TW201001888A - Charge pump with Vt cancellation through parallel structure - Google Patents

Description

201001888 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體而言係關於電 M ^ 何泵領域，且更特定而古， 係關於用於消除泵中-核 R T —極體之臨界電壓之技 【先前技術】 電何果使用一切拖讲和十t 刀換過耘來提供一大於或小 電壓之DC輸出電塵 。 輸入 为又而§ ，一電荷粟脾且女 器，該電容器耦合至 — hi Μ 容 時脈半循環（充雷主β „ 開關在—個 電+循％)期間，該電容器 入以便充電至輸入雷厭如方 砰祸口至該輸 期間，已充電電容= 時脈循環(傳送半循環: 谷益與輸入電壓串聯耦合以 於輸入電壓位準之耠 更扣仏一兩倍

1Β中。在圖㈣，蔣、程圖解說明於圖1AA ，電谷器5與輸入電壓v並撕阳要、 解說明該充電半猶環 -鸟配置以圖 在圖〗8中，將已充電雷交哭 輸入電壓串聯配置 电罨谷器5與遠 ,Β中所見，已充a 代牛循％。因此’如在 2、。 ％電容器5之正極端子相對於接地將係 電荷果用於許多背景 兴 ^ 其他非揮發性記憶 + °電荷泵用作快閃及 生許多所需之周邊電路以自一較低電源電塵產 电屢（例如，程式化或捧除雷厭、s 技術中已知若干办4 h除電壓）。此項 _订果之设计（例如，習用夕rv 1 j丨 泵）。但鑒於對雷y b用之Dickson型 守果之普遍依賴，需要拉綠并ή右 計，特別係在儘量诘， 〃叾要持續改良泵之設 【發明内容j 檟里及泵之效率方面。 I40073.doc 201001888 本發明閣述-種用於產生一輸出電壓之電荷果 電荷系包含—輸出產生區段及一臨界電Μ消除區段，其;： 此等區段具有相同結構，該結構 、 收-第-時脈信號且提供一第一輸：：二一分=其接 接收一第二時脈信號且提供m該第 及該第二時脈信號係非重疊的。該電料電路亦包^ 及第二電晶體，其中分別透過該第-電晶體及該第二電曰

體連㈣輸出產生級之該第—輸出及該第二輪出，以提: 該電荷泵之輸出電壓’且其中該臨界電壓消除級之嗜第一

輸出及該第二輸出分別連接至該第一電晶體及該第I電晶 體之控制閘極。 SB 本發明之各種態樣'優點、特徵及實施例包含於下文對 本發明之例示性實例之說明卜該說明應結合附圖一起閱 讀。出於各種目的’本文所參考之所有專利、專利申請 案、論文、其他公開案、文樓及事件之全文皆以此引用方 式併入本文中。就所併入之公開案、文檔或事件中之任一 者/、本申吻案之間存在術語之定義或使用之任何不一致或 衝突而言，則應以本申請案之定義或使用為準。 【實施方式】 此處所呈現之技術廣泛適用於供消除用以防止在泵級之 後發生電荷逆流之開關（在先前技術中，通常實施為二極 體）之臨界電壓使用之各種電荷泵之設計。在下文中，說 明將主要基於使用一倍壓器型電路之一例示性實施例，但 該等概念亦可應用於其他泵設計。 140073.doc 201001888 通常可在（舉例而言）Pan及Samaddar、McGraw-Hill， 2006之「（Charge Pump Circuit Design電荷泵電路設計）」 或可在網頁「www.eecg.toronto.edu/~kphang/ecel371/ chargepumps.pdf」上查到之多倫多大學電及計算機工程學 院之 Pylarinos 及 Rogers 之「Charge Pumps: An Overview(電 荷泵：一概述）」中找到關於先前技術電荷泵（例如， Dickson型泵及電荷泵）之更多資訊。可在以下專利及申請 案中找到關於各種其他電荷泵態樣及設計之其他資訊：第 5,436,587 ' 6,370,075 ' 6,556,465 ' 6,760,262 ' 6,922,096 及7,135,910號美國專利；以及申請於2〇〇4年5月10日之第 10/842,910號、申請於2005年12月6曰之第11/295,906號、 申凊於2005年12月16日之第11/303,387號、申請於2〇〇6年7 月31日之第11/497,465號、申請於2006年9月19日之第 1 1/523,875號、兩者皆申請於2〇〇7年8月28曰之第 11/845,903及1 1/845,939號以及兩者皆申請於2〇〇7年丨之月12 曰之第1 1/955,221及11/995, 237號申請案。

泵區段201通常將具有交又耦合 IJ獲侍所期望的Vout 之元件’例如，下文 140073.doc 201001888 例所進行之闡述。(雖然在某些用法 Ί二」 區段2〇1，但當包含-調節器時，- 电5τ’通常用來指泵部分201及調節器2〇3兩者。） 圖=示-習用Dick_型電荷果之一 2級、2分支版 本，其在左邊接收Vcc作為其輸入電壓且在右邊自立產生 1出電壓。頂部分支具有一對電容器303及3〇7, A中頂 ，板沿該分支連接且底部板分別連接至非重疊時脈信號 K1及⑽（例如，圖3B中所示之信號）。電容器303及 3们連接在電晶體3()1、3()5錢9之串聯之間，該等電晶體 皆係經連接以保持電荷不逆流至左邊之：極體。底部分支 由電晶體3H、315及319及電容器313及317構成該等電 晶體及電容器以與頂部分支相同之方式配置，但其中時脈 係相反的，因此該兩個分支將交替地驅動輸出。 雖然將圖3A中之該等電晶體連接以用作二極體，但在跨 越電晶體中之每-者將存在—電壓降之意義上，其並非係 理想二極體。在此等電晶體中之每—者之沒極與源極之間 將係-電壓降Q當不存在電流流動時’此電屋降將係電晶 體之臨界電壓vt且當存在電流時此電壓降係Vt+AVds，其 中額外汲極-源極電壓降可隨著電流增加成比例地變為相 當大。因此，此等電壓降將使一真正電荷泵之輸出電壓減 少為低於理想化電荷泵之輸出電壓，如以上在先前技術中 關於圖1A及1B所論述。 已知克服此電壓降之各種方法。舉例而言，可增加每一 分支中之級之數目以恰好用泵將電壓提升得越來越高且後 140073.doc 201001888 續級可用以消除臨界電壓。另一實例可係四相位vi消除方 案。然而，此等先前消除技術具有一類或另一類限制。舉 例而<3增加級之數目導致所需佈局面積及功率消耗兩者 之增加此外，由於串聯中之每一後續電晶體皆經受較高 電壓，因此其相應電壓降變得較高且每一級中之增量增益 對應地變少。在四相位％消除方案中，㈣匹配及佈線 (routing)所致可難以控制所使用之時脈偏移。 替代地，此處所呈現之技術藉由引入具有與電荷栗之供 心輸出之主區&相同之結構之臨界電壓消除區段來消除臨 界電壓。在主區段中，代替使用經連接作為二極體之電晶 體，臨界電壓料級制來自主區財其正崎鏡射之區 段之輸出來控制電晶體。將使用基於倍屢器型電荷栗之例 示f生貫把例對此進行圖解說明，已發現該倍壓器型電荷果 特別用作有效低電壓輸出電荷泵，其中在此實例中，目的 係自2.5伏之輸入電壓產生*伏之目標輸出。 更具體而言，藉助 助VCC — 2.5伏之輸入電壓來產生能夠遞 送2 mA輸出電流之4伏輸出供應，藉助最小輸入電流w及 面積要求及良好功率效率受龍戰。通常，圖3A及紙 此類mckson泵係一電荷泵之基本架構；然:而對於此等類 之值，臟麵栗具有相對大之模具大小、較高ι“消耗及 較低效率。-般Vt消除方案難以應用於此等架構。如以上 所述，此等方案通常蕻抽_ 9 ckson泵藉由升高至高於4伏以 滿足設計要求及克服較高内部阻抗來實施。 圖4A顯示例示性實施例。主㈣段或輪出泵區段提供用 140073.doc 201001888 以驅動負載之輸出且 址仏 〃、有—倍壓器之結構。向兩個分支提 仏輸入電壓Vcc且該輪入雷 L 電壓在第一分支中透過電晶體401 到達郎點N1且在第二八士丄a 一刀支中透過電晶體4〇3到達節點Ν2 〇 然後，附接此等電晶艚φ + — v , 體中之母一者之控制閘極以接收另一 为支上之電壓，其中4〇 υ3之閘極附接至節點川且4〇1之閘極 附接至Ν2。該等節點中 . Τ疋母—者亦耦合至一電容器，分別 為由時脈信號CLK1驅#^„ 之電谷1§ 405及由時脈信號CLK2 驅動之電容器407。哕笠Β主t X 寺脈^號又為非重疊時脈，例如 圖4B中所示。可以已 方式中之任一者產生該等時脈信 …二於時脈父替’因此每一分支之輸出將自節點川及 2又替地（理想地）提供雙倍輸出電壓，然後該等電壓經組 合以形成系輸出。 為防止電荷自輸出逆流至系中，節點m及N2透過電晶 體421及423分別連接至輸出。在一典型先前技術配置中，

此等兩個電晶體將連接作為_ ^ ^ .. B 妖V马一極體，其控制閘極經連接亦 分別接收N1及N2上之雪厭。姑.I _ 萆壓，、，、' 而，此將導致上述一類電 壓降替代地，引入一臨界電壓消除區段（如在圖从之左 侧所示）以為此等輸出電晶體4 2 i及4 2 3供應控制閘極電 壓。 一該’除區段具有相同結構及輸出區段且鏡射其功能。 一第一分支包含電晶體411及電容器415且一第二分支包含 電晶體4"及電容器417，其中每一分支中之電晶體之控制 閘極交又耦合至另一分支之輸出節點。臨界消除級之每一 分支之輸出用來驅動輸出區段中對應分支之輸出電晶體： 140073.doc 201001888 消除區狀節點N11用於電晶體42i之控制閘極電壓且消除 區&之即點N22用於電晶體423之控制閘極電壓。由於消除 區&中之電容器與其在輸出區段中鏡射之相同元件一樣時 料時’ S此當輸出區段之節點m為高時，消除區段中之 郎點Nil亦將為高，以使得電晶體42ι導通且輸出電壓通 過’ N1及Nl 1將類似地同時為低，以使得42丄關斷以防止 電荷逆流。節點N2、N22及電晶體423功能類似。 儘管此處針對基於—倍㈣之系設計進行闡述，但用於 臨界消除之此類配置可用於其他電荷栗類型。更一般而 言：當與其他設計一起使用日寺’除將係以與平常相同之架 構形成之輸出區段之外，；萝肢— J山L_仅惑外，還將存在一以相同結構形成之電 m /肖除區&。在主輸出區段中’通常經連接作為二極 體以自逆流充電之電晶體現將使其控制間極連接以被設定 為來自電壓消除區段中之經鏡射節點之電壓。舉例而言， 返回至圖3A’採用所示咖_系作為輸出區段，還將包 含相同結構之電壓消除級（去掉電晶體3〇9及3 19，該等電 晶體充當圖4A中之421及423之角色）。消除級上的電容器 307之頂部板之等效位準將控制電晶體3〇9之閘極，電容器 303之頂部板之等效位準將控制電晶體3〇5之閘極，且對於 另一分支亦如此。 應注意，儘管輸出區段及消除區段具有相同結構，但電 路之各種經鏡射元件不需要具有相同大小’此乃因輸出級 之元件需要驅動電荷纟之負冑，而；肖除之彼等元件僅驅動 某些控制閘極。返回至例示性實施例，電晶體4〇]及4〇3及 140073.doc •10- 201001888 電容器405及407需要向應用提供充分輸出(例如，4伏及2 毫安）。相反，電晶體411及413及電容器415及Μ?僅需要 向電晶體421及423之控制閘極電壓提供充分輪出。舉二而 言，若消除級中之電晶體需要經大小確定為僅係其在輸出 級中鏡射之元件之大小的十分之一或二十分之一。 與基於-Dieks。味之典型先前技術設計相比，已發現 圖4A之例*性實施例具有達成目標值（藉助^ v之一輸入

電壓產生™2毫安之輸出)之更高效率。更具體而言， 使用-倍壓器用於主級及vt消除級兩者在消耗小於观之 輸入電流dec)之情況下將產生大約兩倍之效率。面積效率 亦改良，此乃因倍屋器型設計可用較少級提供該等值，該 等較少級產生大約為習用DieksGn泵之面積效率要求概之 面積效率要求。 此處所呈現之方案亦具有若干其他優點。不同於其他心 消除技術’不存在對用以消綠之主輸出區段級之要求， 此乃因、;肖除區段可處置此。Μ存在對複料脈相位或偏 移之依靠’此乃因兩個m彼此協調地運作。額外地， 針對兩個區段使用相同結構導致更佳且更容易之佈局匹配 及系時脈之時脈偏移匹配。特定而言，簡單設計及簡單佈 局要求係明顯的實際優點。 圖5至圖7可幫助圖解說明作為低輸出電壓果之例示性實 施例之效率。圖5顯示例示性實施例對一習用泵設計之輸 au-v曲線之比較。如所顯示，倍壓器理論上可使輸入電 壓加倍（此處Vcc=2.5)達到5 V最大。㈣範圍通常將係針 140073.doc -11- 201001888 對4.5 V或更小之電壓，此乃因該設計在3 ^ v之間特別 有效。為自相同輸入達成更高輪出，圖4八之μ 級之數目。 可擴大其 圖6顯示例示性實施例對—習用$設計之輸出〜咖） 對V〇Ut曲線之比較。在vout=4 %，例示性實施例之功率 效率高於一習用泵之效率之兩倍。 請示例示性實施例對一習用泉設計之輸出—面 積）對v〇ut曲線之比較。在vout=4%，倍壓器之面積效率 大約為-習用泵之面積效率之兩倍，在較低電 有更佳值。 儘管已參照特定實施例闡述了本發明，但該說明僅係本 發明應用之-實例而不應被視為一限制。因此，對所揭示 實施例之特徵之各種修改及組合歸屬於下文申請專利範圍 所囊括之本發明範_内。 【圖式簡單說明】 糟由查閱下列各圖’可更佳地理解本發明之各種態樣及 特徵，圖中： 糸泛用電荷泵中充電半循環之一簡化電路圖。 系泛用電荷泵中傳送半循環之一簡化電路圖。 圖2係一經調節電荷泵之一最高階方塊圖。 版本及對應的時脈信號 圖3A及3B顯不—習用Dicks〇n型電荷果之一2級、2分支

Jv TX rAr .. . 例 圖4 A及4 B顯示—基於一倍壓器型電荷泵之例示性實施 〇 140073.doc -12- 201001888 圖5顯示例示性實施例對一習用泵設計之輸出I-V曲線之 一比較。 圖6顯示該例示性實施例對一習用系設計之輸出 (Iout/Πη)對Vout曲線之一比較。 圖7顯示該例示性實施例對一習用泵設計之輸出（lout/面 積）對Vout曲線之一比較。 【主要元件符號說明】 5 電 容 器 201 泵 區 段 203 調 Λ-/Γ 即 器 301 電 晶 體 303 電 容 器 305 電 晶 體 307 電 容 器 309 電 晶 體 311 電 晶 體 313 電 容 器 315 電 晶 體 317 電 容 器 319 電 晶 體 401 電 晶 體 403 電 晶 體 405 電 容 器 407 電 容 器 140073.doc - 13 - 201001888 411 電晶體 413 電晶體 415 電容器 417 電容器 421 電晶體 423 電晶體 N1 節點 N2 節點 Nil 節點 N12 節點 140073.doc * 14-

Claims (1)

1. 201001888 七、申請專利範圍： 】· 一種用以產生—輸出電麼之電荷泵電路，其包含. 一輸出產生區段，其具有：一 ^ ^ η 弟刀支，其接收一第 一時脈k諕且提供一第一輸出； 一笙-眭时於咕 弟一刀支，其接收 虎且提供一第二輸出，其中該第一時脈作 號及該第二時脈信號為非重疊； σ 一臨界電塵消除區段，其具有··—第—分支， 該第一時脈信號且提供-第—輸分;，其 ( 接收該第二時脈信號且提供-第二輸出，其中該第一時 齡號及該第二時脈錢為非重疊，其巾該輸^產生區 段及該臨界電壓消除區段具有相同結構；及 第一及第二電晶體，其中分別透過該第一電晶體及 該第二電晶體連接該輸出產生級之該第―輪出及該第二 輸出，以提供該輸出電壓，且其中該臨界電壓消除級之 該第一輸出及該第二輸出分別連接至該第一電晶體及該 第二電晶體之控制閘極。 I 2·如請求項1之電荷泵電路，其中該輸出產生區段及該臨 界肩除區段兩者之該第一分支及該第二分支分別包含一 第及—第二電容器’該第一時脈信號係供應至該第一 電谷盗之一板且該第二時脈信號係供應至該第二電容器 之一板。 3_如5月求項1之電荷泵電路，其中該輸出產生區段之電路 兀件經大小確定而不同於該臨界消除區段中之對應元 件。 140073.doc 201001888 ’其中該等分支農 刀文具有— Dickson 其中該等區段且士 仅具有一倍壓器 其尹對於該等ρ^ 次子^段尹之每一 4_如請求項丨之電荷泵電路 杲型結構。 5.如請求項】之電荷泵電路 型結構。 6.如請求項5之電荷泵電路， 者，該第—分支包括·· 一第—電晶體，其連接 點之間，自該第—輸出：屢：-第-輸出節 接:接收該第—時脈信號之該第其，未連 至5亥第一輸出節點；且 D 板係連接 其中該第二分支包括： a曰曰體’其連接在該輪人電摩與 〜 點之間，自兮笛_认 、第一輸出節 自，亥第-輸出節點提供該第 接以接收該第二時脈偉贫 其中未連 至該第二輸出節點， 益之—板係連接 第i晶體之該問極係、連接至該第 且該第二電晶體之該閑極 μ即黑 7 , ^ 4, 5 , 逻接至。亥第一輸出節點。 7·如印求項6之電荷泵電路，t /、T 6亥L界电壓消除區段之 §亥第一電晶體及該第二電晶 … 电曰曰體纪大小確疋而小於該輸出 00又s亥第一電晶體及該第二電晶體。 8· -種自一輸入電壓產生一輪出電壓之方法，其包括： 在具有第及第二分支的一第一電荷泵區段中·· 接收該輪入電壓； 在該第~分支處接收一第一時脈且自該第一分支自 140073.doc 201001888 該輸入電壓產生一第一輸出； 在該第二分支處接收一第二時脈信號且自該第二分 支自該輸入電壓產生一第二輸出，其中該第一時脈信號 及該第二時脈信號為非重疊； 在具有第一及第二分支的一第二電荷泵區段中，其中 該第一電荷泵區段及該第二電荷泵區段具有相同結構： 接收該輸入電壓； 在該第一分支處接收該第一時脈且自該第一分支自 邊輸入電壓產生一第一輸出； 在該第二分支處接收該第二時脈信號且自該第二分 支自該輸入電壓產生一第二輸出； 將β亥第二電荷泵區段之該第一輸出及該第二輸出分 別連接至一第一電晶體及一第二電晶體之控制閘極；及 “透過該第一電晶體及該第二電晶體分別連接該第一 電何泵區段之該第一輸出及該第二輸出，以自該第一輸 出及°亥第一輸出提供該輸出電壓。 用求項8之方法，其中該電荷泵區段之兩者之該第— :支及該第二分支分別包含-第-及-第二電容器，在 該第電谷器之一板處接收該第一時脈信號，且在該第 一電各器之一板處接收該第二時脈信號。 用求工員8之方法，其巾該第—電荷栗區段之該等電路 牛、二大小確定而不同於該第二電荷泵區段中之對應元 件。 11.如請求項8 、土 之方法，其中該等分支具有一 Dickson泵型結 140073.doc 201001888 構。 12. 如請求項8之方法，其中該等區段具有一倍壓器型結 構。 13. 如請求項12之方法，其中對於該等電荷泵區段中之每一 者，該第一分支包括連接在該輸入電壓與一第一輸出節 點之間的一第一電晶體，自該第一輸出節點提供該第一 輸出，其中未連接以接收該第一時脈信號之該第一電容 器之一板係連接至該第一輸出節點；且其中該第二分支 包括連接在該輸入電壓與一第二輸出節點之間的一第二 電晶體，自該第二輸出節點提供該第二輸出，其中未連 接以接收該第二時脈信號之該第二電容器之一板係連接 至該第二輸出節點，其中該第一電晶體之該閘極係連接 至該第二輸出節點，且該第二電晶體之該閘極係連接至 該第一輸出節點。 14. 如請求項13之方法，其中該第二電荷泵區段之該第一電 晶體及該第二電晶體經大小確定而小於該第二電荷泵區 段之該第一電晶體及該第二電晶體。 140073.doc