DE10157997A1

DE10157997A1 - Ladungspumpschaltung und zugehöriges Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE10157997A1
Application number: DE10157997A
Authority: DE
Inventors: Byeong-Hoon Lee; Seung-Keun Lee; Seung-Won Lee
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2001-07-07
Filing date: 2001-11-23
Publication date: 2003-01-30
Also published as: US20030006825A1; JP2003134800A; JP4044800B2; US6690227B2; KR20030004935A; TW525176B; KR100399359B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ladungspumpschaltung mit einem Eingang (162) zum Empfangen einer Eingangsspannung, einem Ausgang (163) zur Ausgabe einer Ausgangsspannung und mehreren Ladungspumpstufen (PS), die in Serie zwischen Eingang und Ausgang eingeschleift sind, sowie auf ein Betriebsverfahren für eine solche Schaltung. DOLLAR A Erfindungsgemäß enthält die jeweilige Pumpstufe einen Ladungstransfertransistor (Mt), zwei Kondensatoren (Cc, Ct) zwischen einem Gate-Anschluss des Ladungstransfertransistor und einem Taktsignal bzw. zwischen einem Source- oder Drain-Anschluss des Ladungstransfertransistors und dem Taktsignal sowie ein Strompfadbereitstellungsmittel (D1) zwischen dem Gate-Anschluss und dem Dource- oder Drain-Anschluss des Ladungstransfertransistors. Diese Ladungspumpschaltung kann eine hohe, stabile Spannung aus einer sehr niedrigen Spannung erzeugen und eine hohe Zielspannung während eines langen Zeitintervalls ohne eine starke Abnahme der Kapazität aufrechterhalten. DOLLAR A Verwendung z. B. für Flash-Speicherbauelemente.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ladungspumpschaltung mit einem Eingang zum Empfangen einer Eingangsspannung, einem Ausgang zur Ausgabe einer Ausgangsspannung und mehreren Ladungspumpstufen, die in Serie zwischen Eingang und Ausgang eingeschleift sind, sowie auf ein Betriebsverfahren für eine solche Schaltung.

In jüngster Zeit sind viele Versuche zur Reduktion der Versorgungsspannung unternommen worden. Besonders elektrisch lösch- und programmierbare Festwertspeicher vom Flash-Typ, abgekürzt Flash- EEPROM, sind für den Betrieb bei sehr niedrigem Spannungspegel entworfen worden (z. B. 2 V oder niedriger).

Im Falle des Löschens oder Programmierens des Flash-EEPROM sind jedoch Mittel erforderlich, die aus einer niedrigen Spannung eine hohe Spannung (z. B. 10 V oder größer) erzeugen, da diese vom Flash- EEPROM benötigt wird. Normalerweise wird eine Ladungspumpschaltung als Mittel zur Erzeugung der hohen Spannung eingesetzt, wobei die Ladungspumpschaltung eine benötigte hohe Spannung aus einer Versorgungsspannung von 5 V oder 3,3 V erzeugt. Wenn die Versorgungsspannung abnimmt, nimmt im allgemeinen die Pumpleistung der Ladungspumpschaltung ab. Schlimmstenfalls kann als Problem auftreten, dass die benötigte hohe Spannung nicht mehr zur Verfügung gestellt wird.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Ladungspumpschaltung und eines zugehörigen Betriebsverfahrens zugrunde, die auch bei sehr kleinen Betriebsspannungen eine hohe Ladungspumpeffizienz ermöglichen und eine gewünschte hohe Spannung für lange Zeitintervalle ohne starke Kapazitätsverringerung zur Verfügung stellen können.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Ladungspumpschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eines Betriebsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 10.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Schaltkreises zur Erzeugung einer hohen Spannung,
Fig. 2 ein Schaltbild einer vorteilhaften Realisierung eines Oszillatorblocks aus Fig. 1,
Fig. 3 ein Schaltbild einer vorteilhaften Realisierung eines Treiberblocks aus Fig. 1,
Fig. 4 ein Schaltbild einer ersten Realisierung einer Ladungspumpschaltung aus Fig. 1,
Fig. 5 ein Schaltbild einer Ladungspumpschaltung gemäß Fig. 4 unter Verwendung von PMOS-Transistoren,
Fig. 6 ein Schaltbild einer zweiten Realisierung der Ladungspumpschaltung aus Fig. 1,
Fig. 7 und 8 Schaltbilder einer jeweiligen Ladungspumpschaltung gemäß Fig. 6 unter Verwendung von PMOS-Transistoren,
Fig. 9 ein Diagramm der Ausgangsspannungsänderung von Ladungspumpschaltungen über der Zeit, und
Fig. 10A und 10B Diagramme von Simulationen der Pumpleistung und der Pumpkapazität einer Ladungspumpschaltung.
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Schaltkreises zur Erzeugung einer hohen Spannung. Das Bezugszeichen 120 markiert einen Oszillatorblock, das Bezugszeichen 140 einen Treiberblock und das Bezugszeichen 160 eine Ladungspumpschaltung. Der Oszillatorblock 120 führt eine Oszillationsoperation in Abhängigkeit eines low-aktiven Pumpfreischaltungssignals nPUMPen aus und gibt folglich Oszillationssignale φP und /φP mit komplementären Zustanden aus. Wie aus Fig. 2, die ein detailliertes Schaltbild des Oszillatorblocks 120 darstellt, ersichtlich ist, weist der Oszillatorblock 120 ein NOR-Gatter G1 und vier Inverter N1 bis N4 auf, die gemäß Fig. 2 verschaltet sind. Wie weiterhin aus Fig. 1 ersichtlich ist, empfängt der Treiberblock 140 die Oszillationssignale φP und /φP vom Oszillatorblock 120, um komplementäre Taktsignale φ und /φ auszugeben. Der Treiberblock 140 besteht aus vier Invertern, die gemäß Fig. 3 verschaltet sind.
Wie aus Fig. 4, die eine erste Realisierung einer Ladungspumpschaltung 160 von Fig. 1 zeigt, ersichtlich ist, beinhaltet die Ladungspumpschaltung 160 einen PMOS-Transistor MP0 und mehrere Pumpstufen PS.
Der PMOS-Transistor MP0 wird als ein Vorlade-Transistor benutzt und ist zwischen einen Versorgungsspannungsanschluss 161 und einen Vorladungsknoten 162 eingeschleift. Die Pumpstufen PS sind seriell zwischen einen Vorladungsknoten 162 und einen Ausgangsanschluss 163 eingeschleift. Der PMOS-Transistor MP0 arbeitet in Abhängigkeit von einem Pumpfreischaltungssignal nPUMPen als einem Steuersignal. Geradzahlig numerierte (oder ungeradzahlig numerierte) Pumpstufen arbeiten in Abhängigkeit vom Taktsignal φ, und ungeradzahlig numerierte (oder geradzahlig numerierte) Pumpstufen arbeiten in Abhängigkeit vom Taktsignal /φ. Jede Pumpstufe PS beinhaltet zwei Kondensatoren Ct und Cc, einen PMOS-Transistor Mt und einen ersten und einen zweiten Strompfad (oder Ladungspfad), wobei jeder aus Dioden D1 und D2 besteht. Jede Pumpstufe PS ist mit den gleichen Bezugszeichen markiert. Ein tiefgestelltes "t" eines Bezugszeichens weist auf den Anfangsbuchstaben des Begriffs "Transfer" hin, ein tiefgestelltes "c" weist auf den Anfangsbuchstaben des Begriffs "Control", d. h. "Steuerung", hin.
Aus Gründen der Einfachheit der Beschreibung wird eine Schaltkreiskonfiguration unter Bezugnahme auf eine erste Pumpstufe PS erläutert, die verbleibenden Pumpstufen sind jedoch in gleicher Weise konfiguriert. Der PMOS-Transistor Mt, der als Ladungstransferelement benutzt wird, hat einen Gate-Anschluss, einen Drain-Anschluss, einen Source- Anschluss und einen Substrat-Anschluss. Der Source-Anschluss des Transistors Mt ist mit dem Vorladungsknoten 162 verbunden, der Drain- Anschluss mit einem Knoten Nt (oder einem Ladungstransferknoten) und der Gate-Anschluss mit einem Anschluss des Kondenstors Cc. Der andere Anschluss des Kondensators Cc ist so angekoppelt, dass er das Taktsignal φ empfängt. Die Diode D1, die den ersten Strompfad bildet, hat einen Anodenanschluss der mit dem Drain-Anschluss des Transistors Mt verbunden ist, d. h. mit dem Knoten Nt, und einen Kathodenanschluss, der mit der Gateelektrode des Transistors Mt verbunden ist. Die Diode D2, die den zweiten Strompfad bildet, hat einen Anodenanschluss, der mit dem Gate-Anschluss des Transistors Mt verbunden ist, und einen Kathodenanschluss, der mit der Drainelektrode des Transistors Mt verbunden ist, d. h. mit dem Knoten Nt. Ein Anschluss des Kondensators Ct ist mit dem Knoten Nt verbunden, d. h. mit der Drainelektrode des Transistors Mt, sein anderer Anschluss ist so angekoppelt, dass er das Taktsignal φ empfängt.
In jeder der übrigen Pumpstufen ist ein Source-Anschluss des PMOS- Transistors Mt mit dem Knoten Nt (oder einen Drain-Anschluss eines Ladungstransfertransistors) einer vorhergehenden Pumpstufe verbunden. Ein Substrat-Anschluss des PMOS-Transistors Mt wird in jeder Pumpstufe PS in einem floatenden, d. h. potentialschwebenden Zustand gehalten.
Hierbei bildet die Diode D1 einen Strompfad, auf dem Strom bzw. Ladung vom Drain-Anschluss des PMOS-Transistors Mt zum Gate- Anschluss desselben fließen kann. Die Diode D1 verhindert einen Ladungsfluss in den Source-Anschluss des Transistors Mt oder zu einer vorhergehenden Stufe, verursacht durch einen Spannungsanstieg des Knotens Nt. Durch die Diode D1 wird die Gateelektrodenspannung des Transistors Mt passend angehoben. Die Diode D2 bildet einen Strompfad, auf dem Strom bzw. Ladung vom Gate-Anschluss des PMOS- Transistors Mt (oder Knoten Nt) zur Drainelektrode desselben fließen kann. Die Diode D2 wird dazu benutzt, übermäßige Ladungen (oder Überschussladungen), die in den Gate-Anschluss des PMOS-Transistors fließen, zum Knoten Nt abzuleiten.
Die Dioden D1 und D2, die den ersten und zweiten Strompfad in jeder Pumpstufe PS bilden, können unter Verwendung eines MOS-Prozesses implementiert sein. Dies kann durch entsprechende Verschaltung von Gate-, Source-, und Drain-Anschlüssen eines MOS-Transistors erreicht werden, der dann als Diode wirkt. Eine bevorzugte Ausführungsform einer Ladungspumpschaltung, der einen MOS-Transistor anstatt einer Diode aus Fig. 4 benutzt, ist in Fig. 5 abgebildet. Die Drain- und Gate- Anschlüsse eines PMOS-Transistors Mc1, der den ersten Strompfad bildet, sind mit dem Gate-Anschluss des PMOS-Transistor Mt und sein Source-Anschluss mit dem Knoten Nt verbunden. Der Source- Anschluss eines PMOS-Transistors Mc2, der den zweiten Strompfad bildet, ist mit dem Gate-Anschluss des PMOS-Transistors Mt verbunden, und seine Drain- und Gate-Anschlüsse sind gemeinsam an den Drain- Anschluss des PMOS-Transistors Mt, d. h. an den Knoten Nt, angeschlossen. Die Substrat-Anschlüsse der PMOS-Transistoren Mc1 und Mc2 werden in einem floatenden Zustand gehalten.
Ein Betrieb der Ladungspumpschaltung wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 genauer beschrieben. Wenn das Pumpfreischaltungssignal nPUMPen einen L-Pegel einnimmt, wird der PMOS-Transistor MP0, der als ein Vorladungselement benutzt wird, eingeschaltet. Folglich werden dem Vorladungsknoten 162 Ladungen vom Versorgungsspannungsanschluss 161 zugeführt. Wenn das erste Taktsignal φ einen L-Pegel einnimmt und das zweite Taktsignal /φ einen H-Pegel einnimmt, wird die Gateelektrodenspannung des PMOS-Transistors Mt in einer ersten oder ungeradzahligen Pumpstufe PS niedriger als die Sourceelektrodenspannung des Transistors Mt abzüglich seiner Schwellenspannung, so dass Ladungen, die in den Vorladungsknoten 162 fließen, durch den PMOS-Transistor Mt zum Knoten Nt transportiert werden.
Wenn dann das erste Taktsignal φ einen H-Pegel einnimmt und das zweite Taktsignal /φ einen L-Pegel einnimmt, wird die Gateelektrodenspannung des PMOS-Transistors Mt in einer zweiten oder geradzahligen Pumpstufe PS niedriger als die Sourceelektrodenspannung des Transistors Mt abzüglich seiner Schwellenspannung, so das Ladungen am Knoten Nt der ersten Pumpstufe zum Knoten Nt der zweiten Pumpstufe durch den PMOS-Transistor Mt der zweiten Pumpstufe fließen. Zu diesem Zeitpunkt wird die Gateelektrodenspannung des PMOS- Transistors der ersten Pumpstufe durch eine Kopplungsspannung des Kondensators Cc erhöht, so dass ein Ladungs- oder Stromfluß vom Knoten Nt der ersten Pumpstufe zum Vorladungsknoten 162 blockiert werden kann.
Der Betrieb der anderen Pumpstufen wird sukzessiv durch diesselbe Betriebsweise wie oben beschrieben durchgeführt. Folglich wird Ladung vom Versorgungsspannungsanschluss 161 zum Ausgangsanschluss 163 transportiert. Das bedeutet, dass die Spannungen am Knoten Nt jeder Pumpstufe und am Ausgangsanschluss 163 allmählich zunehmen. Dieser Pumpbetrieb kann so lange durchgeführt werden, bis eine benötigte Ausgangsspannung Vpump erreicht ist.
Wenn die Spannung des Knotens Nt in jeder Pumpstufe PS zunimmt, nimmt die Gateelektrodenspannung des PMOS-Transistors Mt jeder Pumpstufe PS zusammen mit der Spannung des Knoten Nt jeder Pumpstufe PS zu. Dies ermöglicht es dem PMOS-Transistor Mt jeder Pumpstufe PS, Ladungen zu übertragen und einen Ladungsrückfluss zu verhindern. Dies kann durch ein nachfolgendes Verfahren erreicht werden. Angenommen, dass die Spannung des Knotens Nt in jeder Pumpstufe PS höher als eine Spannung von Vg plus Vtn wird, wobei die Spannung Vg die Gateelektrodenspannung des PMOS-Transistors darin und die Spannung Vtn eine Schwellenspannung des als Diode beschalteten PMOS-Transistors Mc1 ist. In diesem Fall werden Ladungen an dem Knoten Nt in jeder Pumpstufe PS in den Gate-Anschluss des PMOS-Transistors Mt übertragen, so dass die Gateelektrodenspannung des PMOS-Transistors Mt jeder Pumpstufe PS erhöht wird.
In dem Fall, dass der oben beschriebene Pumpbetrieb während eines kurzen Zeitintervalls, z. B. über einige zehn Mikrosekunden, durchgeführt wird, kann die Spannung des Knotens Nt in jeder Pumpstufe PS stabil gehalten werden. Hierbei bedeutet eine stabile Spannung, dass eine Spannung, die als eine Ausgangsspannung Vpump gewünscht wird, eine benötigten Spannungswert erreicht. In dem Fall, dass der oben beschriebene Pumpbetrieb während eines langen Zeitintervalls, z. B. über mehrerer hundert Mikrosekunden, durchgeführt wird, das heißt, dass der Pumpbetrieb weiter durchgeführt wird, nachdem der Knoten Nt die stabile Spannung hat, wird die Gateelektrodenspannung des PMOS- Transistors Mt in jeder Pumpstufe PS über die stabile Spannung hinaus erhöht. Dies liegt daran, dass zu viel Ladungen vom Knoten Nt über den ersten Strompfad, gebildet durch die Diode D1, in den Gate-Anschluss des Transistors Mt fließen. Dies verursacht, dass eine Spannungsdifferenz zwischen dem Gate- und dem Source-Anschluss des Transistors Mt in jeder Pumpstufe reduziert werden muss.
Der als Diode beschaltete PMOS-Transistor Mc2, der den zweiten Strompfad bildet, kann das oben beschriebene Phänomen unterdrücken, das hervorgerufen wird, wenn der Pumpbetrieb über ein langes Zeitintervall hinweg weiter ausgeführt wird. Das heißt, wenn das erste Taktsignal φ auf H-Pegel und das zweite Taktsignal /φ auf L-Pegel ist, fließen übermäßige Ladungen (oder Überschussladungen), die in den Gate- Anschluss des Transistors Mt in jeder Pumpstufe fließen, vom Gate- Anschluss über den zweiten Strompfad, oder den als Diode beschalteten PMOS-Transistor Mc2, in den Knoten Nt ab. Wenn der oben beschriebene Vorgang wiederholt wird, wird die Gateelektrodenspannung des PMOS-Transistors in jeder Pumpstufe PS geeignet oder stabil gehalten. In anderen Worten hält, obwohl der Pumpbetrieb der Ladungspumpschaltung gemäß der Erfindung weiter während eines langen Zeitintervalls, z. B. über mehrere hundert Mikrosekunden, durchgeführt wird, dessen Gate-Anschluss die stabile Spannung aufrecht, so dass eine stabile oder gewünschte Ausgangsspannung Vpump erhalten werden kann.
Fig. 6 ist ein Schaltbild, das eine Ladungspumpschaltung 160 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Bezugnehmend auf Fig. 6 umfasst die Ladungspumpschaltung 160 einen PMOS-Transistor MP0, der als ein Vorladetransistor benutzt wird, und mehrere Pumpstufen PSa. Der PMOS-Transistor MP0 ist zwischen einen Versorgungsspannungsanschluss 161a und einen Vorladungsknoten 162a eingeschleift und wird in Abhängigkeit von einem Pumpfreischaltungssignal nPUMPen an- bzw. abgeschaltet. Die Pumpstufen PSa sind in Serie zwischen den Vorladungsknoten 162a und einen Ausgangsanschluss 163 eingeschleift, um eine Ausgangsspannung Vpump auszugeben. Jede Pumpstufe PSa arbeitet in Abhängigkeit von einem ersten und zweiten Taktsignal φ und /φ, die vom Treiberblock 140 von Fig. 1 übertragen werden. Jede Pumpstufe PSa umfasst drei Kondensatoren Cta, Cca und Cp, einen PMOS-Transistor Mta und einen ersten und einen zweiten Strompfad, die aus drei Dioden D1a, D2a und D3a bestehen. Bestandteile jeder Pumpstufe PSa sind durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Zur einfacheren Beschreibung wird nur eine Schaltkreiskonfiguration auf einer ersten Pumpstufe PSa erläutert. Der Transistor Mta, welcher als der Vorladetransistor benutzt wird, hat einen Gate-Anschluss, einen Drain-Anschluss, einen Source-Anschluss und einen Substrat- Anschluss. Sein Source-Anschluss ist mit dem Vorladeknoten 162a, sein Drain-Anschluss mit einem Knoten Nta und sein Gate-Anschluss mit einem Anschluss des Kondensators Cca verbunden. Der andere Anschluss des Kondensators Cca ist so angekoppelt, dass er das erste Taktsignal φ empfängt. Ein Anschluss des Kondensators Cta ist mit dem Drain-Anschluss des Transistors Mta verbunden, das heißt mit dem Knoten Nta, und der andere Anschluss des Kondensators Cta ist so angeschlossen, dass er das erste Taktsignal φ empfängt. Hierbei ist der Knoten Nta mit einem Source-Anschluss des PMOS-Transistors Mta in einer nächsten Pumpstufe PSA gekoppelt, die Diode D1a bildet den ersten Strompfad, und die Dioden D2a und D3a und der Kondensator Cp bilden den zweiten Strompfad.
Die Diode D1a, die den ersten Strompfad bildet, hat einen Anodenanschluss, der mit dem Knoten Nta verbunden ist, und einen Kathodenanschluss, der mit dem Gate-Anschluss des Transistors Mta verbunden ist. Im zweiten Strompfad, der aus dem Kondensator Cp und den Dioden D2a und D3a besteht, sind ein Anodenanschluss der Diode D2a mit dem Gate-Anschluss des Transistors Mta und ein Kathodenanschluss der Diode D2a mit einem Anodenanschluss der Diode D3a gekoppelt. Ein Kathodenanschluss der Diode D3a ist mit dem Knoten Nta verbunden, das heißt mit dem Drain-Anschluss des Transistors Mta. Ein Anschluss des Kondensators Cp ist mit einem Verbindungsknoten zwischen dem Kathodenanschluss der Diode D2a und dem Anodenanschluss der Diode D3a verbunden, und der andere Anschluss des Kondensators Cp wird mit dem Taktsignal /φ versorgt.
Wie aus Fig. 6 ersichtlich, ist ein Source-Anschluss des PMOS- Transistors Mta in den jeweils verbleibenden Pumpstufen PSa mit einem Knoten Nta einer vorigen Pumpstufe PSa verbunden, das heißt mit einem Drain-Anschluss eines Ladungstransfertransistors. Ein Substratanschluss des PMOS-Transistors Mta in jeder Pumpstufe PSa wird jeweils in einem floatenden Zustand belassen.
Wie oben beschrieben, bildet die Diode D1a einen Strompfad, der es ermöglicht, dass Strom oder Ladungen vom Drain-Anschluss des PMOS-Transistors Mta (oder ein Knoten Nta) zu seinem Gate-Anschluss fließen können. Die Diode D1a verhindert, dass Ladungen in eine vorige Pumpstufe zurück fließen, und hebt eine Gateelektrodenspannung des Transistors Mta passend an. Die Dioden D2a und D3a und der Kondensator Cp bilden einen Strompfad, der es ermöglicht, dass Strom oder Ladungen vom Gate-Anschluss des Transistors Mta zu seinem Drain- Anschluss (oder dem Knoten Nta) fließen können. Die Bestandteile D2a, D3a und Cp werden benutzt, um zu viel oder überschüssige Ladungen, die in den Gate-Anschluss des Transistors Mta fließen, zum Knoten Nta abzuleiten.
Die Dioden D1a, D2a und D3a in jeder Pumpstufe PSa können mit Hilfe eines bekannten reinen MOS-Prozesses hergestellt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Anschlüsse eines MOS-Transistors geeignet verschaltet werden, so dass dieser als Diode arbeitet. Eine bevorzugte Ausführungsform des Ladungspumpschaltkreises, realisiert unter Verwendung des MOS-Transistors, ist in Fig. 7 veranschaulicht. In Fig. 7 gehören PMOS-Transistoren Mca, Mcb und Mcc zu Dioden D1a, D2a bzw. D3a in jeder Pumpstufe PSa von Fig. 6. Bezugnehmend auf Fig. 7 sind die Drain- und Gate-Anschlüsse des PMOS-Transistors Mca gemeinsam mit dem Gate-Anschluss eines PMOS-Transistors Mta verbunden und sein Source-Anschluss ist mit dem Knoten Nta gekoppelt. Ein Source-Anschluss des PMOS-Transistors Mcb ist mit dem Gate- Anschluss des PMOS-Transistors Mta verbunden und Drain- und Gate- Anschlüsse des Transistors Mcb sind gemeinsam mit einem Anschluss des Kondensators Cp verbunden. Der andere Anschluss des Kondensators Cp ist so gekoppelt, dass er das zweite Taktsignal /φ empfängt. Ein Source-Anschluss des PMOS-Transistors Mcc ist mit einem Anschluss des Kondensators Cp gekoppelt und Drain- und Gate-Anschluss des Transistors Mcc sind gemeinsam mit dem Drain-Anschluss des PMOS- Transistors Mta verbunden, das heißt mit dem Knoten Nta. Nicht in Fig. 7 gezeigte Substrat-Anschlüsse der Transistoren Mca, Mcb und Mcc werden in der gleichen Mulde in einem floatenden Zustand gehalten.
Ein Betrieb der Ladungspumpschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird genauer unter Bezugnahme auf Fig. 6 und 7 beschrieben. Wenn das Pumpfreischaltungssignal nPUMPen einen L- Pegel annimmt, wird der PMOS-Transistor MP0, der als Vorladetransistor verwendet wird, eingeschaltet, so dass Ladungen vom Versorgungsspannungsanschluss 161a dem Vorladeknoten 162a zugeführt werden. Wenn das erste Taktsignal φ einen L-Pegel annimmt und das zweite Taktsignal /φ einen H-Pegel annimmt, wird die Gateelektrodenspannung des PMOS-Transistors Mta in einer ersten Pumpstufe PSa (oder ungeradzahlig numerierten Pumpstufe) niedriger als eine Spannung Vs minus Vth, mit Vs als einer Sourceelektrodenspannung des Transistors Mta und Vth als dessen Schwellenspannung. Folglich werden Ladungen, die in den Vorladeknoten 162a fließen, durch den PMOS-Transistor Mta zum Knoten Nta transportiert.
Wenn danach das erste Taktsignal φ auf H-Pegel übergeht und das zweite Taktsignal /φ auf L-Pegel übergeht, wird eine Gateelektrodenspannung des PMOS-Transistors Mta in einer zweiten Pumpstufe PSa (oder geradzahlig numerierten Pumpstufe) niedriger als eine Sourceelektrodenspannung des Transistors Mta abzüglich seiner Schwellenspannung. Folglich fließen Ladungen am Knoten Nta der ersten Pumpstufe PSa zum Knoten Nta der zweiten Pumpstufe PSa durch deren PMOS-Transistor Mta. Zu diesem Zeitpunkt wird die Gateelektrodenspannung des PMOS-Transistors Mta in der ersten Pumpstufe durch eine Kopplungsspannung des Kondensators Cca erhöht, so dass keine Ladungen vom Knoten Nta der ersten Pumpstufe zum Vorladungsknoten 162a zurück fließen können.
Der Betrieb der anderen Pumpstufen wird sukzessiv durch diesselbe Betriebsweise wie oben beschrieben durchgeführt. Folglich wird Ladung vom Versorgungsspannungsanschluss 161a zum Ausgangsanschluss 163a transportiert. Das bedeutet, dass die Spannungen am Knoten Nta jeder Pumpstufe Psa und am Ausgangsanschluss 163a stetig zunehmen. Wenn die Spannung des Knotens Nta in jeder Pumpstufe PSa zunimmt, nimmt die Gateelektrodenspannung des PMOS-Transistors Mta jeder Pumpstufe PSa zusammen mit der Spannung des Knotens Nta jeder Pumpstufe PSa in der gleichen, oben beschriebenen Art zu. Der oben beschriebene Betrieb wird so lange durchgeführt, bis die Spannungen am Knoten Nta und am Ausgangsanschluss 163a stabilisiert sind. Das heißt, dass der Pumpbetrieb so lange ausgeführt wird, bis eine gewünschte Ausgangsspannung Vpump erreicht ist.
Im Fall dass der Pumpbetrieb, nachdem der Knoten Nta und der Ausgangsknoten 163a eine stabile Spannung haben, weiter ausgeführt wird, das heißt wenn der oben beschriebene Pumpbetrieb während eines langen Zeitintervalls (z. B. über mehrere hundert Mikrosekunden) ausgeführt wird, wird die Gateelektrodenspannung des PMOS-Transistors Mta in jeder Pumpstufe PSa durch Ladung, die vom Knoten Nta über einen als Diode beschatteten PMOS-Transistor Mca transportiert wird, stetig erhöht. Deswegen wird eine Spannungsdifferenz zwischen dem Gate- und Source-Anschluss des PMOS-Transistors Mta in jeder Pumpstufe PSa im Lauf der Zeit reduziert. Die Zunahme der Gateelektrodenspannung des PMOS-Transistors Mta in jeder Pumpstufe PSa kann durch den zweiten Strompfad, der aus den als Diode beschatteten PMOS- Transistoren Mcb und Mcc und dem Kondensator Cp besteht, unterdrückt werden. Eine detaillierte Beschreibung wird nachfolgend gegeben.
Erstens werden, wenn das erste Taktsignal φ auf einen H-Pegel und das zweite Taktsignal /φ auf einen L-Pegel übergeht, Überschussladungen, die in den Gate-Anschluss des Transistors Mta in jeder Pumpstufe PSa fließen, vom Gate-Anschluss des Transistors Mta zum Source- Anschluss des als Diode beschatteten PMOS-Transistors Mcc über den als Diode beschatteten PMOS-Transistor Mcb transportiert. Zweitens werden, wenn das erste Taktsignal φ auf einen L-Pegel und das zweite Taktsignal /φ auf einen H-Pegel übergeht, die so transportierten Überschussladungen in den Knoten Nta entladen. Wenn der oben beschriebene Vorgang wiederholt wird, hält der Gate-Anschluss des PMOS- Transistors Mta in jeder Pumpstufe PSa eine geeignete oder stabile Spannung aufrecht. In anderen Worten hält, obwohl der Pumpbetrieb der Ladungspumpschaltung gemäß der Erfindung weiter während eines langen Zeitintervalls, z. B. über mehrere hundert Mikrosekunden, durchgeführt wird, dessen Gate-Anschluss die stabile Spannung aufrecht, so dass eine stabile oder gewünschte Ausgangsspannung Vpump erhalten werden kann.
Fig. 8 ist ein Schaltbild, das eine Ladungspumpschaltung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Um zu unterdrücken, dass eine Spannungsdifferenz zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des PMOS-Transistors Mta in jeder Pumpstufe PSa reduziert wird, kann im Unterschied zur Ladungspumpschaltung von Fig. 7 der Gate-Anschluss des PMOS-Transistors Mcc anstatt mit dem Knoten Nta mit dem Gate-Anschluss des PMOS-Transistors Mta gekoppelt werden, der als Ladungstransfertransistor benutzt wird. In diesem Fall sind gleich wie in der obigen Beschreibung die Substrat- Anschlüsse der PMOS-Transistoren Mca, Mcb und Mcc innerhalb einer Pumpstufe von denen einer anderen Pumpstufe elektrisch getrennt, wobei die Substrat-Anschlüsse floatend gehalten sind.
Fig. 9 ist ein Diagramm, das die Änderung einer Ausgangsspannung Vpump über der Zeit zeigt. Ein Bezugszeichen VpumpG markiert eine Ausgangsspannung, die gemäß der bevorzugten Realisierung der Erfindung erhalten wird, und ein Bezugszeichen VpumpB markiert eine Ausgangsspannung, die erhalten wird wenn der zweite Strompfad in jeder Pumpstufe nicht realisiert ist. In dem Fall, in welchem ein Pumpbetrieb während eines kurzen Zeitintervalls, z. B. über einige zehn Mikrosekunden, durchgeführt wird, ist aus dem Diagramm ersichtlich, dass die Ausgangsspannung Vpump konstant gehalten wird, auch wenn der zweite Strompfad nicht existiert. In dem Fall jedoch, in welchem der Pumpbetrieb während eines langen Zeitintervalls, z. B. über mehrere hundert Mikrosekunden, durchgeführt wird, nimmt die Ausgangsspannung VpumpB einer Ladungspumpschaltung, die keinen zweiten Strompfad enthält, stetig ab. Andererseits wird die Ausgangsspannung VpumpG einer Ladungspumpschaltung, die einen zweiten Strompfad enthält, konstant gehalten, auch wenn eine vorbestimmte Zeit abläuft. Wie in Fig. 10A und 10B dargestellt, die Simulationen der Pumpkapazität und der Pumpleistung einer Ladungspumpschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen, erlaubt eine konstant gehaltene Ausgangspannung den Betrieb einer Ladungspumpschaltung bei sehr niedrigen Spannungen, z. B. 2 V oder niedriger, und führt zu hoher Pumpleistung. Als Folge davon kann ein Ladungspumpschaltkreis gemäß der Erfindung eine hohe, stabile Spannung aus einer sehr niedrigen Spannung, z. B. 2 V oder niedriger, erzeugen und eine hohe Zielspannung während eines langen Zeitintervalls, z. B. über mehrere hundert Mikrosekunden, ohne eine starke Abnahme der Kapazität aufrechterhalten.

Claims

1. Ladungspumpschaltung mit
einem Eingangsanschluss (162) zum Empfangen einer Eingangsspannung,
einem Ausgangsanschluss (163) zur Ausgabe einer Ausgangsspannung, und
mehrere Pumpstufen (PS), die in Serie zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschluss eingeschleift sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
jede Pumpstufe folgende Elemente enthält:
einen Ladungstransfertransistor (Mt) mit einem Gate-Anschluss, einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss und einem Substrat-Anschluss, der in einem floatenden Zustand gehalten wird,
einen ersten Kondensator (Cc), der zwischen den Gate-Anschluss des Ladungstransfertransistors und ein entsprechendes Taktsignal eines ersten und zweiten Taktsignals mit komplementären Zuständen eingeschleift ist,
einen zweiten Kondensator (Ct), der zwischen den zweiten Anschluss des Ladungstransfertransistors und das entsprechende Taktsignal eingeschleift ist, und
ein erstes Mittel (D1, Mc1, D1a, Mca) zur Bereitstellung eines ersten Strompfads zwischen der Gateelektrode und dem zweiten Anschluss des Ladungstransfertransistors, für einen Stromfluss vom zweiten Anschluss des Ladungstransfertransistors zu seinem Gate- Anschluss.

2. Ladungspumpschaltung nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das erste Mittel einen ersten PMOS-Transistor (Mc1, Mca), mit einer Gateelektrode und einem ersten Anschluss, die gemeinsam an den Gate-Anschluss des Ladungstransfertransistors angeschlossen sind, einem zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Ladungstransfertransistors verbunden ist, und einem Substrat-Anschluss umfasst, der in einem floatenden Zustand gehalten wird.

3. Ladungspumpschaltung nach Anspruch 1 oder 2, weiter gekennzeichnet durch einen PMOS-Transistor (MP0), der zwischen einen Versorgungsspannungsanschluss und den Eingangsanschluss eingeschleift ist und in Abhängigkeit von einem Steuersignal an- bzw. abgeschaltet wird.

4. Ladungspumpschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, dass ungeradzahlig numerierte Pumpstufen in Abhängigkeit von einem Taktsignal von dem ersten und zweiten Taktsignal arbeiten und geradzahlig numerierte Pumpstufen in Abhängigkeit von dem anderen Taktsignal arbeiten.

5. Ladungspumpschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter gekennzeichnet durch ein zweites Mittel (D2, Mc2, D2a, D3a, Cp, Mcb, Mcc, Cp) zur Bereitstellung eines zweiten Strompfads zwischen der Gateelektrode und dem zweiten Anschluss des Ladungstransfertransistors, für einen Stromfluss vom Gate-Anschluss des Ladungstransfertransistors zu seinem zweiten Anschluss.

6. Ladungspumpschaltung nach Anspruch 5, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Mittel einen zweiten PMOS-Transistor (Mc1, Mca), mit einer Gateelektrode und einem ersten Anschluss, die gemeinsaman an den zweiten Anschluss des Ladungstransfertransistors angeschlossen sind, einem zweiten Anschluss, der mit dem Gate- Anschluss des Ladungstransfertransistors verbunden ist, und einem Substrat-Anschluss umfasst, der in einem floatenden Zustand gehalten ist.

7. Ladungspumpschaltung nach Anspruch 5, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Mittel einen dritten Kondensator (Cp) und einen zweiten (Mcb) und einen dritten (Mcc) PMOS-Transistor umfasst, wobei der dritte Kondensator zwischen das andere von dem ersten und zweiten Taktsignal und einen Verbindungsknoten zwischen dem zweiten und dritten PMOS-Transistor eingeschleift ist und der zweite PMOS- Transistor einen Gate-Anschluss und einen ersten Anschluss, die gemeinsam an den Verbindungsknoten angeschlossen sind, einen zweiten Anschluss, der mit dem Gate-Anschluss des Ladungstransfertransistors verbunden ist, und einen Substrat-Anschluss aufweist, der in einem floatenden Zustand gehalten wird.

8. Ladungspumpschaltung nach Anspruch 7, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der dritte PMOS-Transistor eine Gateelektrode und einen ersten Anschluss, die gemeinsam an den zweiten Anschluss des Ladungstransfertransistors angeschlossen sind, einen zweiten Anschluss, der mit dem Verbindungsknoten verbunden ist, und einen Substrat-Anschluss aufweist, der in einem floatenden Zustand gehalten wird.

9. Ladungspumpschaltung nach Anspruch 7, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der dritte PMOS-Transistor eine Gateelektrode, die mit dem Gate-Anschluss des Ladungstransfertransistors verbunden ist, einen ersten Anschluss, der mit Verbindungsknoten verbunden ist, einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Ladungstransfertransistors verbunden ist, und einen Substrat-Anschluss aufweist, der in einem floatenden Zustand gehalten wird.

10. Verfahren zum Betrieb einer Ladungspumpschaltung mit mehreren Ladungstransfertransistoren, die in Serie zwischen einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss eingeschleift sind und einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen Gate-Anschluss aufweisen,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Erzeugen einer vorbestimmten Spannung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss jedes von ersten Ladungstransfertransistoren, als Reaktion auf ein erstes Taktsignal,
Abschalten jedes von zweiten Ladungstransfertransistoren, als Reaktion auf ein zweites Taktsignal, das komplementär zum ersten Taktsignal ist,
Bewirken, dass Ladung vom zweiten Anschluss jedes ersten Ladungstransfertransistors zu seiner Gateelektrode transportiert wird, und
Bewirken, dass Ladung vom Gate-Anschluss jedes zweiten Ladungstransfertransistors zu seinem zweiten Anschluss transportiert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Ladungstransfertransistor alternierend angeordnet sind.