專利名稱：模塊電荷泵架構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路設(shè)計領(lǐng)域，尤其涉及電荷泵電路領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
存儲器電路常需要內(nèi)部生成升高的電壓，以滿足編程、擦除或讀取各個存儲單元的需要?，F(xiàn)有技術(shù)中，已知可將電荷泵電路用于提升由外部電壓源提供的電壓，從而升高電壓可用于個別存儲單元的編程、擦除或讀取操作。根據(jù)電壓和電流要求，在并聯(lián)和串聯(lián)級方面，需要不同的泵架構(gòu)。在某些內(nèi)部操作模式中，在借助電荷泵升壓的節(jié)點上需要多個電壓值。


圖1描繪了用于從第一恒壓輸入Vdd14生成電源電壓Vout12的典型電荷泵10的簡單示意圖。電容器CP116和CP218交替保持在由外部信號CLK24提供的電荷泵時鐘信號CK20和其反相/CK22，其中外部信號CLK24確定電荷傳送速率。控制信號ENA26控制泵10的開-關(guān)切換。一旦Vout電壓12已達到所需值Vref42，則調(diào)節(jié)器(未示出)禁用時鐘CLK24和/或ENA信號26，如圖2所示。由于電流消耗Vout降低。一旦Vout已達到低于Vref42的固定值44，調(diào)節(jié)器(未示出)再次啟用電荷泵10(圖1)。電壓值的多重性可通過從兩個級(D128和D230)起增加二極管/級的數(shù)量而實現(xiàn)，如圖1所示。
本領(lǐng)域已知的是，希望對來自內(nèi)部調(diào)節(jié)電壓Vpump的電流Ipump根據(jù)存儲器的工作狀態(tài)變化。如圖3所示，輸出泵節(jié)點Outp64上的電流消耗可借助于2個電荷泵66和68維持，這兩個電荷泵通過控制信號ENA172和ENA274而被適當(dāng)啟用，在Vdd70和Outp64之間并聯(lián)工作，提供相同的Vpump電壓76，并提供請求的Ipump(未示出)。
但是，存在兩個主要問題，在單個輸出節(jié)點Outp上提供多個電壓值的電荷泵必須解決(1)如何通過增加Ipump/Isupply比率獲得良好的效率，其中Isupply是來自Vdd電壓電源的電流消耗；以及(2)如何減少Vr/Vpump比率，其中Vr是波紋幅度。
當(dāng)在包括串聯(lián)級的級數(shù)超出獲得所需高Vpump電壓所需的最小數(shù)量N的電荷泵的Outp節(jié)點上必須獲得低Vpump值時，這些問題加劇。事實上，在該實例中，電源電流Isupply的有效部分被用于充電/放電泵的“無用”級的電容器，從而即使Outp節(jié)點上要求的Ipump較低，也會看到Vdd的巨大電流消耗。例如，之前已被調(diào)節(jié)到高Vpump值的泵現(xiàn)在被調(diào)節(jié)成提供更低的Vpump值。如果是這樣，以對應(yīng)于高Vpump值的高位勢值充電的泵的相同內(nèi)部節(jié)點必須產(chǎn)生更低的Vpump值而不重新充電到與所需低Vpump值相對應(yīng)的合適位勢值。這個結(jié)果是偽泵浦并在Outp節(jié)點上的相對較高的波紋電壓Vr，直到達到穩(wěn)定狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
我們已通過不同泵的并聯(lián)工作解決了上述問題，如圖3所示，但其中各個泵可具有不同的電壓，并可適當(dāng)啟用。已提供一種由可選并聯(lián)泵構(gòu)成的模塊電荷泵結(jié)構(gòu)，其中每一個泵提供不同的電壓Vpump，且每一個提供所需的電流Ipump，但不會顯著增加這些靈活的電荷泵結(jié)構(gòu)占據(jù)的集成電路面積。
本發(fā)明提供了一種特點在于電荷泵的模塊排列的電荷泵架構(gòu)。電荷泵被排列為在接收電源電壓的輸入節(jié)點和輸送輸出電壓的輸出節(jié)點之間的多個通路中連接的多個電荷泵級，其中每個泵級都具有接收激活泵級的啟用信號的激活線。激活線由邏輯電路饋送，該邏輯電路具有同時生成與所需輸出電壓相對應(yīng)的啟用信號的邏輯元件的結(jié)構(gòu)。術(shù)語“同時生成”包括脈沖的所有相位變化，因為相位變化響應(yīng)于按合適順序計時各種泵級。這允許大量同時選擇激活的泵級生成所需的輸出電壓。
本發(fā)明的一個方面針對一種裝置，它包括電荷泵級的第一多個并聯(lián)塊，其包括電荷泵級的第一塊，電荷泵級的最后塊，以及其間的電荷泵級的至少一個中間塊。
在本發(fā)明的一個實施例中，電荷泵級的每個并聯(lián)塊包括串行級聯(lián)的一組第二多個電荷泵級；以及連接到輸出節(jié)點的輸出級。
在本發(fā)明的一個實施例中，每個電荷泵級進一步包括(a)第一開關(guān)；(b)第二開關(guān)；(c)升壓電容器，它與所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)電連通；以及(d)倒相器，它具有與升壓電容器和泵節(jié)點電連通的輸出。在該實施例中，具有輸入的倒相器接收到升壓電容器的啟用時鐘信號，且所述第一和第二開關(guān)由與啟用時鐘信號相對應(yīng)的時鐘信號操作。
在本發(fā)明的另一個實施例中，每個所述電荷泵級進一步包括正電荷泵。在本發(fā)明的另一個實施例中，每個所述電荷泵級進一步包括負電荷泵。
在本發(fā)明的另一個實施例中，每個塊中有具有整數(shù)N個電荷泵級的整數(shù)第一多個P塊。在該實施例中，電荷泵級的總數(shù)T等于NP且輸出級的數(shù)量等于P。
本發(fā)明的另一方面針對一種用于在集成電路內(nèi)內(nèi)部生成電源電壓的模塊裝置，包括整數(shù)多個M單獨(N，P)電荷泵。
在本發(fā)明的再一個實施例中，每個單獨(N，P)電荷泵包括電荷泵級的整數(shù)P個并聯(lián)塊，包括電荷泵級的第一塊，電荷泵級的最后塊，以及其間的電荷泵級的至少一個中間塊。
在另一個實施例中，電荷泵級的每個并聯(lián)塊包括串行級聯(lián)的一組整數(shù)N個電荷泵級；以及連接到輸出節(jié)點的輸出級。在該實施例中，電荷泵級總數(shù)的整數(shù)T等于PMN；其中輸出級的整數(shù)O等于PM。
但是，本發(fā)明的再一個方面針對一種用于在集成電路內(nèi)內(nèi)部生成電源電壓的裝置，該裝置包括整數(shù)多個M單獨電荷泵；其中第一單獨電荷泵包括單獨(n1，p1)電荷泵；其中其間的至少一個中間單獨電荷泵包括單獨(ni，pi)電荷泵，其中最后單獨電荷泵包括單獨(nM，PM)電荷泵。
在本發(fā)明的另一個實施例中，每個單獨(ni，pi)電荷泵包括電荷泵級的pi整數(shù)個并聯(lián)塊，其包括電荷泵級的第一塊，電荷泵級的最后塊，以及其間的電荷泵級的至少一個中間塊。
在另一個實施例中，電荷泵級的每個所述并聯(lián)塊包括串行級聯(lián)的一組整數(shù)ni數(shù)量的電荷泵級；以及連接到輸出節(jié)點的輸出級。在該實施例中，輸出級的整數(shù)O等于∑i＝1i＝M(pi) 其中電荷泵級的總數(shù)的整數(shù)T等于∑i＝1i＝M(ni pi)；i是小于或等于M的整數(shù)。
在再一個實施例中，在每個所述單獨(ni，pi)電荷泵中，ni大于或等于pi。在可選實施例中，pi大于或等于ni。這里，ni小于或等于N；且pi小于或等于P，其中整數(shù)P是電荷泵級的并聯(lián)塊的總數(shù)；其中整數(shù)N是串行級聯(lián)的電荷泵級的總數(shù)。在一個實施例中，整數(shù)S組控制信號被用于控制每個所述電荷泵級，且至少一組控制信號被用于控制所述電荷泵級。
在本發(fā)明的一個實施例中，包括多個M單獨電荷泵的本發(fā)明的裝置包括單獨電荷泵的整數(shù)多個Q1個不同配置。此外，對于每個配置，每個輸出級連接到輸出節(jié)點，整數(shù)多個C1電荷泵級被禁用。該裝置適合于通過使用多個控制信號在多個Q1個不同配置中調(diào)整，以優(yōu)化所述輸出節(jié)點處所述電源電壓和電源電流的生成，以及最小化所述輸出節(jié)點處的波紋電壓。
本發(fā)明的一個附加方面針對一種用于在集成電路內(nèi)內(nèi)部生成電源電壓的裝置，它包括整數(shù)多個M單獨電荷泵，以及輔助泵。輔助泵被配置成生成用作整數(shù)多個S1控制信號的參考電壓的輔助電壓。
在另一個實施例中，整數(shù)MIN1個啟用的輸出級被最小化。在一個實施例中，每個啟用的輸出級通過使用整數(shù)多個U1開關(guān)連接到輸出節(jié)點，其中至少一個控制信號被用于控制電荷泵級。
在再一個實施例中，包含多個M單獨電荷泵的本發(fā)明的裝置包括單獨電荷泵的整數(shù)多個Q1個不同配置。在一個實施例中，對于每個配置，每個輸出級連接到輸出節(jié)點，且整數(shù)多個C1電荷泵級被禁用。該裝置適合于通過使用多個控制信號在多個Q1不同配置中調(diào)整，以優(yōu)化輸出節(jié)點處電源電壓和電源電流的生成，以及最小化輸出節(jié)點處的波紋電壓。
附圖概述圖1描繪了現(xiàn)有技術(shù)的電荷泵。
圖2說明了作為啟用信號函數(shù)的圖1電荷泵的電源電壓特征。
圖3示出了包含兩個并聯(lián)電荷泵的現(xiàn)有技術(shù)電荷泵架構(gòu)。
圖4是用于在集成電路內(nèi)內(nèi)部生成電源電壓Vpump的本發(fā)明裝置的平面圖。
圖5更詳細地說明了圖4裝置的電荷泵級。
圖6A描繪了本發(fā)明的動態(tài)電荷泵架構(gòu)，其中電荷泵級的數(shù)量n＝1、2或3，且并聯(lián)級的數(shù)量p＝2；即n≥p，且輸出級的數(shù)量未被優(yōu)化。
圖6B說明了本發(fā)明的圖6A動態(tài)電荷泵結(jié)構(gòu)的控制電路的工作。
圖7描繪了本發(fā)明的電荷泵架構(gòu)，其中“n”始終≥“p”(可擴展到p始終≥n的情況)，且輸出級的數(shù)量被最小化。
圖8A和8B說明了本發(fā)明的電荷泵架構(gòu)(n×p)到(p×n)泵，其中輸出級的數(shù)量被最小化。
圖9是實現(xiàn)圖8和8B的更特別的靈活(4×2)到(2×4)泵的平面圖。
圖10描繪了圖9電路的實際實現(xiàn)，它包括輔助泵、控制信號的電平移動器以及饋送每個單獨級的啟用或禁用的相位。
圖11說明了如何通過將不同的控制相位施加到圖10的泵架構(gòu)上來獲得不同的配置。
圖12描繪了本發(fā)明的一個實施例中的(n×p)到(p×n)泵架構(gòu)320，但是輸出級的數(shù)量未最小化。
圖13描繪了本發(fā)明的電荷泵架構(gòu)，其中通過具有專用相位(PHP，PHS)a和(PHP，PHS)_b，可獲得另一個泵架構(gòu)(例如，(2×2))，且采用由不同相位控制的所有級可以實現(xiàn)更大的靈活度。
具體實施例方式
參考圖4，一裝置在集成電路內(nèi)生成電源電壓Vpump82，該集成電路包含整數(shù)“p”個電荷泵級的并聯(lián)塊，其中包括作為一電荷泵級陣列的電荷泵級的第一個塊84、電荷泵級的最后一個塊86以及其間的電荷泵級的至少一個中間塊(未示出)。在本發(fā)明的一個實施例中，電荷泵級的每個并聯(lián)塊(84，86)包含串行級聯(lián)的一組第二多個“n”的電荷泵級(88、90、...、92)；以及連接到輸出節(jié)點Outp96的輸出級94。
在圖5的實施例中，更詳細地示出了圖4裝置80的電荷泵級(88、90或92)。圖4裝置80的每個電荷泵級(88、90或92)進一步包括第一開關(guān)102、第二開關(guān)104、與第一開關(guān)和第二開關(guān)電連通的升壓電容器106；以及具有與升壓電容器和泵節(jié)點112電連通的輸出110的倒相器108。倒相器108具有接收到升壓電容器的啟用時鐘信號114的輸入113。通過時鐘信號CK116和通過與啟用時鐘信號CK114相對應(yīng)的倒相時鐘信號/CK118操作第一和第二開關(guān)。
串聯(lián)和并聯(lián)電荷泵級的數(shù)量可根據(jù)Vpump和Ipump值而改變，而不會明顯增加提供最大Vpump或Ipump所需占據(jù)的芯片空間。本實例涉及提供高于Vdd的Vpump的泵(正泵)，但它可方便地擴展為提供負Vpump的泵(負泵)。
仍參考圖4，數(shù)量“p”個電荷泵并聯(lián)工作，每一個都由串聯(lián)的“n”個級(STAGE)和輸出級94(OUT STAGE)構(gòu)成。這種電荷泵陣列將被稱作“n×p”泵。將n稱作“串聯(lián)級數(shù)”并將p稱作“并聯(lián)級數(shù)”。通過增加n，將增加Ipump＝0的最大輸出電壓Vpump82，遵循規(guī)則Vpump，max＝(n+1)×Vdd；(等式1)其中，已考慮了每級增益(gain-per-stage)＝Vdd的理想的泵，即沒有損耗的泵。
在一個時鐘周期期間，一個p泵提供平均電流I_av。如果p泵同時工作，則總的平均電流Ipump如下Ipump＝p×I_av (等式2)假定期望調(diào)節(jié)Vpump電壓＜Vpump，max。一旦固定n和p，則Vpump越大，Ipump越小，這取決于泵的輸出等效電阻Rs，從而取決于時鐘周期Tck、數(shù)量n、n個級中每一個的泵電容CP(圖5的106)，如通過理想泵的以下方程示出的Rs＝(n×Tck)/CP。
(等式3)來自Vdd的電流消耗是Isupply＝(n×p×CPAR×Vdd)/Tck+Ipump×(n+1)+Iosc；(等式4)其中，CPAR是泵節(jié)點(圖5的120)處的寄生電容。Iosc是由于生成泵和控制信號的電路生成的電流消耗，它將不作考慮。通過等式4，可以看到即使Outp節(jié)點96沒有請求電流Ipump，由于每個時鐘周期的CPAR電容(圖5的120)的充電/放電產(chǎn)生來自Vdd98的消耗Isupply。根據(jù)(等式4)，Isupply與n和p成比例。此外，即使在CPAR＝0的理想泵中，如果Ipump固定，n應(yīng)被優(yōu)化為確保所需Vpump生成的最小值。
在本發(fā)明的一個實施例中，電荷泵級可以是正電荷泵。在本發(fā)明的另一個實施例中，電荷泵級可以是負電荷泵。
一旦Vpump和對應(yīng)于最大Vpump的Ipump通過操作條件固定，目的是優(yōu)化n和p使得泵具有高效率和/或低波紋Vr。
如上所述，在某些內(nèi)部操作模式期間，在借助電荷泵升壓的節(jié)點上需要多個電壓值。在該情況中，n和p可根據(jù)每對(Vpump-Ipump)值而改變。為了保持面積占據(jù)，可以使用單個(n×p)電荷泵，適當(dāng)?shù)馗淖僴和p。
仍參考圖4，假定希望調(diào)節(jié)Outp節(jié)點96處的m個Vpump值82。首先，應(yīng)確定為這m個Vpump值優(yōu)化的m對(n，p)_1，(n，p)_2...(n，p)_m。關(guān)于級數(shù)n和p(不考慮輸出級)，兩個實施例是可能的a.在所有“m”個配置中，n≥p，或者p≥n。
如果是這種情況，總n將是這m對中的最大n，且總p將是這m對中的最大p。
b.在某些“mi”個配置中，n≥p，其中在其它“mk”個配置中p≥n；其中所有“mi”個配置和所有“mk”個配置的組合用盡所有可能的“m”個配置。
如果是這種情況，本發(fā)明的電荷泵架構(gòu)還應(yīng)包括更復(fù)雜的控制電路，其包含多個開關(guān)，將某些并聯(lián)級(類似于圖4的84或86)“轉(zhuǎn)換”成串聯(lián)級(類似于圖4的級88到92)，反之亦然。在情況(b)的實施例中，有效級的總數(shù)應(yīng)包括NS個級，其中NS是m對中的最大(n×p)乘積。
一旦確定級的總數(shù)，對于輸出級，兩個不同的其它實施例都是可以的。
c.第一實施例，其中輸出級的數(shù)量未最小化。由于更小的CP電容，輸出級占據(jù)的區(qū)域比泵級少。在實施例(c)中，所需的開關(guān)數(shù)量少于實施例(b)中所需的開關(guān)數(shù)，但與實施例(b)中所需的控制信號數(shù)量相比，控制信號的數(shù)量應(yīng)增加。
仍參考圖4，為了實現(xiàn)實施例(c)，必要的是(I)在插入位置中放入適當(dāng)連接到電荷泵80的“m”個級的“m”組輸出級(94，...87)，從而可獲得與Vpump82有關(guān)的泵的“m”個不同配置，同時連接合適的輸出級并禁用不使用的級；以及(ii)生成(m1+m2)組控制信號，m1用于m組電荷泵級，且m2用于m組輸出級，在實施例(a)中m1＝m2＝m。
d.在另一個實施例中，輸出級的數(shù)量最小化。在這種情況中，需要多個開關(guān)來適當(dāng)?shù)剡B接泵的所需點處的輸出級。這些開關(guān)的控制涉及輔助電壓的使用(圖4中未示出)，該輔助電壓大于要調(diào)節(jié)的最高Vpump82。為了實現(xiàn)該實施例，必要的是(I)使用p max輸出級，其中p max是m對中的最大p，其適當(dāng)?shù)剡B接到電荷泵級；(ii)生成(m1+m3)組控制信號，m1用于m組電荷泵級，且m3用于m組輸出級(在情況(a)中，m3＝1，且通常m3＜m2)。
在本發(fā)明的另一個實施例中，圖6A描繪了電荷泵架構(gòu)140，其中n＝1、2、3且p＝2；其中n≥p。在該實施例中，基本方案140包括泵140的兩個分支中各一個上的3個泵級和3個輸出級。在本發(fā)明的另一個實施例中，當(dāng)p≥n(未示出)時，應(yīng)用相同的電荷泵架構(gòu)。在這兩個實施例中，n≥p且p≥n，假定輸出級的數(shù)量未最小化。如果是這種情況，圖6A的電荷泵架構(gòu)140被配置成包含m＝3個不同的電荷泵配置。
在這三個配置的各一個中，提供電壓Vpump142的輸出節(jié)點Outp143應(yīng)適當(dāng)?shù)亟?jīng)由專用輸出級連接到1、2或3個泵級。Outp節(jié)點進入合適的電壓調(diào)節(jié)器(例如，VXP_REG)，它調(diào)節(jié)電壓Vpump142的所需值，它停止電荷泵的泵時鐘CK(圖5中的114)。所需值被數(shù)字化為5個比特(BIT<4:0>)。這就是如何選擇所需的電壓輸出。
在一個實施例中，所有電荷泵級都由兩個信號驅(qū)動(i)PHP_n，它是將電荷抽運到泵電容器的信號；(ii)PHS_n，它是打開/閉合泵級的內(nèi)部開關(guān)的信號。
在一個實施例中，所有輸出級都由兩個信號驅(qū)動(iii)PHPo_n，它是將電荷抽運到輸出電容器上的信號；(iv)PHSo_n，它是打開/閉合輸出級的內(nèi)部開關(guān)的信號。
因此，圖6A的電荷泵140是4相泵。該結(jié)果可方便地擴展到2相泵的情況。假定m＝3(n，p)對為Vpump_1＝＞(n，p)_1＝(3，2)；Vpump_2＝＞(n，p)_2＝(2，2)；Vpump_3＝＞(n，p)_3＝(1，1)。
在所有3個配置中，n≥p。在該實例中，輸出級的數(shù)量未最小化。在以下給出的討論中，描述了如何管理優(yōu)化數(shù)量輸出級的開關(guān)。
為了實現(xiàn)可調(diào)泵，從(3×2)泵開始，它具有3個輸出級和6組控制信號，即用于電荷泵級的3對(PHP，PHS)_1，(PHP，PHS)_2，(PHP，PHS)_3，和用于輸出級的其它3對(PHPo，PHSo)_1，(PHPo，PHSo)_2，(PHPo，PHSo)_3。關(guān)于用于表示相位的慣例，如果在某些圖中表示由同相PHP，PHS控制的2個串聯(lián)級，其旨在這兩個串聯(lián)級同時工作，但具有不同的相位。
例如，如果泵的四個相位是A，B，C，D，則圖中由同相PHP，PHS控制的兩個級旨在如下(i)第一級由A和B相控制；
(ii)第二級由C和D相控制。
在一個實施例中，從一個配置到另一個配置的切換是通過控制電路而簡單獲得的，其中該控制電路適當(dāng)?shù)耐Ｖ贡玫膶Ｓ孟辔籔HP，PHS。通過(等式4)，可以清楚的是，圖6A的動態(tài)電荷泵結(jié)構(gòu)140比為最大電壓Vpump_1調(diào)整尺寸的“靜態(tài)”的傳統(tǒng)(3×2)泵架構(gòu)更有效。表1概括了圖6A的動態(tài)結(jié)構(gòu)140的工作。

表1注釋(1)，即使不必要，啟用級1-2以簡化控制電路。
參考表1，例如，如果希望僅啟用泵級1-1和1-2以進行工作，應(yīng)使控制信號PHP_1，PHS_1，PHPo_1和PHSo_1有效，并禁用所有其它控制信號。
圖6B說明了圖6A的動態(tài)電荷泵結(jié)構(gòu)140的控制電路180的工作。圖6B的控制電路180啟用/禁用合適相位并具有BIT<4:0>、泵時鐘CKP作為輸入，信號PHPx和PHSx作為輸出?！跋辔话l(fā)生器”182從時鐘CKP信號181生成2個信號PHP186和PHS188。根據(jù)解碼網(wǎng)絡(luò)塊184解碼的由BIT<4:0>承載的Vpump值，生成合適的啟用信號(ENA_X1，ENA_X2，ENA_X3)，從而PHP和PHS信號在合適的線路上傳遞以饋送泵級PHPS_n，PHS_n，PHPo_n和PHSo_n。PHP和PHS信號在合適線路上傳遞以饋送泵級PHPS_n，PHS_n，PHPo_n和PHSo_n。
假定，限定BIT<4:0>對應(yīng)于從1.75V到9.50V的Vpump的32個電壓階躍，每個階躍為250mV。使用上述方法，如果限定目標Vpump值為2.5V，則將具有BIT<4:0>＝00011。如果是這種情況，則在Vpump大于目標值時，調(diào)節(jié)器VXP_REG獲得信息并停止CKP時鐘。通過控制邏輯解碼信息，該控制邏輯(利用這些數(shù)據(jù))確定應(yīng)啟用多少級。在這種情況中，根據(jù)表1，在2.5V的Vpump目標值的情況下，啟用泵級1-1、1-2、2-1、2-2和輸出級2-1out和2-2out并禁用所有其它。
在本發(fā)明的一個實施例中，圖7說明了電荷泵架構(gòu)200，其中“n”始終≥“p”(能擴展到“p”始終≥“n”的情況)，且輸出級的數(shù)量最小化。
圖7的電荷泵架構(gòu)200類似于圖6A的電荷泵架構(gòu)140，但現(xiàn)在只有2個(p_max)輸出級。啟用輸出級借助級1-1，或者級2-1和2-2，或者級3-1和3-2的輸出處的開關(guān)被適當(dāng)連接。
在本發(fā)明的一個實施例中，開關(guān)選擇如下如果泵是正的，可使用n-ch開關(guān)；如果泵是負的，可使用p-ch開關(guān)。
開關(guān)的適當(dāng)選擇可避免大批管理問題。
仍參考圖7，在正(負)泵中，為了打開(關(guān)閉)開關(guān)，控制信號應(yīng)涉及比Vpump值204中最高(最低)電壓更高(更低)的電壓。在本發(fā)明的一個實施例中，輔助泵AUX_PUMP塊202用于生成用于控制信號的參考電壓203。如果使用合適的架構(gòu)(例如，含(n×1)結(jié)構(gòu)和小型泵電容器的二極管泵)，這種輔助泵的實現(xiàn)不影響面積占據(jù)和總Isupply方面的效率。
仍參考圖7，在調(diào)節(jié)Vpump_1、Vpump_2或Vpump_3時，應(yīng)適當(dāng)閉合n-ch開關(guān)。由AUX_PUMP塊202表示的輔助泵輸出電壓Vaux203，假定其大于最大Vpump電壓(在這種情況中Vpump_1)。在一個實施例中，AUX-PUMP202實現(xiàn)為具有小型CP電容器的(4×1)泵。塊ELEV208將啟用信號Anp(n，p＝1...3)210從Vdd電平移動到Vaux電平(Anp_HV)。相對于圖6A，不需要PHPo和PHSo相位。輸出級可由PHP1和PHS1控制，因為第一泵級和輸出級兩者在所有的m配置中運作。表2概括了圖7所示的結(jié)構(gòu)200的運作。即使不必要，啟用級1-2以簡化控制。

表2在本發(fā)明的一個實施例中，圖8A和8B描述了(n×p)和(p×n)電荷泵架構(gòu)220。輸出級的數(shù)量最小化。更具體地，圖8A示出了具有4個串聯(lián)級和2個并聯(lián)級的(4×2)PUMP1224。圖8B示出了具有2個串聯(lián)級和4個并聯(lián)級的(2×4)PUMP2222。以下示例可方便地擴展到兩個普通泵的情況，一個由(n×p)級構(gòu)成，一個由(p×n)級構(gòu)成。
指定以下描述來示出PUMP1224如何可變成PUMP2222而沒有面積浪費。這兩個泵之間的轉(zhuǎn)變在存儲器電路中很有用，其中在兩個不同的操作模式中，需要具有低Ipump的高Vpump(由PUMP1提供)或者具有高Ipump的低Vpump(由PUMP2提供)。
泵級的總數(shù)是NS＝4×2＝8。輸出級的總最小化數(shù)量是4。各個電荷泵級可借助開關(guān)串聯(lián)或并聯(lián)，如以上部分所述的。在一個實施例中，圖9示出了如何實現(xiàn)靈活的(4×2)到(2×4)泵。當(dāng)需要(4×2)泵時，開關(guān)(1)242、(3)244是OFF，且開關(guān)(2)246是ON。在(4×2)泵中，Outp節(jié)點248連接到2個輸出級，每一個都終止分別包括4個串聯(lián)級的兩個并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
另一方面，當(dāng)需要(2×4)泵時，開關(guān)(2)246為OFF，將4個級的2個鏈斷為各2個級的2個鏈。開關(guān)(1)242為ON，因此將作為源電壓的Vdd250提供到所新獲得的2個鏈。開關(guān)(3)244為ON，因此將兩個剩余的輸出級并聯(lián)到之前的兩個。
圖10示出圖9的電路240的實際實現(xiàn)260，包括輔助泵262，用于控制信號264和266的電平移動器，啟用或禁用的饋送每個單獨級的相位。圖9泵的開關(guān)(1)268、(2)272和(3)270由通路實現(xiàn)，這些通路由Vaux274涉及的信號S1HV276，S2HV272和S3HV280選通。級1、2、5、6由相位PHPa、PHSa控制。級3、4、7、8由相位PHPb、PHSb控制。這不是必然的(在這兩種架構(gòu)中所有級都是ON)但為該結(jié)構(gòu)提供了更大的靈活性，如以下將了解的。輸出級1o 284和2o 286始終是ON，同時輸出級3o 288和4o 290僅在(2×4)架構(gòu)中為ON，因此它們的控制相位是不同的。
圖11示出了如何可以通過將不同的控制相位施加到圖10的泵架構(gòu)260上獲得不同配置。
更具體地，具有用于泵級的不同控制相位(PHP，PHS)_a和(PHP，PHS)_b使得以下架構(gòu)成為可能(4×2)(如上所述)，(2×4)(如上所述)，通過保持級3、4、7、8和輸出級1o、2o為ON，其中開關(guān)S1HV為ON且開關(guān)S2HV、S3HV為OFF實現(xiàn)(2×2)；以及2個不同的(2×2)泵，如果其它兩對開關(guān)S4_HV302、S5HV304置于輸出級3o、4o之后，將3o、4o的輸出節(jié)點連接到Outp306或者另一個節(jié)點，Outp2308。
表3概括了用于(4×2)、(2×4)和(2×2)架構(gòu)的圖10所示電荷泵結(jié)構(gòu)260的運作。

表3如果輸出級由不同相位控制，如在圖10中，開關(guān)S3HV是不必要的輸出級3o、4o可直接連接到級2，6的輸出。在這種情況中，當(dāng)不使用3o、4o時，應(yīng)禁用它們的控制相位。
在本發(fā)明的一個實施例中，圖12描述了可從(n×p)轉(zhuǎn)換為(p×n)的泵架構(gòu)320，然而輸出級的數(shù)量未最小化。當(dāng)在面積占據(jù)方面輸出級數(shù)量不關(guān)鍵時，320架構(gòu)很重要。如果將更嚴格的圖12的320與圖8的可轉(zhuǎn)換220結(jié)構(gòu)(n×p)到(p×n)相比，清楚的是，結(jié)構(gòu)320具有以下優(yōu)點缺少涉及Vaux電壓的開關(guān)。因此，結(jié)構(gòu)220的AUX-PUMP和電平移動器(塊ELEV)在結(jié)構(gòu)320中不必要。
仍參考圖12，通過控制相位PHP和PHS以及現(xiàn)在涉及Vdd324的開關(guān)Sx322，在通入輸出級5o、6o后級1、2和5、6可串聯(lián)到級3、4和7、8。在實現(xiàn)(4×2)架構(gòu)時，該結(jié)構(gòu)實際由(2×2)泵構(gòu)成，具有串聯(lián)饋送另一個(2×2)泵的其輸出級5o、6o，具有連接到Outp節(jié)點326并提供所需Vpump電壓328的其輸出級1o、2o。
圖13描繪了本發(fā)明的另一個電荷泵架構(gòu)350，其中通過具有專用相位(PHP，PHS)_a和(PHP，PHS)_b，可獲得另一泵架構(gòu)(例如，(2×2))并可用由不同相位控制的全部級實現(xiàn)更大的靈活性。例如，采用級1(352)和2(354)、5(356)和6(358)、輸出級3o 360、輸出級6o362以及開關(guān)Sx(變成S1364和S2366)的專用相位可獲得(2×1)或(2×3)結(jié)構(gòu)。
圖12所示的用于(4×2)和(2×4)架構(gòu)的320。
表4


權(quán)利要求
1.一種用于生成電源電壓的模塊電荷泵，其特征在于，包括多個電荷泵級，連接于接收電源電壓的輸入節(jié)點和輸送輸出電壓的輸出節(jié)點之間的多個路徑中，其中每個泵級具有接收激活泵級的啟用信號的激活線；邏輯電路，具有同時生成啟用信號的邏輯元件的結(jié)構(gòu)，該啟用信號被發(fā)送到與所需輸出電壓相對應(yīng)的泵級的激活線；以及從而同時選擇性激活的泵級的數(shù)量和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生所需輸出電壓。
2.一種用于在集成電路內(nèi)內(nèi)部生成電源電壓的模塊裝置，其特征在于，包括電荷泵級的第一多個并聯(lián)塊，它包括電荷泵級的第一塊，電荷泵級的最后塊，以及其間的電荷泵級的至少一個中間塊；其中電荷泵級的每個所述并聯(lián)塊包括串行級聯(lián)的一組第二多個電荷泵級；以及連接到輸出節(jié)點的輸出級。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，每個所述電荷泵級進一步包括第一開關(guān)；第二開關(guān)；升壓電容器，它與所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)電連通；以及倒相器，它具有與所述升壓電容器和泵節(jié)點電連通的輸出；所述倒相器具有接收到所述升壓電容器的啟用時鐘信號的輸入；所述第一和第二開關(guān)由與所述啟用時鐘信號相對應(yīng)的時鐘信號操作。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，每個所述電荷泵級進一步包括正電荷泵。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，每個所述電荷泵級進一步包括負電荷泵。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，每個所述塊中有具有整數(shù)N個電荷泵級的整數(shù)第一多個P塊；且其中電荷泵級的總數(shù)T等于NP且輸出級的數(shù)量等于P。
7.一種用于在集成電路內(nèi)內(nèi)部生成電源電壓的模塊裝置，其特征在于，所述裝置包括整數(shù)多個M單獨(N，P)電荷泵，其中每個所述單獨(N，P)電荷泵包括電荷泵級的整數(shù)P個并聯(lián)塊，該電荷泵級包括電荷泵級的第一塊，電荷泵級的最后塊，以及其間的電荷泵級的至少一個中間塊；其中電荷泵級的每個所述并聯(lián)塊包括串行級聯(lián)的一組整數(shù)N個所述電荷泵級；以及連接到輸出節(jié)點的輸出級；其中電荷泵級總數(shù)的整數(shù)T等于PMN；其中輸出級的整數(shù)O等于PM。
8.一種用于在集成電路內(nèi)內(nèi)部生成電源電壓的裝置，其特征在于，所述裝置包括整數(shù)多個M單獨電荷泵；其中第一單獨電荷泵包括單獨(n1，p1)電荷泵；其中其間的至少一個中間單獨電荷泵包括單獨(ni，pi)電荷泵，其中最后單獨電荷泵包括單獨(nM，pM)電荷泵；每個所述單獨(ni，pi)電荷泵包括電荷泵級的pi整數(shù)并聯(lián)塊，其包括電荷泵級的第一塊，電荷泵級的最后塊，以及其間的電荷泵級的至少一個中間塊；其中電荷泵級的每個所述并聯(lián)塊包括串行級聯(lián)的一組整數(shù)ni數(shù)量的電荷泵級；以及連接到輸出節(jié)點的輸出級；以及其中輸出級的整數(shù)O等于∑i＝1i＝M(pi)；其中電荷泵級的總數(shù)的整數(shù)T等于∑i＝1i＝M(ni pi)；i是小于或等于M的整數(shù)。
9.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，每個所述單獨(ni，pi)電荷泵，ni大于或等于pi；其中ni小于或等于N；且其中pi小于或等于P；其中整數(shù)P是電荷泵級的并聯(lián)塊的總數(shù)；其中整數(shù)N是串行級聯(lián)的電荷泵級的總數(shù)；以及其中整數(shù)S組控制信號被用于控制每個所述電荷泵級，且其中至少一組所述控制信號被用于控制一個所述電荷泵級。
10.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，包括單獨電荷泵的整數(shù)多個Q1個不同配置；其中對于每個所述配置，每個所述輸出級連接到所述輸出節(jié)點，以及其中對于每個所述配置，整數(shù)多個C1個電荷泵級被禁用；且其中所述裝置適合于通過使用多個控制信號在所述多個Q1個不同配置中調(diào)整，以優(yōu)化所述輸出節(jié)點處所述電源電壓和電源電流的生成，以及最小化所述輸出節(jié)點處的波紋電壓。
11.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，在每個所述單獨(ni，pi)電荷泵中，pi大于或等于ni；以及其中pi小于或等于P；其中ni小于或等于N；其中整數(shù)P是電荷泵級的并聯(lián)塊的總數(shù)；其中整數(shù)N是串行級聯(lián)的電荷泵級的總數(shù)；其中整數(shù)S組控制信號被用于控制每個所述電荷泵級，且其中至少一組所述控制信號被用于控制一個所述電荷泵級。
12.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，包括單獨電荷泵的整數(shù)多個Q2不同配置；其中對于每個所述配置，每個所述輸出級連接到所述輸出節(jié)點，且其中對于每個所述配置，整數(shù)多個C2電荷泵級被禁用；且其中所述裝置適合于通過使用多個控制信號在所述多個Q2不同配置中調(diào)整，以優(yōu)化所述輸出節(jié)點處所述電源電壓和電源電流的生成，以及最小化所述輸出節(jié)點處的波紋電壓。
13.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，還包括輔助泵，它被配置成生成用作整數(shù)多個S1控制信號的參考電壓的輔助電壓；其中在每個所述單獨(ni，pi)電荷泵中，ni大于或等于pi；以及其中ni小于或等于N；其中pi小于或等于P；其中整數(shù)P是電荷泵級的并聯(lián)塊的總數(shù)；其中整數(shù)N是串行級聯(lián)的電荷泵級的總數(shù)；其中啟用的輸出級的整數(shù)MIN1被最小化；且其中通過使用整數(shù)多個U1開關(guān)，每個所述啟用的輸出級連接到所述輸出節(jié)點，且其中至少一個所述控制信號被用于控制一個所述電荷泵級。
14.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，包括單獨電荷泵的整數(shù)多個Q3不同配置；其中對于每個所述配置，每個所述啟用的輸出級連接到所述輸出節(jié)點，且其中對于每個所述配置，整數(shù)多個C3電荷泵級被禁用；以及其中，所述裝置適合于通過利用多個控制信號在所述多個Q3不同配置中調(diào)整，以優(yōu)化所述輸出節(jié)點處所述電源電壓和所述電源電流的生成，以及最小化所述輸出節(jié)點處的所述波紋電壓。
15.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，進一步包括輔助泵，它被配置成生成用作整數(shù)多個S2控制信號的參考電壓的輔助電壓；其中在每個所述單獨(ni，pi)電荷泵中，pi大于或等于ni；且其中ni小于或等于N；以及其中pi小于或等于P；其中整數(shù)P是電荷泵級的并聯(lián)塊的總數(shù)；其中整數(shù)N是串行級聯(lián)的電荷泵級的總數(shù)；以及其中啟用的輸出級的整數(shù)MIN2被最小化；且其中通過利用整數(shù)多個U2開關(guān)，每個所述啟用的輸出級連接到所述輸出節(jié)點，且其中至少一個所述控制信號被用于控制一個所述電荷泵級。
16.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，包括單獨電荷泵的整數(shù)多個Q4不同配置；其中對于每個所述配置，每個所述啟用的輸出級連接到所述輸出節(jié)點，且其中對于每個所述配置，整數(shù)多個C4電荷泵級被禁用；以及其中所述裝置適合于通過利用多個控制信號在所述多個Q4不同配置中調(diào)整，以優(yōu)化所述輸出節(jié)點處所述電源電壓和所述電源電流的生成，以及最小化所述輸出節(jié)點處的所述波紋電壓。
全文摘要
電壓調(diào)節(jié)裝置(80)用于在集成電路內(nèi)利用電荷泵的模塊設(shè)置內(nèi)部生成電源電壓。電荷泵的特點在于電荷泵級的第一多個并聯(lián)塊，該電荷泵級包括電荷泵級的第一塊(84)，電荷泵級的最后塊(86)以及其間的電荷泵級的至少一個中間塊。電荷泵級的每個并聯(lián)塊包括串行級聯(lián)的一組第二多個電荷泵級(88、90...92)；以及連接到輸出節(jié)點的輸出級(94)。通過利用由邏輯電路生成的影響各電荷泵的組合塊信號獲得所需的輸出電壓(82)。
文檔編號H02M3/07GK1688951SQ03824099
公開日2005年10月26日 申請日期2003年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月6日
發(fā)明者L·貝達里達, S·西韋羅, D·曼弗雷 申請人:愛特梅爾股份有限公司