JPH05268761A - チャージポンプ装置 - Google Patents
チャージポンプ装置Info
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Abstract
ース・ドレイン端子にかかる酸化物破壊電圧より高い出
力に到達可能なチャージポンプ回路を提供する。 【構成】チャージポンプ回路が提供され、それはMOS
コンデンサ、直列接続されたコンデンサ(「直列コンデ
ンサ」)、MOSFETダイオード、ならびにMOSコ
ンデンサおよび直列コンデンサの共通ノードに接続され
る電圧クランプを含む。これら多くのチャージポンプ回
路は、多数段チャージポンプ回路を形成するためカスケ
ードにされてもよい。各チャージポンプ回路は、各個々
のMOSコンデンサの酸化物破壊電圧より高い出力電圧
に到達してもよい。このチャージポンプ回路は、また低
電圧電源状態の下で作動することも可能である。
Description
るものであり、特に高電圧集積回路技術におけるチャー
ジポンプの設計に関するものである。この発明はまた低
スタートアップ電圧状態が望まれる他の集積技術に適用
可能である。
電圧の電源を提供するため、ダイオード接続のMOSF
ETおよびMOSコンデンサのポンプ作用を用いる回路
要素である。チャージポンプ効果はMOSコンデンサに
より達成されることができ、それはソース端子およびド
レイン端子が相互にショートされる状態、およびゲート
端子がダイオード接続のMOSFET(MOSFETダ
イオードとしても知られている)に接続される状態のM
OSFETである。ダイオード接続のMOSFETはそ
のゲート端子およびドレイン端子が相互にショートされ
る状態のMOSFETである。MOSコンデンサに結合
されたソース端子およびドレイン端子に発振電圧を印加
することにより、連続的により高い電圧が定常状態の電
圧に到達するまで時間と共にMOSFETダイオードの
ソース端子に誘起される。
ンサ(たとえばコンデンサ120および130)はn−
MOSFETとして示される。この説明におけるn−M
OSFETの使用は例示だけの目的のためのものであ
る。当業者は、以下の説明および添付の図面から、p−
MOSFETを用いる対応の回路を推測することができ
るであろう。
・ドレイン端子はクロック入力φに接続され、MOSコ
ンデンサ120のゲート端子はノード125が接続さ
れ、それはNMOSトランジスタの110のゲート端子
およびドレイン端子におよびNMOSトランジスタ10
0のソース端子に接続される。NMOSトランジスタ1
00のドレイン端子は供給電圧Vp p に接続される。N
MOSトランジスタ110のソース端子はノード135
に接続され、それはMOSコンデンサ130のゲート端
子である。NMOSトランジスタ140のゲート端子お
よびドレイン端子はまたノード135に接続される。M
OSコンデンサ130はクロック入力φ!(!は反転記
号を意味する。ただし図面ではφの上に反転を表わす横
棒が付してある。)によりソース・ドレイン端子で駆動
され、それはクロック信号φ(図2参照)に対する非重
畳相補信号である。MOSコンデンサ120およびMO
SFETダイオード110はこのチャージポンプ回路の
第1の段を形成する。MOSコンデンサ130およびM
OSFETダイオード140は第2の段を形成し、かつ
この実現化例ではチャージポンプ回路の出力段を形成す
る。NMOSトランジスタ140のソース端子はこのチ
ャージポンプ回路の出力端子Vout としてタップされ
る。
び100を介して、ノード125は供給電圧VC C から
NMOSトランジスタ160および100のしきい値電
圧(Vt )を減じたものの範囲内で予充電される。図2
はクロック入力φおよびφ!の非重畳および相補波形を
示す。クロック入力φがローのとき、MOSコンデンサ
120はオンである。クロック入力φがハイになると
き、ノード125はノード125での寄生容量のためあ
る程度の損失を伴って、クロック入力φのクロック振幅
を加えた予充電電圧に等しい電圧に容量的に結合され
る。これはMOSFETダイオード110をオンにし、
それがノード135を充電する。クロック入力φがロー
になるとき、ノード125が追随し、このようにしてト
ランジスタ110をオフにする。その後直ちにクロック
入力φ!はハイになり、それはクロック入力の電圧の振
山に容量結合係数を乗じた値だけノード135における
電圧を増加する。ノード135の充電によりMOSFE
T140をオンにし、そしてそれがVout を充電する。
高い電圧に予充電される。ポンプにおける段の最大出力
電圧Vout は、最大予充電電圧Vp p にクロック電圧V
φと結合係数Kを乗じたものからダイオード接続のMO
SFETのVt を減じたものを加えた値に等しい。この
ように実現化例の最大出力電圧はVout max =Vp p+
2(KVφ−Vt )であり、ここに K=C120 /(C120 +CSTRAY,125 )=C130 /(C130 +CSTRAY,135 ) である。
デンサ120および130の容量であり、CSTRAY,125
およびCSTRAY,135 はそれぞれノード125および13
5での寄生容量である。
コンデンサ120をオンしなければならないことで、つ
まりノード125でのゲート電圧はしきい値電圧
(Vt )を超えなければならないことである。ノード1
25における電圧は初期に電圧電源VC C からトランジ
スタ100および160におけるしきい値電圧降下を減
じた値である。ノード125におけるこの電圧はMOS
コンデンサ120のしきい値電圧(約0.7ボルト)よ
りも大きくなければならない。それゆえ、電源VC Cは
最悪の場合でも2.1ボルト以下に低下してはいけな
い。
いる。図3では、チャージポンプ回路220が時間変動
する電流Iout を引出す電流源240の変動する電流の
要求にもかかわらず、ノード260を一定の電圧に保持
するためノード270を変調するのに使用される。ノー
ド260における電圧V260 は V260 =Vref (1+R1 /R2 ) に保持される。
によりあまりにも低下しすぎると、比較器は発振器21
0を能動化し、トランジスタ250のゲート端子をより
高くポンプ動作するだろう。そのため、トランジスタ2
50は、要求される電圧V26 0 においてノード260を
維持するため、ソース端子260において要求される電
流を供給することができる。
達可能な電圧Vmax は次式により与えられる。
る。
力信号φにおける電圧の振れであり、nはチャージポン
プにおける段の数であり、aはコンデンサゲートノード
の全容量に対するMOSコンデンサのゲート端子での容
量の分数であって、これはMOSFETダイオード(M
OSFETダイオード110および140のようなも
の)の寄生容量を含んでいる。この分数は典型的に1よ
り小さい。
OSコンデンサの酸化物絶縁破壊電圧を超えるなら、チ
ャージポンプ機構は限定されるかもしれない。その理由
は、MOSコンデンサ120または130のゲートおよ
びドレイン・ソース端子にわたり確立される差異が望ま
しい出力電圧が到達される前にMOSコンデンサにおい
て薄いゲート酸化物の絶縁破壊を超えるのに十分なぐら
い大きくなるかもしれないからである。集積回路の設計
では、薄いゲート酸化物を有することが一般に望まし
い。それゆえ、チャージポンプ回路において最も高い電
圧を達成する目標は、一般に薄いゲート酸化物を有する
望ましい目標と矛盾する。一応用では、チャージポンプ
回路において達成されるべき望ましい電圧は17ボルト
であるが、薄酸化物絶縁破壊電圧はおよそ13ボルトで
ある。先行技術では、電圧クランプ回路要素はMOSコ
ンデンサのゲートおよびソース・ドレインにかかる電圧
降下を制限することによって絶縁破壊を回避するために
使用される。MOSコンデンサの絶縁破壊は電圧クラン
プにより回避されるが、チャージポンプ回路の出力はM
OSコンデンサの酸化物破壊電圧により限定されるまま
になっている。
コンデンサのゲート端子およびソース・ドレイン端子に
かかる酸化物破壊電圧によりより高い出力に到達可能な
チャージポンプ回路を提供することである。
コンデンサに直列に接続されるコンデンサを設けること
により、MOSコンデンサの個々の薄酸化物破壊電圧よ
りより高い出力電圧が達成される。
ンサの接続部において電圧クランプをまた設けることに
より、MOSコンデンサのゲート端子における最初の電
圧はプリセットされ、それによりチャージポンプのスタ
ートアップを確実にする。さらにこの電圧クランプはチ
ャージポンプをスタートするのに必要な最小値電圧V
C C を減少させる。このクランプはまた接合漏洩の存在
下でコンデンサにかかる電圧の適切な分配を確実にす
る。
破壊電圧よりより高い出力電圧を送出することができる
チャージポンプの一例は、この出願と同一日に出願さ
れ、この出願の譲受人でもあるアドバンスド・マイクロ
・ディバイシズ・インコーポレーテッド(Advanc
ed Micro Devices,Inc.)に譲渡
された、米国特許出願第 号、アントニオ
J.モンタルボ(Antonio J.Montalv
o)による「バック・ツー・バックコンデンサチャージ
ポンプ」と題される同時係属中の出願に記述され、これ
によりそっくりそのまま引用により援用されている。そ
こに記述された装置は、平行プレートコンデンサが相互
接続材料の重畳トレースから容易に形成されないかもし
れないときに特に適している。他の態様で、この発明は
使用できる。一般に、この発明に従った以下に記述した
装置および前に述べた同時係属中の出願においてそこに
記述される装置は、この発明に関する高出力電圧雑音免
疫および低電源電圧動作の利点をもたらすのに適用可能
である。
以下の説明および請求項において用いられる。特に必要
とされない限り、p−MOSFETはMOSトランジス
タが示されるところではどこでも用いられる。もちろん
ここで記述される実施例の必要な修正はn−MOSFE
Tの代わりにp−MOSFETを代用する際、当業者に
容易推考可能であろう。
明の実施例を示す。この発明は回路における段の数を制
限しないし、また制限されない。段は、所望される出力
電圧に依存してカスケードにされるか、または除去され
ることができる。一般に、達成し得る出力電圧はチャー
ジポンプにおいてより多くの段を有することにより増加
させられる。各段は他のコンデンサに直列に接続したポ
ンプ動作のMOSFETコンデンサ(以下「直列コンデ
ンサ」と称する)、電圧クランプおよびMOSFETダ
イオードより成る。電圧クランプはポンプ動作のコンデ
ンサおよび直列コンデンサの間の共通ノードを制御し、
かつ出力は電圧クランプに接続されない直列コンデンサ
の端子にタップ接続され、かつMOSFETダイオード
により次の段に伝達される。
プの第1の段はポンプ動作のMOSコンデンサC1 、直
列コンデンサC3 、電圧クランプM1およびMOSFE
Tダイオード350により形成される。第2段はポンプ
動作のMOSコンデンサC2、直列コンデンサC4 、電
圧クランプM2およびMOSFETダイオード360に
より形成される。第1の段の電圧出力は「D」と符号を
付されたノードで取出され、かつ第2の段の電圧出力は
「Vout 」と符号を付されたノードで取出される。ポン
プ動作のMOSコンデンサC1 およびC2 はそれぞれク
ロック入力φおよびφ!に接続される。この実施例で
は、例示目的のためだけに、このようなMOSコンデン
サはエンハンスモードコンデンサであり、ディプレッシ
ョンモードMOSFETコンデンサもまた用いられてよ
い。
C2 のゲート端子は、「A」および「B」に符号を付さ
れたノードにおいて直列コンデンサC3 およびC4 にそ
れぞれ直列に接続される。コンデンサC3 およびC4 の
他の端子はそれぞれノードCおよびノードDに接続され
る。
トコンデンサを含むどのようなコンデンサから形成され
てもよい。たとえば、このようなコンデンサは、酸化物
のような誘導体層により分離されるポリシリコンの2つ
の独立した層から形成されてよい。ポリシリコンコンデ
ンサは、異なるマスクレベルで規定されるポリシリコン
の重畳トレースから形成される。ポリシリコントレース
は、集積回路において素子を接続するために相互接続材
料としてしばしば用いられる。
作のスタートにおいてそれぞれノードAおよびノードB
を初期化することを目的に存在する。また、ノードAお
よびノードBから少量の漏洩のために、これらのノード
における電圧が低下するときに、それらはノードAおよ
びノードBに対して最小限の電圧を提供する。それによ
って、MOSFETM1およびM2はそれぞれ第1段お
よび第2段においてMOSコンデンサおよび直列コンデ
ンサにかかる最大電圧を抑制する。
よびノードBに対する電圧クランプとして作用するため
には、エンハンスメントまたは真性モードトランジスタ
が望ましい。ディプレッションモードトランジスタは基
準信号に関連して用いられよう。電圧クランプM1およ
びM2のためにノードAおよびノードBにおける最小電
圧は、電圧クランプトランジスタM1またはM2の電圧
に関連のしきい値を、電源電圧VC C から減じた値にな
る。もしM1およびM2が、真性トランジスタであるな
らば、それらのしきい値電圧Vt i は約0.1ボルトで
あろう。MOSコンデンサC1 をチャージポンプの開始
点でオン状態にあることを確実にするためには、先行技
術における2.1ボルトに比べてMOSコンデンサC1
にかかる降下がC1 のしきい値電圧より大きい、すなわ
ち(VC C −Vt i )>Vt または約0.8ボルトとな
るように維持されることのみが必要となる。それゆえ、
この発明は図1に示した先行技術回路より電源変動に対
してより許容性がある。
よびVout はそれぞれMOSFET350および360
に接続されるダイオードのソース端子である。トランジ
スタ350のゲート端子はノードCおよびトランジスタ
330のソース端子にも接続され、そのドレイン端子お
よびゲート端子は、電源VC C に接続される。この実施
例では、電源VC C は約5ボルトである。このようにこ
の2段チャージポンプ回路において、約2段の出力ノー
ドVout は、MOSFET360に接続されるダイオー
ドのソース端子であり、このゲート端子およびドレイン
端子はノードDに接続され、さらにトランジスタ340
のソース端子にも接続される。トランジスタ340のゲ
ート端子およびドレイン端子は電源VC C に接続され
る。
ス端子に接続され、このドレイン端子は電源Vp p に接
続される。この実施例では、電源Vp p は約13ボルト
である。トランジスタ310のゲート端子はトランジス
タ340のソース端子に接続される。
0のソースに接続され、そのゲート端子およびドレイン
端子はVC C に接続される。
C C からそれぞれトランジスタ330および340のし
きい値電圧を減じた値になる。ノードAおよびノードB
はまた電源VC C から真性のトランジスタM1またはM
2のそれぞれしきい値電圧を減じた値(VA =VC C −
Vt i )となる。この電圧においては、ポンプ動作のM
OSコンデンサC1 またはC2 の両方がオン状態にあ
る。
電圧波形を有する。図1に関連して以前に記述したよう
に、ポンプ動作のMOSコンデンサC1 のソース・ドレ
インにおいて、同様にC2 (φ!)において、クロック
入力φの各パルスの後、各ノードCおよびDにおいて電
圧が増加する結果となる。しかしながら、図1に示され
る回路と違い、たとえばノードCにおける電圧のこの増
加は、MOSコンデンサC1 および直列コンデンサC3
の間で、それらの容量の比率に応じて分配され、それゆ
えノードAおよびノードCの電圧は、ポンプ動作の作動
が継続するに従って最大量に向かって上昇する。トラン
ジスタM1の逆バイアスされるソース接続により、ノー
ドAからサブストレートまでのチャージの漏洩は、ノー
ドAにおける電圧が時間と共に(VC C −Vt i )の最
小値に到達する場合に起こるだろう。同様に、MOSコ
ンデンサC2 におけるポンプ動作の作動は、BおよびD
における電圧を増加し、時間に共に(VC C −Vt i )
までBにおける結果として生じる電圧の漏洩を伴う。
るポンプ動作のMOSコンデンサC 1 のノードCおよび
ソース・ドレイン(いわゆるクロック入力)にかかる電
圧は、MOSコンデンサC1 または直列コンデンサC3
のいずれかの酸化物破壊電圧よりも高くなるかもしれな
い。しかしながら、MOSコンデンサC1 および直列コ
ンデンサC3 における電圧分配により、MOSコンデン
サC1 におけるノードAおよびソース・ドレイン端子に
かかる電圧はMOSコンデンサC1 の酸化物破壊電圧を
超えることはない。MOSコンデンサC1 に対する典型
的な値は、0.96pFであり、直列コンデンサC3 に
対する典型的な値は0.78pFである。また、ノード
Aからの漏洩後、直列コンデンサC3 にかかる最終の電
圧はまた酸化物破壊電圧を超えることはない。したがっ
て、チャージポンプMOSコンデンサの酸化物破壊電圧
よりより高い電圧出力が可能であるチャージポンプを提
供する目的が達成される。
意図され、限定するものではない。当業者は上記の説明
および添付の図面を考慮して、この発明の範囲内におい
て修正および変更を示唆することができるだろう。
ならびにMOSFETダイオード110および140を
使用する先行技術チャージポンプ回路を示す。
相補のクロック入力φおよびφ!を示す。
列に接続されるコンデンサC3およびC4 を使用するこ
の発明の実施例を示す。
Claims (10)
- 【請求項1】 入力リードおよび出力リードを有し、前
記入力リードに受けられる信号に応答して前記出力リー
ドにおける電圧の増加を与えるためのチャージポンプ手
段と、 第1のリードおよび第2のリードを有するコンデンサと
を含み、前記コンデンサの前記第1のリードは、前記チ
ャージポンプ手段の前記出力リードにおける前記電圧の
増加が、前記チャージポンプ動作の手段の前記出力リー
ドと、前記コンデンサの前記第2のリードとの間に分配
されるように、前記チャージポンプ動作の手段の前記出
力リードに接続され、さらに入力および出力を有するダ
イオード手段を含み、前記ダイオード手段の前記入力リ
ードは、前記電圧の増加を前記ダイオード手段の前記入
力リードから前記ダイオード手段の前記出力リードまで
伝達するため、前記コンデンサの前記第2のリードに接
続され、さらに前記チャージ手段の前記出力リードにお
ける電圧が予め決定される最小値電圧以下に低下しない
ことを確実にするための、前記チャージ手段の前記出力
リードに接続される電圧クランプ手段とを含むチャージ
ポンプ装置。 - 【請求項2】 前記チャージポンプ動作の手段はゲート
端子、ソース端子およびドレイン端子を有するMOSコ
ンデンサを含み、前記ゲート端子は前記チャージポンプ
動作の手段の前記出力リードであり、前記ソース端子お
よびドレイン端子は前記チャージポンプ動作の手段の前
記入力リードを形成するためにともに接続される、請求
項1に記載のチャージポンプ装置。 - 【請求項3】 前記電圧クランプ手段はゲート端子、ソ
ース端子およびドレイン端子を有するトランジスタを含
み、前記ドレイン端子は電源および前記ゲート端子に接
続可能であり、前記ソース端子は前記チャージポンプ動
作の手段の前記出力リードに接続され、それによって前
記チャージポンプ動作の手段に最小値電圧を供給する、
請求項1に記載のチャージポンプ装置。 - 【請求項4】 前記ダイオード手段はゲート端子、ソー
ス端子およびドレイン端子を有するトランジスタを含
み、前記ゲート端子は前記ドレイン端子に接続される、
請求項1に記載のチャージポンプ装置。 - 【請求項5】 前記チャージポンプ動作の手段はゲート
端子、ソース端子およびドレイン端子を有するMOSコ
ンデンサを含み、前記MOSコンデンサの前記ゲート端
子は前記チャージポンプ動作の手段の前記出力リードで
あり、かつ前記MOSコンデンサの前記ソース端子およ
びドレイン端子は前記チャージポンプ動作の手段の前記
入力を形成するためにともに接続され、かつ前記電圧ク
ランプ手段はゲート端子、ソース端子およびドレイン端
子を有するトランジスタを含み、前記トランジスタの前
記ドレイン端子は電源および前記トランジスタの前記ゲ
ート端子に接続可能であり、前記トランジスタの前記ソ
ース端子は前記チャージポンプ動作の手段の前記出力リ
ードに接続され、かつ前記電源は前記MOSコンデンサ
のしきい値電圧と前記トランジスタのしきい値電圧の合
計に対してより高いまたは等しい電圧を有することのみ
を必要とする、請求項1に記載のチャージポンプ装置。 - 【請求項6】 複数個のチャージポンプ動作の要素を含
み、各チャージポンプ動作の要素は入力リードおよび出
力リードを有するチャージポンプ装置であって、前記チ
ャージポンプ装置は前記複数個のチャージポンプ動作の
要素をカスケードにすることにより形成され、各チャー
ジポンプ動作の要素は、 入力リードおよび出力リードを有し、前記入力リードに
受けられる信号に応答して前記出力リードにおける電圧
の増加を与えるためのチャージポンプ動作の手段と、 第1のリードおよび第2のリードを有するコンデンサと
を含み、前記コンデンサの前記第1のリードは、前記チ
ャージポンプ動作の手段の前記出力リードにおける前記
電圧の増加が前記チャージポンプ動作の手段の前記出力
リードと前記コンデンサの前記第2のリードとの間に分
配されるように、前記チャージポンプ動作の手段の前記
出力リードに接続され、さらに入力リードおよび出力リ
ードを有するダイオード手段とを含み、前記ダイオード
手段の前記入力リードは前記電圧の増加を前記ダイオー
ド手段の前記入力リードから前記ダイオード手段の前記
出力リードまで伝達するために接続され、前記ダイオー
ド手段の前記入力リードは前記チャージポンプ動作の要
素の前記入力リードであり、前記ダイオード手段の前記
出力リードは前記チャージポンプ動作の要素の前記出力
リードであり、さらに前記チャージ動作の手段の前記出
力リードにおける電圧が予め決定される最小値電圧以下
に低下しないことを確実にするため、前記チャージ動作
の手段の前記出力リードに接続される電圧クランプ手段
とを含む、チャージポンプ装置。 - 【請求項7】 各前記チャージポンプ動作の手段はゲー
ト端子、ソース端子およびドレイン端子を有するMOS
コンデンサを含み、前記ゲート端子は前記チャージポン
プ動作の手段の前記リードであり、前記ソース端子およ
びドレイン端子は前記チャージポンプ動作の手段の前記
入力リードを形成するためにともに接続される、請求項
6に記載のチャージポンプ装置。 - 【請求項8】 各前記チャージポンプ動作の手段はゲー
ト端子、ソース端子およびドレイン端子を有するトラン
ジスタを含み、前記ドレイン端子は電源および前記ゲー
ト端子に接続可能であり、前記ソース端子は前記チャー
ジポンプ動作の手段の前記出力リードに接続され、それ
によって前記チャージポンプ動作の手段に最小値電圧を
供給する、請求項6に記載のチャージポンプ装置。 - 【請求項9】 各前記ダイオード手段はゲート端子、ソ
ース端子およびドレイン端子を有するトランジスタとを
含み、前記ドレイン端子は前記ダイオード手段の前記入
力リードであり、前記ソース端子は前記ダイオード手段
の前記出力リードであり、かつ前記ゲート端子は前記ド
レイン端子に接続される、請求項6に記載のチャージポ
ンプ装置。 - 【請求項10】 各チャージポンプ動作の手段はゲート
端子、ソース端子およびドレイン端子を有するMOSコ
ンデンサを含み、前記MOSコンデンサの前記ゲート端
子は前記チャージポンプ動作の手段の前記出力リードで
あり、さらに前記MOSコンデンサの前記ソース端子お
よびドレイン端子は前記チャージポンプ動作の手段の前
記入力リードを形成するためにともに接続され、かつ各
電圧クランプ手段はゲート端子、ソース端子およびドレ
イン端子を有するトランジスタを含み、前記トランジス
タの前記ドレイン端子は電源ならびに前記トランジスタ
の前記ゲート端子に接続可能であり、前記トランジスタ
の前記ソース端子は前記チャージポンプ動作の手段の前
記出力リードに接続され、かつ前記電源は前記MOSコ
ンデンサのしきい値電圧と前記トランジスタのしきい値
電圧の合計に対してより高いまたは等しい電圧を有する
ことのみを必要とする、請求項6に記載のチャージポン
プ装置。
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