TW200837525A - Charge pump for generation of multiple output-voltage levels - Google Patents

Description

200837525 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於積體電路技術。更明確地說，本發明係關 於電荷幫浦並係關於-用於產生多電壓輸出層㈣電荷幫 浦0 【先前技術】

電何幫浦係一電子系統中用以獲得一高於電源電麼 (vDD)的輸出電壓或一負電壓的切換式電容器電路。電荷 幫浦係廣泛地用於許多應用中的積體電路工業，例如功率 IC(integrated cireuit;積體電路）、遽波器、記憶體等。快 閃記憶體裝置在此等應用之中’因為需要高電壓層級來執 行快閃記憶體操作’例如程式化與抹除。此外，由於日益 增加的較低電壓供應要求之趨勢所致，亦需要一高於二 之電壓層級用於快閃記憶體讀取操作。 如圖1所示，傳統電荷幫浦電路10包含一系列幫浦級 12’其數目取決於所要求的電壓增益，以及通常一輸出級 14:如熟習此項技術者將明自’各幫浦級包括電容器、切 換器及驅動|§並係藉由一 ^ 戈夕個時脈信號來控制。電壓倍 曰係藉由適田充電與切換該等幫浦級電容器來獲得 改變該幫浦級之拓撲、切拖順皮楚 曰 、切換順序等可進行獲得電壓倍增的 不同方式。例如，可藉由級聯mcks〇n級或 不同的電荷幫浦。 無論該電荷幫浦$ 从広 乍原理為何，通常需要調節輸出電 £。在此類實例中，如 圖2所不要求一調節器電路16來確 126659.doc 200837525 保該輸出電麼不超過一最大值且不下降至一最小值之下。 …:將電壓調節分成兩個不同類型：脈衝跨越調節與線性 @脈衝跨越藉由僅在輸出幫浦電塵低於—給定值 時致能幫浦時脈並在該輸出幫浦電屢超過此值時抑制時脈 信號來運作。線性調節藉由以一閉環誤差放大器與一傳遞 裝置控制該輸出電塵來運作。此等技術兩者皆係在此項技 術中已知的。 | 圖3八係顯不具有—脈衝跨越調節之-高電塵產生器的方 4圖，該電荷幫浦電路1()係藉由參考數字以的(外部供 應電[)供應並將電荷遞送至連接至該輸出的負載 2〇(CLOA:)。調節係藉由一比較器22完成，其非反相輸入係 耦。至藉由電阻器24與26分割的輸出電壓之一分率％而其 反相輸入係耦合至來自一來源（例如一帶隙參考）之一固定 電壓BGAP。若Vf>BGAp，則比較器22之輸出處的信號 STGP為高而幫浦時脈信號產生器28之輸出係禁止。另一 .方面，若Vf<BGAP，則信號ST〇p為低而時脈信號產生器 28向該電荷幫浦10提供時脈信號，從而致能輸出線v⑽丁處 的電容20之電荷。 圖3B係解說具有線性調節之一高電壓產生器的方塊圖。 同樣’該電荷幫浦係藉由參考數字1〇來識別。在此組態 中，時脈產生器28係始終致能。該線性調節係藉由一放大 器30、一傳遞電晶體32及包括電阻器24與26之一電阻器網 路在一閉環組態中來實施。在脈衝跨越與線性調節兩者 中’調節的輸出係藉由以下等式給出： 126659.doc 200837525 OUT=r*BGAP， 其中r-(R24+R26)/R26。電阻器24與26係可經組態以允許使 用者選擇一特定輸出電壓。 在許多應用中’需要多於—個高電M層級。例如，在快 門^己I·思體中，要求不同的高電壓層級用於程式化、抹除及 讀取操作。此外，在某些快閃記憶體架構中，所採用的所 有驅動器係製造為η通道電晶體以便改良記憶體性能及/或 限制該驅動器石夕面積。在此等情況下，要求要藉由該驅動 器傳遞之一第一電麼並要求高於該第一電虔之一第二電壓 來偏壓該驅動器太|。I / 丰身在十對兩個任務使用相同的電壓不备 導致等於該n通道電晶體臨限電壓的輸出電壓的損失。S 、此係在圖4A與4B中解說，其中針對一快閃記憶體的全η 通道子線驅動益之一範例係顯示採用電晶體切與^。圖4Α 與4Β中解說的驅動器在兩個值之間切換：〇與％(例如❹係 針對未選擇字線，v择#剩^、联 ’' 评予深、係針對選擇的字線）。圖4Α解說針對 該驅動器之-拉升電晶體4〇的一正讀驅動器偏壓，盆中一 電壓V2足夠高以將Vi傳遞至該字線而無電堡損失，而圖4β 解說一非最佳偏壓’其導致等於電晶體4G之臨限值的字線 電壓中之一下降。 ^ 在晶片内部需要數個高電麼層級的此類應用中，採用複 數個電荷幫浦H)來產生要求的電壓％、Μ%，如圖Μ 所示。或者，如圖5B所示’可使用一單一電荷幫浦1〇來獲 :寻要求的最高電⑽)而其他電虔V2”3可從麵合至心 荷幫浦輸出的如圖3B所示之線性調節器16獲得。在後一情 126659.doc 200837525 =使用多個線性調節器)中，效率的下降 線性調節器皆從該幫浦輸出電麼沒取電流。 α為各 【發明内容】 依據本發明之一態樣，一 盥各鈐山中阵a 订絮庸系構具有η個幫浦級 “麼層級。-第-輪出電屢V,係藉由第1個幫 浦級之倍增與一第一輸出級而 個幫 攸Vdd獲仔，而一繁-蕾廢 v2係藉由所有n個幫浦級之 一 9 - 弟一輸出級而從vDD獲 糟由將額外輸出級麵合至該等幫浦級之選擇的幫浦 之複數個電壓的電荷幫浦電路生赵過一供應電壓 群租〜 7¥ 4電路包括H聯電荷幫浦級 庫電一群組中之一第一電荷幫浦級之輸入係由該供 應電堡驅動。一第—輸出級具有一由該第一群組之一最後 電何幫浦級之輸出驅動的輸入與一福合至一第一電屋節點 =出:提供一第二級聯電荷幫浦級群組，該第二群組之 二：荷幫浦級之輸入係由該第一群組之最後電荷幫浦級 輸出驅動。-第二輸出級具有一由該第二群組中的最後 t幫浦級之輸出驅動的輸入與一搞合至—第二電壓節點 的輸出。 依據本發明之另一態樣，一電荷幫浦架構具有η個幫浦 、及與夕輸出電壓層級。一第一輸出電壓％ 個幫浦級之倍增與-第-輸出級而從VDD獲得，而一第： 電壓V2係藉由所有該等n個幫浦級之倍增與-第二輸出級 = VDD獲得。可藉由—獨立的脈衝跨越調節器或線性調 即益來控制各輸出電壓。可藉由將額外輸出級耗合至該等 126659.doc 200837525 f浦級之選擇的幫浦級來提供額外輸出層級。該等n個電 荷幫浦級可全部藉由一單一時脈信號集或由多個時脈信號 集加以控制。 【實施方式】 熱1此項技術者應認識到本發明之以下說明僅係解說性 而不以任何方式限制本發明。本發明之其他具體實施例將 輕易地為熟習此係技術者所瞭解。 用於產生複數個高電遂值的兩個先前技術方法都要求一 相當大的矽面積量與複雜性，因為其針對欲產生的每一電 屢層級來複製電荷幫浦或線性調節器。本發明的目的係克 服此等要求。 本發明根據需要在-單-電荷幫浦中提供多個輸出電壓 並針對各輸出電壓採用不同的調節器方法。本發明將使用 需要兩個正電壓層級V#V2之一解說性範例更詳細地加以 說明。然而1習此項技術者將明白本發明並不限於範例 性具體實_並且可依據本文所㈣的原理提供其他數目 的輸出電壓。 現參考圖6,-方塊圖顯示具有兩個輸出電壓層級的依 據本發明之-解說性電荷幫浦架構5Q。該第_輸出電壓％ 藉由該#第1個幫浦級之倍增而係從％獲得，而該第 二電壓％係藉由所有該等η個幫浦級之倍增而從乂⑽庐得。 因而，幫浦級52使用VDD作為—輸人電壓。幫浦級=輸 出驅動幫浦級54之輸人。幫浦級54之輸出驅動連續的幫浦 級(未顯示），其最後的幫浦級之輸出驅動幫浦級％的輸 126659.doc 11 200837525 入。幫浦級5 6的輸出驅動輸出級$ 8。 幫浦級58之輸出還驅動幫浦級6〇之輸入。幫浦級的之輸 出驅動連續的幫浦級（未顯示），其最後的幫 動幫浦㈣的輸人。幫浦㈣之輸出驅㈣浦級== 入。幫浦級64的輸出驅動輸出級66。可藉由相同的時脈作 號或不同的時脈信號來驅動幫浦級52、54、56u及 64與輸出級58及66 ,如此項技術中已知。 =此項技術中所熟知，在使用一共同四相位邮_電

何幫浦電路的情況下，該等兩個輸出電壓受限於： V1R(m+l)VDD

V2R(n+l)vDD 从依據:發明’可使用不同方法來將該等兩,個輸出電壓調 郎至所需層級。規參^土 r 現參考圖7，可看出可依據本發明使用的 —範例係用以控制义與％兩者的脈衝跨越調節。圖 7中執行與圖6中之類似元件相同的功能的元件將藉由圖6 中使用的相同參考數字來指定。 如圖6之具體實施例，該第一輸出電壓％係藉由該等第 幫浦級之倍增而從Vdd獲得，而該第二電壓义係藉 5亥等η個幫浦級之倍增而從Vdd獲得。因而，幫浦級 52使用VDD作為一輸入電壓。幫浦級52之輸出驅動幫浦級 54之輸入。幫浦級54之輸出驅動連續的幫浦級（未頻示）， =灸的幫浦級之輸出驅動幫浦級56的輸入。幫浦級娜 輸出驅動輪出級5 8。 幫浦級58之輸出還驅動幫浦級6〇之輸入。幫浦㈣之輸 126659.doc -12- 200837525 2動連㈣幫浦級（未顯示），其最後的幫浦級之輸出驅 厂浦級64的輸入。幫浦級64的輸出驅動輸出級“。幫浦 =2、54、56、6G及64與輸出級58及66係藉由相同的時脈 ^唬來驅動，如此項技術中已知。 在圖7所示的具體實施例中，兩個時脈信號集係藉由兩 固脈衝跨越調節ϋ之比較器而獨立地控制。輸出級Μ之輸 出係透過由電阻器7〇與72形成之—分壓器呈現至比較器^ 之非反相輸人。比較器68之反相輸人係、藉由諸如—帶隙參 考之通的翏考㈣來驅動’如此項技術中已知。比較哭Μ 之輸出係-STOP1信號，其在處於—邏輯「―」層輯禁 止-第一時脈產生器電路74，該電路之輸出驅動幫浦級 52 54及56與輸出級58。同樣，輸出級66之輸出係透過由 電阻器78與8〇形成之-分壓器呈現至比較器76之非反相輸 入^匕較器76之反相輸入係藉由諸如一帶隙參考之類的參 考電壓來驅動’如此項技術中已知。比較器76之輸出係一 STOPj信號，其在處於—邏輯層級時禁止—第二時脈 。。電路82，該電路之輸出驅動幫浦級6〇與64及輸出級 66 °熟習此項技術者將明白雖然針對跨越脈衝調節器之比 較器係表示為圖7及以下圖式中之電壓比較器，同樣使用 =路之拓撲中之適當改變，其還可以係實施為電流比較 益1本文之詳細說明&簡化起見假定該等比較器係電壓比 較1§，但本發明並不旨在限於電壓比較器的使用。 若Vl與V2兩者皆低於其個別目標，則信號ST〇Pl盥 STOP2兩者皆為低’從而致能該電荷幫浦電路之所有級= 126659.doc -13- 200837525 幫浦。另一方面，若僅一輸出低於目標，則僅該等兩個 STOP信號之一者為低，從而僅致能第一群組之級的幫浦 或僅致能該第二群組之級的幫浦，其取決於該等兩個輸出 電壓之何者低於目標。 圖8A描述一替代性解決方式。圖8A中執行與圖6與7中 之類似元件相同的功能的元件將藉由該些圖式中使用的相 同參考數字來指定。 圖8A之電路的電荷幫浦部分以針對圖6與7之電路說明的 方式運作。在圖8 A所示之電路中，兩個電壓調節器同時控 制來自時脈產生器84的相同時脈信號集。該等時脈信號係 透過AND閘極86選路至幫浦級52、54及56與輸出級58，其 中比較器68的ST0P1輸出控制AND閘極86的其他輸入。同 樣，該等時脈信號係透過AND閘極88選路至幫浦級⑼與料 及輸出級66，其中比較器76的灯〇1>2輸出控制AND閘極88 的其他輸入。在圖8八之電路中，若該等兩個輸出％或％ 之一者為低，則該等時脈信號係透過AND閘極84與86致能 且該幫浦的所有級都係作用的。輸出級58僅在信號8丁〇1>1 為低（即僅在V】低於目標）的情況下係致能，而輸出級6 $僅 在# 5虎STOP2為低（即V2低於目標）的情況下係致能。否 則’該等時脈信號係停用。 節點Vl與V2之輸出負載電容通常比内部幫浦節點之輸出 負載電容高得多。在其個別輸出級係開啟時，此避免％與 V2明顯上升超過調節的值。然而，若需要，可如此項技術 中已知來添加額外的電路以恢復較小的過衝。圖8 A之電路 126659.doc •14- 200837525 避免若採用兩個不同時脈信號產生器與驅動器集則會使用 的晶粒區域。 現參考圖8B，顯示圖8A中呈現的電路之一替代電路。 圖8B之電路的電荷幫浦部分亦以針對圖6與7之電路說明的 方式運作。 圖8B所示之電路採用連接於輸出級58&vp2與高電壓線 V!之間的切換器88與連接於輸出級66與高電壓線％之間的 切換器90。在此情況下，輸出級58與66係藉由來自時脈產 生1§84之時脈信號來控制，但切換器88僅在ST〇pi==〇時連 接乂1與輸出級58而切換器SW2僅在STOP2 = 0時連接V2與輸 出級58。若STOP1與STOP2兩者都為真，則該時脈產生器 8 4係藉由AND閘極停用。此發明之變更亦可行。 在某些應用中，僅該等兩個高電壓之一者（例如v〇需要 受精細調節而另一高電壓（例如VO必須高於一特定值 ν〗+Δν但必須不超過一最大值vmax。此係特徵為一全 NMOS驅動器電路之快閃記憶體裝置中的典型情況。 圖9顯示用於執行此功能的依據本發明之一範例性電荷 幫浦。圖9之電路的電荷幫浦部分亦以針對圖6與7之電路 說明的方式運作。 在圖9中描述的電路中，該高電壓線V〗係透過一傳遞電 晶體94連接至輸出級58。比較器68與電阻分壓器網路7〇與 72係連接以形成一傳統脈衝跨越調節器。比較器76感測電 壓V2並將其與νι+Δν進行比較。 若信號STOP2為低（即ΥγνβΔΥ)，則AND閘極92的輸出 126659.doc -15- 200837525 為低且該等時脈信號係啟動以致能所有級上之幫浦而與信 號STOP1之值無關。在此情況下，若ST〇P1為低（即若％低 於目標），則傳遞電晶體94係藉由OR閘極96之反相的輸入 開啟且Vi係連接至輸出級58之輸出。另一方面，若STOP1 為高（即Vi高於目標），則傳遞電晶體94係藉由〇R閘極96之 • 反相的輸入關閉且高電壓線V!係從輸出級58之輸出斷開。 • 若信號STOP2為高，則該傳遞電晶體94係藉由〇R閘極％之 非反相的輸入開啟且該等信號係藉由STOP1經由AND閘極 92控制。為確保該電壓％不超過一最大值ν_χ，選擇滿足 以下關係的級之數目便足夠： △v<(n_m)vDD<Vmax_Vi 如熟習此項技術者將明白，若需要，可將額外電路添加 至本文所不的所有電路以恢復由於切換活動所致在高電壓 線上產生的較小過衝。 本發明避免會導致所佔據矽面積增加的複製電荷幫浦電 • 路或線性調節器電路的需要。本發明允許針對一單一電荷 幫/爾電路的夕於一個輸出。可使用各控制一不同幫浦級群 • 、的脈衝跨越15來調節不同的輸出。替代性實施方案 使用單一時脈信號集，因此同時致能所有幫浦級。 ’ ㈣已顯示及說明此發明的具體實施例及應用，但是孰 習此項技術者應明白可 …、 運仃比上述更夕的修改，而不脫離

冬文創造的槪冬。阳L 概心因此，除隨附申請專利範圍之精神 外’本發明不受限制。 【圖式簡單說明】 126659.doc 200837525 圖i係一典型先前技術電荷幫浦 J帛/南電路的方塊圖。 圖2係一典型先前技術調節 电經產生盗的方塊圖。 圖3A係解說具有一脈衝跨越 # ^ 周即态之一典型先前技術電 荷幫浦的圖式。 圖3B係解說具有一線性調節 浦的圖式。 器之一典型先前技術電荷幫

圖4A與圖㈣解說在最佳偏壓與具有非最佳偏麼條件 下之一先前技術全NMOS字線驅動器的示意圖。 圖5A與圖5B係分別解說針對使用多個電荷幫浦的晶片 =部之多個高電壓產生與具有多個線性調節器之—單一電 荷幫浦的先前技術解決方式的方塊圖。 圖6係具有兩個輸出電壓層級的依據本發明之一解說性 電荷幫浦架構的方塊圖。 圖7係具有兩個獨立脈衝跨越調節器的依據本發明之一 解說性電荷幫浦架構的方塊圖。 圖8A係具有藉由比較器控制輸出級的具有兩個輸出電壓 層級與一單一幫浦時脈信號集的依據本發明之一解說性電 荷幫浦架構的方塊圖。 圖8B係具有藉由幫浦時脈信號控制輸出級及藉由比較器 控制之額外切換器切換之輸出電壓的依據本發明之一解說 性電荷幫浦架構的方塊圖。 圖9係針對一全NM0S記憶體驅動器應用的依據本發明之 一解說性電荷幫浦架構的方塊圖。 【主要元件符號說明】 126659.doc 200837525 10 電荷幫浦電路 12 幫浦級 14 輸出級 16 調節器（電路） 18 vDD/外部供應電壓 • 20 負載/電容 • 22 比較器 24 電阻器 • 26 電阻器 28 幫浦時脈信號產生器 30 放大器 32 傳遞電晶體 40 電晶體 50 電荷幫浦架構 52 幫浦級 • 54 幫浦級 56 幫浦級 58 輸出級 ’ 60 幫浦級 • 62 幫浦級 64 幫浦級 66 輸出級 68 比較器 70 電阻器/電阻分壓器網路 126659.doc -18 - 200837525 72 電阻器/電阻分壓器網路 74 第一時脈產生器電路 76 比較器 78 電阻器 80 電阻器 82 第二時脈產生器電路 84 時脈產生器 86 AND閘極 88 切換器 90 切換器 92 AND閘極 94 傳遞電晶體 96 O R閘極

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Claims (1)

1. 200837525 十、申請專利範圍： 1· 一種用於產生超過一供應電壓之複數個電壓的電荷幫浦 電路，且其包括： 一第一級聯電荷幫浦級群組，該等級聯電荷幫浦級各 具有一輸入與一輸出，該第一級聯電荷幫浦級群組之一 第級聯電荷幫浦級之該輸入係由該供應電壓驅動，該 ， 第級聯電荷幫浦級群組之各連續級聯電荷幫浦級之該 #人係由該第-級聯電荷幫浦級群組之前級之輸出= 響 動； 一弟-輸出級，其具有-由該第—級聯電荷幫浦級群 組之：最後級聯電荷幫浦級之輸出驅動的輸人與_麵合 至一第一電壓節點的輸出；

   2· π —、、久，电啊；爾級鮮組，該等級墦 具有-輸入與一輸出’該第二級聯電荷“双砰组之 第-級聯電荷幫浦級之該輸入係由該第'級聯 級群組之該最後級聯電荷幫浦級之該輸出驅動 級聯電荷㈣輯組之各連續級聯電荷幫 = :由::二級聯電荷幫浦級群組之該—: 之輸出驅動的輸入與 弟一輸出級，其具有一 組之一最後級聯電荷幫浦級 至一第二電壓節點的輸出。 〜电何幫浦電路，1中兮笙仏山_ ^ , 具〒泛寺輪出節點夕 者係透過一脈衝跨越電壓 ”、、之 电緩凋即态耦合至其輪出級， 126659.doc 200837525 3·如請求項1之電荷幫浦電路，其中嗲辇 ^ /、r礅等輸出節點之至少 -:係透過一線性電壓調節器耦合至其輸出級。 4·如請求項1之電荷幫浦電路，直中用於p… ，、T用於刼作該第一群組 二亥等電荷幫浦級的一時脈信號集係藉由一脈衝跨越 電壓調節器來控制。 5.=請求項！之電荷幫浦電路，丨中用於操作該第二群組 =該等電荷幫浦級的-時脈信號集係藉由—脈衝跨越 電壓調節器來控制。

   6·如請求項丨之電荷幫浦電路，其中： 一單-時脈信號錢作該等第—與第二群組中之該等 電荷幫浦級；以及 、 馬合至該第一輸出級之該輸出的脈衝跨越電壓調節 器控制時脈脈衝集對該第—輸出級的提供。 如請求項1之電荷幫浦電路，其中： 一單-時脈信號集操作料第一與第二群組中之該等 電荷幫浦級；以及 。耦a至該第一輸出級之該輸出的脈衝跨越電壓調節 器控制該時脈脈衝集對該第二輸出級的提供。 8_如請求項1之電荷幫浦電路，其進一步包括： :脈產生器’其將一單一時脈信號集耦合至該等第 /、第一群組中之該等電荷幫浦級與該等第一與第二輸 出級，該時脈產生器具有一停用輸入； =弟-切換器，其係_合於該第—輸出級與該第一輸 出節點之間並具有一控制元件·， 126659.doc 200837525 -第二切換器，其係耦合於該第一輸出級與該第一輸 出節點之間並具有一控制元件； 价 匕較器其係輕合至一參考電壓並透過一分壓 器耗合至該第一輪出節點，該第一比較器具有搞合至該 弟-切換器之該控制元件的一輸出； 。奸比較器，其係輕合至一參考電壓並透過一分壓 器搞合至該第二輸出節點，該第二比較器具有耦合至該 弟二切換器之該控制元件的一輸出；以及 一 # AND閘極’其具有輕合至該第—比較器之該輸出的 -弟-輸入、耦合至該第二比較器之該輸出的一第二輸 入及耦合至該時脈產生器之該停用輸入的一輸出。 9.如請：項1之電荷幫浦電路，其進-步包括： 一：脈產生器，其將—單一時脈信號集耦合至該等第 _第一群組中之該等電荷幫浦級與該等第一盥第二輸 出級，該時脈產生器具有一停用輸入； /、 一， 切換為，其係耦合於該第一輸出級與該第一輸出節 點之間並具有一控制元件； 二-比較器’其係輕合至—第—參考電壓並透過— 分壓器耗合至該第一輪出飭 $翰出即點，該弟-比較器具有-輸 出， :第：比較器’其係輕合至一第二參考電壓並搞合至 該弟-輸出節點’該第二比較器具有—輪出； 一 AND閘極，其且有親人 斤认 有#口至該弟一比較器之該輸出的 -弟-輪入、輕合至該第二比較器之該輪出的一第二輸 126659.doc 200837525 反相 入及耦合至該時脈產生器之該停用輸入的一輪出；以及 一 OR閘極，其具有耦合至該第一比較器之該輪出的 非反相的輸入、耦合至該第二比較器之該輸出的 的輸入及耦合至該切換器之控制輸入的一輸出。

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