JP2002233134A - チャージポンプ回路 - Google Patents

チャージポンプ回路

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JP2002233134A
JP2002233134A JP2001025154A JP2001025154A JP2002233134A JP 2002233134 A JP2002233134 A JP 2002233134A JP 2001025154 A JP2001025154 A JP 2001025154A JP 2001025154 A JP2001025154 A JP 2001025154A JP 2002233134 A JP2002233134 A JP 2002233134A
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pump circuit
charge pump
charge
connection point
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Takao Nano
隆夫 名野
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Sanyo Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高効率で大出力電流のチャージポンプ回路を
提供する。 【解決手段】 クロックパルスに応じて電荷転送用MO
SトランジスタM1〜M4のオンオフを制御するレベル
シフト回路S1〜S4と、チャージポンプ回路の途中段
から分岐して、正の昇圧電圧を出力する分岐チャージポ
ンプ回路BCと、を設け、レベルシフト回路S3,S4
の高電位側の電源として分岐チャージポンプ回路BCの
各段の出力V4,V5を用いることにより、チャージポ
ンプ回路の電荷転送用MOSトランジスタM1〜M4が
オンする時にそのゲート・ソース間電圧が一定値となる
ようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電源回路等に用い
られるチャージポンプ回路に関し、特に高効率、大電流
出力を可能としたチャージポンプ回路に関する。
【0002】
【従来の技術】近年のビデオカメラ、デジタルスチール
カメラ(DSC)、DSCフォーン等の映像機器は、その映像
を取り込むためにCCD(Charge Coupled Devices)を使
用している。CCDを駆動するためのCCD駆動回路は、プラ
ス、マイナスの高電圧(十数V)で且つ大電流(数mA)
の電源回路を必要とする。現在、この高電圧はスイッチ
ングレギュレータを用いて生成している。
【0003】スイッチングレギュレータは高性能、即ち
高い電力効率(出力電力/入力電力)にて、高電圧を生
成することができる。しかし、この回路は電流のスイッ
チング時に高調波ノイズを発生する欠点があり、電源回
路をシールドして用いなければならない。更に外部部品
としてコイルを必要とする。
【0004】一方チャージポンプ回路は、小ノイズで高
電圧を生成できるが、従来より電力効率が悪いという欠
点があり、電力効率を最優先の仕様とする携帯機器の電
源回路として、これを使用することはできない。そこ
で、高性能のチャージポンプ回路が実現できれば、携帯
機器の小型化に貢献できる。
【0005】従来の最も基本的なチャージポンプ回路と
してディクソン(Dickson)チャージポンプ回路が知ら
れいる。この回路は、例えば技術文献「John F.Dickson
On-chip High-Voltage Generation in MNOS Integrate
d Circuits Using an Improved Voltage Multiplier Te
chnique IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCU ITS,VOL.
SC-11,NO.3 pp.374-378 JUNE 1976.」に詳しく記載され
ている。
【0006】図8は4段のディクソン・チャージポンプ
回路を示す概略回路図である。図8において5つのダイ
オードが直列接続されている。Cは結合容量、CLは出
力容量、CLKとCLKBは互いに逆相の入力クロック
パルスである。また、51はクロックドライバー、52
は電流負荷である。
【0007】安定状態において、出力に定電流Iout
が流れる場合、チャージポンプ回路への入力電流は、入
力電圧Vinからの電流とクロックドライバーから供給
される電流となる。これらの電流は、寄生容量への充放
電電流を無視すると次のようになる。Φ1= ハイ(Hig
h)、Φ2=ロウ(Low)の期間、図中の実線矢印の方向
に2Ioutの平均電流が流れる。
【0008】また、Φ1=ロウ(Low)、Φ2= ハイ(Hig
h)の期間、図の破線矢印の方向に2Ioutの平均電
流が流れる。クロックサイクルでのこれらの平均電流は
全てIoutとなる。安定状態におけるチャージポンプ
回路の昇圧電圧Voutは以下のように表わされる。
【0009】
【数1】
【0010】ここで、Vφは各接続ノードにおいて、ク
ロックパルスの変化に伴い結合容量によって生じる電圧
振幅である。Vlは出力電流Ioutによって生じる電
圧降下、Vinは入力電圧であり、通常プラス昇圧では
電源電圧Vdd、マイナス昇圧では0Vとしている。V
dは順方向バイアスダイオード電圧(Forward bias dio
de voltage)nはポンピング段数である。更に、Vl
φは次式で表される。
【0011】
【数2】
【0012】
【数3】
【0013】ここで、Cはクロック結合容量(clock cou
pling capacitance)、CSは各接続ノードにおける寄生
容量(stray capacitan ce at each node)、Vφはクロッ
クパルスの振幅(clock pulse amplitude)、fはクロ
ックパルスの周波数、Tはクロック周期(clock period)
である。チャージポンプ回路の電力効率は、クロックド
ライバーから寄生容量に流れる充放電電流を無視し、V
in=Vddとすると以下の式で表される。
【0014】
【数4】
【0015】このように、チャージポンプ回路において
は、ダイオードを電荷転送素子(charge transfer devic
e) として用いて電荷を次段へと次々に転送することに
より昇圧を行っている。しかし、MOS集積回路への搭
載を考えるとプロセスへの適合性からpn接合のダイオ
ードよりMOSトランジスタを使用する方が実現しやす
い。そこで、電荷転送用素子としてダイオードの代わり
にMOSトランジスタを用いることが提案された。この
場合は式(1)において、VdはMOSトランジスタの
閾値電圧(threshold voltage)Vthとなる。
【0016】さて、閾値電圧Vth分の電圧ロス(voltage
loss)を無くし、高性能チャージポンプ回路を実現する
には、Ioutの値に対応して電荷転送用MOSトランジス
タのインピーダンスを下げねばならない。そのために
は、電荷転送用MOSトランジスタのチャネル幅を最適
化すると同時に、そのゲート・ソース間電圧Vgsを電
源電圧Vdd以上に上げることが効果的である。これを
実現したチャージポンプ回路は例えば、技術文献「Jieh
-Tsorng Wu MOS Charge Pumps for Low-VoltageOperati
on IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS.VOL.33,NO.
4 APRIL 1998」に詳細に記載されている。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】本発明者は上記技術文
献のチャージポンプ回路を検討したところ、以下の問題
点を見出した。同文献に掲載された1つのチャージポン
プ回路の回路図を図9に示す。図中、MD1〜MD4は
各ポンプノードの初期設定用のダイオードでありポンピ
ング動作には寄与しない。この回路の特徴は電荷転送用
MOSトランジスタMS1〜MS3のゲート・ソース間
電圧Vgsとして昇圧した後段のポンピングノードの電
圧を戻して、2Vddを与えている点である。しかし、
最終段の電荷転送用MOSトランジスタMS4について
はVgsとして2Vddを与えるのが困難であり、電圧
ロスが生じるのを避けられない。
【0018】上記文献に掲載された他のチャージポンプ
回路は図10に示すダイナミック方式のチャージポンプ
回路である。この回路は、MOSトランジスタMD4の
VgsがVdd+(Vdd-Vth)、更にMOSトランジ
スタMD0のVgsが(Vdd−Vth)と低下するのを
回避するためにブートストラップ(boot-strap)方式の高
電圧クロック発生器(High-voltage clock generator)
を用いている。また、全ての電荷転送用MOSトランジ
スタMS1〜MS4はNチャネル型で構成されている。
【0019】この方式は電流負荷が小さいときには、電
荷転送用MOSトランジスタサイズが小さく、即ちゲー
ト寄生容量が小さいので効果的である。しかし大電流出
力のチャージポンプ回路を実現するためには、電荷転送
用MOSトランジスタのチャネル幅を数mmとしなけれ
ばならず、この結果MOSトランジスタのゲート寄生容
量が大(数pF)となり、ブートストラップ方式により
2Vddのクロックを作ることが至難となる。また、後
段の電荷転送用MOSトランジスタのソース・ドレイン
間電圧Vgsとして、電源電圧Vdd以上の電圧を印加
する手法を別途考案しなければならないという欠点があ
った。
【0020】本発明は上記従来技術の問題点を解決する
課題に鑑みて為されたものであり、電荷転送用MOSト
ランジスタの閾値電圧Vthに起因する電圧ロスを無くし
て高効率かつ大出力電流のチャージポンプ回路を提供す
ることを目的とする。
【0021】また、本発明は全ての電荷転送用MOSト
ランジスタのゲートソース間電圧Vgsを略一定値とす
ることによりゲート酸化膜耐圧を確保すると共に電荷転
送用MOSトランジスタの最適設計を可能にすることを
目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】本発明のチャージポンプ
回路は、直列接続された複数の電荷転送用トランジスタ
と、これらの電荷転送用トランジスタの各接続点に一端
が接続された結合コンデンサと、前記結合コンデンサの
他端に交互に逆相のクロックパルスを供給するクロック
ドライバーと、前記電荷転送用トランジスタの接続点か
ら分岐して設けられた分岐チャージポンプ回路と、この
分岐チャージポンプ回路の出力に応じて、前記電荷転送
用トランジスタのオンオフを制御する制御回路と、を備
える。
【0023】かかる特徴構成によれば、分岐チャージポ
ンプ回路からの昇圧出力に応じて、制御回路により電荷
転送トランジスタがオンした時に、レベルシフトされた
高いゲート電圧が供給されるので、電荷転送用トランジ
スタの閾値電圧Vthに起因する電圧ロスを無くして高効
率かつ大出力電流のチャージポンプ回路を提供すること
ができる。
【0024】また、全ての電荷転送用トランジスタのゲ
ートソース間電圧Vgsの絶対値をほぼ一定値(例え
ば、2Vdd)とすることによりゲート酸化膜耐圧を安
定して確保することができると共に電荷転送用トランジ
スタの最適設計が可能になる。
【0025】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図1〜図7を参照しながら説明する。図1は、本発
明の第1の実施形態に係る3段チャージポンプ回路を示
す回路図である。
【0026】図1において、4つの電荷転送用MOSト
ランジスタM1〜M4は直列接続されている。M1〜M
4は全てNチャネル型である。M1〜M4のゲート・基
板間電圧Vgbはゲート・ソース間電圧Vgsと同一値
となるように、ソースと基板が同電位となるように接続
されている。また、M1のソースには入力電圧Vinと
して、電源電圧Vddが供給されている。また、M4の
ドレインからの昇圧電圧Voutが出力され、電流負荷
Lに供給される。
【0027】C1、C2、C3は電荷転送用MOSトラ
ンジスタM1〜M4の接続点(ポンピングノード)に一
端が接続された結合コンデンサである。結合コンデンサ
C1〜C3の他端にはクロックパルスCLKとこれと逆
相のクロックパルスCLKBが交互に印加される。クロ
ックパルスCLK、CLKBはクロックドライバーCD
を介して供給される。ここで、クロックドライバーCD
の電源電圧はVddとすると、クロックパルスCLK、
CLKBの振幅はVddである。
【0028】電荷転送用MOSトランジスタM1〜M4
の各ゲートにはレベルシフト回路S1〜S4(制御回
路)の出力が供給されている。レベルシフト回路S1〜
S4は後述するようにいずれも同じ構成を有しており、
クロックパルスCLK’、CLKB’が交互に入力され
る。クロックパルスCLK’、CLKB’も同様にクロ
ックドライバーCDを介して供給される。
【0029】また、電荷転送MOSトランジスタM3と
M4の接続点から分岐して、2つの電荷転送MOSトラ
ンジスタM5,M6が直列接続されている。M5とM6
の接続点には結合コンデンサC4の一端が接続されてい
る。結合コンデンサC4の他端にはクロックパルスCL
KBが印加されている。また、M6のソースには結合コ
ンデンサC5の一端が接続されている。結合コンデンサ
C5の他端にはクロックパルスCLKが印加されてい
る。
【0030】上述の電荷転送MOSトランジスタM5,
M6と結合コンデンサC4,C5から成る回路は、ディ
クソン型チャージポンプ回路である。M5,M6はいず
れもNチャネル型である。この回路は、チャージポンプ
回路の3段目から分岐しているので、以下では分岐チャ
ージポンプ回路BCと呼ぶことにする。この分岐チャー
ジポンプ回路BCは、後述するように、レベルシフト回
路S3,S4の高電位側の電源として用いられる。
【0031】次に、レベルシフト回路S1〜S4の回路
構成及び動作波形図を図2に示す。図2(a)に示すよ
うに、このレベルシフト回路は入力インバータINV、
差動入力MOSトランジスタM11とM12、クロス接
続されたMOSトランジスタM13とM14とを備え
る。ここまでの構成は従来のレベルシフト回路と同様で
ある。
【0032】このレベルシフト回路は、これらに加えて
プルアップ接続されたMOSトランジスタM15、M1
6を備えている。そして、MOSトランジスタM15の
ゲートには電圧V12が印加されると共にソースには電
位A(高電位側の電源)が印加されている。
【0033】また、MOSトランジスタM16のゲート
にはV12と逆相の電圧V11が印加されると共にソー
スには電位B(低電位側の電源)が印加されている。こ
こで、電位A>電位Bである。M11、M12はNチャ
ネル型、M13〜M16はPチャネル型である。
【0034】また、図2(b)に示すように、上述の構
成のレベルシフト回路において、MOSトランジスタM
15、M16をインバータ構成とするように変更しても
よい。上述した構成のレベルシフト回路の動作波形を図
2(c)に示す。
【0035】従来のレベルシフト回路がハイ( High)電
圧と0Vを出力するのに対して、このレベルシフト回路
は電位Aと中間電位B(A>B>0V)を交互に出力す
る点が特徴である。入力電圧との移相関係でみると、こ
のレベルシフト回路は反転回路である。このレベルシフ
ト回路を用いることにより、後述するように、電荷転送
用MOSトランジスタM1〜M4のゲート・ドレイン間
電圧の絶対値を一定電圧(2Vdd)に揃えることが可
能になる。
【0036】レベルシフト回路S1〜S4とチャージポ
ンプ回路との接続関係は以下の通りである。レベルシフ
ト回路S1にはクロックパルスCLK’が入力され、高
電位側の電源としてM2とM3の接続点の電位V2、低
電位側の電源として入力電圧Vin(=Vdd)を用い
ている。すなわち、レベルシフト回路S1はクロックパ
ルスCLK’がロウレベルの時、「V2」をM1のゲー
トに出力する。これにより、M1はオンする。また、ク
ロックパルスCLK’がハイレベルの時、「Vdd」を
M1のゲートに出力する。これにより、M1はオフす
る。
【0037】レベルシフト回路S2にはクロックパルス
CLKB’が入力され、高電位側の電源としてM3とM
4の接続点の電位V3、低電位側の電源としてM1とM
2の接続点の電位V1を用いている。すなわち、レベル
シフト回路S2はクロックパルスCLKB’がロウレベ
ルの時、「V3」をM2のゲートに出力する。これによ
り、M2はオンする。また、クロックパルスCLKB’
がハイレベルの時、「V1」をM1のゲートに出力す
る。これにより、M2はオフする。
【0038】レベルシフト回路S3にはクロックパルス
CLK’が入力され、高電位側の電源として、分岐チャ
ージポンプ回路BCの出力するM5とM6の接続点の電
位V4、低電位側の電源としてM2とM3の接続点の電
位V2を用いている。すなわち、レベルシフト回路S3
はクロックパルスCLK’がロウレベルの時、「V4」
をM3のゲートに出力する。これにより、M3はオンす
る。また、クロックパルスCLKB’がハイレベルの
時、「V2」をM3のゲートに出力する。これにより、
M3はオフする。
【0039】レベルシフト回路S4にはクロックパルス
CLKB’が入力され、高電位側の電源としてM6のソ
ース電位V5、低電位側の電源としてM3とM4の接続
点の電位V3を用いている。すなわち、レベルシフト回
路S4はクロックパルスCLKB’がロウレベルの時、
「V5」をM4のゲートに出力する。これにより、M4
はオンする。また、クロックパルスCLKB’がハイレ
ベルの時、「V3」をM4のゲートに出力する。これに
より、M4はオフする。
【0040】なお、クロックパルスCLK’とCLK
B’は夫々クロックパルスCLKとCLKBから作成さ
れるが、電荷転送用MOSトランジスタM1〜M4に電
流が逆流するのを防止するために、ロウ(Low)の期間
が短くなっている。電荷転送用MOSトランジスタM1
〜M4はダイオード接続されていないので逆方向電流が
流れる危険があり、これは電力効率を悪化させる。そこ
で、この逆方向電流を防ぐため、電荷転送用MOSトラ
ンジスタM1〜M4のオンの期間は短くして、オフの期
間に、結合コンデンサC1〜C3に印加されるクロック
パルスCLK、CLKBを変化させてポンピングを行っ
ている。このようなクロックパルスの位相関係は図3に
示されている。
【0041】上述した構成のチャージポンプ回路によれ
ば、電荷転送用トランジスタM1〜M4のゲート・ソー
ス間電圧Vgs(トランジスタがオン状態の時)の絶対
値は以下の通り、2Vddに揃えることができることが
導かれる。まず、次式の関係が成り立つ。 Vgs(M1)=V2−Vin Vgs(M2)=V3−V1 Vgs(M3)=V4−V2 Vgs(M4)=V5−V3 次に、定常状態のチャージポンプの昇圧動作について考
える。図4は各ポンピングノードの電圧波形V1、V
2、V3、Voutを示す図である。この図から明らか
なように、M1,M3オンの時(CLK’=L)には、
V1=Vdd,V2=3Vdd,V3=3Vddであ
る。
【0042】また、分岐チャージポンプ回路BCにおい
て、V4=5Vdd−Vth、V5=5Vdd−2Vthで
ある。ここで、Vthは電荷転送用トランジスタM5,M
6の閾値電圧である。
【0043】一方、M2,M4オンの時、(CLKB’
=L)、V1=2Vdd,V2=2Vdd,V3=4V
ddである。また、分岐チャージポンプ回路BCにおい
て、V4=4Vdd−Vth,V5=6Vdd-2Vthで
ある。
【0044】したがって、Vgs(M1オン時)=V2
−Vin=2Vdd Vgs(M2オン時)=V3−V1=2Vdd Vgs(M3オン時)=V4−V2=2Vdd−Vth Vgs(M4オン時)=V5−V3=2Vdd−2Vt
h、が成り立つ。
【0045】このように、全ての電荷転送用MOSトラ
ンジスタのオン時のVgsの絶対値は、ほぼ同一値2V
ddとなることが導かれる。したがって、高いVgsに
より電荷転送用MOSトランジスタM1〜M4のオン抵
抗が下がり、高効率で大出力電流のチャージポンプ回路
が実現できる。また、電荷転送用MOSトランジスタM
1〜M4のゲート酸化膜厚(thickness of gate oxide)
は一律に2Vddに耐える厚みに設計すれば良いので、
電荷転送用MOSトランジスタのVgsが不均一である
場合に比べて、オン抵抗(ON-state resistance)を低
く設計でき効率が良い。
【0046】以上、本発明の実施形態による3段チャー
ジポンプ回路について説明したが、その段数は3段に限
定されることはない。また、上述の3段チャージポンプ
回路においては電荷転送用MOSトランジスタのVgs
の絶対値をほぼ2Vddに揃えることができることを示
したが、多段チャージポンプ回路においては電荷転送用
MOSトランジスタのVgsの絶対値として、3Vdd
以上に設定することも可能である。
【0047】そのためには、レベルシフト回路S1〜S
4の高電位側の電源としてより後段の接続ノードの電圧
を利用すれば良い。ただし、ゲート酸化膜耐圧(breakdo
wn voltage of gate oxide)を考慮すれば絶対値2Vd
dが最も適している。
【0048】次に本発明の第2の実施形態に係るチャー
ジポンプ回路を説明する。上述したチャージポンプ回路
はプラス昇圧を行うものであるが、図5はマイナス昇圧
(0V以下の昇圧)を行う3段チャージポンプ回路を示
す回路図である。このチャージポンプ回路は、−3Vd
dの昇圧電圧を出力するものである。
【0049】図5において、4つの電荷転送用MOSト
ランジスタM1〜M4は直列接続されている。M1〜M
4は全てPチャネル型である。M1〜M4のゲート・基
板間電圧Vgbはゲート・ソース間電圧Vgsと同一値
となるように、ソースと基板が同電位となるように接続
されている。また、M1のソースには入力電圧Vinと
して、接地電圧Vss(=0V)が供給されている。こ
の点、第1の実施形態に係るチャージポンプ回路の極性
が反転された構成となっている。M4のドレインからの
負の昇圧電圧Vout(=−3Vdd)が出力され、電
流負荷Lに供給される。
【0050】C1、C2、C3は電荷転送用MOSトラ
ンジスタM1〜M4の接続点(ポンピングノード)に一
端が接続された結合コンデンサである。結合コンデンサ
C1〜C3の他端にはクロックパルスCLKとこれと逆
相のクロックパルスCLKBが交互に印加される。クロ
ックパルスCLK、CLKBはクロックドライバーCD
を介して供給される。この点については、第1の実施形
態と同様である。
【0051】電荷転送用MOSトランジスタM1〜M4
の各ゲートにはレベルシフト回路S1〜S4(制御回
路)の出力が供給されている。レベルシフト回路S1〜
S4の構成は第1の実施形態で説明したものと全く同様
である(図2)。また、レベルシフト回路S1〜S4に
は、クロックパルスCLK’、CLKB’が交互に入力
される。クロックパルスCLK’、CLKB’も同様に
クロックドライバーCDを介して供給される。
【0052】電荷転送MOSトランジスタM3とM4の
接続点から分岐して、2つの電荷転送MOSトランジス
タM5,M6が直列接続されている。M5,M6はいず
れもPチャネル型である。M5とM6の接続点には結合
コンデンサC4の一端が接続されている。結合コンデン
サC4の他端にはクロックパルスCLKBが印加されて
いる。また、M6のソースには結合コンデンサC5の一
端が接続されている。結合コンデンサC5の他端にはク
ロックパルスCLKが印加されている。
【0053】上述の電荷転送MOSトランジスタM5,
M6と結合コンデンサC4,C5から成る回路は、分岐
チャージポンプ回路BCを構成している。この分岐チャ
ージポンプ回路BCは、レベルシフト回路S3,S4の
低電位側の電源として用いられる。
【0054】レベルシフト回路S1〜S4とチャージポ
ンプ回路との接続関係は以下の通りである。レベルシフ
ト回路S1にはクロックパルスCLK’が入力され、低
電位側の電源(図2における電位B)としてM2とM3
の接続点の電位V2、高電位側の電源(図2における電
位A)として入力電圧Vin(=0V)を用いている。
すなわち、レベルシフト回路S1はクロックパルスCL
K’がハイレベルの時、「V2」をM1のゲートに出力
する。これにより、M1はオンする。また、クロックパ
ルスCLK’がロウレベルの時、「0V」をM1のゲー
トに出力する。これにより、M1はオフする。
【0055】レベルシフト回路S2にはクロックパルス
CLKB’が入力され、低電位側の電源としてM3とM
4の接続点の電位V3、高電位側の電源としてM1とM
2の接続点の電位V1を用いている。すなわち、レベル
シフト回路S2はクロックパルスCLKB’がハイレベ
ルの時、「V3」をM2のゲートに出力する。これによ
り、M2はオンする。また、クロックパルスCLKB’
がロウレベルの時、「V1」をM1のゲートに出力す
る。これにより、M2はオフする。
【0056】レベルシフト回路S3にはクロックパルス
CLK’が入力され、低電位側の電源として、分岐チャ
ージポンプ回路BCの出力するM5とM6の接続点の電
位V4、高電位側の電源としてM2とM3の接続点の電
位V2を用いている。 すなわち、レベルシフト回路S
2はクロックパルスCLK’がハイレベルの時、「V
4」をM3のゲートに出力する。これにより、M3はオ
ンする。また、クロックパルスCLKB’がロウレベル
の時、「V2」をM3のゲートに出力する。これによ
り、M2はオフする。
【0057】レベルシフト回路S4にはクロックパルス
CLKB’が入力され、低電位側の電源としてM6のソ
ース電位V5、高位側の電源としてM3とM4の接続点
の電位V3を用いている。すなわち、レベルシフト回路
S2はクロックパルスCLKB’がハイレベルの時、
「V5」をM4のゲートに出力する。これにより、M4
はオンする。また、クロックパルスCLKB’がロウレ
ベルの時、「V3」をM4のゲートに出力する。これに
より、M4はオフする。
【0058】なお、クロックパルスCLK’とCLK
B’は夫々クロックパルスCLKとCLKBから作成さ
れるが、電荷転送用MOSトランジスタM1〜M4に電
流が逆流するのを防止するために、ハイ(High)の期間
が短くなっている。この点は、第1の実施形態とは反対
である。電荷転送用MOSトランジスタM1〜M4はダ
イオード接続されていないので逆方向電流が流れる危険
があり、これは電力効率を悪化させる。そこで、この逆
方向電流を防ぐため、電荷転送用MOSトランジスタM
1〜M4のオンの期間は短くして、オフの期間に、結合
コンデンサC1〜C3に印加されるクロックパルスCL
K、CLKBを変化させてポンピングを行っている。こ
のようなクロックパルスの位相関係は図6に示されてい
る。
【0059】上述した構成のチャージポンプ回路によれ
ば、電荷転送用トランジスタM1〜M4のゲート・ソー
ス間電圧Vgs(トランジスタがオン状態の時)の絶対
値は以下の通り、ほぼ2Vddに揃えることができるこ
とが導かれる。まず、次式の関係が成り立つ。この点は
第1の実施形態と同じである。 Vgs(M1)=V2−Vin=V2 Vgs(M2)=V3−V1 Vgs(M3)=V4−V2 Vgs(M4)=V5−V3 次に、定常状態のチャージポンプの昇圧動作について考
える。図7は各ポンピングノードの電圧波形V1、V
2、V3、Voutを示す図である。図において、GN
Dレベルが0Vとなっている。
【0060】この図から明らかなように、M1,M3オ
ンの時(CLK’=H)には、V1=0,V2=−2V
dd,V3=−2Vddである。また、分岐チャージポ
ンプ回路BCにおいて、V4=−4Vdd+2Vth,V
5=−4Vdd+2Vthである。ここで、Vthは電荷転
送用トランジスタM5,M6の閾値電圧である。
【0061】一方、M2,M4オンの時(CLKB’=
H)、V1=−Vdd,V2=−Vdd,V3=−3V
ddである。また、分岐チャージポンプ回路BCにおい
て、V4=−3Vdd+Vth,V5=−5Vdd+2V
thである。
【0062】 したがって、Vgs(M1オン時)=V2=−2Vdd Vgs(M2オン時)=V3−V1=−2Vdd Vgs(M3オン時)=V4−V2=−2Vdd+Vth Vgs(M4オン時)=V5−V3=−2Vdd+2V
th、が成り立つ。
【0063】このように、第2の実施形態において、全
ての電荷転送用MOSトランジスタがオン時のVgsの
絶対値は、ほぼ同一値2Vddとなることが導かれる。
したがって、第1の実施形態と同様に、高いVgsによ
り電荷転送用MOSトランジスタM1〜M4のオン抵抗
が下がり、高効率で大出力電流のチャージポンプ回路が
実現できる。また、電荷転送用MOSトランジスタM1
〜M4のゲート酸化膜厚(thickness of gate oxide)は
一律に2Vddに耐える厚みに設計すれば良いので、電
荷転送用MOSトランジスタのVgsが不均一である場
合に比べて、オン抵抗(ON-state resistance)を低く
設計でき効率が良い。
【0064】以上、負の昇圧電圧を出力する3段チャー
ジポンプ回路について説明したが、その段数は3段に限
定されることはない。また、上述の3段チャージポンプ
回路においては電荷転送用MOSトランジスタのVgs
の絶対値をほぼ2Vddに揃えることができることを示
したが、多段チャージポンプ回路においては電荷転送用
MOSトランジスタのVgsの絶対値として、3Vdd
以上に設定することも可能である。
【0065】そのためには、レベルシフト回路S1〜S
4の低電位側の電源としてより後段の接続ノードの電圧
を利用すれば良い。ただし、ゲート酸化膜耐圧(breakdo
wn voltage of gate oxide)を考慮すれば絶対値2Vd
dが最も適している。
【0066】
【発明の効果】本発明によれば、電荷転送用MOSトラ
ンジスタのゲート・ソース間電圧Vgsとして閾値電圧
以上の高い電圧を印加できるので、電圧ロスの無い高効
率のチャージポンプ回路を提供することができる。
【0067】また、絶対値2Vdd以上の高いゲート・
ソース間電圧Vgsにより電荷転送用MOSトランジス
タM1〜M4のオン抵抗が下がり、高効率で大出力電流
のチャージポンプ回路が実現できる。
【0068】また、電荷転送用MOSトランジスタのゲ
ート・ソース間電圧、ゲート・基板間電圧をほぼ一定電
圧(例えば、絶対値で2Vdd)に揃えることができる
ので、ゲート酸化膜厚は略一定電圧に耐える厚みに設計
すれば良い。これにより、電荷転送用MOSトランジス
タのゲート・ソース間電圧Vgsが不均一である場合に
比べて、オン抵抗を低く設計することができる。
【0069】また、本発明によれば、プラス昇圧とマイ
ナス昇圧のチャージポンプ回路を提供することができ、
しかもそのチャージポンプ段数を任意に設定可能なの
で、所望の昇圧電圧を得ることが可能となる。
【0070】さらに、本発明によれば、電荷転送用MO
Sトランジスタを全て同一チャネル型で構成することが
できるので、製造工程数が少なくて済むという利点があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係るチャージポンプ
回路を示す回路図である。
【図2】レベルシフト回路の構成及び動作波形を示す図
である。
【図3】本発明の第1の実施形態に係るチャージポンプ
回路の動作を説明するためのタイミング図である。
【図4】本発明の第1の実施形態に係るチャージポンプ
回路の各ポンピングノードの電圧波形を示す図である。
【図5】本発明の第2の実施形態に係るチャージポンプ
回路を示す回路図である。
【図6】本発明の第2の実施形態に係るチャージポンプ
回路の動作を説明するためのタイミング図である。
【図7】本発明の第2の実施形態に係るチャージポンプ
回路の各ポンピングノードの電圧波形を示す図である。
【図8】従来例に係るチャージポンプ回路を示す回路図
である。
【図9】従来例に係るチャージポンプ回路を示す回路図
である。
【図10】従来例に係るチャージポンプ回路を示す回路
図である。
【符号の説明】
BC 分岐チャージポンプ回路 C 結合容量 C1〜C5 結合コンデンサ CD クロックドライバー CL 出力容量 CLK、CLKB クロックパルス INV 入力インバータ M1〜M16 MOSトランジスタ MD1〜MD4 ダイオード MS1〜MS4 電荷転送用MOSトランジスタ S1〜S4 レベルシフト回路 51 クロックドライバー 52 電流負荷

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直列接続された複数の電荷転送用トラン
    ジスタと、これらの電荷転送用トランジスタの各接続点
    に一端が接続された結合コンデンサと、前記結合コンデ
    ンサの他端に交互に逆相のクロックパルスを供給するク
    ロックドライバーと、前記電荷転送用トランジスタの接
    続点から分岐して設けられた分岐チャージポンプ回路
    と、この分岐チャージポンプ回路の出力に応じて、前記
    電荷転送用トランジスタのオンオフを制御する制御回路
    と、を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
  2. 【請求項2】 直列接続された複数の電荷転送用トラン
    ジスタと、前記電荷転送用トランジスタの各接続点に一
    端が接続された結合コンデンサと、前記結合コンデンサ
    の他端に交互に逆相のクロックパルスを供給するクロッ
    クドライバーと、前記クロックパルスに応じて前記電荷
    転送用トランジスタのオンオフを制御する複数のレベル
    シフト回路と、前記電荷転送用トランジスタの各接続点
    から分岐し、正の昇圧電圧を出力する分岐チャージポン
    プ回路と、を備え、前記レベルシフト回路の高電位側の
    電源として前記分岐チャージポンプ回路の各段の出力を
    用いることにより、前記チャージポンプ回路の電荷転送
    用トランジスタがオンする時にそのゲート・ソース間電
    圧が略一定値となるようにしたことを特徴とするチャー
    ジポンプ回路。
  3. 【請求項3】 前記分岐チャージポンプ回路は、初段の
    電荷転送トランジスタに前記電荷転送トランジスタの接
    続点に生じる昇圧電圧が印加されると共に、直列接続さ
    れた複数の第2の電荷転送用トランジスタと、前記第2
    の電荷転送用トランジスタの各接続点に一端が接続され
    た結合コンデンサと、前記結合コンデンサの他端に交互
    に逆相のクロックパルスを供給するクロックドライバー
    と、を備えることを特徴とする請求項2に記載のチャー
    ジポンプ回路。
  4. 【請求項4】 前記電荷転送用MOSトランジスタはP
    チャネル型であることを特徴とする請求項2又は請求項
    3に記載のチャージポンプ回路。
  5. 【請求項5】 直列接続された複数の電荷転送用トラン
    ジスタと、前記電荷転送用トランジスタの各接続点に一
    端が接続された結合コンデンサと、前記結合コンデンサ
    の他端に交互に逆相のクロックパルスを供給するクロッ
    クドライバーと、前記クロックパルスに応じて前記チャ
    ージポンプ回路の前記電荷転送用トランジスタのオンオ
    フを制御する複数のレベルシフト回路と、前記電荷転送
    用トランジスタの接続点から分岐し負の昇圧電圧を出力
    する分岐チャージポンプ回路と、を備え、前記レベルシ
    フト回路の低電位側の電源として前記分岐チャージポン
    プ回路の各段の出力を用いることにより、前記チャージ
    ポンプ回路の電荷転送用トランジスタがオンする時にそ
    のゲート・ソース間電圧が一定値となるようにしたこと
    を特徴とするチャージポンプ回路。
  6. 【請求項6】 前記分岐チャージポンプ回路は、初段の
    電荷転送MOSトランジスタに前記電荷転送トランジス
    タの接続点に生じる昇圧電圧が印加されると共に直列接
    続された複数の第2の電荷転送用MOSトランジスタ
    と、前記第2の電荷転送用MOSトランジスタの各接続
    点に一端が接続された結合コンデンサと、を備え、前記
    結合コンデンサの他端に交互に逆相のクロックパルスを
    供給することを特徴とする請求項5に記載のチャージポ
    ンプ回路。
  7. 【請求項7】 前記電荷転送用トランジスタはNチャネ
    ル型であることを特徴とする請求項5又は請求項6に記
    載のチャージポンプ回路。
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