DE69424764T2

DE69424764T2 - Ladungspumpenschaltung

Info

Publication number: DE69424764T2
Application number: DE69424764T
Authority: DE
Inventors: Marco Maccarrone; Silvia Padoan; Luigi Pascucci
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1994-01-28
Filing date: 1994-01-28
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2014-01-29
Also published as: DE69424764D1; EP0666571B1; JPH0847246A; US5650671A; EP0666571A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ladungspumpenschaltung.
Bekanntlich dienen Ladungspumpenschaltungen dazu, eine Spannung (bekannt als "boost-Spannung", angehobene Spannung) zu erzeugen, die höher ist als die Versorgungsspannung, zum Befriedigen der Bedürfnisse bestimmter Anwendungen. Beispielsweise haben nicht-flüchtige Flash-Speicher derzeit eine besonders niedrige Speisespannung, nämlich nur 3 V, während eine höhere Steuerelektrodenspannung gefordert wird, um die Zellen auszulesen.
Für diesen Zweck beruhen Ladungspumpenschaltungen auf dem Prinzip des Alternierens zweier Phasen, von denen die erste das Laden eines Kondensators und die zweite das Anheben einer der Klemmen des Kondensators und das Verbinden der anderen Klemme mit einem Ausgang über gesteuerte Schalter umfaßt, um eine Ausgangsspannung zu erzielen, die höher ist als die Speisespannung.
Das US-Patent US-A-5 191 232, angemeldet von Silicon Storage Technology, bezieht sich auf eine Spannungserhöhungsschaltung (Ladungspumpe) für EEPROM- Speicher, mit einer Anzahl von in Kaskade geschalteten Stufen der obengenannten Art, von denen jede die in der vorhergehenden Stufe erzeugte Spannung erhöht, so daß die Ausgangsspannung der Schaltung, grob gesprochen, der mit der Zahl der Stufen multiplizierten Speisespannung gleicht. Die Stufen sind zeitlich so gesteuert, daß jeder bei einer gegebenen Phase eine andere mit der entgegengesetzten Phase folgt, und diese Zeitsteuerung wird mit Hilfe einer Anzahl von Invertern erreicht, nämlich mit einem Inverter je Stufe der Ladungspumpe, die in einer Schleife kaskadengeschaltet sind, so daß der Ausgang des letzten Inverters mit dem Eingang des ersten verbunden ist.
Wie dargelegt, bewirkt die oben beschriebene bekannte Ladungspumpe eine Erhöhung der Eingangsspannung (Speisespannung), wenn ein hohes Spannungsverhältnis zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung gefordert wird, jedoch eignet sie sich nicht für Anwendungen, die ein niedrigeres Verhältnis (beispielsweise eine Ausgangsspannung gleich dem Zweifachen der Eingangsspannung), jedoch eine hohe Leistung verlangen. Tatsächlich muß zum Erzielen eines niedrigen Erhöhungsverhältnisses eine entsprechend kleine Zahl von Stufen verwendet werden, von denen nur eine direkt mit der Ausgangsleitung verbunden ist. In diesem Fall würde aufgrund der Fortschreitungszeit des Zeitimpulses in der Inverterschleife eine sehr hohe Oszillationsfrequenz erzeugt, wodurch ein volles Aufladen des Kondensators verhindert wird. Diese Situation resultiert tatsächlich in einander widerstreitenden Anforderungen: einerseits werden Kondensatoren hoher Leistung für einen hohen Leistungsladungstransfer gefordert; andererseits resultiert eine Erhöhung der Kapazität der Kondensatoren in einer Verminderung von deren Ladung bei jedem Zyklus und somit der Ausgangsleistung.
Außerdem ist bei Vorliegen von niedrigen Speisespannungen wie z. B. 3 V der Wirkungsgrad der bekannten Schaltungen extrem niedrig. Der Kondensator der bekannten Schaltung kann tatsächlich nur auf den Eingangswert minus der Schwellenspannung der zwischen den Kondensator und die vorhergehende Stufe eingeschalteten Diode geladen werden; desgleichen kann er nicht die volle Ladung transferieren und zwar aufgrund des Spannungsabfalls der Diode zwischen dem Kondensator und der nächsten Stufe (oder dem Ausgang).
Die US-A-4 656 369 beschreibt eine Ladungspumpenschaltung gemäß dem Oberbegriff des anliegenden Anspruchs 1 und umfaßt eine Mehrzahl von parallel geschalteten Ladungspumpenstufen zum Erzeugen einer negativen Vorspannung auf der Ausgangsleitung. Jede Stufe umfaßt ein Kondensatorelement (13), das mit dem Steueranschluß eines in Diodenschaltung geschalteten Ladetransistors (15) und mit dem Steueranschluß eines Schaltelements (16) einer nachfolgenden Stufe verbunden ist, wobei dieses Schaltelement zwischen den Lade- und Entladeknoten (14) der nachfolgenden Stufe und den Ausgang eingesetzt ist.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Ladungspumpenschaltung zu schaffen, die dazu ausgebildet ist, die Nachteile, welche die bekannten Schaltungen aufweisen, zu überwinden, und die speziell eine hohe Leistung, insbesondere bei Vorliegen eines niedrigen Spannungsverhältnisses zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung oder einer niedrigen Speisespannung, liefern kann.
Gemäß der Erfindung wird eine Ladungspumpenschaltung geschaffen, wie sie in Anspruch 1 beansprucht wird.
Eine Anzahl bevorzugter, nicht beschränkender Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Figurn 1 bis 4 vier Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ladungspumpenschaltung;
Fig. 5 eine grafische Darstellung einer Anzahl von Signalen in der Schaltung von Fig. 1;
Figurn 6 und 7 die Schaltungsanordnung bzw. das logische Äquivalent einer Abwandlung einer Einzelheit in den Schaltungen nach den Figurn 1 bis 4.
Die Bezugszahl 1 in Fig. 1 bezeichnet eine Ladungspumpenschaltung mit einer Anzahl von Stufen 2&sub1;, 2&sub2;, 2&sub3;, ... 2n, die parallel zueinander zwischen eine Refenzpotentialleitung (Speiseleitung 3 auf einem Potential VDD) und eine Ausgangsleitung (oder Hochspannungsleitung) 4 geschaltet sind. Zum Zweck der Vereinfachung werden in der folgenden Beschreibung die Stufen und die Bauteile der Stufen zur Darstellung ihrer Position (von links nach rechts) unter Verwendung von tiefgestellten Indizes bezeichnet, um, soweit notwendig, die Stufen zu unterscheiden, und werden ohne diese Indizes bezeichnet, wenn keine Unterscheidung notwendig ist. Die Stufen 2 sind tatsächlich im wesentlichen identisch mit Ausnahme der letzten Stufe 2n, wie später erläutert wird.
Jede Stufe 2 umfaßt: einen Hebekondensator 5 mit Anschlußpunkten, die einen ersten Knotenpunkt 6 und einen zweiten Knotenpunkt 7 bilden; eine zwischen den zweiten Knotenpunkt 7 und die Ausgangsleitung 4 eingeschaltete Ausgangsdiode 8; einen zwischen die Speiseleitung 3 und den zweiten Knotenpunkt 7 eingesetzten Ladetransistor 9; eine zwischen die Speiseleitung 3 und einen Knotenpunkt 11, der durch den Steueranschluß des Ladetransistors 9 gebildet ist, eingeschaltete Leerlaufvorspannungs-Diode 10; und einen Inverter 12, der zwischen den Knotenpunkten 6 zweier benachbarter Stufen 2 eingesetzt ist, mit Ausnahme der letzten Stufe 2n auf der rechten Seite, wo der Inverter durch den Zweig gebildet wird, der die Zeitsteuerschleife schließt, wie später beschrieben wird.
Im einzelnen dargestellt umfaßt die Ausgangsdiode 8 jeder Stufe 2 einen natürlichen n-Kanal-MOS-Transistor ("native", nämlich Niedrigschwellen-Transistor), dessen Abflußanschluß und Steueranschluß kurzgeschlossen und mit dem Knotenpunkt 7 der selben Stufe 2 verbunden sind und dessen Quellenanschluß mit der Ausgangsleitung 4 verbunden ist. Jeder Transistor 9 umfaßt einen natürlichen ("native") n-Kanal- MOS-Transistor, dessen Abflußanschluß und Steueranschluß mit der Speiseleitung 3 verbunden sind und dessen Quellenanschluß mit dem Knotenpunkt 7 der selben Stufe 2 verbunden ist; und jede Diode 10 umfaßt einen natürlichen n-Kanal-MOS-Transistor, dessen Abflußanschluß und Steueranschluß kurzgeschlossen und mit der Speiseleitung 3 verbunden sind und dessen Quellenanschluß mit dem Knotenpunkt 11 dieser selben Stufe 2 verbunden ist. Der Knoten 11 jeder Stufe 2i ist direkt mit dem Knotenpunkt 7i-1, der vorhergehenden Stufe 2i-1 verbunden und der Knotenpunkt 11&sub1; der ersten Stufe 2&sub1; auf der linken Seite ist durch eine Leitung 13 mit dem Knotenpunkt 7n der letzten Stufe 2n auf der rechten Seite verbunden, um eine Schleife von Stufen zu bilden. Der Eingang des Inverters 12i jeder Stufe 2i ist mit dem Ausgang des Inverters 12i-1 der vorhergehenden Stufe verbunden; und der Ausgang des Inverters 12n-1 der vorletzten Stufe 2n-1 auf der rechten Seite (Knotenpunkt 6n-1) ist mit einem ersten Eingang einer UND- Schaltung 15 verbunden, deren zweiter Eingang mit einem externen Einschaltsignal EN beliefert wird. Der Ausgang der UND-Schaltung 15 ist mit dem ersten Eingang einer NOR-Schaltung 16 verbunden, deren zweiter Eingang mit einem synchronisierenden Signal SYNC beliefert wird; und der Ausgang der NOR-Schaltung 16 (die ein Signal SS liefert) ist mit dem Knoten 6&sub1; der ersten Stufe 2&sub1; auf der linken Seite verbunden.
In der Praxis bildet die NOR-Schaltung 16 den Inverter der Stufe 2n und bilden die Inverter 12&sub1; bis 12n-1 und die NOR-Schaltung 16 (sowie die UND-Schaltung 15) eine oszillierende Schleife 18, die eine ungerade Zahl von Inversionen umfaßt.
Zwischen die Leitung 4 und Erde ist ein Kondensator 20 geschaltet, der als Pegelspeicher (Schwungradelement) dient.
Die Schaltung von Fig. 1 arbeitet folgendermaßen (es wird auch auf das Diagramm von Fig. 5 Bezug genommen, das das logische Signal an den Eingängen der Inverter 12 der ersten vier Stufen zeigt). Im Leerlauf, in dem das Einschaltsignal EN und das SYNC-Signal niedrig sind, ist das Signal SS hoch und die Schaltung befindet sich im Leerlauf-Vorspannungs-Modus. In diesem Zustand sind die Eingangsknotenpunkte 6i der Inverter 12i der Stufen 2i mit ungeradzahliger Position (und ungeradzahligem Index), wobei i = 2k - 1 und k = eine ganze Zahl, hoch; und sind die Eingangsknotenpunkte 6j der Inverter 12j der geradzahligen Stufen 2j, wobei j = 2k, niedrig, wie in Fig. 5 dargestellt ist, in der V&sub2;, V&sub3; und V&sub4; den logischen Pegel der Knotenpunkte 6&sub2;, 6&sub3; bzw. 6&sub4; anzeigen. Folglich werden die geradzahligen Stufen dazu vorgespannt, über die durchgeschalteten Dioden 10 Strom zu liefern (die Kondensatoren 5 werden auf VDD - 2VT aufgeladen, wobei VT der Spannungsabfall an den Dioden 10 und zwischen dem Quellenanschluß und dem Steueranschluß der Transistoren 9 ist), während die ungeradzahligen Stufen nicht beliefert werden.
Wenn das Signal EN auf hoch umschaltet, wird die Ladungspumpe eingeschaltet (Zeitpunkt t&sub0; in Fig. 5); und nach einer durch das Umschalten der NOR-Schaltung 16 bewirkten Verzögerung schaltet das Signal SS auf niedrig um, so daß der Knotenpunkt 6&sub1; der ersten Stufe 2&sub1; geerdet wird (Zeitpunkt t&sub1;); und die Diode 10&sub1; und der Transistor 9&sub1; der ersten Stufe 2&sub1; werden auf Durchlaß geschaltet, wodurch der Kondensator 5&sub1; auf VDD-2VT geladen werden kann. Nach einer durch den Ausgang des Inverters 12&sub1;, der auf hoch umschaltet (Zeitpunkt t&sub2;), bewirkten Verzögerung schaltet das Signal V&sub2; am Knoten 6&sub2; auf angenähert VDD um; der Knotenpunkt 7&sub2; der selben Stufe 2&sub2; schaltet auf angenähert 2VDD - VT um, wodurch die Diode 10&sub2; und der Transistor 9&sub2; gesperrt werden und die Diode 8&sub2; der zweiten Stufe 2&sub2; leitend wird; und den Kondensator 5&sub2; wird mit der Ausgangsleitung 4 verbunden und überträgt die Ladung, obwohl er erst teilweise geladen und noch nicht voll effizient ist.
Gleichzeitig hebt das Anheben des Knotenpunkts 7&sub2; der zweiten Stufe 2&sub2; den Knotenpunkt 11&sub3; der dritten Stufe 2&sub3; auf den selben Wert 2VDD-2VT an; und auf das Signal V&sub3; am Ausgang des Inverters 12&sub2; hin, das auf niedrig umschaltet (mit einer gewissen Verzögerung im Bezug zum Schalten des Inverters 12&sub1; - Zeitpunkt t&sub3;), beginnt der Kondensator 5&sub3; der dritten Stufe 2&sub3; mit dem Laden. In diesem Fall wird der Kondensator auf den vollen Speisespannungswert VDD geladen, indem, wie angegeben, der Steueranschluß des Transistors 9&sub3; der dritten Stufe 2&sub3; (Knotenpunkt 11&sub3;) sich auf einem höheren Potential befindet als VDD, wodurch der Knotenpunkt 7&sub3; in die Lage versetzt wird, mit der Speiseleitung über den Ladetransistor 9&sub3; verbunden zu werden, der zwischen dem Abflußanschluß und dem Quellenanschluß einen vernachlässigbaren Spannungsabfall aufweist.
Beim Umschalten des Signals V&sub4; am Ausgang des Inverters 12&sub3; der dritten Stufe 2&sub3; auf hoch (Zeitpunkt t&sub4;) wird die Diode 10&sub4; der vierten Stufe 2&sub4; sperrend und wie in der Stufe 2&sub2; beginnt der Kondensator 5&sub4;, die Ladung zu übertragen.
Der beschriebene Vorgang wird für die folgenden Stufen wiederholt, wie die Schaltkante entlang den Invertern 12 läuft, wobei die geradzahligen Stufen die angehäufte Ladung zur Leitung 4 übertragen und die ungeradzahligen Stufen sich voll aufladen, bis die Schaltkante des Inverters 12 die letzte Stufe 2n erreicht (Zeitpunkt t&sub5; in Fig. 5). Wenn das Signal Vn am Ausgang des Inverters 12n-1 der vorletzten Stufe auf niedrig umschaltet, schaltet dies die UND-Schaltung 15 um, die nun ein niedriges Ausgangssignal erzeugt. Die ODER-Schaltung 16 und das Signal SS schalten auf hoch (Zeitpunkt t&sub6;); und die Schaltkante läuft wieder entlang den Invertern 12.
In dieser Phase schalten, da die Inverter 12 geschaltet werden, die ungeraden Stufen 2&sub1;, 2&sub3;, ... zum Ladungstransfermodus und die geraden Stufen zum Lademodus um; und der Betrieb der Pumpe 1 ist praktisch regelmäßig insofern, als die ungeraden Stufen mit Ausnahme der ersten Stufe voll aufgeladen werden. Die Knotenpunkte 7&sub3;, 7&sub5;, ... der ungeraden Stufen schalten deshalb aufeinanderfolgend auf 2VDD und können - unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls VT an den Dioden 8&sub3;, 8&sub5;, - die Leitung 4 auf die Spannung 2VDD - VT bringen. In dieser Phase werden auch die geradzahligen Stufen voll aufgeladen.
Beim Erreichen der vorletzten Stufe 2n-1 (Zeitpunkt t&sub7;) durch die Schaltkante schaltet das Signal Vn am Knotenpunkt 6n auf hoch um, wodurch die Schaltungen 15 und 16 umgeschaltet werden; und eine neue Schaltkante beginnt entlang den Invertern 12 zu laufen. In dieser Phase, in der die ungeradzahligen Stufen 2&sub1;, 2&sub3;, ... geladen werden und die geradzahligen Stufen 2&sub2;, 2&sub4;, ... die akkumulierte Ladung übertragen, kann sogar der erste Knotenpunkt voll geladen werden. Aufgrund der Leitung 13 ist tatsächlich der Knotenpunkt 11&sub1; ebenso wie der Knotenpunkt 7n der letzten ladungsübertragenden Stufe auf dem Potential 2 VDD, so daß auf das Umschalten des Signals SS hin (Zeitpunkt t&sub8;) der Transistor 9&sub1; auf Durchlaß schaltet und den Knotenpunkt 7&sub1; mit der auf VDD liegenden Speiseleitung 3 verbindet.
Der beschriebene Vorgang wiederholt sich zyklisch, so lang das Einschaltsignal EN hoch ist und das SYNC-Signal niedrig ist. Schaltet jedoch das SYNC-Signal auf niedrig um, während das Signal SS niedrig ist, so wird, wenn die Schaltkante die letzte Stufe erreicht, die Oszillation unterbrochen, bis das SYNC-Signal wiederum auf niedrig umschaltet. Ist andererseits SS hoch, so schaltet das Umschalten des SYNC-Signals das Signal SS sofort auf niedrig um und die Oszillation (asynchron in Bezug zu den vorhergehenden Oszillationen) wird wieder begonnen und wird unterbrochen, wenn die Schaltkante die letzte Stufe erreicht und die Pumpe angehalten wird. In beiden Fällen ist somit das SYNC-Signal wichtig für das vorübergehende Anhalten der Pumpe 1 - beispielsweise beim Adressenlesen im Fall, daß die Schaltung in einem Speicher verwenden wird -, ohne daß die gesamte Schaltung abgeschaltet werden muß.
Die insoweit beschriebene Ladungspumpe 1 ergibt also ein effektives Anheben der Spannung auch im Fall eines niedrigen Spannungsverhältnisses zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung. Das Vorsehen einer großen Zahl paralleler Stufen ermöglicht tatsächlich einen parallelen Beitrag durch verschiedene Stufen zu jeder Ladungsübertragungsphase, und ermöglicht auch, daß für die Oszillation zum Laufen entlang den Invertern 12 genügend Zeit bleibt, und stellt dadurch sicher, daß, wenn der selbe Inverter das nächste Mal geschaltet wird, er sicher den Spannungspegel erreicht hat, der dem hohen oder niedrigen Zustand entspricht. Als Ergebnis sind die Kondensatoren jeder Stufe ebenfalls in bestmöglichem Zustand und haben ausreichend Zeit, um voll aufgeladen zu werden und die Ladung zur Ausgangsleitung 4 zu übertragen.
Darüber hinaus sichert das Vorspannen jeder Stufe mit Hilfe der vorhergehenden Stufe (und der ersten Stufe durch die letzte Stufe über die Leitung 13), daß die Kondensatoren ohne Verluste bis zur Speisespannung aufgeladen werden, und außerdem sorgt es für eine Beschleunigung des Übergangszustands zum stationären Zustand, wodurch die Effizienz der Schaltung erhöht wird.
Die erfindungsgemäße Pumpe arbeitet auch auf hoher Frequenz. Da die beschriebene Pumpe im wesentlichen ein Schleifenoszillator ist, bei dem der Speisestrom proportional der Frequenz, der Kapazität der Ladungselemente (Kondensatoren) und der Betriebsspannung (Speisespannung VDD) für einen gegebenen Strom und somit für eine gegebene Effizienz ist, ergibt die hohe Frequenz der Pumpe eine Reduzierung der Größe der Kondensatoren und trotz des Merkmals einer großen Zahl paralleler Stufen eine erhebliche Reduzierung der Größe der Pumpe insgesamt.
Der Wirkungsgrad der Schaltung von Fig. 1 wird weiterhin durch die Tatsache erhöht, daß es zu jedem Zeitpunkt immer einige Stufen gibt, die eine Ladung zur Ausgangsleitung 4 übertragen, ohne uneffektive Halbperioden, in denen die Stufen geladen werden und keine Ladung übertragen wird, wie es der Fall wäre, wenn nur eine Stufe mit der Ausgangsleitung verbunden würde.
Fig. 2 zeigt eine weitere, mit 25 bezeichnete Ausführungsform der Pumpe, die ein höheres Spannungsverhältnis zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung erzielen läßt.
Auch in diesem Fall umfaßt die Pumpe 25 eine Anzahl von Stufen 26j, die zueinander parallel zwischen der Speiseleitung 3 und der Ausgangsleitung 4 geschaltet sind; und eine oszillierende Schleife 18, die durch eine Anzahl von Invertern 27i und Schaltungen 15, 16 gebildet ist. (Auch hier sind, sofern dies nicht zur Beschreibung der Betriebsweise anders erforderlich ist, die Stufen 26 allgemein ohne Indizes bezeichnet.) Für die Spannungsvorbelastung der ersten Stufe 26&sub1; ist ein Zweig 29 vorhanden, der zwischen den Leitungen 3 und 4 verläuft und die gleiche Struktur wie ein Teil der Stufen 26 aufweist, wie unten beschrieben wird.
Jeder Inverter 27i weist einen Eingangsknotenpunkt 28i und einen Ausgangsknotenpunkt 28i+1, auf, welch letzterer mit dem Eingang des Inverters 27i+1 der nächsten Stufe verbunden ist.
Jede Stufe 26i umfaßt einen ersten Kondensator 32i, der mit einem ersten Anschlußpunkt mit dem Knotenpunkt 28i verbunden ist und dessen anderer Anschlußpunkt einen Knotenpunkt 34i bestimmt; und einen zweiten Kondensator 35i, der mit einem ersten Anschlußpunkt mit dem Knotenpunkt 28i+1 verbunden ist, während sein anderer Anschlußpunkt einen Knotenpunkt 37 bildet. Eine erste Ladungstransferdiode 38 ist zwischen die Knotenpunkte 34 und 37 geschaltet; eine zweite Ladungstransferdiode 39 ist zwischen jeden Knotenpunkt 37 und die Ausgangsleitung 4 geschaltet; eine erste Leerlaufvorspannungsdiode 43 verbindet die Anode der Ladungstransferdiode 38 und den Knotenpunkt 34 mit der Speiseleitung 3; eine zweite Leerlaufvorspannungsdiode 44 verbindet die Anode der Ladungstransferdiode 39 und den Knotenpunkt 37 mit der Speiseleitung 3; und ein Transistor 45&sub1; hat einen Abflußanschluß, der mit der Speiseleitung 3 verbunden ist, einen Quellenanschluß, der mit dem Knotenpunkt 34i verbunden ist, und einen Steueranschluß, der mit dem Knotenpunkt 34i-1 der vorher gehenden Stufe verbunden ist. Der Zweig 29 umfaßt einen Kondensator 31 identisch den Kondensatoren 32 und einen Transistor 30 identisch den Transistoren 45 der Stufen 26. Im einzelnen beschrieben weist der Kondensator 31 einen ersten Anschlußpunkt auf, der mit einem Knotenpunkt 41 verbunden ist, welcher durch den Ausgang des Inverters 27n der letzten Stufe 26n gebildet ist, sowie einen zweiten Anschlußpunkt, der einen Knotenpunkt 40 bildet und mit dem Quellenanschluß des Transistors 30 verbunden ist, dessen Steueranschluß mit dem Knoten 34n und dessen Abflußanschluß mit der Leitung 3 verbunden ist. Der Knotenpunkt 40 ist durch die Leitung 13 mit dem Steueranschluß des Transistors 45&sub1; der ersten Stufe 26&sub1; verbunden; und der Knotenpunkt 41 ist mit einem der Eingänge der UND-Schaltung 15 verbunden.
Jede Diode 38, 39, 43 und 44 umfaßt einen natürlichen n-Kanal-MOS-Transistor ("native transistor"), dessen Abflußanschluß und Steueranschluß kurzgeschlossen sind; und jeder der Transistoren 45i und 30 umfaßt einen natürlichen NMOS-Transistor.
Die Schaltung von Fig. 2 arbeitet in gleicher Weise wie die Schaltung von Fig. 1 mit der Ausnahme, daß sie es schafft, die Ausgangsleitung auf eine Spannung von 3VDD-2VT zu bringen.
Tatsächlich beginnt im stetigen Arbeitsmodus, wenn der Knotenpunkt 28n der letzten Stufe 26n auf niedrig (0 V) umschaltet, der Kondensator 32n damit, sich aufzuladen, und sein Anschlußpunkt 34n schaltet zusammen mit dem Steueranschluß des Transistors 30 auf VDD; und beim Umschalten des Ausgangs des Inverters 27n schaltet der Knotenpunkt 41 auf hoch um und setzt dadurch den Kondensator 35n in die Lage, seine Ladung zur Ausgangsleitung 4 zu übertragen. In dieser Phase schaltet der Knotenpunkt 40 zusammen mit dem Steueranschluß des Transistors 45&sub1; auf 2VDD um, so daß, wenn die Schaltkante fortschreitet und der Knotenpunkt 28&sub1; auf niedrig umschaltet, um mit dem Aufladen des Kondensators 32&sub1; zu beginnen, dieser bis zur vollen Speisespannung VDD geladen werden kann; und der zweite Kondensator 35&sub1; überträgt seine Ladung zur Ausgangsleitung 4.
Beim Weiterlaufen der Schaltkante entlang den Invertern 27 schaltet der erste Kondensator 32&sub2; der zweiten Stufe dazu um, seine Ladung auf den zweiten Kondensator 35&sub2; zu übertragen, der seinerseits in die Ladephase umschaltet; der erste Kondensator 32&sub3; der dritten Stufe schaltet zur Ladephase bis zu VDD, usw. In der nächsten Halbperiode, dem Fortschreiten der Schaltkante entlang der oszillierenden Schleife 18 folgend, übertragen die ersten Kondensatoren 32&sub1;, 32&sub3;, usw. die vorher geladen wurden, die Ladung zu den jeweiligen zweiten Kondensatoren 35&sub1;, 35&sub3; usw. Da die ersten Kondensatoren auf die volle Speisespannung VDD aufgeladen wurden, weisen die Knotenpunkte 34&sub1;, 34&sub3;, ..., wenn die Knotenpunkte 28&sub1;, 28&sub3; usw. auf hoch schalten, die Spannung 2VDD auf, und die jeweiligen zweiten Kondensatoren 35&sub1;, 35&sub3;, ... können auf 2VDD - VT aufgeladen werden, wobei VT der Spannungsabfall der Dioden 38 ist. In der zweiten Halbperiode schalten die ersten Kondensatoren 32&sub2;, 32&sub4; usw. in die Ladephase und die zweiten Kondensatoren 35&sub2;, 35&sub4;, usw. schalten dazu um, die Ladung zum Ausgang 4 zu übertragen. Genauer angegeben können in dieser Phase die zweiten Kondensatoren 35&sub2;, 35&sub4;, usw., die vorher auf 2VDD - VT geladen worden sind, die Ausgangsleitung 4 auf 3VDD - 2VT hinaufbringen, wobei der Spannungsabfall der Dioden 39 berücksichtigt ist.
Wie bei der Schaltung von Fig. 1 schalten also die Stufen 26 eine nach der anderen; das Signal EN bewirkt das Einschalten und Ausschalten der Schaltung und das SYNC-Signal bewirkt eine vorübergehende Unterbrechung des Betriebs; und jede Stufe wird im stetigen Betriebsmodus von der vorhergehenden Stufe mit der Vorspannung versehen, um ein vollständiges Aufladen der Kondensatoren 32 auf die Spannung VDD mit minimalen Verlusten sicherzustellen.
Wie bei der Schaltung 25 von Fig. 2, umfaßt die Schaltung 50 in Fig. 3 eine Anzahl paralleler Stufen 51, von denen jede dem Liefern einer Ausgangsspannung von 3VDD - 2VT dient. Die Stufen 51 gleichen den Stufen 2 von Fig. 1 mit der Ausnahme, daß im Gegensatz dazu, daß jede Stufe 51 an den Knotenpunkt 34 der vorhergehenden Stufe angeschlossen ist, die Steueranschlüsse der Transistoren 45 alle mit einem einzigen Knotenpunkt 53 verbunden sind, und daß jede Stufe 51 zwei Inverter 48, 49 umfaßt.
Mehr im einzelnen dargestellt, ist für jede Stufe der Ausgang des Inverters 48, der einen Knotenpunkt 33 bildet, mit dem Eingang des Inverters 49 verbunden, dessen Ausgang einen Knotenpunkt 36 bildet; und sind die ersten Kondensatoren 32 zwischen die Knotenpunkte 33 und 34 und die zweiten Kondensatoren 35 zwischen die Knotenpunkte 36 und 37 geschaltet. In allen Stufen mit Ausnahme der ersten Stufe auf der linken Seite ist der Eingang des ersten Inverters 48 mit dem Knotenpunkt 36 der vorhergehenden Stufe verbunden. In der ersten Stufe auf der linken Seite bildet der Eingang des Inverters 48 (der mit dem Signal SS beliefert wird) einen Knotenpunkt 52, der mit dem Ausgang der NOR-Schaltung 16 verbunden ist. Der Knotenpunkt 36 der letzten Stufe auf der rechten Seite ist mit einem der Eingänge der NAND-Schaltung 15 verbunden.
Der gemeinsame Vorspannungs-Knotenpunkt 53 wird gebildet durch einen der Anschlußpunkte eines Kondensators 54, dessen anderer Anschlußpunkt mit dem Eingang 52 des Inverters 48 der ersten Stufe 51 verbunden ist. Der Knotenpunkt 53 ist außerdem über eine Diode 55 mit der Speiseleitung 3 verbunden.
Die Schaltung 50 in Fig. 3 arbeitet in gleicher Weise wie die Schaltung 30 in Fig. 2 mit der Ausnahme, daß beim Fortschreiten der Schaltkante die ersten Kondensatoren 32 alle in den gleichen Zustand - Aufladen oder Ladungsübertragung - schalten, ebenso wie die zweiten Kondensatoren 35, so daß alle Stufen im gleichen Takt miteinander arbeiten. Folglich ist in der Schaltung von Fig. 3 die Fortschreitungsverzögerung jeder Stufe gleich der gesamten durch die Inverter 48 und 49 erzeugten Verzögerung. Noch bedeutsamer ist, daß in diesem Fall der Kondensator 54 in einer Halbperiode auf die Spannung VDD - VT geladen wird und in der entgegengesetzten Halbperiode den Knotenpunkt 53 auf die Spannung 2VDD - VT bringt und die Stufen 51, sobald sie in die Ladephase umschalten, passend mit Vorspannung versieht.
Die Schaltung 60 in Fig. 4 gleicht derjenigen von Fig. 2 mit der Ausnahme, daß im stetigen Betriebsmodus jede Stufe 61 nicht von der vorhergehenden Stufe mit Vorspannung versehen wird, sondern ihre eigene Vorspannungseinrichtung aufweist, ähnlich den Vorspannungskomponenten 53 bis 55 der Stufen 51 in Fig. 3. Folglich umfaßt zusätzlich zu den Komponenten 32, 35, 38, 39, 43 bis 45, 48, 49 jede Stufe 61 in Fig. 4 auch noch eine Diode 62, die zwischen die Speiseleitung 3 und den Steueranschluß des Transistors 45 (Knotenpunkt 63) eingeschaltet ist; und einen dritten Kondensator 64, von dem ein Anschlußpunkt mit dem Knotenpunkt 63 verbunden ist und der andere Anschlußpunkt (Knotenpunkt 65) mit dem Eingang des Inverters 48 und, für alle außer der ersten Stufe auf der linken Seite, mit dem Ausgang eines Inverters 66 verbunden ist, dessen Eingang mit dem Ausgang 36 des Inverters 49 der vorhergehenden Stufe verbunden ist.
Der Eingangsknotenpunkt 65 des inverters 48 der ersten Stufe ist mit dem Ausgang der NOR-Schaltung 16 verbunden, deren Eingang seinerseits mit der UND- Schaltung 15 verbunden ist, wie in den Schaltungen 1, 25 und 50 in den Figurn 1 bis 3.
Die Schaltung 60 in Fig. 4 arbeitet in gleicher Weise, wie es für die Schaltungen 25 und 50 beschrieben wurde. In der ersten Phase wird der Kondensator 64 auf die Spannung VDD - VT aufgeladen, wobei VT der Spannungsabfall an der Diode 62 ist; und in der Zwischenzeit überträgt der Kondensator 32 seine Ladung auf den Kondensator 35, der auf 2VDD - VT aufgeladen wird. In der nächsten Phase wird der Knotenpunkt 63 auf die Spannung 2VDD - VT angehoben, so daß der Kondensator 32 vollständig auf die Speisespannung VDD über den Transistor 45 geladen wird; und der Kondensator 35 überträgt seine Ladung zur Ausgangsleitung 4, um sie hinauf auf die Spannung 3VDD - 2VT zu bringen.
Die Figurn 6 und 7 zeigen eine unterschiedliche Ausführung der Inverter 12, 27, 48, 49 und 66 in den Schaltungen der Figurn 1 bis 4, wobei es diese Ausführungsform ermöglicht, den Stromverbrauch der Schaltungen zu reduzieren, indem die Betriebsfrequenz reduziert wird.
Wie Fig. 6 zeigt, wird jeder Inverter durch zwei MOS-Transistoren mit entgegengesetztem Kanal gebildet, von denen einer in zwei unbalancierte Teile geteilt ist, von denen einer durch ein externes Signal geschaltet werden kann, zum Steuern des Stroms durch den Transistor und somit der Schaltzeit des inverters.
Genauer dargestellt, umfaßt jeder Inverter (z. B. der Inverter 12i in Fig. 1) einen p-Kanal-Transistor 70 und einen n-Kanal-Transistor 71, deren Steueranschlüsse miteinander verbunden sind und an den Eingangsknotenpunkt 6i des Inverters 12i angeschlossen sind. Der Transistor 70 weist den Quellenanschluß in Verbindung mit der Speisespannung VDD und den Abflußanschluß (Knotenpunkt 6i+1) in Verbindung mit dem Abflußanschluß des Transistors 71, dessen Quellenanschluß geerdet ist, auf. Die Steuer- und Abflußanschlüsse der Transistoren 71 (von minimaler Größe) sind mit dem Steueranschluß bzw. mit dem Abflußanschluß eines n-Kanal-Transistors 72 verbunden; und der Quellenanschluß des Transistors 72, der viel breiter ist als der Transistor 71, um ihn in die Lage zu versetzen, wesentlich mehr Strom zu leiten, ist über einen Schalter 74 geerdet. Der Sehalter 74 umfaßt einen n-Kanal-MOS-Transistor, hat die gleiche Größe wie der Transistor 72 und wird am Steueranschluß mit einem Steuersignal SB beliefert, das sich beispielsweise auf den Betriebsmodus der Vorrichtung bezieht, die die erfindungsgemäße Ladungspumpenschaltung aufweist.
Fig. 7 zeigt das logische Äquivalent eines der Inverter von Fig. 6, das eine Zweieingang-NAND-Schaltung 76 aufweist, von der ein Eingang direkt mit dem Eingangsknotenpunkt 6i verbunden ist und der andere Eingang mit dem Ausgang einer Zweieingang-ODER-Schaltung 77 verbunden ist, von der ein Eingang direkt mit dem Eingangsknotenpunkt 6i verbunden ist und der andere Eingang mit dem Signal SB gespeist wird.
Wenn das Signal SB der Inverter von Figurn 6 und 7 hoch ist, arbeiten die Transistoren 71 und 72 parallel zueinander, so daß, wenn der Knotenpunkt 6j auf hoch umschaltet, sie durchgeschaltet werden und gemeinsam die Entladung des Knotenpunkts 6i+1 betreiben. Umgekehrt ist, wenn das Signal SB niedrig ist, der Transistor 72 sperrend und nur der Transistor 71 allein entlädt den Strom vom Knoten 6i+1 gegen Erde. Da der Transistor 71 viel kleiner ist als der Transistor 72, leitet er viel weniger Strom und benötigt deshalb längere Zeit, um den Knotenpunkt 6i+1 zu entladen, so daß der Inverter 12 zum Schalten länger braucht, begleitet von einer Reduktion des Stromverbrauchs und der Betriebsfrequenz der Ladungspumpenschaltung.
Es ist klar, daß die beschriebenen und hier dargestellten Schaltungen verändert werden können, ohne jedoch den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Insbesondere kann die Zahl der Stufen anders sein, soweit nur die Oszillationsperiode lang genug ist, um die Inverter zu schalten, die Kondensatoren zu laden und zu entladen und so sicherzustellen, daß die Schaltung korrekt arbeitet; jede Stufe kann ein unterschiedliches Verhältnis Eingangsspannung/Ausgangsspannung je nach Bedarf bewirken; es kann vorgesehen werden, die Betriebsfrequenz zu verändern, wie es oben beschrieben wurde, oder die Zahl der aktiven Stufen in gegebenen Betriebsphasen der Vorrichtung, die die Ladungspumpe enthält, zu ändern; und schließlich können auch bipolare Schalterelemente verwendet werden.

Claims

1. Ladungspumpenschaltung (1; 25; 50; 60) mit einer Anzahl von Stufen (2; 26; 51; 61), die zueinander parallel zwischen eine Referenzpotentialleitung (3) und eine Ausgangsleitung (4) geschaltet sind und von denen jede Stufe ein erstes Kondensatorelement (5; 32) umfaßt, das einen ersten Anschlußpunkt aufweist, der mit einem Lade- und Entlade-Knotenpunkt (7; 34) verbunden ist, und einen zweiten Anschlußpunkt aufweist, der mit einem Anhebe-Knotenpunkt (6; 28; 33) zum Schalten zwischen einer ersten Auflade-Betriebsphase, in der das erste Kondensatorelement geladen wird, und einer zweiten Ladungsübertragungs-Betriebsphase, in der das erste Kondensatorelement zur Ausgangsleitung entladen wird und in der die eine von zwei benachbarten Stufen sich in der Auflade-Betriebsphase und die andere der beiden benachbarten Stufen sich in der Ladungsübertragungs-Betriebsphase befindet, verbunden ist, wobei der Lade- und Entlade-Knotenpunkt (7; 34) mit der Referenzpotentialleitung (3) über ein erstes Schaltelement (9; 45) verbunden ist, das einen Ladetransistor (9; 45) umfaßt, der einen ersten und einen zweiten Anschlußpunkt aufweist, die mit der Referenzpotentialleitung bzw. mit dem Lade- und Entladeknotenpunkt verbunden sind, und einen Steueranschluß umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen (2; 26; 51; 61) Anhebestufen zum Laden des ersten Kondensatorelements (5; 32) auf im wesentlichen das Potential (VDO) der Referenzpotentialleitung sind und daß der Steueranschluß des Ladetransistors (9; 45) nicht unmittelbar mit dem zweiten Anschlußpunkt des selben Ladetransistors (9; 45) und in der Auflade-Betriebsphase direkt mit einem Vorspannungsknotenpunkt auf hoher Spannung verbunden ist, der durch den Lade- und Entladeknotenpunkt (7i-1; 34i-1) einer benachbarten Stufe (2i-1; 26i-1) gebildet wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Anhebestufe (2i; 26i) den Steueranschluß ihres Ladetransistors (9j; 45j) mit dem Lade- und Entladeknotenpunkt (11i-1; 34i-1) einer ersten benachbarten Stufe (2i-1; 26i-1), und ihren Lade- und Entladeknotenpunkt (11j; 34j) mit dem Steueranschluß des Ladetransistors (9i+1; 45i+1) einer zweiten benachbarten Anhebestufe (2i+1; 26i+1), die eine andere ist als die erste benachbarte Anhebestufe, verbunden hat.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen gemeinsamen Vorspannungszweig (53-55) umfaßt, der ein erstes kapazitives Element (54) aufweist, das einen ersten Anschlußpunkt (53), der mit der Referenzpotentialleitung (3) über ein erstes Schaltelement (55) verbunden ist, und einen zweiten Anschlußpunkt, der mit ihrem eigenen Anhebeknotenpunkt (52) verbunden ist, hat, wobei der erste Anschlußpunkt des ersten kapazitiven Elements einen gemeinsamen Vorspannungsknotenpunkt (53) bildet; und daß die Steueranschlüsse der Ladetransistoren (45) aller Anhebestufen (51) an den gemeinsamen Vorspannungsknotenpunkt (53) angeschlossen sind.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Anhebestufe (61) einen Vorspannungszweig (62-65) umfaßt, der ein zweites kapazitives Element (64) enthält, das einen ersten Anschlußpunkt (63), der mit der Referenzpotentialleitung (3) über ein zweites Schaltelement (62) verbunden ist, und einen zweiten Anschlußpunkt, der mit ihrem Anhebeknotenpunkt (65) verbunden ist, hat; und daß der Steueranschluß jedes Ladetransistors (45) mit dem ersten Anschlußpunkt (63) des zweiten kapazitiven Elements in der selben Stufe verbunden ist.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Leerlauf-Vorspannungselement (10; 43) umfaßt, das zwischen die Referenzpotentialleitung (3) und den Steueranschluß des Ladetransistors (9; 45) eingesetzt ist.

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anhebeknoten (6; 28; 33, 36; 65) mit jeweiligen Eingängen einer Anzahl von in Kaskade geschalteten invertierenden Elementen (12; 27; 48, 49; 66) verbunden sind.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die invertierenden Elemente (12; 27; 48, 49; 66) in geschlossener Schleife verbunden sind, eine ungerade Anzahl von Inversionen durchführen und eine oszillierende Schleife (18) bilden.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie entlang der oszillierenden Schleife (18) einschaltende und ausschaltende Einrichtungen (15; 16) umfaßt.

9. Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die invertierenden Elemente (12) Steuereinrichtungen (74) zum Ändern ihrer Schaltverzögerung aufweisen.

10. Schaltung nach Anspruch 9, bei der jedes invertierende Element (12) zwei Transistoren (70, 71) entgegengesetzten Typs umfaßt, von denen wenigstens ein Transistor (71) einen Steueranschluß und einen Stromversorgungsanschluß gemeinsam mit einem Steueranschluß bzw. einem Stromversorgungsanschluß eines Hilfstransistors (72) aufweist, der durch ein Schaltsignal (SB) gesteuert ist.

11. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lade- und Entladeknotenpunkt (7) mit der Ausgangsleitung (4) über ein einzelnes drittes Schaltelement (8) verbunden ist.

12. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Anhebestufe (26; 31; 51; 61) zweite Ladungsspeichereinrichtungen (35) umfaßt, die einen ersten Anschlußpunkt (37), der mit dem Lade- und Entladeknotenpunkt (34) über ein zweites Schaltelement (38) verbunden ist, und einen zweiten Anschlußpunkt, der mit einem jeweiligen Anhebeknotenpunkt (28; 36) verbunden ist, hat; und daß die zweite Ladungsspeichereinrichtung im Gegentakt in Bezug zur ersten Ladungsspeichereinrichtung (32) in der selben Anhebestufe arbeitet.

13. Schaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste An schlußpunkt (37) der zweiten Ladungsspeichereinrichtung (35) mit der Ausgangsleitung (4) über ein viertes Schaltelement (39) verbunden ist.

14. Schaltung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anschlußpunkt (37) der zweiten Ladungsspeichereinrichtung (35) mit der Referenzpotentialleitung (3) über ein jeweiliges Vorspannungselement (44) verbunden ist.