DE69736001T2 - Schaltkreisarchitektur für ladungspumpen - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft generell Ladepumpen und insbesondere eine verbesserte Ladepumpenschaltung mit verbesserter Anlaufzeit und reduzierter physischer Fläche zur Verwendung bei Halbleitervorrichtungen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Bei Halbleiteranwendungen wird eine Ladepumpe zum Vergrößern einer kleinen Eingangsspannung (beispielsweise Vcc) auf die größeren Spannungen verwendet, die an die Wortleitungen und Bitleitungen von Halbleiter-Speichervorrichtungen weitergeleitet werden. Diese Spannungen beeinflussen das Lesen aus der und das Schreiben in die Speichervorrichtung. Die Spannung wird durch Kanalisieren der relativ kleinen Eingangsspannung durch eine Abfolge von Stufen vergrößert. Je mehr Stufen eine Ladepumpe aufweist, desto größer ist die entstehende Ausgangsspannung.
  • Die Anlaufzeit oder Ladepumpen-Betriebszeit (die Zeit, die zum Konvertieren der Eingangsspannung Vcc in die erforderliche Ausgangsspannung benötigt wird) beeinflusst direkt die zum Lesen von Informationen aus einem und zum Schreiben von Informationen in ein spezielles Byte des Speichers benötigte Zeit. Derzeit werden Ladepumpen hergestellt, bei denen mehrere Bootstrap-Kondensatoren verwendet werden, die die gleiche Größe (Kapazität) C bei jedem jeweiligen Knotenpunkt der Ladepumpe aufweisen. Ein Bootstrap-Kondensator ist als der mit jedem jeweiligen Knotenpunkt einer Ladepumpe verbundene Kondensator definiert. Somit wird zum Reduzieren der Anlaufzeit die Kapazität jedes sukzessiven Knotenpunkts erhöht, bis das anwendungsdefinierte Geschwindigkeitserfordernis erfüllt ist.
  • Bei herkömmlichen Ladepumpen verringert sich durch Vergrößern der Kapazität bei jeder Stufe die zum Erzeugen der erforderlichen Ausgangsspannung benötigte Zeit.
  • Die Anlaufzeit verbessert sich jedoch nicht wesentlich mit der Vergrößerung der Kapazität. Die Reduzierung der Anlaufzeit erreicht eine Grenze, die nicht überschritten werden kann. Somit gibt es bei herkömmlichen Ladepumpen eine Grenze für die erreichbare Anlaufzeit.
  • Bei Erhöhung der für Anwendungen erforderlichen Spannungen vergrößert sich auch die Anzahl von Stufen, die zum Erzeugen der höheren Ausgangsspannungen benötigt werden. Ein weiterer Nachteil bei herkömmlichen Ladepumpen besteht darin, dass mit der größeren Anzahl von Stufen, die alle eine gemeinsame Kapazität aufweisen, sich die von der Ladepumpe eingenommene physische Fläche ebenfalls vergrößert.
  • Ein weiterer Nachteil bei herkömmlichen Ladepumpen besteht darin, dass bei Erhöhung der Anzahl von Stufen die zum Ansteuern der Ladepumpe erforderliche Energie aufgrund der größeren Anzahl von in der Ladepumpe vorhandenen Kondensatoren ebenfalls ansteigt.
  • Ein weiterer Nachteil bei herkömmlichen Ladepumpen besteht darin, dass bei Erhöhung der Anzahl von Kondensatoren in einer Ladepumpe sich die Effizienz der Ladepumpe verringert.
  • Somit besteht Bedarf an einer Ladepumpe mit reduzierter Anlaufzeit, die gleichzeitig eine kleinere physische Fläche auf einem Chip mit integriertem Schaltkreis einnimmt.
  • Im US-Patent Nr. 5,438,504 ist eine Spannungsmultipliziereinrichtung mit ersten, zweiten und dritten Kondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitäten beschrieben. Die Multipliziereinrichtung kann eine drei- oder mehrfache Erhöhung der Ausgangsspannung aus einer Eingangsspannung erzeugen.
  • In JP 05028786 ist eine Ladepumpenschaltung beschrieben, bei der mehrere Stufen vorgesehen sind.
  • ZUSAMMENFASSENDER ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung eliminiert die oben beschriebenen und verwandte mit herkömmlichen Ladepumpen in Zusammenhang stehende Nachteile.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer Ladepumpenschaltung, mit folgenden Schritten:
    Bereitstellen einer Eingangseinrichtung zum Empfangen eines Signals;
    Bereitstellen einer Ausgangseinrichtung zum Liefern eines modifizierten Signals; und
    Bereitstellen mehrerer zwischen der Eingangs- und der Ausgangseinrichtung geschalteter Stufeneinrichtungen zum Erzeugen des modifizierten Signals, wobei jede Stufeneinrichtung eine Kondensatoreinrichtung aufweist, die derart ausgewählt ist, dass jede Stufeneinrichtung eine unterschiedliche Kapazität aufweist,
    wobei die Kapazität Cn,Cn+1 sukzessiver von der Eingangseinrichtung zu der Ausgangseinrichtung verlaufender Stufeneinrichtungen auf einen Bootstrap-Koeffizienten k bezogen ist, der repräsentiert ist durch:
    Figure 00040001
    wobei Cn die Kapazität der einen Kondensatoreinrichtung repräsentiert und Cn+1 die Kapazität der nächsten Kondensatoreinrichtung repräsentiert, dadurch gekennzeichnet, dass Cn = Cn+1 × mwobei m einen Multiplikationsfaktor repräsentiert und
    Figure 00040002
    ist und die Kapazität jeder jeweiligen Kondensatoreinrichtung anhand der Gesamtkapazität der Ladepumpenschaltung, einer Lastkapazität der Ladepumpenschaltung und einer vorbestimmten Anlaufzeit ausgewählt ist.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Ladepumpenschaltung, die durch Anwendung des Verfahrens bereitgestellt wird.
  • Somit betrifft die vorliegende Erfindung eine neuartige Ladepumpenschaltung, bei der jede einzelne Stufe der Ladepumpe dadurch gekennzeichnet ist, dass sie im Vergleich zu den anderen Stufen einen nichtgleichförmigen Bootstrap-Kapazitätswert aufweist. Dadurch, dass nicht bei jeder Stufe die gleiche Kapazität vorhanden ist, wird die Ladepumpen-Anlaufzeit bei gleichzeitigem Bedarf an einer kleineren physischen Fläche und weniger Energie als bei herkömmlichen Ladepumpen verbessert. Diese Merkmale werden von einer Ladepumpe geboten, die aufweist: eine Eingangseinrichtung zum Erzeugen eines Signals; eine Ausgangseinrichtung zum Liefern eines modifizierten Signals und mehrere zwischen der Eingangs- und der Ausgangseinrichtung geschaltete Stufeneinrichtungen, die das modifizierte Signal erzeugen. Die mehreren Stufeneinrichtungen weisen ferner mehrere Kondensatoreinrichtungen auf, wobei jede der Kondensatoreinrichtungen einen unterschiedlichen, einzigartigen Wert aufweist.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Möglichkeit zum Verbessern der Anlaufzeit im Vergleich zu herkömmlichen Ladepumpen.
  • Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die erfindungsgemäße Ladepumpe eine kleinere physische Fläche benötigt als herkömmliche Ladepumpen.
  • Ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen Ladepumpe besteht darin, dass sie weniger Energie benötigt als herkömmliche Ladepumpen.
  • Ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen Ladepumpe besteht darin, dass sie effizienter ist als herkömmliche Ladepumpen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Diese und weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachstehenden Beschreibung der Ausführungsformen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen. Es zeigen:
  • 1 eine herkömmliche Ladepumpenarchitektur;
  • 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Ladepumpe;
  • 3 eine schematische Teildarstellung zweier Stufen der erfindungsgemäßen Ladepumpe;
  • 4 eine grafische Darstellung der Ladezeit- und -geschwindigkeitscharakteristiken der erfindungsgemäßen Ladepumpe und herkömmlicher Ladepumpen;
  • 5 eine grafische Darstellung der Spannungs- und Geschwindigkeitscharakteristiken einer erfindungsgemäßen achtstufigen Ladepumpe und einer herkömmlichen achtstufigen Ladepumpe;
  • 6 eine grafische Darstellung der physischen Fläche und der Geschwindigkeitscharakteristiken der erfindungsgemäßen Ladepumpe und einer herkömmlichen Ladepumpe.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Ladepumpenschaltung zur Verwendung bei Halbleitervorrichtungen bereit. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladepumpenschaltungsarchitektur, bei der jede Stufe der Ladepumpe einen Bootstrap-Kondensator mit einem nichtgleichförmigen Kapazitätswert aufweist. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Ladepumpen mit mehreren Stufen, bei denen die Bootstrap-Kondensatoren den gleichen Wert aufweisen.
  • 1 zeigt eine Darstellung einer herkömmlichen Ladepumpe. Wie dargestellt, weist die herkömmliche Ladepumpe 10 eine Anzahl von Stufen (Stufe 1-Stufe N) auf. Die Ladepumpe 10 weist an ihrem Eingang eine Spannung Vcc auf, die über eine Diode 12 an einen ersten Knotenpunkt (Knotenpunkt 1) übertragen wird, der einen ersten Bootstrap-Kondensator 22 mit einer Kapazität C aufweist. Ein zweiter Knotenpunkt (Knotenpunkt 2) ist über eine Diode 14 mit dem ersten Knotenpunkt (Knotenpunkt 1) verbunden und weist ebenfalls einen zweiten Bootstrap-Kondensator 24 mit einer Kapazität C auf. Das Ausgangssignal des Knotenpunkts 2 wird dann über eine Anzahl von nachfolgenden Knotenpunkten, die mit den oben beschriebenen Knotenpunkten 1 und 2 identisch sind und die ebenfalls einen Bootstrap-Kondensator mit einem Kapazitätswert C aufweisen, der mit dem Kapazitätswert C in den Knotenpunkten 1 und 2 identisch ist, weitergeleitet. Schließlich weist die herkömmliche Ladepumpe einen Ausgangsanschluss Vout auf, der ebenfalls einen Kondensator 30 mit einer Gesamtkapazität Cout aufweist, die als die Lastkapazität (CL) der mit dem Ausgang der Pumpe verbundenen Last und eine der Übertragungseinrichtung der herkömmlichen Pumpe inhärenten Parasitärkapazität (CP) definiert ist. Wie oben beschrieben, weist die Bootstrap-Kapazität sämtlicher verschiedener Knotenpunkte der Pumpe den Wert C auf.
  • Bei herkömmlichen Ladepumpen braucht, wenn die Anlaufzeit verbessert werden muss, nur der Bootstrap-Kondensator an jedem jeweiligen Knotenpunkt größer ausgeführt zu werden. Es gibt jedoch Nachteile beim kontinuierlichen Erhöhen der Kapazitäten an jedem Knotenpunkt: Anlaufzeit-Obergrenze; größerer Energiebedarf und reduzierte Effizienz.
  • Die Geschwindigkeit, mit der Ladepumpen arbeiten, ist direkt proportional zu Bootstrap-Koeffizienten k's, die wie folgt definiert sind:
    Figure 00070001
    wobei Ci die Kapazität des aktuellen Knotenpunkts ist und Ci+1 die Kapazität des als nächstes nachfolgenden Knotenpunkts ist. Wie oben beschrieben, muss bei herkömmlichen Pumpen zum Senken der Ladepumpen-Betriebszeit die Kapazität an jedem nachfolgenden Knotenpunkt erhöht werden. Wenn jedoch die Kapazität an jedem nachfolgenden Knotenpunkt erhöht wird, ist der einzige Bootstrap-Koeffizientwert (k), der erhöht wird, der Bootstrap-Koeffizientwert der Endstufe kN. Die anderen Bootstrap-Koeffizientwerte k1 - kN-1 bleiben die gleichen und sind gleich 0,5, da sämtliche Kapazitätswerte wie folgt aussehen:
    Figure 00080001
    Somit kann bei herkömmlichen Ladepumpen die Pumpen-Betriebszeit nur um einen finiten Betrag erhöht werden.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladepumpe. Die verbesserte Ladepumpe 100 weist eine Architektur mit einem mit Vcc gekoppelten Eingang 120 auf. Der Eingang 120 ist über ein Impedanzelement 121 mit einem Impedanzwert Z1 mit einer ersten Stufe gekoppelt, die einen ersten Knotenpunkt 150 mit einem Kondensator 122 mit einer Kapazität C1 aufweist.
  • Die erste Stufe ist ferner über ein Impedanzelement 123 mit einem Impedanzwert Z2 mit einer zweiten Stufe verbunden, die einen zweiten Knotenpunkt 152 mit einem Bootstrap-Kondensator 124 mit einer Kapazität C2, die sich von C1 unterscheidet, aufweist. Eine Stufe 3 mit einem Knotenpunkt 154, der einen Bootstrap-Kondensator 126 mit einer Kapazität C3 aufweist, ist über ein Impedanzelement 125 mit einem Impedanzwert Z3 mit der Stufe 2 gekoppelt. Eine Stufe 4, die einen Knotenpunkt 156 mit einem Bootstrap-Kondensator 128 mit einer Kapazität C4 aufweist, ist über ein Impedanzelement 127 mit einem Impedanzwert Z4 mit der Stufe 3 verbunden. Eine Stufe 5, die einen Knotenpunkt 158 mit einem Bootstrap-Kondensator 130 mit einer Kapazität C5 aufweist, ist über ein Impedanzelement 129 mit einem Impedanzwert Z5 mit der Stufe 4 verbunden. Eine Stufe 6, die einen Knotenpunkt 160 mit einem Bootstrap-Kondensator 132 mit einer Kapazität C6 aufweist, ist über ein Impedanzelement 131 mit einem Impedanzwert Z6 mit der Stufe 5 verbunden. Als nächstes ist eine Stufe 7, die einen Knotenpunkt 162 mit einem mit diesem gekoppelten Bootstrap-Kondensator 134 aufweist, über ein Impedanzelement 133 mit einem Impedanzwert Z7 mit der Stufe 6 verbunden. Der Bootstrap-Kondensator 134 weist eine Kapazität C7 auf, die sich im Wert von den vorhergehenden sechs Kondensatoren unterscheidet.
  • Die Stufe 7 ist über ein Impedanzelement 135 mit einem Impedanzwert Z8 mit einer Stufe 8 gekoppelt. Die Stufe 8 weist einen Knotenpunkt 164 mit einem mit diesem verbundenen Bootstrap-Kondensator 136 mit einer Kapazität C8 auf. Eine Stufe 9 mit einem Bootstrap-Kondensator 138 mit einer Kapazität C9 ist über ein Impedanzelement 137 mit einem Impedanzwert Z9 mit der Stufe 8 verbunden. Die Stufe 9, die Endstufe der erfindungsgemäßen Ladepumpe, weist einen Knotenpunkt 168 auf, mit dem der Bootstrap-Kondensator 138 über das Impedanzelement 137 mit der Impedanz Z9 gekoppelt ist. Die Endstufe (Stufe 9) ist über eine Diode 139 mit dem Ausgangsanschluss der Ladepumpe Vout gekoppelt. Der Ausgangsanschluss Vout ist ferner mit einem Lastkondensator 140, der als CL bezeichnet ist, gekoppelt. CL repräsentiert die Gesamtkapazität an dem Ausgang der Ladepumpe Vout. Die in der erfindungsgemäßen Ladepumpe verwendeten Kondensatoren weisen alle eine Oxiddicke im Bereich von 150 Å-350Å auf.
  • Ferner sind mit jeder Stufe der Ladepumpe 100 einander nicht überlappende Taktgeber Φ und Φ verbunden, die von 0 bis Vcc oszillieren.
  • Bei einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die in 2 gezeigte Ladepumpe neun Stufen auf und erzeugt eine Ausgangsspannung von ungefähr 20 Volt. Ferner sind bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Impedanzelemente 121, 123, 125, 127, 129, 131, 133, 135 und 137 Dioden. Bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Impedanzelemente von als Dioden geschalteten MOSFETs gebildet, die die Wirkung haben, einen vorgegebenen Strom von einer Stufe zur nächsten zu transferieren. Bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Bootstrap-Kondensatoren der Stufen die nachstehend in Tabelle 1 aufgeführten Kapazitäten auf.
  • TABELLE 1
    Figure 00100001
  • Zu Erläuterungszwecken sind die Bootstrap-Kondensatoren 122, 124, 126, 128, 130, 132, 134, 136 und 138 als Kondensatoren mit Kapazitätswerten C1-C9 repräsentiert. In der Praxis weist der Bootstrap-Kondensator einer speziellen Stufe n jedoch den Wert der Bootstrap-Kapazität am Knotenpunkt n plus die Parasitärkapazität am Knotenpunkt n auf. Beispielsweise umfasst die Gesamtkapazität C2 an der Stufe 2 die als CB2 bezeichnete Bootstrap-Kapazität am Knotenpunkt 2 plus die als CP2 bezeichnete Parasitärkapazität, die ebenfalls am Knotenpunkt 2 vorhanden ist. Die Kapazität am Ausgang Vout ist äquivalent zu der Kapazität der mit dem Ausgang verbundenen Last CL plus der Parasitärkapazität CP am Ausgangsanschluss.
  • Weitere der in 2 gezeigten Ladepumpe zugeordnete Werte umfassen die Anfangsspannung Vinit zu der Pumpe, die Spannungsschwankung am Knotenpunkt N, die wie folgt dargestellt ist:
    Figure 00100002
    und den Spannungsabfall durch jedes Impedanzelement, der durch Vpass repräsentiert ist. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist Vinit an jedem Knotenpunkt gleich Vcc, während Vpass = 0 ist.
  • Bei Ladepumpen lädt zu einem Zeitpunkt t jeder einzelne Knotenpunkt entweder einen nachfolgenden Knotenpunkt, oder er wird von einem vorhergehenden Knotenpunkt geladen. Zu Erläuterungszwecken sei angenommen, dass V[n,t] die Spannung am Knotenpunkt n zu einem willkürlichen Zeitpunkt t ist. Der Zeitpunkt t wird bei jeder T/2-Taktzyklus-Inkrementierung gemessen, wobei T die Taktperiode ist. Es sei angenommen, dass ein willkürlich ausgewählter Knotenpunkt n (n ist weder 0 noch 1) zu einem willkürlichen Zeitpunkt t geladen wird, dann erhöht sich die Spannung an dem Knotenpunkt n um einen Betrag ΔVn, der wie folgt repräsentiert ist: ΔVn = ((V[n-1,t-1] + Vswn-1) – V[n,t-1])·kn-1 (4)wobei V[n-1,t-1] die zum Zeitpunkt t-1 an dem vorhergehenden Knotenpunkt vorhandene Spannung ist; Vswn-1 die Spannungsschwankung des vorhergehenden Knotenpunkts ist; und V[n,t-1] der Wert der zu einem vorhergehenden Zeitpunkt t-1 an dem aktuellen Knotenpunkt vorhandenen Spannung ist; und kn-1 den Bootstrap-Koeffizienten repräsentiert, der wie folgt dargestellt ist:
    Figure 00110001
    wobei Cn-1 die Bootstrap-Kapazität des vorhergehenden Knotenpunkts ist und Cn die Bootstrap-Kapazität des aktuellen Knotenpunkts ist.
  • Wenn der Knotenpunkt n einen nachfolgenden Knotenpunkt in der Ladepumpe lädt, sinkt die Knotenpunkt-Spannung um einen Betrag ΔVn, der wie folgt repräsentiert ist: ΔVn = ((V[n,t-1] + Vswn) – V[n+1,t-1])·(1-kn) (6)wobei V[n,t-1] der Wert der zu einem Zeitpunkt t-1 an dem aktuellen Knotenpunkt vorhandenen Spannung ist; Vswn die Spannungsschwankung des aktuellen, gerade einen Ladevorgang durchführenden Knotenpunkts ist; V[n+1, t-1] die zu einem Zeitpunkt t-1 an dem nachfolgenden Knotenpunkt vorhandene Spannung ist; und kn der Bootstrap-Koeffizient ist, der wie folgt repräsentiert ist:
    Figure 00120001
    wobei Cn die Bootstrap-Kapazität am Knotenpunkt n repräsentiert und Cn+1 die Bootstrap-Kapazität des vorhergehenden Knotenpunkts repräsentiert.
  • Um eine schnelle Anlaufzeit zu erreichen, sollte ΔVn groß sein, wenn der aktuelle Knotenpunkt n geladen wird, sie sollte jedoch klein sein, wenn der Knotenpunkt n den nächsten Knotenpunkt lädt. Diese beiden Bedingungen sind erfüllt, wenn die Bootstrap-Koeffizienten k (0 < k < 1) größer sind. Bei herkömmlichen Pumpen haben die Bootstrap-Koeffizienten k1-kN-1 einen festen Wert von 0,5, da die Bootstrap-Kapazität der aktuellen Stufe der Bootstrap-Kapazität sowohl der vorhergehenden als auch der nachfolgenden Stufen gleich ist. Dies gilt nicht für den Bootstrap-Koeffizienten des letzten Knotenpunkts kN, da sich die Bootstrap-Kapazität CN der Endstufe von der Lastkapazität CL am Ausgang unterscheidet, d.h. CN ≠ CL.
  • Die Ausgangsspannung Vout wird wie nachstehend aufgeführt repräsentiert. Es sei angenommen, dass V[O,t] = Vcc und V[1,t] = Vcc, wobei die Spannungsänderung des aktuellen Knotenpunkts wie folgt repräsentiert ist: Vcd[n,t] = V[n,t-1] + ((V[n-1,t-1] + Vswn-1) – V[n,t-1]·kn-1 (8)wenn der Knotenpunkt von einem vorhergehenden Knotenpunkt geladen wird, und: Vcs[n,t] = V[n,t-1] – ((V[n,t-1] + Vswn) – V[n+1],t+1])(1-kn) (9)wenn die aktuelle Stufe n eine nachfolgende Stufe lädt. Die Ausgangsspannung der Ladepumpe wird wie folgt repräsentiert:
    Figure 00130001
    wenn der Ausgang von einem vorhergehenden Knotenpunkt geladen wird, und
    Figure 00130002
    wenn der Ausgang nicht von dem vorhergehenden Knotenpunkt geladen wird. Somit kann die Spannung für einen beliebigen Knotenpunkt mit den oben aufgeführten Gleichungen ermittelt werden.
  • Die Funktion der verbesserten Ladepumpe wird nun anhand von 3 beschrieben. 3 zeigt eine zweistufige Ladepumpe 200 mit den gleichen Funktionscharakteristiken wie die anhand von 2 beschriebene neunstufige Ladepumpe 100. Im Betrieb wird jeder Knotenpunkt der Ladepumpe 200 entweder von einem vorhergehenden Knotenpunkt geladen, oder er lädt einen nachfolgenden Knotenpunkt.
  • Jetzt wird die in 3 gezeigte zweistufige Ladepumpe 200 betrachtet. Zu Erläuterungszwecken sei angenommen, dass der Spannungsabfall über eine Diode 220 ungefähr 0 beträgt. In diesem Fall gibt es zwei Bootstrap-Koeffizienten k1 und k2, wobei k1 wie folgt repräsentiert ist:
    Figure 00140001
    wobei C1 die Bootstrap-Kapazität am Knotenpunkt 1 ist und C2 die Bootstrap-Kapazität am Knotenpunkt 2 ist, wobei k2 wie folgt repräsentiert ist:
    Figure 00140002
    wobei C2 die Bootstrap-Kapazität am Knotenpunkt 2 ist und CL die Ausgangs-Lastkapazität ist.
  • Es sei angenommen, dass die Spannungsschwankung am Knotenpunkt 1 und am Knotenpunkt 2 gleich Vcc ist und die Anfangsspannungen am Knotenpunkt 1, Knotenpunkt 2 und Vout 0 sind. Vcc am Eingang 211 läuft durch eine Diode 1 221, was zu einem Laden des Kondensators 222 auf Vcc führt. An dieser Stelle ist bei dem Knotenpunkt 1 die gleiche Spannung Vcc am Eingang 211 vorhanden. Der Strom vom Knotenpunkt 1 fließt über eine Diode 2 223 zum Knotenpunkt 2. Somit beträgt die Spannung am Knotenpunkt 2 beim nächsten Halbzyklus: (V(1,0) + Vcc)·k1 – (Vcc + Vcc)·k1 – 2Vcc·k1 (14) Vout beträgt einen Halbzyklus später: (V[2,1] + Vcc)·k2 – 2V2·k1 + Vcc·k2 – 2Vcc·k1·k2 + Vcc·k2 (15)
  • Der daraus resultierende Strom vom Knotenpunkt 2 (Iout) läuft durch die Diode 220 zu dem Ausgang der Ladepumpe, wobei die Ausgangsspannung Vogt erzeugt wird.
  • Bei einer erfindungsgemäßen N-stufigen Ladepumpe kann die Anlaufzeit wie folgt repräsentiert sein: F1(kN)·F2(k1,k2...kn-1) (16)wobei kN der Bootstrap-Koeffizient des letzten Knotenpunkts der Ladepumpe ist; F1(kN) eine Anstiegsfunktion relativ zu kN ist und F2(k1,k2,...kn-1) eine Anstiegsfunktion relativ zu k1,k2,...kn-1 ist. Wie dargestellt, ist die Anlaufzeit der Ladepumpe direkt proportional zu den Bootstrap-Koeffizienten der Stufen. Bei der erfindungsgemäßen Ladepumpe ist der Bootstrap-Koeffizientwert k gleich 0,574, was einen Multiplikationsfaktor m von 1,35 repräsentiert, wobei der Multiplikationsfaktor (m) äquivalent zu folgendem ist:
    Figure 00150001
  • Der Multiplikationsfaktor zeigt an, wie viel größer die Bootstrap-Kapazität der vorhergehenden Stufe im Vergleich zu der Bootstrap-Kapazität der aktuellen Stufe ist.
  • 4 zeigt einen Vergleich zwischen der Anlaufzeit der erfindungsgemäßen Ladepumpe (durch Linie 1 repräsentiert) und der Anlaufzeit der her kömmlichen Pumpe (durch Linie 2 repräsentiert). Wie in 4 gezeigt, ist nach der gleichen Ladezeit die Ausgangsspannung der erfindungsgemäßen Ladepumpe um 33 % größer als die der herkömmlichen Pumpe.
  • 5 zeigt einen Vergleich der Ladecharakteristiken einer erfindungsgemäßen achtstufigen Ladepumpe (Linie A) und der Ladecharakteristiken einer herkömmlichen Pumpe, die ebenfalls acht Stufen aufweist (Linie B), wobei die Endstufe sowohl der herkömmlichen Ladepumpe als auch der erfindungsgemäßen Ladepumpe die gleiche Kondensatorgröße hat. Gemäß 5 ist nach derselben Zeit die von der erfindungsgemäßen Ladepumpe erzeugte Ausgangsspannung (9,50) um 42 % größer als die der herkömmlichen Pumpe (5,50) mit der gleichen Anzahl von Stufen.
  • 6 zeigt eine grafische Darstellung der Anlaufzeitverbesserung der erfindungsgemäßen Ladepumpe gegenüber der einer herkömmlichen Pumpe mit der gleichen Fläche. Zu Erläuterungszwecken ist eine Lastkapazität CL von 100 pF mit dem Ausgang der in 2 gezeigten Schaltung gekoppelt und wird ein Laststrom Iload von 20 μA angenommen. Die herkömmliche Pumpe ist mit 13 Stufen dargestellt. Die erfindungsgemäße Ladepumpe ist mit neun Stufen dargestellt. Die Anzahl von Stufen wurde von den Erfindern derart festgelegt, dass die schnellste Anlaufzeit bei einer vorgegebenen Ausgangsspannung von 20 V erreicht wurde. Es sei darauf hingewiesen, dass die in 6 gezeigten Kurven durch Anwendung der Gleichungen 3-10 erzeugt wurden. Wie dargestellt, ist die Geschwindigkeit der erfindungsgemäßen Ladepumpe viel besser als die Geschwindigkeit der herkömmlichen Pumpe. Beispielsweise sei angenommen, dass bei einer Anwendung eine Anlaufzeit von 1,5 μA erforderlich ist. Die herkömmliche Ladepumpe kann aufgrund der inhärenten Begrenzung der Bootstrap-Kapazitäten die Geschwindigkeitsanforderung nicht erfüllen, ganz gleich wie groß die Bootstrap-Kondensatoren ausgeführt sind. Herkömmliche Ladepumpen haben eine Höchstgrenze von ungefähr 1,7 μs, wohingegen Anlaufzeiten von ungefähr 1 μs bei Anwendung der erfindungsgemäßen Ladepumpen erreichbar sind.
  • 6 bietet ferner das Mittel zum Ermitteln des Bootstrap-Koeffizienten k, der zum Herstellen einer optimierten Ladepumpe erforderlich ist. Die allgemeine Regel lautet, dass der Bootstrap-Koeffizient k entsprechend der erforderlichen Geschwindigkeit gewählt werden sollte. Somit ist, wie in 6 dargestellt, wenn die erforderliche Geschwindigkeit ungefähr 1,5 μs beträgt, ein Multiplikationsfaktor von 1,2 oder größer zufriedenstellend. Wenn die erforderliche Geschwindigkeit zwischen 1,25 μs und 1,5 μs liegt, ist ein Multiplikationsfaktor von 1,3 oder größer zufriedenstellend. Und bei einer erforderlichen Geschwindigkeit von ungefähr 1 μs und weniger wird ein Multiplikationsfaktor von 1,5 oder größer benötigt.
  • 6 dient ferner zum Ermitteln der Gesamtfläche der entstandenen Ladepumpe. Folgende Schritte werden zum Ermitteln der für die Ladepumpe benötigten Fläche angewendet:
    • 1. Ermitteln der für die spezielle Anwendung erforderlichen Anlaufzeit. Bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sei die erforderliche Anlaufzeit mit 2 μs angenommen.
    • 2. Als nächstes Ziehen einer vertikalen Linie von der erforderlichen Anlaufzeit zu der Kurve mit der kleinsten Fläche. Dies ist in 6 durch die Linie V repräsentiert. Die Stelle 300, an der sich die vertikale Linie V und die Kurven kreuzen, entspricht dem Multiplikationsfaktor m zum Ermitteln der Größe der Kondensatoren für jede Stufe der erfindungsgemäßen Ladepumpe. Wie in 6 gezeigt, beträgt der zum Erreichen der Anlaufzeit von 2 μs erforderliche Multiplikationsfaktor 1,3.
    • 3. Ziehen einer horizontalen Linie (Linie NN) von dem Kreuzungspunkt 300 zu der vertikalen Achse. Dies entspricht dem Verhältnis der Gesamtkapazität zu der Lastkapazität der Ladepumpe. Bei der speziellen vorgesehenen Anwendung ist das Verhältnis gleich 10. Als nächstes wird dieser Wert mit der benutzerdefinierten Lastkapazität multipliziert. Der daraus resultierende Wert repräsentiert den Gesamtkapazitätswert der Ladepumpe.
    • 4. Bestimmen der Fläche der Ladepumpe durch Dividieren der in Schritt 3 ermittelten Gesamtkapazität durch den Konvertierwert:
      Figure 00180001
      was zu der Gesamtfläche der Ladepumpe in Einheiten von μm2 führt. Der Konvertierfaktor hängt von der Oxiddicke der Kondensatoren ab. Der oben genannte Konvertierwert wird angewendet, wenn die Bootstrap-Kondensatoren eine Oxiddicke von ungefähr 150 Å haben. Zum Konvertieren der Gesamtfläche in mil2 wird die in Schritt 4 ermittelte Gesamtfläche mit dem Konvertierfaktor 1/645 multipliziert.
  • Das gleiche Verfahren kann zum Ermitteln der für eine herkömmliche Ladepumpe benötigten Gesamtkapazität angewendet werden, um die erforderliche Anlaufzeit von 2 μs zu erreichen. Wie in 6 gezeigt, führt das Ziehen einer horizontalen Linie (Linie CC) von der Kreuzung der Anlaufzeit-Linie der herkömmlichen Pumpe mit der Sollgeschwindigkeit 302 zu einem Verhältnis der Gesamtkapazität zu dem Lastkapazitätsverhältnis von ungefähr 23. Dies führt wiederum zu einer Gesamtkapazität von ungefähr 2300 pF bei Annahme einer Lastkapazität von 100 pF. Somit beträgt die für eine herkömmliche Ladepumpe benötigte Gesamtkapazität ungefähr das 2,3-Fache der für die erfindungsgemäße Ladepumpe benötigten Kapazität.
  • Dieses Verfahren kann zum Ermitteln der Gesamtfläche einer Ladepumpe mit einer beliebigen Anzahl von Stufen und erforderlichen Anlaufzeiten angewendet werden. Bei der in 2 gezeigten neunstufigen Ladepumpe beträgt die für eine Ladepumpe, die eine Anlaufzeit von ungefähr 2 μs aufweist und eine Ausgangsspannung von 20 V liefert, benötigte Gesamtfläche unge fähr 775 mil2. Dies steht im Gegensatz zu den ungefähr 1.780 mil2, die für die herkömmlichen Pumpe benötigt werden, damit diese die gleiche Anlaufzeit erreicht. Somit muss, wie oben dargestellt, zum Erreichen einer Anlaufzeit von ungefähr 2 μs die herkömmliche Pumpe das 2,3-Fache der Größe der erfindungsgemäßen Ladepumpe aufweisen.
  • Durch Ermitteln des Multiplikationsfaktors und der für eine spezielle Anwendung (Zeiterfordernis) benötigten Gesamtkapazität kann die Größe der Kondensatoren für jede Stufe der Ladepumpe ermittelt werden. Die Schritte zum Ermitteln der Größen der einzelnen Kondensatoren sind wie folgt:
    • 1. Ermitteln des Multiplikationsfaktors für die Ladepumpe. (Siehe Schritt 2 oben).
    • 2. Ermitteln der für die Anwendung erforderliche Gesamtkapazität. Die Gesamtkapazität für die erfindungsgemäße neunstufige Ladepumpe ist wie folgt repräsentiert: Ctotal = m8CN + m7CN + m6CN+ ... + mCN + CN = CN(m8 + m7 + m6 + ... + m + 1) (18)wobei Ctotal die Gesamtkapazität der erfindungsgemäßen Ladepumpe repräsentiert; CN die Kapazität der Endstufe repräsentiert; und m den oben in Schritt 1 ermittelten Multiplikationsfaktor repräsentiert. (Siehe Schritt 3 oben).
    • 3. Ermitteln der Kapazität der Endstufe der Ladepumpe durch Lösen der vorstehenden Gleichung 18 hinsichtlich C9:
      Figure 00190001
      wobei Ctotal die Gesamtkapazität der erfindungsgemäßen Ladepumpe repräsentiert, C9 den Bootstrap-Kapazitätswert der Endstufe der Ladepumpe repräsentiert und m den in Schritt 1 ermittelten Multiplikationsfaktor repräsentiert.
    • 4. Nach dem Ermitteln der Größe des Endstufen-Kondensators in Schritt 3 wird die Größe jedes Bootstrap-Kondensators in umgekehrter Reihenfolge durch Multiplizieren des Kapazitätswerts des Kondensators der vorhergehenden Stufe mit dem Multiplikationsfaktor ermittelt.
  • Für die Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens sind die für die erfindungsgemäße neunstufige Ladepumpe benötigten Kondensatoren oben in Tabelle 1 aufgeführt.
  • Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient nur der Erläuterung und Darstellung. Sie erhebt nicht den Anspruch auf Vollständigkeit, und sie schränkt die Erfindung nicht auf die genaue offenbarte Form ein.
  • Eine Ladepumpe mit einer verbesserten Anlaufzeit wurde ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung am besten zu erläutern, um es dadurch Fachleuten auf dem Sachgebiet zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Modifikationen, die für die spezielle vorgesehene Verwendung geeignet sind, am besten zu nutzen. Der Umfang der Erfindung ist durch die beiliegenden Patentansprüche definiert.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Bereitstellen einer Ladepumpenschaltung, mit folgenden Schritten: Bereitstellen einer Eingangseinrichtung (120) zum Empfangen eines Signals; Bereitstellen einer Ausgangseinrichtung zum Liefern eines modifizierten Signals; und Bereitstellen mehrerer zwischen der Eingangs- und der Ausgangseinrichtung geschalteter Stufeneinrichtungen (150, 122; 152, 124...168, 138) zum Erzeugen des modifizierten Signals, wobei jede Stufeneinrichtung eine Kondensatoreinrichtung (122–138) aufweist, die derart ausgewählt ist, dass jede Stufeneinrichtung eine unterschiedliche Kapazität aufweist, wobei die Kapazität Cn,Cn+1 sukzessiver von der Eingangseinrichtung zu der Ausgangseinrichtung verlaufender Stufeneinrichtungen auf einen Bootstrap-Koeffizienten k bezogen ist, der repräsentiert ist durch:
    Figure 00210001
    wobei Cn die Kapazität der einen Kondensatoreinrichtung repräsentiert und Cn+1 die Kapazität der nächsten Kondensatoreinrichtung repräsentiert, dadurch gekennzeichnet, dass Cn = Cn+1·mwobei m einen Multiplikationsfaktor repräsentiert und
    Figure 00220001
    ist und die Kapazität jeder jeweiligen Kondensatoreinrichtung anhand der Gesamtkapazität der Ladepumpenschaltung, einer Lastkapazität der Ladepumpenschaltung und einer vorbestimmten Anlaufzeit ausgewählt ist.
  2. Ladepumpenschaltung, die gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 bereitgestellt ist.
  3. Ladepumpenschaltung nach Anspruch 2, bei der die Ladepumpe eine Anzahl N von Stufeneinrichtungen aufweist, wobei N eine ganze Zahl größer als 2 ist.
  4. Ladepumpenschaltung nach Anspruch 3, bei der die Anzahl N von Stufeneinrichtungen gleich 9 ist.
  5. Ladepumpenschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, ferner mit einer zwischen jeder Stufeneinrichtung geschalteten Impedanzeinrichtung (121, 123 ... 137).
  6. Ladepumpenschaltung nach Anspruch 5, bei der die Impedanzeinrichtung eine Diode aufweist.
  7. Ladepumpenschaltung nach Anspruch 5, bei der die Impedanzeinrichtung einen als Diode geschalteten MOS-Transistor aufweist.
  8. Ladepumpenschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei der k eine positive ganze Zahl größer als 0 ist.
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