DE19752986A1 - Halbleiterschaltungsanordnung mit monolithisch integrierten Schaltkreisen und einer Spannungspumpenschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterschaltungsanordnung mit monolithisch integrierten Schaltkreisen und einer ebenfalls monolithisch integrierten Spannungspumpenschaltung zur Erzeu­ gung einer dem Betrag nach gegenüber internen Versorgungs­ spannungen größeren Pumpspannung für die Versorgung der mono­ lithisch integrierten Schaltkreise.

In monolithisch integrierten Halbleiterschaltungen besteht ein großer Bedarf an Spannungsversorgungsschaltkreisen, die in der Lage sind, Spannungen mit einem größerem Betrag als von der Hauptspannungsversorgung verfügbar zu erzeugen. Eine typische, auch als Spannungsmultiplierschaltung oder Ladungs­ pumpe bekannt gewordene Schaltung der angesprochenen Bauart besitzt eine Ladekapazität, die während eines bestimmten Zei­ tintervalles über einen Inverter aufgeladen wird, der die ei­ ne Platte der Ladekapazität mit einem ersten Versorgungspo­ tential verbindet. Es ist ein Schalttransistor vorgesehen, der die zweite Platte der Ladekapazität mit einem zweiten Versorgungspotential verbindet. Die Spannungsmultiplikation wird vermittels Schalten bzw. Ansteuern des Inverters dadurch erreicht, daß ein weiteres Versorgungspotential an die erste Platte der Ladekapazität angelegt und zeitgleich der Schalt­ transistor ausgeschaltet wird. Auf diese Weise wird ein ver­ größertes, drittes Potential auf der zweiten Platte der Lade­ kapazität erzeugt, d. h. es entsteht eine Potentialdifferenz, die größer ist als die Potentialdifferenz der ersten und zweiten Versorgungspotentiale. Eine verbesserte Version einer solchen Spannungspumpe besitzt zwei Schalttransistoren, die die Ladekapazität wechselweise mit den Versorgungspotentialen verbinden. Die Ansteuerung der Schalttransistoren erfolgt zweckmäßigerweise im Sinne der Vermeidung von Ladungsverlu­ sten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiter­ schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art zur Verfügung zu stellen, mit welcher eine Vervielfachung der Pumpenleistung erzielt werden kann, ohne den Rauschpegel signifikant zu er­ höhen.

Diese Aufgabe wird durch eine Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Spannungspumpen­ schaltung wenigstens zwei Ladungspumpen mit jeweils einer La­ dekapazität und einer diese steuernden Schalteinrichtung auf­ weist, wobei die wenigstens zwei Ladungspumpen zeitlich ver­ setzt nacheinander betrieben sind.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, daß die zeitlich aufeinander folgende Ansteuerung der wenig­ stens zwei Ladungspumpen phasenversetzt um jeweils 360°/x er­ folgt, wobei der Wert x die Anzahl der angesteuerten Ladungs­ pumpen ist.

Zweckmäßigerweise wird die elektrische Ladung der einzelnen Ladungspumpen zeitlich versetzt in einen für alle Ladungspum­ pen gemeinsamen Ausgangsknoten (Vpp) gepumpt.

Dem wesentlichen Gedanken der Erfindung folgend werden somit wenigstens zwei Ladungspumpen derart miteinander verschaltet, daß die eine Ladungspumpe die in ihrer Pumpkapazität gespei­ cherte Ladung genau dann hochpumpt, wenn in der anderen La­ dungspumpe deren Pumpkapazität aufgeladen wird und umgekehrt. Für eine Verdopplung der Pumpenleistung werden somit zwei La­ dungspumpen gleichzeitig betrieben, wobei der Takt zur An­ steuerung der beiden Ladungspumpen um 180° phasenverschoben ist. Gegenüber der herkömmlichen Lösung, bei welcher einfach die Pumpenleistung erhöht wird, bietet die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung vor allem den Vorteil, daß bei der Ver­ vielfachung der Pumpenleistung gleichzeitig der Rauschpegel verringert wird, da der Ausgang der Ladungspumpen normaler­ weise einen Tiefpaß darstellt, der aus Zuleitungs- und Aus­ gangswiderständen und Stützkapazitäten besteht. Das Rauschen, das durch die mehreren kleineren, zeitlich versetzt angesteu­ erten Ladungspumpen verursacht wird, ist wesentlich höherfre­ quenter als das Rauschen von einer einzigen großen Ladungs­ pumpe. Aus diesem Grunde wird das hochfrequente Rauschen durch die Tiefpasseigenschaften wesentlich besser gedämpft als niederfrequente Rauschen einer einzigen Ladungspumpe.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles im Einzelnen beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Halb­ leiterschaltungsanordnung mit mehreren Ladungspum­ pen;

Fig. 2A ein Prinzipschaltbild einer bei der erfindungsgemä­ ßen Halbleiterschaltungsanordnung verwendeten ein­ zelnen Ladungspumpe und dieser steuernden Schalt­ einrichtung;

Fig. 2B ein schematisches Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise jeder einzelnen Ladungspumpe nach Fig. 2a;

Fig. 3 ein schematisches Zeitablaufdiagramm der Taktsigna­ le zur Ansteuerung der einzelnen Ladungspumpen; und

Fig. 4 ein Schaltbild eines Tiefpasses.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Halbleiterschaltungsanordnung besitzt eine An­ zahl x schaltungstechnisch gleich aufgebauter Ladungspumpen 1, von denen jede einen dem Betrag nach gegenüber den inter­ nen Versorgungsspannungen größere Pumpspannung Vpp erzeugt, die an einem Ausgang A abgegriffen wird und der Versorgung von bestimmten, auf demselben Halbleitersubstrat monolithisch integrierten Logik-Schaltkreisen dient (diese sind in den Fi­ guren nicht dargestellt).

Jede Ladungspumpe ist wie in Fig. 2A näher dargestellt auf­ gebaut. Jede Ladungspumpe 1 besitzt eine Ladekapazität 2 und eine dieser zugeordneten und steuernden Schalteinrichtung mit einer durch ein Taktsignal C angesteuerten Logik- und Zeitab­ laufsteuerschaltung 3, zwei in Serie verbundenen Feldeffekt­ transistoren T1 und T2, sowie Inverter 4, 5, 6. Die Transi­ storen T1 und T2 sind n-Kanal-FET-Transistoren mit Schwellen­ spannungen Vth (T1) und Vth (T2). Die Potentiale Vcc2, Vcc3, Vcc4 werden von der von außen zugeführten, externen Versor­ gungsspannung unmittelbar abgeleitet. Das Potential Vcc1 stellt unmittelbar die von außen zugeführte externe Versor­ gungsspannung dar. Für die Stabilisierung bzw. Bereitstellung der aus der externen, ungeregelten Versorgungsspannung abge­ leiteten Spannungen Vcc2, Vcc3, und Vcc4 sind kleinere, eben­ falls monolithisch integrierte Ladungspumpen bzw. Regulatoren vorgesehen, die in den Figuren nicht näher dargestellt sind, und schaltungstechnisch einfach gehalten sein können, da sie keine großen Leistungen erbringen müssen. Bei dem Ausfüh­ rungsbeispiel ist von Vorteil vorgesehen, daß zum Laden der Kapazität 2 jeder Ladungspumpe 1 nicht wie sonst üblich eine interne, regulierte Spannung verwendet wird, sondern die ex­ terne, an die Pads des Bauelementes angelegte Spannung Vcc1. GND bezeichnet das Massepotential. Die Versorgungsspannung Vcc3 für den Inverter 6 und damit für die Ansteuerung des Transistors T2 liegt um eine Schwellenspannung Vth über dem Wert der Spannung Vpp : Vcc3 = Vpp + Vth (T2) (Vth (T2) ist die Schwellenspannung des Transistors T2). Analog ist die in­ terne Versorgungsspannung Vcc4 um eine Schwellenspannung Vth des Transistors T1 über dem Wert der Spannung Vcc1: Vcc4 = Vcc1 + Vth (T1). Der Vorteil dieser Festlegung liegt darin, daß die beiden Transistoren T1 und T2 nach einer entspre­ chenden Ansteuerung auf den Knoten N1 bzw. N3 vollständig leiten. Beispiele für die beim Ausführungsbeispiel verwende­ ten Spannungswerte sind wie folgt: Vcc1 = + 2,5 V; Vcc2 = + 1,8 V; Vpp = + 3,5 V (optional Vpp = + 5 V).

Die Funktionsweise jeder Ladungspumpe 1 wird anhand des Zeitablaufdiagrammes gemäß Fig. 2B erläutert.

Zunächst wird angenommen, daß sämtliche Knoten Nl bis N4 auf Massepotential GND vorgeladen sind. Vor der ersten ansteigen­ den Flanke 7 des Taktsignals C_x wird der Knoten N1 auf das Potential Vcc4 aufgeladen, so daß der Transistor T1 leitet und der Knoten N4 auf die extern angelegte Versorgungsspan­ nung Vcc1 aufgeladen wird. Um sicherzustellen, daß der Tran­ sistor T1 vollständig leitet, ist Vcc4 = Vcc1 + Vth (T1). Daran anschließend wird zum Zeitpunkt t1 der Knoten N1 auf das Massepotential GND gezogen, so daß der Transistor T1 sperrt: Der Knoten N4 ist elektrisch isoliert, er floatet. Nun wird zum Zeitpunkt t2 der Knoten N2 auf das Potential Vcc2 aufgeladen, wodurch die andere Platte der Ladekapazität 2 und damit der Knoten N4 auf das Potential Vcc2 + Vcc1 auf­ geladen wird. Anschließend wird zum Zeitpunkt t3 der Knoten N3 auf das Potential Vcc3 aufgeladen: Vcc3 = Vpp + Vth (T2). Hierdurch fließt die in der Ladekapazität 2 gespeicherte La­ dung über den Ausgang A in das Vpp-Netz ab, und es wird der Ladungspegel des Knotens A entsprechend dem Verhältnis der Kapazitätswerte der Ladekapazität 2 und des am Knoten A hän­ genden Kapazitätswertes angehoben. Dabei entlädt sich der Knoten N4 auf etwa den Wert Vpp + Wert der Ladung, die von der Kapazität 2 auf den Knoten A floß. Nun wird der Knoten N3 wieder auf das Massepotential GND entladen (Zeitpunkt t4), damit sperrt der Transistor T2 wieder und der Knoten N4 ist wieder isoliert (Floating). Wird jetzt der Knoten N2 erneut auf das Massepotential GND entladen (Zeitpunkt t5), reduziert sich die Spannung am Knoten N4 wieder auf Vpp - Vcc2. Der Zy­ klus wiederholt sich von vorne: Der Knoten N1 wird wieder auf die Spannung Vcc4 aufgeladen (Zeitpunkt t6), usw.

Fig. 3 zeigt die um den Phasenwert ϕ zeitlich versetzten Taktsignale c₁, c₂, c₃, . . ., C_x für die Ansteuerung der ein­ zelnen Ladungspumpen 1. Es gilt: ϕ = 360°/x. Im Falle von zwei Ladungspumpen ist somit ϕ = 360°/x. Die Taktsignale C_i (i = 1, 2, 3, . . .) liegen jeweils am Eingang der Ladungspumpe 1 an und werden aus einem festen Systemtakt abgeleitet. Die Ansteuerung der Ladungspumpen erfolgt dergestalt, daß die Aufladung des Knotens N4 in dieser Ladungspumpe auf den High-Pegel um die Phase ϕ zeitlich verschoben ist. Im Falle von zwei Ladungspumpen (ϕ = 180°) bedeutet dies, daß der Knoten N4 der einen Ladungspumpe immer dann auf High-Pegel liegt, wenn der Knoten N4 der zweiten Ladungspumpe auf Low-Pegel ist und umgekehrt. Entsprechend ist die Taktung bei mehr als zwei Ladungspumpen um die Phase ϕ verschoben, so daß die Ladungen der einzelnen Pumpen zeitlich versetzt in das Vpp-Netz ge­ pumpt werden.

Der Ausgangsteil der Ladungspumpen 1 stellt nach Fig. 4 ei­ nen Tiefpaß dar, der aus Zuleitungs- und Ausgangswiderstand R und einer Stützkapazität 10 besteht. Das Rauschen, das durch die vielen kleinen, zeitlich versetzt angesteuerten La­ dungspumpen verursacht wird, ist wesentlich höherfrequenter als das Rauschen von einer einzigen großen Ladungspumpe. Von Vorteil wird daher bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanord­ nung diese hochfrequente Rauschen durch den Tiefpaß wesent­ lich besser gedämpft als das niederfrequente Rauschen einer einzigen Ladungspumpe.

Claims (10)

1. Halbleiterschaltungsanordnung mit monolithisch integrier­ ten Schaltkreisen und einer ebenfalls monolithisch integrier­ ten Spannungspumpenschaltung (1) zur Erzeugung einer größeren Pumpspannung (Vpp) für die Versorgung der monolithisch inte­ grierten Schaltkreise, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungspumpenschaltung (1) wenigstens zwei La­ dungspumpen mit jeweils einer Ladekapazität (2) und einer diese steuernden Schalteinrichtung aufweist, wobei die wenig­ stens zwei Ladungspumpen zeitlich versetzt nacheinander be­ trieben sind.

2. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitlich aufeinander folgende Ansteuerung der wenig­ stens zwei Ladungspumpen phasenversetzt um jeweils 360°/x er­ folgt, wobei der Wert x die Anzahl der angesteuerten Ladungs­ pumpen ist.

3. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Ladung der einzelnen Ladungspumpen zeit­ lich versetzt in einen für alle Ladungspumpen gemeinsamen Ausgangsknoten (Vpp) gepumpt wird.

4. Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ladungspumpe zur Erzeugung der Pumpspannung (Vpp) unmittelbar mit einer von außen zugeführten externen Versor­ gungsspannung (Vcc1) beaufschlagt ist.

5. Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schalteinrichtung ein die entsprechende Ladekapazi­ tät (2) während eines vorbestimmten Zeitintervalles mit einem ersten Versorgungspotential verbindendes Schaltmittel auf­ weist.

6. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel jeder Ladungspumpe eine externe Versor­ gungsspannung (Vcc1) auf die Ladekapazität (2) schaltet.

7. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel mit einer um die Schwellenspannung (Vth) des Schaltmittels erhöhten bzw. verringerten Versor­ gungsspannung (Vcc3, Vcc4) gesteuert ist.

8. Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel einen Transistor, insbesondere Feld­ effekttransistor darstellt.

9. Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel vermittels einem Inverter angesteuert ist, der durch eine um die Schwellenspannung (Vth) des Schaltmittels vergrößerte bzw. verringerte Versorgungsspan­ nung (Vcc3, Vcc4) gespeist ist.

10. Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schalteinrichtung zwei Transistoren (T1, T2) auf­ weist, die die Ladekapazität (2) der Ladungspumpe wechselwei­ se mit zwei unterschiedlichen Versorgungspotentialen in vorge­ gebenen Zeitintervallen verbinden.