电荷泵浦系统的制作方法
【专利摘要】一种电荷泵浦系统，包括：一时钟产生器，产生一时钟信号组；一增压单元决定装置，产生一数目控制信号；一电荷泵浦电路，接收一操作电压、该数目控制信号与该时钟信号组，并产生一输出电压；其中，该电荷泵浦电路包括多个增压单元，该数目控制信号是控制该些增压单元中的一第一部分增压单元根据该时钟信号组运作，且利用该第一部分的增压单元将该操作电压转换为该输出电压；以及，一电压调整器，接收该输出电压并转换为一特定电压。
【专利说明】电荷泵浦系统
【技术领域】
[0001]本发明是有关于一种电荷泵浦系统，且特别是有关于一种可动态调整增压单元(boosting unit)数目的电荷泵浦系统。
【背景技术】
[0002]众所周知，随着半导体制程的进步，集成电路中晶体管的尺寸越来越小，而操作速度越来越快。举例来说，集成电路的工作电压已经可以下降至3.3V或者2V以下，因此可以达到降低能量损耗的目的。然而，某些集成电路中仍旧需要提供正的高电压或者负的低电压的情况。举例来说，以闪存为(flash memory)例，需要利用到较大的正电压(例如+10V)或者负电压(例如-10V)来作为闪存的抹除电压。很明显地，上述的正抹除电压远大于操作电压；同理，负抹除电压也远小于操作电压。而为了能够提供正抹除电压或者负抹除电压，需要在集成电路中设计电荷泵浦电路(charge pump circuit)。
[0003]美国专利US5，644，534揭露了电荷泵浦电路。请参照图1A与图1B，其所绘示为已知产生正电压的4相(4-phase)电荷泵浦电路及其时钟信号组示意图。4相电荷泵浦电路根据时钟信号组Fl?F4动作,其包括:四个结构相同的增压级(boosting stage) 102、104、106、108以及一输出级(output stage)。每个增压级的输出端连接至后一增压级的输入端，第一个增压级102的输入端接收一操作电压Vcc，第四个增压级108的输出端连接至一输出级To，而输出级To可产生输出电压Vout。
[0004]再者,每个增压级102、104、106、108中皆由单一个增压电路(boosting circuit)所组成。以第二增压级104为例,其增压电路包括:预充电晶体管(precharge transistor,Tp)、主晶体管(main transistor, Tm)、二个电容器Cp、Cm,且主晶体管Tm与预充电晶体管Tp皆为N型晶体管。主晶体管Tm的漏极为第二增压级104的输入端，主晶体管Tm的源极为第二增压级104的输出端，第四时钟信号F4经由电容器Cp传递至主晶体管Tm的栅极用以控制主晶体管Tm的开启与关闭；预充电电晶体管Tp的漏极连接至第二增压级104的输入端，预充电晶体管Tp的源极连接至主晶体管Tm栅极，预充电晶体管Tp的栅极连接至第二增压级104的输出端；以及，第一时钟信号Fl经由电容器Cm传递至第二增压级104的输出端。
[0005]如图1B所示，时钟信号组Fl?F4的振幅皆为Vcc(操作电压)。由于第二时钟信号F2与第四时钟信号F4的高电平并未重迭，因此得知前一个增压级的主晶体管与后一个增压级的主晶体管不会同时开启。以下以图1B的时钟信号组Fl?F4搭配第二增压级104与第三增压级106为例来简单说明4相电荷泵浦电路的动作原理。
[0006]第四时钟信号F4于时间点tl之前为低电平，代表第二增压级104的主晶体管Tm尚未开启，而第三时钟信号F3为高电平,代表第二增压级104的输入端电压被推升(pump)至2Vcc，而第一时钟信号Fl为低电平，代表第二增压级104的输出端电压未被推升。此时，第二增压级104的输入端电压高于第二增压级104的输出端电压。
[0007]第四时钟信号F4于时间点tl至t2之间为高电平，第三时钟信号F3维持在高电平且第一时钟信号Fl维持在低电平。此时，第二增压级104中主晶体管Tm开启，并且产生一充电路径(charging path),使得一充电电流(charging current)由第二增压级104的输入端流向第二增压级104的输出端。理论上，可以将第二增压级104的输出端电压充电(charge)至为2Vcc。实际上，利用第二增压级104的输入端与第二增压级104的输出端之间的电荷分享(charge sharing),可使得第二增压级104可由输入端的电压(例如Vcc)提升一个电压增量。
[0008]于时间点t2至时间点t3之间，第四时钟信号F4降至低电平，第三时钟信号F3维持在高电平且第一时钟信号Fl维持在低电平。此时，第二增压级104中主晶体管Tm再次关闭，无法产生充电路径。理论上，可以使得第二增压级104的输出端电压维持在2Vcc。或者，维持在第二增压级104的输出端所提升的电压增量。
[0009]再者，第一时钟信号Fl于时间点t3转换为高电平，代表第二增压级104的输出端(亦即，第三增压级106的输入端)电压被推升至3Vcc。而第三时钟信号F3于时间点t4转换为低电平，代表第三增压级106的输出端电压未被推升。此时,第三增压级106的输入端电压高于第三增压级106的输出端电压。
[0010]第二时钟信号F2于时间点t5至t6之间为高电平,第一时钟信号Fl维持在高电平且第三时钟信号F3维持在低电平。此时，第三增压级106中主晶体管开启，并且产生一充电路径，使得一充电电流由第三增压级106的输入端流向第三增压级106的输出端。理论上，可以将第三增压级106的输出端电压充电至为3Vcc。实际上，利用第二增压级106的输入端与第二增压级106的输出端之间的电荷分享，可使得第三增压级106可由输入端的电压(例如2Vcc)提升一个电压增量。
[0011]理论上，根据时钟信号组Fl?F4搭配以上的操作原理，将使得第一增压级102的输出端操作在Vcc与2Vcc之间；第二增压级104的输出端操作在2Vcc与3Vcc之间；第三增压级106的输出端操作在3Vcc与4Vcc之间；以及，第四增压级108的输出端操作在4Vcc与5Vcc之间。
[0012]再者，输出级To为N型晶体管，其漏极与栅极连接至第四增压级108的输出端，而源极产生输出电压Vout。因此，于第一时钟信号Fl的高电平区间，第四增压级108的输出端被推升至5Vcc，且输出级To被开启以产生5Vcc的输出电压Vout。
[0013]由以上的说明可知，利用四个增压级所形成的4相位电荷泵浦电路是由操作电压Vcc开始逐级推升四次,所以产生的正输出电压Vout为Vcc+4Vcc=5Vcc。同理,利用N个增压级所形成的4相位电荷泵浦电路可以产生的输出电压Vout为(N+l) XVcc0
[0014]请参照图2A与图2B，其所绘示为已知产生正电压的4相双分支(dual branch)电荷泵浦电路及其时钟信号组示意图。图2A中上半部操作电压Vcc至输出电压Vout之间的电路为第一分支；且下半部操作电压Vcc至输出电压Vout之间的电路为第二分支。其中，4相双分支电荷泵浦电路是根据时钟信号组Fl?F4动作，除了接收时钟信号的顺序不同之夕卜，第一分支与第二分支的电路结构完全相同。
[0015]4相双分支电荷泵浦电路包括:四个结构相同的增压级202、204、206、208以及一输出级210。每个增压级202、204、206、208皆包括:结构相同的一第一增压电路以及一第二增压电路。其中，第一增压电路是属于第一分支，第二增压电路是属于第二分支。
[0016]在第一分支中，每个增压级的第一增压电路的输出端连接至后一个增压级的第一增压电路的输入端。第一增压级202的第一增压电路的输入端接收操作电压Vcc，第四个增压级208的第一增压电路的输出端连接至输出级210。同理，在第二分支中，每个增压级的第二增压电路的输出端连接至后一个增压级的第二增压电路的输入端。第一增压级202的第二增压电路的输入端接收操作电压Vcc，第四个增压级208的第二增压电路的输出端连接至输出级210。
[0017]以第一增压级202中的第一增压电路为例，其包括一预充电晶体管T2、一主晶体管Tl、二个电容器C1、C2，且主晶体管Tl与预充电晶体管T2皆为N型晶体管。主晶体管Tl的漏极为第一增压电路的输入端，主晶体管Tl的源极为第一增压电路的输出端，第二时钟信号F2经由电容器Cl传递至主晶体管Tl的栅极；预充电电晶体管T2的漏极连接至第一增压电路的输入端，预充电晶体管T2的源极连接至主晶体管Tl栅极，预充电晶体管T2的栅极连接至第一增压电路的输出端；以及，第三时钟信号F3经由电容器C2传递至第一增压电路的输出端。
[0018]再者，输出级210中包括二个结构相同的输出电路,第一输出电路属于第一分支，第二输出电路属于第二分支。第一输出电路包括:电容器C9、晶体管T9与晶体管T10。晶体管T9与晶体管TlO皆为N型晶体管。晶体管T9漏极连接至第四增压级208的第一增压电路的输出端(M)，晶体管T9源极产生输出电压Vout，第二时钟信号F2经由电容器C9传递至晶体管T9栅极；晶体管TlO漏极连接至第四增压级208的第一增压电路的输出端(M)，晶体管TlO源极连接至晶体管T9栅极，晶体管TlO栅极连接至第四增压级208的第二增压电路的输出端(M’ )。
[0019]第二输出电路中，晶体管T9’漏极连接至第四增压级208的第二增压电路的输出端(M’)，晶体管T9’源极连接至晶体管T9源极以产生输出电压Vout，第四时钟信号F4经由电容器C9’传递至晶体管T9’栅极；晶体管T10’漏极连接至第四增压级208的第二增压电路的输出端(M’ )，晶体管T10’源极连接至晶体管T9’栅极，晶体管T10’栅极连接至第四增压级208的第一增压电路的输出端(M)。
[0020]如图2B所示，时钟信号组Fl?F4的振幅皆为Vcc (操作电压)。由于第二时钟信号F2与第四时钟信号F4的高电平并未重迭，因此第一分支中前一个第一增压电路的主晶体管与后一个第一增压电路的主晶体管不会同时开启。再者，第一分支与第二分支各自的操作原理相同于图1A的4相电荷泵浦电路，此处不再赘述。
[0021]换句话说，根据时钟信号组Fl?F4，将使得第一增压级202中第一增压电路与第二增压电路的输出端操作在Vcc与2Vcc之间；第二增压级204中第一增压电路与第二增压电路的输出端操作在2Vcc与3Vcc之间；第三增压级206中第一增压电路与第二增压电路的输出端操作在3Vcc与4Vcc之间；以及，第四增压级208中第一增压电路与第二增压电路的输出端操作在4Vcc与5Vcc之间。
[0022]而于第二时钟信号F2的高电平区间，输出级210的第一输出电路可输出5Vcc的输出电压Vout ;而在于第四时钟信号F4的高电平区间，输出级210的第二输出电路可输出5Vcc的输出电压Vout。
[0023]同理，利用N个增压级所形成的4相双分支电荷泵浦电路可以产生的输出电压Vout为(N+l) XVcc0而相较于图1A的4相电荷泵浦电路，图2A的4相双分支电荷泵浦电路具有较高的输出效率，且较小涟波(ripple)的输出电压。
[0024]再者，利用P型晶体管取代图2A中所有的N型晶体管，即成为产生负电压的4相双分支电荷泵浦电路。请参照图3A与图3B，其所绘示为已知产生负电压的4相双分支电荷泵浦电路及其时钟信号组示意图。
[0025]图3A中上半部接地电压至输出电压Vout之间的电路为第一分支；且下半部接地电压至输出电压Vout之间的电路为第二分支。其中，第一分支与第二分支的电路结构完全相同，且4相双分支电荷泵浦电路是根据时钟信号组Fl?F4动作。
[0026]4相双分支电荷泵浦电路包括:四个结构相同的增压级302、304、306、308以及一输出级310。每个增压级302、304、306、308皆包括:结构相同的一第一增压电路以及一第二增压电路。其中，第一增压电路是属于第一分支，第二增压电路是属于第二分支。以下仅以单一个第一增压电路来说明产生负电压的4相双分支电荷泵浦电路的操作原理。
[0027]利用第一时钟信号Fl与第三时钟信号F3，使得第一增压电路中的主晶体管开启时，其输入端的电压小于输出端的电压，进而使得充电电流由输出端流向输入端。如此，将在最后一个增压级308的第一增压电路的输出端上产生最小值的输出电压。以图3A为例，利用四个增压级由OV开始逐级推降四次，所以输出级310所产生的输出电压Vout为 _4Vcc。
[0028]根据已知设计集成电路的设计流程，需要先确认操作电压Vcc以及所需的输出电压Vout后，再决定电荷泵浦电路中的增压级的数目。亦即，已知电荷泵浦电路设计完成后，操作电压Vcc与输出电压Vout之间的关系已经决定，无法再更改。
[0029]由于现今的集成电路已进步到深次微米(deep sub-micron)制程,其可应用于操作电压Vcc为例如1.8V、2.5V、3.3V的电路系统。换句话说，已知电荷泵浦电路设计完成后，将无法运用于各种操作电压的电路系统。
【发明内容】
[0030]本发明的主要目的在于提出一种电荷泵浦系统，该电荷泵浦系统可根据操作电压Vcc与预定的输出电压Vout之间的关系来动态决定增压单元的数目，使得电荷泵浦系统适用于各种操作电压的电路系统。
[0031]本发明是有关于一种电荷泵浦系统，包括:一时钟产生器，产生一时钟信号组；一增压单元决定装置，产生一数目控制信号；一电荷泵浦电路，接收一操作电压、该数目控制信号与该时钟信号组，并产生一输出电压；其中，该电荷泵浦电路包括多个增压单元，该数目控制信号是控制该些增压单元中的一第一部分增压单元根据该时钟信号组运作，且利用该第一部分的增压单元将该操作电压转换为该输出电压；以及，一电压调整器，接收该输出电压并转换为一特定电压。
[0032]为了对本发明的上述及其它方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1A与图1B所绘示为已知产生正电压的4相电荷泵浦电路及其时钟信号组示意图。
[0034]图2A与图2B所绘示为已知产生正电压的4相双分支电荷泵浦电路及其时钟信号组示意图。
[0035]图3A与图3B所绘示为已知产生负电压的4相双分支电荷泵浦电路及其时钟信号组示意图。
[0036]图4所绘示为本发明电荷泵浦系统示意图。
[0037]图5所绘示为本发明电荷泵浦系统中的电荷泵浦电路的第一实施例。
[0038]图6A至图6C所绘示为各种数目控制信号Ctrl时，电荷泵浦电路的运作示意图。
[0039]图7所绘示为本发明电荷泵浦系统中的电荷泵浦电路的第二实施例。
[0040]图8A至图8D所绘示为各种数目控制信号Ctrl时，电荷泵浦电路的运作示意图。
[0041]图9A与图9B所绘示为本发明增压单元的方块示意图。
[0042]图1OA至图1OB所绘示为本发明第一实施例利用P型晶体管以及电容器所组成的增压单元组。
[0043]图1OC至图1OD所绘示为本发明第一实施例及其时钟信号组。
[0044]图1OE所绘示为本发明第一实施例中操作电压V1、数目控制信号Ctrl及输出电压Vout之间的关系。
[0045]图1lA至图1lB所绘示为本发明第二实施例利用P型晶体管以及电容器所组成的增压单元组。
[0046]图1lC至图1lD所绘示为本发明第二实施例及其时钟信号组。
[0047]图1IE所绘示为本发明第二实施例中操作电压Vl、数目控制信号Ctrl及输出电压Vout之间的关系。
[0048][标号说明]
[0049]102、104、106、108:增压级
[0050]202、204、206、208、302、304、306、308:增压级
[0051]210、310:输出级401:参考电压产生器
[0052]403:操作电压检测器410:增压单元决定装置
[0053]420:时钟产生器430:电荷泵浦电路
[0054]440:电压调整器500、700:电荷泵浦电路
[0055]501,502,503,504,701,702,703,704:增压单元
[0056]510:输入切换电路520、720:时钟传递电路
[0057]710:输出切换电路910:增压级
[0058]911a、931a、941a:第一增压电路 911b、931b、941b:第二增压电路
[0059]920、950:控制级921a、951a:第一控制电路
[0060]921b、951b:第二控制电路930:第一增压级
[0061]940:第二增压级
[0062]1010、1020、1030、1040:增压单元
[0063]1011、1041、1042、1051、1081、1082:增压级
[0064]1012、1043、1052、1083:控制级
[0065]1050、1060、1070、1080:增压单元
[0066]1110、1120、1130、1140:增压单元
[0067]1111、1112、1121、1151、1152、1161:增压级
[0068]1113、1122、1153、1162:控制级
[0069]1150、1160、1170、1180:增压单元
【具体实施方式】
[0070]请参照图4，其所绘示为本发明电荷泵浦系统示意图。电荷泵浦系统包括:增压单元决定装置410、时钟产生器420、电荷泵浦电路430、电压调整器(voltageregulator) 4400其中电荷泵浦电路430为一四相电荷泵浦电路，时钟产生器420产生时钟信号组Fl?F4。
[0071]再者，增压单元决定装置410中包括一参考电压产生器401与一操作电压检测器403。操作电压检测器403接收操作电压Vcc以及参考电压产生器403所输出的参考电压Vref，并比较参考电压后得知操作电压Vcc的大小。而根据操作电压Vcc以及预定的输出电压Vout之间的关系，操作电压检测器403即输出一数目控制信号Ctrl至电荷泵浦电路430，使得特定数目的增压单元可以接收到时钟产生器420所输出的时钟信号组Fl?F4而正常运作。基本上，参考电压产生器401可用能隙参考电路(bandgap reference circuit)来达成。
[0072]当电荷泵浦电路430产生输出电压Vout至电压调整器440时，电压调整器440将输出电压Vout转换为更稳定的一特定电压Vpp。
[0073]请参照图5，其所绘示为本发明电荷泵浦系统中的电荷泵浦电路的第一实施例。电荷泵浦电路500包括:一输入切换电路510、时钟传递电路520、多个增压单元501?504。其中，多个增压单元501?504依序串接形成一增压单元组；输入切换电路510根据数目控制信号Ctrl选择性地将操作电压Vcc输入特定增压单元的输入端；而时钟切换电路520接收时钟信号组Fl?F4，并根据数目控制信号Ctrl选择性地将时钟信号组Fl?F4输入特定的增压单元。
[0074]如图5所示，假设数目控制信号Ctrl为4，代表电荷泵浦电路500中需要利用到四个增压单元。因此，时钟切换电路520将时钟信号组Fl?F4分别传送至四个增压单元501?504。再者，输入切换电路510并不会将操作电压Vcc输入第二增压单元502、第三增压单元503以及第四增压单元504的输入端，而使得第一增压单元501的输入端接收到操作电压Vcc。换句话说，当数目控制信号Ctrl为4时，操作电压Vcc会依序经由第一增压单元501、第二增压单元502、第三增压单元503以及第四增压单元504后产生输出电压Vout。
[0075]请参照图6A至图6C，其所绘示为各种数目控制信号Ctrl时，电荷泵浦电路的运作示意图。如图6A所示，假设数目控制信号Ctrl为3，代表电荷泵浦电路500中需要利用到三个增压单元。因此，时钟切换电路520将时钟信号组Fl?F4传送至第二增压单元502、第三增压单元503与第四增压单元504 ;并且未传送至第一增压单元501，使得第一增压单元501无法运作(以虚线表示)。再者，输入切换电路510根据数目控制信号Ctrl将操作电压Vcc切换至第二增压单元502的输入端，使得第二增压单元502的输入端接收到操作电压Vcc。换句话说，当数目控制信号Ctrl为3时，操作电压Vcc会依序经由第二增压单元502、第三增压单元503以及第四增压单元504后产生输出电压Vout。
[0076]如图6B所示，假设数目控制信号Ctrl为2，代表电荷泵浦电路500中需要利用到二个增压单元。因此，时钟切换电路520将时钟信号组Fl?F4传送至第三增压单元503与第四增压单元504 ;并且未传送至第一增压单元501与第二增压单元502，使得第一增压单元501与第二增压单元502无法运作。再者，输入切换电路510根据数目控制信号Ctrl将操作电压Vcc切换至第三增压单元503的输入端，使得第三增压单元503的输入端接收到操作电压Vcc。换句话说，当数目控制信号Ctrl为2时，操作电压Vcc会依序经由第三增压单元503以及第四增压单元504后产生输出电压Vout。
[0077]如图6C所示，假设数目控制信号Ctrl为I，代表电荷泵浦电路500中需要利用到一个增压单元。因此，时钟切换电路520仅将时钟信号组Fl?F4传送至第四增压单元504，使得第一增压单元501、第二增压单元502与第三增压单元503无法运作。再者，输入切换电路510根据数目控制信号Ctrl将操作电压Vcc切换至第四增压单元504的输入端，使得第四增压单元504的输入端接收到操作电压Vcc。换句话说，当数目控制信号Ctrl为I时，操作电压Vcc会经由第四增压单元504后产生输出电压Vout。
[0078]请参照图7，其所绘示为本发明电荷泵浦系统中的电荷泵浦电路的第二实施例。电荷泵浦电路700包括:一输出切换电路710、时钟切换电路720、多个增压单元701?704。其中，多个增压单元701?704依序串接形成一增压单元组。再者，输出切换电路710根据数目控制信号Ctrl选择性地以特定增压单元的输出端产生的电压作为输出电压Vout ;而时钟切换电路720接收时钟信号组Fl?F4，并根据数目控制信号Ctrl选择性地将时钟信号组Fl?F4输入特定的增压单元。
[0079]请参照图8A至图8D，其所绘示为各种数目控制信号Ctrl时，电荷泵浦电路的运作示意图。如图8A所示，假设数目控制信号Ctrl为4，代表电荷泵浦电路700中需要利用到四个增压单元。因此，时钟切换电路720将时钟信号组Fl?F4分别传送至四个增压单元701?704。再者，输出切换电路710让第四增压单元704的输出端产生输出电压Vout。换句话说，当数目控制信号Ctrl为4时，操作电压Vcc会依序经由第一增压单元701、第二增压单元702、第三增压单元703以及第四增压单元704后产生输出电压Vout。
[0080]如图SB所示，假设数目控制信号Ctrl为3，代表电荷泵浦电路700中需要利用到三个增压单元。因此，时钟切换电路720将时钟信号组Fl?F4传送至第一增压单元701、第二增压单元702与第三增压单元703 ;并且未传送至第四增压单元704，使得第四增压单元704无法运作。再者，输出切换电路710根据数目控制信号Ctrl让第三增压单元703的输出端产生输出电压Vout。换句话说，当数目控制信号Ctrl为3时，操作电压Vcc会依序经由第一增压单元701、第二增压单元702与第三增压单元703后产生输出电压Vout。
[0081]如图SC所示，假设数目控制信号Ctrl为2，代表电荷泵浦电路700中需要利用到二个增压单元。因此，时钟切换电路720将时钟信号组Fl?F4传送至第一增压单元701与第二增压单元702 ;并且未传送至第三增压单元703与第四增压单元704，使得第三增压单元703与第四增压单元704无法运作。再者，输出切换电路710根据数目控制信号Ctrl让第二增压单元702的输出端产生输出电压Vout。换句话说，当数目控制信号Ctrl为2时，操作电压Vcc会依序经由第一增压单元701以及第二增压单元702后产生输出电压Vout。
[0082]如图8D所示，假设数目控制信号Ctrl为1，代表电荷泵浦电路700中需要利用到一个增压单元。因此，时钟切换电路720仅将时钟信号组Fl?F4传送至第一增压单元701，使得第二增压单元702、第三增压单元703与第四增压单元704无法运作。再者，输出切换电路710根据数目控制信号Ctrl将让第一增压单元701的输出端产生输出电压Vout。换句话说，当数目控制信号Ctrl为I时，操作电压Vcc会经由第一增压单元701后产生输出电压Vout。
[0083]以上说明的二个实施例的电荷泵浦电路500、700是以四个增压单元为例来进行说明。然而，增压单元的数目并没有限制，只要电荷泵浦电路500、700中增压单元的数目大于I即可。
[0084]请参照图9A与图9B，其所绘示为本发明增压单元的方块示意图。如图9A所示，增压单元包括一增压级910以及一控制级920。增压级910中包括第一增压电路911a与第二增压电路911b分属于不同的分支，而此二分支连接至增压单元的输入端I。控制级920中包括第一控制电路921a与第二控制电路921b分属不同的分支；第一控制电路921a与第二控制电路921b的输入端分别连接至增压级910中第一增压电路91 Ia与第二增压电路91 Ib的输出端。再者，控制级920将二个分支连接至增压单元的输出端O。
[0085]以第一分支为例来说明，第一增压电路911a输入端I接收到Vl的输入电压时，经由时钟信号F2与F3的控制将使得第一增压电路911a输出端产生(V1+AV)的电压。而第一控制电路921a输出端O即可产生(V1+AV)的电压。同理，第二分支是由时钟信号F4与Fl的控制，亦可在而第二控制电路921b输出端O产生(VI+Λ V)的电压。当然，串接于图9Α增压单元之后的下一个增压单元，其第一增压电路系由Fl与F4所控制，其第二增压电路是由F2与F3所控制，其原理不再赘述。
[0086]请参照图9Β，其所绘示为本发明另一增压单元的方块示意图。如图9Β所示，增压单元包括一第一增压级930、一第二增压级940以及一控制级950。第一增压级930中包括第一增压电路931a与第二增压电路931b分属于不同的分支，而此二分支连接至增压单元的输入端I。第二增压级940中包括第一增压电路941a与第二增压电路941b分属于不同的分支，而此第一增压电路941a与第二增压电路941b的输入端分别连接至第一增压级930中第一增压电路931a与第二增压电路931b的输出端。控制级950中包括第一控制电路951a与第二控制电路951b分属不同的分支；第一控制电路951a与第二控制电路951b的输入端分别连接至第二增压级940中第一增压电路941a与第二增压电路941b的输出端。再者，控制级950将二个分支连接至增压单元的输出端O。
[0087]以第一分支为例来说明，第一增压电路931a输入端I接收到Vl的输入电压时，经由时钟信号F2与F3的控制将使得第一增压级930中第一增压电路931a输出端产生(VI+Δ V)的电压。接着，经由时钟信号F4与Fl的控制将使得第二增压级940中第一增压电路941a输出端产生(V1+2AV)的电压。最后，第一控制电路951a输出端O即可产生(V1+2AV)的电压。同理，在第二分支中，第二增压电路931b是由时钟信号Fl与F4控制，且第二增压电路941b由时钟信号F2与F3的控制，亦可在而第二控制电路951b输出端O产生(V1+2AV)的电压。
[0088]再者，本发明并未限定增压单元中的分支数目。增压单元也可以是如图1A所示的单一分支的增压级。而本发明并未限定增压单元中增压级的数目，可以利用单一增压级搭配单一控制级而形成一增压单元。或者，也可以利用多个增压级搭配单一控制级而形成一增压单元。
[0089]请参照图1OA至图10B，其所绘示为本发明利用P型晶体管以及电容器所组成的增压单元组。如图1OA所示，增压单元组包括四个增压单元1010、1020、1030、1040。其中，第一增压单元1010由一增压级1011以及一控制级1012所组成，而第二增压单元1020与第三增压单元1030也是由一增压级以及一控制级所组成；而第四增压单元1040是由二个增压级1041、1042以及一控制级1043所组成。
[0090]再者，四个增压单元1010、1020、1030、1040中的增压级结构相同；四个增压单元1010、1020、1030、1040中的控制级结构相同。再者，所有增压级中的增压电路的结构相同；所有控制级中的控制电路结构相同。
[0091]以第一分支为例来作说明，第一增压单元1010中，第一增压电路包括:一预充电晶体管T2、一主晶体管Tl、二个电容器C1、C2。主晶体管Tl的源极为第一增压电路的输入端II，主晶体管Tl的漏极为第一增压电路的输出端W，第二时钟信号F2经由电容器Cl传递至主晶体管Tl的栅极；预充电电晶体管T2的源极连接至主晶体管Tl栅极，预充电晶体管T2的漏极连接至第一增压电路的输出端W，预充电晶体管T2的栅极连接至第一增压电路的输入端Il ;以及，第三时钟信号F3经由电容器C2传递至第一增压电路的输出端。
[0092]再者，控制级1012中的第一控制电路与第二控制电路皆为P型晶体管T3、T3’。其中，第一控制电路T3的源极连接至第一增压电路的输出端W，漏极连接至第一增压单元1010的输出端01，栅极连接至第二增压电路的输出端W’。第二控制电路T3’的源极连接至第二增压电路的输出端w’，漏极连接至第一增压单元1010的输出端01，栅极连接至第一增压电路的输出端W。
[0093]再者，图1OA中，第一增压电路与第二增压电路内的预充电晶体管栅极的连接关系可以适度地修改。以第二增压单元1020中，增压级中第一增压电路的预充电晶体管T5为例来做说明。图1OA中，预充电晶体管T5的栅极是连接至增压级的输入端(12)。本领域技术人员也可以将预充电晶体管T5的栅极连接至前一增压单元(第一增压单元1010)内增压级1011的第一增压电路的输出端w ;而将预充电晶体管T5’的栅极连接至前一增压单元(第一增压单元1010)内增压级1011的第二增压电路的输出端W’。其它的预充电晶体管的栅极也是以相同的关系连接，此处不再赘述。
[0094]如图1OB所示，增压单元组包括四个增压单元1050、1060、1070、1080。其中，第一增压单元1050由一增压级1051以及一控制级1052所组成，而第二增压单元1060与第三增压单元1070也是由一增压级以及一控制级所组成；而第四增压单元1080是由二个增压级1081、1082以及一控制级1083所组成。
[0095]相较于图10A，仅控制级的结构有差异。以下仅介绍控制级的结构，其余不再赘述。以第一增压单元为例来作说明，第一增压单元1050的控制级1052中的第一控制电路与第二控制电路皆为P型晶体管T3、T3’。其中，第一控制电路T3的源极连接至第一增压电路的输出端，漏极连接至第一增压单元1050的输出端01，栅极连接至第二增压单元1060中第一增压电路的主晶体管栅极W。第二控制电路T3’的源极连接至第二增压电路的输出端，漏极连接至第一增压单元1050的输出端01，栅极连接至第二增压单元1060中第二增压电路的主晶体管栅极w’。另外，如图1OB所示，在第四增压单元1080的控制级1083中，第一控制电路包括P型晶体管T14及电容器Cl I，第二控制电路包括P型晶体管T14’及电容器ClT。其中，晶体管T14的源极连接至第一增压电路的输出端，晶体管T14的漏极连接至第四增压单元1080的输出端04，第四时钟信号F4经由电容器Cll传递至晶体管T14的栅极。晶体管T14’的源极连接至第二增压电路的输出端，晶体管T14’的漏极连接至第四增压单元1080的输出端04，第二时钟信号F2经由电容器CU’传递至晶体管T14’的栅极。
[0096]同理，图1OB中，第一增压电路与第二增压电路内的预充电晶体管栅极的连接关系可以适度地修改。亦即，将预充电晶体管T5的栅极连接至前一增压单元(第一增压单元1050)内增压级1051的第一增压电路的输出端(晶体管T2的漏极)；而将预充电晶体管T5’的栅极连接至前一增压单元(第一增压单元1050)内增压级1051的第二增压电路的输出端(晶体管T2’的漏极)。其它的预充电晶体管的栅极也是以相同的关系连接，此处不再赘述。
[0097]将图1OA与图1OB的电路搭配图1OC的时钟信号组Fl?F4，并运用于本发明的第一实施例时，即如图1OD所示。其中，第一增压级、第二增压级、第三增压级可以增加AV的电压；而第四增压级可以增加2AV的电压。其中，AV为时钟信号组Fl?F4的振幅。
[0098]如图1OE所示，当操作电压Vl与AV皆为1.6V时，数目控制信号Ctrl被设定为4，使得电荷泵浦电路的输出电压Vout为9.6V。当操作电压Vl与AV皆为2.0V时，数目控制信号Ctrl被设定为3，使得电荷泵浦电路的输出电压Vout为1V。当操作电压Vl与AV皆为2.5V时，数目控制信号Ctrl被设定为2，使得电荷泵浦电路的输出电压Vout为1V。当操作电压Vl与Λ V皆为3.3V时，数目控制信号Ctrl被设定为I，使得电荷泵浦电路的输出电压Vout为9.9V。之后，电荷泵浦系统中的电压调整器440即可接收输出电压Vout，并转换为稳定的一特定电压Vpp，例如10V。
[0099]请参照图1lA至图11B，其所绘示为本发明利用PMOS晶体管以及电容器所组成的增压单元组。如图1lA所示，增压单元组包括四个增压单元1110、1120、1130、1140。其中，第一增压单元1110由二个增压级1111、1112以及一控制级1113所组成；而第二增压单元1120由一增压级1121以及一控制级1122所组成，第三增压单元1130与第四增压单元1140也是由一增压级以及一控制级所组成。
[0100]再者，四个增压单元1110、1120、1130、1140中的增压级结构相同；四个增压单元1110、1120、1130、1140中的控制级结构相同。再者，所有增压级中的增压电路的结构相同；所有控制级中的控制电路结构相同。相较于图10A，图1lA中仅增压单元的排列方式有异，因此不再赘述其连接关系。
[0101]如图1lB所示，增压单元组包括四个增压单元1150、1160、1170、1180。其中，第一增压单元1150由二个增压级1151、1152以及一控制级1153所组成；而第二增压单元1160由一增压级1161以及一控制级1162所组成，第三增压单元1170与第四增压单元1180也是由一增压级以及一控制级所组成。
[0102]再者，四个增压单元1150、1160、1170、1180中的增压级结构相同；四个增压单元1150、1160、1170、1180中的控制级结构相同。再者，所有增压级中的增压电路的结构相同；所有控制级中的控制电路结构相同。相较于图10B，图1lB中仅增压单元的排列方式有异，因此不再赘述其连接关系。
[0103]将图1lA与图1lB的电路搭配图1lC的时钟信号组Fl?F4，并运用于本发明的第二实施例时，即如图1lD所示。其中，第一增压级可以增加2AV的电压；而第二增压级、第三增压级与第四增压级可以增加AV的电压。其中，Λ V为时钟信号组Fl?F4的振幅。
[0104]如图1lE所示，当操作电压Vl与AV皆为1.6V时，数目控制信号Ctrl被设定为4，使得电荷泵浦电路的输出电压Vout为9.6V。当操作电压Vl与AV皆为2.0V时，数目控制信号Ctrl被设定为3，使得电荷泵浦电路的输出电压Vout为10V。当操作电压Vl与AV皆为2.5V时，数目控制信号Ctrl被设定为2，使得电荷泵浦电路的输出电压Vout为1V。当操作电压Vl与AV皆为3.3V时，数目控制信号Ctrl被设定为I，使得电荷泵浦电路的输出电压Vout为9.9V。之后，电荷泵浦系统中的电压调整器440即可接收输出电压Vout，并转换为稳定的一特定电压Vpp，例如10V。
[0105]除了以上所绘示的增压单元之外，本发明并更可利用图2A中由二个N型晶体管与二个电容器所组成的增压电路，或者如图3A中由二个P型晶体管与二个电容器所组成的增压电路，来完成本发明。
[0106]由以上的说明可知，本发明提出一种电压泵浦系统，该电荷泵浦系统可根据操作电压Vcc与预定的输出电压Vout之间的关系来动态决定增压单元的数目，使得电荷泵浦系统适用于各种操作电压的电路系统。
[0107]综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属【技术领域】中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。
【权利要求】
1.一种电荷泵浦系统,包括: 一时钟产生器,产生一时钟信号组； 一增压单元决定装置，产生一数目控制信号； 一电荷泵浦电路，接收一操作电压、该数目控制信号与该时钟信号组，并产生一输出电压；其中，该电荷泵浦电路包括多个增压单元，该数目控制信号是控制该多个增压单元中的一第一部分增压单元根据该时钟信号组运作，且利用该第一部分的增压单元将该操作电压转换为该输出电压；以及 一电压调整器，接收该输出电压并转换为一特定电压。
2.根据权利要求1所述的电荷泵浦系统，其中该数目控制信号是控制该多个增压单元中的一第二部分增压单元使其无法根据该时钟信号组运作。
3.根据权利要求1所述的电荷泵浦系统，其中该增压单元决定装置包括: 一参考电压产生器，输出一参考电压；以及 一操作电压检测器，接收该参考电压用以比较与该操作电压以决定该操作电压的大小，并且根据该操作电压以及预定的该输出电压之间的关系来产生该数目控制信号。
4.根据权利要求1所述的电荷泵浦系统，其中该电压泵浦电路包括: 一输入切换电路，接收该操作电压与该数目控制信号； 一时钟传递电路，接收该数目控制信号与该时钟信号组；以及该多个增压单元，具有最后一个增压单元其输出端产生该输出电压，且其它增压单元中任一个增压单元的输入端连接至前一个增压单元的输出端与该输入切换电路； 其中，当该数目控制信号为N时，该第一部分增压单元是由该最后一个增压单元开始往前的N个增压单元；且该输入切换电路提供该操作电压至该N个增压单元中第一个增压单元的输入端；以及，该时钟传递电路输出该时钟信号组至该N个增压单元，使得该N个增压单元根据该时钟信号组运作，并将该操作电压转换为该输出电压。
5.根据权利要求1所述的电荷泵浦系统，其中该电压泵浦电路包括: 一输出切换电路，接收该数目控制信号； 一时钟传递电路，接收该数目控制信号与该时钟信号组；以及该多个增压单元，具有第一个增压单元其输入端接收该操作电压，且其它增压单元中任一个增压单元的输入端连接至前一个增压单元的输出端，且该多个增压单元的输出端连接至该输出切换电路； 其中，当该数目控制信号为M时，该第一部分增压单元是由该第一个增压单元开始往后的M个增压单元；该时钟传递电路输出该时钟信号组至该M个增压单元，使得该M个增压单元根据该时钟信号组运作，使得第M个增压单元输出端产生该输出电压；以及，该输出切换电路接收并输出该输出电压。
6.根据权利要求1所述的电荷泵浦系统，其中该多个增压单元的其中之一包括: 一第一增压级，连接至一输入端； 一第二增压级，连接至该第一增压级；以及 一控制级，连接至该第二增压级以及一输出端之间。
7.根据权利要求1所述的电荷泵浦系统，其中该多个增压单元的其中之一包括: 一增压级，连接至一输入端；以及 一控制级，连接至该增压级以及一输出端之间。
8.根据权利要求7所述的电荷泵浦系统，其中该时钟信号组包括一第一时钟信号、一第二时钟信号、一第三时钟信号、与一第四时钟信号，且该增压级包括: 一第一增压电路，其连接至该输入端；以及 一第二增压电路，连接至该输入端； 其中，该第一增压电路是根据该第二时钟信号与该第三时钟信号运作；以及该第二增压电路是根据该第四时钟信号与该第一时钟信号运作。
9.根据权利要求8所述的电荷泵浦系统，其中该控制级包括: 一第一控制电路，连接于该第一增压电路与该输出端之间；以及 一第二控制电路，连接于该第二增压电路与该输出端之间。
10.根据权利要求9所述的电荷泵浦系统，其中该第一增压电路包括: 一第一电容器; 一第二电容器； 一第一 P型晶体管，该第二时钟信号经由该第一电容器传递至该第一 P型晶体管的栅极，该第三时钟信号经由该第二电容器传递至该第一 P型晶体管的漏极，该第一 P型晶体管的源极连接至该输入端；以及 一第二 P型晶体管，该第二 P型晶体管的栅极连接至该输入端，该第二 P型晶体管的源极连接至该第一 P型晶体管的栅极，该第二 P型晶体管的漏极连接至该第一 P型晶体管的漏极。
11.根据权利要求10所述的电荷泵浦系统，其中该第一控制电路包括: 一第三P型晶体管，该第三P型晶体管的栅极连接至该第二增压电路的输出端，该第三P型晶体管的源极连接至该第二 P型晶体管的漏极，该第三P型晶体管的漏极连接至该输出端。
12.根据权利要求10所述的电荷泵浦系统，其中该第一控制电路包括: 一第三电容器； 一第三P型晶体管，该第三P型晶体管的源极连接至该第二 P型晶体管的漏极，该第三P型晶体管的漏极连接至该输出端，该第四时钟信号经由该第三电容器传递至该第三P型晶体管的栅极。
13.根据权利要求9所述的电荷泵浦系统，其中该第一增压电路包括: 一第一电容器； 一第二电容器； 一第一 P型晶体管，该第二时钟信号经由该第一电容器传递至该第一 P型晶体管的栅极，该第三时钟信号经由该第二电容器传递至该第一 P型晶体管的漏极，该第一 P型晶体管的源极连接至该输入端；以及 一第二 P型晶体管，该第二 P型晶体管的源极连接至该第一 P型晶体管的栅极，该第二P型晶体管的漏极连接至该第一 P型晶体管的漏极，该第二 P型晶体管的栅极连接至前一增压单元内增压级的第一增压电路的输出端。
【文档编号】H02M3/07GK104300781SQ201410005896
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年1月6日 优先权日:2013年7月18日
【发明者】林春甫 申请人:力旺电子股份有限公司