專(zhuān)利名稱(chēng)：基于變?nèi)荻O管的電荷泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001本發(fā)明涉及電荷泵，并具體涉及用于如可編程集成電路之類(lèi)
的集成電路的基于變?nèi)荻O管的電荷泵電路。
背景技術(shù)：
0002集成電路通常具有多個(gè)電源管腳和數(shù)據(jù)管腳。集成電路的數(shù) 據(jù)管腳用于接收來(lái)自其它集成電路禾唭它信號(hào)源的輸入信號(hào)。集成電路的數(shù) 據(jù)管腳還被用于向連接到該集成電路的元件提供輸出信號(hào)。電、源管腳用于向 集成電路提供電源電壓。在一個(gè)典型的數(shù)字集成電路中，電源管腳可用于接 收0伏的地電源電壓、1.0伏的邏輯級(jí)電源電壓以及2.5伏的升高電源電壓。
0003電路設(shè)計(jì)者努力于更有效率的利用電源管腳。增加集成電路 的電源管腳存在阻力，甚至特定的電路設(shè)計(jì)需要的電源電壓不易從現(xiàn)有的電 源管腳獲得。當(dāng)集成電路增加額外的電源管腳，集成電路管芯必須被增大以 容納額外的電源管腳或?qū)⒁延械臄?shù)據(jù)管腳轉(zhuǎn)換為電源管腳。增大集成電路管 芯的尺寸是昂貴的并且減少器件的產(chǎn)量。同時(shí)，通常并不期望將數(shù)據(jù)管腳轉(zhuǎn) 換為電源管膽口，因?yàn)檫@將減少可用于輸入和輸出操作的管腳的數(shù)量而且可能 需要集成電路在比所必須的速度更優(yōu)的速度下工作。
0004為了避免采用額外的電源管腳，電路設(shè)計(jì)者采用片上電壓產(chǎn) 生電路，從而從可獲得的標(biāo)準(zhǔn)電源電壓中生成新的電源電壓。舉例來(lái)說(shuō)，如 果需要-0.5伏的新電源電壓，片上電壓產(chǎn)生器可以用于從已存在的電源管腳 中獲得的標(biāo)準(zhǔn)地電源管腳和正電源電壓中產(chǎn)生該電壓。通過(guò)采用片上電路產(chǎn) 生新的電源電壓，不需要采用額外的電源管腳以獲得該新的電源電壓。由于 不需要外部生成該新的電源電壓，系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)也得到簡(jiǎn)化。
0005片上電壓產(chǎn)生器的通常形式是基于電荷泵電路的。電荷泵包 括多個(gè)級(jí)。電荷泵中的級(jí)由時(shí)鐘信號(hào)的真實(shí)的和互補(bǔ)的形式驅(qū)動(dòng)。時(shí)鐘信號(hào)
的大小影響電荷泵的效率。在^頓相對(duì)低電壓的時(shí)鐘信號(hào)的環(huán)境中，電荷泵 的效率降低。
0006因此需要提供能夠在低電壓時(shí)鐘信號(hào)的情況下在例如可編程 集成電路的集成電路中高效率運(yùn)行的電荷泵。
發(fā)明內(nèi)容
0007根據(jù)本發(fā)明，提供了一種電荷泵電路。電荷泵電路可用在任 何合適的集成電路上，如可編程集成電路。
0008電荷泵電路可具有多個(gè)級(jí)。每級(jí)可由一個(gè)二極管和一個(gè)電容 組成。電荷泵電路中的振蕩器和控制電路可產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)司施加 在電容上。電荷泵電路可生成輸出電壓。 一個(gè)電壓調(diào)整器可用于調(diào)節(jié)來(lái)自電 荷泵的輸出電壓。
0009集成電路可包含產(chǎn)生靜態(tài)控帝瞻號(hào)的可編禾玩件?？刂菩盘?hào) 可用于調(diào)節(jié)振蕩器、控制電路和電壓調(diào)整器。
0010電容器可基于可改進(jìn)性能的變?nèi)荻O管，尤其是當(dāng)使用低電 壓時(shí)鐘信號(hào)時(shí)的可改進(jìn)性能的變?nèi)荻O管。
0011本發(fā)明的進(jìn)一步特征，它的性能和各種優(yōu)點(diǎn)將參考附圖和下 述詳細(xì)說(shuō)明得以明晰。
0012圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例性可編程集成電路的 示意圖。
0013圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例性電荷泵電路的電路圖。
0014圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例性負(fù)電荷泵電路的示意圖。
0015圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例性正電荷泵電路的示意圖。
0016圖5、 6、 7、 8和9是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示出了圖31卜'所示類(lèi)型的電荷泵如何產(chǎn)生輸出電壓的時(shí)序圖。
0017圖10是比較金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管電容器和變?nèi)荻O管電 容器的電容作為施加電壓的函數(shù)的變化的圖表。
0018圖11和12是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可用于構(gòu)成電荷泵
電路中的電容器的變?nèi)荻O管的示意性橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
0019本發(fā)明涉及電荷泵電路和具有電荷泵電路的集成電路。應(yīng)用 電荷泵電路的集成電路可是任何合適的集成電路，如微處理器，數(shù)字信號(hào)處 理器或?qū)Ｓ眉呻娐?。?yīng)用電荷泵電路的集成電路還可以是可編程集成電 路?？删幊碳呻娐返氖纠删幊踢壿嬈骷?有時(shí)也被稱(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)可編程 門(mén)陣歹U)和具有可編程電路但并不被稱(chēng)為可編程邏輯器件的集成電路，如包 括可編程電路的微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器或?qū)Ｓ眉呻娐贰?br>
0020電荷泵電路有時(shí)被描述在本文的上下文中的可編程電路如作 為一個(gè)示例的可編禾，輯器件中。可編程邏輯器件集成電路和其它可編程集 成電路可通常采用配置 來(lái)定制。在一般情況下，邏輯設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)所需 要的邏輯電路中采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)采 用可編程電路的硬件容量中的信息來(lái)產(chǎn)生配置數(shù)據(jù)。
0021可編程邏輯器件和其它可編程電路包括可編程元件?？删幊?元件可基于任何合適的可編程技術(shù)如烙絲，反熔絲，激光可編程元件，電可 編程元件，如電可編程多晶硅熔絲的非易失性存儲(chǔ)元件，易失性存儲(chǔ)元件， 掩?？删幊淘鹊??？稍谄骷圃鞎r(shí)對(duì)掩?？删幊淘幊?。在一般情況 下，易失性可編程元件是基于隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)單元和如電可編程多 晶硅溶絲糊夂易失f撫絲。
0022為了定帝U如基于RAM器件的典型的可編程邏輯器件以實(shí)現(xiàn) 期望的邏輯電路，由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)產(chǎn)生的配置數(shù)據(jù)被載入器件上的可 編程存儲(chǔ)元件。在可編程邏輯器件的運(yùn)行過(guò)程中，齡存儲(chǔ)元4瞎于它所載 入的配置數(shù)據(jù)掛共靜態(tài)輸出信號(hào)。來(lái)自存儲(chǔ)元件的輸出信號(hào)l鵬用至何編程 邏輯器件上的可編程邏輯區(qū)域中的n溝道和p溝道金屬氧化物半導(dǎo)體晶體
管。這樣就配置了該器件的可編程邏輯，從而使得可編程邏輯器件完成期望 的邏輯電路。器件中的非易失性存儲(chǔ)元件可在制激程中被配置為調(diào)節(jié)電路 以使它們工作在期望的規(guī)格內(nèi)(作為一個(gè)示例)。
0023在圖1中示出了根據(jù)本發(fā)明的示意性的可編禾呈邏輯器件10。
可編程邏輯器件10具有輸入輸出電路12，其通過(guò)輸入輸出管腳14用于將信 號(hào)導(dǎo)出器件10并從其它器件壤收信號(hào)。如全局和本地縱向和橫向?qū)Ь€和總 線的互聯(lián)資源16被用于(路由器件10中的信號(hào)或)給器件10中的信號(hào)劍共路 徑。互聯(lián)資源16包括固定互聯(lián)(導(dǎo)線)和可編程互聯(lián)(即，在各自的固定 互聯(lián)之間的可編程連接)?？删幊踢壿?8可包括組合和時(shí)序邏輯電路?？删?程邏輯18可被配置以完成定制的邏輯功能。與互連資源16聯(lián)系的可編程互 聯(lián)可被認(rèn)為是可編程邏輯18的一部分。
0024可編程邏輯器件IO包括如隨機(jī)存取存儲(chǔ)單元和例如多晶硅熔 絲的非易失性元件的可編程元件20?？删幊淘?0 (例如，如隨機(jī)存取存 儲(chǔ)單元的易失性元件)可通過(guò)管腳14和輸入輸出電路12載入配置數(shù)據(jù)(也 稱(chēng)為編程數(shù)據(jù))。每個(gè)可編程元f，供了控制可編程邏輯18中的相關(guān)邏輯元 件狀態(tài)的一個(gè)相應(yīng)的靜態(tài)控制輸出信號(hào)?？删幊淘敵鲂盘?hào)一般用于控制 金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管的柵極。這些晶體管的大部分通常為如多 路控制器、查找表、邏輯陣列、與邏輯門(mén)、或邏輯門(mén)、與非邏輯門(mén)和或非邏 輯門(mén)等的可編程元件中的n溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)傳輸晶體管。 當(dāng)可編程元件輸出為高電位，由該可編程元件控制的傳輸晶體管被導(dǎo)通并且 將邏輯信號(hào)從它的輸入傳輸?shù)剿妮敵?。?dāng)該可編程元件輸出為低時(shí)，該傳 輸晶體管被關(guān)斷并且不傳輸邏輯信號(hào)。
0025該可編程元件可從任何合適的源載入。在一般配置中，該可 編程元件通過(guò)管腳14和輸入輸出電路12 i^卜部可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器和 稱(chēng)為配置器件的控制芯片中載入。非易失性元件可利用編程裝置或片上電路 (作為示例)在制it31程中電編程。
0026器件10的電路可采用任何合適的結(jié)構(gòu)組成。作為一個(gè)示例， 可編程邏輯器件10的邏輯可被組織在包含多個(gè)小邏輯區(qū)域的較大的可編程 邏輯區(qū)域中的一系列行和列中。器件io的邏輯源可M:如相關(guān)的縱向和橫 向?qū)w的互連資源16互聯(lián)。這些導(dǎo)體可包括基本JJ夸越^h器件10的全局 導(dǎo)線、跨越器件10中一部分的半直線或四分之一直線的分段導(dǎo)線、特定長(zhǎng) 度(例如，足夠互聯(lián)多個(gè)邏輯區(qū)域)的交錯(cuò)導(dǎo)線、較小的本地導(dǎo)線或任何其 他合適的互連資源配置。如果期望，器件10的邏輯可排列為多級(jí)或多層， 在多級(jí)或多層中，多個(gè)大區(qū)域被互聯(lián)以形成更大的邏輯部分。其他的器件配
0027圖2中示出了示意性的電荷泵電路22。電路22可包括振蕩器 和控制電路24。電路24內(nèi)的振蕩器用于在輸出線26上產(chǎn)生例如時(shí)鐘信號(hào) CLK的時(shí)鐘信號(hào)。振蕩器可產(chǎn)生任何合適的大小和頻率的時(shí)鐘信號(hào)。作為一 個(gè)示例，時(shí)鐘信號(hào)CLK的大小可為0.9伏(例如，小于l伏)或可為2.5伏 (作為示例)。在運(yùn)行中，信號(hào)CLK可在Vss的低值(例如，0伏)和它的 高值(例如，0.9伏或2.5伏等)之間變化。CLK的頻率可為，例如，50MHz 到100MHz或更高。CLK信號(hào)的形狀可為，例如，方波。如果需要，振蕩器 22可產(chǎn)生其它合適的頻率和波形。
0028如反相器28的反相器，可為振蕩器和控制電路24的一部分， 其可用于將信號(hào)CLK反相。如圖2所示，CLK的反相形式被^i己為NCLK， 可在輸出線30上產(chǎn)生。
0029線26上的時(shí)鐘信號(hào)CLK和線30上的反相時(shí)鐘信號(hào)NCLK可 提供給電荷泵32。電荷泵32可利用信號(hào)CLK和NCLK以在輸出線34上產(chǎn) 生期望的輸出電壓Vout。 Vout的大小由電路24中的振蕩器的頻率、電荷泵 32中的元件的大小、電荷泵中的級(jí)數(shù)和線26和30上的時(shí)鐘信號(hào)的大小決定。
0030如果需要，電壓調(diào)整器36可用于在輸出線38上基于電壓Vout 提供調(diào)節(jié)后的輸出電壓Vr。電壓Vr可低于輸出34上的Vout。因此，電壓調(diào) 整器36的使用可允許調(diào)節(jié)電壓Vr具有比使用電荷泵32本身產(chǎn)生的電壓Vout 更接近Vss的值。電壓調(diào)整器的設(shè)置可由可編程元件20設(shè)置(例如，載入了 配置數(shù)據(jù)的隨機(jī)存取存儲(chǔ)單元或如電可編程多晶硅熔絲的非易失性存儲(chǔ)元 件，其狀態(tài)可在制^31程中調(diào)節(jié))。用于調(diào)節(jié)可編程電壓調(diào)整器36的狀態(tài)的 可編程元件可，例如，被用于產(chǎn)生靜態(tài)控制信號(hào)，該靜態(tài)控制信號(hào)調(diào)節(jié)與反 饋環(huán)和運(yùn)算放大器控制電路相關(guān)的可編程電阻器樹(shù)。
的頻率以降低Vout。當(dāng)反饋路徑40上的Vout的值上升至超過(guò)其期望值時(shí)， 控制電路可增加吋鐘信號(hào)的頻率以增加Vout。
0032控制電路可包括，例如，產(chǎn)生Vout的部分電壓的分壓器以及
比較該電壓與參考電壓以產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)的運(yùn)算放大器。由運(yùn)算放大器
產(chǎn)生的該控制信號(hào)可提供給電路24中的振蕩器的控制輸入。振蕩器可為，例 如，電流控制振蕩器。司'編程電流源可用于提供可調(diào)節(jié)微調(diào)(trim)電流至電流 控制振蕩器。可編f玩件20 (例如，隨機(jī)存取存儲(chǔ)單元或如烙絲的非易失性 元件)可用于產(chǎn)生靜態(tài)控制信號(hào)以調(diào)節(jié)由可編程電流源產(chǎn)生的控制電流的大 小。由可編程電流源產(chǎn)生的電流可設(shè)置為一補(bǔ)償在振蕩器制造過(guò)程中可能出 現(xiàn)的任何工藝差異的值。如果需要，振蕩器可為固定(不可編程)的或可采 用其他可編程電路以用于可編程調(diào)節(jié)該振蕩器。
0033電路24的振蕩器電路可產(chǎn)生任何合適數(shù)量咖寸鐘相。在一個(gè) 合適的配置中，電路24可產(chǎn)生4個(gè)或更多時(shí)鐘相位(例如，4、 8或16個(gè)時(shí) 剖湘位)。這些時(shí)鐘相位可平均分布。例如，在一個(gè)具有4個(gè)時(shí)鐘相位的配置 中，每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)CLK可相對(duì)于下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)相移45'并且每個(gè)反相時(shí)鐘 NCLK可相對(duì)于下一個(gè)反相時(shí)鐘相移45°。在多相時(shí)鐘配置中，如，每個(gè)時(shí)鐘 相位與下一個(gè)時(shí)鐘相位錯(cuò)開(kāi)，以使得下行電路更平滑的運(yùn)行并且減少需要電 源提供的突變電流。這有助于減少輸出電壓Vout的紋波。如附圖2所示的示 例性配置，其作為一個(gè)示例示出，電荷泵電路22采用單一時(shí)鐘相位。
0034電荷泵32可為正電荷泵或負(fù)電荷泵。正電荷泵用于產(chǎn)生一正 電壓Vout。負(fù)電荷泵用于產(chǎn)生負(fù)電壓Vout。
0035電荷泵32可具有任何合適數(shù)量的級(jí)。附圖3示出了一具有兩 個(gè)級(jí)的示意性負(fù)電荷泵。這僅僅用于示例說(shuō)明。電荷泵32可具有任何M數(shù) 量的級(jí)(例如，3個(gè)或更多級(jí))。
0036如圖3所示，時(shí)鐘信號(hào)CLK和其反相NCLK可分別施加到端 26和30。電容器42和44可由變?nèi)荻O管構(gòu)成，且有時(shí)被稱(chēng)作基于變?nèi)荻O 管的電容器。每個(gè)電容器可具由兩個(gè)端，在圖3中標(biāo)示為A和B。在電荷泵 32中采用基于變?nèi)荻O管的電容器而非金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)電容器有助于改進(jìn)在每個(gè)時(shí)鐘的級(jí)之間傳遞的電荷量(即，* 周期輸出的電荷量)。在如圖3的電荷泵的負(fù)電荷泵中，^時(shí)鐘下降沿在級(jí) 間傳遞的電荷量由于釆用了基于變?nèi)荻O管的電容器而增加。在正電荷泵中，
由于采用了基于變?nèi)荻O管的電容器，每個(gè)時(shí)鐘上升沿在級(jí)間傳遞的電荷量 增加。
0037電荷泵32具有二極管46， 48和50。 二極管46， 48和50可 由任何合適的二極管結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在一個(gè)示意性的配置中，二極管46， 48和 50由MOSFET器件構(gòu)成。在這利形式的配置中，金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS) 晶體管的體極、漏極和柵極端短路于一起而構(gòu)成第一二極管端，并且MOS 晶體管的源極端構(gòu)成第二二極管端。
0038圖3所示的電荷泵類(lèi)型產(chǎn)生比地電壓Vss (例如，0伏)小的 輸出電壓Vout，并因此有時(shí)被稱(chēng)作負(fù)電荷泵。圖4所示類(lèi)型的電荷泵產(chǎn)生正 的輸出電壓Vout，并因此有時(shí)被稱(chēng)作正電荷泵。負(fù)電荷泵和正電荷泵都可用 在如圖1中的可編程邏輯器件集成電5各10的集成電路上。
0039圖3的電荷泵的運(yùn)行在圖5、 6、 7、 8和9中的時(shí)序圖中示出。 時(shí)鐘信號(hào)CLK和NCLK分別在圖5和6中示出。節(jié)點(diǎn)Nl的電壓在圖7中示 出。節(jié)點(diǎn)N2的電壓在圖8中示出。電荷泵輸出電壓Vout在圖9中示出。
0040初始，如圖7所示，在時(shí)間t,，在電荷泵32的節(jié)點(diǎn)N1上的電 壓為0伏。在時(shí)間t2，時(shí)鐘信號(hào)CLK變?yōu)楦撸姆聪郚CLK變?yōu)榈?。在時(shí) 間12，信號(hào)CLK的上升過(guò)程中，線26上的電壓變?yōu)楦摺Ｓ纱?，?jié)點(diǎn)N1的電 壓在時(shí)間t2上升。節(jié)點(diǎn)N1的電壓的上升導(dǎo)通二極管46。節(jié)點(diǎn)N1的電壓的最 大上升值被箝位在二極管46的導(dǎo)通電壓上(大約0.6伏或一晶體管閾值電壓 Vt)，其小于CLK的幅值。如圖8所示，時(shí)鐘信號(hào)NCLK在時(shí)間V變?yōu)榈停?其導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)N2為低。二極管48反向偏置，因此在節(jié)點(diǎn)Nl和N2的電壓之 間沒(méi)有i!5各。
0041在時(shí)間t3，信號(hào)CLK變?yōu)榈?，信?hào)NCLK變?yōu)楦?。信?hào)CLK 的斷氐導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)N1的電壓陶氏，如圖7所示。同時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)NCLK變?yōu)?高。由于二極管48的導(dǎo)通，節(jié)點(diǎn)N2的電壓升高至比節(jié)點(diǎn)N1的電壓高的二 極管導(dǎo)通電壓(大約0.6伏或一個(gè)晶體管閾值電壓Vt)。
0042在時(shí)間tt，信號(hào)CLK變?yōu)楦?，信?hào)NCLK變?yōu)榈?。電?4 兩端的電壓在時(shí)間t4的轉(zhuǎn)換期間沒(méi)有變，因此如圖8所示，節(jié)點(diǎn)N2的電壓在 時(shí)間U時(shí)隨著端30的NCLK信號(hào)的降低而斷氐。這迫使電荷泵32的輸出端 的Vout的電壓為低，如附圖9所示。由于二極管50導(dǎo)通，電壓Vout比N2 的電壓高出一個(gè)二極管導(dǎo)通電壓。
0043如討論所述，圖3的負(fù)電荷泵32在其輸出產(chǎn)生負(fù)電壓Vout。0044在電荷泵32中的級(jí)的數(shù)量和用于計(jì)時(shí)級(jí)的時(shí)鐘信號(hào)的大小影 響輸出電壓Vout的大小。對(duì)于給定級(jí)數(shù)，輸出電壓Vout的大小可M增加 CLK和NCLK的大小而增加。然而，在某些現(xiàn)代電路結(jié)構(gòu)中，期望采用相對(duì) 低的CLK和NCLK值(例如，為了最小化電能損耗和/或禾,對(duì)于這樣的集 成電路通常司'獲得的相對(duì)低的電源電壓)。例如，期望使用具有大小為約0.9 伏(作為一個(gè)示例)的時(shí)鐘信號(hào)CLK和NCLK。尤其是，在時(shí)鐘信號(hào)的大小 小于1伏的情況下，期望在電荷泵32中采用基于變?nèi)荻O管的電容器?；?變?nèi)荻O管的電容器還可提升具有更大的時(shí)鐘信號(hào)(例如，大于1伏)的電 荷泵的性能。
0045由基于變?nèi)荻O管的電容器產(chǎn)生的電容，如圖3中的電容器 42和44，與由MOS電容器產(chǎn)生的電容的對(duì)比在圖10中示出。水平軸Vg代 表了施加在電容器兩端的電壓(例如，圖3中的基于變?nèi)荻O管的電容器的 A和B端)。點(diǎn)劃線52示出了金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管電容器的電容值作為 施加電壓Vg的函數(shù)的變化。電壓Vt與MOS晶體管閾值電壓(例如，約0.6 伏)相等。如所示，MOS電容器的電容值在電壓-Vt和+Vt之間為相對(duì)低。 在這種狀態(tài)中，在MOS晶體管柵極下沒(méi)有形成換流層，因此由該MOS晶體 管結(jié)構(gòu)形成的電容器的電容值低。僅當(dāng)MOSFET電容器兩端的電壓具有超過(guò) Vt的值時(shí)，MOSFET電容器的電^i直才顯著的增加(例如，增加至電容值 Co)。相反的，基于變?nèi)荻O管的電容器的電容值在-Vt至+Vt的電壓范圍內(nèi) 相對(duì)較大，并且在劍氐電壓電平就達(dá)到電容值Co。不像線52所示的MOS 電容器，線54所示的基于變?nèi)荻O管的電容器在0伏的電壓Vg值時(shí)具有非 零電容值。
0046在運(yùn)行中，時(shí)鐘信號(hào)CLK和NCLK施加在電荷泵電容器的兩 端。在電荷泵中，采用相對(duì)大的時(shí)鐘信號(hào)(例如，2.5伏的時(shí)鐘信號(hào))，MOS 電容器的平均電容值可為能夠接受的大。但是，在時(shí)鐘信號(hào)具有小的幅值(例 如，0到0.9伏的范圍內(nèi))的特定情況下，MOS電容的平均容值很小。由于 基于變?nèi)荻O管的電容的高電容值(尤其在如0-0.9伏的低電壓或其他接近于 Vt的時(shí)鐘信號(hào)電壓)，基于變?nèi)荻O管的電容器在時(shí)鐘信號(hào)從0伏升高至它 的最大值時(shí)的平均電容值比MOS電容在時(shí)鐘信號(hào)從0伏升高至它的最大值 時(shí)的平均電容值大。該增加的電容{直增大了在每個(gè)時(shí)鐘周期電荷泵級(jí)間傳輸 的電荷量。對(duì)比于具有MOS電容器的電荷泵，對(duì)于電容器不動(dòng)的給定量， 基于變?nèi)荻O管的電容器呈現(xiàn)的較大的電容值使得具有基于變?nèi)荻O管的電 容器的電荷泵呈現(xiàn)出改進(jìn)的效率。
0047基于變?nèi)荻O管的電容器還呈現(xiàn)了極好的高速能力。對(duì)于基于 MOS的電容器，需要一有限的時(shí)間以形成MOS柵極氧化/物下的溝道。相對(duì) 的，基于變?nèi)荻O管的電容器已具有由主載體形成的導(dǎo)通區(qū)域。對(duì)于給定大 小，基于變?nèi)荻O管的電容通常還具有比MOS電容低的寄生電感。由于這 些屬性，具有基于變?nèi)荻O管的電容器的電荷泵比具有MOS電容器的電荷 泵能夠工作在更高的時(shí)鐘頻率下。增加的時(shí)鐘頻率是有利的，因?yàn)樗鼈儨p少 了由于在時(shí)鐘轉(zhuǎn)換之間(例如，在負(fù)電荷泵中的負(fù)向時(shí)鐘邊沿)的泄漏而導(dǎo) 致的電荷泵中的電荷損耗量。通過(guò)降低電荷泄漏，可提升電荷泵的性能。
0048由變?nèi)荻O管構(gòu)成的示意性電容器的橫截面在圖11和12中示 出。變?nèi)荻O管可由任何合適的半導(dǎo)體形成。在典型的配置中，變?nèi)荻O管 由硅構(gòu)成并且在包括互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)電路的晶片上制造。
0049圖11的基于變?nèi)荻O管的電容Mp型阱58中形成。P+區(qū)域 62和64設(shè)置在柵極氧化物68的相對(duì)側(cè)。區(qū)域62和64具有與p型阱58相 同的摻雜形式(p型)。在n溝道MOS晶體管中，區(qū)域62和64可摻雜n+而 非p+，并且形成源極和漏極觸點(diǎn)，其中附力眍域可提供以形成p+體觸點(diǎn)。在 變?nèi)荻O管56中，導(dǎo)線66被用于短路p+區(qū)域62和64至電容器A端。導(dǎo)線 70用于短路變?nèi)荻O管56的柵極至電容器B端。
0050圖12的基于變?nèi)荻O管的電容器在n型阱74中形成。N+觸 點(diǎn)區(qū)域78和80設(shè)置在柵極氧化物84的相對(duì)側(cè)，其具有與n型阱74相同的 摻雜形式。在p溝道MOS晶體管中，區(qū)域78和80可摻雜p+而非n+，并且 形成源極禾P漏極觸點(diǎn)，其中附卩區(qū)域可掛共以形成n+體端。在變?nèi)荻O管72 中，導(dǎo)線82被用于將n+區(qū)域78和84電連接至電容器B端。導(dǎo)線86用于短 路變?nèi)荻O管72的柵極至電容器A端。
0051如附圖11和12的橫截面示圖所示，在由變?nèi)荻O管構(gòu)成的電 容器中，"體，端和由鄰近柵極形成的器件觸點(diǎn)具有與變?nèi)荻O管形成其中的 半導(dǎo)體阱(例如，硅阱)相同的摻雜形式。 一個(gè)電容器端由將摻雜區(qū)域短路 在一起而形成，其中另一個(gè)電容器端由變?nèi)荻O管柵極構(gòu)成。由于鄰近柵極 的觸點(diǎn)具有與阱相同的摻雜形式，即使在沒(méi)有非零柵極電壓Vg的時(shí)候，在
柵極下也具有主載體(例如n阱中的電子)。因此，基于變?nèi)荻O管的電容器
的電容值在O伏的Vg值時(shí)也非零，如圖10的線54所示。通常，n阱或p別:
變?nèi)荻O管都能用于形成電荷泵基于變?nèi)荻O管的電容器。
0052上述僅用于示意本發(fā)明的原理，在不偏離本發(fā)明的范圍和精 神的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1、電荷泵電路，包括多個(gè)二極管；和多個(gè)基于變?nèi)荻O管的電容器，其中每個(gè)基于變?nèi)荻O管的電容器連接至一個(gè)相應(yīng)的二極管以構(gòu)成相應(yīng)的電荷泵級(jí)。
2、 權(quán)利要求l所述的電荷泵電路，其中每個(gè)基于變?nèi)荻O管的電容器包括^A一 丄山弟一順；W ~"一山第J而；在所述n陰:上形成的柵極，其電連接至戶艦第二端；以及在所述n阱中的第一和第二n+觸點(diǎn)區(qū)域，其與所述柵極相鄰并且電連接 至所述第一端。
3、 權(quán)利要求1所述的電荷泵電路，其中每個(gè)所述基于變?nèi)荻O管的電容 器包括/r;V "V山第一頓；~"丄山第j而； p阱；在所述p阱上形成的柵極，其電連接至戶皿第二端；以及 在所述p阱中的第一和第二p+觸點(diǎn)區(qū)域，其與所述柵極相鄰并且電連接 至所述第一端。
4、 權(quán)利要求1所述的電荷泵電路，進(jìn)一步包括 產(chǎn)生用于電荷泵級(jí)的時(shí)鐘信號(hào)的振蕩器禾啦制電路； 輸出端，所述電荷泵級(jí)在該輸出端生成電荷泵輸出電壓；以及 接收所述輸出電壓的電壓調(diào)整器，所述電壓調(diào)整器生成相應(yīng)的調(diào)整電壓。
5、 權(quán)利要求所述的電荷泵電路，進(jìn)一步包括 產(chǎn)生用于所述電荷泵級(jí)的吋鐘信號(hào)的振蕩器和控制電路；輸出端，在該輸出端上由所述電荷泵級(jí)生成電荷泵輸出電壓； 接收所述電荷泵輸出電壓并且生成相應(yīng)的調(diào)整電壓的電壓調(diào)整器；以及可編程元件，其生成用于所述電壓調(diào)整器調(diào)節(jié)所述調(diào)整電壓的控制信號(hào)。
6、 權(quán)利要求1所述的電荷泵電路，進(jìn)一步包括 產(chǎn)生用于所述電荷泵級(jí)的的鐘信號(hào)的振蕩器和控制電路； 輸出端，在該輸出端上由所述電荷泵級(jí)產(chǎn)生電荷泵輸出電壓； 接收所述電荷泵輸出電壓并且產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)整電壓的電壓調(diào)整器；以及 可編程元件，其產(chǎn)生用于電壓調(diào)整器調(diào)節(jié)所述調(diào)整電壓的控制信號(hào)并產(chǎn)生用于調(diào)節(jié)振蕩器和控制電路的控制信號(hào)。
7、 可編程集成電路，包括 產(chǎn)生靜態(tài)控制信號(hào)的可編程元件； 由所述靜態(tài)控制信號(hào)配置的可編程邏輯；以及電荷泵電路，其中所述電荷泵電路包括由多個(gè)二極管和多個(gè)基于變?nèi)荻?極管的電容器構(gòu)成的多個(gè)電荷泵級(jí)，其中每個(gè)基于所述變?nèi)荻O管的電容器 連接至相應(yīng)的一個(gè)電荷泵級(jí)中的一個(gè)相應(yīng)的二極管。
8、 權(quán)利要求7所述的可編程集成電路，進(jìn)一步包括調(diào)整來(lái)自所述電荷泵 電路的輸出信號(hào)的可編程電壓調(diào)整器。
9、 權(quán)利要求7所述的可編程集成電路，進(jìn)一步包括提供時(shí)鐘信號(hào)至所述 基于變?nèi)荻O管的電容器的振蕩器和控制電路。
10、 權(quán)利要求7所述的可編程，電路，其中每個(gè)所述基于變?nèi)荻O管 的電容器包括第一端；第二順； n阱；在所述n眺上形成的柵極，其電連接至所述第二端；以及 在所述n阱中的第一和第二 n+觸點(diǎn)區(qū)域，其與所述柵極相鄰并且電連接 至所述第一端。
11、權(quán)利要求7所述的可編程集成電路，其中每個(gè)所述基于變?nèi)荻O管 的電容器包括在所述p阱上形成的柵極，其電連接至戶腿第二端；以及 在所述p阱中的第一和第二p+觸點(diǎn)區(qū)域，其與所述柵極相鄰并且電連接 至所述第一端。
12、 電荷泵電路，包括 產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的振蕩器-,多個(gè)二極管，每個(gè)戶皿二極管具有第一二極管端和第二二極管端；以及 多個(gè)基于變?nèi)荻O管的電容器，每個(gè)所述基于變?nèi)荻O管的電容器接收 相應(yīng)的一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)并且連接至相應(yīng)的一個(gè)第一二極管端。
13、 權(quán)利要求12所述的電荷泵電路，進(jìn)一步包括產(chǎn)生提供給所述振蕩器 的控制信號(hào)的可編程元件。
14、 權(quán)利要求12所述的電荷泵電路，進(jìn)一步包括調(diào)整來(lái)自所述電荷泵級(jí) 的輸出信號(hào)的可編程電壓調(diào)整器。
15、 權(quán)利要求12所述的電荷泵電路，其中旨所述基于變?nèi)荻O管的電 容器包括第一端; 第二端;在所述n阱上形成的柵極，其電連接至戶誠(chéng)第二端；以及 在所述n阱中的第一和第二 n+觸點(diǎn)區(qū)域，其與所述柵極相鄰并且電連接至所述第一端。
16、 權(quán)利要求12所述的電荷泵電路，其中每個(gè)基于所述變?nèi)荻O管的電容器包括A;/、- 丄山為3-一卿；A'A-—-丄山鄰J而； p阱；在所述p阱上形成的柵極，其電連接至所述第二端；以及 在所述p阱中的第一和第二p+觸點(diǎn)區(qū)域，其與所述柵極相鄰并且電連接 至所述第一端。
17、 權(quán)利要求12所述的電荷泵電路，進(jìn)一步包括產(chǎn)生提供給所述振蕩器 的控帝賠號(hào)的可編程元件，其中每個(gè)基于變?nèi)荻O管的電容器包括A々 丄山 />， ~ 丄山桌J而；具有相關(guān)摻雜形式的半導(dǎo)體區(qū)域；在半導(dǎo)體區(qū)域上形成的柵極，其電連接到所述第二端；以及 在半導(dǎo)體區(qū)域中的具有與半導(dǎo)體區(qū)域相同的摻雜形式的第一和第二觸點(diǎn) 區(qū)域，上述觸點(diǎn)區(qū)域鄰近所述柵極并且電連接至0M第一端。
18、 權(quán)利要求12所述的電荷泵電路，進(jìn)一步包括調(diào)整來(lái)自所述電荷泵級(jí) 的輸出信號(hào)的電壓調(diào)整器，其中旨所述基于變?nèi)荻O管的電容器包括一山第一順； 第二端；具有相關(guān)摻雜形式的半導(dǎo)體區(qū)域；在所述半導(dǎo)體區(qū)域上形成的柵極，其電連接到所述第二端；以及 在所述半導(dǎo)體區(qū)域中的具有與所述半導(dǎo)體區(qū)域相同的摻雜形式的第一和第二觸點(diǎn)區(qū)域，上^i蟲(chóng)點(diǎn)區(qū)域鄰近戶，柵極并且電連接至所述第一端。
19、 權(quán)利要求12所述的電荷泵電路，進(jìn)一步包括 調(diào)整來(lái)自電所述荷泵電路的輸出信號(hào)的電壓調(diào)整器；以及 產(chǎn)生提供給所述振蕩器的控制信號(hào)的可編程元件，其中每個(gè)所述基于變 容二極管的電容器包括具有相關(guān)摻雜形式的半導(dǎo)體區(qū)域；在所述半導(dǎo)體區(qū)±或上形成的柵極，其電連接至U所述第二端；以及 在所述半導(dǎo)體區(qū)域中的具有與所述半導(dǎo)體區(qū)域相同的摻雜形式的第一和 第二觸點(diǎn)區(qū)域，上述觸點(diǎn)區(qū)域鄰近柵極并且電連接至所述第一端。
20、權(quán)利要求12所述的電荷泵電路，進(jìn)一步包括 調(diào)整來(lái)自所述電荷泵電路的輸出信號(hào)的可編程電壓調(diào)整器；以及 產(chǎn)生提供給所述振蕩器的控制信號(hào)的可編程元件，其中每個(gè)所述基于變 容二極管的電容器包括第一端；_■ 丄山第J而；具有相關(guān)摻雜形式的半導(dǎo)體區(qū)域；在所述半導(dǎo)體區(qū)域上形成的柵極，其電連接到所述第二端；以及 在所述半導(dǎo)體區(qū)域中的具有與半導(dǎo)體區(qū)域相同的摻雜形式的所述第一和第二觸點(diǎn)區(qū)域，上述觸點(diǎn)區(qū)域鄰近柵極并且電連接至所述第一端，其中時(shí)鐘信號(hào)具有小于1伏的幅值。
全文摘要
提供了一種用于集成電路的電荷泵電路。該集成電路可為具有提供靜態(tài)控制信號(hào)的可編程元件的可編程集成電路。電荷泵電路可包含多個(gè)級(jí)。每級(jí)可包括二極管和電容。振蕩器和控制電路可產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)可施加到電荷泵級(jí)中的電容上。電荷泵電路可提供輸出電壓?？删幊屉妷赫{(diào)整器可用于調(diào)整該輸出電壓。靜態(tài)控制信號(hào)可用于調(diào)節(jié)振蕩器和控制電路。靜態(tài)控制信號(hào)還可用于調(diào)節(jié)可編程電壓調(diào)整器。電荷泵中的電容可基于變?nèi)荻O管。
文檔編號(hào)H02M3/04GK101394128SQ20081017377
公開(kāi)日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月14日
發(fā)明者S·帕里賽蒂 申請(qǐng)人:阿爾特拉公司