TWI353500B - Multiple-stage charge pump circuit - Google Patents

Description

1353500 100年9月26曰修正替換頁 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種多级 Ώ 、♦ 、及电何泵（Multiple-stage

Charge Pump)電路，且特別是 6 {rh Ώ , _ 弋有關於一種具有電荷回收 (Charge Recycle)電路之多級電荷泵電路。 【先前技術】 隨著科技的發展曰新月異，多級電荷泵(Multiple-stage Charge Pump)電路係已歧地被應用在各種需提供位準高 於電源訊號之位準的電路應用中。舉例來說，多級電荷栗 電路係時常被應用在料可抹唯讀記憶體 Erasable Programmable Read 〇nly Me_y，EEpR〇M)進行 資料寫入及資料抹除之應用中。 咕參照第1圖，其綠示傳統多級電荷泵電路的電路 圖。傳統多級電荷泵電路100包括四個級電路（Stage)12〇， 各個級電路102包括二極體(Di〇de)D及泵電容c。時脈訊 號CK1及CK2間之相位差為⑽度，時脈訊號㈤及 CK2刀別被用以在不相互重疊（N〇n 〇veriapped)之兩個期 間中導通奇數序、級電路中之二極體及$通偶數序級電路 中之二極體。當二極體D導通時，二極體D正端之電壓係 對耦接至二極體D之負端的泵電容c進行充電，使二極體 D正端之電壓傳輸至泵電容c之兩端。接著，泵電容c接 收之時脈訊號係由接地電壓提升為高電壓Vdd，使得二極 體D之負端電壓係被提升為二極體之正端電壓與高電壓

Vdd之和。如此，铖、a ⑽年9月26日修正替類 壓Vo實質上等於5板 ^、，及電路120之操作後，輸出電 然而，傳統多級電壓Vdd。 電及放電，導致傳統夕纟、T具有需反覆對泵電容進行充 點。因此，如何提出二、及電荷栗電路具有高功率耗損之缺 之多級電荷泵電路為低功率損耗及提升電能使用效率 —* 〇 句莱界不斷致力的方向 【發明内容】 本發明係有關於〜

Charge Pump)電路 夕級電荷泵（遍咖Wage 級 電綱路具有低功率:::統電路，本發明提出之多 根據本發明提出j及向電能使用效率之優點。 路，、〜種夕級電荷泵電路，包括多級電 路。電言回收Ϊ攸並電路及電荷回收（ChargeReCyCle)電 _包括開關元件，開關元件用以回應於才 制=來將泵電路中<電壓分享至其他級電路。 ::讓本發明之上迷内容能更明顯㈣，下文特舉一， 佳貝施例，並配合所咐圖式，作詳細說明如下： 【實施方式】 卜本兔月知^出夕級電荷泵(Multiple-stage Charge Pump) " 八係透過電荷回收(Charge Recycle)電路形成之短路 電路路徑來轉換儲存在相鄰兩個級電路中之電荷，藉此達 到重複利用相鄰兩個級電路之電荷的效果。 請參照第2圖及第3圖，第2圖繪示依照本發明實施 切 3500 100年9月26日修正替換頁 例之多級電荷泵電路的電路圖，第3繪示乃第2圖之多級 電锜泵電路的相關訊號時序圖。多級電荷泵電路1〇包括 第一級電路12、第二級電路14及電荷回收電路16。第一 、’及電路12包括傳輸電路i2a、泵電容CP1及電壓驅動電路 12〇。傳輪電路i2a包括轉移電容CT1及電晶體τι及T2。 泵電容CP1具有第一端E11及第二端E12。轉移電容 CT1具有第一端E21及第二端E22。電晶體T1及T2例如 為 Ν 型金氧半（N-type Metal Oxide Semiconductor ’ NMOS) 電晶體。電晶體T1及T2之汲極接收高電壓vcc，閘極 分別輕接至第二端E22及第一端E21，源極分別麵接至第 E11及第一端E22。第一端E12及第一端£21係分別 耦接至電壓驅動電路12〇及接收時脈訊號p4。 在時序期間τρι中，電壓驅動電路12〇提供高電壓 二C:f ^:端E12 ’以提升第一端EU之電壓。電晶體 Η 士處如艮門第端£11上之尚電壓被導通。當電晶體T2在 序期間ΤΡ1中被導通時，高雷壓 ^ 问電壓VCC係經由電晶體T2 被k供至第二端E22。在時序期間τρ 實質上等於低電壓Vss。 T k脈訊#uP4 在時序« TP2中，時脈 為高電壓VCC。此眛货 目低電M VSS提升 壓差實質上維持其在時序::第Ε22間之電 端E22之電壓實質上 ’月 中的電壓差，使得第二 vcc。由於第二端E22巧電壓^CC提升為兩倍高電壓 2VCC)實質上高於第—壓(實f上等於㈣高電壓 11之電壓（實質上等於高電壓

S 1353500 vcc)，電晶體τι係被導 ⑽年9月26日修％貪 E11。在時序期間ΤΡ2中通以提供高電壓VCC至第1 VSS至第二端E12，以把你電壓驅動電路120提供低電髮 VSS。如此，第-端及第第二端E12之電壓至低電髮 等於電壓VCC-VSS。低電、^ E11及E12之電壓差時值上 一端及I ^ 垄vss例如等於接地電壓， vcc及弟—端抓及E12之電壓差實質上等於高電壓卑 、一在下一個時序期間TP1中，第二端El2之 二:電壓vcc ’第一端E11之電壓係被提升一個“;升 而實質上等於兩倍之高電壓VCC。 第一級電路14包括傳輸電路14a、泵電容 驅動電路140。傳輸電路l4a包括傳輸電容m T3及T4。電晶體丁3及丁4例如為NM〇 爷日曰體 有第一端E31及第二端E32。傳輸 ；： =如及第二端E42。第二級電路14之操作”、一有弟 電路12之操作為實f上相近，用以提供第_端£ 、，及 電壓（實質上等於兩倍高電壓vcc)至第—端E3 ^ 端^上之電隸升-個高電壓VCC及產生 倍南電壓VCC之電壓。 ；— 在本實施例之多級電荷泵電路10中，第— 電=12及Η細_修訊號P4 m輪=作二級 一端E12之電壓係分別在時脈期間曰 高電壓vcc及拉低為低電壓vss。第-總仏被提升為 , ^ 2上之電塵 係分別在時脈期間TP1及爪中被拉低為低電壓卿及 9 1353500 100年9月26日修正替換頁 提升為高電壓VCC。 在本實施例中，電荷回收電路16係被用以將第二端 E12及E32其中等於高電壓VCC之一上之電荷回收至其 中具有低電壓VSS之另一。本實施例之電荷回收電路16 用以在時序期間TP1後之時序期間TP3及時序期間TP2 後之時序期間TP4中連接第二端E12及E32。 在時序期間TP3中，第二端E12及E32之電壓分別接 近高電壓VCC及低電壓VSS，電壓驅動電路120及140 均為非致能。如此，電荷回收電路16係形成連接第二端 E12及第二端E32間之路徑。這樣一來，在時序期間TP3 中，實質上具有高電壓VCC之第二端E12上之電荷係被 轉移並回收至實質上具有低電壓VSS之第二端E32，而非 被直接經由接地路徑進行放電。 在時序期間TP4中，第二端E32及E12之電壓分別接 近高電壓VCC及低電壓VSS，電壓驅動電路120及140 均為非致能。如此，如此，電荷回收電路16係形成連接 第二端E12及第二端E32間之路徑。這樣一來，在時序期 間TP4中，實質上具有高電壓VCC之第二端E32上之電 荷係被轉移並回收至實質上具有低電壓VSS之第二端 E12，而非被直接經由接地路徑進行放電。 在本實施例中，電荷回收電路16包括開關電路162 及164。開關電路162及164包括第一端及第二端。開關 電路162及164之第一端分別耦接至第二端E12及E32， 開關電路162及164之第二端係相互耦接。開關電路162 13.53500 100年9月26日修正替換頁 及164係分別在時序期間TP3及TP4中被導通，以使第二 端E12短路輕接至第二端E32。 開關電路162及164分別包括電晶體T5及T6，其例 如分別等於NMOS電晶體。電晶體T5及T6之汲極分別 實質上分別為開關電路162及164之第一端，其分別耦接 至第二端E12及E32。電晶體T5及T6之源極實質上分別 為開關電路162及164之第二端，其係相互耦接。電晶體 T5及T6之閘極係接收控制訊號SCI。在時脈期間TP3及 TP4中’控制訊號SCI等於高電壓VCC。在時序期間TP3 及TP4中’電晶體T5及T6係根據高位準之控制訊號SCI 導通。 電壓驅動電路120包括電晶體T7及T8。電晶體T7 及T8例如分別為P型金氧半（(p-type Metal Oxide Semiconductor，PMOS)電晶體及NMOS電晶體。電晶體 T7及T8之汲極耦接至第二端E12 ’源極分別接收高電壓 VCC及低電壓VSS。電晶體T7及T8分別用以回應於低 位準之時脈訊號P1B提供提升第二端E12之電壓之路徑及 回應於而位準之時脈訊號P4提供拉低第二端E12之電壓 之路徑。其中，時脈訊號P1B實質上為時脈訊號ρι的反 相訊號。 %壓驅動電路140具有與電壓驅動電路120實質上相 近之電路。電壓驅動電路140包括電晶體T9及T1〇，其 例如分別為PMOS電晶體及NMOS電晶體。電晶體T9及 τΐο分別用以根據低位準之時脈訊號ρ4Β來提升第二端 13.53500 100年9月26日修正替換頁 E32之電壓，及根據高位準之時脈訊號P1來拉低第二端 E32之電壓。時脈訊號P4B實質上為時脈訊號P4的反相 訊號。 多級電荷泵電路10更包括輸出級電路18，輸出級電 路18用以接收第一端E31上之電壓，並以第一端E31上 之電壓做為輸出電壓VO輸出。輸出級電路18包括電晶體 Til、T12及傳輸電容CT3，其中電晶體Til、T12及傳輸 電容CT3實質上與傳輸電路12a中之電晶體T1、T2及CT1 具有相同之電路連接關係。由於在電晶體Τ11導通時，電 晶體Τ11之閘極電壓實質上接近兩倍高電壓VCC，使得輸 出級電路18可有效地將第一端Ε31上之電壓做為輸出電 壓VO輸出。當第一端Ε31之電壓低於三倍高電壓VCC 時，輸出級電路18更實質上被偏壓成' —個逆偏二極體’ 使輸出端與第一端Ε31為實質上斷路，以避免產生自輸出 端流向第一端Ε31之電流。 接下來，係對時序期間ΤΡ3及ΤΡ4中之電荷分享操作 進行進一步說明。在時間期間ΤΡ3之前的時間期間ΤΡ1 中，第二端Ε12及Ε32上之電壓分別為高電壓VCC低電 壓VSS。在第三期間ΤΡ3中，將第二端Ε12與Ε32短路連 接，以將第二端Ε12中之電荷轉移至第二端Ε32。由於在 時間期間ΤΡ2中，第二端Ε12及Ε32需分別被拉低至低電 壓VSS及高電壓VDD，因此相較於傳統電路中直接將第 二端Ε12及Ε32分別放電至低電壓VSS及充電至高電壓 VCC之操作，本實施例之多級電荷泵電路10在第三期間 12 ^53500 100年9月26日修正替換頁 TP3中將第二端El2中之電荷轉移至第二端聊之操作可 降低多級電荷|電路操作需耗損之功率。因此，相較於傳 統多級電荷栗電路，本實施例之多級電荷I電路具有可有 效地降低功率耗損及提高電能使用效率之優點。 在本實施例中，雖然僅以多級電荷泵電路1〇具有第 一級電路12及第二級電路14_形為例作說明，铁，本 實施例之多級電荷栗電路並不侷限於包括兩級級電路，而 更可包括四級或四級以上之級電路。舉例來說請參照第 4圖，其繪示本實施狀多級電妓電_另—電路圖。 多級電荷栗電路1()’與1G不同之處在於多級電荷栗電路 10’更包括第三級電路12,及第四級電路14,。 第一及第二級電路12及12,之電路連結關係與操作為 、^上相同’第—及第四級電路14’及14，之電路連接關係 ”操作為實質上相同。電荷回收電路16，係在時序期間τρ3 及TIM中輕接所有泵電容⑺至咖之第二端，以轉移 其中，電荷。如此，多級電荷泵電路1G，可有效地提供實 質上等於五倍高電壓VCC之輸出電壓v〇,。 在本實施例中，雖然僅以電荷回收電路i 6包括N M 〇 s 電曰1體T5及T6 ’並經由顧os電晶體T5及T6連接第 二端Ε12及Ε32的情形為例作說明，然，電荷回收電路 16並不侷限於透過NM0S電晶體來連接第二端Ε12及 Ε32’而更可透過其他形式之電晶體來連接第二端£12及 Ε32 °舉例來說’電荷回收電路16”係透過pm〇S來連接 第一端Ε12及Ε32，如第5圖所示。其中pm〇s接收之重 1353500 100年9月26日修正替換頁 訊號SC1B實質上為控制訊號SCI的反相訊號。或者，電 荷回收電路16’’’更可包括互補式金氧半（Complimentary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)電晶體來連接第二端 E12及E32，如第6圖所示。 多級電荷泵電路包括電荷回收電路，用以使第一及第 二級電路之第一及第二泵電容之第二端相互耦接，以根據 自第一及第二泵電容其中之一之電荷轉移至第一及第二 泵電容其中之另一，藉此提升第一及第二泵電容其中之另 一的電壓位準。如此，相較於傳統多級電荷泵電路，本實 施例之多級電荷泵電路具有耗電量較低及電能使用效率 較高之優點。 綜上所述，雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上， 然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通 常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作各種 之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請 專利範圍所界定者為準。 14 1353500 100年9月26日修正替換頁 【圖式簡單說明】 第1圖繪示傳統多級電荷泵電路的電路圖。 第2圖繪示依照本發明實施例之多級電荷泵電路的電 路圖。 第3繪示乃第2圖之多級電荷泵電路的相關訊號時序 圖。 第4圖繪示本實施例之多級電荷泵電路的另一電路 圖。 第5圖繪示本實施例之多級電荷泵電路的再一電路 圖。 第6圖繪示本實施例之多級電荷泵電路的再一電路 圖。 【主要元件符號說明】 100 :傳統多級電荷泵電路 120 :級電路 D :二極體 C :泵電容 12、14 :第一、第二級電路 12a、14a :傳輸電路 CT1、CT2、CT3 :轉移電容 CPI、CP2 :泵電容

Ell、E21、E31、E41 :第一端 E12、E22、E32、E42 :第二端 15 1353500 100年9月26日修正替換頁 T1〜T12 :電晶體 120、140 :電壓驅動電路 16、16’、16”、16’” ：電荷回收電路 162、164 :開關電路 16

Claims (1)

13.53500 100年9月26日修正替換頁 十、申請專利範圍： 1. 一種多級電荷泵（Charge Pump)電路，包括複數級 電路，各該些級電路包括： 一泵電路，包括： 一電壓驅動電路，包括一第一電晶體及一第二電晶 體，該第一電晶體之第一汲極/源極與該第二電晶體之第一 汲極/源極耦接，該第一電晶體之第二汲極/源極與該第三 電晶體之第二汲極/源極分別接收一第一電壓及一第二電 壓，該第一電晶體之閘極與該第二電晶體之閘極分別接收 一第一時脈訊號及一第二時脈訊號；以及 一電荷回收（Charge Recycle)電路，包括一開關元件， 該開關元件用以回應於一第一控制訊號來將該泵電路中 之一電壓分享至剩餘之該些級電路； 其中，該些級電路包括一第一級電路以及與該第一級 電路耦接之一下一級電路，該第一級電話之該第一時脈訊 號為該下一級電路之該第二時脈訊號之反相信號，而且該 第一級電路之該第二時脈訊號為該下一級電路之該第一 時脈訊號之反相信號。 2. 如申請專利範圍第1項所述之多級電荷泵電路，其 中各該些級電路更包括一傳輸電路，該傳輸電路包括一第 三電晶體、一第四電晶體及至少一電容，該第三電晶體之 第一汲極/源極與該第四電晶體之第一汲極/源極耦接，該 第三電晶體之第二汲極/源極與該至少一電容及該第四電 晶體之閘極耦接，該第一電晶體之閘極與該第二電晶體之 17 丄 W5〇〇 100年9月26日修正替換頁 第二源極接，該至少—電容之第二端係接收一第三 時脈訊號。 3. 如申明專利範圍第2項所述之多級電荷泵電路，其 Ϊ該第f電晶體及該至少—電容係被該第三時脈訊號致 月匕°亥第四電晶體係被該至少一電容致能。 4. 如申請專利範圍第3項所述之多級電荷泵電路，直 中各該些級電路更包括—第二電容，輕接至該第四電晶體 之第二源極/汲極以及該電荷回收電路。 上5.如申請專利範圍第丨項所述之多級電荷泵電路，其 =該第1藶為—高電源電壓，該第二電壓為—低電源電 Ϊ鉍：第—及該第二電晶體分別被該第一及該第二時脈訊 唬致能。 6. 如申請專利範圍第〗項所述之多級電荷泵電路，其 中該些級電路中之該第—級電路中之該電荷回收電路係” 耦接至該第一級電路之該下一級電路。 ’、 7. 如申請專利範圍第6項所述之多級電荷泵電路，並 中該電荷回收電路包括—電晶體。 /、 ^如申請專利範圍第1項所述之多級電荷泵電路，1 中各該些級電路更包括—時序電路，用讀供 : 訊號。 徑制 9.如申請專利範圍第8項所述之多級電荷泵電路苴 中該時序電路更用以提供該第一時脈訊號及該第二 訊唬至各該些級電路中之該泵電路。 18 13.53500 100年9月26日修正替換頁 10. 如申請專利範圍第1項所述之多級電荷泵電路， 其中當該第一級電路之該電壓驅動電路之該第一及該第 二時脈訊號及該第一控制訊號為低位準時，該下一級電路 之該電壓驅動電路之該第一及該第二時脈訊號為高位 準，該下一級電路不分享電荷至該第一級電路。 11. 如申請專利範圍第1項所述之多級電荷泵電路， 其中當該第一級電路及該下一級電路之該第二時脈訊號 為低位準，且該第一控制訊號、該第一級電路及該下一級 電路之該第一時脈訊號為高位準時，該第一級電路係分享 電荷至該下一級電路。 12. 如申請專利範圍第1項所述之多級電荷泵電路， 其中當該第一級電路之該第一及該第二時脈訊號為高位 準，且該第一控制訊號、該下一級電路之該第一及該第二 時脈訊號為低位準時，該第一級電路不分享電荷至該下一 級電路。 13. 如申請專利範圍第1項所述之多級電荷泵電路， 其中當該第一級電路及該下一級電路之該第二時脈訊號 為低位準，且該第一控制訊號、該第一級電路及該下一級 電路之該第一時脈訊號為高位準時，該下一級電路分享電 荷至該第一級電路。 19 1353500 31擎騌oosou60^_Miiffi-「li» 001 〇> A 頁 '·'- :" 正 c'i /b o' 寸d 寸I Id 113 πι

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