JP3628664B2 - チャージポンプ回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、供給電源より高い電位を出力するチャージポンプ回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、チャージポンプ回路100は、図7に示すような構成をしている。回路100は、電源の供給端子と、第1トランジスタT1および第2トランジスタT2と、第1トランジスタT1の第2端子に接続された第1キャパシタC1、第3トランジスタT3および第4トランジスタT4と、第2トランジスタT2の第2端子に接続された第2キャパシタC2、第5トランジスタT5および第6トランジスタT6と、第3トランジスタT3および第5トランジスタT5の第2端子に接続された出力端子を含む。
【0003】
各トランジスタはMOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)を使用する。各トランジスタは、供給端子側を第1端子、出力端子側を第2端子とする。
【0004】
キャパシタC1、C2は、図8に示すように、それぞれ信号C1B、C2Bによって駆動される。トランジスタT3,T4,T5,T6はP型FET(field effect transistor)である。バックゲートは、ノードB0で共通である。トランジスタT3,T5のスイッチング時に、ノードB0の電位が変動しない程度の容量のキャパシタC0が接続されている。
【0005】
また、トランジスタT1,T2はN型FETである。バックゲートはそれぞれ信号C1B,C2Bが接続されている。
【0006】
信号C1B、C2Bはロー(Low)電位が重ならないNon−overlapping(ノン・オーバーラッピング)信号である。信号C1B、C2Bの電位が交互に変化することにより、ノードB1,B2の電位が約2Vddになる。したがって、出力端子も約2Vddになる。
【0007】
回路100をシミュレーションした場合の電流および電力の効率は、図9および図10である。条件は、Vdd=1.5V、温度125℃、標準プロセス(Nominal Process)である。
【0008】
出力電圧Voutが、供給端子の電圧Vddの2倍である3.0Vに近づくにつれて、急激に効率が悪くなっている。ノードB1,B2の電位が高くなると、出力電圧Voutが高くなる。信号C1B、C2Bが共にハイ(High)電位である区間にノードB1,B2からトランジスタT1,T2を介して供給端子側へ電流が逆流する。この逆流する電流が、電流および電力効率を悪化させている。
【0009】
電流が逆流を起こす条件は、VB>Vdd+VTNである。VBは、ノードB1またはB2の電位である。VTNは、トランジスタT1またはT2のしきい値電圧である。Vddを1.5Vとし、VTNを0.7Vとすると、VBが2.2Vより大きい場合で、電流の逆流が起こる。
【0010】
電流の逆流を示すシミュレーション結果を図11に示す。条件は、Vdd=1.5V、Vout=2.9Vである。上は信号波形を、下はトランジスタT1,T2,T3,T5に流れる電流を示す。信号C2Bが1.5V、ノードB2が約2.9Vで、信号C1Bが0Vから1.5VになるにつれてノードB1が1.5Vから2.9Vに上がる。この時、トランジスタT1を流れる電流が発生している。ノードB1が2.4Vを超えた当たりからトランジスタT2を流れる電流も発生している。電流の極性は、トランジスタを流れる電流の向きを示す。負の極性は、トランジスタの第2端子から第1端子へ流れることを示す。つまり、これらの電流はチャージポンプ回路100から電源への電流である。これは、電源からチャージポンプ回路100のキャパシタC1,C2に蓄積された電荷を、再び電源にもどしていることになる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、出力電圧が供給電圧の2倍に近づいたときの効率を改善するチャージポンプ回路を提供することにある。
【0012】
【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の要旨は、電源の供給端子と、電荷が通過する第1トランジスタおよび第2トランジスタと、前記供給端子から第1トランジスタを通過した電荷を蓄積する第1キャパシタと、前記供給端子から第2トランジスタを通過した電荷を蓄積する第2キャパシタと、前記供給端子と第1トランジスタの第1端子の間に設けられた第7トランジスタと、前記供給端子と第2トランジスタの第1端子の間に設けられた第8トランジスタと、を含む。第7および第8トランジスタは、第1および第2キャパシタに蓄積された電荷が、第1および第2トランジスタを介して供給端子に逆流するのを防止する。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明のチャージポンプ回路の実施形態について図面を使用して説明する。先ず、第1実施例について説明する。
【0014】
図1に示すように、本発明のチャージポンプ回路10は、電源の供給端子と、電荷が通過する第1トランジスタT1および第2トランジスタT2と、供給端子から第1トランジスタT1を通過した電荷を蓄積する第1キャパシタC1と、供給端子から第2トランジスタT2を通過した電荷を蓄積する第2キャパシタC2と、供給端子と第1トランジスタT1の第1端子の間に設けられた第7トランジスタT7と、供給端子と第2トランジスタT2の第1端子の間に設けられた第8トランジスタT8と、を含む。
【0015】
なお、第1トランジスタT1および第2トランジスタT2の第2端子と接続される第1キャパシタC1および第2キャパシタC2の端子を、それぞれ第1端子とし、他端を第2端子とする。第1トランジスタT1のバックゲートと第1キャパシタC1の第2端子とが接続される。第2トランジスタT2のバックゲートと第2キャパシタC2の第2端子とが接続される。
【0016】
また、回路10は、第1キャパシタC1および第2キャパシタC2に蓄積された電荷を出力する出力端子と、出力端子にそれぞれ第2端子が接続された第3トランジスタT3および第5トランジスタT5と、第3トランジスタT3のバックゲートに第2端子およびバックゲートが接続された第4トランジスタT4と、第5トランジスタT5のバックゲートに第2端子およびバックゲートが接続された第6トランジスタT6と、を含む。
【0017】
さらに、回路10は、第1トランジスタT1の第2端子、第2トランジスタT2のゲート、第3トランジスタT3の第1端子、第4トランジスタT4の第1端子、第5トランジスタT5のゲート、第6トランジスタT6のゲート、および第1キャパシタC1が接続される第1ノードB1と、第1トランジスタT1のゲート、第2トランジスタT2の第2端子、第3トランジスタT3のゲート、第4トランジスタT4のゲート、第5トランジスタT5の第1端子、第6トランジスタT6の第1端子、および第2キャパシタC2が接続される第2ノードB2と、を含む。
【0018】
各トランジスタはMOSFETを使用する。各トランジスタは、供給端子側を第1端子、出力端子側を第2端子とする。
【0019】
第7と第8トランジスタT7,T8のバックゲートは、同一のノードB0に接続されている。ノードB0の電位は、第7と第8トランジスタT7,T8の第1および第2端子の電位より高くなる。したがって、第7と第8トランジスタT7,T8の第1端子および第2端子からバックゲートに順方向電流が流れるのを防ぐ。
【0020】
第7および第8トランジスタT7,T8はP型FETである。ゲート信号C1A,C2Aがロー電位になると、第1端子と第2端子間が接続される。信号C1A,C2Aをハイ電位にすると、第1端子と第2端子間が遮断され、第1および第2トランジスタT1,T2から供給端子への電流の逆流を防止できる。
【0021】
なお、第1および第2トランジスタT1,T2はN型FETである。第3から第8トランジスタT3,T4,T5,T6,T7,T8はP型FETである。
【0022】
ノードB0に第3から第8トランジスタT3,T4,T5,T6,T7,T8のバックゲートが接続されている。回路10中のP型FETのバックゲート電位が同じになる。また、ノードB0とグランドの間にキャパシタC0を設ける。キャパシタC0によって、ノードB0の電位が安定する。
【0023】
第7トランジスタT7のゲート、第8トランジスタT8のゲート、第1キャパシタC1の第2端子および第2キャパシタC2の第2端子にシグナル・ジェネレータが接続される。このシグナル・ジェネレータは、上記のゲートおよびキャパシタに信号を入力する。
【0024】
図2に示すように、シグナル・ジェネレータから第1キャパシタC1および第2キャパシタC2にそれぞれ入力する信号C1B,C2Bは、同じタイミングで互いにロー電位が重ならないNon−overlapping信号である。第1および第2キャパシタC1,C2に交互に信号が入力される。
【0025】
シグナル・ジェネレータから第7および第8トランジスタT7,T8のゲートにそれぞれ入力する信号C1A,C2Aは、互いにロー電位が重ならないNon−overlapping信号である。第7および第8トランジスタT7,T8に交互に信号が入力される。
【0026】
出力端子とシグナル・ジェネレータの間に、シグナル・ジェネレータの動作を制御する制御回路を設ける。制御回路によって、Non−overlapping信号の波形が調節される。
【0027】
シグナル・ジェネレータは、ゲート信号C1A,C2Aが信号C1B、C2Bより早くハイになるように設計する。このことより、従来回路100が持っていた第1および第2トランジスタT1,T2の供給端子への電流経路を遮断する。シグナル・ジェネレータは、信号C1B、C2Bがローになると同時または後に信号C1A、C2Aがローになるように設計する。
【0028】
第4および第6トランジスタT4,T6は、それぞれ第3から8トランジスタT3,T4,T5,T6,T7,T8のバックゲート電位を調節する。
【0029】
以上のように、本発明の回路は、第1および第2トランジスタT1,T2と供給電源Vddの間に、それぞれ第7および第8トランジスタT7,T8を追加した。第7および第8トランジスタT7,T8は、電荷の逆流を防止する。したがって、回路10の電流および電力効率が従来と比べて改善される。
【0030】
電流が逆流を起こす条件は、VB>Vdd+VTN+|VTP|である。VBは、ノードB1またはB2の電位である。VTNは、トランジスタT1またはT2のしきい値電圧である。VTPは、トランジスタT7またはT8のしきい値電圧である。Vddを1.5V、VTNを0.7V、VTPを−0.7Vとすると、VBが2.9V以上で、電流が逆流する。これは、従来技術で説明した条件より高くなっている。したがって、電流の逆流が起こりにくい。
【0031】
次に、回路10の動作を説明する。キャパシタ信号C1BおよびC2Bは、互いにロー電位が重ならないNon−overlapping信号である。また、ゲート信号C1AおよびC2Aも、Non−overlapping信号である。
【0032】
図2の縦線2本間の各信号C1B,C2B,C1A,C2A全てが、ハイ電位のときから説明を始める。ゲート信号C1Aおよびキャパシタ信号C1Bがハイ電位のとき、第7トランジスタT7はオフ、第2トランジスタT2はオン、第5トランジスタT5はオフである。この時、キャパシタ信号C2Bがロー電位となり、ノードB2はVddより少し低い電位となる。
【0033】
次に、ゲート信号C2Aがロー電位になり、第8トランジスタT8がオンになる。第8トランジスタT8を介して供給端子からノードB2Vに電流が流れ、ノードB2Vの電位がVddになる。第2トランジスタT2を介してノードB2VからノードB2に電流が流れ、ノードB2の電位もVddになり、キャパシタC2に電荷が蓄積される。
【0034】
その後、ゲート信号C2Aがハイ電位になり、第8トランジスタT8はオフになる。第8トランジスタT8がオフになった後、キャパシタ信号C2Bがハイ電位になる。ノードB2の電位は、約2Vddとなる。第5トランジスタT5が弱くオンし、第5トランジスタT5を介して、ノードB2から出力端子に電流が流れ始める。
【0035】
キャパシタ信号C1Bがロー電位となり、ノードB1の電位はVddより少し低い値になる。ノードB1にゲートが接続された第5トランジスタT5が強くオンになる。したがって、第5トランジスタT5を介してノードB2から出力端子に電流が流れ、出力電圧Voutは約2Vddとなり、供給電圧Vddの約2倍となる。
【0036】
上述の強くオン、および弱くオンについて説明する。P型トランジスタはゲート電位がソース電位よりしきい値電圧の絶対値分以上低下すると常時オン状態になる。この時、弱くオンは、ゲート電圧がしきい値電圧付近でオンする場合であり、強くオンは、ゲート電圧がしきい値電圧より低く離れてオンする場合である。
【0037】
また、ノードB2の電位が2Vddとなる直前に、ゲート信号C2Aをハイ電位にするため、キャパシタC2に蓄積された電荷が第8トランジスタT8を通過して供給端子に達することはない。
【0038】
次に、キャパシタ信号C1Aがロー電位となり、第7トランジスタT7がオンになる。第7トランジスタT7を介して供給端子からノードB1Vに電流が流れ、ノードB1Vの電位がVddになる。第1トランジスタT1を介してノードB1VからノードB1に電流が流れ、ノードB1の電位もVddになり、キャパシタC1に電荷が蓄積される。
【0039】
その後、ゲート信号C1Aがハイ電位になり、第7トランジスタT7はオフになる。第7トランジスタT7がオフになった後、キャパシタ信号C1Bがハイ電位になる。ノードB1の電位は、約2Vddとなる。第3トランジスタT3が弱くオンし、第3トランジスタT3を介してノードB1から出力端子に電流が流れ始める。
【0040】
図3は、Vdd=1.5V、Vout=2.9Vでのシミュレーション結果である。上は信号波形を、下はトランジスタT1,T2,T3,T5,T7,T8を流れる電流を示す。信号C2Bが1.5V、B2が約2.9Vで、信号C1Aが0Vから1.5Vになり、次に信号C1Bが0Vから1.5Vになり、ノードB1の電位が1.5Vから徐々に2.9Vに上がる。この時、第7トランジスタT7を流れる電流が発生しているが、これはノードB1Vの電位が信号C1Aの上昇に伴ってゲート・ソース間の寄生容量により上昇するために、ノードB1Vから供給端子へ流れる電流である。
【0041】
次にノードB1からノードB1VへトランジスタT1を流れる電流が発生しているが、B1Vの電位が上昇すると無くなる。この時、第7トランジスタT7を流れる電流はない。
【0042】
以上より、ノードB1から供給端子へ直接電流が流れていない。ノードB1が2.4Vを超えてもB2から供給端子へ第2トランジスタT2を流れる電流も発生していない。このように、チャージポンプ回路10から供給端子への電流は従来方式と比較して大幅に減少している。
【0043】
信号C1B、C2Bと供給端子の電位Vddによって、ノードB1,B2の電位は、Vddの2倍となる。上記のように供給電源に電荷が逆流しないため、効率よく出力電圧VoutはVddの2倍となる。
【0044】
チャージポンプ回路10をシミュレーションした場合の電流および電力の効率を図4および図5に示す。条件は、Vdd=1.5V、温度125℃、標準プロセス(Nominal Process)である。図9および図10で示した従来のチャージポンプ回路100を用いた場合のデータも比較のために同時に示す。
【0045】
出力電圧Voutが2.3Vを超えた付近から、本発明の方式が良い効率を示している。供給電源電圧の2倍近い出力電圧Vout=2.9Vでは、電流効率約7%、電力効率で約13%、本発明の方式が従来方式を上回っている。このように出力電圧が高い場合に、本発明の回路10は低消費電力化に有効である。
【0046】
また、供給電源電圧の2倍以上の電位が必要な場合は、チャージポンプ回路を複数段接続して所望の電位を得る方法が採られるが、本発明の回路を用いることにより、各段での電流および電力ロスは従来方式に比べて低くなり、特に有効である。
【0047】
次に、図6に示す第2実施例を説明する。第7および第8トランジスタT7,T8のバックゲートの同一ノードをB3とする。ノードB3に第9トランジスタT9の第1端子が接続されている。第9トランジスタT9の第2端子は、第3,第4,第5および第6トランジスタT3,T4,T5,T6のバックゲートが接続されたノードB0に接続されている。第9トランジスタT9はN型FETである。ノードB3の電位は、第9トランジスタT9のしきい値電圧分、ノードB0より低くなる。このため第7および第8トランジスタT7,T8のしきい値電圧が、実施例1よりも下がる。したがって、電流供給能力が高まり、第7および第8トランジスタT7,T8を実施例1よりも小さくできる。
【0048】
第7および第8トランジスタT7,T8の面積は、第9トランジスタT9に対して十分大きい。第9トランジスタT9を追加しても、それ以上に第7および8トランジスタT7,T8が小さくなるので、回路全体として小型となる。
【0049】
第9トランジスタT9のバックゲートは、供給端子に接続されている。第9トランジスタT9のバックゲートをグランドに接続した場合と比較して、しきい値電圧が下がる。
【0050】
第9トランジスタT9の第2端子は、第9トランジスタT9のゲートに接続されている。これは、ノードB3の電位がノードB0の電位よりも第9トランジスタT9のしきい値電圧分だけ下げるためである。
【0051】
以上より、第9トランジスタT9が追加され、第7および第8トランジスタT7,T8のバックゲートがB0からB3となる。ノードB3の電位は、ノードB0より第9トランジスタT9のしきい値電圧分低くなる。第7および第8トランジスタT7,T8のしきい値電圧が実施例1より下がる。その分、上記|VTP|が小さくなるので、電流が逆流を起こしやすくなる。電流供給能力が高まり、第7および第8トランジスタT7,T8のデバイスサイズを実施例1より小さくすることができる。
【0052】
以上本発明について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されることない。その他、本発明は、主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。
【0053】
【発明の効果】
第1実施例では、電源の供給端子と第1および第2トランジスタの間に第7および第8トランジスタを設けた。これらのトランジスタによって、供給端子への電流の逆流を防止できる。電流効率および電力効率が改善される。
【0054】
第2実施例では、第9トランジスタを設けた。トランジスタT7,8のしきい値電圧を下げるため、第1実施例よりも電流が逆流を起こしやすいが、従来方式より逆流を起こす電圧条件は高い。また、トランジスタT7,T8が小型化され、回路全体としても小型になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のチャージポンプ回路の回路図である。
【図2】信号波形およびノードの電位を示す図である。
【図3】図1の信号波形および電流の図である。
【図4】本発明の電流効率のグラフである。
【図5】本発明の電力効率のグラフである。
【図6】図1の回路にN型FETを設けた回路図である。
【図7】従来のチャージポンプ回路の回路図である。
【図8】従来回路における信号波形およびノードの電位を示す図である。
【図9】従来の電流効率のグラフである。
【図10】従来の電力効率のグラフである。
【図11】図7の回路の信号波形および電流の図である。
【符号の説明】
10,20,30:チャージポンプ回路
T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,T8,T9:トランジスタ
B0,B1,B2,B1V,B2V,B3:ノード
C0,C1,C2:キャパシタ
Claims (2)
- 供給端子に第1端子が接続され、シグナル・ジェネレータに制御端子が接続されたP型の第7FETと、
前記供給端子に第1端子が接続され、前記シグナル・ジェネレータに制御端子が接続されたP型の第8FETと、
前記第7FETの第2端子に第1端子が接続され、バックゲートが前記シグナル・ジェネレータに接続されたN型の第1FETと、
前記第8FETの第2端子に第1端子が接続され、バックゲートが前記シグナル・ジェネレータに接続されたN型の第2FETと、
前記第1FETの第2端子及び前記第2FETの制御端子に第1端子が接続され、第2端子が前記シグナル・ジェネレータに接続された第1キャパシタと、
前記第2FETの第2端子及び前記第1FETの制御端子に第1端子が接続され、第2端子が前記シグナル・ジェネレータに接続された第2キャパシタと、
前記第1FETの第2端子に第1端子が接続され、前記第1FETの制御端子に制御端子が接続されたP型の第4FETであって、該第4FETの第2端子及びバックゲートが接続されている前記第4FETと、
前記第2FETの第2端子に第1端子が接続され、前記第2FETの制御端子に制御端子が接続されたP型の第6FETであって、該第6FETの第2端子及びバックゲートが接続されている前記第6FETと、
前記第1FETの第2端子に第1端子が接続され、前記第1FETの制御端子に制御端子が接続されたP型の第3FETと、
前記第2FETの第2端子に第1端子が接続され、前記第2FETの制御端子に制御端子が接続されたP型の第5FETと、
前記第3FETの第2端子及び前記第5FETの第2端子に接続された出力端子とを備え、
前記第7FET、前記第8FET、前記第4FET、前記第3FET、前記第6FET及び前記第5FETのそれぞれのバックゲートが互いに接続され、該互いに接続されたバックゲートが第3キャパシタを介してグランドに接続され、
前記第1FETの第2端子の電位が電源電位の2倍になる直前に、前記シグナル・ジェネレータが、前記第7FETを非導通にし、
前記第2FETの第2端子の電位が電源電位の2倍になる直前に、前記シグナル・ジェネレータが、前記第8FETを非導通にすることを特徴とするチャージポンプ回路。 - 供給端子に第1端子が接続され、シグナル・ジェネレータに制御端子が接続されたP型の第7FETと、
前記供給端子に第1端子が接続され、前記シグナル・ジェネレータに制御端子が接続されたP型の第8FETと、
前記第7FETの第2端子に第1端子が接続され、バックゲートが前記シグナル・ジェネレータに接続されたN型の第1FETと、
前記第8FETの第2端子に第1端子が接続され、バックゲートが前記シグナル・ジェネレータに接続されたN型の第2FETと、
前記第1FETの第2端子及び前記第2FETの制御端子に第1端子が接続され、第2端子が前記シグナル・ジェネレータに接続された第1キャパシタと、
前記第2FETの第2端子及び前記第1FETの制御端子に第1端子が接続され、第2端子が前記シグナル・ジェネレータに接続された第2キャパシタと、
前記第1FETの第2端子に第1端子が接続され、前記第1FETの制御端子に制御端子が接続されたP型の第4FETであって、該第4FETの第2端子及びバックゲートが接続されている前記第4FETと、
前記第2FETの第2端子に第1端子が接続され、前記第2FETの制御端子に制御端 子が接続されたP型の第6FETであって、該第6FETの第2端子及びバックゲートが接続されている前記第6FETと、
前記第1FETの第2端子に第1端子が接続され、前記第1FETの制御端子に制御端子が接続されたP型の第3FETと、
前記第2FETの第2端子に第1端子が接続され、前記第2FETの制御端子に制御端子が接続されたP型の第5FETと、
前記第3FETの第2端子及び前記第5FETの第2端子に接続された出力端子と、
前記第7FETのバックゲート及び前記第8FETのバックゲートに第1端子が接続され、前記第4FET、前記第3FET、前記第6FET及び前記第5FETのそれぞれのバックゲートに制御端子及び第2端子が接続され、バックゲートが前記供給端子に接続されたN型の第9FETとを備え、
前記第4FET、前記第3FET、前記第6FET及び前記第5FETのそれぞれのバックゲートが第3キャパシタを介してグランドに接続され、
前記第1FETの第2端子の電位が電源電位の2倍になる直前に、前記シグナル・ジェネレータが、前記第7FETを非導通にし、
前記第2FETの第2端子の電位が電源電位の2倍になる直前に、前記シグナル・ジェネレータが、前記第8FETを非導通にすることを特徴とするチャージポンプ回路。
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