一种具有预充电功能的升压电路及电荷泵电路的制作方法

1.本技术涉及半导体集成电路技术领域，具体而言，涉及一种具有预充电功能的升压电路及电荷泵电路。


背景技术：

2.非易失性存储器芯片进行读写擦等操作时，需要采用电荷泵电路为其提供相应的输出电压进行操作。
3.电荷泵在产生输出电压时利用其内多级升压电路中的传输单元互补工作进行电压拉升，该电压拉升过程是利用前级升压电路的传输单元中的充电后的电容对后级升压电路中的电容进行充电，然后需对掉电后的电容进行再次充电，现有的升压电路中的控制电容的充电过程为在连接该控制电容的时钟信号由低电平翻转为高电平后利用供电电压对其从零开始充电至接近供电电压的电压值，启动效率较低。
4.针对上述问题，目前尚未有有效的技术解决方案。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种具有预充电功能的升压电路及电荷泵电路，加速控制电容的充电效率以提高电荷泵的启动效率。
6.第一方面，本技术提供了一种具有预充电功能的升压电路，应用在电荷泵电路中，包括两个对称设置的传输单元，两个所述传输单元在时钟信号作用下工作过程互补，所述传输单元包括：
7.第一输入端，用于接入第一输入信号；
8.第一输出端，用于输出第一输出信号；
9.第一时钟接入端，用于通过控制电容cc接入第一时钟信号；
10.第二时钟接入端，用于通过传输电容ct接入第二时钟信号，所述第一时钟信号与所述第二时钟信号同相；
11.预充电模块，与所述控制电容cc的输出端连接，用于对所述控制电容cc的输出端一侧进行预充电。
12.本技术的具有预充电功能的升压电路，设置预充电模块连接控制电容cc的输出端，在对控制电容cc上电时，利用预充电模块对控制电容cc进行充电，从而加快控制电容cc的启动速度，进而提高升压电路的输出效率，以使得对应的电荷泵能快速输出需求的输出电压。
13.所述的具有预充电功能的升压电路，其中，所述预充电模块包括：
14.预充电接入端，用于接入充电电压信号；
15.第一nmos管nm1，其栅极及漏极均与所述预充电接入端连接，其源极与所述控制电容cc的输出端连接，其衬底接地。
16.在该示例的具有预充电功能的升压电路中，第一nmos管nm1的连接方式相当于作
为一个二极管连接充电电压信号和控制电容cc，从而使得充电电压信号能对控制电容cc进行充电。
17.所述的具有预充电功能的升压电路，其中，所述传输单元还包括：
18.第二nmos管nm2，其漏极与所述控制电容cc的输出端连接，其衬底接地，其源极与所述第一输入端连接；
19.第三nmos管nm3，其源极与所述第一输入端连接，其漏极与所述传输电容ct的输出端连接，其栅极与第二nmos管nm2栅极连接，并与另一所述传输单元的所述控制电容cc的输出端连接；
20.第一pmos管pm1，其漏极与所述第三nmos管nm3漏极连接，其栅极与另一所述传输单元的所述第一pmos管pm1漏极连接，其源极与所述第一输出端连接。
21.所述的具有预充电功能的升压电路，其中，所述第三nmos管nm3的源极和衬底连接。
22.所述的具有预充电功能的升压电路，其中，所述第一pmos管pm1的源极和衬底连接。
23.在该示例的具有预充电功能的升压电路中，第三nmos管nm3的源极和衬底连接以及将第一pmos管pm1的源极和衬底连接，使得这两个mos管的源极电压和衬底电压相等以抑制衬偏效应，进而避免了阈值电压因衬偏效应而升高，从而提高电荷泵的驱动能力或提高电荷泵的极限电压。
24.所述的具有预充电功能的升压电路，其中，所述充电电压信号为供电电压。
25.该示例的具有预充电功能的升压电路利用该供电电压对控制电容cc进行预充电能提前将控制电容cc电压拉升接近供电电压vcc，由于第一nmos管nm1存在压降特性，该预充电模块能将控制电容cc的输出端处电压拉升至vcc-0.7v，故在第一时钟信号clk切换后，供电电压仅需对控制电容cc充电0.7v，从而有效加快控制电容cc的启动速度。
26.第二方面，本技术还提供了一种电荷泵电路，用于产生存储芯片执行指令所需的操作电压，所述电荷泵电路包括多个依次连接的具有预充电功能的升压电路，所述升压电路包括两个对称设置的传输单元，两个所述传输单元在时钟信号作用下工作过程互补，所述传输单元包括：
27.第一输入端，用于接入第一输入信号；
28.第一输出端，用于输出第一输出信号；
29.第一时钟接入端，用于通过控制电容cc接入第一时钟信号；
30.第二时钟接入端，用于通过传输电容ct接入第二时钟信号，所述第一时钟信号与所述第二时钟信号同相；
31.预充电模块，与所述控制电容cc的输出端连接，用于对所述控制电容cc的输出端一侧进行预充电；
32.第一级所述升压电路的所述第一输入端接入的所述第一输入信号为供电电压，其余所述升压电路的所述第一输入端接入的所述第一输入信号为其前一级所述升压电路输出的所述第一输出信号。
33.本技术的电荷泵电路，在升压电路中增加预充电模块，利用该预充电模块连接控制电容cc的输出端，在电荷泵电路进行供电时，利用预充电模块对控制电容cc进行充电，从
而加快控制电容cc的启动速度，进而提高升压电路的输出效率，以使得该电荷泵电路能快速输出需求的输出电压。
34.所述的电荷泵电路，其中，第一级所述升压电路的所述第一输入端通过静电释放模块接入所述供电电压。
35.该示例的电荷泵电路在其接入端增加静电释放模块导出静电，从而提高整个电路的可靠性。
36.所述的电荷泵电路，其中，所述静电释放模块包括：第二pmos管pm2，其源极及衬底与所述供电电压连接，其漏极与第一级所述升压电路的所述第一输入端连接，其栅极通过接地mos管或电阻r1接地。
37.所述的电荷泵电路，其中，当所述第二pmos管pm2栅极通过接地mos管接地时，所述接地mos管源极与所述第二pmos管pm2栅极连接，所述接地mos管栅极连接供电电压，所述接地mos管衬底和漏极接地。
38.由上可知，本技术提供了一种具有预充电功能的升压电路及电荷泵电路，其中，升压电路设置预充电模块连接控制电容cc的输出端，在对控制电容cc上电时，利用预充电模块对控制电容cc进行充电，从而加快控制电容cc的启动速度，进而提高升压电路的输出效率，以使得对应的电荷泵能快速输出需求的输出电压。
附图说明
39.图1为本技术实施例提供的具有预充电功能的升压电路的简单结构示意图。
40.图2为预充电模块的结构示意图。
41.图3为本技术实施例提供的具有预充电功能的升压电路的详细结构示意图。
42.图4为nmos管作为电容使用的结构示意图。
43.图5为本技术实施例提供的电荷泵电路的结构示意图。
44.图6为静电释放模块的一种实施方式的结构示意图。
45.图7为静电释放模块的另一种实施方式的结构示意图。
46.附图标记：100、升压电路；200、静电释放模块；110、传输单元；111、第一输入端；112、第一输出端；113、第一时钟接入端；114、第二时钟接入端；115、预充电模块；1151、预充电接入端。
具体实施方式
47.下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
48.在本实用新型的描述中，需要理解的是，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
49.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地
连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
50.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
51.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
52.第一方面，请参照图1-图3，图1-图3是本技术一些实施例中的一种具有预充电功能的升压电路，应用在电荷泵电路中，包括两个对称设置的传输单元110，两个传输单元110在时钟信号作用下工作过程互补，传输单元110包括：
53.第一输入端111，用于接入第一输入信号vin1；
54.第一输出端112，用于输出第一输出信号vout1；
55.第一时钟接入端113，用于通过控制电容cc接入第一时钟信号clk1；
56.第二时钟接入端114，用于通过传输电容ct接入第二时钟信号clk2，第一时钟信号clk1与第二时钟信号clk2同相；
57.预充电模块115，与控制电容cc的输出端连接，用于对控制电容cc的输出端一侧进行预充电。
58.具体地，电荷泵为通过多级升压电路拉升电压以产生对应需求大小的输出电压的电路，每个升压电路均基于两个传输单元110互补工作以使两个传输单元交替地输出电压信号。
59.更具体地，传输单元110在接入的第一时钟信号clk1和第二时钟信号clk2均为高电平时，利用传输电容ct对第一输出端112释放电流而输出第一输出信号vout1。
60.更具体地，两个传输单元110在时钟信号作用下工作过程互补指两个传输单元110中输入的时钟信号反相，即一个传输单元接入第一时钟信号clk1和第二时钟信号clk2时，另一传输单元接入第一时钟信号～clk1和第二时钟信号～clk2，其中，clk与～clk1互补、clk与～clk2互补，即clk为高电平时，～clk1为低电平，反之，clk为低电平时，～clk1为高电平；由于第一时钟信号clk1与第二时钟信号clk2同相，clk1为高电平时，clk2同为高电平。
61.更具体地，控制电容cc连接第一时钟信号clk1的一端定义为输入端，传输电容ct连接第二时钟信号clk2的一端定义为输入端。
62.更具体地，传输单元110通过输入第一时钟信号clk1与第二时钟信号clk2进行下
电和上电，即输入的第一时钟信号clk1与第二时钟信号clk2由低电平转换为高电平时，该传输单元110通过控制电容cc和传输电容ct产生并输出对应电压值的第一输出信号vout1，输入的第一时钟信号clk1与第二时钟信号clk2由高电平转换为低电平时，该传输单元110对控制电容cc和传输电容ct进行充电直至达到供电电压。
63.更具体地，本技术实施例的具有预充电功能的升压电路，设置预充电模块115连接控制电容cc的输出端，在对控制电容cc上电时，利用预充电模块115对控制电容cc进行充电，从而加快控制电容cc的启动速度，进而提高升压电路的输出效率，以使得对应的电荷泵能快速输出需求的输出电压。
64.更具体地，如图1所示，预充电模块115对a点进行充电，从而与第一输入信号vin1共同对控制电容cc进行充电，从而有效节省了控制电容cc所需的上电时间。
65.在一些优选的实施方式中，预充电模块115包括：
66.预充电接入端1151，用于接入充电电压信号；
67.第一nmos管nm1，其栅极及漏极均与预充电接入端1151连接，其源极与控制电容cc的输出端连接，其衬底接地。
68.具体地，该第一nmos管nm1的连接方式相当于作为一个二极管连接充电电压信号和控制电容cc，从而使得充电电压信号能对控制电容cc进行充电。
69.在一些优选的实施方式中，充电电压信号为供电电压vcc。
70.具体地，供电电压vcc为不需要进行额外调节的接入电压，利用该供电电压对控制电容cc进行预充电能提前将控制电容cc电压拉升接近供电电压vcc，由于第一nmos管nm1存在压降特性，该预充电模块115能将控制电容cc的输出端处电压拉升至vcc-0.7v，故在第一时钟信号clk切换后，供电电压仅需对控制电容cc充电0.7v，从而有效加快控制电容cc的启动速度。
71.在一些优选的实施方式中，传输单元110还包括：
72.第二nmos管nm2，其漏极与控制电容cc的输出端连接，其衬底接地，其源极与第一输入端111连接；
73.第三nmos管nm3，其源极与第一输入端111连接，其漏极与传输电容ct的输出端连接，其栅极与第二nmos管nm2栅极连接，并与另一传输单元110的控制电容cc的输出端连接；
74.第一pmos管pm1，其漏极与第三nmos管nm3漏极连接，其栅极与另一传输单元110的第一pmos管pm1漏极连接，其源极与第一输出端112连接。
75.具体地，由上述连接方式可知，第二nmos管nm2漏极与另一传输单元110的第三nmos管nm3栅极连接，第二nmos管nm2源极与第三nmos管nm3源极连接。
76.更具体地，将接入第一时钟信号clk1和第二时钟信号clk2的传输单元110定义为第一传输单元，将另一传输单元定义为第二传输单元，升压电路的运行情况如下：
77.当第一传输单元接入的第一时钟信号clk1和第二时钟信号clk2由低电平转换为高电平时，第二传输单元接入的第一时钟信号～clk1和第二时钟信号～clk2由高电平转换为低电平，第二传输单元的第二nmos管nm2和第三nmos管nm3的栅极电压为高且恒定而使两者导通，供电电压vcc对第二传输单元的控制电容cc和传输电容ct进行充电，直到两端电压接近或等同于供电电压vcc，同时，第一传输单元的第一pmos管pm1栅极电压较低，进而使得第一传输单元的传输电容ct将电荷输出，第一传输单元的第二nmos管nm2和第三nmos管nm3
以及第二传输单元的第一pmos管pm1截止，而此时第一传输单元的预充电模块115对图中a点进行充电使得第一传输单元的控制电容cc输出端保持在vcc-0.7v，使得时钟信号切换后，控制电容cc电压为从vcc-0.7v攀升至vcc，从而为下一次对控制电容cc进行充电做准备。
78.在一些优选的实施方式中，第三nmos管nm3的源极和衬底连接。
79.在一些优选的实施方式中，第一pmos管pm1的源极和衬底连接。
80.具体地，电荷泵电路中设置多级升压电路产生输出电压，其中，升压电路中的第三nmos管nm3、第一pmos管pm1是电压拉升的重要器件，电荷泵的驱动能力（电流大小）与这两个器件紧密关联，现有的第三nmos管nm3、第一pmos管pm1的衬底一般采用接地处理，在电荷泵长期使用下容易出现衬偏效应而导致电荷泵驱动能力降低，其原因为：电荷泵的驱动能力与这两个器件的（vgs-vth）2成正相关，其中，vgs为对应mos管器件的栅极和源极的压差，vth为对应mos管器件的阈值电压，而当mos管器件的源极电压大于衬底端电压时会产生衬偏效应而导致阈值电压升高，进而使得mos管器件的（vgs-vth）2变小，从而导致电荷泵的驱动能力降低。
81.本技术实施例的升压电路，将第三nmos管nm3的源极和衬底连接以及将第一pmos管pm1的源极和衬底连接，使得这两个mos管的源极电压和衬底电压相等以抑制衬偏效应，进而避免了阈值电压因衬偏效应而升高，从而提高电荷泵的驱动能力或提高电荷泵的极限电压。
82.在一些优选的实施方式中，可采用nmos管替代控制电容cc和传输电容ct，其接发如图4所示，利用nmos管源极和漏极连接时钟信号、利用nmos管衬底接地、利用nmos管栅极作为相应电容的输出端以使得该nmos管作为一个等效电容使用。
83.第二方面，请参照图5-图7，图5-图7是本技术一些实施例中的一种电荷泵电路，用于产生存储芯片执行指令所需的操作电压，电荷泵电路包括多个依次连接的具有预充电功能的升压电路100，升压电路100包括两个对称设置的传输单元110，两个传输单元110在时钟信号作用下工作过程互补，传输单元110包括：
84.第一输入端111，用于接入第一输入信号；
85.第一输出端112，用于输出第一输出信号；
86.第一时钟接入端113，用于通过控制电容cc接入第一时钟信号clk1；
87.第二时钟接入端114，用于通过传输电容ct接入第二时钟信号clk2，第一时钟信号clk1与第二时钟信号clk2同相；
88.预充电模块115，与控制电容cc的输出端连接，用于对控制电容cc的输出端一侧进行预充电；
89.第一级升压电路100的第一输入端111接入的第一输入信号为供电电压，其余升压电路100的第一输入端111接入的第一输入信号为其前一级升压电路100输出的第一输出信号。
90.本技术实施例的电荷泵电路，在升压电路100中增加预充电模块115，利用该预充电模块115连接控制电容cc的输出端，在电荷泵电路进行供电时，利用预充电模块115对控制电容cc进行充电，从而加快控制电容cc的启动速度，进而提高升压电路的输出效率，以使得该电荷泵电路能快速输出需求的输出电压。
91.具体地，接入的升压电路100的级数影响电荷泵最终输出的输出电压的大小，故本技术实施例的电荷泵电路能根据使用需求接入对应级数的升压电路100进行使用，如接入3级、6级或9级升压电路100，能产生对应4v、7v或10v的输出电压。
92.在一些优选的实施方式中，升压电路为3个，用于产生非易失性存储器芯片操作所需的4v输出电压。
93.在一些优选的实施方式中，第一级升压电路100的第一输入端111通过静电释放模块200接入供电电压。
94.具体地，电荷泵电路一般为集成在非易失性存储器芯片的电路中，但其供电电压接入端（即第一级升压电路100）接入的供电电压仍可能携带静电而损伤乃至损坏电荷泵电路，因此，本技术实施例的电荷泵电路在其接入端增加静电释放模块200导出静电，从而提高整个电路的可靠性。
95.在一些优选的实施方式中，静电释放模块200包括：第二pmos管pm2，其源极及衬底与供电电压连接，其漏极与第一级升压电路100的第一输入端111连接，其栅极通过接地mos管或电阻r1接地。
96.具体地，设置第二pmos管pm2能提高电荷泵电路接入供电电压时的抗静电能力；将第二pmos管pm2的栅极通过接地mos管或电阻r1接地能进一步强化第二pmos管pm2的抗静电效果。
97.在一些优选的实施方式中，接地mos管可以为ggnmos管或ggpmos管，在本技术实施例中优选为ggpmos管，即图5所示的第四nmos管nm4。
98.具体地，在第二pmos管pm2栅极连接作为ggnmos的第四nmos管nm4到地，能有效防止第二pmos管pm2的栅极击穿，从而进一步提高静电释放模块200的抗静电能力。
99.在一些优选的实施方式中，如图7所示，当第二pmos管pm2栅极通过第四nmos管nm4接地时，第四nmos管nm4源极与第二pmos管pm2栅极连接，第四nmos管nm4栅极连接供电电压，第四nmos管nm4衬底和漏极接地。
100.在一些优选的实施方式中，当第二pmos管pm2栅极通过电阻r1接地时，采用如图6所示的连接方式。
101.在一些优选的实施方式中，第一时钟信号clk1和第二时钟信号clk2为同源信号。
102.在一些更优选的实施方式中，第一时钟信号clk1和第二时钟信号clk2采用非交叠时钟模块进行提供，使得第一时钟信号clk1和第二时钟信号clk2高低电平切换时间错开，从而降低电荷泵电路运行时的瞬停电流，以使得电荷泵电路输出的输出电压波纹更小、更稳定。
103.综上，本技术实施例提供了一种具有预充电功能的升压电路及电荷泵电路，其中，升压电路设置预充电模块115连接控制电容cc的输出端，在对控制电容cc上电时，利用预充电模块115对控制电容cc进行充电，从而加快控制电容cc的启动速度，进而提高升压电路的输出效率，以使得对应的电荷泵能快速输出需求的输出电压。
104.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特
征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
105.以上所述的仅是本实用新型的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。