer Amplitude des Boostertaktes (V3) innerhalb eines Bereiches zwischen der Versorgungsspannung Vdd und der Erdspannung zu, daß die dissipierte Leistung der Ladungs-Pumpschaltung reduziert wird.

Claims

1.Ladungs-Pumpschaltung, die folgendes aufweist:

einen Booster-Takttreiber (100) zum Ausgeben eines Taktsignals, das sich zwischen einer ersten Spannung (Vdd) und einer zweiten Spannung (Erde) in Antwort auf ein Taktsignal ändert;

eine Taktspannungs-Steuerschaltung (101, 201, 301), die mit dem Booster- Takttreiber verbunden ist, zum Erzeugen eines modifizierten Taktsignals (V3), wobei ein hoher Pegel des Taktsignals auf eine Spannung eingestellt wird, die niedriger als die erste Spannung ist, und/oder ein niedriger Pegel des Taktsignals auf eine Spannung eingestellt wird, die höher als die zweite Spannung ist;

eine Boosterschaltung (102), die mit der Taktspannungs-Steuerschaltung verbunden ist, und die mit einem Booster-Kondensator (C1) versehen ist, dem das modifizierte Taktsignal zugeführt wird, und einem Haltekondensator (C2) zum Halten einer erhöhten Spannung zum Empfangen der ersten Spannung und zum Erzeugen einer erhöhten Ausgangsspannung, die höher als die erste Spannung ist; und

eine Begrenzerschaltung (103), die mit der Boosterschaltung verbunden ist, zum Stabilisieren der Ausgangsspannung.

2. Ladungs-Pumpschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannung eine Versorgungsspannung (Vdd) ist, und die zweite Spannung eine Erdspannung ist;

der Booster-Takttreiber (100) ein Taktsignal ausgibt, von dem ein hoher Pegel auf der Versorgungsspannung (Vdd) liegt, und von dem ein niedriger Pegel auf der Erdspannung liegt; und

die Taktspannung-Steuerschaltung (101, 301) eine Schaltung zum Einstellen der Spannung des hohen Pegels des Signals auf eine Spannung ist, die niedriger als die Versorgungsspannung ist.

3. Ladungs-Pumpschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannung eine Versorgungsspannung (Vdd) und die zweite Spannung eine Erdspannung ist; der Booster-Takttreiber (100) ein Taktsignal ausgibt, von dem ein hoher Pegel auf der Versorgungsspannung liegt, und von dem ein niedriger Pegel auf der Erdspannung liegt; und

die Taktspannungs-Steuerschaltung (201, 301) eine Schaltung ist zum Einstellen des niedrigen Pegels des Taktsignals auf eine Spannung, die höher als die Erdspannung ist.

4. Ladungs-Pumpschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktspannung-Steuerschaltung (101) folgendes aufweist:

einen ersten N-Kanal-MOS-Transistor (N4), wobei ein Anschluß seines Strompfades mit einem Ausgangsanschluß des Booster-Takttreibers (100) verbunden ist, und wobei der andere Anschluß seines Strompfades mit dem Booster-Kondensator (C1) verbunden ist;

einen zweiten N-Kanal-MOS-Transistor (N6), wobei ein Anschluß seines Strompfades mit dem ersten N-Kanal-MOS-Transistor (N4) verbunden ist; und

einen dritten N-Kanal-MOS-Transistor (N5), wobei ein Anschluß seines Strompfades mit einem Gateanschluß und dem anderen Anschluß des Strompfades des zweiten N-Kanal-MOS-Transistors (N6) verbunden ist, und wobei an den anderen Anschluß seines Strompfades und seinen Gateanschluß die erste Spannung angelegt ist.

5. Ladungs-Pumpschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktspannungs-Steuerschaltung (201) folgendes aufweist:

einen ersten P-Kanal-MOS-Transistor (P4), wobei ein Anschluß seines Strompfades mit dem Ausgangsanschluß des Booster-Takttreibers (100) verbunden ist, und wobei der andere Anschluß seines Strompfades mit dem Booster-Kondensator (C1) verbunden ist;

einen zweiten P-Kanal-MOS-Transistor (P6), wobei ein Anschluß seines Strompfades mit dem ersten P-Kanal-MOS-Transistor (P4) verbunden ist; und

einen dritten P-Kanal-MOS-Transistor (PS), wobei ein Anschluß seines Strompfades mit einem Gateanschluß und dem anderen Anschluß des Strompfades des zweiten P-Kanal-MOS-Transistors (P6) verbunden ist, und wobei an den anderen Anschluß seines Strompfades und seinen Gateanschluß die zweite Spannung angelegt ist.

6. Ladungs-Pumpschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktspannungs-Steuerschaltung (301) folgendes aufweist:

einen vierten P-Kanal-MOS-Transistor (P4), wobei ein Anschluß seines Strompfades und sein Gateanschluß mit dem Ausgangsanschluß des Booster-Takttreibers (100) und dem einen Anschluß des Booster-Kondensators (C1) verbunden sind, und wobei an den anderen Anschluß seines Strompfades die zweite Spannung angelegt ist; und

einen N-Kanal-MOS-Transistor (N4), wobei ein Anschluß seines Strompfades und sein Gateanschluß mit dem Ausgangsanschluß des Booster- Takttreibers (N4) und dem einen Anschluß des Booster-Kondensators verbunden sind, und wobei an den anderen Anschluß seines Strompfades die erste Spannung angelegt ist.

7. Ladungs-Pumpschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Booster-Takttreiber (100) folgendes aufweist:

einen P-Kanal-MOS-Transistor (P3) mit einem Gateanschluß, dem das Taktsignal (OSC) zugeführt wird, einem Sourceanschluß, an den die erste Spannung angelegt wird, und einem Drainanschluß, der mit dem Ausgangsanschluß des Booster-Takttreibers verbunden ist; und

einen N-Kanal-MOS-Transistor (N3) mit einem Gateanschluß, dem das Taktsignal (OSC) zugeführt wird, einem Sourceanschluß, an den die zweite Spannung angelegt wird, und einem Drainanschluß, der mit dem Ausgangsanschluß des Booster-Takttreibers verbunden ist.

8. Ladungs-Pumpschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Boosterschaltung (102) folgendes aufweist:

einen Booster-Kondensator (C1), von dem ein Anschluß das modifizierte Taktsignal empfängt;

einen N-Kanal-MOS-Transistor (N1), wobei an einen Anschluß seines Strompfades und seinen Gateanschluß die erste Spannung angelegt wird, und wobei der andere Anschluß seines Strompfades mit dem anderen Anschluß des Booster-Kondensators (C1) verbunden ist;

einen N-Kanal-MOS-Transistor (N1), wobei ein Anschluß seines Strompfades und sein Gateanschluß mit dem anderen Anschluß des Booster- Kondensators (C1) verbunden sind, und wobei der andere Anschluß seines Strompfades mit einem Ausgangsanschluß der Boosterschaltung verbunden ist; und einen Kondensator (C2) zum Halten einer erhöhten Spannung, wobei sein Anschluß mit dem Ausgangsanschluß der Boosterschaltung verbunden ist, und wobei sein anderer Anschluß eine vorbestimmte Spannung empfängt.

9. Ladungs-Pumpschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzerschaltung folgendes aufweist:

einen P-Kanal-MOS-Transistor (P1), wobei ein Anschluß seines Strompfades mit dem Ausgangsanschluß der Boosterschaltung verbunden ist; und

den anderen P-Kanal-MOS-Transistor (P2), wobei ein Anschluß seines Strompfades mit dem anderen Anschluß des Strompfades und einem Gateanschluß des einen P-Kanal-MOS-Transistors (P1) verbunden ist, und wobei der andere Anschluß seines Strompfades die zweite Spannung empfängt, und wobei sein Gateanschluß die erste Spannung empfängt.

10. Verfahren zum Erhöhen einer Spannung, das folgende Schritte aufweist:

einen Takterzeugungsschritt zum Ausgeben eines Taktsignals, das sich in Antwort auf ein Taktsignal zwischen einer ersten Spannung (Vdd) und einer zweiten Spannung (Erde) ändert;

einen Taktmodifizierschritt zum Erzeugen eines modifizierten Taktsignals, wobei ein hoher Pegel des durch den Takterzeugungsschritt erzeugten Taktsignals auf eine Spannung eingestellt wird, die niedriger als die erste Spannung ist, und/oder ein niedriger Pegel des Taktsignals auf eine Spannung eingestellt wird, die höher als die zweite Spannung ist;

einen Erhöhungsschritt zum Ansteuern eines Booster-Kondensators (C1) durch das modifizierte Taktsignal, um eine erhöhte Spannung zu erhalten, und zum Halten der erhöhten Spannung durch einen Spannungshaltekondensator (C2); und

einen Stabilisierungsschritt zum Stabilisieren der durch den Erhöhungsschritt erzeugten Spannung.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannung eine Versorgungsspannung (Vdd) und die zweite Spannung eine Erdspannung ist;

der Takterzeugungsschritt ein Taktsignal erzeugt, von dem ein hoher Pegel die Versorgungsspannung ist und von dem ein niedriger Pegel die Erdspannung ist; und der Taktmodifizierschritt den hohen Pegel des Taktsignals auf eine Spannung modifiziert, die niedriger als die Versorgungsspannung ist.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannung eine Versorgungsspannung (Vdd) und die zweite Spannung eine Erdspannung ist;

der Takterzeugungsschritt ein Taktsignal erzeugt, von dem ein hoher Pegel die Versorgungsspannung ist und von dem ein niedriger Pegel die Erdspannung ist; und

der Taktmodifizierschritt die Spannung des niedrigen Pegels des Taktsignals auf eine Spannung modifiziert, die höher als die Erdspannung ist.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannung eine Versorgungsspannung (Vdd) und die zweite Spannung eine Erdspannung ist;

der Takterzeugungsschritt ein Taktsignal erzeugt, von dem ein hoher Pegel auf der Versorgungsspannung liegt, und von dem ein niedriger Pegel auf der Erdspannung liegt; und

der Taktmodifizierschritt eine Spannung des hohen Pegels des Taktsignals auf eine Spannung modifiziert, die niedriger als die Versorgungsspannung ist, und eine Spannung des niedrigeren Pegels des Taktsignals auf eine Spannung, die höher als die Erdspannung ist.