JP6982457B2 - Charge pump circuit - Google Patents
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Description
本発明は、4相クロック駆動のチャージポンプ回路に関する。 The present invention relates to a 4-phase clock driven charge pump circuit.
不揮発性半導体記憶装置の一種に電気的にデータの書き換えが可能なフラッシュメモリがあるが、フラッシュメモリはデータの書込み時に高電圧(例えば12V)の電源を必要とする。そのためフラッシュメモリはチャージポンプ回路を内蔵し、外部から供給される低電圧(例えば3V)の電源から必要な高電圧の電源をチャージポンプ回路で発生させていることが一般的である。 A type of non-volatile semiconductor storage device is a flash memory capable of electrically rewriting data, but the flash memory requires a high voltage (for example, 12V) power supply when writing data. Therefore, the flash memory generally has a built-in charge pump circuit, and a high voltage power supply required from a low voltage (for example, 3V) power supply supplied from the outside is generated by the charge pump circuit.
チャージポンプ回路として2相クロック駆動のチャージポンプ回路や、4相クロック駆動のチャージポンプ回路(例えば特許文献1参照)がある。 As the charge pump circuit, there are a charge pump circuit driven by a two-phase clock and a charge pump circuit driven by a four-phase clock (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に記載されたチャージポンプ回路は、基板バイアス効果に関して述べる。チャージポンプユニットのNMOSトランジスタをウエル分離形式のNMOSトランジスタとし、その分離用のN型ウエルが、そのN型ウエルとP型基板との間及びそのN型ウエルとP型ウエルとの間が逆バイアスされるように、高電位点に接続する。これにより、直列接続されているいずれのチャージポンプユニットにおいても、P型ウエルの電位はそのソース電位と同電位にし、その閾値電圧を一定の低い値とする。
The charge pump circuit described in
図6は、従前から用いられている4相クロック駆動の負電圧チャージポンプ回路の構成を示す一例である。 FIG. 6 is an example showing the configuration of a 4-phase clock-driven negative voltage charge pump circuit that has been used conventionally.
負昇圧ユニットCNU1〜CNU4及び負昇圧ユニット出力段CNOが直列に接続されている。
負昇圧ユニットCNU1の負昇圧ユニット入力端子CNUiに接地電圧GNDが接続されており、負昇圧ユニット出力段CNOの出力段出力端子CNOoは負昇圧回路の出力端子VNOUTを形成している。
出力端子VNOUTと接地電圧GNDとの間には、キャパシタCOUTと負荷ROUTが並列に接続されている。ここでキャパシタCOUTは、出力電圧の平滑化のために用意されている。また、キャパシタCOUTは、出力端子VNOUTに発生する寄生キャパシタも含んでいる。負荷ROUTは、チャージポンプ回路が駆動する負荷を表している。
The negative booster units CNU1 to CNU4 and the negative booster unit output stage CNO are connected in series.
A ground voltage GND is connected to the negative booster unit input terminal CNUi of the negative booster unit CNU1, and the output stage output terminal CNOo of the negative booster unit output stage CNO forms the output terminal VNOUT of the negative booster circuit.
A capacitor COUT and a load ROUT are connected in parallel between the output terminal VNOUT and the ground voltage GND. Here, the capacitor COUT is prepared for smoothing the output voltage. Further, the capacitor COUT also includes a parasitic capacitor generated at the output terminal VNOUT. The load ROUT represents a load driven by the charge pump circuit.
負昇圧ユニットCNU1〜CNU4は同様の構成であり、例えば負昇圧ユニットCNU1を例に説明する。
負昇圧ユニットCNU1は、負昇圧ユニット入力端子CNUiにドレインを接続し、負昇圧ユニット出力端子CNUoにソースを接続した転送用トランジスタM41と、転送用トランジスタM41のソースに第1の電極を接続し、クロック入力端子FN3に第2の電極を接続したポンプ用キャパシタCP1と、転送用トランジスタM41のゲートに第1の電極を接続し、クロック入力端子FN1に第2の電極を接続した補助ポンプ用キャパシタCG1と、転送用トランジスタM41のソースにそのソースを接続し、転送用トランジスタM41のゲートにそのドレインを接続し、転送用トランジスタM41のドレインにそのゲートを接続した放電用トランジスタM51とを有する。
負昇圧ユニットは、目標とする電圧に応じて任意の個数を準備し、直列に接続していけばよい。本例では仮に4個の負昇圧ユニットを接続している。
負昇圧ユニットCNU2は転送用トランジスタM42と放電用トランジスタM52を有し、負昇圧ユニットCNU3は転送用トランジスタM43と放電用トランジスタM53を有し、負昇圧ユニットCNU4は転送用トランジスタM44と放電用トランジスタM54を有している。
なお、各負昇圧ユニットのポンプ用キャパシタCP1〜CP4は、奇数番の負昇圧ユニットCNU1,CNU3ではクロック入力端子FN3接続され、偶数番の負昇圧ユニットCNU2,CNU4ではクロック入力端子FN4に接続される。
また、各負昇圧ユニットの補助ポンプ用キャパシタCG1〜CG4は、奇数番の負昇圧ユニットCNU1,CNU3ではクロック入力端子FN1に接続され、偶数番の負昇圧ユニットCNU2,CNU4ではクロック入力端子FN2に接続される。
The negative boosting units CNU1 to CNU4 have the same configuration, and for example, the negative boosting unit CNU1 will be described as an example.
The negative booster unit CNU1 has a transfer transistor M41 having a drain connected to the negative booster unit input terminal CNUi and a source connected to the negative booster unit output terminal CNUo, and a first electrode connected to the source of the transfer transistor M41. A pump capacitor CP1 having a second electrode connected to the clock input terminal FN3 and an auxiliary pump capacitor CG1 having a first electrode connected to the gate of the transfer transistor M41 and a second electrode connected to the clock input terminal FN1. And a discharge transistor M51 having the source connected to the source of the transfer transistor M41, the drain connected to the gate of the transfer transistor M41, and the gate connected to the drain of the transfer transistor M41.
Any number of negative booster units may be prepared according to the target voltage and connected in series. In this example, four negative boosting units are temporarily connected.
The negative boost unit CNU2 has a transfer transistor M42 and a discharge transistor M52, the negative boost unit CNU3 has a transfer transistor M43 and a discharge transistor M53, and the negative boost unit CNU4 has a transfer transistor M44 and a discharge transistor M54. have.
The pump capacitors CP1 to CP4 of each negative booster unit are connected to the clock input terminals FN3 in the odd-numbered negative booster units CNU1 and CNU3, and are connected to the clock input terminals FN4 in the even-numbered negative booster units CNU2 and CNU4. ..
Further, the auxiliary pump capacitors CG1 to CG4 of each negative booster unit are connected to the clock input terminal FN1 in the odd-numbered negative booster units CNU1 and CNU3, and are connected to the clock input terminal FN2 in the even-numbered negative booster units CNU2 and CNU4. Will be done.
負昇圧ユニット出力段CNOは、出力段入力端子CNOiにドレインを接続し、出力段出力端子CNOoにソースを接続した転送用トランジスタM45と、転送用トランジスタM45のゲートに第1の電極を接続し、クロック入力端子FN1に第2の電極を接続した補助ポンプ用キャパシタCG5と、転送用トランジスタM45のソースにそのソースを接続し、転送用トランジスタM45のゲートにそのドレインを接続し、転送用トランジスタM45のドレインにそのゲートを接続した放電用トランジスタM55とを有する。 The negative booster unit output stage CNO has a transfer transistor M45 having a drain connected to the output stage input terminal CNOi and a source connected to the output stage output terminal CNOo, and a first electrode connected to the gate of the transfer transistor M45. The auxiliary pump capacitor CG5 having the second electrode connected to the clock input terminal FN1 and the source of the transfer transistor M45 are connected to the source, and the drain is connected to the gate of the transfer transistor M45 to connect the transfer transistor M45. It has a discharge transistor M55 having its gate connected to the drain.
図7は、図6におけるクロック入力端子FN1〜FN4と転送用トランジスタM45のドレイン電圧Vdn1とソース電圧Vsn1とゲート電圧Vgn1を示している。図7を用いて図6のチャージポンプ回路の動作を説明する。 FIG. 7 shows the clock input terminals FN1 to FN4 in FIG. 6, the drain voltage Vdn1 of the transfer transistor M45, the source voltage Vsn1, and the gate voltage Vgn1. The operation of the charge pump circuit of FIG. 6 will be described with reference to FIG. 7.
クロック入力端子FN1は、時刻t4でハイレベルになる。これにより、補助ポンプ用キャパシタCG1を通じて転送用トランジスタM41のゲート・ソース間の電圧差が高くなり導通する。クロック入力端子FN1は、時刻t5でロウレベルになる。これにより、補助ポンプ用キャパシタCG1を通じて転送用トランジスタM41のゲート・ソース間の電圧差が低くなり導通しなくなる。
クロック入力端子FN2は、時刻t1でロウレベルになる。これにより、補助ポンプ用キャパシタCG2を通じて転送用トランジスタM42のゲート・ソース間の電圧差が低くなり導通しなくなる。クロック入力端子FN2は、時刻t8でハイレベルになる。これにより、補助ポンプ用キャパシタCG2を通じて転送用トランジスタM42のゲート・ソース間の電圧差が高くなり導通する。
クロック入力端子FN3は、時刻t2でハイレベルになる。これにより、ポンプ用キャパシタCP1を通じて放電用トランジスタM52のゲート・ソース間の電圧差が高くなり導通する。クロック入力端子FN3は、時刻t7でロウレベルになる。これにより、ポンプ用キャパシタCP1を通じて放電用トランジスタM52のゲート・ソース間の電圧差が低くなり導通しなくなる。
クロック入力端子FN4は、時刻t3でロウレベルになる。これにより、ポンプ用キャパシタCP2を通じて放電用トランジスタM53のゲート・ソース間の電圧差が低くなり導通しなくなる。クロック入力端子FN4は、時刻t6でハイレベルになる。これにより、ポンプ用キャパシタCP2を通じて放電用トランジスタM53のゲート・ソース間の電圧差が高くなり導通する。
The clock input terminal FN1 becomes high level at time t4. As a result, the voltage difference between the gate and the source of the transfer transistor M41 increases through the auxiliary pump capacitor CG1 and the transfer transistor M41 becomes conductive. The clock input terminal FN1 becomes low level at time t5. As a result, the voltage difference between the gate and source of the transfer transistor M41 is reduced through the auxiliary pump capacitor CG1 and no conduction occurs.
The clock input terminal FN2 becomes low level at time t1. As a result, the voltage difference between the gate and the source of the transfer transistor M42 through the auxiliary pump capacitor CG2 becomes low and the conduction does not occur. The clock input terminal FN2 becomes high level at time t8. As a result, the voltage difference between the gate and the source of the transfer transistor M42 increases through the auxiliary pump capacitor CG2, and the transfer transistor M42 becomes conductive.
The clock input terminal FN3 becomes high level at time t2. As a result, the voltage difference between the gate and the source of the discharge transistor M52 increases through the pump capacitor CP1 and becomes conductive. The clock input terminal FN3 becomes low level at time t7. As a result, the voltage difference between the gate and source of the discharge transistor M52 is reduced through the pump capacitor CP1 and no conduction occurs.
The clock input terminal FN4 becomes low level at time t3. As a result, the voltage difference between the gate and source of the discharge transistor M53 is reduced through the pump capacitor CP2, and conduction is not performed. The clock input terminal FN4 becomes high level at time t6. As a result, the voltage difference between the gate and source of the discharge transistor M53 increases through the pump capacitor CP2, and conduction occurs.
ドレイン電圧Vdn1はクロック入力端子FN4に同期した波形を示す。また、ゲート電圧Vgn1はクロック入力端子FN1に同期した波形を示す。本来であれば、ソース電圧Vsn1はクロック入力端子FN1に同期した波形を示すのだが、ドレイン電圧Vdn1と同じ波形を示している。これは、転送用トランジスタM45のゲート電圧Vgn1がVsn1よりも高電位に停滞して転送用トランジスタM45のドレイン・ソース間が低抵抗になることで、放電用トランジスタM55のゲート・ソース間が短絡された状態になりトランジスタとして機能しなくなることから起こっている。 The drain voltage Vdn1 shows a waveform synchronized with the clock input terminal FN4. Further, the gate voltage Vgn1 shows a waveform synchronized with the clock input terminal FN1. Originally, the source voltage Vsn1 shows a waveform synchronized with the clock input terminal FN1, but shows the same waveform as the drain voltage Vdn1. This is because the gate voltage Vgn1 of the transfer transistor M45 stays at a higher potential than Vsn1 and the resistance between the drain and the source of the transfer transistor M45 becomes low, so that the gate and source of the discharge transistor M55 are short-circuited. It is caused by the fact that it becomes a short-circuited state and does not function as a transistor.
図7の区間T1〜T8に関しては後述する。 Sections T1 to T8 in FIG. 7 will be described later.
上述した問題は、次で説明することが原因で発生する。
起動時は図6の接地電圧GNDに近い負昇圧ユニットCNU1側から負昇圧が進むため、それよりも図6のさらに負電圧側に配置されている放電用トランジスタM52〜M55は動作しない。そして起動時は各配線に対してどの程度の電荷が溜まっているかは不定であり、転送用トランジスタM41〜M45のゲートに電荷が溜まっていることが起こりうる。そのため起動時に転送用トランジスタM41〜M45のゲート・ソース間電圧をクリアすることができず、転送用トランジスタM41〜M45が常にオンしてしまい負昇圧に寄与できない可能性がある。
The problems mentioned above are caused by what will be described below.
At startup, the negative boost is advanced from the negative boost unit CNU1 side close to the ground voltage GND in FIG. 6, so the discharge transistors M52 to M55 arranged further on the negative voltage side in FIG. 6 do not operate. At the time of startup, it is undefined how much charge is accumulated in each wiring, and it is possible that the charge is accumulated in the gates of the transfer transistors M41 to M45. Therefore, the gate-source voltage of the transfer transistors M41 to M45 cannot be cleared at startup, and the transfer transistors M41 to M45 are always turned on, which may not contribute to negative boosting.
また、負昇圧ユニットCNU1の放電用トランジスタM51のゲートが接地電圧GNDで固定となっているため放電用トランジスタM51が十分にオンできず、転送用トランジスタM41が弱くオンしてしまい、転送用トランジスタM41のソースからドレイン側へと逆流が発生してしまい十分に負昇圧できないという問題が起こりうる。 Further, since the gate of the discharge transistor M51 of the negative booster unit CNU1 is fixed at the ground voltage GND, the discharge transistor M51 cannot be sufficiently turned on, the transfer transistor M41 is weakly turned on, and the transfer transistor M41 is turned on weakly. A problem may occur in which a backflow occurs from the source to the drain side of the transistor and a sufficient negative boost cannot be obtained.
図7Aは、図7に記した区間T1〜T8における各トランジスタの動作状態を示す。
仮に負昇圧ユニット出力段CNO(転送用トランジスタM45,放電用トランジスタM55)が異常動作を起こした場合を示している。
転送用トランジスタM44は、正常に動作しており区間T8のみONしている。
放電用トランジスタM54は、正常に動作しており区間T2〜T6でONしている。
転送用トランジスタM45は、正常動作時は区間T4のみONのはずが、異常動作時は全ての区間においてONしている。
放電用トランジスタM55は、正常動作時は区間T1〜T2,T6〜T8でONのはずが、異常動作時は全ての区間においてOFFしている。
FIG. 7A shows the operating state of each transistor in the sections T1 to T8 shown in FIG.
It shows a case where the negative booster unit output stage CNO (transfer transistor M45, discharge transistor M55) causes an abnormal operation.
The transfer transistor M44 is operating normally, and only the section T8 is ON.
The discharge transistor M54 is operating normally and is turned on in the sections T2 to T6.
The transfer transistor M45 should be ON only in the section T4 during normal operation, but is ON in all sections during abnormal operation.
The discharge transistor M55 should be ON in the sections T1 to T2 and T6 to T8 during normal operation, but is OFF in all sections during abnormal operation.
図8は、従前から用いられている4相クロック駆動の正電圧チャージポンプ回路の構成を示す一例である。 FIG. 8 is an example showing the configuration of a positive voltage charge pump circuit driven by a four-phase clock, which has been used conventionally.
正昇圧ユニット入力段CPI,正昇圧ユニットCPU1〜CPU3及び正昇圧ユニット出力段CPOが直列に接続されている。
正昇圧ユニット入力段CPIの正昇圧ユニット入力端子CPIiに電源電圧VCC(例えば、2Vや3Vなど)が接続されており、正昇圧ユニット出力段CPOの出力段出力端子CPOoは正昇圧回路の出力端子VPOUTを形成している。
出力端子VPOUTと接地電圧GNDとの間には、キャパシタCOUTと負荷ROUTが並列に接続されている。ここでキャパシタCOUTは、出力電圧の平滑化のために用意されている。また、キャパシタCOUTは、出力端子VPOUTに発生する寄生キャパシタも含んでいる。負荷ROUTは、チャージポンプ回路が駆動する負荷を表している。
The positive booster unit input stage CPI, the positive booster unit CPU1 to CPU3, and the positive booster unit output stage CPO are connected in series.
The power supply voltage VCS (for example, 2V or 3V) is connected to the positive booster unit input terminal CPIi of the positive booster unit input stage CPI, and the output stage output terminal CPOo of the positive booster unit output stage CPO is the output terminal of the positive booster circuit. It forms a VPOUT.
A capacitor COUT and a load ROUT are connected in parallel between the output terminal VPOUT and the ground voltage GND. Here, the capacitor COUT is prepared for smoothing the output voltage. Further, the capacitor COUT also includes a parasitic capacitor generated at the output terminal VPOUT. The load ROUT represents a load driven by the charge pump circuit.
正昇圧ユニット入力段CPIは、入力段入力端子CPIiにソースを接続し、入力段出力端子CPIoにドレインを接続した転送用トランジスタM11と、転送用トランジスタM11のゲートに第1の電極を接続し、クロック入力端子FP1に第2の電極を接続した補助ポンプ用キャパシタCG1と、転送用トランジスタM11のソースにそのソースを接続し、転送用トランジスタM11のゲートにそのドレインを接続し、転送用トランジスタM11のドレインにそのゲートを接続した放電用トランジスタM21とを有する。 The positive boost unit input stage CPI connects a transfer transistor M11 having a source connected to the input stage input terminal CPIi and a drain connected to the input stage output terminal CPIo, and a first electrode connected to the gate of the transfer transistor M11. The auxiliary pump capacitor CG1 having the second electrode connected to the clock input terminal FP1 and the source of the transfer transistor M11 are connected to the source, the drain is connected to the gate of the transfer transistor M11, and the transfer transistor M11 is connected. It has a discharge transistor M21 having its gate connected to the drain.
正昇圧ユニットCPU1〜CPU3は同様の構成であり、例えば正昇圧ユニットCPU1を例に説明する。
正昇圧ユニットCPU1は、正昇圧ユニット入力端子CPUiにソースを接続し、正昇圧ユニット出力端子CPUoにドレインを接続した転送用トランジスタM12と、転送用トランジスタM12のソースに第1の電極を接続し、クロック入力端子FP3に第2の電極を接続したポンプ用キャパシタCP1と、転送用トランジスタM12のゲートに第1の電極を接続し、クロック入力端子FP2に第2の電極を接続した補助ポンプ用キャパシタCG2と、転送用トランジスタM12のソースにそのソースを接続し、転送用トランジスタM12のゲートにそのドレインを接続し、転送用トランジスタM12のドレインにそのゲートを接続した放電用トランジスタM22とを有する。
正昇圧ユニットは、目標とする電圧に応じて任意の個数を準備し、直列に接続していけばよい。本例では仮に3個の正昇圧ユニットを接続している。
正昇圧ユニットCPU2は転送用トランジスタM13と放電用トランジスタM23を有し、正昇圧ユニットCPU3は転送用トランジスタM14と放電用トランジスタM24を有している。
なお、各正昇圧ユニットのポンプ用キャパシタCP1〜CP3は、奇数番の正昇圧ユニットCPU1,CPU3ではクロック入力端子FP3に接続され、偶数番の正昇圧ユニットCPU2ではクロック入力端子FP4に接続される。
また、各正昇圧ユニットの補助ポンプ用キャパシタCG2〜CG4は、奇数番の正昇圧ユニットCPU1,CPU3ではクロック入力端子FP2に接続され、偶数番の正昇圧ユニットCPU2ではクロック入力端子FP1に接続される。
The positive booster units CPU1 to CPU3 have the same configuration, and for example, the positive booster unit CPU1 will be described as an example.
The positive boost unit CPU1 connects a transfer transistor M12 having a source connected to the positive boost unit input terminal CPUi and a drain connected to the positive boost unit output terminal CPUo, and a first electrode connected to the source of the transfer transistor M12. The pump capacitor CP1 having the second electrode connected to the clock input terminal FP3 and the auxiliary pump capacitor CG2 having the first electrode connected to the gate of the transfer transistor M12 and the second electrode connected to the clock input terminal FP2. And a discharge transistor M22 having the source connected to the source of the transfer transistor M12, the drain connected to the gate of the transfer transistor M12, and the gate connected to the drain of the transfer transistor M12.
Arbitrary number of positive step-up units may be prepared according to the target voltage and connected in series. In this example, three positive booster units are tentatively connected.
The positive step-up unit CPU 2 has a transfer transistor M13 and a discharge transistor M23, and the positive
The pump capacitors CP1 to CP3 of each positive booster unit are connected to the clock input terminal FP3 in the odd-numbered positive booster units CPU1 and CPU3, and are connected to the clock input terminal FP4 in the even-numbered positive booster unit CPU2.
Further, the auxiliary pump capacitors CG2 to CG4 of each positive boost unit are connected to the clock input terminal FP2 in the odd-numbered positive boost unit CPU1 and CPU3, and are connected to the clock input terminal FP1 in the even-numbered positive boost unit CPU2. ..
正昇圧ユニット出力段CPOは、出力段入力端子CPOiにソースを接続し、出力段出力端子CPOoにドレインを接続した転送用トランジスタM15と、転送用トランジスタM15のソースに第1の電極を接続し、クロック入力端子FP4に第2の電極を接続したポンプ用キャパシタCP4と、転送用トランジスタM15のゲートに第1の電極を接続し、クロック入力端子FP1に第2の電極を接続した補助ポンプ用キャパシタCG5と、転送用トランジスタM15のソースにそのソースを接続し、転送用トランジスタM15のゲートにそのドレインを接続し、転送用トランジスタM15のドレインにそのゲートを接続した放電用トランジスタM25とを有する。 The positive boost unit output stage CPO connects a transfer transistor M15 having a source connected to the output stage input terminal CPOi and a drain connected to the output stage output terminal CPOo, and a first electrode connected to the source of the transfer transistor M15. A pump capacitor CP4 in which a second electrode is connected to the clock input terminal FP4, and an auxiliary pump capacitor CG5 in which the first electrode is connected to the gate of the transfer transistor M15 and the second electrode is connected to the clock input terminal FP1. And a discharge transistor M25 having the source connected to the source of the transfer transistor M15, the drain connected to the gate of the transfer transistor M15, and the gate connected to the drain of the transfer transistor M15.
図9は、図8におけるクロック入力端子FP1〜FP4と転送用トランジスタM14のドレイン電圧Vdp1とソース電圧Vsp1とゲート電圧Vgp1を示している。図9を用いて図8のチャージポンプ回路の動作を説明する。 FIG. 9 shows the clock input terminals FP1 to FP4 in FIG. 8, the drain voltage Vdp1 of the transfer transistor M14, the source voltage Vsp1, and the gate voltage Vgp1. The operation of the charge pump circuit of FIG. 8 will be described with reference to FIG.
クロック入力端子FP1は、時刻t1でロウレベルになる。これにより、補助ポンプ用キャパシタCG1を通じて転送用トランジスタM11のゲート・ソース間の電圧差が低くなり転送用トランジスタM11のソース・ドレイン間が導通しなくなる。クロック入力端子FP1は、時刻t8でハイレベルになる。これにより、補助ポンプ用キャパシタCG1を通じて転送用トランジスタM11のゲート・ソース間の電圧差が高くなり転送用トランジスタM11のソース・ドレイン間が導通する。
クロック入力端子FP2は、時刻t4でハイレベルになる。これにより、補助ポンプ用キャパシタCG2を通じて転送用トランジスタM12のゲート・ソース間の電圧差が高くなり転送用トランジスタM12のソース・ドレイン間が導通する。クロック入力端子FP2は、時刻t5でロウレベルになる。これにより、補助ポンプ用キャパシタCG2を通じて転送用トランジスタM12のゲート・ソース間の電圧差が低くなり転送用トランジスタM12のソース・ドレイン間が導通しなくなる。
クロック入力端子FP3は、時刻t2でハイレベルになる。これにより、ポンプ用キャパシタCP1を通じて放電用トランジスタM21のゲート・ソース間の電圧差が高くなり放電用トランジスタM21のソース・ドレイン間が導通する。クロック入力端子FP3は、時刻t7でロウレベルになる。これにより、ポンプ用キャパシタCP1を通じて放電用トランジスタM21のゲート・ソース間の電圧差が低くなり放電用トランジスタM21のソース・ドレイン間が導通しなくなる。
クロック入力端子FP4は、時刻t3でロウレベルになる。これにより、ポンプ用キャパシタCP2を通じて放電用トランジスタM22のゲート・ソース間の電圧差が低くなり放電用トランジスタM22のソース・ドレイン間が導通しなくなる。クロック入力端子FP4は、時刻t6でハイレベルになる。これにより、ポンプ用キャパシタCP2を通じて放電用トランジスタM22のゲート・ソース間の電圧差が高くなり放電用トランジスタM22のソース・ドレイン間が導通する。
The clock input terminal FP1 becomes low level at time t1. As a result, the voltage difference between the gate and source of the transfer transistor M11 becomes low through the auxiliary pump capacitor CG1, and the source and drain of the transfer transistor M11 do not conduct. The clock input terminal FP1 becomes high level at time t8. As a result, the voltage difference between the gate and source of the transfer transistor M11 increases through the auxiliary pump capacitor CG1, and the source and drain of the transfer transistor M11 become conductive.
The clock input terminal FP2 becomes high level at time t4. As a result, the voltage difference between the gate and source of the transfer transistor M12 increases through the auxiliary pump capacitor CG2, and the source and drain of the transfer transistor M12 become conductive. The clock input terminal FP2 becomes low level at time t5. As a result, the voltage difference between the gate and source of the transfer transistor M12 becomes low through the auxiliary pump capacitor CG2, and the source and drain of the transfer transistor M12 do not conduct.
The clock input terminal FP3 becomes high level at time t2. As a result, the voltage difference between the gate and source of the discharge transistor M21 becomes high through the pump capacitor CP1, and the source and drain of the discharge transistor M21 become conductive. The clock input terminal FP3 becomes low level at time t7. As a result, the voltage difference between the gate and source of the discharge transistor M21 becomes low through the pump capacitor CP1, and the source and drain of the discharge transistor M21 do not conduct with each other.
The clock input terminal FP4 becomes low level at time t3. As a result, the voltage difference between the gate and source of the discharge transistor M22 becomes low through the pump capacitor CP2, and the source and drain of the discharge transistor M22 do not conduct with each other. The clock input terminal FP4 becomes high level at time t6. As a result, the voltage difference between the gate and source of the discharge transistor M22 increases through the pump capacitor CP2, and the source and drain of the discharge transistor M22 become conductive.
ソース電圧Vsp1はクロック入力端子FP3に同期した波形を示す。また、ゲート電圧Vgp1はクロック入力端子FP2に同期した波形を示す。本来であれば、ドレイン電圧Vdp1はクロック入力端子FP4に同期した波形を示すのだが、ソース電圧Vsp1と同じ波形を示している。これは、転送用トランジスタM14のゲート電圧Vgp1がVsp1に対して転送用トランジスタM14の閾値を十分超える高電圧になってしまっており、放電用トランジスタM24がトランジスタとして機能しなくなり、転送用トランジスタM14が常にオンしてしまうために起こっている。 The source voltage Vsp1 shows a waveform synchronized with the clock input terminal FP3. Further, the gate voltage Vgp1 shows a waveform synchronized with the clock input terminal FP2. Originally, the drain voltage Vdp1 shows a waveform synchronized with the clock input terminal FP4, but shows the same waveform as the source voltage Vsp1. This is because the gate voltage Vgp1 of the transfer transistor M14 has become a high voltage sufficiently exceeding the threshold of the transfer transistor M14 with respect to Vsp1, the discharge transistor M24 does not function as a transistor, and the transfer transistor M14 becomes It's happening because it's always on.
図9の区間T1〜T8に関しては後述する。 The sections T1 to T8 in FIG. 9 will be described later.
上述した問題は、次で説明することが原因で発生する。
起動時は図8の電源電圧VCCに近い正昇圧ユニット入力段CPI側から正昇圧が進むため、それよりも図8のさらに正電圧側に配置されている放電用トランジスタM22〜M25は動作しない。そして起動時は各配線に対してどの程度の電荷が溜まっているかは不定であり、転送用トランジスタM11〜M15のゲートに電荷が溜まっていることが起こりうる。そのため起動時に転送用トランジスタM11〜M15のゲート・ソース間電圧をクリアすることができず、転送用トランジスタM11〜M15が常にオンしてしまい正昇圧に寄与できない可能性がある。
The problems mentioned above are caused by what will be described below.
At startup, the positive boosting progresses from the positive booster unit input stage CPI side close to the power supply voltage VCS in FIG. 8, so that the discharge transistors M22 to M25 arranged further on the positive voltage side in FIG. 8 do not operate. At the time of startup, it is undefined how much charge is accumulated in each wiring, and it is possible that the charge is accumulated in the gates of the transfer transistors M11 to M15. Therefore, the gate-source voltage of the transfer transistors M11 to M15 cannot be cleared at the time of startup, and the transfer transistors M11 to M15 may always be turned on and contribute to positive boosting.
また、正昇圧ユニット入力段CPIの放電用トランジスタM21のソースが電源電圧VCCで固定となっているため放電用トランジスタM21が十分にオンできず、転送用トランジスタM11が弱くオンしてしまい、転送用トランジスタM11のドレインからソース側へと逆流が発生してしまい十分に正昇圧できないという問題が起こりうる。 Further, since the source of the discharge transistor M21 of the positive booster unit input stage CPI is fixed at the power supply voltage VCS, the discharge transistor M21 cannot be sufficiently turned on, and the transfer transistor M11 is weakly turned on for transfer. There may be a problem that a backflow occurs from the drain of the transistor M11 to the source side and the positive voltage cannot be sufficiently boosted.
図9Aは、図9に記した区間T1〜T8における各トランジスタの動作状態を示す。
仮に正昇圧ユニットCPU3(転送用トランジスタM14,放電用トランジスタM24)と正昇圧ユニット出力段CPO(転送用トランジスタM15,放電用トランジスタM25)が異常動作を起こした場合も示している。
転送用トランジスタM14は、正常動作時は区間T4のみONだが、異常動作時は全ての区間においてONしている。
放電用トランジスタM24は、正常動作時は区間T1〜T2,T6〜T8でONだが、異常動作時は全ての区間においてOFFしている。
転送用トランジスタM15は、正常動作時は区間T8のみONだが、異常動作時は全ての区間においてONしている。
放電用トランジスタM25は、正常動作時は区間T3〜T5でONだが、異常動作時は全ての区間においてOFFしている。
FIG. 9A shows the operating state of each transistor in the sections T1 to T8 shown in FIG.
It also shows a case where the positive booster unit CPU3 (transfer transistor M14, discharge transistor M24) and the positive boost unit output stage CPO (transfer transistor M15, discharge transistor M25) cause abnormal operation.
The transfer transistor M14 is ON only in the section T4 during normal operation, but is ON in all sections during abnormal operation.
The discharge transistor M24 is ON in the sections T1 to T2 and T6 to T8 during normal operation, but is OFF in all sections during abnormal operation.
The transfer transistor M15 is ON only in the section T8 during normal operation, but is ON in all sections during abnormal operation.
The discharge transistor M25 is ON in the sections T3 to T5 during normal operation, but is OFF in all sections during abnormal operation.
特許文献1に記載されたチャージポンプ回路は、副のNMOSトランジスタの動作不安定の可能性に関してなんら開示していない。
The charge pump circuit described in
また、図6に示した負昇圧型チャージポンプ回路または図8に示した正昇圧型チャージポンプ回路には、前述の通り以下の問題があることが本発明者によって知見された。 Further, it has been found by the present inventor that the negative boost type charge pump circuit shown in FIG. 6 or the positive boost type charge pump circuit shown in FIG. 8 has the following problems as described above.
起動時は接地電圧GNDまたは電源電圧VCCに近い側から負昇圧または正昇圧が進むため、それよりも高電圧側に配置されている放電用トランジスタは機能しない。そして起動時は各配線に対してどの程度の電荷が溜まっているかは不定であり、転送用トランジスタのゲートに電荷が溜まっていることが起こりうる。そのため起動時に転送用トランジスタのゲート・ソース間電圧をクリアすることができず、転送用トランジスタが常にオンしてしまい負昇圧または正昇圧に寄与できない可能性があるという問題が起こりうる。 At startup, the negative boost or positive boost proceeds from the side close to the ground voltage GND or the power supply voltage VCS, so the discharge transistor arranged on the higher voltage side does not function. At startup, it is uncertain how much charge is accumulated in each wiring, and it is possible that the charge is accumulated in the gate of the transfer transistor. Therefore, there may be a problem that the gate-source voltage of the transfer transistor cannot be cleared at startup, and the transfer transistor is always turned on, which may not contribute to negative boosting or positive boosting.
さらに、接地電圧GNDまたは電源電圧VCCに最も近い放電用トランジスタのゲート、またはソースが接地電圧GNDまたは電源電圧VCCに固定されているため、放電用トランジスタが十分にオンできず、転送用トランジスタが弱くオンしてしまい、転送用トランジスタで逆流が発生してしまい十分に負昇圧または正昇圧できないという問題がある。 Furthermore, since the gate or source of the discharge transistor closest to the ground voltage GND or the power supply voltage VCS is fixed to the ground voltage GND or the power supply voltage VCS, the discharge transistor cannot be sufficiently turned on and the transfer transistor is weak. There is a problem that it is turned on and a backflow is generated in the transfer transistor, so that the negative boost or the positive boost cannot be sufficiently performed.
本発明は、上記問題点を考慮してなされたものであり、その目的は、4相クロック駆動のチャージポンプ回路において、動作不良を排除するとともに負昇圧及び正昇圧効率を改善することである。 The present invention has been made in consideration of the above problems, and an object of the present invention is to eliminate malfunctions and improve negative boosting and positive boosting efficiency in a 4-phase clock-driven charge pump circuit.
本発明のチャージポンプ回路の一態様は、複数のチャージポンプ型の負昇圧ユニットが直列に接続された負昇圧型のチャージポンプであって、前記負昇圧ユニットは、負昇圧ユニット入力端子にドレインを接続し、負昇圧ユニット出力端子にソースを接続した転送用トランジスタと、前記転送用トランジスタのソースに第1の電極を接続し、クロック入力端子に第2の電極を接続したポンプ用キャパシタと、前記転送用トランジスタのゲートに第1の電極を接続し、クロック入力端子に第2の電極を接続した補助ポンプ用キャパシタと、前記転送用トランジスタのソースにそのソースを接続し、前記転送用トランジスタのゲートにそのドレインを接続し、前段の前記負昇圧ユニットの前記転送用トランジスタまたは負昇圧ユニット入力段の転送用トランジスタのゲートにそのゲートを接続した放電用トランジスタと、で構成される。 One aspect of the charge pump circuit of the present invention is a negative boost type charge pump in which a plurality of charge pump type negative boost units are connected in series, and the negative boost unit has a drain at the input terminal of the negative boost unit. A transfer transistor connected to the output terminal of the negative booster unit and a source connected to the output terminal, a pump capacitor connected to the source of the transfer transistor with the first electrode connected to the source of the transfer transistor, and a second electrode connected to the clock input terminal, and the above. An auxiliary pump capacitor in which the first electrode is connected to the gate of the transfer transistor and the second electrode is connected to the clock input terminal, and the source is connected to the source of the transfer transistor, and the gate of the transfer transistor is connected. The drain is connected to the gate, and the transfer transistor of the negative booster unit in the previous stage or the transfer transistor of the negative booster unit input stage is connected to the gate of the transfer transistor.
本発明のチャージポンプ回路の別の一態様は、前記負昇圧ユニット入力段は、入力段入力端子にドレインを接続し、入力段出力端子にソースを接続した前記転送用トランジスタと、前記転送用トランジスタのソースに第1の電極を接続し、クロック入力端子に第2の電極を接続したポンプ用キャパシタと、前記転送用トランジスタのゲートに第1の電極を接続し、クロック入力端子に第2の電極を接続した補助ポンプ用キャパシタと、前記転送用トランジスタのソースにそのソースを接続し、前記転送用トランジスタのゲートにそのドレインを接続し、クロック入力端子にそのゲートを接続した放電用トランジスタと、で構成される。 In another aspect of the charge pump circuit of the present invention, the negative booster unit input stage has a transfer transistor having a drain connected to an input stage input terminal and a source connected to an input stage output terminal, and a transfer transistor. A pump capacitor in which the first electrode is connected to the source and the second electrode is connected to the clock input terminal, and the first electrode is connected to the gate of the transfer transistor, and the second electrode is connected to the clock input terminal. With the auxiliary pump capacitor connected to, the discharge transistor connected to the source of the transfer transistor, the drain connected to the gate of the transfer transistor, and the gate connected to the clock input terminal. It is composed.
本発明のチャージポンプ回路の別の一態様は、負昇圧ユニット出力段は、出力段入力端子にドレインを接続し、出力段出力端子にソースを接続した転送用トランジスタと、前記転送用トランジスタのゲートに第1の電極を接続し、クロック入力端子に第2の電極を接続した補助ポンプ用キャパシタと、前記出力段出力端子にそのソースを接続し、前記転送用トランジスタのゲートにそのドレインを接続し、前段の前記負昇圧ユニットの前記転送用トランジスタのゲートにそのゲートを接続した放電用トランジスタと、で構成される。 In another aspect of the charge pump circuit of the present invention, the negative booster unit output stage has a transfer transistor in which a drain is connected to an output stage input terminal and a source is connected to the output stage output terminal, and a gate of the transfer transistor. Auxiliary pump capacitor with the first electrode connected to the clock input terminal and the second electrode connected to the clock input terminal, the source connected to the output stage output terminal, and the drain connected to the gate of the transfer transistor. It is composed of a discharge transistor having the gate connected to the gate of the transfer transistor of the negative booster unit in the previous stage.
本発明のチャージポンプ回路の別の一態様は、複数のチャージポンプ型の正昇圧ユニットが直列に接続された正昇圧型のチャージポンプであって、前記正昇圧ユニットは、正昇圧ユニット入力端子にソースを接続し、正昇圧ユニット出力端子にドレインを接続した転送用トランジスタと、前記転送用トランジスタのソースに第1の電極を接続し、クロック入力端子に第2の電極を接続したポンプ用キャパシタと、前記転送用トランジスタのゲートに第1の電極を接続し、クロック入力端子に第2の電極を接続した補助ポンプ用キャパシタと、前記転送用トランジスタのソースにそのソースを接続し、前記転送用トランジスタのゲートにそのドレインを接続し、次段の正昇圧ユニットの転送用トランジスタまたは正昇圧ユニット出力段の転送用トランジスタのゲートにそのゲートを接続した放電用トランジスタと、で構成される。 Another aspect of the charge pump circuit of the present invention is a positive boost type charge pump in which a plurality of charge pump type positive boost units are connected in series, and the positive boost unit is connected to a positive boost unit input terminal. A transfer transistor with a source connected and a drain connected to the positive boost unit output terminal, and a pump capacitor with a first electrode connected to the source of the transfer transistor and a second electrode connected to the clock input terminal. , The auxiliary pump capacitor in which the first electrode is connected to the gate of the transfer transistor and the second electrode is connected to the clock input terminal, and the source of the transfer transistor is connected to the source of the transfer transistor. The drain is connected to the gate of the above, and the gate is connected to the gate of the transfer transistor of the positive boost unit of the next stage or the transfer transistor of the output stage of the positive boost unit.
本発明のチャージポンプ回路の別の一態様は、正昇圧ユニット入力段は、入力段入力端子にソースを接続し、入力段出力端子にドレインを接続した転送用トランジスタと、前記転送用トランジスタのゲートに第1の電極を接続し、前記クロック入力端子に第2の電極を接続した補助ポンプ用キャパシタと、前記転送用トランジスタのソースにそのソースを接続し、前記転送用トランジスタのゲートにそのドレインを接続し、後段の前記正昇圧ユニットの前記転送用トランジスタのゲートにそのゲートを接続した放電用トランジスタと、で構成される。 In another aspect of the charge pump circuit of the present invention, the positive booster unit input stage has a transfer transistor in which a source is connected to an input stage input terminal and a drain is connected to an input stage output terminal, and a gate of the transfer transistor. Auxiliary pump capacitor with a first electrode connected to the clock input terminal and a second electrode connected to the clock input terminal, and the source connected to the source of the transfer transistor, and its drain connected to the gate of the transfer transistor. It is composed of a discharge transistor which is connected and the gate is connected to the gate of the transfer transistor of the positive booster unit in the subsequent stage.
本発明のチャージポンプ回路の別の一態様は、前記正昇圧ユニット出力段は、出力段入力端子にソースを接続し、出力段出力端子にドレインを接続した転送用トランジスタと、前記転送用トランジスタのゲートに第1の電極を接続し、クロック入力端子に第2の電極を接続した補助ポンプ用キャパシタと、前記転送用トランジスタのソースに第1の電極を接続し、クロック入力端子に第2の電極を接続したポンプ用キャパシタと、前記転送用トランジスタのソースにそのソースを接続し、前記転送用トランジスタのゲートにそのドレインを接続し、前記転送用トランジスタのドレインにそのゲートを接続した放電用トランジスタと、で構成される。 In another aspect of the charge pump circuit of the present invention, the positive boost unit output stage includes a transfer transistor in which a source is connected to an output stage input terminal and a drain is connected to an output stage output terminal, and the transfer transistor. An auxiliary pump capacitor in which the first electrode is connected to the gate and the second electrode is connected to the clock input terminal, and the first electrode is connected to the source of the transfer transistor and the second electrode is connected to the clock input terminal. And a discharge transistor having its source connected to the source of the transfer transistor, its drain connected to the gate of the transfer transistor, and its gate connected to the drain of the transfer transistor. , Consists of.
この発明によれば、4相クロック駆動のチャージポンプ回路において、チャージポンプ動作不良を排除するとともに負昇圧及び正昇圧効率を改善することができる。 According to the present invention, in a charge pump circuit driven by a four-phase clock, it is possible to eliminate a charge pump malfunction and improve negative boosting and positive boosting efficiency.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、負昇圧型チャージポンプの本発明の構成の一例を表す。図6と同等の働きをする部分には同じ符号を付している。 FIG. 1 shows an example of the configuration of the present invention of a negative step-up charge pump. The parts having the same functions as those in FIG. 6 are designated by the same reference numerals.
負昇圧ユニット入力段CNI,負昇圧ユニットCNU1〜CNU3及び負昇圧ユニット出力段CNOが直列に接続されている。
負昇圧ユニット入力段CNIの負昇圧ユニット入力端子CNIiに接地電圧GNDが接続されており、負昇圧ユニット出力段CNOの出力段出力端子CNOoは負昇圧回路の出力端子VNOUTを形成している。
出力端子VNOUTと接地電圧GNDとの間には、キャパシタCOUTと負荷ROUTが並列に接続されている。ここでキャパシタCOUTは、出力電圧の平滑化のために用意されている。また、キャパシタCOUTは、出力端子VNOUTに発生する寄生キャパシタも含んでいる。負荷ROUTは、チャージポンプ回路が駆動する負荷を表している。
The negative booster unit input stage CNI, the negative booster units CNU1 to CNU3, and the negative booster unit output stage CNO are connected in series.
A ground voltage GND is connected to the negative booster unit input terminal CNIi of the negative booster unit input stage CNI, and the output stage output terminal CNOo of the negative booster unit output stage CNO forms the output terminal VNOUT of the negative booster circuit.
A capacitor COUT and a load ROUT are connected in parallel between the output terminal VNOUT and the ground voltage GND. Here, the capacitor COUT is prepared for smoothing the output voltage. Further, the capacitor COUT also includes a parasitic capacitor generated at the output terminal VNOUT. The load ROUT represents a load driven by the charge pump circuit.
負昇圧ユニット入力段CNIは、入力段入力端子CNIiにドレインを接続し、入力段出力端子CNIoにソースを接続した転送用トランジスタM41と、転送用トランジスタM41のゲートに第1の電極を接続し、クロック入力端子FN1に第2の電極を接続した補助ポンプ用キャパシタCG1と、転送用トランジスタM41のソースに第1の電極を接続し、クロック入力端子FN3に第2の電極を接続したポンプ用キャパシタCP1と、転送用トランジスタM41のソースにそのソースを接続し、転送用トランジスタM41のゲートにそのドレインを接続し、クロック入力端子FN4にそのゲートを接続した放電用トランジスタM51とを有する。 The negative booster unit input stage CNI has a transfer transistor M41 having a drain connected to the input stage input terminal CNIi and a source connected to the input stage output terminal CNIo, and a first electrode connected to the gate of the transfer transistor M41. Auxiliary pump capacitor CG1 with a second electrode connected to the clock input terminal FN1 and pump capacitor CP1 with the first electrode connected to the source of the transfer transistor M41 and the second electrode connected to the clock input terminal FN3. And a discharge transistor M51 having the source connected to the source of the transfer transistor M41, the drain connected to the gate of the transfer transistor M41, and the gate connected to the clock input terminal FN4.
負昇圧ユニットCNU1〜CNU3は同様の構成であり、例えば負昇圧ユニットCNU1を例に説明する。
負昇圧ユニットCNU1は、負昇圧ユニット入力端子CNUiにドレインを接続し、負昇圧ユニット出力端子CNUoにソースを接続した転送用トランジスタM42と、転送用トランジスタM42のソースに第1の電極を接続し、クロック入力端子FN4に第2の電極を接続したポンプ用キャパシタCP2と、転送用トランジスタM42のゲートに第1の電極を接続し、クロック入力端子FN2に第2の電極を接続した補助ポンプ用キャパシタCG2と、転送用トランジスタM42のソースにそのソースを接続し、転送用トランジスタM42のゲートにそのドレインを接続し、負昇圧ユニット入力段CNIの転送用トランジスタM41のゲートにそのゲートを接続した放電用トランジスタM52とを有する。なお負昇圧ユニットCNU2の放電用トランジスタM53のゲートは負昇圧ユニットCNU1の転送用トランジスタM42のゲートに接続され、負昇圧ユニットCNU3の放電用トランジスタM54のゲートは負昇圧ユニットCNU2の転送用トランジスタM43のゲートに接続されるというように、放電用トランジスタのゲートは1ユニット接地電圧GND側に存在する転送用トランジスタのゲートに接続される。
負昇圧ユニットは、目標とする電圧に応じて任意の個数を準備し、直列に接続していけばよい。本例では仮に3個の負昇圧ユニットを接続している。
負昇圧ユニットCNU2は転送用トランジスタM43と放電用トランジスタM53を有し、負昇圧ユニットCNU3は転送用トランジスタM44と放電用トランジスタM54を有している。
なお、各負昇圧ユニットのポンプ用キャパシタCP2〜CP4は、奇数番の負昇圧ユニットCNU1,CNU3などではクロック入力端子FN4に接続され、偶数番の負昇圧ユニットCNU2などではクロック入力端子FN3に接続される。
また、各負昇圧ユニットの補助ポンプ用キャパシタCG2〜CG4は、奇数番の負昇圧ユニットCNU1,CNU3などではクロック入力端子FN2に接続され、偶数番の負昇圧ユニットCNU2などではクロック入力端子FN1に接続される。
The negative boosting units CNU1 to CNU3 have the same configuration, and for example, the negative boosting unit CNU1 will be described as an example.
The negative booster unit CNU1 has a transfer transistor M42 having a drain connected to the negative booster unit input terminal CNUi and a source connected to the negative booster unit output terminal CNUo, and a first electrode connected to the source of the transfer transistor M42. A pump capacitor CP2 having a second electrode connected to the clock input terminal FN4 and an auxiliary pump capacitor CG2 having a first electrode connected to the gate of the transfer transistor M42 and a second electrode connected to the clock input terminal FN2. The discharge transistor is connected to the source of the transfer transistor M42, the drain is connected to the gate of the transfer transistor M42, and the gate is connected to the gate of the transfer transistor M41 of the negative boost unit input stage CNI. It has M52. The gate of the discharge transistor M53 of the negative boost unit CNU2 is connected to the gate of the transfer transistor M42 of the negative boost unit CNU1, and the gate of the discharge transistor M54 of the negative boost unit CNU3 is the transfer transistor M43 of the negative boost unit CNU2. The gate of the discharge transistor is connected to the gate of the transfer transistor existing on the ground voltage GND side of one unit so as to be connected to the gate.
Any number of negative booster units may be prepared according to the target voltage and connected in series. In this example, three negative boosting units are tentatively connected.
The negative boost unit CNU2 has a transfer transistor M43 and a discharge transistor M53, and the negative boost unit CNU3 has a transfer transistor M44 and a discharge transistor M54.
The pump capacitors CP2 to CP4 of each negative booster unit are connected to the clock input terminal FN4 in the odd-numbered negative booster units CNU1 and CNU3, and are connected to the clock input terminal FN3 in the even-numbered negative booster units CNU2 and the like. To.
Further, the auxiliary pump capacitors CG2 to CG4 of each negative booster unit are connected to the clock input terminal FN2 in the odd-numbered negative booster units CNU1 and CNU3, and are connected to the clock input terminal FN1 in the even-numbered negative booster units CNU2 and the like. Will be done.
負昇圧ユニット出力段CNOは、出力段入力端子CNOiにドレインを接続し、出力段出力端子CNOoにソースを接続した転送用トランジスタM45と、転送用トランジスタM45のゲートに第1の電極を接続し、クロック入力端子FN1に第2の電極を接続した補助ポンプ用キャパシタCG5と、転送用トランジスタM45のソースにそのソースを接続し、転送用トランジスタM45のゲートにそのドレインを接続し、負昇圧ユニットCNU3の転送用トランジスタM44のゲートにそのゲートを接続した放電用トランジスタM55とを有する。 The negative booster unit output stage CNO has a transfer transistor M45 having a drain connected to the output stage input terminal CNOi and a source connected to the output stage output terminal CNOo, and a first electrode connected to the gate of the transfer transistor M45. The auxiliary pump capacitor CG5 having the second electrode connected to the clock input terminal FN1 and the source connected to the source of the transfer transistor M45, the drain connected to the gate of the transfer transistor M45, and the negative booster unit CNU3. It has a discharge transistor M55 connected to the gate of the transfer transistor M44.
放電用トランジスタM52〜M55は、1ユニット接地電圧GND側の転送用トランジスタのゲート電圧を利用して動作するようになっており、図6における従前の放電用トランジスタM52〜M55と比較して正電圧に近い電圧で動作するため、確実に転送用トランジスタM42〜M45が常にオンすることを防止することができるようになっている。 The discharge transistors M52 to M55 operate by using the gate voltage of the transfer transistor on the GND side of the ground voltage of one unit, and have a positive voltage as compared with the conventional discharge transistors M52 to M55 in FIG. Since it operates at a voltage close to, it is possible to reliably prevent the transfer transistors M42 to M45 from always turning on.
また、放電用トランジスタM51は、そのゲートがクロック入力端子FN4で直接駆動されるようになっており十分にオンまたはオフされる。その結果、転送用トランジスタM41が弱くオンしてしまうことを防ぎ、十分に負昇圧できるようになっている。 Further, the discharge transistor M51 is sufficiently turned on or off because its gate is directly driven by the clock input terminal FN4. As a result, the transfer transistor M41 is prevented from being weakly turned on, and the negative boost can be sufficiently performed.
図2は、図1におけるクロック入力端子FN1〜FN4と転送用トランジスタM45のドレイン電圧Vdn2とソース電圧Vsn2とゲート電圧Vgn2を示している。図2を用いて図1のチャージポンプ回路の動作を説明する。 FIG. 2 shows the clock input terminals FN1 to FN4 in FIG. 1, the drain voltage Vdn2 of the transfer transistor M45, the source voltage Vsn2, and the gate voltage Vgn2. The operation of the charge pump circuit of FIG. 1 will be described with reference to FIG.
クロック入力端子FN1は、時刻t4でハイレベルになる。これにより、補助ポンプ用キャパシタCG1を通じて転送用トランジスタM41と放電用トランジスタM52のゲート電圧が高くなり導通する。クロック入力端子FN1は、時刻t5でロウレベルになる。これにより、補助ポンプ用キャパシタCG1を通じて転送用トランジスタM41と放電用トランジスタM52のゲート電圧が低くなり導通しなくなる。
クロック入力端子FN2は、時刻t1でロウレベルになる。これにより、補助ポンプ用キャパシタCG2を通じて転送用トランジスタM42と放電用トランジスタM53のゲート電圧が低くなり導通しなくなる。クロック入力端子FN2は、時刻t8でハイレベルになる。これにより、補助ポンプ用キャパシタCG2を通じて転送用トランジスタM42と放電用トランジスタM53のゲート電圧が高くなり導通する。
クロック入力端子FN3は、時刻t2でハイレベルになる。これにより、ポンプ用キャパシタCP1から放電用トランジスタM51のバックゲート・ドレイン間の寄生ダイオードを通じて補助ポンプ用キャパシタCG1と転送用トランジスタM41のゲートを充電する。クロック入力端子FN3は、時刻t7でロウレベルになる。これにより、ポンプ用キャパシタCP1を通じて放電用トランジスタM51のソース電位が低くなり、放電用トランジスタM51のゲート・ソース間電位差が大きくなり導通する。
クロック入力端子FN4は、時刻t3でロウレベルになる。これにより、ポンプ用キャパシタCP2を通じて放電用トランジスタM52のソース電位が低くなり、放電用トランジスタM52のゲート・ソース間電位差が大きくなり導通する。また、放電用トランジスタM51のゲート電圧が低くなり導通しなくなる。クロック入力端子FN4は、時刻t6でハイレベルになる。これにより、ポンプ用キャパシタCP2を通じて放電用トランジスタM52のバックゲート・ドレイン間の寄生ダイオードを通じて補助ポンプ用キャパシタCG2と転送用トランジスタM42のゲートを充電する。また、放電用トランジスタM51のゲート電圧が高くなり導通する。
The clock input terminal FN1 becomes high level at time t4. As a result, the gate voltage of the transfer transistor M41 and the discharge transistor M52 becomes higher and conducts through the auxiliary pump capacitor CG1. The clock input terminal FN1 becomes low level at time t5. As a result, the gate voltage of the transfer transistor M41 and the discharge transistor M52 becomes low through the auxiliary pump capacitor CG1 and does not conduct.
The clock input terminal FN2 becomes low level at time t1. As a result, the gate voltage of the transfer transistor M42 and the discharge transistor M53 becomes low through the auxiliary pump capacitor CG2, and the conduction does not occur. The clock input terminal FN2 becomes high level at time t8. As a result, the gate voltage of the transfer transistor M42 and the discharge transistor M53 becomes high and conducts through the auxiliary pump capacitor CG2.
The clock input terminal FN3 becomes high level at time t2. As a result, the gate of the auxiliary pump capacitor CG1 and the transfer transistor M41 is charged through the parasitic diode between the pump capacitor CP1 and the back gate / drain of the discharge transistor M51. The clock input terminal FN3 becomes low level at time t7. As a result, the source potential of the discharge transistor M51 becomes low through the pump capacitor CP1, and the potential difference between the gate and the source of the discharge transistor M51 becomes large to conduct conduction.
The clock input terminal FN4 becomes low level at time t3. As a result, the source potential of the discharge transistor M52 becomes low through the pump capacitor CP2, and the potential difference between the gate and the source of the discharge transistor M52 becomes large to conduct conduction. Further, the gate voltage of the discharge transistor M51 becomes low and the conduction does not occur. The clock input terminal FN4 becomes high level at time t6. As a result, the gate of the auxiliary pump capacitor CG2 and the transfer transistor M42 is charged through the parasitic diode between the back gate and the drain of the discharge transistor M52 through the pump capacitor CP2. Further, the gate voltage of the discharge transistor M51 becomes high and becomes conductive.
ドレイン電圧Vdn2はクロック入力端子FN4に同期した波形を示す。また、ゲート電圧Vgn2はクロック入力端子FN1に同期した波形を示す。更に、ソース電圧Vsn2はクロック入力端子FN1がハイレベルの時はドレイン電圧Vdn2に漸近する波形を示し、クロック入力端子FN1がロウレベルの時は負荷ROUTにより放電する。図7と比較してソース電圧Vsn2の波形が変化しており正しく動作していることがわかる。 The drain voltage Vdn2 shows a waveform synchronized with the clock input terminal FN4. Further, the gate voltage Vgn2 shows a waveform synchronized with the clock input terminal FN1. Further, the source voltage Vsn2 shows a waveform gradually approaching the drain voltage Vdn2 when the clock input terminal FN1 is at a high level, and is discharged by the load ROUT when the clock input terminal FN1 is at a low level. Compared with FIG. 7, the waveform of the source voltage Vsn2 has changed, and it can be seen that the operation is correct.
図2の区間T1〜T8に関しては次に記す。 The sections T1 to T8 in FIG. 2 will be described below.
図2Aは、図2に記した区間T1〜T8における各トランジスタの動作状態を示す。
転送用トランジスタM44は、正常に動作しており区間T8のみONしている。
放電用トランジスタM54は、正常に動作しており区間T3〜T5でONしている。ただし、区間T3,T5は弱ONである。放電用トランジスタM54はクロック入力端子FN1がゲートを駆動しクロック入力端子FN4がソースを駆動する構成のため、両者の電位差が最も大きくなる時刻T4をONと定義している。
転送用トランジスタM45は、正常に動作しており区間T4のみONしている。
放電用トランジスタM55は、正常に動作しており区間T8のみONしている。
全てのトランジスタが、上記で説明してきたように正常動作をすることとなる。
なお、従前の図7Aの正常時のトランジスタ状態とは一致していないが、これは従前の回路とは構成が異なるためである。
FIG. 2A shows the operating state of each transistor in the sections T1 to T8 shown in FIG.
The transfer transistor M44 is operating normally, and only the section T8 is ON.
The discharge transistor M54 is operating normally and is turned on in the sections T3 to T5. However, the sections T3 and T5 are weakly ON. Since the discharge transistor M54 has a configuration in which the clock input terminal FN1 drives the gate and the clock input terminal FN4 drives the source, the time T4 at which the potential difference between the two is maximum is defined as ON.
The transfer transistor M45 is operating normally, and only the section T4 is ON.
The discharge transistor M55 is operating normally, and only the section T8 is ON.
All transistors will operate normally as described above.
It should be noted that the transistor state in the normal state of FIG. 7A does not match with that of the previous circuit, because the configuration is different from that of the conventional circuit.
これらにより転送用トランジスタが常にオンすることの防止、また初段の負昇圧動作も十分に行えるようになるため、チャージポンプ全体としての負昇圧効率が向上する。 As a result, the transfer transistor is prevented from being turned on all the time, and the negative boosting operation of the first stage can be sufficiently performed, so that the negative boosting efficiency of the charge pump as a whole is improved.
図3は、正昇圧型チャージポンプの本発明の構成の一例を表す。図8と同等の働きをする部分には同じ符号を付している。 FIG. 3 shows an example of the configuration of the present invention of a positive step-up charge pump. The parts having the same functions as those in FIG. 8 are designated by the same reference numerals.
正昇圧ユニット入力段CPI,正昇圧ユニットCPU1〜CPU3及び正昇圧ユニット出力段CPOが直列に接続されている。
正昇圧ユニット入力段CPIの正昇圧ユニット入力端子CPIiに電源電圧VCC(例えば、2Vや3Vなど)が接続されており、正昇圧ユニット出力段CPOの出力段出力端子CPOoは正昇圧回路の出力端子VPOUTを形成している。
出力端子VPOUTと接地電圧GNDとの間には、キャパシタCOUTと負荷ROUTが並列に接続されている。ここでキャパシタCOUTは、出力電圧の平滑化のために用意されている。また、キャパシタCOUTは、出力端子VPOUTに発生する寄生キャパシタも含んでいる。負荷ROUTは、チャージポンプ回路が駆動する負荷を表している。
The positive booster unit input stage CPI, the positive booster unit CPU1 to CPU3, and the positive booster unit output stage CPO are connected in series.
The power supply voltage VCS (for example, 2V or 3V) is connected to the positive booster unit input terminal CPIi of the positive booster unit input stage CPI, and the output stage output terminal CPOo of the positive booster unit output stage CPO is the output terminal of the positive booster circuit. It forms a VPOUT.
A capacitor COUT and a load ROUT are connected in parallel between the output terminal VPOUT and the ground voltage GND. Here, the capacitor COUT is prepared for smoothing the output voltage. Further, the capacitor COUT also includes a parasitic capacitor generated at the output terminal VPOUT. The load ROUT represents a load driven by the charge pump circuit.
正昇圧ユニット入力段CPIは、入力段入力端子CPIiにソースを接続し、入力段出力端子CPIoにドレインを接続した転送用トランジスタM11と、転送用トランジスタM11のゲートに第1の電極を接続し、クロック入力端子FP1に第2の電極を接続した補助ポンプ用キャパシタCG1と、転送用トランジスタM11のソースにそのソースを接続し、転送用トランジスタM11のゲートにそのドレインを接続し、正昇圧ユニットCPU1の転送用トランジスタM12のゲートにそのゲートを接続した放電用トランジスタM21とを有する。 The positive boost unit input stage CPI connects a transfer transistor M11 having a source connected to the input stage input terminal CPIi and a drain connected to the input stage output terminal CPIo, and a first electrode connected to the gate of the transfer transistor M11. Auxiliary pump capacitor CG1 having a second electrode connected to the clock input terminal FP1 and its source connected to the source of the transfer transistor M11, and its drain connected to the gate of the transfer transistor M11 to form a positive boost unit CPU1. It has a discharge transistor M21 connected to the gate of the transfer transistor M12.
正昇圧ユニットCPU1〜CPU3は同様の構成であり、例えば正昇圧ユニットCPU1を例に説明する。
正昇圧ユニットCPU1は、正昇圧ユニット入力端子CPUiにソースを接続し、正昇圧ユニット出力端子CPUoにドレインを接続した転送用トランジスタM12と、転送用トランジスタM12のソースに第1の電極を接続し、クロック入力端子FP3に第2の電極を接続したポンプ用キャパシタCP1と、転送用トランジスタM12のゲートに第1の電極を接続し、クロック入力端子FP2に第2の電極を接続した補助ポンプ用キャパシタCG2と、転送用トランジスタM12のソースにそのソースを接続し、転送用トランジスタM12のゲートにそのドレインを接続し、次段の正昇圧ユニットCPU2の転送用トランジスタM13のゲートにそのゲートを接続した放電用トランジスタM22とを有する。なお正昇圧ユニットCPU2の放電用トランジスタM23のゲートは正昇圧ユニットCPU3の転送用トランジスタM14のゲートに接続され、正昇圧ユニットCPU3の放電用トランジスタM24のゲートは、正昇圧ユニット出力段CPOの転送用トランジスタM15のゲートに接続されるというように、放電用トランジスタのゲートは1ユニット出力端子VPOUT側に存在する転送用トランジスタのゲートに接続される。
正昇圧ユニットは、目標とする電圧に応じて任意の個数を準備し、直列に接続していけばよい。本例では仮に3個の正昇圧ユニットを接続している。
正昇圧ユニットCPU2は転送用トランジスタM13と放電用トランジスタM23を有し、正昇圧ユニットCPU3は転送用トランジスタM14と放電用トランジスタM24を有している。
なお、各正昇圧ユニットのポンプ用キャパシタCP1〜CP3は、奇数番の正昇圧ユニットCPU1,CPU3などではクロック入力端子FP3に接続され、偶数番の正昇圧ユニットCPU2などではクロック入力端子FP4に接続される。
また、各正昇圧ユニットの補助ポンプ用キャパシタCG2〜CG4は、奇数番の正昇圧ユニットCPU1,CPU3などではクロック入力端子FP2に接続され、偶数番の正昇圧ユニットCPU2などではクロック入力端子FP1に接続される。
The positive booster units CPU1 to CPU3 have the same configuration, and for example, the positive booster unit CPU1 will be described as an example.
The positive boost unit CPU1 connects a transfer transistor M12 having a source connected to the positive boost unit input terminal CPUi and a drain connected to the positive boost unit output terminal CPUo, and a first electrode connected to the source of the transfer transistor M12. The pump capacitor CP1 having the second electrode connected to the clock input terminal FP3 and the auxiliary pump capacitor CG2 having the first electrode connected to the gate of the transfer transistor M12 and the second electrode connected to the clock input terminal FP2. The source is connected to the source of the transfer transistor M12, the drain is connected to the gate of the transfer transistor M12, and the gate is connected to the gate of the transfer transistor M13 of the positive booster unit CPU 2 in the next stage for discharge. It has a transistor M22. The gate of the discharge transistor M23 of the positive boost unit CPU 2 is connected to the gate of the transfer transistor M14 of the positive
Arbitrary number of positive step-up units may be prepared according to the target voltage and connected in series. In this example, three positive booster units are tentatively connected.
The positive step-up unit CPU 2 has a transfer transistor M13 and a discharge transistor M23, and the positive
The pump capacitors CP1 to CP3 of each positive booster unit are connected to the clock input terminal FP3 in the odd-numbered positive booster units CPU1 and CPU3, and are connected to the clock input terminal FP4 in the even-numbered positive booster unit CPU2 and the like. To.
Further, the auxiliary pump capacitors CG2 to CG4 of each positive booster unit are connected to the clock input terminal FP2 in the odd-numbered positive booster units CPU1 and CPU3, and are connected to the clock input terminal FP1 in the even-numbered positive booster unit CPU2 and the like. Will be done.
正昇圧ユニット出力段CPOは、出力段入力端子CPOiにソースを接続し、出力段出力端子CPOoにドレインを接続した転送用トランジスタM15と、転送用トランジスタM15のゲートに第1の電極を接続し、クロック入力端子FP1に第2の電極を接続した補助ポンプ用キャパシタCG5と、転送用トランジスタM15のソースに第1の電極を接続し、クロック入力端子FP4に第2の電極を接続したポンプ用キャパシタCP4と、転送用トランジスタM15のソースにそのソースを接続し、転送用トランジスタM15のゲートにそのドレインを接続し、転送用トランジスタM15のドレインにそのゲートを接続した放電用トランジスタM25とを有する。 The positive boost unit output stage CPO connects a transfer transistor M15 having a source connected to the output stage input terminal CPOi and a drain connected to the output stage output terminal CPOo, and a first electrode connected to the gate of the transfer transistor M15. Auxiliary pump capacitor CG5 with a second electrode connected to the clock input terminal FP1 and pump capacitor CP4 with the first electrode connected to the source of the transfer transistor M15 and the second electrode connected to the clock input terminal FP4. And a discharge transistor M25 having the source connected to the source of the transfer transistor M15, the drain connected to the gate of the transfer transistor M15, and the gate connected to the drain of the transfer transistor M15.
放電用トランジスタM21〜M24は、1ユニット出力端子VPOUT側の転送用トランジスタのゲート電圧を利用して動作するようになっており、図8における従前の放電用トランジスタM21〜M24と比較して高い正電圧で動作するため、確実に転送用トランジスタM11〜M14が常にオンすることを防止することができるようになっている。 The discharge transistors M21 to M24 operate by utilizing the gate voltage of the transfer transistor on the one unit output terminal VPOUT side, and have a higher positive than the conventional discharge transistors M21 to M24 in FIG. Since it operates with a voltage, it is possible to reliably prevent the transfer transistors M11 to M14 from always being turned on.
図4は、図3におけるクロック入力端子FP1〜FP4と転送用トランジスタM14のドレイン電圧Vdp2とソース電圧Vsp2とゲート電圧Vgp2を示している。図4を用いて図3のチャージポンプ回路の動作を説明する。 FIG. 4 shows the clock input terminals FP1 to FP4 in FIG. 3, the drain voltage Vdp2 of the transfer transistor M14, the source voltage Vsp2, and the gate voltage Vgp2. The operation of the charge pump circuit of FIG. 3 will be described with reference to FIG.
クロック入力端子FP1は、時刻t1でロウレベルになる。これにより、補助ポンプ用キャパシタCG1を通じて転送用トランジスタM11のゲート電圧が低くなり導通しなくなる。クロック入力端子FP1は、時刻t8でハイレベルになる。これにより、補助ポンプ用キャパシタCG1を通じて転送用トランジスタM11のゲート電圧が高くなり導通する。
クロック入力端子FP2は、時刻t4でハイレベルになる。これにより、補助ポンプ用キャパシタCG2を通じて転送用トランジスタM12と放電用トランジスタM21のゲート電圧が高くなり導通する。クロック入力端子FP2は、時刻t5でロウレベルになる。これにより、補助ポンプ用キャパシタCG2を通じて転送用トランジスタM12と放電用トランジスタM21のゲート電圧が低くなり導通しなくなる。
クロック入力端子FP3は、時刻t2でハイレベルになる。これにより、ポンプ用キャパシタCP1を通じて放電用トランジスタM22のバックゲート・ドレイン間の寄生ダイオードを通じて補助ポンプ用キャパシタCG2と転送用トランジスタM12のゲートを充電する。クロック入力端子FP3は、時刻t7でロウレベルになる。これにより、ポンプ用キャパシタCP1を通じて放電用トランジスタM22のソース電圧を低くし、放電用トランジスタM22のゲート・ソース間電圧が増加して導通する。
クロック入力端子FP4は、時刻t3でロウレベルになる。これにより、ポンプ用キャパシタCP2を通じて放電用トランジスタM23のソース電圧を降下させ、放電用トランジスタM23のゲート・ソース間電圧が増加して導通し、転送用トランジスタM13を導通させなくする。クロック入力端子FP4は、時刻t6でハイレベルになる。これにより、ポンプ用キャパシタCP2を通じて放電用トランジスタM23のバックゲート・ドレイン間の寄生ダイオードを通じて補助ポンプ用キャパシタCG3と転送用トランジスタM13のゲートを充電する。
The clock input terminal FP1 becomes low level at time t1. As a result, the gate voltage of the transfer transistor M11 becomes low through the auxiliary pump capacitor CG1 and does not conduct. The clock input terminal FP1 becomes high level at time t8. As a result, the gate voltage of the transfer transistor M11 becomes high and conducts through the auxiliary pump capacitor CG1.
The clock input terminal FP2 becomes high level at time t4. As a result, the gate voltage of the transfer transistor M12 and the discharge transistor M21 becomes high and conducts through the auxiliary pump capacitor CG2. The clock input terminal FP2 becomes low level at time t5. As a result, the gate voltage of the transfer transistor M12 and the discharge transistor M21 becomes low through the auxiliary pump capacitor CG2, and the conduction does not occur.
The clock input terminal FP3 becomes high level at time t2. As a result, the gate of the auxiliary pump capacitor CG2 and the transfer transistor M12 is charged through the parasitic diode between the back gate and the drain of the discharge transistor M22 through the pump capacitor CP1. The clock input terminal FP3 becomes low level at time t7. As a result, the source voltage of the discharge transistor M22 is lowered through the pump capacitor CP1, and the gate-source voltage of the discharge transistor M22 is increased to conduct conduction.
The clock input terminal FP4 becomes low level at time t3. As a result, the source voltage of the discharge transistor M23 is lowered through the pump capacitor CP2, the gate-source voltage of the discharge transistor M23 increases and conducts, and the transfer transistor M13 does not conduct. The clock input terminal FP4 becomes high level at time t6. As a result, the gate of the auxiliary pump capacitor CG3 and the transfer transistor M13 is charged through the parasitic diode between the back gate and the drain of the discharge transistor M23 through the pump capacitor CP2.
ソース電圧Vsp2はクロック入力端子FP3に同期した波形を示す。また、ゲート電圧Vgp2はクロック入力端子FP2,FP3に同期した波形を示す。クロック入力端子FP3がハイレベルになった時、ポンプ用キャパシタCP3を通じてソース電圧Vsp2が高くなり、ゲート電圧Vgp2よりもソース電圧Vsp2が高電位になると放電用トランジスタM24のバックゲート・ドレイン間の寄生ダイオードを通じてゲート電圧Vgp2が充電される。また、クロック入力端子FP3がロウレベルになった時、ポンプ用キャパシタCP3を通じてソース電圧Vsp2が低くなり、ゲート電圧Vgp2よりもソース電圧Vsp2が低電位になると放電用トランジスタM24のゲート・ソース間電圧により導通してゲート電圧Vgp2が放電される。
更に、ドレイン電圧Vdp2はクロック入力端子FP4に同期した波形を示す。図9と比較するとドレイン電圧Vdp2の波形が変化しており正しく正昇圧されていることがわかる。
The source voltage Vsp2 shows a waveform synchronized with the clock input terminal FP3. Further, the gate voltage Vgp2 shows a waveform synchronized with the clock input terminals FP2 and FP3. When the clock input terminal FP3 becomes high level, the source voltage Vsp2 becomes higher through the pump capacitor CP3, and when the source voltage Vsp2 becomes higher potential than the gate voltage Vgp2, the parasitic diode between the back gate and drain of the discharge transistor M24. The gate voltage Vgp2 is charged through. Further, when the clock input terminal FP3 becomes a low level, the source voltage Vsp2 becomes low through the pump capacitor CP3, and when the source voltage Vsp2 becomes a lower potential than the gate voltage Vgp2, it conducts due to the gate-source voltage of the discharge transistor M24. Then, the gate voltage Vgp2 is discharged.
Further, the drain voltage Vdp2 shows a waveform synchronized with the clock input terminal FP4. Compared with FIG. 9, it can be seen that the waveform of the drain voltage Vdp2 is changed and the voltage is correctly boosted.
図4の区間T1〜T8に関しては次に記す。 The sections T1 to T8 in FIG. 4 will be described below.
図4Aは、図4に記した区間T1〜T8における各トランジスタの動作状態を示す。
正昇圧ユニット出力段CPO(転送用トランジスタM15,放電用トランジスタM25)に関しては、従前(図8)と本発明(図3)において構成の違いがないため、異常動作時も示している。
転送用トランジスタM14は、正常に動作しており区間T4のみONしている。
放電用トランジスタM24は、正常に動作しており区間T1,T7〜T8でONしている。ただし、区間T1,T7は弱ONである。放電用トランジスタM24はクロック入力端子FP1がゲートを駆動しクロック入力端子FP3がソースを駆動する構成のため、両者の電位差が最も大きくなる時刻T8をONと定義している。
転送用トランジスタM15は、正常動作時は区間T8のみONだが、異常動作時は全ての区間においてONしている。
放電用トランジスタM25は、正常動作時は区間T3〜T5でONだが、異常動作時は全ての区間においてOFFしている。
正昇圧ユニット出力段CPOに含まれるトランジスタを除く全てのトランジスタが、上記で説明してきたように正常動作をすることとなる。
なお、従前の図9Aの正常時のトランジスタ状態とは一致していないが、これは従前の回路とは構成が異なるためである。
FIG. 4A shows the operating state of each transistor in the sections T1 to T8 shown in FIG.
The positive booster unit output stage CPO (transfer transistor M15, discharge transistor M25) is shown even during abnormal operation because there is no difference in configuration between the previous (FIG. 8) and the present invention (FIG. 3).
The transfer transistor M14 is operating normally, and only the section T4 is ON.
The discharge transistor M24 is operating normally and is turned on in the sections T1, T7 to T8. However, the sections T1 and T7 are weakly ON. Since the discharge transistor M24 has a configuration in which the clock input terminal FP1 drives the gate and the clock input terminal FP3 drives the source, the time T8 at which the potential difference between the two is maximum is defined as ON.
The transfer transistor M15 is ON only in the section T8 during normal operation, but is ON in all sections during abnormal operation.
The discharge transistor M25 is ON in the sections T3 to T5 during normal operation, but is OFF in all sections during abnormal operation.
All the transistors except the transistor included in the positive boost unit output stage CPO will operate normally as described above.
It should be noted that the transistor state in the normal state of FIG. 9A does not match with that of the previous circuit, because the configuration is different from that of the conventional circuit.
これらにより転送用トランジスタが常にオンすることの防止、また初段の正昇圧動作も十分に行えるようになるため、チャージポンプ全体としての正昇圧効率が向上する。
なお、前述したが正昇圧ユニット出力段CPO(転送用トランジスタM15,放電用トランジスタM25)に関しては、従前(図8)と本発明(図3)において構成の違いがないため、異常動作の可能性は依然として残っている。
As a result, the transfer transistor is prevented from being turned on all the time, and the positive boosting operation of the first stage can be sufficiently performed, so that the positive boosting efficiency of the charge pump as a whole is improved.
As mentioned above, regarding the positive booster unit output stage CPO (transfer transistor M15, discharge transistor M25), there is no difference in configuration between the previous (FIG. 8) and the present invention (FIG. 3), so there is a possibility of abnormal operation. Still remains.
図5は、図1に示す負昇圧型チャージポンプの出力電圧VNの時間的な推移を示している。また、破線X1は図6に示す負昇圧型チャージポンプの出力電圧VN’である。図6に示す負昇圧型チャージポンプは、全てのユニットが正常動作しない可能性があるが、仮に負昇圧ユニット出力段CNOが正常動作していないとした場合を示している。 FIG. 5 shows the temporal transition of the output voltage VN of the negative boost type charge pump shown in FIG. Further, the broken line X1 is the output voltage VN'of the negative boost type charge pump shown in FIG. In the negative boost type charge pump shown in FIG. 6, all the units may not operate normally, but it shows a case where the negative boost unit output stage CNO does not operate normally.
時刻t0において、チャージポンプ回路が起動する。この時、出力電圧VN,VN’の電圧は共に0である。
時刻t1において、出力電圧VNと出力電圧VN’に差が生じる。この差は、出力電圧VN’は負昇圧ユニット出力段CNOが正常動作していないことから発生する。
その後、チャージポンプ回路の起動が継続され、徐々に出力電圧VNと出力電圧VN’の電圧差が大きくなっていく。
時刻t2において、出力電圧VNは目標設定電圧OUTに到達しているため起動を終了するが、出力電圧VN’は目標設定電圧OUTに到達していないため更なる起動を必要とする。
時刻t3において、出力電圧VN’は目標設定電圧OUTに到達し起動を終了する。
At time t0, the charge pump circuit is activated. At this time, the output voltages VN and VN'are both 0.
At time t1, there is a difference between the output voltage VN and the output voltage VN'. This difference occurs because the output voltage VN'is not operating normally in the negative booster unit output stage CNO.
After that, the start of the charge pump circuit is continued, and the voltage difference between the output voltage VN and the output voltage VN'is gradually increased.
At time t2, the output voltage VN has reached the target set voltage OUT, so that the start-up is terminated. However, since the output voltage VN'has not reached the target set voltage OUT, further start-up is required.
At time t3, the output voltage VN'reaches the target set voltage OUT and ends the start-up.
本例においては、図6の負昇圧ユニット出力段CNOのみが正常動作していないとして図示したが、図6のチャージポンプ回路においては他のユニットも正常動作しない可能性がある。その場合は、出力電圧VN’の起動にはより長い時間を要することとなる。 In this example, only the negative booster unit output stage CNO in FIG. 6 is shown as not operating normally, but in the charge pump circuit of FIG. 6, other units may not operate normally. In that case, it will take a longer time to start the output voltage VN'.
以上より、転送用トランジスタが常にオンすることを防止することで、チャージポンプ全体としての負昇圧効率が向上することがわかる。 From the above, it can be seen that the negative boosting efficiency of the charge pump as a whole is improved by preventing the transfer transistor from being constantly turned on.
また、本発明においてはNMOSトランジスタで説明を行ったが、PMOSトランジスタでも同様のことがなしうることは当業者であれば容易に理解される。 Further, although the present invention has been described with the MPLS transistor, it is easily understood by those skilled in the art that the same can be achieved with the polyclonal transistor.
本発明は、4相クロック駆動のチャージポンプ回路において、負昇圧及び正昇圧効率を改善するものである。そのため、本発明は、産業上の利用可能性は極めて高い。 The present invention improves the negative boost and positive boost efficiency in a 4-phase clock-driven charge pump circuit. Therefore, the present invention has extremely high industrial applicability.
CG1〜CG5 補助ポンプ用キャパシタ
CNI 負昇圧ユニット入力段
CNIi 入力段入力端子
CNIo 入力段出力端子
CNO 負昇圧ユニット出力段
CNOi 出力段入力端子
CNOo 出力段出力端子
CNU1〜CNU4 負昇圧ユニット
CNUi 負昇圧ユニット入力端子
CNUo 負昇圧ユニット出力端子
COUT キャパシタ
CP1〜CP4 ポンプ用キャパシタ
CPI 正昇圧ユニット入力段
CPIi 入力段入力端子
CPIo 入力段出力端子
CPO 正昇圧ユニット出力段
CPOi 出力段入力端子
CPOo 出力段出力端子
CPU1〜CPU3 正昇圧ユニット
CPUi 正昇圧ユニット入力端子
CPUo 正昇圧ユニット出力端子
FN1〜FN4,FP1〜FP4 クロック入力端子
GND 接地電圧
M11〜M15,M41〜M45 転送用トランジスタ
M21〜M25,M51〜M55 放電用トランジスタ
OUT 目標設定電圧
ROUT 負荷
t1〜t8 時刻
T1〜T8 区間
VCC 電源電圧
Vdn1,Vdn2,Vdp1,Vdp2 ドレイン電圧
Vgn1,Vgn2,Vgp1,Vgp2 ゲート電圧
VN,VN’ 出力電圧
VNOUT 出力端子
VPOUT 出力端子
Vsn1,Vsn2,Vsp1,Vsp2 ソース電圧
CG1 to CG5 Auxiliary pump capacitor CNI negative boost unit input stage CNIi input stage input terminal CNOo input stage output terminal CNO negative boost unit output stage CNOi output stage input terminal CNOo output stage output terminal CNU1 to CNU4 negative boost unit CNUi negative boost unit input Terminal CNUo Negative boost unit output terminal COUT capacitor CP1 to CP4 Pump capacitor CPI Positive boost unit input stage CPIi Input stage input terminal CPIo Input stage output terminal CPO Positive boost unit output stage CPOi Output stage input terminal CPOo Output stage output terminal CPU1 to CPU3 Positive booster unit CPUi Positive booster unit input terminal CPUo Positive booster unit output terminal FN1 to FN4, FP1 to FP4 Clock input terminal GND Ground voltage M11 to M15, M41 to M45 Transfer transistor M21 to M25, M51 to M55 Discharge transistor OUT Target Set voltage ROUT load t1 to t8 Time T1 to T8 section VCS power supply voltage Vdn1, Vdn2, Vdp1, Vdp2 Drain voltage Vgn1, Vgn2, Vgp1, Vgp2 Gate voltage VN, VN'Output voltage VNOUT output terminal VPOUT output terminal Vsn1, Vsn2 , Vsp2 source voltage
Claims (6)
前記負昇圧ユニットのうち、
第1段目の負昇圧ユニット入力段は、
第1入力端子にドレインを接続し、第1出力端子にソースを接続した第1転送用トランジスタと、
前記第1転送用トランジスタのソースに第1の電極を接続し、前記第3クロック信号の入力端子に第2の電極を接続した第1ポンプ用キャパシタと、
前記第1転送用トランジスタのゲートに第1の電極を接続し、前記第1クロック信号の入力端子に第2の電極を接続した第1補助ポンプ用キャパシタと、
前記第1転送用トランジスタのソースにそのソースを接続し、前記第1転送用トランジスタのゲートにそのドレインを接続し、前記第4クロック信号の入力端子にそのゲートを接続した第1放電用トランジスタと、
を含み、
第k段目(ただしk=2,3,…,m−1)の負昇圧ユニット中間段は、それぞれ、
第k入力端子にドレインを接続し、第k出力端子にソースを接続した第k転送用トランジスタと、
前記第k転送用トランジスタのソースに第1の電極を接続し、kが偶数であれば前記第4クロック信号の入力端子に、kが奇数であれば前記第3クロック信号の入力端子に第2の電極を接続した第kポンプ用キャパシタと、
前記第k転送用トランジスタのゲートに第1の電極を接続し、kが偶数であれば前記第2クロック信号の入力端子に、kが奇数であれば前記第1クロック信号の入力端子に第2の電極を接続した第k補助ポンプ用キャパシタと、
前記第k転送用トランジスタのソースにそのソースを接続し、前記第k転送用トランジスタのゲートにそのドレインを接続し、前段の第(k−1)転送用トランジスタのゲートにそのゲートを接続した第k放電用トランジスタと、
を含み、
第m段目の負昇圧ユニット出力段は、
第m入力端子にドレインを接続し、第m出力端子にソースを接続した第m転送用トランジスタと、
前記第m転送用トランジスタのゲートに第1の電極を接続し、mが偶数であれば前記第1クロック信号の入力端子に、mが奇数であれば前記第2クロック信号の入力端子に第2の電極を接続した第m補助ポンプ用キャパシタと、
前記第m出力端子にそのソースを接続し、前記第m転送用トランジスタのゲートにそのドレインを接続し、前段の第(m−1)転送用トランジスタのゲートにそのゲートを接続した第m放電用トランジスタと、
を含む、チャージポンプ回路。 The m-stage charge pump type negative booster unit is connected in series and is configured to operate by receiving the inputs of the first clock signal, the second clock signal, the third clock signal, and the fourth clock signal having different phases . It is a negative boost type charge pump,
Of the negative boosting units
The input stage of the negative booster unit in the first stage is
A first transfer transistor with a drain connected to the first input terminal and a source connected to the first output terminal.
A first pump capacitor having a first electrode connected to the source of the first transfer transistor and a second electrode connected to the input terminal of the third clock signal.
A first auxiliary pump capacitor having a first electrode connected to the gate of the first transfer transistor and a second electrode connected to the input terminal of the first clock signal.
A first discharge transistor having its source connected to the source of the first transfer transistor, its drain connected to the gate of the first transfer transistor, and its gate connected to the input terminal of the fourth clock signal. ,
Including
The intermediate stages of the negative booster unit in the kth stage (however, k = 2, 3, ..., M-1) are, respectively.
A drain connected to the first k input terminals, and the k transfer transistor having a source connected to the k-th output terminal,
The first electrode is connected to the source of the k-th transfer transistor, and if k is an even number, it is connected to the input terminal of the fourth clock signal, and if k is odd, it is connected to the input terminal of the third clock signal. The k-th pump capacitor connected to the electrodes of
A first electrode is connected to the gate of the k-th transfer transistor, and if k is an even number, it is connected to the input terminal of the second clock signal, and if k is odd, it is connected to the input terminal of the first clock signal. Capacitor for the k-th auxiliary pump to which the electrodes of
The connecting its source to the source of the first k transfer transistor, its drain connected to the gate of the first k transfer transistor, and a gate connected to the gate of the previous stage of the (k-1) transfer transistor k discharge transistor and
Including
The output stage of the negative booster unit in the mth stage is
The mth transfer transistor with the drain connected to the mth input terminal and the source connected to the mth output terminal,
A first electrode is connected to the gate of the m-th transfer transistor, and if m is even, it is connected to the input terminal of the first clock signal, and if m is odd, it is connected to the input terminal of the second clock signal. Capacitor for the mth auxiliary pump to which the electrodes of
The source is connected to the mth output terminal, the drain is connected to the gate of the mth transfer transistor, and the gate is connected to the gate of the (m-1) transfer transistor in the previous stage for the mth discharge. With a transistor
Including charge pump circuit.
前記第1区間及び前記第7区間では、それぞれ、前記第1クロック信号、前記第2クロック信号及び前記第3クロック信号がローレベルであって前記第4クロック信号がハイレベルであり、 In the first section and the seventh section, the first clock signal, the second clock signal, and the third clock signal are at low level, and the fourth clock signal is at high level, respectively.
前記第2区間及び前記第6区間では、それぞれ、前記第1クロック信号及び前記第2クロック信号がローレベルであって前記第3クロック信号及び前記第4クロック信号がハイレベルであり、 In the second section and the sixth section, the first clock signal and the second clock signal are at low level, and the third clock signal and the fourth clock signal are at high level, respectively.
前記第3区間及び前記第5区間では、それぞれ、前記第1クロック信号、前記第2クロック信号及び前記第4クロック信号がローレベルであって前記第3クロック信号がハイレベルであり、 In the third section and the fifth section, the first clock signal, the second clock signal, and the fourth clock signal are at low level, and the third clock signal is at high level, respectively.
前記第4区間では、前記第1クロック信号及び前記第3クロック信号がハイレベルであって前記第2クロック信号及び前記第4クロック信号がローレベルであり、 In the fourth section, the first clock signal and the third clock signal are at high level, and the second clock signal and the fourth clock signal are at low level.
前記第8区間では、前記第1クロック信号及び前記第3クロック信号がローレベルであって前記第2クロック信号及び前記第4クロック信号がハイレベルである、 In the eighth section, the first clock signal and the third clock signal are at low level, and the second clock signal and the fourth clock signal are at high level.
請求項1に記載のチャージポンプ回路。 The charge pump circuit according to claim 1.
第i放電用トランジスタは、前記第1区間、前記第2区間及び前記6区間〜前記第8区間ではオフ状態であって前記第3区間及び前記第5区間では弱オン状態であり、 The i-discharge transistor is in an off state in the first section, the second section, and the sixth section to the eighth section, and is in a weak on state in the third section and the fifth section.
第j(ただしjはm以下の奇数)転送用トランジスタは、前記第1区間〜前記第3区間及び前記第5区間〜前記第8区間ではオフ状態であって前記第4区間ではオン状態であり、 The j-th (where j is an odd number of m or less) transfer transistor is in the off state in the first section to the third section and in the fifth section to the eighth section and in the on state in the fourth section. ,
第j放電用トランジスタは、前記第1区間〜前記第7区間ではオフ状態であって前記第8区間ではオン状態である、 The j-discharge transistor is in the off state in the first section to the seventh section and in the on state in the eighth section.
請求項2に記載のチャージポンプ回路。 The charge pump circuit according to claim 2.
前記正昇圧ユニットのうち、
第1段目の正昇圧ユニット入力段は、
第1入力端子にソースを接続し、第1出力端子にドレインを接続した第1転送用トランジスタと、
前記第1転送用トランジスタのゲートに第1の電極を接続し、前記第1クロック信号の入力端子に第2の電極を接続した第1補助ポンプ用キャパシタと、
前記第1転送用トランジスタのソースにそのソースを接続し、前記第1転送用トランジスタのゲートにそのドレインを接続し、次段の第2転送用トランジスタのゲートにそのゲートを接続した第1放電用トランジスタと、
を含み、
第k段目(ただしk=2,3,…,m−1)の正昇圧ユニット中間段は、それぞれ、
第k入力端子にソースを接続し、第k出力端子にドレインを接続した第k転送用トランジスタと、
前記第k転送用トランジスタのソースに第1の電極を接続し、kが偶数であれば前記第3クロック信号の入力端子に、kが奇数であれば前記第4クロック信号の入力端子に第2の電極を接続した第kポンプ用キャパシタと、
前記第k転送用トランジスタのゲートに第1の電極を接続し、kが偶数であれば前記第2クロック信号の入力端子に、kが奇数であれば前記第1クロック信号の入力端子に第2の電極を接続した第k補助ポンプ用キャパシタと、
前記第k転送用トランジスタのソースにそのソースを接続し、前記第k転送用トランジスタのゲートにそのドレインを接続し、次段の第(k+1)転送用トランジスタのゲートにそのゲートを接続した第k放電用トランジスタと、
を含み、
第m段目の正昇圧ユニット出力段は、
第m入力端子にソースを接続し、第m出力端子にドレインを接続した第m転送用トランジスタと、
前記第m転送用トランジスタのゲートに第1の電極を接続し、mが偶数であれば前記第2クロック信号の入力端子に、mが奇数であれば前記第1クロック信号の入力端子に第2の電極を接続した第m補助ポンプ用キャパシタと、
前記第m転送用トランジスタのソースに第1の電極を接続し、mが偶数であれば前記第3クロック信号の入力端子に、mが奇数であれば前記第4クロック信号の入力端子に第2の電極を接続した第mポンプ用キャパシタと、
前記第m転送用トランジスタのソースにそのソースを接続し、前記第m転送用トランジスタのゲートにそのドレインを接続し、前記第m転送用トランジスタのドレインにそのゲートを接続した第m放電用トランジスタと、
を含む、チャージポンプ回路。 The m-stage charge pump type positive booster unit is connected in series and is configured to operate by receiving the inputs of the first clock signal, the second clock signal, the third clock signal, and the fourth clock signal having different phases . It is a positive boost type charge pump,
Of the positive boosting units
The input stage of the positive booster unit in the first stage is
A first transfer transistor with a source connected to the first input terminal and a drain connected to the first output terminal.
A first auxiliary pump capacitor having a first electrode connected to the gate of the first transfer transistor and a second electrode connected to the input terminal of the first clock signal.
For the first discharge, the source is connected to the source of the first transfer transistor, the drain is connected to the gate of the first transfer transistor, and the gate is connected to the gate of the second transfer transistor in the next stage. With a transistor
Including
The intermediate stages of the positive booster unit in the kth stage (however, k = 2, 3, ..., M-1) are, respectively.
A transistor for k-th transfer, in which the source is connected to the k-th input terminal and the drain is connected to the k-th output terminal.
The first electrode is connected to the source of the k-th transfer transistor, and if k is an even number, it is connected to the input terminal of the third clock signal, and if k is odd, it is connected to the input terminal of the fourth clock signal. The k-th pump capacitor connected to the electrodes of
A first electrode is connected to the gate of the k-th transfer transistor, and if k is an even number, it is connected to the input terminal of the second clock signal, and if k is odd, it is connected to the input terminal of the first clock signal. Capacitor for the k-th auxiliary pump to which the electrodes of
The k-th source is connected to the source of the k-th transfer transistor, the drain is connected to the gate of the k-th transfer transistor, and the gate is connected to the gate of the next (k + 1) transfer transistor . Discharge transistor and
Including
The output stage of the positive booster unit in the mth stage is
The mth transfer transistor with the source connected to the mth input terminal and the drain connected to the mth output terminal,
A first electrode is connected to the gate of the m transfer transistor, and if m is an even number, it is connected to the input terminal of the second clock signal, and if m is odd, it is connected to the input terminal of the first clock signal. Capacitor for the mth auxiliary pump to which the electrodes of
The first electrode is connected to the source of the m-th transfer transistor, and if m is even, it is connected to the input terminal of the third clock signal, and if m is odd, it is connected to the input terminal of the fourth clock signal. The m-th pump capacitor connected to the electrodes of
With the m-th discharge transistor in which the source is connected to the source of the m-th transfer transistor, the drain is connected to the gate of the m-th transfer transistor, and the gate is connected to the drain of the m-th transfer transistor. ,
Including charge pump circuit.
前記第1区間及び前記第7区間では、それぞれ、前記第1クロック信号、前記第2クロック信号及び前記第3クロック信号がローレベルであって前記第4クロック信号がハイレベルであり、 In the first section and the seventh section, the first clock signal, the second clock signal, and the third clock signal are at low level, and the fourth clock signal is at high level, respectively.
前記第2区間及び前記第6区間では、それぞれ、前記第1クロック信号及び前記第2クロック信号がローレベルであって前記第3クロック信号及び前記第4クロック信号がハイレベルであり、 In the second section and the sixth section, the first clock signal and the second clock signal are at low level, and the third clock signal and the fourth clock signal are at high level, respectively.
前記第3区間及び前記第5区間では、それぞれ、前記第1クロック信号、前記第2クロック信号及び前記第4クロック信号がローレベルであって前記第3クロック信号がハイレベルであり、 In the third section and the fifth section, the first clock signal, the second clock signal, and the fourth clock signal are at low level, and the third clock signal is at high level, respectively.
前記第4区間では、前記第1クロック信号及び前記第4クロック信号がローレベルであって前記第2クロック信号及び前記第3クロック信号がハイレベルであり、 In the fourth section, the first clock signal and the fourth clock signal are at low level, and the second clock signal and the third clock signal are at high level.
前記第8区間では、前記第1クロック信号及び前記第4クロック信号がハイレベルであって前記第2クロック信号及び前記第3クロック信号がローレベルである、 In the eighth section, the first clock signal and the fourth clock signal are at high level, and the second clock signal and the third clock signal are at low level.
請求項4に記載のチャージポンプ回路。 The charge pump circuit according to claim 4.
第i放電用トランジスタは、前記第1区間及び前記第7区間では弱オン状態、前記第2区間〜前記第6区間ではオフ状態であって前記第8区間ではオン状態であり、 The i-discharge transistor is in a weak on state in the first section and the seventh section, is in the off state in the second section to the sixth section, and is in the on state in the eighth section.
第j(ただしjはm以下の奇数)転送用トランジスタは、前記第1区間〜前記第7区間ではオフ状態であって前記第8区間ではオン状態であり、 The j-th (where j is an odd number of m or less) transfer transistor is in the off state in the first section to the seventh section and in the on state in the eighth section.
第j放電用トランジスタは、前記第1区間、前記第2区間及び前記第6区間〜前記第8区間ではオフ状態であって前記第4区間及び前記第5区間ではオン状態である、 The j-discharge transistor is in the off state in the first section, the second section, and the sixth section to the eighth section, and is in the on state in the fourth section and the fifth section.
請求項5に記載のチャージポンプ回路。 The charge pump circuit according to claim 5.
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