KR200325377Y1 - 전압구동 발진회로로 구성된 차지펌프 회로 - Google Patents

Abstract

본 고안은 플레쉬 메모리장치를 프로그래밍하기 위해 필요한 고전압을 생성하기 위한 장치에 관한 것으로, 이 장치는 외부에서 인가되는 기준전압과 고전압을 출력하는 차지펌프의 출력을 비교하여 프로그램 계속여부를 판단하는 비교수단과, 입력전압의 크기에 따라 발진 주파수의 크기를 조절하는 전압조절 발진수단과, 상기 차지펌프의 출력전압을 강하시켜 상기 비교수단의 입력을 생성하는 전압분할수단과 상기 차지펌프의 전압을 플레쉬메모리 장치에 인가하는 구동수단 등으로 구성된다.

본 고안은 상기와 같은 구성에 따라 플레쉬메모리를 프로그래밍 하는데 필요한 고전압을 낮은 전압에서 효과적으로 생산하는 효과가 있다.

Description

전압구동 발진회로로 구성된 차지펌프 회로 {charge pump circuit implemented with voltage-controlled oscillator }

본 고안은 플레쉬 메모리장치를 프로그래밍하기 위해 필요한 고전압을 생성하기 위한 장치에 관한 것으로, 이 장치는 외부에서 인가되는 기준전압과 고전압을 출력하는 차지펌프 장치의 출력을 비교하여 프로그램 계속여부를 판별하는 비교수단과, 입력전압에 따라 발진 주파수를 달리하는 전압조절 발진수단과, 상기 차지펌프 장치의 출력전압을 강하시켜 상기 비교수단의 입력을 생성하는 전압분할수단과 상기 차지펌프로부터 생성된 고전압을 구동시키는 구동수단 등으로 구성된다.

플레쉬메모리의 프로그램을 위해 사용되는 고전압은 쓰기, 소거, 읽기 동작에 따라 전압의 크기가 각각 다르다. 차지펌프 회로는 전원 전압보다 높은 전압을 공급하기 위해 사용되는 회로로서 기존의 방식에서는 기동 클럭의 주파수나 펌프의 단수를 변경함으로서 프로그래밍 전압을 조절하였다. 그러나 이러한 방식은 공정에 의한 오차뿐만 아니라 각 단을 구성하는 모스페 트랜지스터의 바디효과에 의한 문턱전압 상승효과에 의해 결과값의 예측이 어려운 단점이 있었다. 본고에서는 전압구동 발진회로를 이용하여 외부에서 인가되는 기준전압과 차지펌프의 출력이 일치하도록 클럭주파수를 조절해줌으로서 상기와 같은 문제점을 근본적으로 제거하는 회로를 제안한다.

본 고안은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본고안의 목적은 플레쉬메모리의 저장내용을 변경하기 위해서 필요한 고전압을 효과적으로 제공하는 회로를 실리콘에서 구동 가능하도록 제작하는데 있다.

도 1 은 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 시스템 블록도

도 2 는 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 전압분할 장치

도 3 는 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 전압구동 발진장치

도 4 은 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 전압구동 발진장치의 출력도

도 5 는 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 비교기 회로도

도 6 는 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 차지펌프의 부스트 회로

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

20: 전압분할수단 30: 전압구동 발진수단, 50: 비교수단, 60: 차지펌프

본 고안에 의해 상기 목적은 쉽게 달성되며, 본 고안은 일면에 따라 복수개의 N형과 P형 모오스트랜지스터로 구성된 다수의 부스트회로로 구성된 차지펌프에 관한 것으로, 이 장치는 기준저압과 차지펌프 회로의 출력을 비교하는 비교수단과, 입력전압의 크기에 따라 발진 주파수를 달리하는 전압조절발진 수단과, 충분한 프로그래밍 전압이 생성되었는지를 판단하는 판별수단과 이렇게 만들어진 고전압을 구동시키는 구동시키는 구동수단 등으로 구성된다.

최근에 EEPROM이나 플레쉬메모리가 휴대용 단말기의 데이터 저장용으로 많이 사용되고 있다. 이것은 상기 메모리가 전원 공급이 제거되어도 데이터를 보존하는 불활성 특성이 있기 때문이다. 이러한 불활성 메카니즘의 구현을 위해서는 부유게이트를 갖는 셀의 구조가 필수적이며, 부유게이트의 전하량에의해 논리 1과 0의 데이터가 구분된다. 전하량의 조절을 위해서는 FN 터널링이나 핫 일렉트론 인젝션 등이 사용되는데, 이 방식의 구현을 위해서는 높은 프로그래밍 전압이 필요하다. 이는 실리콘옥사이드를 통해 전자를 부유게이트에 넣거나 빼는데에 있어서 높은 전기장이 필요하기 때문이다.

본 고안에서는 상기의 프로그래밍 전압을 위해 실리콘에서 구동 가능한 전압구동 발진회로를 이용한 차지펌프를 설계하였다. 플레쉬메모리의 내용을 변경하기위해 사용되는 고전압은 쓰기, 소거, 읽기 동작에 따라 전압의 크기가 각각 다르다. 차지펌프 회로는 전원 전압보다 높은 전압을 공급하기 위해 사용되는 회로로서 기존의 방식에서는 기동 클럭의 주파수나 펌프의 단수를 변경함으로서 프로그래밍 전압을 조절하였다. 그러나 이러한 방식은 공정에 의한 오차뿐만 아니라 각 단을 구성하는 모스페트 트랜지스터의 바디효과에 의한 문턱전압 상승효과에 의해 결과값의 예측이 어려운 단점이 있었다. 본고에서는 전압구동 발진회로를 이용하여 외부에서 인가되는 기준전압과 차지펌프의 출력이 일치하도록 클럭주파수를 조절해줌으로서 상기와 같은 문제점을 근본적으로 제거하는 회로를 제안한다.

도 1은 전압구동 발진회로(30)를 이용한 차지펌프(60)의 전체 블록도이다. 기준 전압 Vref와 차지펌프 출력전압을 나눈 분할회로(20)의 출력전압 Vdiv(12)는 각각 비교기(50)의 +, - 입력으로 들어가고, 비교기(50)의 출력이 전압구동 발진회로(30)의 입력으로 들어간다. 전압구동 발진회로의 출력이 차지펌프의 입력클럭으로 들어가 차지펌프를 동작시키도록 회로가 구성되어 있다.

외부에의 인가전압 Vref(11)는 기준 전압으로서 이 전압의 크기에 따라 차지펌프의 출력전압이 결정된다. 분할회로(20)는 상기 차지펌프의 출력 Vout(12)을 낮추기 위해 사용된다. 이러한 전압강하는 비교기의 + 입력단으로 들어가는 기준전압의 레벨에 비해 차지펌프에서 출력되는 전압의 레벨이 월등히 높기 때문이다. 따라서 두 신호를 비교하여 전압구동 발진회로의 구동회로를 컨트롤하기 위해서는 차지펌프의 출력을 충분히 낮추어야 한다. 즉, Vref(11)가 Vdiv(12)보다 높게되면 비교기의 출력이 논리 1이 되고, 이것은 순차적으로 전압구동 발진회로를 구동시켜서 차지펌프가 지속적으로 동작하여 Vout(13)을 지속적으로 상승시킨다. 그러나 반대로 Vref(11)가 Vdiv(12)보다 낮게되면 비교기의 출력은 논리 0이되고 이것은 전압구동 발진회로의 구동을 중지시킨다. 결국 발진은 일어나지 않게되고 차지펌프회로는 펌핑동작을 중지하게 된다. 이것은 결국 Vout(13)을 떨어뜨리는 효과를 가져다 준다. 이결과는 다시 비교기의 출력을 반전시킴으로서 상기의 두 동작이 지속적으로 반복되며 고전압을 유지시켜주는 것이다.

도 2에는 이러한 전압강하를 가능하게 하기 위한 회로구성이 나타나 있다. 도 2에 나타난 바와 같이 N 채널 모오스트랜지스터의 드레인과 게이트를 연결하여 마치 저항을 직렬연결한 것과 같은 효과를 가져다 줌으로서 적당한 위치에서 출력단자(24)(25)를 끄집어 낸다. 즉 차지펌프에서 만들어진 고전압을 분할함으로서 비교기의 +단으로 입력되는 Vref와 비교할 수 있는 전원을 만들어 내는 것이다. 이를 이용할 경우 다양한 출력을 만들어내기 위해 저항 각단에서 적당한 출력을 만들어내면 될 것이다. 도 2에 나타난 바와 같이 출력단자를 (24)에서 뽑게 되면 (25)에서 뽑는 것에 비해 높은 비교전압이 출력될 것이다.

도 3에는 전압구동 발진회로는 입력되는 전압의 크기에 따라 주파수가 변화되는 클럭을 출력하는 회로가 나타나 있다. 그림에서 나타난 인버터의 내부구성의 N 채널 트랜지스터(33)(34)와 P 채널 트랜지스터(31)(32)으로 구성되어 있다. 이러한 인버터를 홀수개를 연결하고 그 출력을 다시 입력단으로 귀환시키면 발진이 일어난다. 마지막 단에 연결된 인버터(35)는 단순히 버퍼 역할을 하는 것이다.

VCO 입력단에 위치한 N 채널 트랜지스터(36)의 입력단의 전압레벨에 따라 발진주파수가 결정된다. 도 4는 입력전압의 크기에 따라 전압구동 발진회로의 출력주파수의 변화를 보여주는 시뮬레이션 결과이다. 그림에 나타난 것처럼 입력전압이 높을수록 출력 주파수가 빨라지는 것을 알 수 있다.

도 5에는 캐스코우드형 비교기의 회로도가 나타나 있다. 비교기(50) 블럭에서 두 입력전압을 비교하며, Vdiv(12)가 Vref(11)보다 적으면 비교기(50) 출력이 온되어 전압구동 발진회로로 들어가고, 주파수가 높은 클럭이 출력되어 차지펌프의 출력전압이 원하는 특정전압까지 빨리 증가한다. 차지펌프의 출력전압 Vout은 다시 분할 회로 블럭의 입력으로 들어가고, 비교기(50)에서는 계속해서 두전압을 비교한다. 차지펌프의 출력전압 Vout이 원하는 특정전압만큼 증가하면 Vdiv와 Vref의 전압이 같아지고 비교기(50) 출력이 어프 된다. 따라서 전압구동 발진회로는 더 이상 동작하지 않게되고 클럭이 발생되지 않으므로 차지펌프에서는 일정한 출력전압 Vout 전압을 유지하게 된다. 캐스코우드형의 비교기는 한 스테이지를 이용해서 충분한 이득을 만들기에 적합한 오피암프이기 때문에 사용되었다. 한 단으로 충분한 이득을 만들어 내기 때문에 시스템의 안정에 크게 기여한다.

도 6은 차지펌프 블록중의 한단을 나타낸다. 위의 회로를 연결한 단수에 비례하여 출력전압이 증가하게 된다. 차지펌프 회로는 다수개의 부스트회로들(60)이 직렬연결되어 있다. 각 부스트회로(60)들은 2개의 N 채널 모스트랜지스터(61)(63)와 2개의 P 채널 모스트랜지스터(62)(64)로 구성되어 있으며, 각 부스트회로에 인가되는 클럭은 clk(65) 과 clkb(66)로서 서로 교차되어 인가되는 겹치지 않는 클럭이다. 각 부스트회로는 교차되어 인가되는 클럭을 제외하고 동일한 구성으로 이루어져 있다.

clk(65)이 하이인 동안에는 각 부스트회로의 NT2과 clkb(66)가 인가되는 PT1이 온되고, NT1과 PT2는 어프된다. 이러한 동작으로 인해 clk이 온되는 순간 NT2에 의해 전단의 인가된 전압이 C2(68)를 충전시키는 동안, C1(67)은 방전되면서 다음단에 연결된 부스트회로에 전하를 이동시키게 된다. 이러한 동작은 매번 클럭이 교차되면서 다음 단으로 진행되기 때문에 출력 Vout의 전압은 증가하게 된다.

차지펌프 회로는 각 단이 N 채널 모스트랜지스터와 P 채널 모스트랜지스터로 구성되어있다. P 채널 모스트랜지스터는 각기 분리된 N-Well에 위치하게 함으로서 문턱전압의 상승에 의한 부작용을 제거하도록 설계되었다. 각 단의 전압과 기판간의 전위차에 의한 문턱전압을 고려하지 않아도 되기 때문에 출력단의 전압이 연결된 단수에 비례한 전압이 생성되며, 문턱전압에 따른 전압누수현상이 없기 때문에 적은수의 단수를 사용해도 높은 전압을 생성할 수 있다.

이러한 부스트회로가 다수개 연결되게 된 장치가 차지펌프이다. 따라서 차지펌프의 출력은 장치에 입력된 인가전압에 비해 월등히 높은 전압을 생성할 수 있다. 전압의 크기는 인가되는 클력의 주파수와 단수에 비례하기 때문에 설계자의 의도에 따라 적당히 조절하면 된다. 단, 지나치게 높은 전압이 발생되는 경우에는 옥사이드나 정션 블랙다운 현상이 발생하여 실리콘이 터지게 된다. 따라서 지나치게 높은 전압의 발생을 피해야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와같이, 본 고안은 차지펌프를 이용한 고전압 발생장치로서 여러개의 고전압을 발생시킬 수 있는 효과가 있다.본 고안을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만,이하의 실용신안 등록 청구의 범위에 의해 마련되는 본 고안의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 다양하게 개조 및 변화된 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.

Claims (5)

1. 차지펌프를 이용한 고전압 발생 장치에 있어서,

   차지펌프의 출력전압과와 기준전압을 비교하는 비교수단;

   상기 비교수단에 의해 판별된 결과에 따라 차지펌프에 계속 구동 펄스를 인가할 것인지 중지할 것인지를 결정하는 판별수단;

   상기 비교수단의 입력단에 들어가는 구동회로의 출력단을 분할하는 분할수단;

   상기 비교수단의 출력 결과에 따라 발진 주파수를 가변시키는 전압구동 발진수단;

   상기 전압구동 발진수단에 따라 발생하는 클럭을 이용하여 차지를 펌프하는 구동수단; 및 상기 구동수단을 다수개 연결하여 전압을 상승시키는 차지펌프를 구동하는 실리콘에서 제작된 고전압 발생장치.
2. 제 1 항에 있어서, 판별수단은 실리콘으로 제작된 폴디드 캐스코우드형 비교장치로 구성된 것을 특징으로 하는 고전압 발생장치
3. 제 1항에 있어서, 분할수단은 다이오우드로 구성되어 차지펌프 회로의 고전압 출력을 비교기의 한쪽 입력단으로 들어갈 수 있을 정도로 충분히 낮추는 제어기능이 있는 것을 특징으로 하는 고전압 발생장치
4. 제 3항에 있어서, 분할수단은 각기 저항의 위치에 따라 다양한 기준전압을 생성할 수 있는 것을 특징으로 하는 고전압 발생장치
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