JP2945879B2 - 電圧ポンプ回路 - Google Patents

電圧ポンプ回路

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JP2945879B2
JP2945879B2 JP9083155A JP8315597A JP2945879B2 JP 2945879 B2 JP2945879 B2 JP 2945879B2 JP 9083155 A JP9083155 A JP 9083155A JP 8315597 A JP8315597 A JP 8315597A JP 2945879 B2 JP2945879 B2 JP 2945879B2
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は電圧ポンプ回路に係
り、特にPMOSトランジスタをトランスファトランジ
スタ(電荷移送スイッチングトランジスタ)として使用
する電圧ポンプ回路において、このトランスファトラン
ジスタに独立的な電圧としてウェルバイアスを印加する
ことにより安定なポンピング動作をするようにした電圧
ポンプ回路に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の電圧ポンプ回路は“1992 s
ymposium on VLSICircuits
Digest of Technical paper
s”,pp106〜107,“Application
of high voltage pumped s
upply for Low−Power DRAM”
に開示されている。
【0003】従来の電圧ポンプ回路の一例は図5に示す
ようであるが、この回路は、信号電圧のレベルを変換す
るレベルシフタ10と、パルス信号のオーバーラップ発
生を防止し、ポンピング時間と電荷移送時間のオーバー
ラップの発生を防ぐオーバーラップ防止回路20と、ポ
ンピングキャパシタC1に電荷を充電させたり放電させ
ながら電圧をポンピングする電圧ポンピング部30とか
ら構成されている。
【0004】レベルシフタ10は、昇圧電圧がソースに
印加されるPMOSトランジスタMP1のゲートを、昇
圧電圧がソースに印加されるPMOSトランジスタMP
2のドレインに接続し、昇圧電圧がソースに印加される
PMOSトランジスタMP2のゲートをPMOSトラン
ジスタMP1のドレインに接続し、PMOSトランジス
タMP1のドレインを2つのNMOSトランジスタMN
2とMN1を介して接地電圧Vssに接続し、PMOS
トランジスタMP2のドレインを2つのNMOSトラン
ジスタMN3とMN4を介して接地電圧Vssに接続
し、NMOSトランジスタMN2とMN3のゲートには
内部電源Vintを印加し、NMOSトランジスタMN
1のゲートにはインバータINV1を介して入力パルス
OSCを供給し、NMOSトランジスタMN4のゲート
には入力パルスOSCを直接供給して構成する。
【0005】従って、入力パルスOSCが“ハイ”の場
合には、PMOSトランジスタMP1のドレインで昇圧
電圧レベルの“ハイ”を得、PMOSトランジスタMP
2のドレインではVssレベルの“ロー”を得る。一
方、入力パルスOSCが“ロー”の場合には、PMOS
トランジスタMP1のドレインでVssレベルの“ロ
ー”を得、PMOSトランジスタMP2のドレインでは
昇圧電圧レベルの“ハイ”を得る。
【0006】オーバーラップ防止回路20は、ナンドゲ
ートNAND、ノアゲートNOR及びインバータINV
2から構成されるが、2つの入力をもったナンドゲート
NANDの一つの入力には入力パルスOSCを供給し、
他の一つの入力にはレベルシフタ10のPMOSトラン
ジスタMP1のドレインを接続する。一方、2つの入力
を持ったノアゲートNORの一つの入力には入力パルス
OSCを供給し、他の一つの入力にはレベルシフタ10
のPMOSトランジスタMP2のドレインをインバータ
INV2を介して接続する。
【0007】電圧ポンピング部30は、ポンピングキャ
パシタC1と、このポンピングキャパシタC1の第1電
極にドレインが接続され、ソースは電源電圧Vddに接
続され、ゲートはオーバーラップ防止回路20のナンド
ゲートNANDの出力に接続されたPMOSトランジス
タMP3と、ポンピングキャパシタC1の第2電極にド
レインが接続され、ソースは昇圧電圧Vppに接続さ
れ、ゲートはレベルシフタ10のPMOSトランジスタ
MP2のドレインに接続されたトランスファトランジス
タ(PMOSトランジスタ)MP4と、ポンピングキャ
パシタC1の第2電極にドレインが接続され、ソースは
電源電圧Vddに接続され、ゲートはオーバーラップ防
止回路20のナンドゲートNANDの出力に接続された
プリチャージトランジスタ(NMOSトランジスタ)M
N7と、ポンピングキャパシタC1の第1電極にドレイ
ンが接続され、ゲートが内部電源Vintに接続された
NMOSトランジスタMN5と、このNMOSトランジ
スタMN5のソースにドレインが接続され、ソースは接
地電圧Vssに接続され、ゲートはオーバーラップ防止
回路20のノアゲートNORの出力に接続されたNMO
SトランジスタMN610から構成される。
【0008】このように構成された従来の電圧ポンプ回
路の動作は図6のタイミング図に示すように、ポンピン
グキャパシタC1を充電させる段階と、充電されたポン
ピングキャパシタC1を放電させる段階に分けられる。
【0009】まず、充電段階では入力パルスOSCが
“ロー”状態で、ナンドゲートNANDの出力端子であ
るノードCとノアゲートNORの出力端子であるノード
Dが全て“ハイ”状態になり、トランジスタMN5,M
N6,MN7がターンオン状態になって、ノードAはV
ssレベルとなり、ノードBはVddよりプリチャージ
トランジスタMN7のVT だけ低い電圧に充電される。
【0010】このように充電した後は放電段階が続く
が、このときは、入力パルスOSCが“ハイ”状態にな
り、ナンドゲートNANDの出力端子であるノードCと
ノアゲートNORの出力端子であるノードDが全て“ロ
ー”状態になって、NMOSトランジスタMN6及びプ
リチャージトランジスタMN7がターンオフされAノー
ドがフローティング状態になってから直ぐPMOSトラ
ンジスタMP3のターンオンによってノードAがVdd
レベルになり、従って、ノードBはVdd−VTからV
ddだけ高くなり、かつNMOSトランジスタMN4が
ターンオンされてトランスファトランジスタMP4のゲ
ートにVssが印加され、PMOSトランジスタMP4
がターンオンされるのでノードBの電圧がVppに移送
される。
【0011】このようにしてキャパシタC1が充電と放
電を繰り返しながら電圧ポンピング、即ち低レベルの電
位にある電荷を高いレベルの電位に移送する動作を引き
続き行う。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】大部分の半導体メモリ
素子では、ワードラインとVssが短絡した場合に、余
分のセルを用いるように冗長デコーダを使用して半導体
チップを修理して使用することができる。しかし、前述
した従来の電圧ポンプ回路では、チップの初期テスト時
にVssに短絡したワードラインをアクセスする場合
に、短絡によってVppレベルがVdd−VT より低く
なっていると、トランスファトランジスタMP4のドレ
インとnウエル間のPNダイオードが順方向にバイアス
されてオンするので、トランスファトランジスタMP4
がトランジスタとしての動作を行えなくなり、この動作
不能は続いて自力で回復することができなくなる。従っ
て、電力消耗は大きくなりVppレベルは回復されなく
て、結局不良チップとして処理されることにより生産歩
留りを低下させる。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明は上述の課題を解
決するために、次のような電圧ポンプ回路とする。即
ち、充電したキャパシタの電荷を昇圧電圧として移送す
るトランスファトランジスタとして用いられるPMOS
トランジスタに独立的にウェルバイアス電圧を供給する
ための別途のウエルバイアス電圧発生器を備え、このウ
エルバイアス電圧発生器からの電圧を前記PMOSトラ
ンジスタのウェルに印加するようにする。ウエルバイア
ス電圧発生器の発生電圧は昇圧電圧に比べて同等以上と
なるようにし、おおよそ電源電圧Vddの2倍となるよ
うにする。
【0014】
【発明の実施の形態】次に添付図面を参照して本発明に
よる電圧ポンプ回路の実施の形態を詳細に説明する。図
1は本発明の実施の形態を示す回路図である。この電圧
ポンプ回路は、信号電圧のレベルを変換するレベルシフ
タ10と、パルス信号のオーバーラップ発生を防止し、
ポンピング時間と電荷移送時間のオーバーラップ発生を
防ぐオーバーラップ防止回路20と、ポンピングキャパ
シタC1に電荷を充電させたり放電させながら電圧をポ
ンピングする電圧ポンピング部30と、トランスファト
ランジスタMP4およびプリチャージトランジスタMP
5として用いられるPMOSトランジスタに独立的にウ
ェルバイアス電圧を供給するための別途のウェルバイア
ス電圧発生器40とからなる。
【0015】この電圧ポンプ回路において、レベルシフ
タ10とオーバーラップ防止回路20は図5の従来の回
路と同一に構成し、電圧ポンピング部30は次の点を除
いて図5の従来回路と同一である。同一部分について
は、図1中に図5と同一符号を付して説明を省略する。
【0016】電圧ポンピング部30において、図5の従
来回路と異なる点は、従来回路のNMOSトランジスタ
のプリチャージトランジスタMN7に代えてPMOSト
ランジスタのプリチャージトランジスタMP5を使用
し、このプリチャージトランジスタMP5のゲートをレ
ベルシフタ10のPMOSトランジスタMP1のドレイ
ンに接続した点と、共にPMOSトランジスタであるト
ランスファトランジスタMP4とプリチャージトランジ
スタMP5のウエルに独立的なウエルバイアス電圧発生
器40からウエルバイアス電圧を供給した点である。ウ
エルバイアス電圧発生器40は、この電圧ポンプ回路に
よる昇圧電圧以上の電圧、一具体例としては、電源電圧
Vddの2倍の電圧を発生させて、この電圧をトランス
ファトランジスタMP4とプリチャージトランジスタM
P5のウエルに供給する。
【0017】このように構成された本発明の電圧ポンプ
回路の動作は図2のタイミング図に示すように、ポンピ
ングキャパシタC1を充電させる段階と、充電されたポ
ンピングキャパシタC1を放電させる段階に分けられ
る。
【0018】まず、充電させる段階では入力パルスOS
Cが“ロー”であるが、このときは、ナンドゲートNA
NDの出力端子であるノードCとノアゲートNORの出
力端子であるノードDが全て“ハイ”状態になり、同時
にレベルシフタ10の出力であるノードEとノードFが
それぞれ“ロー”及びVppレベルの“ハイ”状態にな
って、トランジスタMN5,MN6,MP5がターンオ
ン状態、トランジスタMP4はターンオフ状態になり、
ノードAはVssレベルになり、ノードBはVddに充
電される。このとき、プリチャージトランジスタMP5
としてPMOSトランジスタを使用することにより、ノ
ードBはVT の電圧降下無しでVddに充電される。
【0019】このように充電された後は放電段階が続
き、入力パルスOSC“ハイ”状態になると、一番先に
ノアゲートNORの出力端子であるノードDがVssに
なり、NMOSトランジスタMN6をターンオフさせ、
ノードAをフローティング状態とし、次に、ナンドゲー
トNANDの出力端子であるノードCがロー状態、レベ
ルシフタ10の出力であるノードEがハイ状態になっ
て、トランジスタMP5がターンオフ、トランジスタM
P3がターンオンされ、ノードAがフローティング状態
からVddレベルとなり、従って、ノードBはVddか
らVddだけ高くなって2Vddとなり、かつレベルシ
フタ10の出力であるノードFがロー状態になってトラ
ンスファトランジスタMP4がターンオンされるので、
ノードBの電圧がVppに移送される。
【0020】このようにしてキャパシタC1が充電と放
電を繰り返しながら電圧ポンピング動作を続ける。そし
て、この電圧ポンプ回路においては、その動作の間、ト
ランスファトランジスタMP4のnウエルがウェルバイ
アス電圧発生器40からの電圧により2Vddレベルを
維持する。したがって、ワードラインとVssが短絡し
ても、トランスファトランジスタMP4のドレインとn
ウエル間のPNダイオードが順方向にバイアスされてオ
ンすることを防止でき、ポンピング動作を引き続き行う
ことができるので、不良セルを修理してチップ全体を正
常なチップとして生かすことができ、生産歩留りを向上
させることができる。また、この電圧ポンプ回路におい
ては、プリチャージトランジスタMP5としてPMOS
トランジスタを使用することにより、NMOSトランジ
スタをプリチャージトランジスタとして使用した場合に
比べてプリチャージ電圧がVT だけドロップされないの
で、ポンピング効率を増大させることができる。
【0021】図3はウェルバイアス電圧発生器40の具
体的回路を示す。このウェルバイアス電圧発生器40
は、パルス信号を入力として“ハイ”と“ロー”に変化
する時点が同一でない2つのパルス信号をノードRとノ
ードSに出力するオーバーラップ防止制御部11と、ポ
ンピングキャパシタC12と、ブートストラップキャパ
シタC11,C13,C16と、プリチャージ部12
と、NMOSトランジスタ(第1トランジスタ)MN1
8を制御する第1段階制御部13と、NMOSトランジ
スタ(第2トランジスタ)MN17を制御する第2段階
制御部14と、NMOSトランジスタ(第3トランジス
タ)MN19を制御する放電制御部15と、トランスフ
ァトランジスタMN12とから構成される。プリチャー
ジ部12は、プリチャージトランジスタMN11とNM
OSトランジスタMN10,MN13,MN14で構成
される。また、ポンピングキャパシタC12の一極に
は、オーバーラップ防止制御部11の出力であるノード
SがインバータINV12を介して接続され、ブートス
トラップキャパシタC13の一極には前記ノードSがイ
ンバータINV13を介して接続される。
【0022】このウェルバイアス電圧発生器40は図4
に示すような各ノードの波形で動作する。ポンピング区
間は短くプリチャージ区間は長い低い周波数のパルス信
号(以下Low OSCパルスと言う)を用いて単にウ
ェルの漏洩電流を補償する程度のポンピング電力のみを
発生する。この回路において、プリチャージ動作はLo
w OSCパルスの“ロー”期間に行われるが、Low
OSCパルスが“ロー”になると、オーバーラップ防
止制御部11によってノードRとノードSが“ハイ”に
なり、ブートストラップキャパシタC11によってノー
ドXは“ハイ”状態(2Vdd)になって、プリチャー
ジトランジスタMN11がターンオンされてノードYが
Vddレベルになり、かつインバータINV12の出力
が“ロー”になるので、ポンピングキャパシタC12が
大略Vddレベルに充電される。
【0023】次に、ポンピング動作はLow OSCパ
ルスの“ハイ”期間に行われるが、Low OSCパル
スが“ハイ”に変わると、ノードRとノードSが“ロ
ー”になり、ノードXはVddになり、NMOSトラン
ジスタMN14はオン状態になり、インバータINV1
2の出力は“ハイ”になって、プリチャージされたポン
ピングキャパシタC12の電圧によってノードYは大略
2Vddレベルまで上昇する。この時、プリチャージト
ランジスタMN11はターンオフされ、ノードYの2V
ddレベルはトランスファトランジスタMN12のター
ンオンによって出力端子に出力される。この際、トラン
スファトランジスタMN12がターンオンされるのは、
ゲートに印加されるノードZのレベルがウエルバイアス
電圧VwB以上になるためである。
【0024】次に、Low OSCパルスが“ハイ”で
ある期間に、ノードZにウエルバイアス電圧VwB 以上
の電圧が発生する過程を説明する。Low OSCパル
スが“ロー”状態の時にはノードSが“ハイ”になり、
Low OSCパルスが“ハイ”の期間にはノードSが
“ロー”になる。このノードSの電圧はインバータIN
V13を介してブートストラップキャパシタC13に印
加されるとともに、NMOSトランジスタMN18を制
御する第1段階制御部13に直接印加され、さらにNM
OSトランジスタMN19を制御する放電制御部15に
直接印加され、さらにNMOSトランジスタMN17を
制御する第2段階制御部14に直接印加される。さら
に、第1段階制御部13のノアゲートNOR11の出力
がノードSの電圧とともに第2段階制御部14のノアゲ
ートNOR12の入力に供給される。
【0025】NMOSトランジスタMN18は、第1段
階制御部13の出力であるノードTのパルス信号である
“ハイ”区間が短いパルスを受けてしばらくターンオン
されてからターンオフされる。一方、NMOSトランジ
スタMN17は第2段階制御部14の出力であるノード
Uのパルスを受けて“ハイ”の続く間ターンオンされ
る。一方、NMOSトランジスタMN19は、放電制御
部15の出力を受けてノードVが“ハイ”状態の間ター
ンオンされる。
【0026】ノードWへは、NMOSトランジスタMN
18がターンオンされる間にはVdd−VT レベルの電
圧が印加され、NMOSトランジスタMN17がターン
オンされる間にはウエルバイアス電圧VwB −VT が印
加され、NMOSトランジスタMN19がターンオンさ
れる間には接地電圧Vssが印加される。この時、NM
OSトランジスタMN18とMN17及びMN19がタ
ーンオンされるタイミングは図4に示す通りである。そ
して、ノードWがVssレベルの間、ブートストラップ
キャパシタC16(ノードZ)はプリチャージ部12に
よりVddレベルに充電され、その後、ノードWがVd
d−VT だけ上昇するとノードZは2Vddとなり、さ
らにノードWがウエルバイアス電圧VwB −VT になる
とノードZが大略Vdd+ウエルバイアス電圧VwB と
なる。そして、ノードZがこのようにウエルバイアス電
圧VwB 以上に上昇している間、ノードZの電圧がゲー
トに印加されるトランスファトランジスタMN12がタ
ーンオンされる。このトランスファトランジスタMN1
2のターンオンにより、ポンピングキャパシタC12の
2Vdd電圧が出力端に出力されるのは前述した通りで
ある。
【0027】なお、以上のような本発明と関連する公報
技術として特開平3−19192号公報があるが、この
公報技術では、図5の従来回路と同様に、出力PMOS
トランジスタのウエルをソースに接続しているので、図
5の従来回路と同様な問題点がある。また、他の関連公
報として特開平5−342869号公報があるが、この
公報にも、トランスファトランジスタのウェルに別途の
電圧発生器を用いて独立的にウェルバイアス電圧を供給
すること(本発明の特徴点)は何ら記載されていない。
【0028】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の電
圧ポンプ回路によれば、トランスファトランジスタとし
てのPMOSトランジスタのウェルに、別途の電圧発生
器を用いて独立的にウェルバイアス電圧を供給するよう
にしたので、ワードラインとVss間の短絡が発生して
も、ポンピング動作を引き続き行うことができ、不良セ
ルを修理してチップ全体を正常的なチップとして生かす
ことができるので、生産歩留りを向上させることができ
る。また、プリチャージトランジスタにPMOSトラン
ジスタを使用することにより、プリチャージ電圧がVT
だけドロップしないので、ポンピング効率を増大させる
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による電圧ポンプ回路の実施の形態を示
す回路図。
【図2】図1の電圧ポンプ回路の動作タイミング図。
【図3】図1の回路に使用されるウエルバイアス電圧発
生器の具体的回路図。
【図4】図3のウェルバイアス電圧発生器の動作タイミ
ング図。
【図5】従来の電圧ポンプ回路を示す回路図。
【図6】図5の電圧ポンプ回路の動作タイミング図。
【符号の説明】
10 レベルシフタ 20 オーバーラップ防止回路 30 電圧ポンピング部 40 ウエルバイアス電圧発生器 C1 ポンピングキャパシタ MP4 トランスファトランジスタ MP5 プリチャージトランジスタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−342869(JP,A) 特開 平7−75330(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G11C 11/40 - 11/409

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ポンピングキャパシタに電荷を充電及び
    放電させることにより、昇圧された電圧を得る電圧ポン
    プ回路において、 充電したキャパシタの電荷を昇圧電圧として移送するト
    ランスファトランジスタとして用いられるPMOSトラ
    ンジスタに独立的にウェルバイアス電圧を供給するため
    の別途のウエルバイアス電圧発生器を備え、このウエル
    バイアス電圧発生器からの電圧を前記PMOSトランジ
    スタのウェルに印加することを特徴とする電圧ポンプ回
    路。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の電圧ポンプ回路におい
    て、前記ポンピングキャパシタに電荷を充電するプリチ
    ャージトランジスタを有し、このプリチャージトランジ
    スタがPMOSトランジスタで、このPMOSトランジ
    スタのウエルにも前記ウエルバイアス電圧発生器から電
    圧が印加されることを特徴とする電圧ポンプ回路。
  3. 【請求項3】 請求項1または2記載の電圧ポンプ回路
    において、前記ウエルバイアス電圧発生器の発生電圧は
    昇圧電圧に比べて同等以上となるようにすることを特徴
    とする電圧ポンプ回路。
  4. 【請求項4】 請求項記載の電圧ポンプ回路におい
    て、前記発生電圧はおおよそ電源電圧Vddの2倍にな
    ることを特徴とする電圧ポンプ回路。
  5. 【請求項5】 請求項1ないし4のいずれかに記載の電
    圧ポンプ回路において、ウエルバイアス電圧発生器は、 パルス信号を入力として“ハイ”と“ロー”に変化する
    時点が同一でない2つのパルス信号を発生するオーバー
    ラップ防止制御部と、 前記オーバーラップ防止制御部の出力により制御される
    プリチャージ部と、 前記プリチャージ部によりプリチャージされ、さらに充
    電電圧が昇圧されるポンピングキャパシタと、 前記オーバーラップ防止制御部の出力で制御され、第1
    トランジスタを制御する第1段階制御部、第2トランジ
    スタを制御する第2段階制御部、第3トランジスタを制
    御する放電制御部と、 前記プリチャージ部および前記第1、第2、第3トラン
    ジスタにより充電電圧が制御されるブートストラップキ
    ャパシタと、 前記ブートストラップキャパシタの上昇した電圧により
    オンして、前記ポンピングキャパシタの昇圧電圧を出力
    端子に移送するトランスファトランジスタとを具備する
    ことを特徴とする電圧ポンプ回路。
JP9083155A 1996-06-01 1997-04-01 電圧ポンプ回路 Expired - Fee Related JP2945879B2 (ja)

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