电压提升器梯级中不规则电压分布的减少或消除

申请号 CN201310470690.2 申请日 2013-10-10 公开(公告)号 CN103731122A 公开(公告)日 2014-04-16
申请人 SEM技术公司; 发明人 D·艾比斯彻;
摘要 本 发明 涉及 电压 提升器 梯级 中不规则电压分布的减少或消除。根据本发明的电压倍增器包括:多个电压倍增器单元,每个电压倍增器单元包括:至少两个交叉耦合MOS 反相器 ;输入 节点 ,其电耦合到第一多个MOS反相器并且配置成接收输入电压;输出接点,其电耦合到所述第一多个MOS反相器并且配置成输出 输出电压 ;以及校正 电路 ,其与所述第一多个MOS反相器并联地电耦合到输入节点和 输出节点 。其中多个电压倍增器单元被成序列地电耦合,使得除了多个电压倍增器单元中的第一个单元以外,多个电压倍增器单元中的每个单元的输入节点被电耦合到所述序列中的紧邻着的前一个电压倍增器单元的输出节点。
权利要求

1.一种电压倍增器单元,包括:
输入节点,其电耦合到所述单元内的电压倍增器电路并且配置成接收输入电压;
输出节点,其电耦合到所述电路并且配置成输出输出电压;以及
校正电路,其与所述电路并联地电耦合到所述输入节点和所述输出接点。
2.如权利要求1所述的单元,其中所述校正电路包括:
电容器,其电耦合到所述输出节点和所述输入节点;以及
沟道PMOS晶体管,其具有均电耦合到所述输入节点的漏极和栅极,并且还具有电耦合到所述输出节点的源极。
3.如权利要求1所述的单元,其中所述校正电路包括:
长沟道PMOS晶体管,其具有均电耦合到所述输入节点的漏极和栅极,并且还具有电耦合到所述输出节点的源极。
4.如权利要求1所述的单元,其中所述校正电路包括:
电容器,其电耦合到所述输出节点和所述输入节点。
5.如权利要求1所述的单元,其中所述校正电路包括:
电路元件,其耦合到所述输入节点和所述输出节点;
其中所述电路元件是从以下元件中选出的:长沟道NMOS晶体管,具有高电阻电阻器,一个或更多二极管,多个NMOS晶体管,以及多个PMOS晶体管。
6.一种电压倍增器,包括:
多个电压倍增器单元,每个电压倍增器单元包括:
至少两个交叉耦合MOS反相器
输入节点,其电耦合到第一多个MOS反相器并且配置成接收输入电压,输出接点,其电耦合到所述第一多个MOS反相器并且配置成输出输出电压,以及校正电路,其与所述第一多个MOS反相器并联地电耦合到所述输入节点和所述输出节点;
其中所述多个电压倍增器单元被成序列地电耦合,使得除了所述多个电压倍增器单元中的第一个单元以外,所述多个电压倍增器单元中的每个单元的输入节点被电耦合到所述序列中的紧邻着的前一个电压倍增器单元的输出节点。
7.如权利要求6所述的电压倍增器,其中至少一个电压倍增器单元的所述校正电路包括:
电容器,其电耦合到所述输出节点和所述输入节点;以及
长沟道PMOS晶体管,其具有均电耦合到所述输入节点的漏极和栅极,并且还具有电耦合到所述输出节点的源极。
8.如权利要求6所述的电压倍增器,其中至少一个电压倍增器单元的所述校正电路包括:
长沟道PMOS晶体管,其具有均电耦合到所述输入节点的漏极和栅极,并且还具有电耦合到所述输出节点的源极。
9.如权利要求6所述的电压倍增器,其中至少一个电压倍增器单元的所述校正电路包括:
电容器,其电耦合到所述输出节点和所述输入节点。
10.如权利要求6所述的电压倍增器,其中至少一个电压倍增器单元的所述校正电路包括:
电路元件,其耦合到所述输入节点和所述输出节点;
其中所述电路元件是从以下元件中选出的:长沟道NMOS晶体管,具有高电阻的电阻器,一个或更多二极管,多个NMOS晶体管,以及多个PMOS晶体管。
11.如权利要求6所述的电压倍增器,其中所述多个电压倍增器单元中的每个单元的校正电路与所述多个电压倍增器单元中的其他单元的校正电路基本上相似。
12.如权利要求6所述的电压倍增器,其中所述多个电压倍增器单元中的至少一个单元的校正电路与所述多个电压倍增器单元中的其他单元中的至少一个单元的校正电路基本上不同。
13.一种方法,包括:
向多个电压倍增器单元提供时钟信号,以及
使用附连到所述多个电压倍增器单元中的至少一个单元的输入节点和输出节点的校正电路,来减少所述多个电压倍增器单元中的不均匀电压分布。
14.如权利要求13所述的方法,其中减少不均匀电压分布的步骤包括:
通过至少一个晶体管对过电压进行放电,并且
其中附连到所述多个电压倍增器单元中的至少一个单元的所述校正电路包括所述至少一个晶体管。
15.如权利要求14所述的方法,其中所述晶体管是长沟道PMOS晶体管。
16.如权利要求13所述的方法,其中减少不均匀电压分布的步骤包括:
使用至少一个电容器,提供流经所述多个电压倍增器单元中的至少一个单元的至少一个反相器的短暂直流电流,并且
其中附连到所述多个电压倍增器单元中的至少一个单元的所述校正电路包括所述至少一个电容器。
17.如权利要求16所述的方法,其中所述电容器是通过薄层化物MOS晶体管实现的。
18.如权利要求13所述的方法,其中减少不均匀电压分布的步骤包括:
提供通过至少一个晶体管来对过电压进行放电的电路,以及
提供使用至少一个电容器来提供流经所述多个电压倍增器单元中的至少一个单元的短暂直流电流的电路。
19.如权利要求18所述的方法,其中对所述多个电压倍增器单元中的每个单元提供所述对过电压进行放电的电路。
20.如权利要求18所述的方法,其中对所述多个电压倍增器单元中的每个单元提供所述提供短暂直流电流的电路。

说明书全文

电压提升器梯级中不规则电压分布的减少或消除

技术领域

[0001] 本发明涉及微电子半导体电路。更具体地,本发明涉及电荷电压倍增器。更具体地,本发明涉及减小超负载单元通过电压倍增器单元的梯级中的不均匀电压分布而产生的负面效果。

背景技术

[0002] 通过电容耦合互补时钟信号驱动的交叉耦合MOS反相器单元是电荷泵中的高效构造模。这些单元可以用于提升输入直流(DC)电压至较高的电压输出平。这些单元还可以用于降低输入直流电压至较低的电压输出水平。正输入直流电压可以任选地被降低至零伏以下的输出水平。
[0003] 这 些 单 元 的 已 知 应 用 在 P.Favrat、P.Deval、M.J.Declercq 的“A High-Efficiency CMOS Voltage Doubler”(IEEE Journal of Solid-State Circuits,Vol.33,No.3,March1998)和R.Pelliconi等人的“Power Efficient Charge Pump in Deep Submicron Standard CMOS Technology”(Proc.27ESSCIRC,2001) 中被提出。如图1所示,其是Pelliconi的图1的备选图示或者J.Cha的“Analysis and Design Techniques of CMOS Charge-Pump-Based Radio-FrequencyAntenna-Switch Controllers”(IEEE Trans.On Circuits and Systems–I:Regular Papers,Vol.56,No.5,May2009)的图2的一部分,这些公开描述了可以充当电压倍增器的双桶(dual-bucket)单元。
[0004] 如图1所示,这里,输入电压Vlow被输入到两个MOSFET反相器。第一反相器包括NMOS晶体管M1和PMOS晶体管M3,而第二反相器包括NMOS晶体管M2和PMOS晶体管M4。两个反相器的输出都耦合到输出电压Vhigh。时钟信号clk经由电容器C1耦合到M1和M3的栅极以及M2和M4的漏极。这里并未示出用于产生时钟信号的电路,但是用于产生时钟信号的许多电路对本领域普通技术人员而言是熟知的。时钟信号clk的反相信号被表示为反相时钟信号nclk,在clk为高电平时nclk为低电平,反之亦然。并未示出用于产生信号nclk的电路,但是其在本领域中是熟知的。反相时钟信号nclk经由电容器C2耦合到M2和M4的栅极以及M1和M3的漏极。本领域普通技术人员将会认识到以下方式:图1所示的电路可以在节点Vhigh输出的电压比在节点Vlow输入的电压高。
[0005] 例如图1所示类型的双桶单元可以通过把一个单元的输出Vhigh电连接到第二单元的输入Vlow而被级联成多个级从而获得作为输入电压的较高倍数的输出电压。这可以重复任意次数,只要电路能够处理输入和输出电压水平。这类示例性配置被记述在R.Pelliconi等人的“Power Efficient Charge Pump in Deep Submicron Standard CMOS Technology”(Proc.27ESSCIRC,2001)中。
[0006] 图2示出可以用于电压提升的级联的双桶单元的实例。如图2所示,单元205、207、210以及用省略号(…)代表的任何数量的中间单元中的每个单元可以被级联。单元
205、207、210中的每个单元以及任何中间单元可以按照图1所示电路的方式配置。输入电压V_LOW_IN被输入到对应于Vlow的节点212。单元205接收节点212处的输入,并在对应于Vhigh的节点206输出较高的电压。节点206耦合到单元207的输入Vlow。单元207接收节点206处的输入,并在对应于Vhigh的节点208输出较高的电压。节点208可以耦合到节点209,或者可替换地耦合到中间单元的输入。节点209耦合到前一单元的输出电压,并且对应于单元210的Vlow。单元210接收节点209处的输入,并在对应于Vhigh的节点
211输出较高的电压。可替换地,如上所述,级联的单元中的任何单元或全部单元可以配置成输出比输入电压低的电压。因此,标记V_LOW_IN和V_HIGH_OUT代表典型的用途,但是V_LOW_IN实际上可以是比V_HIGH_OUT高的电压。
[0007] 时钟输入信号CLK_IN优选地被提供给放大器201、202。放大器201经由电容器203输出经放大的时钟信号clk到单元205、207、210中的每个单元和任何中间节点(…)。
放大器202经由电容器204输出反相时钟信号nclk到单元205、207、210中的每个单元和任何中间节点(…)。这里没有针对中间节点(…)示出电容器203和204,但是如果使用了电容器203和204,则将按照与针对单元205、207、210所示的方式相同的方式来连接电容器203和204。即,对应于任何中间节点(…)的电容器203将被连接在信号clk和该节点之间。对应于任何中间节点(…)的电容器204将被连接在信号nclk和节点之间。
[0008] 节点211从单元210提供输出电压V_HIGH_OUT。节点211优选地经由电容器213耦合到地。
[0009] 与图1所示类型的单一单元相比,图2所示类型的级联单元可以用于提供高得多的倍数的输入电压。图2的级联电路消除了Dickson电荷泵的至少一个缺点,即图2的级联电路不会导致Dickson电荷泵中存在的二极管两端的电压降。
[0010] 假定图1所示的晶体管在N阱(或深N阱)中相对于P衬底有高击穿电压,则每个单元中的绝缘CMOS晶体管的栅极-漏极和栅极-源极电压将仅受到该单元的Vhigh和Vlow之间的(该单元内的)本地电压差。该电压差与时钟缓冲器电源电压直接相关。由于该原因,栅极可以由薄层化物制成。该薄层氧化物栅极允许更紧凑的元件尺寸,并且对于每个元件的任何给定的导通电阻允许更高的效率。如M.D.Ker、S.L.Chen、C.S.Tsai 的“Design of Charge Pump Circuit With Consideration of Gate-Oxide Reliability in Low-Voltage CMOS processes”(IEEE Journal of Solid-State Circuits,Vol.41,No.5,May2006)所教导的那样,这类薄层氧化物栅极结构预期不会遭受栅极-氧化物可靠性问题的影响。
[0011] 然而,在图2所示类型的级联结构(也被称为“梯级(ladder)”结构)中,存在着跨越单元205、207、210和任何中间单元(…)的不均等电压分布的险。在具有不均等电压分布的梯级结构中,一个或更多单元可能会受到比预期的本地电压差高得多的电压差,所述预期的本地电压差与时钟缓冲器的电源电压直接相关、并且优选地在各单元的范围内相对恒定,而不管V_HIGH_OUT和V_LOW_IN之间的相对电压变化如何。可预期且优选的是,跨越每个单元的电压差接近平均电压差,其中平均电压差由下面的等式1给出:
[0012] 平均电压差=(V_HIGH_OUT-V_LOW_IN)/单元数量(等式1)使任意单元受到显著高于平均电压差的电压差可能会由于氧化物击穿或加速老化而导致单元的退化或破坏。这类退化或破坏在工业产品以及预期会长期工作和超使用期工作的许多其他产品中是不期望有的。
[0013] 在第一种有问题的情形中,当在输出电压V_HIGH_OUT由于其去耦电容器而保持在高电平的同时暂停装置的时钟(例如,为了减小功率消耗)时,可以看到不均等的电压分布。在该类情形中,由于装置中的微缺陷的看似随机的特性,所以可以预期在梯级结构的不同节点上会有不均等的泄漏电流。不均等的泄漏电流会在梯级结构的各个中间节点中引起不同的电压漂移。本发明的目的是减小或消除该问题。
[0014] 在第二种有问题的情形中,当装置的时钟处于活动状态、并且时钟的幅度相对于各个单独单元的电压而言小于边界或不充分时,也可以看到不均等的电压分布。该情形可以例如在上一段所述的暂停时钟后发生。可替换地,该情形可以例如在输出负载电流或输出电压以相对快速的方式改变时发生。在这样的情形中,至少一个单元中的交叉耦合反相器可能不能够切换状态。由于不能够切换状态,所以互补时钟脉冲会通过电容器被传送、并在中间节点上生成方波形—这是不期望有的状况。该不适当的操作可以传播到邻近单元。由于这样的传播,所以一个或更多单元可能会遇到瞬时过电压。该瞬时过电压将在例如V_HIGH_OUT处的输出电压由于去耦合电容器的影响而保持在高电平的情形中发生。本发明的目的是减小或消除该问题。

发明内容

[0015] 本发明通过提供与级联的电压提升单元一起使用的新颖电路和操作模式而减少或消除上面提到的问题。本发明通过将校正电路与级联结构内的单元并联地耦合到节点vlow和节点vhigh而减少或消除这些问题。
[0016] 在一个实施例中,校正电路可以是长沟道PMOS晶体管。该类校正电路在减少或消除上述第一种有问题的情形中遇到的不均等电压分布方面是有用的。
[0017] 在另一实施例中,校正电路可以是电容器。该类校正电路在减少或消除上述第二种有问题的情形中遇到的不均等电压分布方面是有用的。
[0018] 在又一实施例中,校正电路可以是与电容器并联耦合的长沟道PMOS晶体管。该类校正电路在减少或消除上述第一种有问题的情形或第二种有问题的情形中遇到的不均等电压分布方面是有用的。
[0019] 尽管本发明是在交叉耦合MOS反相器单元的背景中描述的,但是本领域普通技术人员将认识到的是,本发明的范围可以扩展得超出这样的单元从而扩展到遇到上面提到的问题的其他类型的单元。附图说明
[0020] 在考虑结合附图给出的以下详细说明后,本发明的上述及其它目的和优点将变得明了,在附图中同样的附图标记始终指代同样的部件,并且在附图中:
[0021] 图1示出用于双桶单元电压提升器的现有技术电路。
[0022] 图2示出用于电压提升的级联双桶单元的现有技术电路。
[0023] 图3示出根据本发明的示例性校正电路。
[0024] 图4示出根据本发明的示例性校正电路。
[0025] 图5示出根据本发明的示例性校正电路。

具体实施方式

[0026] 图3示出本发明的示例性实施例,其包括校正电路,该校正电路在节点301和302之间电耦合到电压倍增器单元的输入vlow和输出vhigh。如图3所示,校正电路包括与长沟道PMOS晶体管M5并联耦合的电容器C3。电容器C3的一个端子耦合到节点301,而电容器C3的另一端子耦合到节点302。晶体管M5的漏极耦合到节点302,而源极耦合到节点301。晶体管M5的栅极电耦合到漏极和节点302。关于vhigh和vlow,校正电路继而并联耦合到包括晶体管M1、M2、M3和M4的电压倍增器单元。如图所示,每个晶体管M1、M2、M3、M4和M5以及电容器C3可以并且优选地在深N阱区域303、304中形成。
[0027] 长沟道PMOS晶体管M5在减少或消除至少上述第一种有问题的情形中遇到的不均等电压分布方面会是有用的。晶体管M5优选地形成有等效阻抗,该等效阻抗在操作时保持得足够高,使得M5不会过度缩短电压倍增器单元,从而不会使电压倍增器单元过度低效。本领域普通技术人员将认识到的是,电压倍增器单元和晶体管M5的形成方式的众多变化、以及晶体管M5的不同的期望效率水平与不同的期望性能的结合,将会导致晶体管M5的期望等效阻抗的众多变化。形成晶体管M5的另一考虑是流经M5的电流应该优选地保持为显著高于节点vlow和vhigh上的最大预期泄漏电流。假定每个单元都形成有等效校正电路,确保该电流水平将会确保在电压倍增器单元的整个梯级中都有预期的规则电压降。值得注意的是,类似于单元内的其他CMOS器件,PMOS晶体管M5将仅会遇到单元内的本地电压差。
因此,晶体管M5也可以并且优选地使用相对薄的氧化物层形成。使用所公开的晶体管M5的另一益处是,晶体管M5的非线性特征将会有助于避免过电压。具体地,具有最高电压差的级将会更强烈地被晶体管M5放电。
[0028] 电容器C3在减少或消除至少上述第二种有问题的情形中遇到的不均等电压分布方面是有用的。为了解决该类第二种有问题的情形,合乎需要的是确保时钟信号有足够的幅度。当时钟信号已经被恢复成有足够幅度时,由于输出负载电流或输出电压的相对快速变化而发生的剩余问题可以通过在电路中设置经由节点301耦合到vhigh并且经由节点302耦合到vlow的电容器C3而得到解决。电容器C3优选地应该被形成为确保充分去耦,从而帮助在切换期间提供流经反相器的短暂直流电流。以这种方式,电容器C3将会使交叉耦合反相器的快速且完整的切换变得容易。如上面关于晶体管M5所述的那样,电容器C3将仅会遇到单元内的相对小的本地电压差。因此,电容器C3可以通过薄层氧化物MOS晶体管而高效地实现。因为电容器在半导体器件上使用的面积量常常是关心的问题,所以电容器C3的电容可以相对非常低,从而导致电容器占据的面积减少。即使电容器C3的电容低于电容器C1和/或电容器C2的电容,电容器C3仍将提供至少一些有用效果。
[0029] 图4示出本发明的可选实施例,其在解决至少一种所遇到的有问题的情形方面是有用的。在该实施例中,电容器C3可以耦合在节点301和302之间,而晶体管M5被消除。
[0030] 图5示出本发明的另一可选实施例,其在解决至少一种所遇到的有问题的情形方面是有用的。在该实施例中,晶体管M5耦合在节点301和302之间,而电容器C3被消除。
[0031] 可替换地,可以利用对于解决不规则电压分布问题而言所起的作用类似于长沟道PMOS晶体管的微电气装置形成校正电路。例如,取决于装置构成和几何结构,可能合乎需要的是,将长沟道PMOS晶体管M5替换为本发明预期到但是没有明确说明的以下元件中的一个或多个,使得长沟道PMOS晶体管M5的目的能够得以实现:长沟道NMOS晶体管,具有高电阻的电阻器,二极管,多个NMOS晶体管,多个PMOS晶体管,或者确保任何给定电压倍增器单元内的vhigh和vlow之间的低导通电平的其他电路。
[0032] 图3、4、和5所示的以及上面另外讨论的校正电路可以在级联电路(诸如图2所示的级联电路)内的各单元中的一个单元、全部单元、或者任意数目的单元、或者单元的组合中实现。校正电路的实现将有助于减少或消除实现有校正电路的单元内可能会发生的不均等电压分布。因此,如果预期不均等电压分布可能仅在各单元的子集中发生,则有用的是仅在这些单元中实现校正电路。
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