專利名稱：形成浮動充電泵的方法及其結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電子學(xué)，尤其涉及形成半導(dǎo)體器件的方法和結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
過去，半導(dǎo)體工業(yè)利用各種方法和結(jié)構(gòu)來形成充電泵電路。充電泵電路通常是接收一個電壓并產(chǎn)生比接收的電壓值更大的輸出電壓的電路。在一些情況下，輸出電壓被轉(zhuǎn)換以從正電壓源生成負電壓。圖1一般地示出了典型的現(xiàn)有技術(shù)的充電泵電路?，F(xiàn)有的充電泵電路100接收電壓輸入102和地參考101之間的電壓。振蕩器電源104生成振蕩器103所使用的電壓。振蕩器103提供在地電勢101和電源104所生成的電勢之間切換的脈沖串。振蕩器103的輸出對泵電容器107充電，泵電容器107再充電輸出電容器110以在輸出111和地101之間產(chǎn)生輸出電壓。該輸出電壓以地101為參考并是大約等于輸入102上的電壓加上振蕩器103的脈沖電壓的電壓。
現(xiàn)有技術(shù)充電泵電路的問題是，輸出電容器兩端的電壓以地為參考。當需要不同類型的參考時，該地參考妨礙了現(xiàn)有技術(shù)充電泵電路的使用。另一個問題是輸出電壓的值。當輸入電壓改變時，輸出電壓的值也增加。因此輸出電壓改變。另外，來自振蕩器103的脈沖的電壓值是固定的，并不易于適用于不同的輸入電壓值102。來自振蕩器103的脈沖電壓的固定特性不易于被改變，而不管輸入電壓的值。

發(fā)明內(nèi)容
因此，期望有一種不以地為參考的充電泵電路，能夠?qū)τ诓煌妮斎腚妷褐等菀椎卣{(diào)整輸出電壓，并可以容易地改變來自充電泵振蕩器的脈沖的電壓值。


圖1一般地舉例說明了現(xiàn)有技術(shù)充電泵的一部分；圖2示意性地說明了根據(jù)本發(fā)明的充電泵電路的實施例的一部分；以及圖3舉例說明了根據(jù)本發(fā)明，包含圖2的充電泵電路部分的半導(dǎo)體器件的放大平面圖。
具體實施例方式
為了舉例說明的簡單和清晰，圖中的元件不一定按比例，并且不同圖中的相同標號代表相同元件。另外，為了描述簡單，省略了公知步驟和元件的描述和細節(jié)。如這里所使用的，電流承載電極表示承載流經(jīng)器件的電流的該器件的元件，諸如金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管的源極或漏極，或者雙極晶體管的發(fā)射極或集電極，以及控制電極表示控制流經(jīng)器件的電流的器件的元件，諸如MOS晶體管的柵極或雙極晶體管的基極。盡管器件在這里被解釋為某種N-溝道或P-溝道器件，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，根據(jù)本發(fā)明互補器件也是可能的。
圖2示意性說明了浮動充電泵電路10的實施例，該電路在輸出17上提供隨至電路10的輸入電壓值而浮動的輸出電壓。輸出17和電壓輸入55之間的輸出電壓被形成為大于施加至電路10的輸入電壓的第一電壓。電路10從輸入55和電壓返回16之間的電壓源13接收輸入電壓。電路10在輸出17和輸入55之間形成比施加給輸入55的輸入電壓大第一電壓值的輸出電壓。輸出17上的輸出電壓以高端電壓或高端電源線或輸入55的電壓為參考。當輸入電壓改變時，輸入55和輸出17之間的輸出電壓保持從輸入電壓偏移第一電壓值，因此，輸出電壓總是比輸入電壓大第一電壓值。第一電壓值是可以選擇的，如在下文的詳細描述中可以看出的。
電路10包括充電泵控制器11、充電泵電容器46、充電泵輸出電路12、電阻器35和反饋網(wǎng)絡(luò)36。典型地耦合負載50以從電路10接收輸出電壓。例如，負載50可以是從電路10接收控制電壓以便實施“或”運算功能的“或”運算二極管電路。這種“或”運算電路的一個舉例是被公知為PIP401的半導(dǎo)體器件，PIP401可以從荷蘭Eindhoven的菲力普半導(dǎo)體獲得。充電泵輸出電路12包括阻塞二極管41、充電二極管42和輸出電容器43。電路12在端子18被連接到高端電壓、高端電源線或輸入電壓。
控制器11典型地接收電壓輸入14和控制器11的電壓返回34之間的輸入電壓，并響應(yīng)地在輸出19上提供驅(qū)動信號。電壓返回34典型地被連接到電路10的電壓返回16。輸出19上的驅(qū)動信號的電壓擺動具有在控制器11的反饋輸入15上接收的反饋(FB)信號所設(shè)置的最大值。反饋網(wǎng)絡(luò)36包括串聯(lián)連接在控制器11的調(diào)整器輸出20和返回16之間的第一反饋電阻器37和第二反饋電阻器38。網(wǎng)絡(luò)36還包括與電阻器37并聯(lián)的電容器39。如下文中進一步看到的，輸出17和輸入55之間的輸出電壓值基本上等于輸出19上的驅(qū)動信號的電壓擺動的最大值。
控制器11包括內(nèi)部電源56、參考電壓發(fā)生器或參考25、限壓器或箝位器29、電壓調(diào)整器22、振蕩器26、過充電保護電路21和輸出驅(qū)動器，該輸出驅(qū)動器包括上驅(qū)動晶體管27和下驅(qū)動晶體管28。以通常的方式由虛線框來表示調(diào)整器22、電路21和晶體管27和28。在一個實施例中，箝位器29是齊納二極管，但是，其也可以是將輸入14上的電壓限制到期望的最大值的任何電路。在優(yōu)選實施例中，箝位器29是30伏(30V)的齊納二極管。在該優(yōu)選實施例中，振蕩器26被形成為在給定頻率振蕩，該給定頻率典型地在大約100千赫茲和1兆赫茲(100KHz-1MHz)之間。過充電保護電路21包括比較器31、“或”門33和偏移電壓或偏移32。調(diào)整器22包括誤差放大器23和調(diào)整器晶體管24。箝位器29與電阻器35一起箝位提供給輸入14的電壓的最大值以保護控制器11。
電源56在電源56的輸出57上形成內(nèi)部操作電壓。該內(nèi)部操作電壓通常用于操作放大器23、參考25、振蕩器26、比較器31、偏移32和門33。盡管為了圖的簡化未示出，電源56連接在輸入14和返回34之間以從輸入14接收電壓。典型地連接放大器23、參考25、振蕩器26、比較器31、偏移32和門33以接收輸出57和返回34之間的調(diào)整后的內(nèi)部操作電壓。調(diào)整器22在內(nèi)部電壓結(jié)點30處形成調(diào)整后的電壓。結(jié)點30上的調(diào)整后的電壓通常用于生成輸出19上的泵電壓。在結(jié)點30產(chǎn)生的調(diào)整后的電壓的值依賴于反饋輸入15上所接收的反饋電壓的值。在一些實施例中，可以從結(jié)點30上的電壓獲得內(nèi)部操作電壓，而不是從電源56獲得。
放大器23在放大器23的非反向輸入上從參考25接收參考電壓，在反向輸入上接收反饋(FB)電壓，并響應(yīng)地驅(qū)動晶體管24以在結(jié)點30上提供調(diào)整后的電壓。結(jié)點30上的調(diào)整后的電壓值還設(shè)置了輸出19上的驅(qū)動信號的電壓擺動的上或高值。選擇電阻器37和38的值以在輸出19上提供驅(qū)動信號的期望上值或高值。輸出驅(qū)動器的晶體管27和28以圖騰柱方式串聯(lián)連接在結(jié)點30和返回34之間用于倒相器結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選實施例中，晶體管27和28分別為P-溝道MOS晶體管和N-溝道MOS晶體管。當晶體管27導(dǎo)通時，輸出19被耦合到結(jié)點30以提供輸出19上的驅(qū)動信號的電壓擺動的上限。該上限被稱為泵電壓。因此，泵電壓基本上等于結(jié)點30上的電壓值。當晶體管28導(dǎo)通時，輸出19被耦合至返回16，以提供基本上等于返回16上的電壓值的電壓作為驅(qū)動信號的電壓擺動的下限。
假定比較器31的輸出為低，振蕩器26生成由驅(qū)動電路接收的脈沖序列，驅(qū)動電路響應(yīng)地用振蕩信號或交替脈沖驅(qū)動輸出19以形成驅(qū)動信號。當輸出19為低時，二極管41被前向偏置，并且端子18上的輸入電壓被耦合至結(jié)點44以基本上將輸入電壓施加到電容器46的一個極板上。當輸出19變高時，結(jié)點44被驅(qū)動至大于端子18上的電壓的值，反向偏置二極管41并將結(jié)點44驅(qū)動至基本上等于端子18上的輸入電壓加上輸出19上的泵電壓的電壓。這前向偏置二極管42并將電壓從電容器46施加到電容器43的一側(cè)。電容器43兩端的結(jié)果電壓基本上為泵電壓的值。由于電容器43以高端電源線或輸入電壓的高端為參考，輸出17和輸入55之間的輸出電壓的值基本上為泵電壓。由于二極管41和42的壓降與這些電壓值相比很小，二極管41和42的壓降被忽略，而電壓被認為基本上相等以便示出包括了二極管壓降。因此，電容器43兩端的輸出電壓為泵電壓減去二極管41和42的壓降。
例如，假定選擇反饋網(wǎng)絡(luò)36以在結(jié)點30上形成10伏(10V)的電壓，以及電壓源13為48伏(48V)。當輸出19為低時，基本上48伏(48V)的電壓通過二極管41被施加到結(jié)點44并施加到電容器46的一個極板上。如可以看出的，結(jié)點44上的電壓為48伏(48V)減去二極管41的壓降。當輸出19升高到10伏(10V)時，結(jié)點44被驅(qū)動至基本上58伏(58V)。如可以看出的，從端子18上的48伏(48V)加上輸出19的10伏(10V)減去二極管41的壓降而形成基本上58伏(58V)。該基本上58伏反向偏置二極管41并前向偏置二極管42，并且該基本上58伏(58V)通過二極管42被施加至電容器43的一端。施加至電容器43的該基本上58伏(58V)是從電容器46所提供的結(jié)點44上的基本上58伏(58V)減去二極管42的壓降而形成的。由于二極管42被前向偏置，電容器43充電到基本上10伏(10V)。如可以看出的，該基本上10伏(10V)是10伏減去二極管41和42的壓降。由于電容器43以高端電壓為參考，輸出17上的輸出電壓基本上為電容器43兩端的10伏(10V)。對于振蕩器26的每個周期繼續(xù)充電電容器43的周期。
可以看出，輸出17跟隨施加至輸入55的電壓。當施加至輸入55的電壓改變時，這種改變立即被施加至電容器43的一側(cè)。由于電容器43被充電至基本上等于輸出19的高水平電壓擺動的電壓，由于輸出17上的電壓保持電容器43兩端的電壓，輸出17立即跟隨輸入55中的改變。因此，通過將充電泵輸出電容器連接到高端電壓或高端電源線或輸入55上的電壓而浮動充電泵，允許電路10的輸出電壓迅速跟隨充電泵的輸入電壓中的任何改變。
過充電保護電路21便于當電路10首次被供電時或當輸入55上存在快速或瞬變時保護電路10。比較器31比較輸入15上的反饋電壓和參考電壓加上偏移32的值。偏移32的值形成保護值并通常為參考25所提供的參考電壓值的百分之十(10％)。偏移32可以在比較器31外部或形成為內(nèi)部偏移電壓。在任何一種情況下，偏移32的電壓為偏移反向輸入的正電壓，使得將同一電壓施加至兩個輸入導(dǎo)致反向輸入接收大于非反向輸入上所接收的電壓的電壓。在優(yōu)選實施例中，偏移32被設(shè)計為比較器31的反向輸入。這種內(nèi)部偏移電壓對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是公知的。如果輸入15上的反饋電壓增加超過參考電壓值多于偏移32的值，則比較器31的輸出變高，接通晶體管28并禁止控制器11充電電容器46和43，從而保護連接到輸出17的負載以及晶體管27和28免受過壓情況。
為了提供上述功能，電阻器35的第一端連接到輸入55，以及電阻器35的第二端連接到控制器11的輸入14。控制器11的輸入14連接到齊納二極管29的陰極，以及二極管29的陽極連接到返回34。晶體管24的漏極連接到輸入14，以及晶體管24的源極共連到結(jié)點30和輸出20。晶體管24的柵極連接到放大器23的輸出。放大器23的非反向輸入連接到參考25的輸出，以及放大器23的反向輸入共連到比較器31的非反向輸入和輸入15。振蕩器26的輸出連接到門33的第一輸入，以及門33的第二輸入連接到比較器31的輸出。門33的輸出共連到晶體管27和28的柵極。晶體管27的源極連接到結(jié)點30，以及晶體管27的漏極共連到輸出19和晶體管28的漏極。晶體管28的源極連接到返回34。比較器31的反向輸入連接到放大器23的非反向輸入。
反饋網(wǎng)絡(luò)36的電阻器37的第一端共連到電容器39的第一端和控制器11的輸出20，以及電阻器37的第二端共連到電阻器38的第一端、電容器39的第二端和輸入15。電阻器38的第二端連接到返回16。電容器46的第一端或低極板連接到輸出19，以及電容器46的第二端或上極板共連到二極管42的陽極和二極管41的陰極。二極管41的陽極連接到端子18和電容器43的第一端或輸入極板。電容器43的第二端或輸出極板共連到輸出17和二極管42的陰極。
圖3示意性說明了在半導(dǎo)體基片61上形成的半導(dǎo)體器件60的實施例部分的放大平面圖。在基片61上形成控制器11。基片61可以包括為了附圖的簡單而未在圖3中示出的其它電路。通過本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的半導(dǎo)體制造技術(shù)在基片61上形成控制器11和器件60。
考慮到以上所有描述，明顯地公開了一種新穎的器件和方法。包括形成一種充電泵電路，具有相對于充電泵電路的輸入電壓而浮動的輸出。充電泵電路的輸出電容器以高端電壓或輸入電壓的高端電源線為參考，允許輸出電壓相對于地參考或下電源線而浮動，并用于不以地或下電源線為參考的電路。另外，輸出電容器以高端電源線為參考減小了電容器兩端的電壓，從而允許更低擊穿電壓的電容器，這減少了成本。高端參考還減小了施加至控制電路的電壓，從而允許更低擊穿電壓的半導(dǎo)體器件，這也減少了成本。
盡管用特定優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，許多替代或改變將是明顯的。
本申請基于已于2004年3月29日向美國提交的專利申請?zhí)?0/811050。
權(quán)利要求
1.一種形成浮動充電泵的方法，包括使浮動充電泵的輸出電容器以高端電壓為參考。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，使浮動充電泵的輸出電容器以高端電壓為參考的步驟包括耦合輸出電容器的一端以接收高端電壓，并耦合輸出電容器的第二端以接收浮動充電泵的泵電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括耦合泵電容器以充電到基本上等于高端電壓加上浮動充電泵的泵電壓的電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括當浮動充電泵的泵電壓超過保護值時，耦合浮動充電泵以禁止充電輸出電容器。
5.一種浮動充電泵電路，包括耦合以接收輸入電壓的第一輸入；和以所述輸入電壓為參考的輸出電容器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的浮動充電泵電路，其中，以所述輸入電壓為參考的輸出電容器包括可操作地耦合以充電到基本上等于浮動充電泵電路的泵電壓的電壓的輸出電容器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的浮動充電泵電路，還包括充電泵電容器，耦合以接收浮動充電泵電路的泵電壓并接收輸入電壓，該充電泵電容器具有第一端和第二端。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的浮動充電泵電路，還包括耦合至充電泵電容器的第一端并耦合以接收輸入電壓的第一二極管。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的浮動充電泵電路，所述輸出電容器具有耦合以接收輸入電壓的第一端和耦合至第二二極管的第二端，該第二二極管耦合至所述充電泵電容器的第一端。
10.一種形成充電泵控制器的方法，包括形成可操作地用于接收反饋信號的第一輸入，所述反饋信號代表所述充電泵控制器的內(nèi)部調(diào)整后的電壓；和當所述內(nèi)部調(diào)整后的電壓超過所述充電泵控制器的保護值時，耦合所述充電泵控制器以禁止生成充電泵信號。
全文摘要
在一個實施例中，使充電泵電路的電容器以高端電壓或頂端電壓線為參考。
文檔編號H02M5/00GK1677818SQ200510062478
公開日2005年10月5日 申請日期2005年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月29日
發(fā)明者史蒂芬·米克, 阿蘭·R·保爾 申請人:半導(dǎo)體元件工業(yè)有限責(zé)任公司