專利名稱：電荷泵電路以及用于電荷泵電路的升壓方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高效多級電荷泵電路和用于電荷泵電路的升壓方法。
背景技術：
近年來，使用電荷泵電路的升壓電路已經(jīng)被廣泛地用作裝備在汽車中的高壓側(cè)IPD(智能功率器件)。為了在電荷泵電路中產(chǎn)生較高的升壓電壓，需要多級構造的電荷泵電路。圖8是示出現(xiàn)有的典型單級電荷泵電路800的電路圖。
如圖8所示，常規(guī)的單級電荷泵電路800包括用于從輸入端接收時鐘信號OSC以驅(qū)動升壓電容器811的升壓時鐘驅(qū)動器801；用于將對應于電源電壓VCC的電壓施加于升壓電容器811以阻止電荷回流的第一防回流電路802；和用于以相同方式將升壓電壓施加于輸出端OUT以阻止電荷回流的第二防回流電路803。第一防回流電路802和第二防回流電路803包括N溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。
升壓時鐘驅(qū)動器801包括串聯(lián)連接在電源電位和接地電位之間的P溝道MOSFET 821和N溝道MOSFET 822。這兩個MOSFET的漏極端連接在一起，而它們的柵極連接到輸入端。升壓時鐘驅(qū)動器801將通過反轉(zhuǎn)輸入信號而獲得的信號從輸出(V81)輸出。換句話說，升壓時鐘驅(qū)動器801起到反相器的作用。
第一防回流電路802連接在電源電位VCC和升壓電容器811的一端之間。升壓電容器811的另一端連接升壓時鐘驅(qū)動器801的輸出(V81)。第一防回流電路802具有N溝道MOSFET，該N溝道MOSFET的柵極和漏極連接且漏極連接到電源電位。第一防回流電路802的N溝道MOSFET實現(xiàn)了所謂的二極管連接。該N溝道MOSFET的源極端連接到升壓電容器811，它們之間的節(jié)點用V82表示。
第二防回流電路803連接在節(jié)點V82和輸出OUT之間。第二防回流電路803具有N溝道MOSFET。該N溝道MOSFET具有連接的柵極和漏極，并且漏極連接到節(jié)點V82。此外，它的源極端連接輸出OUT。第二防回流電路803的N溝道MOSFET實現(xiàn)了二極管連接。容性負載813連接在源極和接地電位之間，其間的節(jié)點是輸出OUT。此外，連接到N溝道MOSFET的背柵的阱端和電源電位連接。因此，寄生二極管難以工作，從而實現(xiàn)整個電路的穩(wěn)定工作。
圖9是現(xiàn)有的典型單級電荷泵電路的時序圖。如圖9所示，從輸入端提供的時鐘信號OSC是時變信號，其以固定頻率在電源電位VCC和接地電位之間改變自身電平。時鐘信號OSC在t1時刻達到高電平(例如，電源電位)，升壓時鐘驅(qū)動器801從輸出(V81)輸出低電平的電壓(例如，接地電壓)。升壓電容器811通過第一防回流電路802進行充電。假設第一防回流電路802的N溝道MOSFET的閾值電壓用Vtn801來表示(例如，0.8V)，則在t1時刻在節(jié)點V82獲得的電壓通過下面的表達式(1)來表示V82＝VCC-Vtn801……表達式(1)此后，時鐘信號OSC在t2時刻改變?yōu)長OW電平，在升壓時鐘驅(qū)動器801一側(cè)的升壓電容器811的一端處于電源電位。此時，對應于從上述表達式(1)得到的電壓的電荷積累在升壓電容器811中，于是從表達式(2)得到在節(jié)點V82處的電壓V82＝2×VCC-Vtn801……表達式(2)該電壓高于電源電壓。然而，第一防回流電路802阻止電荷回流到電源電位一側(cè)，于是升壓電容器811的電荷不釋放到電源電位。此外，該電壓通過第二防回流電路803施加于容性負載813。對應于該電壓的電荷積累在容性負載813中。假設第二防回流電路803的N溝道MOSFET的閾值電壓用Vtn802來表示(例如，1.9V)，則從表達式(3)得到在輸出OUT處的電壓VOUTVOUT＝2×VCC-Vtn801-Vtn802……表達式(3)日本未審專利公開No.H06-153493公開了這樣的單級電荷泵電路。該公開中公開的電荷泵電路是針對節(jié)約用于穩(wěn)定升壓電壓的限幅器所消耗的電源。
圖10是現(xiàn)有的典型雙級電荷泵電路1000的電路圖。如圖10所示，除了圖8的單級電荷泵電路800的組件以外，現(xiàn)有的雙級電荷泵電路1000還包括第二升壓時鐘驅(qū)動器1001、第二升壓電容器1011和第三防回流電路1002。與單級電荷泵電路的組件相同的組件用相似的參考標號表示，并且在這里省略對它們的詳細說明。第二升壓時鐘驅(qū)動器1001具有與第一升壓時鐘驅(qū)動器801的輸出(V81)連接的柵極。第二升壓時鐘驅(qū)動器1001具有串聯(lián)連接在電源電位VCC和接地電位之間的P溝道MOSFET 1021和N溝道MOSFET 1022。第二升壓時鐘驅(qū)動器1001從這兩個MOSFET的漏極端連接在一起的節(jié)點V101處輸出信號。也就是說，升壓時鐘驅(qū)動器1001起到反相器的作用。
第三防回流電路1002連接在第一升壓電容器811和第一防回流電路802之間的節(jié)點V82與第二防回流電路803之間。第三防回流電路1002具有N溝道MOSFET。該N溝道MOSFET具有連接的柵極和漏極，并且漏極連接到節(jié)點V82。此外，它的源極和第二防回流電路803的N溝道MOSFET的漏極連接。也就是說，第三防回流電路1002的N溝道MOSFET實現(xiàn)了二極管連接。與第三防回流電路1002的N溝道MOSFET的背柵連接的阱端連接電源電位。因此，寄生二極管難以工作，從而實現(xiàn)了整個電路的穩(wěn)定工作。此外，升壓電容器1011的一端連接第二防回流電路803和第三防回流電路之間的節(jié)點V102。升壓電容器1011的另一端連接升壓時鐘驅(qū)動器1001的輸出(V101)。
圖11是現(xiàn)有的雙級電荷泵電路1000的時序圖。關于雙級電荷泵電路的工作，在節(jié)點V82處的電壓在t1時刻增加到上述表達式(1)表示的電平，類似于前述單級電荷泵電路的工作。接下來，在t2時刻，在節(jié)點V82處的電壓增加到上述表達式(2)表示的電平，類似于前述單級電荷泵電路的工作。此時，假設第三防回流電路1002的N溝道MOSFET的閾值電壓用Vtn803來表示(例如，1.9V)，通過用閾值電壓Vtn803代替閾值電壓Vtn802計算出的電壓施加在第二升壓電容器1011上。相同的電壓被施加于節(jié)點V102。接下來，在t3時刻，第一升壓時鐘驅(qū)動器1001從輸出(V101)輸出高電平的電壓。此時，對應于前述電壓的電荷積累在第二升壓電容器1011中。因此，在節(jié)點V102處的電壓由表達式(4)來表示V102＝3×VCC-Vtn801-Vtn803……表達式(4)該電壓高于電源電壓。然而，由于第一防回流電路802和第三防回流電路803阻止電荷回流到電源電位一側(cè)，因此升壓電容器1011的電荷不釋放到電源電位。此外，該電壓通過第二防回流電路803施加于容性負載813，對應于施加電壓的電荷積累在容性負載中。此時，從表達式(5)得到在輸出OUT處的電壓VOUTVOUT＝3×VCC-Vtn801-Vtn802-Vtn803……表達式(5)如上述提及的，為了增加升壓電壓，通常采用下述結(jié)構。也就是說，多個升壓電容器經(jīng)由防回流二極管連接在電荷泵電路的電源電位和輸出端之間。
圖12示出了對在常規(guī)單級電荷泵電路中相對于電源電壓的升壓電壓與在常規(guī)雙級電荷泵電路中相對于電源電壓的升壓電壓進行比較的結(jié)果的圖表。如圖12所示，對于單級電荷泵電路，升壓電壓是電源電壓的1.4到1.6倍，對于雙級電荷泵電路，是電源電壓的1.8到2.1倍。在這種情況中，雙級電荷泵電路中的升壓電壓是單級電荷泵電路中的升壓電壓的1.3倍。如上述所提及的，現(xiàn)有的電荷泵電路為了達到獲得更高升壓電壓的目的，需要多級構造。日本未審專利公開No.2000-123587公開了用于提供這種多級電荷泵電路的技術。
圖13是單級電荷泵電路的布局的示意平面圖。圖14是雙級電荷泵電路的布局的示意平面圖。在這些現(xiàn)有的半導體器件中，由MOS電容器組成的大容性元件占用了半導體芯片的大部分面積。雙級電荷泵電路需要的面積是單級的電荷泵電路的1.7到1.8倍。
然而，為了增加升壓電壓，現(xiàn)有的電荷泵電路必須具有多級構造。該多級升壓電路存在芯片面積與容性元件的數(shù)量的增加成正比地增加的問題，因此半導體芯片的成本高。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面的電荷泵電路包括第一升壓電容器；與第一升壓電容器串聯(lián)連接的第二升壓電容器；連接在第一升壓電容器和第二升壓電容器之間并且升壓第一升壓電容器的第一升壓時鐘驅(qū)動器；和與第二升壓電容器連接并且在第一時鐘驅(qū)動器升壓第一升壓電容器之后升壓第一升壓電容器和第二升壓電容器的第二升壓時鐘驅(qū)動器。
根據(jù)本發(fā)明，第一升壓電容器和第二升壓電容器串聯(lián)連接，以允許使用層疊容性元件，這節(jié)省了占用芯片面積的相當大比例的容性元件的面積。因此，能夠以與任何現(xiàn)有電荷泵電路相等或更高的升壓效率來減小芯片面積。


從下面的根據(jù)附圖的詳細說明，本發(fā)明的上述以及其他目的、優(yōu)點和特征將會變得更清楚，其中圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電荷泵電路的電路圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電荷泵電路的操作的時序圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電荷泵電路的布局的示意圖；圖4是示出對根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電荷泵電路的相對于電源電壓的升壓電壓和現(xiàn)有電路的相對于電源電壓的升壓電壓進行比較的結(jié)果的圖；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的電荷泵電路的電路圖；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的耗盡型MOSFET的截面圖；圖7是示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的耗盡型MOSFET的寄生電容的示意圖；圖8是示出現(xiàn)有單級電荷泵電路的電路圖；圖9是示出現(xiàn)有單級電荷泵電路的操作的時序圖；圖10是示出現(xiàn)有雙級電荷泵電路的電路圖；圖11是示出現(xiàn)有雙級電荷泵電路的操作的時序圖；圖12是示出對現(xiàn)有單級電荷泵電路的相對于電源電壓的升壓電壓和現(xiàn)有雙級電荷泵電路的相對于電源電壓的升壓電壓進行比較的結(jié)果的圖；圖13是示出現(xiàn)有單級電荷泵電路的布局的示意圖；以及圖14是示出現(xiàn)有雙級電荷泵電路的布局的示意圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參考說明性實施例來在此描述本發(fā)明。本領域的技術人員應當認識到，使用本發(fā)明的講述能夠?qū)崿F(xiàn)許多可選擇的實施例，并且本發(fā)明并不是用來限制用于說明目的而闡明的實施例。
第一實施例圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電荷泵電路的電路圖。如圖1所示，電荷泵電路100包括第一升壓電容器111、串聯(lián)連接第一升壓電容器111的第二升壓電容器112、連接在第一升壓電容器111和第二升壓電容器112之間并且升壓第一升壓電容器111的第一升壓時鐘驅(qū)動器101、以及連接第二升壓電容器112并且升壓第一升壓電容器111和第二升壓電容器112的第二升壓時鐘驅(qū)動器102。該電荷泵電路100進一步包括連接輸出OUT并且積累來自輸出端的電荷的容性負載113、用于阻止電荷從第一升壓電容器回流到電源電位的第一防回流電路103、用于阻止電荷從容性負載113回流到其他模塊的第二防回流電路104、以及用于阻止電荷從第二升壓電容器流出到電源電位的第三防回流電路105。
第一升壓電容器111的一端經(jīng)由第一防回流電路103連接電源電位VCC，而其另一端連接第二升壓電容器112的一端。此外，第一升壓電容器111的另一端連接第一升壓時鐘驅(qū)動器101的輸出(V1)，第二升壓電容器112的另一端連接第二升壓時鐘驅(qū)動器102的輸出(V2)。
此外，第一升壓電容器111和第一防回流電路103之間的節(jié)點V3經(jīng)由第二防回流電路104連接電荷泵電路100的輸出OUT，容性負載113連接在輸出OUT和接地電位之間。
第一升壓時鐘驅(qū)動器101包括作為第一晶體管的P溝道MOSFET121和作為第二晶體管的N溝道MOSFET 122，P溝道MOSFET 121和N溝道MOSFET 122串聯(lián)連接在電源電位VCC和接地電位之間。P溝道MOSFET 121的源極連接電源電位VCC，N溝道MOSFET 122的源極連接接地電位。此外，P溝道MOSFET 121的柵極通過接收時鐘OSC1的電線連接到N溝道MOSFET 122的柵極。也就是說，第一升壓時鐘驅(qū)動器101是反相器電路，其中P溝道MOSFET 121的漏極連接N溝道MOSFET 122的漏極，它們之間的節(jié)點V1是第一升壓時鐘驅(qū)動器101的輸出端。
第二升壓時鐘驅(qū)動器102具有P溝道MOSFET 123和N溝道MOSFET 124，P溝道MOSFET 123和N溝道MOSFET 124串聯(lián)連接在電源電位VCC和接地電位之間。P溝道MOSFET 123的源極連接電源電位VCC，N溝道MOSFET 124的源極連接接地電位。此外，P溝道MOSFET 123的柵極通過接收時鐘OSC2的電線連接到N溝道MOSFET 124的柵極。簡而言之，第二升壓時鐘驅(qū)動器102起到反相器電路的作用。P溝道MOSFET 123和N溝道MOSFET 124之間的節(jié)點V2是第二升壓時鐘驅(qū)動器102的輸出端。
第一防回流電路103包括例如N溝道MOSFET，其具有連接的柵極和漏極并且漏極連接到電源電位。其源極連接節(jié)點V3。其背柵連接電源電位。第一防回流電路103阻止電荷從第一升壓電容器111流出到電源電位。
第二防回流電路104包括例如N溝道MOSFET，其具有連接的柵極和漏極并且漏極連接到節(jié)點V3。其源極連接電荷泵電路100的輸出OUT。其背柵連接電源電位。第二防回流電路104阻止電荷從容性負載113流出到電源電位。
第三防回流電路105包括例如N溝道MOSFET，其漏極連接P溝道MOSFET 121的漏極，并且其柵極連接其漏極。第三防回流電路105阻止電荷從第二升壓電容器112流出到電源電位。這里，在該實施例中，第三防回流電路105連接在第一升壓時鐘驅(qū)動器101的輸出(V1)和P溝道MOSFET 121的漏極之間，但還可以連接在P溝道MOSFET 121的源極和電源電位VCC之間。也就是說，第三防回流電路105可以位于電源電位VCC和節(jié)點V1之間。
接下來，描述根據(jù)第一實施例的電荷泵電路的操作。在第一實施例的電荷泵電路100中，使用連接形式不同的兩個N溝道MOSFET作為防回流電路。第一種，柵極連接漏極，背柵連接該漏極。在本申請中，這種連接形式被稱作二極管連接A。第二種，柵極連接漏極，背柵連接電源電為，并且源極或漏極電壓低于背柵電壓。在本申請中，這種連接形式被稱作二極管連接B。在這種情況中，例如，第一防回流電路103和第三防回流電路105的每一個能夠由基于二極管連接A的MOSFET組成，而第二防回流電路104能夠由基于二極管連接B的MOSFET組成。關于這種連接，通常，二極管連接A的閾值電壓低于二極管連接B的閾值電壓。例如，二極管連接A的閾值電壓是0.8V，而二極管連接B的閾值電壓是1.9V。為了詳細描述，采用大量基于二極管連接A的MOSFET能有效的減小由于防回流電路損耗的升壓電壓。參考圖2的時序圖，在考慮上述的情況下，下面描述電荷泵電路的操作。
在電荷泵電路100中，第一升壓時鐘驅(qū)動器101被提供時鐘OSC1，第二升壓時鐘驅(qū)動器102被提供時鐘OSC2。時鐘OSC1和時鐘OSC2是在高電平(例如，電源電位)和低電平(例如，接地電位)之間周期性改變電壓電平的時鐘信號。此外，時鐘OSC2比時鐘OSC1具有更長的高電平周期，時鐘OSC1和時鐘OSC2的上升沿相互匹配，而時鐘OSC1的下降沿比時鐘OSC2的下降沿提前出現(xiàn)。
首先，在t1時刻，時鐘OSC1轉(zhuǎn)變成高電平，同時時鐘OSC2轉(zhuǎn)變成高電平。然后，第一升壓時鐘驅(qū)動器101從輸出(V1)輸出低電平的電壓。此外，第二升壓時鐘驅(qū)動器102從輸出(V2)輸出低電平的電壓。這時，在第一升壓電容器111上產(chǎn)生對應于(電源電壓VCC-基于二極管連接A的N溝道MOSFET(第一防回流電路103)的閾值電壓Vtn2)的電壓。因此，第一升壓電容器111積累對應于電壓(VCC-Vtn2)的電荷。
接下來，在t2時刻，時鐘OSC1轉(zhuǎn)變成低電平，而時鐘OSC2處于高電平。那么，第一升壓時鐘驅(qū)動器101從輸出(V1)輸出對應于(電源電壓VCC-二極管連接A的N溝道MOSFET(第三防回流電路105)的閾值電壓Vtn1)的電壓。此外，第二升壓時鐘驅(qū)動器102從輸出(V2)輸出低電平的電壓。這時，在第二升壓電容器112上產(chǎn)生(VCC-Vtn1)的電壓，并且第二升壓電容器112積累對應于電壓(VCC-Vtn1)的電荷。此外，第一升壓時鐘驅(qū)動器101從輸出(V1)輸出(VCC-Vtn1)的電壓，并且第一升壓電容器111積累對應于電壓(VCC-Vtn2)的電荷。因此，從表達式(6)得到在節(jié)點V3處的電壓V3＝2×VCC-Vtn2-Vtn1……表達式(6)在該情況中，在節(jié)點V3處的電壓高于電源電壓VCC。然而，第一防回流電路103阻止電流流向電源電位一側(cè)。
在t3時刻，時鐘OSC1位于低電平，且時鐘OSC2轉(zhuǎn)變成低電平。那么，第一升壓時鐘驅(qū)動器101從輸出(V1)輸出高電平的電壓，第二升壓時鐘驅(qū)動器102從輸出(V2)輸出高電平的電壓。這時，第一升壓電容器111積累對應于電壓(VCC-Vtn2)的電荷，第二升壓電容器112積累對應于電壓(VCC-Vtn1)的電荷。因此，在節(jié)點V1處的電壓等于“(VCC-Vtn1)+VCC”，并且從表達式(7)得到在節(jié)點V3處的電壓V3＝3×VCC-Vtn1-Vtn2……表達式(7)在該情況中，在節(jié)點V1處的電壓高于電源電壓VCC。然而，第三防回流電路105阻止電流回流，于是電流不從節(jié)點V1流出到電源電位。此外，在節(jié)點V3處的電壓高于電源電壓VCC，而第一防回流電路103阻止電流從節(jié)點V3流出到電源電位。
在第一實施例的電荷泵電路中，連接在第一升壓電容器111和第二升壓電容器112之間的第一升壓時鐘驅(qū)動器101對第一升壓電容器111進行充電，第一升壓時鐘驅(qū)動器101升壓第一升壓電容器111。此外，通過升壓第一升壓電容器111對第二升壓電容器112進行充電，在此之后，連接第二升壓電容112的第二升壓時鐘驅(qū)動102升壓第二升壓電容器112以進一步升壓第一升壓電容器111?；谏鲜霾僮鳎a(chǎn)生上述表達式(7)表示的電壓。
節(jié)點V3通過第二防回流電路104連接電荷泵電路的輸出。此外，容性負載113連接在電荷泵電路的輸出和接地電位之間。因此，電荷泵電路輸出電壓VOUT，其是通過從節(jié)點V3減去基于二極管連接B的N溝道MOSFET(第二防回流電路104)的閾值電壓Vtn3計算得到的，如表達式(8)所表示VOUT＝3×VCC-Vtn1-Vtn2-Vtn3……表達式(8)也就是說，連接電荷泵電路輸出的容性負載113積累對應于從上述表達式(8)得到的電壓的電荷。從t1到t3時刻的操作從t3時刻向前開始重復。
通過上述操作，第一實施例的電荷泵電路分兩步將電源電壓升壓到從上述表達式(8)得到的電壓。這里，在第一實施例的電荷泵電路中，第一和第二升壓電容器111和112串聯(lián)連接。因此，在容性元件的實際形成中，能夠以簡單的方式實現(xiàn)一個容性元件層疊在另一個容性元件上的所謂的層疊結(jié)構。也就是說，在現(xiàn)有的電荷泵電路中，為了分兩步逐步提升電壓，兩個升壓電容器是并聯(lián)連接的。相反，本實施例的串聯(lián)連接實現(xiàn)了層疊結(jié)構，從而容性元件能夠具有與以單步提升電壓的電荷泵電路中的容性元件幾乎相同的芯片面積。
圖3是示出第一實施例的電荷泵電路100的布局的示意圖。為了達到比較的目的，圖13是示出了現(xiàn)有的單級電荷泵電路800的布局的示意圖，圖14是示出了現(xiàn)有的雙級電荷泵電路1000的布局的示意圖。
考慮到圖1的電荷泵電路100的布局中每個模塊的面積，如圖3所示，例如，作為電容器的升壓電容器111和112以及容性負載113總計占用90,000μm2，用于振蕩時鐘OSC1和時鐘0SC2的振蕩電路占用36,000μm2，作為驅(qū)動級的第一和第二升壓時鐘驅(qū)動器101和102占用14,400μm2，作為防回流MOS的防回流電路103到105用占19,200μm2。相反，對于現(xiàn)有的單級電荷泵電路800的布局中的每個模塊的面積，如圖13所示，例如，作為電容器的升壓電容器811和容性負載813占用90,000μm2，用于振蕩時鐘OSC1的振蕩電路占用33,600μm2，作為驅(qū)動級的升壓時鐘驅(qū)動器801占用6,000μm2，作為防回流MOS的防回流電路802和803占用19,200μm2。此外，對于現(xiàn)有的雙級電荷泵電路1000的布局中的每個模塊的面積，如圖14所示，例如，作為電容器的升壓電容器811和1011以及容性負載813占用180,000μm2，用于振蕩時鐘OSC1的振蕩電路占用33,600μm2，作為驅(qū)動級的第一和第二升壓時鐘驅(qū)動器801和1001占用12,000μm2，作為防回流MOS的防回流電路802、803和1002占用28,800μm2。
這樣，盡管這個實施例的電荷泵電路100的布局需要的驅(qū)動級和振蕩電路的面積稍微大于圖14的現(xiàn)有雙級電荷泵電路的驅(qū)動級和振蕩電路的面積，但組成大部分芯片面積的電容器的面積幾乎等于現(xiàn)有的單級電荷泵電路的電容器的面積。在現(xiàn)有的半導體器件中，包括柵絕緣膜的大的容性元件組成了大部分的半導體芯片表面積，雙級電荷泵電路需要的容性元件的面積是單級電荷泵電路的1.7到1.8倍。然而，第一實施例的電路需要的容性元件的面積僅是單級電荷泵電路的1.1倍。在現(xiàn)有單級電荷泵電路面積的增加方面來比較上述結(jié)果，該實施例的電路僅呈了現(xiàn)有雙級電荷泵電路的增加的1/10的面積增加，因此能夠期待顯著的改進。
此外，基于二極管連接A的MOSFET的閾值電壓大約是0.8V，基于二極管連接B的MOSFET的閾值電壓大約是1.9V。在現(xiàn)有雙級電荷泵電路中，需要基于二極管連接B的兩個防回流電路，而第一實施例的電荷泵電路僅需要基于二極管連接B的一個防回流電路。結(jié)果，第一實施例電荷泵電路的防回流電路中升壓電壓損耗小于現(xiàn)有雙級電荷泵電路。換句話說，第一實施例電荷泵電路的升壓電壓比現(xiàn)有電荷泵電路的升壓電壓高二極管連接A和二極管連接B之間的閾值電壓的差值。例如，假設電源電壓是5V，雙級電荷泵電路的升壓電壓等于10.4V(＝15V-0.8V-1.9V-1.9V)，而第一實施例的電荷泵電路的升壓電壓等于11.5V(＝15V-0.8V-0.8V-1.9V)。第一實施例的電荷泵電路獲得的升壓電壓比現(xiàn)有雙級電荷泵電路高1.1V。也就是說，根據(jù)第一實施例的電荷泵電路，電壓效率能夠提高。
圖4示出了本發(fā)明的升壓電壓和相關技術的升壓電壓的比較結(jié)果。單級電荷泵電路的電壓增加了1.4-1.6倍，雙級電荷泵電路的電壓增加了1.8-2.1倍，而本發(fā)明電路的電壓增加了2.1-2.3倍，本發(fā)明增加的電壓大約是雙級電荷泵電路的1.13倍。
本發(fā)明的電荷泵電路具有串聯(lián)連接的兩個升壓電容器111和112。因此，在容性元件的實際形成時，能夠以簡單的方式實現(xiàn)一個容性元件層疊在另一個容性元件上的所謂層疊結(jié)構。
如上面論述的，本發(fā)明的電荷泵電路獲得的升壓電壓高于現(xiàn)有的雙級電荷泵電路，而芯片面積幾乎等于單級電荷泵電路的芯片面積。因此，能夠以低成本將具有高升壓效率的電荷泵電路貼裝于半導體芯片。
第二實施例圖5是示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的電荷泵電路500的電路圖。第二實施例的電荷泵電路500和第一實施例的電荷泵電路100的區(qū)別只在于作為升壓電容器或容性負載的元件。也就是說，在第一實施例的電荷泵電路100中，電容器元件被用作第一升壓電容器、第二升壓電容器和容性負載。相反，在第二實施例的電荷泵電路500中，耗盡型MOSFET元件的寄生電容被用作第一升壓電容器和第二升壓電容器。此外，增強型MOSFET元件的寄生電容被用作為容性負載。其他組件和第一實施例的相同并以相同的方式工作。
接下來，描述該實施例的第一和第二升壓電容器，也就是說，使用耗盡型MOSFET的寄生電容的容性元件。
圖6是耗盡型MOSFET的示意截面圖。在耗盡型MOSFET 600中，由N+半導體構成的源/漏區(qū)(S/D區(qū))602形成在由組成襯底的P型半導體構成的P阱區(qū)601的預定位置中，源極或漏極端603連接到那里。由于在與S/D區(qū)602相對的P阱區(qū)601中的具有正電荷的空穴，因此形成耗盡層602a。此外，作為絕緣層的柵氧化膜形成在S/D區(qū)602上的預定位置，柵電極605形成在柵氧化膜604上。柵電極605連接柵極端606。此外，由P+半導體構成的背柵端區(qū)607形成在P阱區(qū)601的預定位置，該背柵端區(qū)607具有的雜質(zhì)濃度高于P阱區(qū)，阱端608連接背柵端區(qū)607。
寄生電容定義在耗盡型MOSFET 500的各個區(qū)之間。圖7是寄生負載元件的示意圖。柵氧化膜電容701定義在柵電極605和S/D區(qū)602之間。此外，PN結(jié)電容702定義在S/D區(qū)602和P阱區(qū)601之間。通過布線為每個區(qū)提供的端，這些電容被作為容性負載。也就是說，阱端電連接背柵，而和源極/漏極電絕緣。
在第二實施例的電荷泵電路500中，耗盡型MOSFET 511的柵極端連接第一防回流電路103的節(jié)點V53，源極和漏極端連接第一升壓時鐘驅(qū)動器101的輸出(V51)。因此，柵氧化膜電容701能夠代替第一實施例的電荷泵電路的第一升壓電容器111。此外，耗盡型MOSFET 511的背柵端連接第二升壓時鐘驅(qū)動器102的輸出(V52)，由此PN結(jié)電容702能夠代替第一實施例的電荷泵電路的第二升壓電容器112。而且，第二實施例的電荷泵電路的輸出連接增強型MOSFET512的柵極，并且源極端、漏極端、阱端連接接地電位。結(jié)果，增強型MOSFET 512的柵氧化膜電容能夠代替第一實施例的電荷泵電路的容性負載113。
根據(jù)第二實施例的電荷泵電路，一個耗盡型MOSFET的寄生電容能夠代替串聯(lián)連接的兩個升壓電容器。也就是說，耗盡型MOSFET的寄生電容能有效地用于將串聯(lián)連接的兩個容性負載元件替換成一個耗盡型MOSFET。因此，能夠節(jié)省占用大部分芯片面積的容性元件的面積。
在本發(fā)明的第二實施例中，耗盡型N溝道MOSFET 511的源極/漏極端和阱端之間的PN結(jié)電容702被用作第二升壓電容器112，并且位于柵氧化膜電容701下面。因此，第二升壓電容器112和第一升壓電容器111重疊。結(jié)果，能夠節(jié)省現(xiàn)有雙級電路所需的第二升壓電容器1011的一維表面積。
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明第二實施例的電荷泵電路中，耗盡型MOSFET被用作升壓電容器，柵氧化膜電容701被用作第一升壓電容器111，PN結(jié)電容702被用作第二升壓電容器111，因而兩個串聯(lián)連接的容性元件能夠很容易地被層疊并貼裝于半導體器件。對于這種結(jié)構，和現(xiàn)有的雙級電荷泵電路不同，升壓電容器不需要大的半導體芯片表面積，由此以與單級電荷泵電路幾乎相同的半導體芯片面積能夠獲得比雙級電荷泵電路高的升壓電壓，這導致了顯著降低半導體芯片的成本。
如上述闡明的，本發(fā)明的電荷泵電路能夠以與單級電路幾乎相同的芯片面積獲得比現(xiàn)有雙級電路高的升壓電壓。而且，耗盡型MOSFET被用作升壓電容器，從而更容易地實現(xiàn)兩個升壓電容器的串聯(lián)連接，這使半導體芯片的成本進一步降低。
很明顯，本發(fā)明并不限于上述實施例，在不脫離本發(fā)明的范圍和精神，能夠?qū)ι鲜鰧嵤├M行修改和變化。
權利要求
1.一種電荷泵電路，包括第一升壓電容器；與第一升壓電容器串聯(lián)連接的第二升壓電容器；第一升壓時鐘驅(qū)動器，其連接在第一升壓電容器和第二升壓電容器之間并且升壓第一升壓電容器；以及第二升壓時鐘驅(qū)動器，其連接第二升壓電容器并且在第一時鐘驅(qū)動器升壓第一升壓電容器之后升壓第一升壓電容器和第二升壓電容器。
2.根據(jù)權利要求1所述的電荷泵電路，其中第一升壓電容器和第二升壓電容器彼此層疊。
3.根據(jù)權利要求2所述的電荷泵電路，其中通過使用場效應晶體管的柵絕緣膜電容獲得第一升壓電容器，通過使用場效應晶體管的PN結(jié)電容獲得第二升壓電容器。
4.根據(jù)權利要求3所述的電荷泵電路，其中場效應晶體管具有柵極端、源極/漏極端和連接背柵的阱端，并且阱端和源極/漏極端電絕緣。
5.根據(jù)權利要求4所述的電荷泵電路，其中場效應晶體管是耗盡型場效應晶體管。
6.根據(jù)權利要求5所述的電荷泵電路，其中場效應晶體管是N溝道MOSFET。
7.根據(jù)權利要求1所述的電荷泵電路，其中通過使用場效應晶體管的柵絕緣膜電容獲得第一升壓電容器，通過使用場效應晶體管的PN結(jié)電容獲得第二升壓電容器。
8.根據(jù)權利要求7所述的電荷泵電路，其中場效應晶體管具有柵極端、源極/漏極端和連接背柵的阱端，并且阱端和源極/漏極端電絕緣。
9.根據(jù)權利要求8所述的電荷泵電路，其中場效應晶體管是N溝道MOSFET。
10.根據(jù)權利要求7所述的電荷泵電路，其中場效應晶體管是耗盡型場效應晶體管。
11.根據(jù)權利要求7所述的電荷泵電路，其中場效應晶體管是N溝道MOSFET。
12.根據(jù)權利要求1所述的電荷泵電路，其中第一升壓時鐘驅(qū)動器和第二升壓時鐘驅(qū)動器包括由N溝道MOSFET和P溝道MOSFET組成的反相器電路。
13.根據(jù)權利要求1所述的電荷泵電路，進一步包括用于阻止電荷從第二升壓電容器回流到電源電位的防回流電路，其中第一升壓時鐘驅(qū)動器包括串聯(lián)連接在電源電位和接地電位之間的第一晶體管和第二晶體管，并且第一升壓電容器連接到第一晶體管和第二晶體管之間的節(jié)點，防回流電路連接在電源電位和該節(jié)點之間。
14.根據(jù)權利要求1所述的電荷泵電路，其中第一升壓時鐘驅(qū)動器基于第一時鐘信號來升壓第一升壓電容器，第二升壓時鐘驅(qū)動器基于第二時鐘信號來升壓第一升壓電容器和第二升壓電容器。
15.根據(jù)權利要求14所述的電荷泵電路，其中第一時鐘信號和第二時鐘信號的上升沿同時出現(xiàn)，在預定時間段之后出現(xiàn)第一時鐘信號的下降沿，然后出現(xiàn)第二時鐘信號的下降沿。
16.一種用于電荷泵電路的升壓方法，該電荷泵電路包括串聯(lián)連接的第一升壓電容器和第二升壓電容器，該升壓方法包括用連接在第一升壓電容器和第二升壓電容器之間的第一升壓時鐘驅(qū)動器對第一升壓電容器進行充電；用第一升壓時鐘驅(qū)動器對第一升壓電容器進行升壓，并且對第二升壓電容器進行升壓；以及用連接第二升壓電容器的第二升壓時鐘驅(qū)動器對第二升壓電容器進行升壓并對第一升壓電容器進行升壓。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明實施例的電荷泵電路包括第一升壓電容器；串聯(lián)連接第一升壓電容器的第二升壓電容器；連接在第一升壓電容器和第二升壓電容器之間并且升壓第一升壓電容器的第一升壓時鐘驅(qū)動器；以及連接第二升壓電容器并且在第一時鐘驅(qū)動器升壓第一升壓電容器之后升壓第一升壓電容器和第二升壓電容器的第二升壓時鐘驅(qū)動器。
文檔編號H02M3/07GK1829056SQ200610006289
公開日2006年9月6日 申請日期2006年1月24日 優(yōu)先權日2005年1月24日
發(fā)明者深海郁夫 申請人:恩益禧電子股份有限公司