JP4137364B2 - 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】
本発明は入力信号の電圧を昇圧させて出力するチャージポンプ回路に関するものである。
【0002】
近年の半導体集積回路装置においては、高集積化及び開発期間の短縮が要求され、それらに対応するために例えばマクロセルなどの基本データが多く利用されるようになってきている。それら基本データの動作電源電圧は、作成された時の仕様によって異なる場合がある。また、高速化や低消費電力化のために低い電源電圧にて使用されることがある。
【0003】
こられのため、半導体集積回路装置には異なる複数の電源電圧が供給され、あるいは装置内部にて供給された駆動電源から異なる電圧が生成される。そして、低い第1の電源電圧で動作する第1の回路から高い第2の電源電圧で動作する第2の回路へ信号を受け渡すために、その信号の振幅を変更するレベル変換回路が必要となる。また、第1の電源電圧と第2の電源電圧の電位差が大きい場合、それらの電源電圧の間の第2の電源電圧を生成する電圧生成回路が必要となる。
【0004】
近年、レベル変換回路や電圧変換回路に入力信号の電圧を昇圧させて出力するチャージポンプ回路が用いられるようになってきている。チャージポンプ回路は入力信号によってチャージポンピングコンデンサを駆動し、入力信号の電圧より高い電圧を持つ出力信号を得る。このような用途に用いられるチャージポンプ回路は、入力信号の低電圧化により出力信号の応答速度(レベル変換の速度)が低下するため、その速度低下を防ぐことが求められている。
【0005】
【従来の技術】
図6は、従来のチャージポンプ回路10の回路図である。
チャージポンプ回路10は、第1及び第2インバータ回路11,12、コンデンサC1、PチャネルMOSトランジスタQ1から構成される。
【0006】
第1インバータ回路11は高電位側及び低電位側電源端子が高電位電源VD及びグランドGNDに接続され、入力信号VINが入力される。第1インバータ回路11の出力端子は、第2インバータ回路12の低電位側電源端子に接続される。
【0007】
第2インバータ回路12は、高電位側電源端子が逆流防止回路としてのPチャネルMOSトランジスタQ1を介して高電位電源VDに接続され、高電位側及び低電位側電源端子にはコンデンサC1の両端子が接続される。第2インバータ回路12の入力端子は高電位電源VDに接続され、出力端子から出力信号VOUTを出力する。
【0008】
入力信号VINの電圧が高電位電源VDの電圧と等しい時、第1インバータ回路11の出力信号の電圧V1はグランドGNDと等しい電位(GNDレベル)になる。第2インバータ回路12の入力端子には高電位電源VDが供給されその電源電圧(VDレベル)のため、出力信号VOUTはGNDレベルとなり、PMOSトランジスタQ1はオンとなる。コンデンサC1は、オンしたPMOSトランジスタQ1により高電位電源VDから充電され、PMOSトランジスタQ1とコンデンサC1との間のノードN1の電圧V2はVDレベルまで上昇する。
【0009】
入力信号VINの電圧がグランドGNDとの電圧と等しくなると、第1インバータ回路11の出力信号の電圧V1は図7に示すようにVDレベルになる。すると、ノードN1の電位はコンデンサC1は充電された電荷により第1インバータ回路11の出力信号電圧V1よりVDレベルだけ持ち上げられ、2倍のVDレベル(V2=2×VD)となる。
【0010】
第2インバータ回路12は、低電位側電源端子に供給される電圧V1(=VD)と、高電位側電源端子に供給される電圧V2(=2×VD)により動作する。そして、入力端子の電位が低電位側電源端子に供給される電圧V1と等しい(=VD)であるため、第2インバータ回路12は、高電位側電源端子に供給される電圧V2と等しい、即ち高電位電源VDの2倍の電圧(=2×VD)を持つ出力信号VOUTを出力する。この時、PMOSトランジスタQ1は、出力信号VOUTがゲートに供給されるためオフする。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、入力信号VINの電圧をVDレベルからGNDレベル値へと変化させたとき、コンデンサC1は第1インバータ回路11の出力信号の電圧V1がVDレベルに上昇することによりノードN1の電位を上昇させる。これに対し、第2インバータ回路12の出力信号の変化は、その第2インバータ回路12の動作分だけ遅れる。従って、ノードN1の電圧V1が持ち上げられるときにPMOSトランジスタQ1がオンしているため、そのトランジスタQ1によってコンデンサC1から電荷が抜けることによりノードN1の電圧上昇速度が低下する。これにより、第2インバータ回路12の出力VOUTのLo/Hiの切り替り速度(入力信号VINに対応する応答速度)が低下してしまう。
【0012】
上記のチャージポンプ回路10を従来の使用目的である高電圧駆動に適用した場合には、コンデンサC1の容量値をPMOSトランジスタQ1から抜ける電荷に対して十分なマージンを持たせる(容量値を大きくする)ことで対応していた。
【0013】
一方、半導体集積回路装置へ適用する場合、コンデンサC1をチップ上に形成しなければならない。しかしながら、十分なマージンを持つように容量値の大きなコンデンサをチップ上に形成することは困難であった。
【0014】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は昇圧効率が良く、応答速度の速いチャージポンプ回路を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、第1の電極と第2の電極とを有し、該第2の電極に第1の信号が供給されるコンデンサと、入力端子が第1の電圧源に接続され、高電位側電源端子と低電位側電源端子とが前記第1の電極と前記第2の電極とに接続される第1のインバータ回路と、前記第1の電圧源と前記第1の電極との間に接続され、前記コンデンサの充電を制御する充電制御回路とを備えたチャージポンプ回路において、前記充電制御回路は第1のPMOSトランジスタであり、そのゲートは前記第1のインバータの信号出力端子に接続され、前記第1の電圧源と前記充電制御回路との間に接続され、ゲートに前記第1の信号が入力される第2のPMOSトランジスタで構成され、電流の流れを制限する電流制限回路と、前記第1の電圧源と前記第2の電圧源とが高電位側電源端子と低電位側電源端子とに接続され、入力信号に応答して前記第1の信号を出力する第2のインバータ回路とを備える。
従って、第1の信号によるコンデンサのレベルシフト時に、そのコンデンサから第1の電圧源への漏れ電流を電流制限回路が充電回路より早く動作して制限することで、昇圧効率が向上する。
【0021】
請求項2記載の発明のように、第1の電極と第2の電極とを有し、該第2の電極に第1の信号が供給されるコンデンサと、入力端子が第1の電圧源に接続され、高電位側電源端子と低電位側電源端子とが前記第1の電極と前記第2の電極とに接続される第1のインバータ回路と、前記第1の電圧源と前記第1の電極との間に接続され、前記コンデンサの充電を制御する充電制御回路とを備えたチャージポンプ回路において、前記充電制御回路は第1のPMOSトランジスタであり、そのゲートは前記第1のインバータの信号出力端子に接続され、前記第1の電圧源と前記第2の電圧源とが高電位側電源端子と低電位側電源端子とに接続され、入力信号に応答して前記第1の信号を出力する第2のインバータ回路と、前記第1の電圧源と前記充電制御回路との間に接続され、第2のPMOSトランジスタと第3のインバータ回路から構成され、前記第3のインバータ回路には前記入力信号が入力され、前記第2のPMOSトランジスタのゲートは前記第3のインバータ回路の信号出力端子に接続され、電流の流れを制限する電流制限回路とを備える。
従って、第1の信号によるコンデンサのレベルシフト時に、そのコンデンサから第1の電圧源への漏れ電流を電流制限回路が充電回路より早く動作して制限することで、昇圧効率が向上する。また、第3のインバータ回路は第2のインバータ回路より軽負荷であるため、その第3の出力信号は第1の信号より早く変化し、電流制御回路が充電制御回路より早くオフして漏れ電流を制限する。
【0022】
【発明の実施の形態】
(第一実施形態)
以下、本発明を具体化した第一実施形態を図1〜図4に従って説明する。尚、説明の便宜上、従来の技術と同様の構成については同一の符号を付してその説明を一部省略する。
【0023】
図1は、本実施形態のチャージポンプ回路20の回路図である。
チャージポンプ回路20は、第1及び第2インバータ回路11,12、コンデンサC1、PチャネルMOSトランジスタQ1、電流制限回路21から構成される。
【0024】
第1インバータ回路11は高電位側及び低電位側電源端子が高電位電源VD及びグランドGNDに接続され、入力信号VINが入力される。第1インバータ回路11の出力端子は、第2インバータ回路12の低電位側電源端子に接続される。
【0025】
第2インバータ回路12は、高電位側電源端子が充電制御回路としてのPMOSトランジスタQ1の第1の端子に接続され、そのPMOSトランジスタQ1の第2の端子は電流制限回路21を介して高電位電源VDに接続されている。第2インバータ回路12の高電位側及び低電位側電源端子にはコンデンサC1の両端子が接続される。第2インバータ回路12の入力端子は高電位電源VDに接続され、出力端子から出力信号VOUTを出力する。
【0026】
電流制限回路21は、入力される制御信号S1に応答してオン・オフする。制御信号S1は、少なくとも電流制限回路21がPMOSトランジスタQ1よりも早くオフするように生成され供給される。
【0027】
入力信号VINがHレベル(高電位電源VDレベル)の時、第1インバータ回路11の出力信号電圧V1はグランドGNDレベルとなり、第2インバータ回路12の出力信号VOUTはGNDレベルとなる。出力信号VOUTによってゲート電圧を制御されるPMOSトランジスタQ1はオンとなる。
【0028】
この時、電流制限回路21を制御信号S1により開放状態とすることで、コンデンサC1はPMOSトランジスタQ1を介して高電位電源VDにより充電され、ノードN1の電圧V2は高電位電源VDの電圧レベルまで上昇する。
【0029】
入力信号VINをLレベル(グランドGNDレベル)へ切り替えると、第1インバータ回路11の出力信号電圧V1は高電位電源VDレベルとなり、コンデンサC1に充電された電荷によりノードN1の電位が持ち上げられ、そのノードN1の電圧V2は2倍の電圧(=2×VD)となる。
【0030】
この出力信号VOUTの上昇の際に、電流制限回路21を制御信号S1によって閉じることにより、コンデンサC1から高電位電源VDへの電流の流れを遮断する。
【0031】
これにより、ノードN1の電位上昇開始時にPMOSトランジスタQ1はオフとなっていないが、電流制限回路21による電流経路遮断によってコンデンサC1に充電された電荷が高電位電源VDに逆流することがない。このため、ノードN1の電位は、第1インバータ回路11の出力信号電圧V1よりの出力信号電圧V1の電圧上昇分と同一な電圧だけ上昇する。
【0032】
このため、本実施形態のチャージポンプ回路20では、従来回路に比べ第2インバータ回路12が入力端子の電位をLレベルと認識するのに必要な電圧まで高電位側電源端子の電位が上昇するまでの時間が短縮される。それにより、入力信号VINの変化に対する第2インバータ回路12の出力信号VOUTのLo/Hiの切り替り速度が向上する。
【0033】
制御信号S1は出力信号VOUTより早く変化する信号を用いればよく、例えば、本実施形態では、第1インバータ回路11の出力信号を用いている。即ち、電流制限回路21は、図2に示すように、第2PMOSトランジスタQ2から構成され、そのゲートは第1インバータ回路11の出力端子に接続されている。即ち、第2PMOSトランジスタQ2には、第1インバータ回路11の出力電圧V1がゲート電圧として印加される。従って、第2PMOSトランジスタQ2は、図1の制御信号S1として第1インバータ回路11の出力信号に応答してオン・オフする。
【0034】
この第1インバータ回路11の出力信号の電圧V1の変化は、図3に示すように、出力電圧VOUTの変化に比べて早い。従って、第2PMOSトランジスタQ2は、第1PMOSトランジスタQ1より早くオフする。
【0035】
この様に、本実施形態では、電流制限回路としてPMOSトランジスタQ2を挿入したことにより、入力信号VINがHレベルからLレベルへ移行する際にコンデンサC1から高電位電源VDへ漏れる電流を減少させる。その結果、出力信号VOUTの電圧上昇速度が従来回路に比べて早くなり、出力信号が変化した時刻t0から出力電圧VOUTがノードN1の電圧V2とほぼ等しくなる時刻t2までの時間(従来回路においては図7の時刻t0から時刻t1)が短くなる。即ち、本実施形態のチャージポンプ回路20は、従来のチャージポンプ回路10に比べて、入力信号VINに応答して出力信号VOUTを変更するその応答速度を向上させている。
【0036】
尚、電流制限回路21を構成する第2PMOSトランジスタQ2を完全にオフさせるためには、そのトランジスタQ2のゲートに第1PMOSトランジスタQ1を介して接続されるノードN1と同一な電圧値である2倍のVDレベルを印加する必要があるが、第1インバータ回路11の出力信号電圧V1はVDレベルまでしか上昇しない。しかし、図4に示すように、MOSトランジスタのゲートソース間電圧(VGS)−ドレイン電流(ID)特性は2次曲線を描きく。尚、図4の特性の縦軸は、ゲート−ソース間電圧(VGS)とソース−ドレイン間電圧(VDS)とが等しい時のドレイン電流(ID)を100%として換算したときのドレイン電流である。また、横軸は、ソース−ドレイン間電圧(VDS)に対するソース−ゲート間電圧(VGS)の割合(%)である。
【0037】
この特性のように、MOSトランジスタは、50%のゲート電圧によりドレイン電流を90%以上遮断する。従って、第2PMOSトランジスタQ2は、従来回路に比べてコンデンサC1から高電位電源VDへの電流漏れを減少させ、出力電圧VOUTの電圧上昇速度を向上している。
【0038】
尚、図2の第1及び第2PMOSトランジスタQ1,Q2に代えてダイオードを用いることが考えられ、そのようなチャージポンプ回路は高電圧駆動には適している。しかし、ダイオードを用いたチャージポンプ回路は、本実施形態を適用する半導体集積回路装置のレベル変換などの用途には使用できない。それは、ダイオードの順方向電圧によってノードN1の電位が高電位電源VDより低くなり、昇圧効率が悪くなるからである。
【0039】
以上記述したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
(1)高電位電源VDと第1PMOSトランジスタQ1との間に電流制限回路21を設けた。そして、第1インバータ回路11の出力信号によりコンデンサC1をレベルシフトして該コンデンサC1の第1の電極電圧V2を高電位電源VDの電圧より昇圧し、そのコンデンサC1の第1及び第2の電極が電源端子に接続された第2インバータ回路12から昇圧した電圧V2を持つ出力信号VOUTを出力する。その結果、コンデンサC1のレベルシフト時に、そのコンデンサC1から高電位電源VDへの漏れ電流を電流制限回路21により制限することで、昇圧効率を向上させることができる。これにより出力信号VOUTの応答速度が向上する。
【0040】
(2)電流制限回路21を第2PMOSトランジスタQ2から構成し、そのゲートに第1インバータ回路11の出力信号を供給した。その結果、第1インバータ回路11の出力信号は第2インバータ回路12の出力信号VOUTより早く変化するため、第1PMOSトランジスタQ1より第2PMOSトランジスタQ2を先にオフさせ、漏れ電流を少なくすることができる。
【0041】
(3)チャージポンプ回路20は、第2インバータ回路12の低電位側電源端子に第1インバータ回路11の出力信号を供給し、高電位側電源端子にその出力信号をVDレベルだけ上昇させたノードN1の電圧V2を供給している。従って、第2インバータ回路12の高電位側及び低電位側電源端子の電位差を、高電位電源VDとグランドGNDとの電位差にすることができる。また、各PMOSトランジスタQ1,Q2の各端子間には、高電位電源VDとグランドGNDとの電位差以上が加わらない。その結果、チャージポンプ回路20は、高電位電源VDとグランドGNDとの間の電位差に対応する素子にて構成されればよく、各素子のサイズの増加を抑えてチャージポンプ回路20の面積増加を抑えることができる。
【0042】
(第二実施形態)
以下、本発明を具体化した第二実施形態を図5に従って説明する。
尚、説明の便宜上、図1,図2と同様の構成については同一の符号を付してその説明を一部省略する。
【0043】
図5は、本実施形態のチャージポンプ回路30の回路図である。
チャージポンプ回路30は、第1及び第2インバータ回路11,12、コンデンサC1、PチャネルMOSトランジスタQ1、電流制限回路31から構成される。
【0044】
電流制限回路31は、第3インバータ回路32と第2PチャネルMOSトランジスタQ2から構成される。第3インバータ回路32には入力信号VINが制御信号S1として入力され、出力端子は第2PMOSトランジスタQ2のゲートに接続されている。従って、第2PMOSトランジスタQ2のゲートには、入力信号VINを第3インバータ回路32により反転した制御信号S2が入力される。第2PMOSトランジスタQ2は第1PMOSトランジスタQ1と高電位電源VDの間に接続されている。このように、電流制限回路31は、入力信号VINに応答して第2PMOSトランジスタQ2をオン・オフする。
【0045】
第1インバータ回路11が第2インバータ回路12及びコンデンサC1を負荷としているのに対し、第3インバータ回路32は第2PMOSトランジスタQ2のみを負荷としている。従って、第3インバータ回路32は、第1インバータ回路11より軽負荷である。
【0046】
これにより、第3インバータ回路32の動作速度は第1インバータ回路11に対し高速なものとなり、第3インバータ回路32が出力する制御信号S2の変化は、第1インバータ回路11の出力信号の変化に比べて早い。従って、本実施形態のチャージポンプ回路30は、第一実施形態のチャージポンプ回路20より出力信号VOUTの電圧上昇速度を向上している。
【0047】
以上記述したように、本実施形態によれば、第一実施形態の効果に加えて以下の効果を奏する。
(1)電流制限回路31を第3インバータ回路32と第2PMOSトランジスタQ2から構成し、第3インバータ回路32に入力信号VINを入力し、その第3インバータ回路32の出力信号にて第2PMOSトランジスタQ2をオン・オフさせるようにした。第3インバータ回路32は第1インバータ回路11より軽負荷であるため、その第3インバータ回路32の出力信号は第1インバータ回路11の出力信号より早く変化する。その結果、第2PMOSトランジスタQ2が第1PMOSトランジスタQ1より早くオフして漏れ電流を制限するため、昇圧効率が良くなり、出力信号VOUTの電圧上昇速度、即ち応答速度を向上させることができる。
【0048】
尚、前記実施形態は、以下の態様に変更してもよい。
・上記第一実施形態において、第1インバータ回路11を省略した構成にて実施してもよい。
【0049】
・上記各実施形態において、充電制御回路及び電流制限回路としてPMOSトランジスタを用いたが、それらの回路構成を適宜変更して実施してもよい。
【0050】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、昇圧効率が良く、応答速度の速いチャージポンプ回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第一実施形態のチャージポンプ回路の回路図である。
【図2】 第一実施形態のチャージポンプ回路の回路図である。
【図3】 チャージポンプ回路の動作波形図である。
【図4】 MOSトランジスタの特性図である。
【図5】 第二実施形態のチャージポンプ回路の回路図である。
【図6】 従来のチャージポンプ回路の回路図である。
【図7】 従来例の動作波形図である。
【符号の説明】
11 第2のインバータ回路
12 第1のインバータ回路
21,31 電流制限回路
32 第3のインバータ回路
C1 コンデンサ
Q1 充電制御回路としてのPMOSトランジスタ
Q2 第2のPMOSトランジスタ
VIN 入力信号
VOUT 出力信号
VD 第1の電圧源
GND 第2の電圧源
Claims (2)
- 第1の電極と第2の電極とを有し、該第2の電極に第1の信号が供給されるコンデンサと、
入力端子が第1の電圧源に接続され、高電位側電源端子と低電位側電源端子とが前記第1の電極と前記第2の電極とに接続される第1のインバータ回路と、
前記第1の電圧源と前記第1の電極との間に接続され、前記コンデンサの充電を制御する充電制御回路と
を備えたチャージポンプ回路において、
前記充電制御回路は第1のPMOSトランジスタであり、そのゲートは前記第1のインバータの信号出力端子に接続され、
前記第1の電圧源と前記充電制御回路との間に接続され、ゲートに前記第1の信号が入力される第2のPMOSトランジスタで構成され、電流の流れを制限する電流制限回路と、
前記第1の電圧源と前記第2の電圧源とが高電位側電源端子と低電位側電源端子とに接続され、入力信号に応答して前記第1の信号を出力する第2のインバータ回路と
を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。 - 第1の電極と第2の電極とを有し、該第2の電極に第1の信号が供給されるコンデンサと、
入力端子が第1の電圧源に接続され、高電位側電源端子と低電位側電源端子とが前記第1の電極と前記第2の電極とに接続される第1のインバータ回路と、
前記第1の電圧源と前記第1の電極との間に接続され、前記コンデンサの充電を制御する充電制御回路と
を備えたチャージポンプ回路において、
前記充電制御回路は第1のPMOSトランジスタであり、そのゲートは前記第1のインバータの信号出力端子に接続され、
前記第1の電圧源と前記第2の電圧源とが高電位側電源端子と低電位側電源端子とに接続され、入力信号に応答して前記第1の信号を出力する第2のインバータ回路と、
前記第1の電圧源と前記充電制御回路との間に接続され、第2のPMOSトランジスタと第3のインバータ回路から構成され、前記第3のインバータ回路には前記入力信号が入力され、前記第2のPMOSトランジスタのゲートは前記第3のインバータ回路の信号出力端子に接続され、電流の流れを制限する電流制限回路と
を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
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