JP3012634B1 - 半導体昇圧回路 - Google Patents

半導体昇圧回路

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JP3012634B1
JP3012634B1 JP11013465A JP1346599A JP3012634B1 JP 3012634 B1 JP3012634 B1 JP 3012634B1 JP 11013465 A JP11013465 A JP 11013465A JP 1346599 A JP1346599 A JP 1346599A JP 3012634 B1 JP3012634 B1 JP 3012634B1
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宏一 鈴木
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Abstract

【要約】 【課題】電流供給能力を十分得ることができると共に、
効率よく昇圧能力を得ることができるようにする半導体
昇圧回路を得る。 【解決手段】所定発振信号を出力する発振器回路10
と、この発振器回路10の出力により制御出力を負荷消
費回路30に出力する昇圧制御部20と、この昇圧制御
部20の電圧が所定値にあることを判定して前記発振器
回路10を制御する電圧判定回路11とを有し、昇圧制
御部20が、前記発振器回路10により制御出力を第1
の出力トランジスタQ1から負荷消費回路30に出力す
る昇圧部12と、発振器回路10の出力に従って制御出
力を第2の出力トランジスタQ2から出力する電圧変換
用昇圧部13と、この電圧変換用昇圧部13の出力によ
り制御され発振器回路10の出力に従った変換出力を前
記第1、第2の出力トランジスタQ1,2のゲートにそ
れぞれ接続する電圧変換回路14とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体昇圧回路に関
し、特にDRAM等に用いられるチャージポンプ回路等
の半導体昇圧回路に関する。
【0002】
【従来の技術】図5は一般的な昇圧回路の構成を示すブ
ロック図である。この半導体昇圧回路は、所定周波数の
発振出力を取り出す発振器回路10と、出力電圧が所定
値にあるか否かを判定する電圧判定回路11と、発振器
回路10の出力から所定昇圧を得る昇圧部12と、この
昇圧部12の出力を制御する出力制御回路15と、出力
負荷となるインバータなどからなる消費回路30とから
構成される。また、昇圧部12は、発振器回路10の出
力を複数段のインバータに入力する昇圧論理部16およ
び出力インバータ17と、この出力インバータ17の出
力が昇圧コンデンサCp1を介して供給される出力用MO
SトランジスタQ1とから構成される。
【0003】この回路構成における各接点の電圧を図6
の動作波形図に示す。発振器回路10の出力から所定発
振周期tosc の出力Vosc が出力され、この出力Vosc
は出力制御回路15で増幅されて出力Vgin となり、こ
の出力はコンデンサCp3を介してMOSトランジスタQ
1のゲート電圧として電源電圧Vcc1 を重畳した電圧V
goutとなっている。また昇圧論理部16の出力は、昇圧
コンデンサCp1を介した出力Vcp1 が出力用MOSトラ
ンジスタQ1のドレインに入力され、このMOSトラン
ジスタQ1のソースから出力電圧VP1を得る。なお、M
OSトランジスタQ1のソース・ゲート間電位Vgs2 が
あるため、出力電圧VP1は2倍電位2Vcc1 より電位V
gs2 分少なくなっている。
【0004】この従来の回路では、電源電圧Vccが5V
または3.3Vであったため、昇圧回路の出力トランジ
スタのゲートとソース電位差Vgs2 を確保することが出
来、供給能力を得られていたため、動作に支障はなかっ
た。しかし、メモリセルの微細化、および大容量化に伴
い、電源電圧の低電圧化が進み、現在では電源電圧2.
5Vが一般的となりつつあり、さらに低電圧化が進んで
いる。
【0005】この低電圧化に伴い、昇圧回路の出力トラ
ンジスタのゲート信号電位Vgoutが昇圧回路の出力電位
Vp1に対し電位差Vgs2を確保できなくなり、また、消費
電流量が大きいと昇圧電位を出力するトランジスタのし
きい値電圧による電圧降下と基板バイアス効果により能
力の低下が生じるため、消費電流に対し供給電流能力が
得られなくなっている。これによって消費回路が動作す
ることにより、昇圧回路の出力電位Vp1が降下しつづ
け、消費回路30において動作不良を起こしてしまう。
【0006】この消費回路30の動作について、図7の
波形図を用いて簡単に説明する。この消費回路30は、
1サイクル毎に消費電荷量CDを充電と放電が繰り返さ
れ、消費回路30の入力信号Vcyi は、周期tcycをもっ
ており、入力信号Vcyi が‘L’レベル時に電荷量CD
を充電し、入力信号Vcyi が‘H’レベル時に電荷量C
Dを放電するものとする。消費回路30により消費され
る電荷量CDの供給源が昇圧回路の出力Vp1となってい
る。なお、周期tcycを70nSとすると、発振周期tos
c がその1/2〜1/4周期となる。
【0007】ここで発振器回路10から出力される信号
Vosc の発振サイクルtosc と消費回路30の動作サイ
クルtcyc は異なり、通常動作サイクルtcyc 内に発振
サイクルtosc が数回発振して消費回路30に供給され
る。
【0008】この時の昇圧回路からの供給電源波形VP1
の様子を示す。入力信号Vcyi が‘L’レベルの時、出
力負荷の電荷量CDに対し充電動作が開始されるため、
電位降下が生じる。なお供給電源元の電位降下量ΔV1
は、充放電量CDと出力部に負荷されている容量CHと
の比例関係に有り、負荷容量CHが大きくなるに従い、
電位降下量ΔV1は小さくなる。また、消費回路30の
電位降下量ΔV2は、消費回路の充放電量に対するスピ
ードに依存し、また充電が完了するまで昇圧回路が動作
を行う。ここで、昇圧回路において、電流供給能力が不
足すると、動作サイクルtcyc 内に電荷量CDに対し供
給できなくなるため、動作サイクルtcyc サイクル毎
に電位降下が生じる。これにより、消費回路の供給電源
が得られず、動作不良に至ってしまう。
【0009】さらに、この従来例の問題を回避する方法
として、電圧変換器により出力トランジスタのゲート電
位を昇圧することにより昇圧電圧Vppを確保する構成
が,特開平8−205526号公報(従来例2)として
公知となっている。図8はこの従来例2の回路構成を示
すブロック図、図9は図8の電圧変換回路14の一例の
回路図であり、図10は図8の回路構成における各接点
の動作電圧の波形図である。
【0010】この昇圧回路は、図5の共通の内部電源V
cc1 で動作する出力制御回路15の代りに、図8のよう
に他の外部電源Vcc2 で動作する電圧変換回路14を用
いている。また電圧変換器14は、図9のように電源電
圧Vccと入力ノードN1との間に接続したPMOSトラ
ンジスタQ11と、ゲート端子に発振器回路10の出力
信号を入力し、入力ノードN1と接地電圧Vssとの間に
接続したNMOSトランジスタQ13と、電源電圧Vcc
と出力ノードN2との間に接続したPMOSトランジス
タQ12と、ゲート端子に発振器回路10からの信号を
インバータ40で反転させて供給し、出力ノードN2と
接地電圧Vssとの間に接続したNMOSトランジスタQ
14とから構成される。
【0011】PMOSトランジスタQ11のゲート端子
は出力ノードN2に接続され、PMOSトランジスタQ
12のゲート端子は入力ノードN1に接続されている。
また出力ノードN2が昇圧キャパシタCp3に接続されて
いる。図のように、ゲート端子が交差接続されたPMO
SトランジスタQ11,12とNMOSトランジスタQ
13,14とでいわゆるカスコード増幅器が構成されて
いる。
【0012】この昇圧回路において、発振器回路10の
出力がNMOSトランジスタQ13を導通させるレベル
で入力すると、入力ノードN1の放電が行われてその電
圧が論理‘L’レベルとなり、入力ノードN1にゲート
端子を接続したPMOSトランジスタQ12が導通す
る。これにより出力ノードN2は電源電圧Vccのレベル
に充電される。従って、昇圧ノードBすなわち出力トラ
ンジスタQ1のゲート電圧は2Vccの電圧レベルに昇圧
される。つまり、昇圧ノードBは従来に比べ格段に高い
レベルへ昇圧されるので、出力トランジスタQ1のしき
い値電圧Vtによる電圧降下の影響を抑制することがで
き、多量の電荷を昇圧電圧Vppに供給できる。この従来
例2においても、低電圧化に対しては電圧変換回路14
の電源電位が十分な電位でないため、昇圧電位が得られ
ない。例えば、電源電位Vcc1 が2.3Vの時、出力電
位VP1に3.5Vを得たい場合、出力トランジスタQ1
のゲート電位は基板バイアス効果により、通常のしきい
値電位Vtの2倍程度のゲート電位を必要とし、通常の
しきい値電位Vtを0.7Vとすると、4.9V程度以
上の安定した電位が要求される。しかし、図5の一般的
な昇圧回路においてはゲート電位はVcc1 ×2=4.6
Vしか得られないため、電流供給能力を得ることができ
ない。また、図8の昇圧回路においても、電源電圧Vcc
1 を2.3V、電源電圧Vcc2 を2.5Vとした時、ゲ
ート電位はVcc1 +Vcc2 =4.8Vとなり、前述の従
来例1より若干ゲート電位は確保されているものの、ま
だ電流供給能力は得られない。
【0013】さらに、昇圧回路の出力トランジスタのゲ
ート電位を確保する方法として、図11の回路構成のブ
ロック図、図12のその動作波形図を示すものがある。
この回路は、電圧変換回路14の電源電圧を、昇圧回路
からの出力電位VP1より供給されている。これにより、
ゲート電位を従来例1に従うと、Vcc1 +VP1=2.3
V+3.5V=5.8Vを得ることができ、前記従来例
1,2に比べ、大きく能力向上が図られる。
【0014】しかし、消費回路30が短いサイクルでの
動作時、電荷量CDへの充放電が繰り返されるため、出
力電位VP1の電位接点は、数Vの電位変動が生じる。従
って、安定したゲート電位が得られない。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
半導体昇圧回路は、図5の一般的な昇圧回路において
は、ゲート電位はVcc1 ×2=4.6Vしか得られない
ため、電流供給能力を得ることができない。また、図8
の昇圧回路においても、電源電圧Vcc1 を2.3V、電
源電圧Vcc2 を2.5Vとした時、ゲート電位はVcc1
+Vcc2 =4.8Vとなり、前述の従来例1より若干ゲ
ート電位は確保されているものの、まだ電流供給能力は
得られない。
【0016】さらに、図11の回路構成の場合、従来例
1,2に比べ、大きく能力向上が図られるが、消費回路
30が短いサイクルでの動作時、電荷量CDへの充放電
が繰り返されるため、出力電位VP1の電位接点は、数V
の電位変動が生じる。従って、安定したゲート電位が得
られないため、効率よく昇圧能力を得ることができない
という問題がある。
【0017】本発明の目的は、これらの問題点を解決
し、電流供給能力を十分得ることができると共に、効率
よく昇圧能力を得ることができるようにした半導体昇圧
回路を提供することにある。
【0018】本発明の他の目的は、昇圧回路の出力トラ
ンジスタに入力されるゲート電位に対し、電位変動の安
定した高い電位が得られる半導体昇圧回路を提供するこ
とにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】本発明の構成は、所定発
振周波数の発振信号を出力する発振器回路と、この発振
器回路の出力により制御出力を負荷消費回路に出力する
昇圧制御部と、この昇圧制御部の出力電圧が所定値にあ
ることを判定して前記発振器回路の出力レベルを制御す
る電圧判定回路とを有する半導体昇圧回路において、前
記昇圧制御部が、前記発振器回路の出力を所定数のイン
バータからなる論理部により増幅し、この論理部の出力
を第1のポンピング容量を介して昇圧し第1の出力トラ
ンジスタに供給し第1の制御電圧として前記負荷消費回
路に出力する昇圧部と、前記発振器回路に出力を所定数
のインバータからなる論理部により増幅し、この論理部
の出力を第2のポンピング容量を介して昇圧し第2の出
力トランジスタに供給し第2の制御電圧として出力する
電圧変換用昇圧部と、この電圧変換用昇圧部の昇圧した
第2の制御電圧を駆動電源として前記発振器回路出力
をその駆動電源電位レベルに変換しこの変換出力を前記
第1,第2の出力トランジスタのゲートにそれぞれ接続
する電圧変換回路とを備えることを特徴とする。
【0020】
【発明の実施の形態】図1は本発明の一実施形態による
回路構成を示す回路図である。従来は、昇圧回路の出力
トランジスタを制御するゲート信号発生回路の出力制御
回路15または、電圧変換回路14の電源電圧f内部電
源Vcc1 または外部電源Vcc2 により供給していた
が、、本発明の構成では、電圧変換回路15の電源電圧
に電圧変換専用昇圧部13を設けている。
【0021】この電圧変換回路14は、電圧変換専用昇
圧部13により電源電圧が供給されるため昇圧回路の出
力トランジスタQ1を制御するゲート信号に至っては、
3倍程度の出力電位を得ることができる。従って、昇圧
回路の出力トランジスタQ1のゲートとソースの電位差
Vgsが確保できるため、基板バイアスに起因した昇圧能
力低下を防止するという効果が得られる。特に、電源電
圧の低電圧化に対しては効果が大きい。
【0022】図1を参照すると、この半導体昇圧回路
は、発振器回路10と、電圧判定回路11と、昇圧制御
部20と、出力負荷となるインバータなどからなる消費
回路30とから構成され、昇圧制御部20が、昇圧部1
2と、電圧変換専用昇圧部13と、電圧変換回路14と
を有している。この発振器回路10からは、任意の周期
の波形が出力されており、昇圧回路の出力電圧値VP1を
判定する電圧判定回路11により、その出力が制御され
ている。また電圧判定回路11は、任意に設定された昇
圧回路の出力電圧値を検出しており、任意の電圧に達し
た時、発振器回路10の動作を停止し、また昇圧回路の
出力電圧が任意の電圧値より降下した時、発振器回路1
0の動作を開始する機能を有している。この、発振器回
路10から出力信号は、昇圧部13と電圧変換専用昇圧
部14と電圧変換回路15に供給されている。
【0023】昇圧部13は、発振器回路10からの出力
信号Vosc を成形する昇圧回路論理部16と、これを駆
動するインバータ回路17と、このインバータ回路17
の出力をポンピング容量Cp1を介して入力し消費回路
30を制御する出力トランジスタQ1とで構成されてい
る。このポンピング容量Cp1と、これを駆動するイン
バータ回路17および、消費回路30に供給制御する出
力トランジスタQ1は、消費される電荷量CDと発振器
回路の動作周期により、その大きさ(ディメンジョン)
が設定され、消費電荷量CDが大きくなるに従い、ま
た、消費サイクルが短くなるに従い、回路規模が大きく
なる。また、昇圧回路の出力に付加されている容量CH
は、消費回路30の動作時の電位変動量を極力押さえる
ための容量であり、電位変動量を小さく押さえようとす
ると大きな容量値が必要となる。
【0024】例えば、DRAMの場合、消費電荷量CD
がその消費電荷量に相当し、200〜400pF、容量
CHが数千〜数万pF、ポンピング容量Cp1が数百p
F、ポンピング容量Cp2,3が数〜数十pF、また容
量Cdが数pFである。
【0025】電圧変換専用昇圧部13は、前述の昇圧部
12と構成が全く同じであり、発振器回路10からの出
力信号を成形する電圧変換専用論理部18と、これを駆
動するインバータ回路19と、このインバータ回路19
の出力をポンピング容量Cp2を介して入力し電圧変換
回路14を制御する出力トランジスタQ2とで構成され
ている。この電圧変換専用昇圧部13の出力信号は、電
圧変換回路専用に電位の供給を行っており、電圧変換回
路14での消費量は、昇圧部12に比べ格段に小さい。
従って、ポンピング容量Cp2と、これを駆動するイン
バータ回路19と、電圧変換回路15に供給制御する出
力トランジスタQ2のディメンジョンは小さく設定でき
る。また、電圧変換専用昇圧部13の出力に付加されて
いる容量Cdは、電圧変換回路14の動作時の電位変動
量を押さえる容量である。
【0026】電圧変換回路14は、電圧変換専用昇圧部
13により昇圧された出力電圧VP2を電源電圧とし、発
振器回路10からの任意の周期を持った出力信号に対
し、電圧が昇圧された信号に変換して出力する回路であ
る。電圧変換回路14により出力された信号Vgin は、
ポンピング容量Cp3に入力され、さらに電位が昇圧され
る。この昇圧された信号Vgoutが昇圧部12と電圧変換
専用昇圧部13の出力トランジスタQ1,Q2のゲート
信号となる構成となっている。
【0027】図中消費回路30のインバータ回路は昇圧
された電位を消費する回路の簡易モデルであり、本発明
の構成とは直接関係しないので、簡易化した回路構成図
としてある。
【0028】次に、本実施例の動作について図1、図2
により説明する。電圧変換専用昇圧部13は発振器回路
10より、電源レベルVcc1、発振サイクルtosc の信号
Vosc が入力され、インバータ19とポンピング容量C
p2とにより、出力波形Vcp2 が形成される。さらに、
出力トランジスタQ2を経由して出力電位VP2が供給さ
れる。出力電位VP2の出力部には、電位変動を押さえる
ための容量Cdが負荷となっているため、常に安定した
電位が供給さる。電圧変換回路14で消費される電荷量
の数倍の容量値Cdを設定することで電位変動量を押さ
えることができる。この電位VP2が電圧変換回路14の
電源として供給されるため、信号Voscを入力とする電
圧変換回路14により出力信号Vginは電位VP2の振幅
に変換される。さらに、ポンピング容量Cp3により昇
圧されているため、振幅波形Vgoutが得られる。この振
幅波形Vgout が昇圧回路12の出力トランジスタQ1の
ゲートに入力されるためゲートとソース間電位Vgs1 を
得ることができる。
【0029】図3は本発明の他の実施形態の回路図であ
る。この回路は、昇圧回路の電流供給能力についてさら
に工夫したものである。図において、図1の昇圧部12
と電圧変換専用昇圧回路部13と電圧変換回路部14と
を含むブロック20を並列に複数ブロック20―1〜n
を配置し、発振器回路10からの位相の異なる出力信号
Vosc1, Vosc2……Voscnを入力とする構成となってい
る。
【0030】このように本実施形態は、電流供給タイミ
ングの位相が異なるため、定常的な電流値を供給するこ
とができる。また消費電荷量が大きい回路に対し、供給
能力が大きくできるため、昇圧能力が高くなる効果が得
られる。
【0031】なお、図3の構成において、電圧変換専用
昇圧部13の出力電位VP2は、より定常電位とするた
め、図4に示すように、制御ブロックの昇圧制御部20
―nの電圧変換専用昇圧部13の出力電位VP2を用いる
ようにして、他の昇圧制御部20―1〜n―1の電圧変
換専用昇圧部13、電圧変換回路14を削除した昇圧制
御部21―1〜n―1を用いて、共通化してもよい。
【0032】これら図3,4の一例として、消費電荷量
CDが400pFの場合、ポンピング容量Cp1の合計
が消費電荷量以上となればよいので、昇圧制御部20が
1個では容量Cp1が400pF以上、昇圧制御部20
が4個では容量Cp1が100pF以上あればよいこと
になる。
【0033】従って、昇圧制御部20が1個の場合のイ
ンバータのディメンションは、昇圧制御部20が4個の
場合に対して4倍程度大きくなる。このように消費電荷
量CDに比例して昇圧制御部20のディメンションおよ
び台数が設定される。具体的な設定としては、昇圧制御
部20(21)の台数を多く設けて配置し、より安定な
昇圧電位を供給することもできる。
【0034】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、昇
圧回路の出力トランジスタのゲート信号電位を十分確保
でき、昇圧回路の出力電位との電位差が得られるので、
昇圧回路の出力トランジスタにおける基板効果に起因し
た昇圧能力の低下を防止でき、高い昇圧能力を得ること
ができ、特に低い電源電圧に対して昇圧効果が顕著であ
る。さらに、安定したゲート信号により出力トランジス
タを制御しているので、動作の安定性を得ることができ
るという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による昇圧回路の第1の実施形態を示す
回路図。
【図2】図1の動作例を示すタイミング波形図。
【図3】本発明による昇圧回路の第2の実施形態を示す
回路図。
【図4】本発明による昇圧回路の第3の実施形態を示す
回路図。
【図5】従来の昇圧回路の第1例を示す回路図。
【図6】図5の動作例を示すタイミング波形図。<BR>
【図7】図5の消費回路の動作例を示すタイミング波形
図。
【図8】従来の昇圧回路の第2例を示す回路図。
【図9】図7の電圧変換回路の一例の回路図。
【図10】図7の動作例を示すタイミング波形図。
【図11】従来の昇圧回路の第3例を示す回路図。
【図12】図10の動作例を示すタイミング波形図。
【符号の説明】
10 発振器回路 11 電圧判定回路 12 昇圧部 13 電圧変換用昇圧部 14 電圧変換回路 15 出力制御回路 16 昇圧論理部 17,19,40 インバータ 18 電圧変換用昇圧論理部 20,20―1〜n,21―1〜n 昇圧制御部 30 消費回路(インバータ) C1,2 昇圧キャパシタ Q1,2 MOSトランジスタ Q11,12 PMOSトランジスタ Q13,14 NMOSトランジスタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 3/07 G11C 11/407

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 所定発振周波数の発振信号を出力する発
    振器回路と、この発振器回路の出力により制御出力を負
    荷消費回路に出力する昇圧制御部と、この昇圧制御部の
    出力電圧が所定値にあることを判定して前記発振器回路
    の出力を制御する電圧判定回路とを有する半導体昇圧回
    路において、前記昇圧制御部が、前記発振器回路の出力
    を所定数のインバータからなる論理部により増幅し、こ
    の論理部の出力を第1のポンピング容量を介して昇圧し
    第1の出力トランジスタに供給し第1の制御電圧として
    前記負荷消費回路に出力する昇圧部と、前記発振器回路
    に出力を所定数のインバータからなる論理部により増幅
    し、この論理部の出力を第2のポンピング容量を介して
    昇圧し第2の出力トランジスタに供給し第2の制御電圧
    として出力する電圧変換用昇圧部と、この電圧変換用昇
    圧部の昇圧した第2の制御電圧を駆動電源として前記発
    振器回路出力をその駆動電源電位レベルに変換しこの
    変換出力を前記第1,第2の出力トランジスタのゲート
    にそれぞれ接続する電圧変換回路とを備えることを特徴
    とする半導体昇圧回路。
  2. 【請求項2】 複数個の昇圧制御部により負荷消費回路
    が駆動される請求項1記載の半導体昇圧回路。
  3. 【請求項3】 複数個の昇圧制御部のうちの1個の昇圧
    制御部の電圧変換用昇圧部および電圧変換回路が共通化
    されて用いられ、他の昇圧制御部の電圧変換用昇圧部お
    よび電圧変換回路が削除された請求項2記載の半導体昇
    圧回路。
  4. 【請求項4】 ポンピング容量が、負荷消費回路の消費
    電荷量以上となるように設定された請求項記載の半導
    体昇圧回路。
  5. 【請求項5】 負荷消費回路の消費電荷量に対応して、
    昇圧制御部のディメンションおよび使用個数が設定され
    た請求項記載の半導体昇圧回路。
JP11013465A 1999-01-21 1999-01-21 半導体昇圧回路 Expired - Fee Related JP3012634B1 (ja)

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