电荷泵电路的制作方法

1.本发明涉及半导体器件制造工艺领域，特别是指一种电荷泵电路。


背景技术：

2.电荷泵(charge pump)，也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”(flying)或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的dc-dc(变换器)。电荷泵是一种直流-直流转换器，利用电容器为储能元件，多半用来产生比输入电压大的输出电压，或是产生负的输出电压。电荷泵电路的电效率很高，约为90-95％，而电路也相当的简单。
3.电荷泵利用一些开关元件来控制连接到电容器的电压。例如，可以配合二阶段的循环，用较低的输入电压产生较高的脉冲电压输出。在循环的第一阶段，电容器连接到电源端，因此充电到和电源相同的电压，在第一阶段会调整电路组态，使电容和电源电压串联。若不考虑漏电流的效应，也假设没有负载，其输出电压会是输入电压的两倍(原始的电源电压加上电容器两端的电压)。较高输出电压的脉冲特性可以用输出的滤波电容器来滤波。
4.电荷泵可分为：开关式调整器升压泵、无调整电容式电荷泵、可调整电容式电荷泵。其工作过程均为：首先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。开关式调整器升压泵采用电感器来贮存能量，而电容式电荷泵采用电容器来贮存能量。电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容器来贮存能量。电荷泵仅用外部电容器即可提供
±
2倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的等效串联电阻(esr)和内部开关晶体管的rds(on)。电荷泵转换器不使用电感器，因此其辐射emi可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容器滤除。它的输出电压是工厂生产时精密预置的，可通过后端片上线性调整器调整，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计，是一个基准、比较、转换和控制电路组成的系统。
5.在flash芯片里面,电荷泵是必须的一个电路模块。电荷泵采用什么样的结构取决于工艺平台能提供什么样的器件。在某一工艺节点的a工艺平台上面，提供有5v高压器件(nchh)及5v native高压器件(nchhz)，在a工艺平台上我们需要用1.2v
±
10％的电源产生9～10v的电压,下表是nchh和nchhz两种器件的特性。
6.5v nchh，w/l＝9/0.702(vdd＝5v)lsltyphslunitvt_lin(vg@vd＝0.1v,vs＝vb＝0@id＝0.1xw/l(ua))0.520.620.72vidsat(id@vg＝vd＝vdd,vs＝vb＝0)315375435ua/umioff(id@vg＝0,vd＝5.5v,vs＝vb＝0)
‑‑
1100pa/umbvsd(@id＝5na/um)9
‑‑‑‑
vbvgpw(@ig＝-10na)
‑‑‑‑‑
12v5v native nchhz，w/l＝9/1.62
ꢀꢀꢀꢀ
vt_gmax(vd＝0.1v,vd＝0.1,gmmax method)-0.27-0.120.03vids(id@vg＝vd＝vdd＝5v,vs＝vb＝0)328408488ua/um
7.表一
8.如上表一所示是现有的电平移动电路的工作参数，如果选择用5v高压器件nchh，vth在0.52～0.72v之间，加上corner/温度/body bias的影响下，vth会达到2v左右，即使用2*vdd(2.16～2.64v)做时钟clk，也很难将电荷从上一级传到下一级。
9.如果选择用5v native高压器件nchhz,由于其vt很低，做电荷泵没有问题，可是其vt是负的情况下，用5v native nchhz做开关管则会出现无法完全关闭的情况，电荷会从下一级倒灌到上一级，会导致在没有负载的情况功耗很大，以及整个flash ip的待机电流很大。


技术实现要素：

10.本发明所要解决的技术问题在于提供一种电荷泵电路，防止电流倒灌的问题。
11.为解决上述问题，本发明所述的一种电荷泵电路，由多个mos管以及多个电容组成，其连接结构为，第一～第四mos管的第一端并接在一起形成所述电荷泵电路的输入端vin，所述第一mos的第三端连接第三mos管的第二端，所述第二mos管的第三端连接第四mos管的第二端，所述第三mos管的第三端连接第一mos管的第二端，所述第四mos管的第三端连接第二mos管的第二端；
12.第五及第六mos管各自第一端、第二端短接之后分别与第一mos、第二mos的第二端连接，第五mos的第三端与第六mos的第三端短接；第一电容的一端连接第五mos短接的第二端、第三端，第一电容的另一端接地；第二电容的一端连接第六mos短接的第二端、第三端，第二电容的另一端接地；
13.第七及第八mos管各自第一端、第二端短接之后分别与第三mos、第四mos的第二端连接，第七mos的第三端与第八mos的第三端短接；第三电容的一端连接第七mos短接的第一端、第二端，第三电容的另一端接地；第四电容的一端连接第八mos短接的第一端、第二端，第四电容的另一端接地；
14.第九mos的第三端与第三mos的第二端以及第十mos的第二端、第十一mos的第二端连接，第十mos的第三端与第二mos的第二端以及第九mos的第二端、第十二mos的第二端连接，第九mos与第十mos第二端、第三端接，且串接节点与第十一mos、十二mos的衬底电极连接；
15.所述第十一mos的第一端与第十二mos的漏接短接之后形成所述电荷泵电路的输出端vout；
16.差分时钟信号分别通过第一及第二输入模块后再分别输入到第五mos与第六mos短接的第三端，以及第七mos与第八mos短接的第三端。
17.进一步地改进是，所述的第一mos与第四mos为耗尽型高压mos，其他mos管为增强型高压mos管。
18.进一步地改进是，所述的各mos管的第一端为源/漏端，第二端为漏/源端，第三端为栅端。
19.进一步地改进是，所述的第一～第八mos为nmos，第九～第十二为pmos。
20.进一步地改进是，所述的第一及第四mos的栅极宽长比小于第二、第三mos的宽长比。
21.进一步地改进是，所述的电荷泵电路还包括时钟电路，所述时钟电路对电荷泵电路提供差分时钟信号。
22.进一步地改进是，所述的时钟电路包含有多个非门形成两路输出，时钟输入信号通过多个非门后形成差分时钟信号。
23.进一步地改进是，所述的时钟电路将时钟输入信号通过两个支路转换为差分时钟信号，其中第一支路为两个级联的非门，时钟输入信号经过第一支路后形成差分时钟信号的positive信号，时钟输入信号经过第二支路后形成差分时钟信号的negative信号。
24.进一步地改进是，差分时钟信号中的positive信号经第一输入模块后控制第五mos与第六mos短接的第三端，差分时钟信号中的negative信号经第二输入模块后控制第七mos与第八mos短接的第三端。
25.本发明所提供的一种电荷泵电路，通过结合选用高压器件nchh以及高压器件nchhz,解决电流的抽取问题，有效防止倒灌电流的问题。
附图说明
26.图1是本发明所提供的电荷泵电路结构示意图。
27.图2是图1所示电路结构的仿真示意图。
具体实施方式
28.以下结合附图给出本发明的具体实施方式，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，但本发明不限于以下的实施方式。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同的元件。应当明白，当元件或层被称为“在
…
上”、“与
…
相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在
…
上”、“与
…
直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
29.本发明所述的一种电荷泵电路的一实施例如图2所示，该电路结构由多个mos管以及多个电容组成，包括m1～m12,以及c1～c4，其中，m1～m8为nmos，m9～m12为pmos，其连接结构为，m1～m4的漏端并接在一起形成所述电荷泵电路的输入端vin，所述m1的栅端连接m3管的源端，所述m2管的栅端连接m4管的源端，所述m3管的第栅端连接m1的源端，所述m4管的栅端连接m2管的源端。
30.m5及m6管各自的源端、漏端短接之后分别与m1、m2的源端连接，m5的栅端与m6的栅
端短接；第一电容c1的一端连接m5短接的源漏端，第一电容c1的另一端接地；第二电容c2的一端连接m6短接的源漏端，第二电容c2的另一端接地。
31.m7、m8管各自的源漏端短接之后分别与m3、m4的源端连接，m7的栅端与m8的栅端短接；第三电容c3的一端连接m7短接的源漏端，第三电容c3的另一端接地；第四电容c4的一端连接m8短接的源漏端，第四电容c4的另一端接地。
32.m9的栅端与m3的源端以及m10的源端、m11的源端连接，m10的栅端与m2的源端以及m9的源端、m12的源端连接，m9与m10的源漏端串接，且串接的节点与m11、m12的衬底电极连接。
33.所述m11的漏端与m12的漏接短接之后形成所述电荷泵电路的输出端vout。
34.所述差分时钟信号ck、ckb分别通过第一及第二输入模块进行增幅后再分别输入到m5与m6短接的栅端，以及m7与m8短接的栅端。其中，ck为差分时钟信号中的positive限号，ckb为差分时钟信号中的negative信号。第一及第二输入模块为增幅电路，将时钟信号的幅度增加到比如2倍后输入到下一级，如原始时钟信号幅度为0～vdd，经过增幅后，变成0～2vdd，以增强对下一级即m5、m6、m7、m8的控制能力。
35.所述的差分时钟信号由时钟电路生成，如图2中下方所示，所述时钟电路包含多个非门，形成两个支路输出形成差分时钟信号，其中，第一支路为两个级联的非门，时钟输入信号经过第一支路后形成差分时钟信号的positive信号，时钟输入信号经过第二支路后形成差分时钟信号的negative信号。
36.差分时钟信号中的positive信号ck经第一输入模块后控制m5与m6短接的栅端，差分时钟信号中的negative信号ckb经第二输入模块后控制m7与m8短接的栅端。
37.上述的电路结构中，所述的m1与m4为耗尽型高压mos，其他mos管为增强型高压mos管。
38.所述的m1～m4的栅极宽长比小于m2、m3的宽长比，但是沟道长度略长。
39.图1所示的结构中，m1～m4的源端分别形成a1、a、b、b1四个节点，在电路工作时，由于m1和m4管为高压耗尽型管，即nchhz，所以a1、b1节点的电压比a、b节点电压高，可以使5v nchh开启的比较充分，由于负载电流并不抽走a1、b1点的电荷，所以a1、b1节点的电压并不会随时间下降，同时由于a1、b1节点不需要走大电流，所以与a1、b1相连的5v native nch(即m1、m4)可以使用较小w/l比的器件,同时将沟道长度加大，就可以有效防止倒灌电流的问题。
40.图2是本发明电荷泵电路的仿真曲线图，图中最上方的是vout输出曲线，下方第三、第四曲线分别是a1、b1节点电压，整个电路启动后，从曲线来看，各节点电位均比较稳定，整体性能优于传统的结构。
41.以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种电荷泵电路，其特征在于：由多个mos管以及多个电容组成，其连接结构为，第一～第四mos管的第一端并接在一起形成所述电荷泵电路的输入端vin，所述第一mos的第三端连接第三mos管的第二端，所述第二mos管的第三端连接第四mos管的第二端，所述第三mos管的第三端连接第一mos管的第二端，所述第四mos管的第三端连接第二mos管的第二端；第五及第六mos管各自第一端、第二端短接之后分别与第一mos、第二mos的第二端连接，第五mos的第三端与第六mos的第三端短接；第一电容的一端连接第五mos短接的第二端、第三端，第一电容的另一端接地；第二电容的一端连接第六mos短接的第二端、第三端，第二电容的另一端接地；第七及第八mos管各自第一端、第二端短接之后分别与第三mos、第四mos的第二端连接，第七mos的第三端与第八mos的第三端短接；第三电容的一端连接第七mos短接的第一端、第二端，第三电容的另一端接地；第四电容的一端连接第八mos短接的第一端、第二端，第四电容的另一端接地；第九mos的第三端与第三mos的第二端以及第十mos的第二端、第十一mos的第二端连接，第十mos的第三端与第二mos的第二端以及第九mos的第二端、第十二mos的第二端连接，第九mos与第十mos第二端、第三端接，且串接节点与第十一mos、十二mos的衬底电极连接；所述第十一mos的第一端与第十二mos的漏接短接之后形成所述电荷泵电路的输出端vout；差分时钟信号分别通过第一输入模块及第二输入模块后再分别输入到第五mos与第六mos短接的第三端，以及第七mos与第八mos短接的第三端。2.如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于：所述的第一mos与第四mos为耗尽型高压mos管，其他mos管为增强型高压mos管。3.如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于：所述的各mos管的第一端为源/漏端，第二端为漏/源端，第三端为栅端。4.如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于：所述的第一～第八mos为nmos，第九～第十二为pmos。5.如权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于：所述的第一及第四mos的栅极宽长比小于第二、第三mos的宽长比。6.如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于：所述的电荷泵电路还包括时钟电路，所述时钟电路对电荷泵电路提供差分时钟信号。7.如权利要求6所述的电荷泵电路，其特征在于：所述的时钟电路包含有多个非门形成两路输出，时钟输入信号通过多个非门后形成差分时钟信号。8.如权利要求7所述的电荷泵电路，其特征在于：所述的时钟电路将时钟输入信号通过两个支路转换为差分时钟信号，其中第一支路为两个级联的非门，时钟输入信号经过第一支路后形成差分时钟信号的positive信号，时钟输入信号经过第二支路后形成差分时钟信号的negative信号。9.如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于：差分时钟信号中的positive信号经第一输入模块后控制第五mos与第六mos短接的第三端，差分时钟信号中的negative信号经第二输入模块后控制第七mos与第八mos短接的第三端。
10.如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于：所述的第一输入模块和第二输入模块为幅度倍增电路，将差分时钟信号进行幅度倍增之后输入到下一级。

技术总结
本发明公开了一种电荷泵电路，包含有耗尽型高压MOS管以及增强型高压MOS管，通过耗尽型管保证节点电位，使增强型管充分开启，同时，耗尽型管并不给负载供电，使得节点电位的电压较为稳定，耗尽型管使用栅长比小但沟道长度更大的MOS管，有效防止倒灌电流的问题。有效防止倒灌电流的问题。有效防止倒灌电流的问题。


技术研发人员：黄明永
受保护的技术使用者：上海华虹宏力半导体制造有限公司
技术研发日：2021.11.30
技术公布日：2022/3/8