專利名稱：用于產生多個輸出電壓電平的電荷泵的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及集成電路技術。更具體地說，本發(fā)明涉及電荷泵且涉及用于產生多個輸出電壓電平的電荷泵。
背景技術：
電荷泵是電子系統(tǒng)中用于獲得高于電源的電壓(Vdd)的輸出電壓或負電壓的開關電容器電路。電荷泵在集成電路產業(yè)中廣泛用于許多應用中，例如電源IC、濾波器、存儲器等。快閃存儲器裝置在這些應用當中，因為需要高電壓電平來執(zhí)行快閃存儲器操作，
例如編程和擦除。此外，由于日益較低電壓供應要求的趨勢，也需要高于vdd的電壓電
平來用于快閃存儲器讀取操作。
如圖1中所示，常規(guī)電荷泵電路IO包括 一系列抽運級12，所述抽運級的數(shù)目取
決于所需的電壓增益；以及通常一輸出級14。如所屬領域的一般技術人員將了解，每一抽運級包含電容器、開關和驅動器，且由一個或一個以上時鐘信號控制。通過對抽運級電容器適當?shù)爻潆姾颓袚Q，來獲得電壓倍增。通過改變泵級的拓撲、切換次序等，用以獲得電壓倍增的不同方式是可能的。舉例來說，可通過級聯(lián)迪克生(Dickson)級或倍壓器來獲得不同電荷泵。
不管電荷泵的操作原理如何，調節(jié)輸出電壓通常是必要的。在此些情況下，如圖2中所示，需要調節(jié)器電路16來確保輸出電壓不超過最大值，且不會降低到最小值以下。
可將電壓調節(jié)分成兩種不同類型脈沖跳躍調節(jié)和線性調節(jié)。脈沖跳躍調節(jié)通過僅在輸出泵電壓低于給定值時啟用泵時鐘且在輸出泵電壓超過此值時抑制時鐘信號而操作。線性調節(jié)通過借助于閉環(huán)誤差放大器和傳送裝置控制輸出電壓而操作。這兩種技術是此項技術中已知的。
圖3A是展示具有脈沖跳躍調節(jié)的高電壓產生器的框圖。電荷泵電路10由參考標號為18的VDD (外部電源電壓)供電，且將電荷輸送到連接到輸出的負載20 (CLOAD)。所述調節(jié)由比較器22實現(xiàn)，所述比較器的非反相輸入耦合到由電阻器24和26劃分的輸出電壓的一部分Vf，且所述比較器的反相輸入耦合到來自一來源(例如帶隙參考)的固定電壓BGAP (帶隙)。如果Vf>BGAP,那么比較器22的輸出處的信號STOP (停止)為高，且泵時鐘信號產生器28的輸出被禁止。另一方面，如果Vf<BGAP，那么信號STOP為低，且時鐘信號產生器28向電荷泵IO提供時鐘信號，因此啟用輸出線VouT處的電容20的電荷。
圖3B為說明具有線性調節(jié)的高電壓產生器的框圖。電荷泵再次由參考標號IO標識。在此配置中，時鐘產生器28總是被啟用。線性調節(jié)由閉環(huán)配置中的放大器30、傳送晶體管32以及包含電阻器24和26的電阻器網絡來實施。在脈沖跳躍調節(jié)和線性調節(jié)兩者中，經調節(jié)的輸出由以下等式給出
OUT=r*BGAP，
其中r=(R24+R26)/R26。電阻器24和26可配置以允許用戶選擇特定輸出電壓。
在許多應用中，需要一個以上高電壓電平。舉例來說，在快閃存儲器中，編程、擦除和讀取操作需要不同的高電壓電平。此外，在一些快閃存儲器結構中，所使用的所有驅動器都被制造為n溝道晶體管，以便改進存儲器性能，且/或限制驅動器硅面積。在此些情況下，需要待由驅動器傳送的第一電壓，且需要高于所述第一電壓的第二電壓以使所述驅動器本身偏置。值得注意的是，針對兩項任務使用同一電壓將導致等于n溝道晶體管閾值電壓的輸出電壓的損失。
這在圖4A和圖4B中說明，其中將用于快閃存儲器的所有n溝道字線驅動器的實例展示為使用晶體管40和42。圖4A和圖4B中所說明的驅動器在以下兩個值之間切換0和V!(例如，0針對未選定字線，Vi針對選定字線)。圖4A說明用于驅動器的上拉晶體管40的正確驅動器偏置，其具有高得足以在無電壓損失的情況下將V！傳送到字線的電壓V2，而圖4B說明導致等于晶體管40的閾值的字線電壓的降低的非最佳偏置。
在芯片內部需要若干高電壓電平的此些應用中，使用多個電荷泵10來產生所需的電壓Vi、 V2和Vn，如圖5A中所示?；蛘?，如圖5B中所示，可使用單個電荷泵10來獲得最高所需電壓(V。，且其它電壓V2和V3可從耦合到電荷泵輸出的線性調節(jié)器16(例如圖3B中所示)獲得。在后一情況(使用多個線性調節(jié)器)下，預期效率會降低，因為每一線性調節(jié)器都從泵輸出電壓汲取電流。

發(fā)明內容
5根據(jù)本發(fā)明的一個方面， 一種電荷泵結構具有n個泵級以及多個輸出電壓電平。第一輸出電壓V！是通過第一 m個泵級與第一輸出級的倍增從Vdd荻得的，而第二電壓V2是通過所有n個泵級與第二輸出級的倍增從Vdd荻得的?？赏ㄟ^將額外輸出級耦合到泵級中的選定者來提供額外輸出電平。因此，用于產生多個超過電源電壓的電壓的電荷泵電路包含第一組級聯(lián)電荷泵級，所述第一組中的第一個電荷泵級的輸入是從電源電壓驅動的。第一輸出級具有從所述第一組的最后一個電荷泵級的輸出驅動的輸入和耦合到第一電壓節(jié)點的輸出。提供第二組級聯(lián)電荷泵級，所述第二組的第一個電荷泵級的輸入是從所述第一組的最后一個電荷泵級的輸出驅動的。第二輸出級具有從所述第二組中的最后一個電荷泵級的輸出驅動的輸入和耦合到第二電壓節(jié)點的輸出。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面， 一種電荷泵結構具有n個泵級和多個輸出電壓電平。第一輸出電壓V,是通過第一 m個泵級與第一輸出級的倍增從Vdd荻得的，而第二電壓V2是通過所有n個泵級與第二輸出級的倍增從VoD獲得的。每一輸出電壓可由獨立的脈沖跳躍調節(jié)器或線性調節(jié)器控制。可通過將額外輸出級耦合到泵級中的選定者來提供額外輸出電平。n個電荷泵級可全部由單組時鐘信號控制或從多組時鐘信號控制。


圖1是典型現(xiàn)有技術電荷泵電路的框圖。
圖2是典型現(xiàn)有技術經調節(jié)電壓產生器的框圖。
圖3A是說明具有脈沖跳躍調節(jié)器的典型現(xiàn)有技術電荷泵的圖。
圖3B是說明具有線性調節(jié)器的典型現(xiàn)有技術電荷泵的圖。
圖4A和圖4B是說明在最佳偏壓下和具有非最佳偏壓條件的現(xiàn)有技術全NMOS字線驅動器的示意圖。
圖5A和圖5B是分別說明使用多個電荷泵和具有多個線性調節(jié)器的單個電荷泵來在
芯片內部產生多個高電壓的現(xiàn)有技術解決方案的框圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明具有兩個輸出電壓電平的說明性電荷泵結構的框圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明具有兩個獨立脈沖跳躍調節(jié)器的說明性電荷泵結構的框圖。
圖8A是根據(jù)本發(fā)明具有兩個輸出電壓電平和單組泵時鐘信號的說明性電荷泵結構
(其具有由比較器控制的輸出級)的框圖。
圖8B是根據(jù)本發(fā)明具有由泵時鐘信號控制的輸出級和由比較器所控制的額外開關切換的輸出電壓的說明性電荷泵結構的框圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明用于全NMOS存儲器驅動器應用的說明性電荷泵結構的框圖。
具體實施例方式
所屬領域的一般技術人員將認識到，本發(fā)明的以下描述只是說明性的，而非以任何方式進行限制。此些技術人員將容易明白本發(fā)明的其它實施例。
用于產生多個高電壓值的兩種現(xiàn)有技術方法都需要相當大量的硅面積和復雜性，因為所述方法針對每一待產生的電壓電平而重復電荷泵或線性調節(jié)器。本發(fā)明旨在克服這些要求。
本發(fā)明在單個電荷泵中提供多個輸出電壓，且在需要時，針對每一輸出電壓使用不同的調節(jié)器方法。將使用其中需要兩個正電壓電平Vi和V2的說明性實例來更詳細地描
述本發(fā)明。然而，所屬領域的一般技術人員將了解，本發(fā)明不限于所述示范性實施例，且可根據(jù)本文所揭示的原理來提供其它數(shù)目的輸出電壓。
現(xiàn)在參看圖6，框圖展示根據(jù)本發(fā)明具有兩個輸出電壓電平的說明性電荷泵結構50。第一輸出電壓V,是通過第一 m個泵級的倍增從V。。獲得的，而第二電壓V2是通過所有n個泵級的倍增從V。。獲得的。因此，泵級52使用V。D作為輸入電壓。泵級52的輸出驅動泵級54的輸入。泵級54的輸出驅動相繼泵級(未圖示)，所述相繼泵級中的最后一個泵級的輸出驅動泵級56的輸入。泵級56的輸出驅動輸出級58。
泵級58的輸出還驅動泵級60的輸入。泵級60的輸出驅動相繼泵級(未圖示)，所述相繼泵級中的最后一個泵級的輸出驅動泵級62的輸入。泵級62的輸出驅動泵級64的輸入。泵級64的輸出驅動輸出級66。如此項技術中已知，泵級52、 54、 56、 60、 62和64以及輸出級58和66可由相同的時鐘信號或不同時鐘信號驅動。
如此項技術中眾所周知，在使用常見的四相迪克生電荷泵電路的情況下，兩個輸出電壓受以下限制
V丄R(m+l)VDD
V2R(n+l)VDD
根據(jù)本發(fā)明，不同方法可用于將兩個輸出電壓調節(jié)到所需電平?，F(xiàn)在參看圖7,可看到，可根據(jù)本發(fā)明使用的方法的一個實例是脈沖跳躍調節(jié)以控制V1和V2兩者。圖7中與圖6中的類似元件執(zhí)行相同功能的元件將由圖6中所使用的相同參考標號表示。
如在圖6的實施例中，第一輸出電壓Vi是通過第一 m個泵級的倍增從V。。獲得的，而第二電壓V2是通過所有n個泵級的倍增從V。。獲得的。因此，泵級52使用VoD作為輸入電壓。泵級52的輸出驅動泵級54的輸入。泵級54的輸出驅動相繼泵級(未圖示)，所述相繼泵級中的最后一個泵級的輸出驅動泵級56的輸入。泵級56的輸出驅動輸出級
758。
泵級58的輸出還驅動泵級60的輸入。泵級60的輸出驅動相繼泵級(未圖示)，所述相繼泵級中的最后一個泵級的輸出驅動泵級64的輸入。泵級64的輸出驅動輸出級66。如此項技術中已知，泵級52、 54、 56、 60和64以及輸出級58和66由相同的時鐘信號驅動。
在圖7中所示的實施例中，兩組時鐘信號由兩個脈沖跳躍調節(jié)器的比較器獨立地控制。輸出級58的輸出通過由電阻器70和72形成的分壓器呈現(xiàn)給比較器68的非反相輸入。如此項技術中己知，比較器68的反向輸入由例如帶隙參考等參考電壓驅動。比較器68的輸出為ST0P1信號，其在處于邏輯"1"電平時，禁止第一時鐘產生器電路74，第一時鐘產生器電路74的輸出驅動泵級52、 54和56以及輸出級58。類似地，輸出級66的輸出通過由電阻器78和80形成的分壓器呈現(xiàn)給比較器76的非反相輸入。如此項技術中已知，比較器76的反相輸入由例如帶隙參考等參考電壓驅動。比較器76的輸出為STOP2信號，其在處于邏輯"l"電平時，禁止第二時鐘產生器電路82，第二時鐘產生器電路82的輸出驅動泵級60和64以及輸出級66。所屬領域的一般技術人員將了解，盡管在圖7和以下圖中將用于跳躍脈沖調節(jié)器的比較器表示為電壓比較器，但在對電路的拓撲做出適當改變的情況下，所述比較器也可實施為電流比較器。本文的詳細描述為簡單起見而假定比較器是電壓比較器，但本發(fā)明不希望限于電壓比較器的使用。
如果Vi和V2兩者低于其相應目標，那么信號STOP1和STOP2兩者較低，從而啟用電荷泵電路的所有級的抽運。另一方面，如果只有一個輸出低于目標，那么兩個STOP信號中只有一者較低，從而僅啟用第一組級的抽運或僅啟用第二組級的抽運，此視兩個輸出電壓中的哪一者低于目標而定。
圖8A中描繪一種替代解決方案。圖8A中與圖6和圖7中的類似元件執(zhí)行相同功能的元件將由那些圖中所使用的相同參考標號表示。
圖8A的電路的電荷泵部分以相對于圖6和圖7的電路而描述的方式操作。在圖8A中所示的電路中，兩個電壓調節(jié)器同時控制來自時鐘產生器84的同一組時鐘信號。所述時鐘信號通過"與"門86被路由到泵級52、 54和56以及輸出級58，其中比較器68的STOP1輸出控制"與"門86的另一輸入。類似地，時鐘信號通過"與"門88被路由到泵級60和64以及輸出級66，其中比較器76的STOP2輸出控制"與"門88的另一輸入。在圖8A的電路中，如果兩個輸出Vi或V2中的一者為低，那么時鐘信號通過"與"門84和86而被啟用，且泵的所有級都工作。只有當信號ST0P1為低時，即只有當V^氐于目標時，才啟用輸出級58，且只當由信號ST0P2為低時，即只有當V2低
8于目標時，才啟用輸出級66。否則停用時鐘信號。
節(jié)點Vi和V2的輸出負載電容通常比內部泵節(jié)點的輸出負載電容高得多。這避免了Vi和V2在其相應輸出級被接通時明顯地升高到經調節(jié)值以上。然而，如此項技術中已
知，如果需要的話，可添加額外電路以恢復較小過沖(overshoot)。圖8A的電路避免了在使用兩組不同的時鐘信號產生器和驅動器的情況下原本將使用的裸片區(qū)。
現(xiàn)在參看圖8B，其展示圖8A中所呈現(xiàn)的電路的替代方案。圖8B的電路的電荷泵部分也以相對于圖6和圖7的電路而描述的方式操作。
圖8B中所示的電路使用連接于輸出級58和VP2與高電壓線VL之間的開關88，以及連接于輸出級66與高電壓線V2之間的開關90。在此情況下，輸出級58和66由來自時鐘產生器84的時鐘信號控制，但開關88僅在STOP1=0時使Vi與輸出級58連接，且開關SW2僅在STOP2=0時使V2與輸出級58連接。如果ST0P1和STOP2兩者都為真，那么時鐘產生器84由"與"門停用。本發(fā)明的變化也是可能的。
在一些應用中，兩個高電壓中只有一個電壓(例如，V。需要被精細地調節(jié)，而另一電壓(例如，V2)必須高于某一值V1+AV，但不得超過最大值Vmax。這是以全NMOS驅動器電路為特征的快閃存儲器裝置中的典型情形。
圖9中展示根據(jù)本發(fā)明用于執(zhí)行此功能的示范性電荷泵。圖9的電路的電荷泵部分也以相對于圖6和圖7的電路而描述的方式操作。
在圖9中所描繪的電路中，高電壓線Vi通過傳送晶體管94連接到輸出級58。比較器68以及電阻分壓器網絡70和72經連接以形成常規(guī)的脈沖跳躍調節(jié)器。比較器76感測電壓V2，并將其與V,+AV進行比較。
如果信號STOP2為低(即，V2<V1+AV)，那么"與"門92的輸出為低，且時鐘信號被激活以啟用所有級上的抽運，而不管信號ST0P1的值如何。在此情況下，如果STOPl為低，即如果V,低于目標，那么傳送晶體管94由"或"門96的反相輸入接通，且V,連接到輸出級58的輸出。另一方面，如果STOPl為高，即Vi高于目標，那么傳送晶體管94由"或"門96的反相輸入斷開，且高電壓線V!與輸出級58的輸出斷開。如果信號STOP2為高，那么傳送晶體管94由"或"門96的非反相輸入接通，且信號由ST0P1經由"與"門92控制。為了確保電壓V2不超過最大值V^x，選擇滿足以下關系的若干
個級即足夠
<formula>formula see original document page 9</formula>
如所屬領域的一般技術人員將了解，如果需要的話，可將額外電路添加到本文所示的所有電路，以恢復高電壓線上由于切換活動而產生的較小過沖。本發(fā)明不需要重復電荷泵電路或線性調節(jié)器電路，其將導致所占用的硅面積的增加。本發(fā)明允許單個電荷泵電路具有一個以上輸出?？捎妹}沖跳躍調節(jié)器來調節(jié)不同輸出，每一脈沖跳躍調節(jié)器控制一組不同的泵級。替代實施方案使用單組時鐘信號，因此同時啟用所有泵級。
雖然已展示并描述了本發(fā)明的實施例和應用，但所屬領域的技術人員將明白，在不脫離本文的發(fā)明性概念的情況下，比上文所提及的修改多很多的修改是可能的。因此，本發(fā)明僅受所附權利要求書的精神限制。
權利要求
1.一種電荷泵電路，其用于產生多個超過電源電壓的電壓且包含第一組級聯(lián)電荷泵級，其每一者具有輸入和輸出，所述第一組級聯(lián)電荷泵級中的第一個電荷泵級的所述輸入是從所述電源電壓驅動的，所述第一組級聯(lián)電荷泵級中的每一相繼電荷泵級的所述輸入是從所述第一組級聯(lián)電荷泵級中的前一級的所述輸出驅動的；第一輸出級，其具有從所述第一組級聯(lián)電荷泵級中的最后一個電荷泵級的所述輸出驅動的輸入以及耦合到第一電壓節(jié)點的輸出；第二組級聯(lián)電荷泵級，其每一者具有輸入和輸出，所述第二組級聯(lián)電荷泵級中的第一個電荷泵級的所述輸入是從所述第一組級聯(lián)電荷泵級中的最后一個電荷泵級的所述輸出驅動的，所述第二組級聯(lián)電荷泵級中的每一相繼電荷泵級的所述輸入是從所述第二組級聯(lián)電荷泵級中的前一級的所述輸出驅動的；以及第二輸出級，其具有從所述第二組級聯(lián)電荷泵級中的最后一個電荷泵級的所述輸出驅動的輸入以及耦合到第二電壓節(jié)點的輸出。
2. 根據(jù)權利要求1所述的電荷泵電路，其中輸出節(jié)點中的至少一者通過脈沖跳躍電壓 調節(jié)器耦合到其輸出級。
3. 根據(jù)權利要求1所述的電荷泵電路，其中所述輸出節(jié)點中的至少一者通過線性電壓 調節(jié)器耦合到其輸出級。
4. 根據(jù)權利要求1所述的電荷泵電路，其中用于操作所述第一組中的所述電荷泵級的 一組時鐘信號由脈沖跳躍電壓調節(jié)器控制。
5. 根據(jù)權利要求1所述的電荷泵電路，其中用于操作所述第二組中的所述電荷泵級的 一組時鐘信號由脈沖跳躍電壓調節(jié)器控制。
6. 根據(jù)權利要求l所述的電荷泵電路，其中單組時鐘信號操作所述第一和第二組中的所述電荷泵級且耦合到所述第一輸出級的所述輸出的脈沖跳躍電壓調節(jié)器控制所述組時鐘脈沖 向所述第一輸出級的提供。
7. 根據(jù)權利要求l所述的電荷泵電路，其中單組時鐘信號操作所述第一和第二組中的所述電荷泵級；且 耦合到所述第二輸出級的所述輸出的脈沖跳躍電壓調節(jié)器控制所述組時鐘脈沖 向所述第二輸出級的提供。
8. 根據(jù)權利要求1所述的電荷泵電路，其進一步包含時鐘產生器，其將單組時鐘信號耦合到所述第一和第二組中的所述電荷泵級以及 所述第一和第二輸出級，所述時鐘產生器具有停用輸入；第一開關，其耦合于所述第一輸出級與第一輸出節(jié)點之間，且具有控制元件； 第二開關，其耦合于所述第一輸出級與所述第一輸出節(jié)點之間，且具有控制元件；第一比較器，其耦合到參考電壓且通過分壓器耦合到所述第一輸出節(jié)點，所述第 一比較器具有耦合到所述第一開關的所述控制元件的輸出；第二比較器，其耦合到參考電壓且通過分壓器耦合到第二輸出節(jié)點，所述第二比 較器具有耦合到所述第二開關的所述控制元件的輸出；以及"與"門，其具有耦合到所述第一比較器的所述輸出的第一輸入、耦合到所述第 二比較器的所述輸出的第二輸入，以及耦合到所述時鐘產生器的所述停用輸入的輸 出。
9. 根據(jù)權利要求l所述的電荷泵電路，其進一步包含時鐘產生器，其將單組時鐘信號耦合到所述第一和第二組中的所述電荷泵級以及 所述第一和第二輸出級，所述時鐘產生器具有停用輸入；開關，其耦合于所述第一輸出級與所述第一輸出節(jié)點之間，且具有控制元件；第一比較器，其耦合到第一參考電壓且通過分壓器耦合到所述第一輸出節(jié)點，所 述第一比較器具有輸出第二比較器，其耦合到第二參考電壓且耦合到所述第二輸出節(jié)點，所述第二比較 器具有輸出；"與"門，其具有耦合到所述第一比較器的所述輸出的第一輸入、耦合到所述第 二比較器的所述輸出的第二輸入，以及耦合到所述時鐘產生器的所述停用輸入的輸 出；以及"或"門，其具有耦合到所述第一比較器的所述輸出的非反相輸入、耦合到所述 第二比較器的所述輸出的反相輸入，以及耦合到所述開關的所述控制輸入的輸出。
全文摘要
一種用于產生多個超過電源電壓的電壓的電荷泵電路包含第一組級聯(lián)電荷泵級，所述第一組中的第一個電荷泵級的輸入是從所述電源電壓驅動的。第一輸出級具有從所述第一組的最后一個電荷泵級的輸出驅動的輸入和耦合到第一電壓節(jié)點的輸出。提供第二組級聯(lián)電荷泵級，所述第二組的第一個電荷泵級的輸入是從所述第一組的所述最后一個電荷泵級的所述輸出驅動的。第二輸出級具有從所述第二組中的最后一個電荷泵級的輸出驅動的輸入和耦合到第二電壓節(jié)點的輸出。
文檔編號G05F1/10GK101563845SQ200780045887
公開日2009年10月21日 申請日期2007年12月10日 優(yōu)先權日2006年12月11日
發(fā)明者卡塞拉·法維奧·塔桑, 斯特凡諾·西韋羅, 馬爾科·帕塞里尼, 馬西米利亞諾·弗魯利奧 申請人:愛特梅爾公司