(57)【要約】【課題】高電圧リファレンスよりも高い出力電圧を提供する。【解決手段】低電圧リファレンス（ＶCC）、高電圧リファレンス（ＶH）、及び接地を有するシステムで動作可能で、高電圧リファレンスよりも高い出力電圧（ＶOUT）を提供する高電圧集積回路を開示する。この集積回路は、高電圧接地リファレンス・ノードを提供するよう機能し得る高電圧接地リファレンス回路（３０）を含む。更に、クロック信号を提供するよう機能し得るオシレータ（２０）を含み、このオシレータは、高電圧リファレンス及び高電圧接地リファレンス・ノードに接続されている。出力電圧を生成するよう機能し得、集積回路内で他の回路から隔離されている、隔離されたチャージポンプ回路（１０’）が提供される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
　低電圧リファレンス、高電圧リファレンス、及び接地を有するシステムで動作可能で、高電圧リファレンスよりも高い出力電圧を提供する高電圧集積回路であって、
　高電圧接地リファレンス・ノードを提供するよう機能し得る高電圧接地リファレンス回路、
　クロック信号を提供するよう機能し得るオシレータであって、高電圧リファレンス及び高電圧接地リファレンス・ノードに接続されているオシレータ、及び
　出力電圧を生成するよう機能し得、集積回路内で他の回路から隔離されている、隔離されたチャージポンプ回路
　とを含む高電圧集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、チャージポンプ回路に関し、更に特定して言えば、高電圧オペレーションが可能なチャージポンプ回路に関連する。
【背景技術】
【０００２】
　チャージポンプは、典型的には、その回路に供給された電圧よりも高い電圧を生成するため、エネルギーを蓄積及び転送するためにキャパシタを用いるＤＣ−ＤＣ電圧変換回路の一種である。これらは幅広い用途に用いられる。例えば、これらはフラッシュメモリなど不揮発性メモリの書込み及び消去オペレーションに必要とされる高電圧を生成するために通常用いられる。これらは、同じ寸法のデバイスで、そのデバイスがオン（Rdson）である間ドレイン−ソースから一層低い抵抗を得るため、ＭＯＳＦＥＴの一層高いゲート駆動電圧（Vgs）を達成するためにも用いられる。これらは、低電圧アプリケーションの電源としても用いられる。ここに挙げた用途がすべてではない。
【０００３】
　チャージポンプは、典型的に、一つの段に蓄積された電荷によって生成された電圧を、次の段の一層高い電圧にステップアップさせる一連の段から構成される。図１は、例示用の先行技術の２相チャージポンプ回路１０の回路図である。この回路は、図示するように接続される、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（「ＭＯＳＦＥＴ」又は単に「ＦＥＴ」）Ｔ１−Ｔ１２、キャパシタＣ１−Ｃ６、及びインバータを含む。この回路は、３つの同一の段１４、１５、１６を有しており、各段が、図示するように接続される、４つのＦＥＴ（それぞれ、Ｔ１−Ｔ４、Ｔ５−Ｔ８、Ｔ９−Ｔ１２）及び２つのキャパシタ（それぞれ、Ｃ１及びＣ２、Ｃ３及びＣ４、Ｃ５及びＣ６）を含む。図示するように、第１の段１４に高電圧ＶHが供給され、すべての段の片側に方形波クロック信号CLKが供給され、その反転信号がインバータ１２によって生成され、すべての段の反対側に供給される。
【０００４】
　各段は同様に動作し、当該技術で周知の方法で、増加した電圧が各段の出力に順次供給される。このため、ＣＬＫの連続するハーフサイクルにおいて、ＦＥＴ Ｔ１−Ｔ１２は、キャパシタＣ１−Ｃ６の極板上に電荷を供給（pump）して、キャパシタ間の電圧を生成し、さらに、クロック信号の電圧によって転送サイクル中に引き上げられた、その電圧を用いて、接続しているＦＥＴの閾値電圧よりも低いその電圧で、その回路の同じ側にある次の段のキャパシタを通る電圧を高めるように、相補的に動作する。最後の段は、出力電圧ＶOUTを提供する。
【０００５】
　しかし、各段で生成される電圧が増加するにつれて、周知のバックゲート効果により、転送ＦＥＴの閾値電圧が増加し得る。これにより、１つの段から次の段への連続した一層低い電圧上昇が生じ得る。実際、転送ＦＥＴの閾値電圧は、それ以上の昇圧が不可能な点である、ポンプを駆動するクロック信号の電圧と同じになり得る。これを避けるため、図示するように、チャージポンプ回路１０には、各ＦＥＴのソースにバックゲートが接続される。このため、Ｖsb＝０となる。これは回路の隔離を必要とする。
【０００６】
　更に、幅広い電圧範囲にわたって機能し得るチャージポンプを設計する際に重要な難点がある。その理由の一つは、チャージポンプ電圧は通常、何らかの方法で電源と参照され、電源電圧が増加するとＶOUTも増加するためである。しかし、典型的に、キャパシタは特定の電圧許容差を有する拡散キャパシタである。クロック信号が、その高位相における電源電圧から、その低位相における低電圧に切り替えると、キャパシタの電圧許容差を超え、キャパシタの破壊を引起こすことがある。このため、非常に幅広い電源範囲にわたって機能し得る高電圧チャージポンプを設計する際は、キャパシタの電圧許容差を超えないように、それをどのようにクロックするかという問題を解決する必要がある。
【０００７】
　2000年12月5日にフクイ ハルヤスらに発行され、シャープ株式会社に譲渡された米国特許番号6,157,242は、幅広い範囲の電源電圧で動作し得るチャージポンプ回路配置を提案している。彼らの方式では、チャージポンプの初期段に通常のクロック信号が供給されるが、増加する転送ＦＥＴ閾値電圧に関連する問題を克服するため、及び一層高い出力電圧が生成され得るように、後方の段のクロック信号の電圧を昇圧させるためのクロック信号昇圧回路が提供される。チャージポンプを非常に幅広い範囲にわたって機能させつつ、キャパシタの許容差内に留めさせるという問題を解決するために、彼らは、イネーブル及びディセーブルされ得るクロック・ブーストを有することを提案している。キャパシタを破壊から保護するため、低い電源電圧ではクロック・ブーストがイネーブルされ、高い電源電圧ではクロック・ブーストがディセーブルされる。しかし、この提案された解決法では、提供する出力電圧が制限される。
【０００８】
　別の先行技術の解決策は、図２に示すように、転送回路１７ａと共に、従来のリング・オシレータ１７を利用し、転送回路１７ａは、一層高い出力電圧を提供するために、クロック信号CLK及び
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の高及び低電圧レベルの両方を上げるようにオシレータ信号を高電圧レベル・シフタ１８に提供し、チャージポンプの高電圧コンポーネント（図示せず）を用いる。この解決法では、高電圧リファレンスＶH1及びＶH2は、電源に線形に参照され、図示するようにレベル・シフタに供給される。例えば、ＶH1は、５ボルトなどの電源電圧Ｖsupplyであってよく、ＶH2は、Ｖsupplyよりも低いある特定の電圧であってよく、いずれもＶsupplyと共に増加及び減少するが、これらの電圧の差は許容差近くに保持する。この解決策は、米国特許番号6,157,242で開示された配置のように出力電圧を制限することはないが、レベル・シフタのために及びこの設計に用いられる高電圧コンポーネントのために付加的な領域が必要なので、組み込むのに比較的大きな集積回路領域を必要とする。更に、図２に示したアプローチは、高電圧レベル・シフタ１８のためクロック周波数が制限される。この回路のＦＥＴデバイスは、必然的に、大型であり、固有の高キャパシタンスを有するため、高速にスイッチングしない。
【０００９】
　本発明に従って、低電圧リファレンス、高電圧リファレンス、及び接地を有するシステムで動作可能で、高電圧リファレンスよりも高い出力電圧を提供する高電圧集積回路が提供される。この集積回路は、高電圧接地リファレンス・ノードを提供するよう機能し得る高電圧接地リファレンス回路を含む。更に、クロック信号を提供するよう機能し得るオシレータを含み、このオシレータは、高電圧リファレンス及び高電圧接地リファレンス・ノードに接続されている。出力電圧を生成するよう機能し得る、隔離されたチャージポンプ回路が提供され、集積回路内の他の回路から隔離される。
　本発明のこれらの及び他の特徴は、以下の本発明の詳細な説明及び添付の図面から当業者には明らかであろう。
【実施例】
【００１０】
　本発明の多くの新規な考えを、現在好ましいと考えられる例示用の実施例を特に参照して説明する。しかし、この種の実施例は、本発明の多くの有利な使い方や新規な考えのほんの数例に過ぎない。全般的に、この出願の明細書で述べたことは、本発明に添付された種々の特許請求の範囲の種々の側面で示した発明を必ずしも制限するものではない。更に、ある説明は、この発明のある新規な側面には該当するが、他の側面には該当しないことがある。
【００１１】
　図３は、本発明の好ましい実施例の図である。全般的に、上述の問題を解決するため、ＣＬＫ信号を提供するリング・オシレータ回路２１は、その「接地」またはリファレンス電圧を、常に一定であり、電源電圧と実際の回路接地との間の動作電圧であるように調整させる。チャージポンプの回路を保護するため、これは、既知の製造技術を用いて、Ｎ型埋込み層（ＮＢＬ）の上のディープＮウェル・リング（ＤＮＷＥＬＬ）１９に配置され、隔離されたチャージポンプ回路１０’となる。浮遊接地を有するリング・オシレータ、及び隔離されたチャージポンプ回路を提供することにより、高電圧コンポーネントが必要なくなり、レベル・シフタが必要なくなるため、上述の先行技術の解決策と比べ、必要とされる回路領域が著しく減少される。更に、先行技術の解決策と比べて、電流消費が著しく低減される。更に、同じ又は同様の結果を達成する先行技術の解決策と比較して、回路が一層単純であるため、製品設計の点から見て、本発明を実施することに伴うリスクが一層少ない。
【００１２】
　具体的には、図３の回路は、隔離されたチャージポンプ回路１０’、浮遊接地を有するオシレータ段２０、高電圧接地リファレンス段３０、及びバイアス・ジェネレータ段４０を含む。バイアス・ジェネレータ段４０は、VCC（VCCは、例えば５ボルトである）に関連して電圧リファレンスを確定するためＦＥＴ４１及び４２を用い、その後、その電圧を用いて、ＦＥＴ４３を通るリファレンス電流を確定し、これが、ＦＥＴ４４及び４５によって構成されるカレント・ミラーを用いてミラーリング（mirror）され、電流バイアスIBIASを生成する。
【００１３】
　高電圧接地リファレンス段３０は回路ブロック３１を含み、これは、集積回路高電圧源ＶHを受け取り、ノード２２に浮遊接地を生成し、これがリング・オシレータ回路２１へ及びインバータ１２’へ供給される。高電圧ＶHは典型的に、容易に手に入る高電圧電源であり、例えば、自動車用途向けのアプリケーションの約１２−１４ボルトのカー・バッテリー電圧などである。別の例はプリンタ用途向けのアプリケーションである。プリンタは、プリント・ヘッドを動かすモータを制御するため、典型的に、３０ボルトの電源を変圧及び調整する。アプリケーションに依って、その他の電源もある。いずれの場合も、ＶHは通常の電源電圧よりも高い。
【００１４】
　好ましくは、回路３１は、電圧レギュレータとして構成されたオペアンプであり、これは、電源電圧の範囲内にある電圧、例えば５ボルト、を出力する。本発明は、回路３１を用いることに限定されず、この機能を提供するために、一定で、ＶHと接地との間の動作電圧を有する、ノード２２などのノードを提供する任意の回路が用いられ得ることを理解されたい。
【００１５】
　オシレータ段２０に用いられるオシレータ回路は、従来のリング・オシレータ２１である。本発明は、リング・オシレータ２１を用いることに限定されず、この機能を提供するために、適切なクロック信号を生成する任意の回路が用いられ得ることを理解されたい。しかし、リング・オシレータ２１は、それらが自己隔離されるようなＰＭＯＳ型ＦＥＴデバイスで構成されることが好ましい。すなわち、ｐ型基板技術において、これらはｎ型タンクに存在し、さらに、ｎ型タンクがｐエピ層に存在するように設計される。接地をリング・オシレータ２１に接続する目的は、このような実施形態においてＰＭＯＳデバイスの基板接続を提供することである。ＶHとノード２２の浮遊接地電圧とを用いた結果、本質的にこれらの２つの電圧間を変化するＣＬＫ信号となる。
【００１６】
　インバータ１２’は、本質的に、先行技術のインバータ１２と同じ構成であるが、これは、その接地接続のために浮遊接地接続２２を有する。インバータ１２’は、高電圧ＣＬＫ信号を入力として受け取り、反転
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信号を出力として提供し、これは、再び、ＶHとノード２２の浮遊接地電圧との間を変化する。
【００１７】
　さらに、高電圧接地リファレンス回路３１は、リング・オシレータ回路２１のスイッチング電流を下げつつ、確実なレギュレーションを維持するため、高利得を有することが好ましい。そのため、実際には、ノード２２は幾らかのリプルを有する。キャパシタＣ７は、そのリプルをフィルタするために提供される。好ましい実施例において、キャパシタＣ７は、例えば、ノード２２と接地との間ではなく、ＶHとノード２２との間に提供される。これは、そのように接続されると、キャパシタＣ７が、オシレータ電源のための高周波数バイパスを形成するためである。この電源は、ＶHレールと仮想リファレンス接地ノード２２から成る。更に、ＶHとノード２２との間の電圧は調整された低電圧となり、そのため、ノード２２と接地との間の接続に比べ、一層高い密度のキャパシタがそこに配置され得る。最後に、ＶHに接続される如何なる電源過渡現象も、その過渡現象が共通モード信号として現れるように、キャパシタＣ７を通してノード２２に転送される。このため、オシレータを通る差動電源電圧は一定に保たれ、そのコンポーネントに損傷を与える可能性が低減する。キャパシタＣ７がノード２２と接地との間に接続されると、ＶHに誘導された過渡現象によって起こり得る損傷の可能性を実際に増加させ得る。
【００１８】
　このように、リング・オシレータ回路２１及びインバータ１２’は、ライン２２の浮遊接地と高電圧リファレンスＶHとの間で動作する。このため、ＣＬＫ信号及びその反転信号
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は、一層高い電圧で、隔離されたチャージポンプ１０’に提供され、一層高いＶOUT が可能となり、一方、ＤＮＷＥＬＬ／ＮＢＬ隔離により、隔離されたチャージポンプ回路１０’の低電圧コンポーネントは、破壊から保護される。
【００１９】
　本発明及びその利点を例示用の実施例を参照して説明したが、添付の特許請求の範囲で定義したような本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々の変更、置き換えおよび変形がなされ得ることを理解されたい。
【００２０】
　以上の説明に関し、更に以下の項目を開示する。
　　（１）　低電圧リファレンス、高電圧リファレンス、及び接地を有するシステムで動作可能で、高電圧リファレンスよりも高い出力電圧を提供する高電圧集積回路であって、
　高電圧接地リファレンス・ノードを提供するよう機能し得る高電圧接地リファレンス回路、
　クロック信号を提供するよう機能し得るオシレータであって、高電圧リファレンス及び高電圧接地リファレンス・ノードに接続されているオシレータ、及び
　出力電圧を生成するよう機能し得、集積回路内で他の回路から隔離されている、隔離されたチャージポンプ回路
　とを含む高電圧集積回路。
　　（２）　第１項に記載の高電圧集積回路であって、高電圧接地リファレンス回路がオペアンプを含む高電圧集積回路。
　　（３）　第１項に記載の高電圧集積回路であって、オシレータが、ｐエピ層に存在するｎ型タンク内のＰＭＯＳ ＦＥＴデバイスを含むリング・オシレータを含む高電圧集積回路。
【００２１】
　　（４）　低電圧リファレンス（ＶCC）、高電圧リファレンス（ＶH）、及び接地を有するシステムで動作可能で、高電圧リファレンスよりも高い出力電圧（ＶOUT）を提供する高電圧集積回路を開示する。この集積回路は、高電圧接地リファレンス・ノードを提供するよう機能し得る高電圧接地リファレンス回路（３０）を含む。更に、クロック信号を提供するよう機能し得るオシレータ（２０）を含み、このオシレータは、高電圧リファレンス及び高電圧接地リファレンス・ノードに接続されている。出力電圧を生成するよう機能し得、集積回路内で他の回路から隔離されている、隔離されたチャージポンプ回路（１０’）が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】先行技術のチャージポンプの回路図。
【図２】高電圧で、チャージポンプに対してクロック信号を生成する先行技術の回路の回路図。
【図３】本発明の好ましい実施例の図。
【符号の説明】
【００２３】
　１０’　隔離されたチャージポンプ回路
　２０　オシレータ
　３０　高電圧接地リファレンス回路
　４０　バイアス・ジェネレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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