TWI229349B - Semiconductor device with a negative voltage regulator - Google Patents

Description

1229349 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明提供-種具有負電壓穩壓電路（negative ν〇ι_ regulator)之半導體猶，尤指—種具有—使用三重井(响心呢⑴ 金屬氧化物半導體(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)電晶體，用來 將一負電壓穩壓後輸出之負電壓穩壓電路之半導體元件。 【先前技術】 目前市面上之各種電子產品中，常常會使關穩壓電路來執行電壓 調整的工作，並提供穩定的電壓予設置於穩壓電路外部之元件。為了 提供穩定的電壓，增加電路元件之穩定性及確保電子裝置之性能，各 界皆提出許多不同的懸之輯，例如Tanzawa等人提出匕的耶

Patent 6,600,692, Semiconductor Device with a Voltage Regulator” 。 一般說來，大部份的電路皆需要將電壓升壓或偏壓在一較高之正電 壓（positive voltage)以使得電路有較好之效能。然而，仍然有= 份電路需要使用負電壓（negative v〇itage)，例如像是現代資訊產 品中極重要的非揮發性記憶裝置：電性可抹除唯讀記憶體 (electrical erasable programmable read only memory, EEPROM)及快閃記憶體（fiash memory)，當快閃記憶體於清除 所寫入的資料時，即需要用到負電壓。然而，目前各界對於穩壓 電路之研究與發明皆集中專注在正電壓之穩壓方面，關於負電壓之穩 壓技術則並無充足之演進，如上述us Patent 6, 6〇〇, 692,

Semiconductor Device with a Voltage Regulator” 所提出之穩壓 電路即不適用於負電壓之穩壓。一般來說，電路中常以一負電充電電 路(negative pump)來產生一負電壓。請參考圖一。圖一為一習知負電 1229349 壓產生電路100之示意圖。110為一振盪器，12〇為一負電充電電路。 振盪器110將其輸出輸入負電充電電路12〇，再由負電充電電路輸 出一負電壓Vom。請參見圖二。圖二為一習知負電壓穩壓電路之示 意圖二負電壓穩壓電路200中包括一及閘230，一分壓單元24〇以及二 比較态250。Vre⑵與Vref22為二參考電壓，R21與敗2為二分壓電阻。相 較於圖一中V°UT1之未經穩壓，分壓單元240以分壓電阻R21與R22將負 電充電電路’之輸出卩，與v_分壓，再將此分壓產生之電壓 比25〇與參考電壓“相比較，·比較器250之輸出與振 盧為210之輸出一起輸入及閘23〇，及間23〇之輸出再輸入負電充電電 路220如此开^成一穩壓迴路，ν〇υτ2即為一經穩壓之負電壓輸出 (regulated negative output voltage)〇 、 求高效能的電路來說，圖二令之f知負電壓穩壓電路200 可^二下亚理想。圖二中習知負電壓穩壓電路綱運作的情形 使°9^ _之準位低於目標準位時，迴授電壓％會被拉低而 出射之輸出為數位G (低準位），如此將使得及閘230之輸 210 拉言而蚀/曰以丄⑽、田V〇LT2準位向於目標準位時，迴授電壓V丽會被 之幹出^25G之輸出為數位1(高準位），如此將使得及閘230 之比彳述之迴她壓方式受限於比較器25G以及及閘230 之比較轭圍，類似為一數位式 大之準位触，’使細1碰之仍有偏 …去充h滿足舄要使用負電壓之電路。 【發明内容】 種具有負電壓穩壓電路之半導 一因此本發明之主要目的在於提供一 體元件，以改善上述問題。 1229349 根據本發明之申請專利範圍，係揭露一種具有負電壓穩壓電路 negative voltage regulator)之半導體元件，其包括一負電壓穩壓 電，，用來將—負輸人電壓(Negative I_ VQltage)穩壓後於二輸 出即點(Output Node)輸出-負輸出電壓(Negative 〇u切此㈣卿）。 ^負電麼穩壓電路包含—驅動單元(dHver)，用來調整該負輸出電 含—第—電晶體，—第二電晶體，—第—節點以及 雨出U其巾4第點電連於—電壓源，以及該輸出節點電連 於^負電壓穩壓電路之輸出操作放大器（卿ati〇nai :V、:ler):其包含；第—接收端，-第二接收端以及-輸出端，分 二 T :¾授 ^Lck Voltage) ’ _參考電壓（Reference 〇 agej以及該第-電晶體’該第—操作放大器係依據該迴授電壓以 及^考電壓以於該輸出端輪出—鶴電壓以控制流經該第—電晶體 2=2二操作放大器，該第二操作放大器包含—第—接收端， 及—輸出端，分別電連於—參考電壓，該迴授電壓以 Λ ΐΓ該第二電晶體’該第二操作放大器係依據該參考電 曰心^ ΐ^以於該輸出端輸出—驅動電壓以控制流經該第二電 電流源（_心〇職），來提供該鶴單元電流， η型!f道三重井(triple—well)金屬氧化物半導體 i首ΓΓ Gr，廳，金氧半）電晶體，其中該二η型 體找極分別電連於該第—電晶體之汲極以及 ΐί Γ及該二η型通道三重井金氧半電晶體之源極 第山η tr相連；以及—分壓單元，包含一第一端點及 ^迴授^，該迴授節點電連於該第_操作放大器之第二 第二接收端，該分壓單元係用來將該電壓源之位準 以及该負輸出電壓分壓以形成續洇柃帝厭^ Τ 1 ^ 授電壓至該第—操作放大器以及該二作放3迴輸出= 該第-電晶體以及該第二電晶體電、$ 叩J^周正控制流經 ^曰曰體之⑽，進而穩定該負輸出電壓。 1229349 【實施方式】 明參閱圖二。圖二為本發明之具有負電壓穩壓電路之半導體元件 300之示心圖30為本發明之負電壓穩壓電路，其由一電壓源穩壓電 路310 ’ 一镇源電路32〇，一分壓單元34〇，一驅動單元(driver)35〇 以及兩個操作放大器361與362所組成。需經穩壓之負輸入電壓 (N哪㈣1叩Ut V〇lt_ 經由輸入節點（I_t Node).輸入負 電，穩壓電路3G，」經負電壓穩壓電路3Q穩壓後於輸出節點(〇咖士 〇 e 輸出經穩壓之負輸出電壓（㈣业㈣此邮^ Voltage) —。330則為本發明之具有負電壓穩 300所包含之-參考電壓產生器（Band細如也），用來產生元件 3〇〇一 :各電路所需之參考電壓（射阶聰她卿），包括如圖三所示 之一參考電壓Vref31與Vref32 〇 二下依序祝關二中本發明之具有負電壓穩壓電路之半導體元件 各部份電路之結構與魏。電壓源穩壓電路係絲於節點 ί 電壓源Vs。電細剩路31G包括—p型通道金屬氧化

^^^(ΜβΙαΙ-ΟχΜβ^χ^αοΙοΓ，MOS 一操作放大器（QperatiQnal —ifier)363。電晶體％以其源極 (source)與讀·之籠源，例如為整個電路之高準位電源^相連， 以，以其雜(drain)電連於節點Ns ;操作放A||細則如圖三所示， 收端分別電連於電晶體P3之沒極(—η)與參考電壓產生器 共之一爹考電壓Vrei31，以及以其輸出端電連於電晶體p3之閘 二(g^e)。電壓源穩壓電路31〇可將電晶體抑之汲極之電壓準位固定 定^之準細獨立於非敎電源 '之影響之外，提供一穩 Γ路娜包含二n型通道三重井⑹Ph⑴金 日體nl細2,電晶體nl細2上所通過之電流呈固定之比例關 ^電日曰體nl與n2之源極與輸入節點Nw相連，而 泣為三重井(tHple-well)金氧半電晶體，因此可以於其汲極與源極連 11 1229349 接負電壓，負輪人電壓VlN3 g卩由電晶體nl與叙源 電路30。分壓單元340係用來將負輸出電壓 之負電壓穩壓電路30 ’可有許w心w ^域入本發明 之-實施例。如W三所示，分鮮元法、’圖^所示為最簡易 刀&早7Ld40包含兩分壓電阻R31盘， 電連於負電壓穩壓電路30之輸出節點‘ ^電壓«ΐί 電壓ν"3分壓後於迴授節點N咖迴授輸人 負電紅X電路3G。再來介紹驅動單元35G。驅動單元35 與p2 ’電晶體pl與p2之源極電連於節二 ，接收獻禮源Vs，電晶體pl與p2之閘酬分別電連於操作放大 益361與362之輸出端，由操作放大器361與362之輸出電壓分別控 制流經電晶體pi與P2上之電流[與丨2。操作放大器361與362各= 以其-接收端接收參考電壓產生器咖所產生之參考電壓U，而以 其另一接收端電連於迴授節點NFEro接收迴授電壓Vfm3。 根據圖二所示以及社所述，本發明之貞霞穩壓電路運作的情形 可描述如下。首先，電壓源穩壓電路以及分壓單元34()經妥善設 =，爹考電壓與之值也加以配合選取後，當負輸出電壓v_ 目標準位時，迴授電壓v_會跟著上升而高於v_;此時操作放 大裔361之輸出電壓為高準位而操作放大器362之輸出電壓為低準 位，導致電晶體pi上所流之電流h變小而電晶體pl上所流之電流i2 變大。然而，電晶體nl與n2上所流之電流互呈比例，因此在電晶體 pi上所流之電流I!變小而電晶體pl上所流之電流L變大的情況下， 必須有電流從分壓電路34G經輸出節點N流人電晶體nl以補電流h 之不足，此電流將使得迴授電壓yFEBK3與負輸出電壓ν〇υτ3皆被拉低，即 透過負電壓穩、壓電路30之迴授，將原本高於目標準位之負輸出電壓ν_ 調低回目標準位。反之，若負輸出電壓VguT3低於目標準位時，迴授電壓 Vfem3會跟著下降而低於Vref32;此時操作放大器361之輸出電壓為低準位 而知作放大器362之輸出電壓為高準位，導致電晶體pl上所流之電流 Ιι’欠大而電晶體pi上所流之電流I2變小。同理，在電晶體pi上所流 12 1229349 ^電流L·變大而電晶體pl上所流之電流l2變小的情況下，電流L之部 份電流將從輸出節,點N，流出至分壓單元34〇 ;此電流將使得迴授電壓 與負輸出電壓V㈣皆被提高，即透過貞輕穩壓祕3()之迴授， 將原本低於目標準位之負輸出電壓ν_調高回目標準位。 乡不上所述’本發明係將負輸出電壓ν_之分壓％闕迴授至負電壓稃 f電路30中以控制驅動單元咖之電晶體Pl與ρ2上所流經之電流;； 與12，再藉電流L·與12之變化以調整負輸出電壓ν_之準位，將轉 目標準位。其中，本發明之—特徵在於使用二η型通道三重^ 帝，半電晶體nl與η2。如眾所知，電晶體之源極與基極以偏壓在同一 盘^?1 為佳’因此在本發明中採用η型通道三重井金氧半電晶體Μ 且成―、電流源電路’使得電晶體nl與n2之源極與汲極皆可接受 於“ ^❿以電b曰體nl與n2之源極作為本發明之負電壓麵電路之 二即,’’、έ «及以電晶體nl之汲極作為本發明之負電壓觀電路之輸 出即點，以適用於負輸人電壓，實現負電壓之穩壓功能。 杏 >圖_所舉為本發明之具有負電壓穩壓電路之半導體元件之一較佳 f =。本發明於實施時，分壓單元_之與輸出節點^相連以外之 :-端：可電連於一不同於Vs之參考電壓ν_，而分壓單元34〇所包 構亦可有所變化’只要能妥善設計使得於迴授節則_ 可以與參考 W目配合以控制操作放大器361 〜電壓源穩壓電路亦可省略或以其他穩壓電路代替， 闻、要t於郎點呢提供—穩定電壓源Vs即可。關於驅動單元的部份， =:=Γ之實施例，亦可以結構相異但能在控制分壓 電抓以I負輸出電壓ν_上達同樣效果之其他電路替代。 士總結來說，本發明_三重井金氧半電晶體之特性，提供了 峨路，使繼制貞偷嫩得到穩定^ 負電i而“效月,。且根據實際驗證，若所輸入之負輸入電壓為—負7 13 1229349 伏特（-7V)且其上有200毫伏(mV)擾動之電壓時，經本發明之負電壓 穩壓電路穩壓後，可輸出一-7V而其上僅有小於5〇mV擾動之穩定電 足證本發明之負電Μ穩壓電路可大幅降低負電壓上之雜訊而提供%^良 好之穩壓效果，支援了快閃記憶體於操作上之需求。 ’、^ 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做 之均等變化與修飾，皆應屬本發明專利之涵蓋範圍。 【圖式簡單說明】 圖式之簡單說明 圖一為一習知負電壓產生電路之示意圖。 圖二為一習知負電壓穩壓電路之示意圖。 圖三為本發日狀财貞霞穩壓镇之半導體元件之示意圖 圖式之符號說明 100 200, 30 300 U〇，210 12〇，220 230 240, 340 250 310 320 負電壓產生電路 負電壓穩壓電路 半導體元件 振盪器 負電充電電路 及閘 分壓單元 比較器 電壓源穩壓電路 電流源 1229349 330 350 361，362，363 R21，R22，R31，R32 V〇UTl, V〇UT2, VfEBK2，Vref21, Vref22, Vref31, Vref32, VdD, V〇UT3, VlN3 NiN, NoUT, NfEBK3 參考電壓產生器 驅動單元 操作放大器 電阻 電壓 節點 15

Claims (1)

1229349 拾、申請專利範圍： 1. 一種具有負電壓.壓電路(negative voltage regulator)之半導體元 件，其包含： _ 一負電壓穩壓電路，用來將一負輸入電壓（Negative Input v〇ltage) 穩壓後於一輸出節點（Output Node)輸出一負輸出電壓（Negative Output Voltage)，該負電壓穩壓電路包含： 一驅動單元(driver)，用來調整該負輸出電壓，該驅動單元包含一 第一電晶體與一第二電晶體，一第一節點以及一輸出節點， 其中该第-節點電連於一電壓源，以及該輸出節點電連於該 負電壓穩壓電路之輸出節點； 弟一操作放大器（operational amplifier)，其包含一第一接收 端，一第二接收端以及一輸出端，分別電連於一迴授電壓 (Feedback Voltage)，及一參考電壓（Reference v〇ltage)以 及该第一電晶體，該第一操作放大器係依據該迴授電壓以及 該參考電壓以於該輸出端輸出一驅動電壓以控制流經該第一 電晶體之電流； 一第一操作放大器，該第二操作放大器包含一第一接收端，一第二 接收端以及一輸出端，分別電連於一參考電壓，該迴授電壓 以及該第二電晶體，該第二操作放大器係依據該參考電壓以 及該迴授電壓以於該輸出端輸出一驅動電壓以控制流經該第 二電晶體之電流； 一電流源電路（current source circuit)，用來提供該驅動單元 電流，該電流源電路包含二η型通道三重井（triple—well)金 屬氧化物半 $體(Metal-Oxide-Semiconductor，M0S，金氧半） 電晶體’其中該二η型通道三重井金氧半電晶體之汲極分別 電連於該第一電晶體之汲極以及該第二電晶體之汲極，以及 该二η型通道三重井金氧半電晶體之源極(Source)與該負輸 入電壓相連；以及 刀壓單元，包含一第一端點、一第二端點以及一迴授節點，其中 16 1229349 該第-端點電連於-電壓源，該第二端點電連於 點，以及該迴授_電連於該第—操作放大器之第 = 和該第二操作放大器之第二接收端，該分壓單元係 = 電壓源之位料及該負輪出霞分壓卿成該迴授電壓^ 於該迴授節點輸出該迴授電壓至該第—操作放大器以及該一 二操作放大器，以調整控制流經該第—電晶體以及該第= 晶體之電流，進而穩定該負輸出電壓。 … 2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件，其中該第一 二電晶體係各為一 p型通道金氧半電晶體。 電晶體與該第 3·如中請專利範圍第1項所述之半導體元件，其中該第一電晶體 二電晶體得'各為-p型通道金氧半電晶體，其中該第—電晶體= (Source)以及該第二電晶體之源極電連於該第—電壓源，該第_ = 體之閘極電連於該第-操作放大II之輸出端，以及該第二 極電連於該第二操作放大器之輸出端。 _ 4. 如申請專利範圍第3項所述之半導體元件，其中該 係為该弟"電晶體之沒極。 驅動器之輸出節點 5.如申請專利範圍第3項所述之半導體元件，其中該驅動器之輸 係為该弟電晶體之汲極。 6·如中請專利顧第1項所述之半導體元件，其中該二_通道三 金氧半電晶體之基極(Base)分別與其各自之源極(s〇urce)相電連 二η型通道三重井金氧半電晶财之—n型通道三重井金氧半電曰= 之沒極與’(Gate)相電連，以及該^型通道三重井金氧半電晶辦 中之另η型通道二重井金氧半電晶體之汲極電連於該驅動器之輪出 郎點。 17 1229349 7·，申請專利範圍第i項所述之半導體元件，其另包含—振盡器 oscillator)與一負電充電電路(negativepump)，其中該振盪哭之 於該負電充電電路之輸入端，以及該負電充電電路“ 私連於孩一n型通運二重井金氧半電晶體之源極。 8·如^請專利範圍第丨項所述之半導體元件，其另包含—參考電壓產生 為’用來產生該第-操作放大||之參考電壓_第二操作 考電壓。 口口多 9·如广請專利範Μ丨項所述之半導體元件，其中該驅動單元與該分 單元係電連至同一電壓源。 、 10.如申請專利範圍第1項所述之半導體元件，其另包含： -電壓源穩壓電路，絲產生與該驅動單元之第—節點相電連之 源，該電壓源穩壓電路包含： Ρ型通運金氧半電日日日體’以其源極與—第—電壓源相連，以及以其 汲極電連於該驅動單元之第一節點；以及 一 一第三操作放大器，其包含-第-接收端，—第二接收端以及一輸出 端，分別電連於該ρ型通道金氧半電晶體之汲極，一第一參考電 壓以制ρ型歧金氧半電晶體之閘極，該第三操作放大器係用 來將該ρ型通道金氧半電晶體之汲極之電壓準位固定在該第一泉 考電壓之準位。 4 11·如:請專利範圍第1G項所述之半導體元件，其另包含_參考電壓產 生器，用來產生該第-操作放大器之參考電壓，該第二操作放大 參考電壓以及該第一參考電壓。 ⑽ 12·如中請專利範圍第！項所述之半導體元件，其係為—快閃記憶體 (flash ° 18