JP3475178B2 - Charge pump circuit - Google Patents

Charge pump circuit

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JP3475178B2 JP2001009366A JP2001009366A JP3475178B2 JP 3475178 B2 JP3475178 B2 JP 3475178B2 JP 2001009366 A JP2001009366 A JP 2001009366A JP 2001009366 A JP2001009366 A JP 2001009366A JP 3475178 B2 JP3475178 B2 JP 3475178B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a charge pump circuit used in a power supply circuit or the like, and more particularly to a charge pump circuit capable of high efficiency and large current output.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art In recent years, video equipment such as video cameras, digital still cameras (DSC), and DSC phones use CCDs (Charge Coupled Devices) to capture the video. The CCD drive circuit for driving the CCD has a positive and negative high voltage (tens of volts) and a large current (several mA).
Need a power circuit. Currently, this high voltage is generated using a switching regulator.

【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。
A switching regulator can generate a high voltage with high performance, that is, high power efficiency (output power / input power). However, this circuit has a drawback of generating harmonic noise at the time of switching current, and therefore the power supply circuit must be shielded for use. Furthermore, a coil is required as an external component.

【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。
On the other hand, the charge pump circuit can generate a high voltage with a small noise, but has a drawback that the power efficiency is lower than the conventional one. Therefore, the charge pump circuit is used as a power supply circuit of a portable device having power efficiency as a priority specification. It is not possible. Therefore, if a high-performance charge pump circuit can be realized, it can contribute to downsizing of portable devices.

【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 Integra
ted Circuits Using an Improved Voltage Multiplier
Technique” IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS,V
OL.SC-11,NO.3 pp.374-378 JUNE 1976.」に詳しく記載
されている。
A Dickson charge pump circuit is known as the most basic conventional charge pump circuit. This circuit is described, for example, in the technical document "John F. Dickson.
“On-chip High-Voltage Generation in MNOS Integra
ted Circuits Using an Improved Voltage Multiplier
Technique ”IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, V
OL.SC-11, NO.3 pp.374-378 JUNE 1976. ”.

【0006】図11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11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。
FIG. 11 is a schematic circuit diagram showing a four-stage Dickson charge pump circuit. In FIG. 11, five diodes are connected in series. C is the coupling capacity, CL
Is the output capacitance, and CLK and CLKB are the input clock pulses having opposite phases. Further, 51 is a clock driver, and 52 is a current load.

【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(High)、
Φ2=ロウ(Low)の期間、図中の実線矢印の方向に2Io
utの平均電流が流れる。また、Φ1=ロウ(Low)、Φ2=
ハイ(High)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。
When the constant current Iout flows in the output in the stable state, the input current to the charge pump circuit is the current from the input voltage Vin and the current supplied from the clock driver. These currents are as follows, ignoring the charging / discharging current to the parasitic capacitance. Φ1 = High,
2Io in the direction of the solid line arrow in the figure during the period of Φ2 = Low
The average current of ut flows. Also, Φ1 = Low, Φ2 =
During the period of High (High), the average current of 2Iout flows in the direction of the broken line arrow in the figure. All these average currents in a clock cycle will be Iout. The boosted voltage Vout of the charge pump circuit in the stable state is expressed as follows.

【0008】[0008]

【数1】 [Equation 1]

【0009】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。Vdは順
方向バイアスダイオード電圧(Fo rward bias diodevol
tage)nはポンピング段数である。更に、Vl とVφ’は
次式で表される。
Here, V φ 'is at each connection node,
It is the voltage amplitude caused by the coupling capacitance as the clock pulse changes. V l is a voltage drop caused by the output current Iout, and Vin is an input voltage, which is normally set to the power supply voltage Vdd for positive boosting and 0 V for negative boosting. Vd is the forward bias diode voltage
tage) n is the number of pumping stages. Further, V l and V φ 'are expressed by the following equations.

【0010】[0010]

【数2】 [Equation 2]

【0011】[0011]

【数3】 [Equation 3]

【0012】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 capacitance 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。
Here, C is a clock coupling capacity (clock cou
pling capacitance), C S is the stray capacitance at each node, V φ is the clock pulse amplitude, f is the frequency of the clock pulse, and T is the clock period.
Is. For the power efficiency of the charge pump circuit, the charge / discharge current flowing from the clock driver to the parasitic capacitance is ignored, and V
When in = Vdd, it is represented by the following formula.

【0013】[0013]

【数4】 [Equation 4]

【0014】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)Vtとなる。
As described above, in the charge pump circuit, the diode is used as a charge transfer device (charge transfer device).
It is used as e) to boost the voltage by successively transferring the charges to the next stage. However, considering mounting on a MOS integrated circuit, it is easier to use a MOS transistor rather than a pn junction diode because of compatibility with the process. Therefore, it has been proposed to use a MOS transistor instead of a diode as a charge transfer element. In this case, in the equation (1), Vd is the threshold voltage Vt of the MOS transistor.

【0015】さて、閾値電圧Vt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-Voltage Oper
ation” IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS.VOL.3
3,NO.4 APRIL 1998」に詳細に記載されている。
The voltage loss (voltage loss) corresponding to the threshold voltage Vt
In order to eliminate the loss) and realize a high-performance charge pump circuit, the impedance of the charge transfer MOS transistor must be lowered according to the value of Iout. For that purpose, it is effective to optimize the channel width of the charge transfer MOS transistor and at the same time raise the gate-source voltage Vgs thereof to the power supply voltage Vdd or higher. A charge pump circuit that realizes this is described in, for example, the technical document “Jieh
-Tsorng Wu “MOS Charge Pumps for Low-Voltage Oper
ation ”IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS.VOL.3
3, NO.4 APRIL 1998 ”.

【0016】[0016]

【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12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。
The present inventor has studied the charge pump circuit of the above-mentioned technical documents and found the following problems. FIG. 12 shows a circuit diagram of one charge pump circuit published in the document. In the figure, MD1 to MD4
Is a diode for initial setting of each pump node and does not contribute to pumping operation. The characteristic of this circuit is that the voltage of the pumping node at the subsequent stage, which is boosted as the gate-source voltage Vgs of the charge transfer MOS transistors MS1 to MS3, is returned to give 2Vdd. However, it is difficult to give 2Vdd as Vgs to the charge transfer MOS transistor MS4 at the final stage.
It is inevitable that voltage loss will occur.

【0017】上記文献に掲載された他のチャージポンプ
回路は図13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 generat
or)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。
Another charge pump circuit described in the above document is a dynamic type charge pump circuit shown in FIG. This circuit uses a bootstrap high voltage clock in order to prevent Vgs of the MOS transistor MD4 from dropping to Vdd + (Vdd-Vth) and Vgs of the MOS transistor MD0 to (Vdd-Vth). Generator (High-voltage clock generat
or) is used. Further, all the charge transfer MOS transistors MS1 to MS4 are of N-channel type.

【0018】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トランジスタのゲート・ソース間
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。
This method is effective when the current load is small because the size of the charge transfer MOS transistor is small, that is, the gate parasitic capacitance is small. However, in order to realize a charge pump circuit with a large current output, the channel width of the charge transfer MOS transistor must be set to several millimeters, which results in a large gate parasitic capacitance of the MOS transistor (several pF), resulting in bootstrap. It becomes very difficult to generate a 2Vdd clock depending on the method. In addition, there is a drawback that a method of applying a voltage equal to or higher than the power supply voltage Vdd as the gate-source voltage Vgs of the charge transfer MOS transistor in the subsequent stage must be devised separately.

【0019】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Vt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。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の絶対
値を2Vdd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。
The present invention has been made in view of the problem to solve the above-mentioned problems of the prior art, and eliminates the voltage loss due to the threshold voltage Vt of the charge transfer MOS transistor, resulting in high efficiency and large output current. It is an object to provide a charge pump circuit. Another object of the present invention is to secure the gate oxide film breakdown voltage and to enable the optimum design of the charge transfer MOS transistors by setting the absolute value of the gate-source voltage Vgs of all the charge transfer MOS transistors to 2Vdd. And

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】本願の発明中、代表的な
ものの概要を説明すれば、以下のとおりである。
The typical ones of the inventions of the present application will be outlined below.

【0021】第1のチャージポンプ回路は、初段の電荷
転送MOSトランジスタに所定の入力電圧が印加される
と共に直列接続された(n+2)個の電荷転送用MOS
トランジスタと、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、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、後段の電荷転送用MOSト
ランジスタから正の昇圧電圧を出力するチャージポンプ
回路において、後段2個の電荷転送用MOSトランジス
タをPチャネルで構成し残余のn個の電荷転送用MOS
トランジスタをNチャネル型で構成すると共に、電荷転
送用MOSトランジスタがオンする時にゲート・ソース
間電圧が一定値となるようなゲート電圧を印加する回路
手段を設けたものである。
In the first charge pump circuit, a predetermined input voltage is applied to the charge transfer MOS transistor at the first stage and (n + 2) charge transfer MOS transistors are connected in series.
A MOS transistor for charge transfer at a subsequent stage, which includes a transistor, a coupling capacitor whose one end is connected to each connection point of the charge transfer MOS transistor, and a clock driver which alternately supplies a clock pulse of an opposite phase to the other end of the coupling capacitor. In a charge pump circuit that outputs a positive boosted voltage from a transistor, two charge transfer MOS transistors in the latter stage are configured by P channels and the remaining n charge transfer MOS transistors are formed.
The transistor is of N-channel type, and circuit means is provided for applying a gate voltage such that the gate-source voltage becomes a constant value when the charge transfer MOS transistor is turned on.

【0022】かかる手段によれば、電荷転送用MOSト
ランジスタの閾値電圧Vt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。しかも、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の絶対値を一定値
(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M
OSトランジスタの最適設計が可能になる。
According to such means, it is possible to provide a charge pump circuit with high efficiency and large output current by eliminating the voltage loss due to the threshold voltage Vt of the charge transfer MOS transistor. Moreover, by setting the absolute value of the gate-source voltage Vgs of all the charge transfer MOS transistors to a constant value (for example, 2 Vdd), the gate oxide film breakdown voltage can be stably ensured and the charge transfer M
Optimal design of OS transistors is possible.

【0023】第2のチャージポンプ回路は、第1のチャ
ージポンプ回路において、回路手段は、クロックパルス
に応じてNチャネル型の電荷転送用MOSトランジスタ
のオンオフを制御する反転レベルシフト回路と、クロッ
クパルスに応じてPチャネル型の電荷転送用MOSトラ
ンジスタのオンオフを制御する非反転レベルシフト回路
と、を備え、反転レベルシフト回路の高電位側の電源と
して昇圧された後段の接続点の電圧を用いると共に、非
反転レベルシフト回路の低電位側の電源として前段の接
続点の電圧を用いるものである。
The second charge pump circuit is the same as the first charge pump circuit, except that the circuit means controls the on / off of the N-channel type charge transfer MOS transistor in response to the clock pulse, and the clock pulse. And a non-inverting level shift circuit for controlling ON / OFF of a P-channel type charge transfer MOS transistor according to the above, and using a boosted voltage at a connection point at a subsequent stage as a power source on the high potential side of the inverting level shift circuit. The voltage at the connection point of the preceding stage is used as the low-potential-side power source of the non-inverting level shift circuit.

【0024】かかる手段によれば、反転レベルシフト回
路と非反転レベルシフト回路とにより、電荷転送用MO
Sトランジスタのオンオフを制御して昇圧を可能にする
と共に、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を一定値にすることができる。
According to such means, the charge transfer MO is constituted by the inverting level shift circuit and the non-inverting level shift circuit.
It is possible to control ON / OFF of the S transistors to enable boosting, and to make the gate-source voltage Vgs of all the charge transfer MOS transistors constant.

【0025】第3のチャージポンプ回路は、第2のチャ
ージポンプ回路において、反転レベルシフト回路の高電
位側の電源として1段後の接続点の電圧を用いると共
に、非反転レベルシフト回路の低電位側の電源として1
段前の接続点の電圧を用いるものである。
The third charge pump circuit uses, in the second charge pump circuit, the voltage at the connection point after one stage as the power source on the high potential side of the inverting level shift circuit and the low potential of the non-inverting level shift circuit. 1 as the power source on the side
The voltage at the connection point before the stage is used.

【0026】かかる手段によれば、全ての電荷転送用M
OSトランジスタのゲートソース間電圧Vgsを2Vd
dとすることができる。
According to such means, all charge transfer M
Set the gate-source voltage Vgs of the OS transistor to 2Vd
It can be d.

【0027】第4のチャージポンプ回路は、第3のチャ
ージポンプ回路において、中間段の電荷転送用MOSト
ランジスタの昇圧電圧を出力して他の回路の電源として
用いるものである。
The fourth charge pump circuit outputs the boosted voltage of the charge transfer MOS transistor at the intermediate stage in the third charge pump circuit and uses it as a power source for other circuits.

【0028】かかる手段によれば、高電圧を必要とする
他の回路の電源回路を省略することができ、集積回路の
設計上効率化が図れる。
According to such means, it is possible to omit the power supply circuit for other circuits which require high voltage, and to improve the efficiency in designing the integrated circuit.

【0029】第5のチャージポンプ回路は第3のチャー
ジポンプ回路において、結合コンデンサに供給されるク
ロックパルスと反転レベルシフト回路と非反転レベルシ
フト回路に供給されるクロックパルスのデューティを異
ならしめることにより、電荷転送用MOSトランジスタ
の逆方向電流を防止したものである。
The fifth charge pump circuit differs from the third charge pump circuit in that the duty of the clock pulse supplied to the coupling capacitor and the duty of the clock pulse supplied to the inverting level shift circuit and the non-inverting level shift circuit are made different. The reverse current of the charge transfer MOS transistor is prevented.

【0030】かかる手段によれば、消費電力のロスを防
止できる。
According to such means, it is possible to prevent the loss of power consumption.

【0031】[0031]

【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9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
す概略回路図である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic circuit diagram showing a three-stage charge pump circuit according to the first embodiment of the present invention.

【0032】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。前段のM
1、M2はNチャネル型、後段のM3、M4はPチャネ
ル型である点が1つの特徴である。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V
inとして電源電圧Vddが供給されている。また、M
4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。
In FIG. 1, four charge transfer MOS transistors M1 to M4 are connected in series. M in the previous stage
One of the features is that 1 and M2 are N-channel type, and M3 and M4 in the latter stage are P-channel type. The gate and the substrate voltage Vgb of M1 to M4 are connected to have the same potential as the gate and source voltage Vgs, and the source and the substrate have the same potential. The input voltage V is applied to the source of M1.
The power supply voltage Vdd is supplied as in. Also, M
The boosted voltage Vout is output from the drain of the No. 4 and is supplied to the current load L.

【0033】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は不図示のクロックドライ
バーから出力される。このクロックドライバーには電源
電圧Vddが供給されているものとする。
C1, C2 and C3 are coupling capacitors whose one ends are connected to connection points (pumping nodes) of the charge transfer MOS transistors M1 to M4. A clock pulse CLK and a clock pulse CLKB having an opposite phase to the clock pulse CLK are alternately applied to the other ends of the coupling capacitors C1 to C3. The clock pulses CLK and CLKB are output from a clock driver (not shown). It is assumed that the clock driver is supplied with the power supply voltage Vdd.

【0034】電荷転送用MOSトランジスタM1とM2
の各ゲートには反転レベルシフト回路S1とS2の出力
が供給されている。また、電荷転送用MOSトランジス
タM3とM4の各ゲートには非反転レベルシフト回路S
3とS4の出力が供給されている。
Charge transfer MOS transistors M1 and M2
The outputs of the inversion level shift circuits S1 and S2 are supplied to the respective gates. Further, the non-inverting level shift circuit S is provided at each gate of the charge transfer MOS transistors M3 and M4.
The outputs of 3 and S4 are supplied.

【0035】反転レベルシフト回路S1、S2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、この反転レベルシフト回路は入力インバータIN
V、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。
FIG. 2 shows the circuit configuration and operation waveform diagram of the inversion level shift circuits S1 and S2. As shown in FIG. 2A, this inverting level shift circuit has an input inverter IN.
V, differential input MOS transistors M11 and M12, and cross-connected MOS transistors M13 and M14. The configuration up to this point is similar to that of the conventional level shift circuit.

【0036】この反転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、
M16を備えている。そして、MOSトランジスタM1
5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が印加されている。
In addition to these, the inverting level shift circuit includes a pull-up connected MOS transistor M15,
Equipped with M16. Then, the MOS transistor M1
The voltage V12 is applied to the gate of No. 5 and the potential A is applied to the source.

【0037】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〜M
16はPチャネル型である。
Further, the voltage V11 having a phase opposite to V12 is applied to the gate of the MOS transistor M16, and the potential B is applied to the source thereof. Here, potential A> potential B. M11 and M12 are N-channel type, M13 to M
16 is a P-channel type.

【0038】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。
Further, as shown in FIG. 2B, in the level shift circuit having the above structure, the MOS transistor M
You may change so that 15 and M16 may become an inverter structure.

【0039】上述した構成の反転レベルシフト回路の動
作波形を図2(c)に示す。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。この回路を用いること
により、後述するように、電荷転送用MOSトランジス
タM1、M2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。
The operation waveforms of the inverting level shift circuit having the above-mentioned configuration are shown in FIG. The conventional level shift circuit outputs a high voltage and 0V, whereas the level shift circuit alternately outputs the potential A and the intermediate potential B (A>B> 0V). By using this circuit, the absolute value of the gate-drain voltage of the charge transfer MOS transistors M1 and M2 can be made uniform to a constant voltage (2Vdd), as described later.

【0040】次に、非反転レベルシフト回路S3、S4
の回路構成及び動作波形図を図3に示す。反転レベルシ
フト回路S1、S2と異なる点は、電位Aにプルアップ
されたMOSトランジスタM15のゲートに電圧V11
が印加され、電位BにプルアップされたMOSトランジ
スタM16のゲートに電圧V12が印加されている点で
ある( 図3(a))。なお、図3(b)に示すよう
に、MOSトランジスタM15、M16をインバータ構
成にしてもよい。
Next, the non-inverting level shift circuits S3 and S4
FIG. 3 shows a circuit configuration and an operation waveform diagram of the above. The difference from the inverting level shift circuits S1 and S2 is that the voltage V11 is applied to the gate of the MOS transistor M15 pulled up to the potential A.
Is applied and the voltage V12 is applied to the gate of the MOS transistor M16 pulled up to the potential B (FIG. 3A). As shown in FIG. 3B, the MOS transistors M15 and M16 may have an inverter configuration.

【0041】図3(c)の動作波形図に示すように、こ
の非反転レベルシフト回路S3、S4は入力電圧INに
対して非反転のレベルシフト動作を行う。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M3、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。
As shown in the operation waveform diagram of FIG. 3C, the non-inverted level shift circuits S3 and S4 perform a non-inverted level shift operation with respect to the input voltage IN. By using this level shift circuit, the absolute value of the gate-drain voltage of the charge transfer MOS transistors M3 and M4 can be made uniform to a constant voltage (2Vdd), as described later.

【0042】反転レベルシフト回路S1、S2、非反転
レベルシフト回路S3、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。反転レベルシフト回路S
1にはクロックパルスCLK’、反転レベルシフト回路
S2にはクロックパルスCLKB’が入力される。クロ
ックパルスCLK’とCLKB’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。 すな
わち、電荷転送用MOSトランジスタM1〜M4が完全
にオフしてからクロックパルスCLKとCLKBの変化
により各ポンピングノードの昇圧を行うようにしてい
る。上記クロックパルスの位相関係は図4に示されてい
る。
The connection relationship between the inverting level shift circuits S1 and S2, the non-inverting level shift circuits S3 and S4, and the charge pump circuit is as follows. Inversion level shift circuit S
The clock pulse CLK 'is input to 1 and the clock pulse CLKB' is input to the inversion level shift circuit S2. The clock pulses CLK 'and CLKB' are created from the clock pulses CLK and CLKB, respectively, but charge transfer MOS
The low period is short in order to prevent the current from flowing back to the transistors M1 to M4. That is, after the charge transfer MOS transistors M1 to M4 are completely turned off, the boosting of each pumping node is performed by the change of the clock pulses CLK and CLKB. The phase relationship of the clock pulses is shown in FIG.

【0043】また、図1に示されているように、反転レ
ベルシフト回路S1の高電位側の電源(電位A)として
は、昇圧された1段後のポンピングノードの電圧V2を
帰還して用いる。同様に反転レベルシフト回路S2の高
電位側の電源(電位A)として昇圧された1段後のポン
ピングノードの電圧V3を帰還して用いる。また、反転
レベルシフト回路S1、S2の低電位側の電源(電位
B)としては、各段の電圧であるVdd、V1が夫々印
加されている。
Further, as shown in FIG. 1, the boosted voltage V2 of the pumping node after one stage is fed back and used as the power supply (potential A) on the high potential side of the inverting level shift circuit S1. . Similarly, the boosted voltage V3 of the pumping node after one stage is fed back and used as the power source (potential A) on the high potential side of the inverting level shift circuit S2. Further, as the power source (potential B) on the low potential side of the inversion level shift circuits S1 and S2, the voltages Vdd and V1 of the respective stages are applied, respectively.

【0044】一方、非反転レベルシフト回路S3の低電
位側の電源(電位B)としては、1段前のポンピングノ
ードの電圧V1が用いられ、同様に非反転レベルシフト
回路S4の低電位側の電源(電位B)としては、1段前
のポンピングノードの電圧V2が用いられる。また、反
転レベルシフト回路S1、S2の高電位側の電源(電位
A)としては、各段の電圧であるV3、Voutが夫々
印加されている。
On the other hand, as the power source (potential B) on the low potential side of the non-inverting level shift circuit S3, the voltage V1 of the pumping node of the preceding stage is used, and similarly, the power source on the low potential side of the non-inverting level shift circuit S4. As the power supply (potential B), the voltage V2 of the pumping node one stage before is used. Further, as the power source (potential A) on the high potential side of the inversion level shift circuits S1 and S2, the voltages V3 and Vout of the respective stages are applied, respectively.

【0045】上述した本実施形態によるチャージポンプ
回路の特徴を要約すれば以下の通りである。第1に、前
段2つの電荷転送用MOSトランジスタM1、M2はN
チャネル型で構成され、後段2つの電荷転送用MOSト
ランジスタM3、M4はPチャネル型で構成されている
点である。第2に中間電位の出力を可能にした反転レベ
ルシフト回路S1とS2、非反転レベルシフト回路S3
とS4を設けた点である。
The features of the charge pump circuit according to the present embodiment described above are summarized as follows. First, the two charge transfer MOS transistors M1 and M2 in the preceding stage are N
This is that it is a channel type, and the two subsequent charge transfer MOS transistors M3 and M4 are P channel type. Secondly, the inverting level shift circuits S1 and S2 and the non-inverting level shift circuit S3 capable of outputting the intermediate potential.
And S4 are provided.

【0046】これらの構成により、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)は以下のとおり2Vddに揃え
ることが導かれる。まず、次式の関係が成り立つ。 Vgs(M1)=V2(High)−Vdd Vgs(M2)=V3(High)−V1(High) Vgs(M3)=V1(Low)−V3(Low) Vgs(M4)=V2(Low)−Vout 次に、定常状態のチャージポンプの昇圧動作から、さら
に以下の関係が成り立つ。 V1(High)=2Vdd、V1(Low)=Vdd V2(High)=3Vdd、V2(Low)=2Vdd V3(High)=4Vdd、V3(Low)=3Vdd、Vou
t=4Vdd これらの関係式から、全ての電荷転送用MOSトランジ
スタのオン時のVgsの絶対値は表1に示すように同一
値2Vddとなることが導かれる。したがって、高いV
gs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 o
xide)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 resistanc
e)を低く設計でき効率が良い。
With these configurations, the gate-source voltage Vgs of the charge transfer transistors M1 to M4 (when the transistors are in the ON state) is guided to 2Vdd as follows. First, the following equation holds. Vgs (M1) = V2 (High) -Vdd Vgs (M2) = V3 (High) -V1 (High) Vgs (M3) = V1 (Low) -V3 (Low) Vgs (M4) = V2 (Low) -Vout Next, the following relationship is further established from the boosting operation of the charge pump in the steady state. V1 (High) = 2Vdd, V1 (Low) = Vdd V2 (High) = 3Vdd, V2 (Low) = 2Vdd V3 (High) = 4Vdd, V3 (Low) = 3Vdd, Vou
t = 4Vdd From these relational expressions, it is derived that the absolute value of Vgs when all the charge transfer MOS transistors are on is the same value 2Vdd as shown in Table 1. Therefore, high V
The on resistance of the charge transfer MOS transistors M1 to M4 is reduced by gs, and a charge pump circuit with high efficiency and large output current can be realized. Further, the gate oxide film thickness (thickness of gate of each of the charge transfer MOS transistors M1 to M4) is
xide) can be uniformly designed to have a thickness that can withstand 2 Vdd, so that compared with the case where Vgs of the charge transfer MOS transistor is non-uniform, the on-state resistance (ON-state resistanc
e) can be designed low and efficiency is good.

【0047】[0047]

【表1】 [Table 1]

【0048】図4は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。電荷転送用MOSトラン
ジスタM1〜M4はクロックパルスに応じて交互にオン
・オフを繰り返す。ここで、反転レベルシフト回路S1
とS2、非反転レベルシフト回路S3とS4に印加され
るクロックパルスCLK’、CLKB’はデューティが
異なる。すなわち、図に示すようにロウ(Low)の期間が
短く設定されている。このため、電荷転送用MOSトラ
ンジスタM1〜M4のオンの期間は短くなる。この理由
は以下の通りである。
FIG. 4 is a timing chart for explaining the operation of the charge pump circuit. The charge transfer MOS transistors M1 to M4 are alternately turned on / off in response to a clock pulse. Here, the inversion level shift circuit S1
And S2 and the clock pulses CLK 'and CLKB' applied to the non-inverting level shift circuits S3 and S4 have different duties. That is, as shown in the figure, the low period is set to be short. Therefore, the ON period of the charge transfer MOS transistors M1 to M4 is shortened. The reason for this is as follows.

【0049】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。
Charge transfer MOS transistors M1 to M4
Since is not diode-connected, there is a risk of reverse current flow, which reduces power efficiency. Therefore, in order to prevent this reverse current, the ON period of the charge transfer MOS transistors M1 to M4 is shortened, and during the OFF period,
Pumping is performed by changing the clock pulses CLK and CLKB applied to the coupling capacitors C1 to C3.

【0050】また、図5は各ポンピングノードの電圧波
形V1、V2、V3を示す図である。図中、VΦはクロ
ックパルスCLK’、CLKB’の振幅、ΔVdsはM
OSトランジスタのソースドレイン間電圧である。
FIG. 5 is a diagram showing voltage waveforms V1, V2 and V3 at each pumping node. In the figure, V Φ is the amplitude of the clock pulses CLK ′ and CLKB ′, and ΔVds is M.
It is the voltage between the source and drain of the OS transistor.

【0051】なお、図1において、2段目の電荷転送M
OSトランジスタM2から2Vddを取り出す出力回路
が設けられている。この回路は反転レベルシフト回路S
2によって制御されたMOSトランジスタMmとコンデ
ンサCmから構成されている。この回路によれば、2V
ddの安定した直流電圧が得られるので、他の回路、例
えばクロックドライバーの電源として好適である。
In FIG. 1, the charge transfer M in the second stage
An output circuit for extracting 2Vdd from the OS transistor M2 is provided. This circuit is an inversion level shift circuit S
It is composed of a MOS transistor Mm controlled by 2 and a capacitor Cm. According to this circuit, 2V
Since a stable DC voltage of dd can be obtained, it is suitable as a power source for other circuits, for example, a clock driver.

【0052】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。すなわち、電荷転送用MOSトラ
ンジスタとして後段2段をPチャネル型、残りの前段を
Nチャネル型で構成することにより任意の段数のチャー
ジポンプ回路を実現することができる。
Although the three-stage charge pump circuit according to the embodiment of the present invention has been described above, the number of stages is not limited to three. That is, a charge pump circuit having an arbitrary number of stages can be realized by configuring the latter two stages as P-channel type and the remaining preceding stages as N-channel type as the charge transfer MOS transistors.

【0053】なお、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。
Although it has been shown that the absolute value of Vgs of the charge transfer MOS transistor can be made equal to 2Vdd in the above-described three-stage charge pump circuit, the Vgs of the charge transfer MOS transistor in the multi-stage charge pump circuit has been shown. It is also possible to set the absolute value to 3 Vdd or more.

【0054】そのためには、反転レベルシフト回路S
1、S2の高電位側の電源としてより後段の接続ノード
の電圧を利用し、非反転レベルシフト回路S3、S4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(breakdown v
oltage of gate oxide)を考慮すれば絶対値2Vddが
最も適している。
For that purpose, the inversion level shift circuit S
The voltage of the connection node in the subsequent stage may be used as the power supply on the high potential side of S1 and S2, and the voltage of the connection node in the subsequent stage may be used as the power supply on the high potential side of the non-inverting level shift circuits S3 and S4. However, the gate oxide breakdown voltage (breakdown v
The absolute value of 2Vdd is most suitable in consideration of the gate of gate oxide).

【0055】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6はマイナス昇圧
(0V以下の昇圧)を行う2段チャージポンプ回路を示
す概略回路図である。この2段チャージポンプ回路は、
−2Vddの昇圧電圧を出力するものであり、例えば−
6.5Vの昇圧を行うのに適している。
Next, a charge pump circuit according to the second embodiment of the present invention will be described. Although the charge pump circuit described above performs positive boosting, FIG. 6 is a schematic circuit diagram showing a two-stage charge pump circuit that performs negative boosting (boosting below 0 V). This two-stage charge pump circuit
It outputs a boosted voltage of −2 Vdd, and for example −
It is suitable for boosting up to 6.5V.

【0056】図6において、クロックパルスCLK’、
CLKB’とレベルシフト回路の組み合わせを変更して
いる。すなわち、電荷転送用MOSトランジスタM
1’、M2’、M3’が直列接続され、その接続ノード
に結合コンデンサC1’、C2’が接続されている。M
1’はPチャネル型でソースに接地電位(0V)が印加
されている。M2’、M3’はNチャネル型である。
In FIG. 6, the clock pulse CLK ',
The combination of CLKB 'and the level shift circuit is changed. That is, the charge transfer MOS transistor M
1 ', M2', M3 'are connected in series, and coupling capacitors C1', C2 'are connected to the connection node. M
Reference numeral 1'denotes a P-channel type, and a ground potential (0V) is applied to the source. M2 'and M3' are N-channel type.

【0057】また、M1’のゲートには反転レベルシフ
ト回路S1’の出力が印加され、M2’、M3’のゲー
トには非反転レベルシフト回路S2’、S3’の出力が
印加されている。そして、電荷転送用MOSトランジス
タM3’のドレインからマイナス昇圧電圧−Voutが
出力され、電流負荷Lに供給される。
The output of the inverting level shift circuit S1 'is applied to the gate of M1', and the outputs of the non-inverting level shift circuits S2 'and S3' are applied to the gates of M2 'and M3'. Then, the minus boosted voltage −Vout is output from the drain of the charge transfer MOS transistor M3 ′ and is supplied to the current load L.

【0058】ここで、電荷転送用MOSトランジスタM
2’のゲート・ソース間電圧Vgs(オン時)を2Vd
dとするために、非反転レベルシフト回路S2’の高電
位側の電源をVddとした。これにより、全ての電荷転
送用MOSトランジスタM1’、M2’、M3’のゲー
ト・ソース間電圧Vgs(オン時)の絶対値を2Vdd
とすることができる。
Here, the charge transfer MOS transistor M
2'gate-source voltage Vgs (when ON) is 2Vd
In order to set d, the power source on the high potential side of the non-inverting level shift circuit S2 ′ is set to Vdd. As a result, the absolute value of the gate-source voltage Vgs (when on) of all the charge transfer MOS transistors M1 ′, M2 ′, M3 ′ is 2Vdd.
Can be

【0059】なお、図6において、2段目の電荷転送M
OSトランジスタM2’から−Vddを取り出す出力回
路が設けられている。この回路は非反転レベルシフト回
路S2’によって制御されたMOSトランジスタMm’
とコンデンサCm’から構成されている。この回路によ
れば、−Vddの安定した直流電圧が得られるので他の
回路に用いることができる。
In FIG. 6, the charge transfer M in the second stage
An output circuit for extracting -Vdd from the OS transistor M2 'is provided. This circuit is a MOS transistor Mm 'controlled by a non-inverting level shift circuit S2'.
And a capacitor Cm '. According to this circuit, a stable DC voltage of -Vdd can be obtained, so that it can be used for other circuits.

【0060】図7は上記構成の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。電荷転送用M
OSトランジスタM1’、M2’、M3’のゲートに印
加される電圧Vgs(M1)〜Vgs(M3)により、
M1’、M2’、M3’は交互にオンオフを繰り返す。
ここで、クロックパルスCLK’、CLKB’はロウ
(Low)の期間を短くすることにより、電流の逆流を防
止している。なお、図8に各ポンピングノードの電圧波
形V1、V2を示した。
FIG. 7 is a timing chart for explaining the operation of the charge pump circuit having the above structure. Charge transfer M
By the voltages Vgs (M1) to Vgs (M3) applied to the gates of the OS transistors M1 ′, M2 ′, M3 ′,
M1 ', M2' and M3 'are alternately turned on and off repeatedly.
Here, the clock pulses CLK 'and CLKB' prevent the current from flowing backward by shortening the low period. The voltage waveforms V1 and V2 of each pumping node are shown in FIG.

【0061】次に本発明の第3の実施形態に係るチャー
ジポンプ回路を説明する。図9はマイナス昇圧を行う3
段チャージポンプ回路を示す概略回路図である。この回
路の構成は基本的には図1に示したチャージポンプ回路
の構成要素の極性を逆転させたものである。すなわち、
前段2段の電荷転送用MOSトランジスタM1’、M
2’はPチャネル型、後段2段の電荷転送用MOSトラ
ンジスタM3’、M4’はNチャネル型で構成してい
る。
Next, a charge pump circuit according to the third embodiment of the present invention will be described. Figure 9 shows negative boost 3
It is a schematic circuit diagram which shows a stage charge pump circuit. The configuration of this circuit is basically the polarity of the components of the charge pump circuit shown in FIG. 1 reversed. That is,
Charge transfer MOS transistors M1 ′, M of the two previous stages
2'is a P-channel type, and the latter two stages of charge transfer MOS transistors M3 'and M4' are N-channel types.

【0062】反転レベルシフト回路S1’の低電位側の
電源(電位B)としては、昇圧された1段後のポンピン
グノードの電圧V2’を戻して用いる。同様に反転レベ
ルシフト回路S2’の低電位側の電源(電位B)は昇圧
された1段後のポンピングノードの電圧V3’を戻して
用いる。また、反転レベルシフト回路S1’、S2’の
高電位側の電源(電位A)としては、各段の電圧である
Vss、V1’が夫々印加されている。
As the power source (potential B) on the low potential side of the inverting level shift circuit S1 ', the boosted voltage V2' of the pumping node one stage after is used. Similarly, the low-potential-side power supply (potential B) of the inverting level shift circuit S2 'returns the boosted voltage V3' of the pumping node one stage later and uses it. Further, as the power supply (potential A) on the high potential side of the inversion level shift circuits S1 ′ and S2 ′, the voltages Vss and V1 ′ of each stage are applied, respectively.

【0063】一方、非反転レベルシフト回路S3’の高
電位側の電源(電位A)としては、1段前のポンピング
ノードの電圧V1’が用いられ、同様に非反転レベルシ
フト回路S4’の高電位側の電源(電位A)としては、
1段前のポンピングノードの電圧V2’が用いられてい
る。また、反転レベルシフト回路S3’、S4’の低電
位側の電源(電位B)としては、各段の電圧であるV
3’、−Voutが夫々印加されている。
On the other hand, as the power supply (potential A) on the high potential side of the non-inverting level shift circuit S3 ', the voltage V1' of the pumping node one stage before is used, and similarly, the high potential of the non-inverting level shift circuit S4 'is used. As the power supply (potential A) on the potential side,
The voltage V2 ′ of the pumping node one stage before is used. Further, as the power source (potential B) on the low potential side of the inversion level shift circuits S3 ′ and S4 ′, the voltage of each stage is V
3'and -Vout are applied respectively.

【0064】なお、反転レベルシフト回路S1’とS
2’の構成は図2に示すものと同一であり、非反転レベ
ルシフト回路S3’とS4’の構成は図3に示すものと
同一である。また、このチャージポンプ回路の動作は既
に説明したプラス昇圧のチャージポンプ回路の動作と同
様に理解できるので詳細な説明は省略する。
The inversion level shift circuits S1 'and S
The configuration of 2'is the same as that shown in FIG. 2, and the configuration of the non-inverting level shift circuits S3 'and S4' is the same as that shown in FIG. Further, the operation of this charge pump circuit can be understood in the same manner as the operation of the positive boosting charge pump circuit described above, and therefore detailed description thereof is omitted.

【0065】上述の構成によれば、全ての電荷転送用M
OSトランジスタM1’〜M4’のVgsの絶対値は同
一値2Vddとなる。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マイナス昇圧のチャー
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’のゲート酸化膜厚は一律に2
Vdd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、オン抵抗を低く設計でき効率が良い。
According to the above configuration, all charge transfer M
The absolute value of Vgs of the OS transistors M1 ′ to M4 ′ is the same value 2Vdd. Therefore, the ON resistance of the MOS transistors M1 'to M4' for charge transfer is lowered due to the high Vgs, and it is possible to realize a charge pump circuit of high efficiency and a negative boost of a large output current. Further, the gate oxide film thickness of the charge transfer MOS transistors M1 ′ to M4 ′ is uniformly 2
Since the thickness can be designed to withstand Vdd, the ON resistance can be designed to be lower and efficiency is higher than that in the case where Vgs of the charge transfer MOS transistor is nonuniform.

【0066】以上、マイナス昇圧を行う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。すなわち、電荷転送用MOSトランジ
スタとして前段2段をPチャネル型、残りの後段をNチ
ャネル型で構成することにより任意の段数のマイナス昇
圧を行うチャージポンプ回路を実現することができる。
Although the three-stage charge pump circuit for performing negative boosting has been described above, the number of stages is not limited to three. That is, a charge pump circuit that performs negative boosting by an arbitrary number of stages can be realized by configuring the former two stages as P-channel type and the remaining latter stages as N-channel type as the charge transfer MOS transistors.

【0067】次に本発明の4の実施形態に係るチャージ
ポンプ回路を説明する。図10はマイナス昇圧を行う2
段チャージポンプ回路を示す概略回路図である。図6に
示した第2の実施形態に係る第2段チャージポンプ回路
と異なる点は次の2点である。 1)電荷転送用MOSトランジスタM1,M2,M3が
すべてNチャネル型である。 2)電荷転送用MOSトランジスタのオン電圧(オン時
のゲート電圧)としてVddまたはGNDを用いる。す
なわち、非反転レベルシフト回路S1,S2,S3の高
電位側の電源として、それぞれVdd、Vdd、GND
が用いられている。
Next, a charge pump circuit according to the fourth embodiment of the present invention will be described. Figure 10 shows negative boosting 2
It is a schematic circuit diagram which shows a stage charge pump circuit. Differences from the second-stage charge pump circuit according to the second embodiment shown in FIG. 6 are the following two points. 1) The charge transfer MOS transistors M1, M2 and M3 are all N-channel type. 2) Vdd or GND is used as the ON voltage (gate voltage at the time of ON) of the charge transfer MOS transistor. That is, Vdd, Vdd, and GND are used as high-potential-side power supplies of the non-inverting level shift circuits S1, S2, and S3, respectively.
Is used.

【0068】そのため、このチャージポンプ回路におい
て、電荷転送MOSトランジスタのオン時のVgsとし
ては、M1についてはVdd、M2及びM3については
2Vddとなる。このように、本実施形態のチャージポ
ンプ回路では、第2の実施形態に係る第2段チャージポ
ンプ回路と異なり、全ての電荷転送MOSトランジスタ
のオン時のVgsを同一値にすることはできない。
Therefore, in this charge pump circuit, Vgs when the charge transfer MOS transistor is on is Vdd for M1, and 2Vdd for M2 and M3. As described above, in the charge pump circuit according to the present embodiment, unlike the second stage charge pump circuit according to the second embodiment, it is not possible to set all the charge transfer MOS transistors to the same Vgs value when they are on.

【0069】しかしながら、電荷転送MOSトランジス
タを全て同一チャネル型で形成しているので、第2の実
施形態に比して製造プロセス(manufacturing process)
を簡略化できる利点が大きい。具体的には、第2の実施
形態ではトリプルウエル構造(triple well structure)
が必須であるのに対して、本実施形態によれば、ツイン
ウエル構造(twin well structure)で足りるので、その
分製造工数を少なくすることができる。
However, since the charge transfer MOS transistors are all formed in the same channel type, the manufacturing process (manufacturing process) is different from that of the second embodiment.
The advantage is that it can be simplified. Specifically, in the second embodiment, a triple well structure
However, according to the present embodiment, since a twin well structure is sufficient, the number of manufacturing steps can be reduced accordingly.

【0070】[0070]

【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。
According to the present invention, a high voltage equal to or higher than the threshold voltage can be applied as the gate-source voltage Vgs of the charge transfer MOS transistor, so that a highly efficient charge pump circuit without voltage loss can be provided. it can.

【0071】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。
In addition, a high gate with an absolute value of 2 Vdd or more
The on-resistance of the charge transfer MOS transistors M1 to M4 is reduced by the source-to-source voltage Vgs, and a charge pump circuit with high efficiency and large output current can be realized.

【0072】さらに、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、ゲート酸化膜厚は一律に絶対値で2Vdd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。
Furthermore, since the gate-source voltage and the gate-substrate voltage of the charge transfer MOS transistor can be made constant to a constant voltage (for example, 2Vdd in absolute value), the gate oxide film thickness is uniformly in absolute value. The thickness may be designed to withstand 2Vdd. As a result, the charge transfer MOS
The ON resistance can be designed to be lower than in the case where the gate-source voltage Vgs of the transistor is nonuniform.

【0073】さらにまた、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。
Further, according to the present invention, it is possible to provide a charge pump circuit for plus boosting and minus boosting, and since the number of charge pump stages can be set arbitrarily, it is possible to obtain a desired boosted voltage. Become.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施形態に係るチャージポンプ
回路を示す概略回路図である。
FIG. 1 is a schematic circuit diagram showing a charge pump circuit according to a first embodiment of the present invention.

【図2】反転レベルシフト回路の構成及び動作波形を示
す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration and an operation waveform of an inverting level shift circuit.

【図3】非反転レベルシフト回路の構成及び動作波形を
示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration and an operation waveform of a non-inverting level shift circuit.

【図4】本発明の第1の実施形態に係るチャージポンプ
回路の動作を説明するためのタイミング図である。
FIG. 4 is a timing chart for explaining the operation of the charge pump circuit according to the first embodiment of the present invention.

【図5】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。
FIG. 5 is a diagram showing voltage waveforms at respective pumping nodes of the charge pump circuit according to the first embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第2の実施形態に係るチャージポンプ
回路を示す概略回路図である。
FIG. 6 is a schematic circuit diagram showing a charge pump circuit according to a second embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第2の実施形態に係るチャージポンプ
回路の動作を説明するためのタイミング図である。
FIG. 7 is a timing chart for explaining the operation of the charge pump circuit according to the second embodiment of the present invention.

【図8】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。
FIG. 8 is a diagram showing voltage waveforms at respective pumping nodes of the charge pump circuit according to the second embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第3の実施形態に係るチャージポンプ
回路を示す概略回路図である。
FIG. 9 is a schematic circuit diagram showing a charge pump circuit according to a third embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第4の実施形態に係るチャージポン
プ回路を示す概略回路図である。
FIG. 10 is a schematic circuit diagram showing a charge pump circuit according to a fourth embodiment of the present invention.

【図11】従来例に係るチャージポンプ回路を示す回路
図である。
FIG. 11 is a circuit diagram showing a charge pump circuit according to a conventional example.

【図12】従来例に係るチャージポンプ回路を示す回路
図である。
FIG. 12 is a circuit diagram showing a charge pump circuit according to a conventional example.

【図13】従来例に係るチャージポンプ回路を示す回路
図である。
FIG. 13 is a circuit diagram showing a charge pump circuit according to a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

M1〜M4 電荷転送用MOSトランジスタ C1〜C3 結合コンデンサ Cout 出力コンデンサ L 電流負荷 S1、S2 反転レベルシフト回路 S3、S4 非反転レベルシフト回路 CLK、CLKB クロックパルス M1 to M4 charge transfer MOS transistors C1-C3 coupling capacitors Cout output capacitor L current load S1, S2 Inversion level shift circuit S3, S4 Non-inverting level shift circuit CLK, CLKB clock pulse

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 初段の電荷転送MOSトランジスタに
所定の入力電圧が印加されると共に直列接続された(n
+2)個の電荷転送用MOSトランジスタと、前記電荷
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、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、後段の電荷転送用MOSトランジスタから正
の昇圧電圧を出力するチャージポンプ回路において、後
段2個の電荷転送用MOSトランジスタをPチャネルで
構成し残余のn個の電荷転送用MOSトランジスタをN
チャネル型で構成すると共に、前記電荷転送用MOSト
ランジスタがオンする時にゲート・ソース間電圧が一定
値となるようなゲート電圧を印加する回路手段を設けた
ことを特徴とするチャージポンプ回路。
1. A predetermined input voltage to the charge transfer MOS transistor of the first stage is connected in series with applied (n
+2) charge transfer MOS transistors, a coupling capacitor having one end connected to each connection point of the charge transfer MOS transistors, and a clock driver for alternately supplying a clock pulse of opposite phase to the other end of the coupling capacitor And a charge pump circuit for outputting a positive boosted voltage from the charge transfer MOS transistor in the subsequent stage, the two charge transfer MOS transistors in the subsequent stage are configured by P channels, and the remaining n charge transfer MOS transistors are N
A charge pump circuit, which is of a channel type and is provided with circuit means for applying a gate voltage such that a gate-source voltage becomes a constant value when the charge transfer MOS transistor is turned on.
【請求項2】 請求項1に記載のチャージポンプ回路に
おいて、前記回路手段は、前記クロックパルスに応じて
前記Nチャネル型の電荷転送用MOSトランジスタのオ
ンオフを制御する反転レベルシフト回路と、前記クロッ
クパルスに応じて前記Pチャネル型の電荷転送用MOS
トランジスタのオンオフを制御する非反転レベルシフト
回路と、を備え、前記反転レベルシフト回路の高電位側
の電源として昇圧された後段の接続点の電圧を用いると
共に、前記非反転レベルシフト回路の低電位側の電源と
して前段の接続点の電圧を用いることを特徴とするチャ
ージポンプ回路。
2. The charge pump circuit according to claim 1, wherein the circuit means controls an on / off state of the N-channel type charge transfer MOS transistor according to the clock pulse, and the clock. A P-channel charge transfer MOS according to a pulse
A non-inverted level shift circuit for controlling on / off of a transistor, using a boosted voltage at a connection point at a subsequent stage as a power source on the high potential side of the inverted level shift circuit, and a low potential of the non-inverted level shift circuit. A charge pump circuit characterized by using the voltage at the connection point of the preceding stage as the power supply on the side.
【請求項3】 請求項2に記載のチャージポンプ回路に
おいて、前記反転レベルシフト回路の高電位側の電源と
して1段後の接続点の電圧を用いると共に、前記非反転
レベルシフト回路の低電位側の電源として1段前の接続
点の電圧を用いることを特徴とするチャ―ジポンプ回
路。
3. The charge pump circuit according to claim 2, wherein a voltage at a connection point after one stage is used as a power source on the high potential side of the inverting level shift circuit, and a low potential side of the non-inverting level shift circuit is used. The charge pump circuit is characterized in that the voltage at the connection point of one stage before is used as the power supply of.
【請求項4】 請求項3に記載のチャージポンプ回路に
おいて、中間段の電荷転送用MOSトランジスタの昇圧
電圧を出力して他の回路の電源として用いる ことを特徴とするチャ―ジポンプ回路。
4. The charge pump circuit according to claim 3, wherein the boosted voltage of the charge transfer MOS transistor at the intermediate stage is output and used as a power supply for another circuit.
【請求項5】 請求項3に記載のチャージポンプ回路に
おいて、前記結合コンデンサに供給されるクロックパル
スと前記反転レベルシフト回路と非反転レベルシフト回
路に供給されるクロックパルスのデューティを異ならし
めることにより、前記電荷転送用MOSトランジスタの
電流の逆流を防止したことを特徴とす るチャ―ジポンプ回路。
5. The charge pump circuit according to claim 3, wherein the duty of the clock pulse supplied to the coupling capacitor is made different from that of the clock pulse supplied to the inverting level shift circuit and the non-inverting level shift circuit. A charge pump circuit, characterized in that a reverse current flow of the charge transfer MOS transistor is prevented.
【請求項6】 初段の電荷転送MOSトランジスタに
所定の入力電圧が印加されると共に直列接続された(n
+2)個の電荷転送用MOSトランジスタと、前記電荷
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、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、後段の電荷転送用MOSトランジスタから負
の昇圧電圧を出力するチャージポンプ回路において、後
段2個の電荷転送用MOSトランジスタをNチャネルで
構成し残余のn個の電荷転送用MOSトランジスタをP
チャネル型で構成すると共に、前記電荷転送用MOSト
ランジスタがオンする時にゲート・ソース間電圧が一定
値となるようなゲート電圧を印加する回路手段を設 けたことを特徴とするチャ―ジポンプ回路。
6. A predetermined input voltage to the charge transfer MOS transistor of the first stage is connected in series with applied (n
+2) charge transfer MOS transistors, a coupling capacitor having one end connected to each connection point of the charge transfer MOS transistors, and a clock driver for alternately supplying a clock pulse of opposite phase to the other end of the coupling capacitor And a charge pump circuit for outputting a negative boosted voltage from the charge transfer MOS transistor in the subsequent stage, the two charge transfer MOS transistors in the rear stage are configured by N channels, and the remaining n charge transfer MOS transistors are formed. P
A charge pump circuit comprising a channel type circuit, and circuit means for applying a gate voltage such that a gate-source voltage becomes a constant value when the charge transfer MOS transistor is turned on.
【請求項7】 請求項6に記載のチャージポンプ回路に
おいて、前記回路手段は、前記クロックパルスに応じて
前記Pチャネル型の電荷転送用MOSトランジスタのオ
ンオフを制御する反転レベルシフト回路と、前記クロッ
クパルスに応じて前記Nチャネル型の電荷転送用MOS
トランジスタのオンオフを制御する非反転レベルシフト
回路と、を備え、前記反転レベルシフト回路の低電位側
の電源としての昇圧された後段の接続点の電圧を用いる
と共に、前記非反転レベルシフト回路の高電位側の電源
として前段の接続点の電圧を用いることを特徴とする チャ―ジポンプ回路。
7. The charge pump circuit according to claim 6, wherein the circuit means controls an on / off state of the P-channel type charge transfer MOS transistor in response to the clock pulse, and the clock. The N-channel type charge transfer MOS according to a pulse
A non-inverting level shift circuit for controlling ON / OFF of a transistor, and using a boosted voltage at a connection point at a subsequent stage as a power source on the low potential side of the inverting level shift circuit, and a high voltage level of the non-inverting level shift circuit. A charge pump circuit characterized by using the voltage at the connection point of the previous stage as a power source on the potential side.
【請求項8】 請求項7に記載のチャージポンプ回路に
おいて、前記反転レベルシフト回路の低電位側の電源と
して1段後の接続点の電圧を用いると共に、前記非反転
レベルシフト回路の高電位側の電源としての1段前の接
続点の電圧を 用いることを特徴とするチャ―ジポンプ回路。
8. The charge pump circuit according to claim 7, wherein the voltage at the connection point after one stage is used as a power source on the low potential side of the inverting level shift circuit, and the high potential side of the non-inverting level shift circuit is used. A charge pump circuit characterized by using a voltage at a connection point of one stage before as a power source of.
【請求項9】 初段の電荷転送MOSトランジスタに
入力電圧が印加されると共に直列接続された複数の同一
チャネル型の電荷転送用MOSトランジスタと、前記電
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、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、電荷転送用MOS
トランジスタのゲートに、当該電荷転送用MOSトラン
ジスタをオンオフさせるための電圧を供給するレベルシ
フト回路を備えることを特徴とするチャージポンプ回
路。
9. A plurality of charge transfer MOS transistor of the same channel type connected in series with the input voltage to the charge transfer MOS transistor of the first stage is applied, one end to the connection points of the charge transfer MOS transistor A connected coupling capacitor, a clock driver that alternately supplies opposite-phase clock pulses to the other end of the coupling capacitor, and a charge transfer MOS according to the clock pulse.
A charge pump circuit comprising a level shift circuit for supplying a voltage for turning on and off the charge transfer MOS transistor to a gate of the transistor.
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