专利名称：电压泵浦装置及其操作方法
技术领域：
本发明涉及一种电压泵浦(charge pump)的技术，尤其指一种可消除基体效应且帮浦增益(pumping gain)高的电压泵浦装置及其操作方法。
背景技术：
一般快闪记忆体(FLASH memory)或电气式能够抹除可编程只读记忆体(Electrically Erasable ProgramMable Read Only Memory，EEPROM)需要负电压，以便和高正电压产生足够的相对电位差来进行资料抹除或编程功能。
图1(a)为已知的一电压泵浦装置10，其利用串接的PMOS电晶体来转移输出节点的负载电容上的电荷，此装置的输入节点接地，每一PMOS电晶体P0～P4的汲极连接闸极，以所谓二极体连接(diode-connected)型式串接在一起，而PMOS电晶体P0～P4的基底(bulk)均偏压在供应电源电压准位VDD。其中，输入节点和电晶体P0汲极连接于节点D0，电晶体P0的源极和电晶体P1汲极连接在节点D1，电晶体P1的源极和电晶体P2汲极连接于节点D2，电晶体P2的源极和电晶体P3在汲极连接于节点D3，电晶体P3的源极和电晶体P4汲极连接于节点D4，电晶体P4的源极连接输出节点，节点D1～D4分别连接电容C1～C4，其电容值均为C。
如图1(a)与图1(b)所示，第一电容C1和C3连接第一时脉信号A，电容C2和C4连接第二时脉信号B，第一时脉信号A与第二时脉信号B互为反相信号，信号准位于供应电源电压准位与接地准位之间变换。
当第一时脉信号A电压准位处于供应电源电压准位(VDD)，节点D1及D3上的电压准位分别经第一电容C1和C3的耦合而被提升了VC＝VDD×C/(CP+C)，其中CP为节点D1或D3的寄生电容值；同时，第二时脉信号B的电压准位处于接地准位，节点D2及D4上的电压准位分别经电容C2和C4的耦合而被降低了VC＝VDD×C/(CP+C)，其中CP为节点D2或D4的寄生电容值。因为节点D1及D3的电压准位被提升而节点D2及D4的电压准位被降低，所以电晶体P0、P2、P4导通，电流分别由节点D1、D3、输出节点流向输入节点(接地端)、节点D2、D4。在本脉波VDD电压准位结束之前，节点D1、D3、输出节点的电压准位会因为C1、C3和负载电容Cout上的电荷分别转移到接地端、电容C2和C4而降低。
相反地，当第一时脉信号A电压准位处于接地准位，节点D1及D3上的电压准位分别经电容C1和C3的耦合而被降低了VC＝VDD×C/(CP+C)。同时，第二时脉信号B电压准位处于供应电源电压准位(VDD)，节点D2及D4上的电压准位分别经电容C2和C4的耦合而被提升了VC＝VDD×C/(CP+C)。因为节点D1及D3上的电压准位被降低，节点D2及D4上的电压准位被提升，电晶体P1、P3导通，电流分别由节点D2、D4流向节点D1、D3；在本脉波接地电压准位结束之前，节点D2、D4的电压准位会因为电容C2、C4和负载电容Cout上的电荷分别转移到电容C1和C3而降低。因此，经过第一时脉信号A与第二时脉信号B对电容C1～C4的连续交互作用下，电流不断地由输出节点流向接地端，使得输出节点电压准位持续地降低，最终可以达到所需的负电压。
上述电压泵浦装置的PMOS电晶体的临界电压(threshold voltage)因为基底和源极之间的电位差(VBS＝VDD-VS，其中VS为负电压)受到降低的源极电压准位影响而升高，即所谓的基体效应(body effect)，明显的基体效应或者升高的电晶体的临界电压会降低电晶体的传导性能(电荷转移效率)；图1a中PMOS电晶体P0～P4的临界电压愈来愈高，表示串接的PMOS电晶体越多会导致电荷转移效率愈差而无法提供有效率的负载电流，所以产生的负电压就越少。
图2(a)为已知的另一种电压泵浦装置20，如图2(b)所示，电压泵浦装置20利用NMOS电晶体转移输出节点负载电容上的电荷，和上述电压泵浦装置10的差别在于将电压泵浦装置10的PMOS电晶体P0～P4取代为NMOS电晶体N1～N4，每一N1～N4的汲极连接闸极并以二极体连接型式而串接在一起，图2(a)的工作原理和图1(a)相同，也具有明显的基体效应或者升高的电晶体的临界电压而降低了电晶体的传导性能。
发明内容
本发明提供一种电压泵浦装置及其操作方法，以解决现有技术中无法消除基本效应，提供高负准位的输出电压等问题。
为达上述目的，本发明提出一种电压泵浦装置及其操作方法，包括串接于电压泵浦装置的输入节点与输出节点间的数级电荷转移单元和一输出单元，电荷转移单元包括用于输入的第一节点、用于输出的第二节点、连接在两节点的第一电路以及连接第二节点的第一电容，其中第一级的电荷转移单元的第一节点连接输入节点，其余各级的电荷转移单元的第一节点与第二节点则分别连接前一级电荷转移单元的第二节点与第一电路；输出单元包括用于输入的第三节点、第二电路以及连接其第二电容，其中，第二电路连接第三节点、输出节点、第二电容以及最后一级的电荷转移单元的第一电路。
由于提供偏压给电荷转移单元的第一电路能够致能或失能电荷转移单元，因此奇数级与偶数级的电荷转移单元可分别通过其第一电容接收电压准位振幅相同但互呈反相的两时序信号而进行互补式开关操作，即使两者其一提供电荷转移功能，另一则否，并轮流切换其开关状态，配合输出单元的开关操作，最后可产生一高负准位的输出电压。
与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明的提供一种电压泵浦装置及其操作方法，能够消除基体效应而提供具有高负准位的输出电压，具有高帮浦增益的优点。
图1(a)为现有技术中一电压泵浦装置的示意图； 图1(b)为施加给图1(a)中电压泵浦装置的时脉信号示意图； 图2(a)为现有技术中另一电压泵浦装置的示意图； 图2(b)为施加给图2(a)中电压泵浦装置的时脉信号示意图； 图3(a)为本发明电压泵浦装置的第一实施例的示意图； 图3(b)为施加给本发明第一实施例的时脉信号示意图； 图4(a)为本发明电压泵浦装置的第二实施例的示意图； 图4(b)为施加给本发明第二实施例的时脉信号示意图； 图5为本发明第二实施例的第2级电荷转移单元的结构示意图。
主要组件符号说明如下 30、40 电压泵浦装置 31、32、41、42 电荷转移单元 33、43 输出单元 34、35、44、45 第一电路 36、46 第二电路 37、38 第一井偏压电路 39、49 第二井偏压电路
具体实施例方式 本发明的第一实施例如图3(a)、图3(b)所示，电压泵浦装置30由串接在输入节点Nin与输出节点Nout间的第1级的电荷转移单元31、第2级的电荷转移单元32和输出单元33组成，为取得负电压，输入节点Nin连接的电源电压为接地准位，输出节点Nout用于提供输出电压。
每一级的电荷转移单元包括第一节点X、X’、第二节点Y、Y’、连接于两节点间的第一电路34、35与连接第二节点Y、Y’的第一电容C1、C2；而第一电路34、35包括第四节点Z、Z’、第五节点W、W’、第八节点NW1、NW1’、属于PMOS电晶体的第一电晶体M30、M34、第二电晶体M31、M35、第三电晶体M32、M36、属于NMOS电晶体的第四电晶体M33、M37与第一井偏压电路37、38。第一井偏压电路37、38包括属于PMOS电晶体的第九电晶体Ma、Mc与第十电晶体Mc、Md，其功能为提供第八节点NW1、NW1’一偏压。而第一电晶体M30、M34汲极与闸极均连接第一节点X、X’，源极连接第二节点Y、Y’，基底连接第八节点NW1、NW2；第二电晶体M31、M35汲极连接第一节点X、X’，闸极连接第四节点Z、Z’，源极连接第二节点Y、Y’，基底连接第八节点NW1、NW2；第三电晶体M32、M36汲极连接第四节点Z、Z’，闸极连接第二节点Y、Y’，源极连接第一节点X、X’，基底连接第八节点NW1、NW2；第四电晶体M33、M37源极与基底连接第五节点W、W’，闸极连接第二节点Y、Y’，汲极连接第四节点Z、Z’；第九电晶体Ma、Mc汲极与基底均连接第八节点NW1、NW2，闸极连接第二节点Y、Y’，源极连接第一节点X、X’；第十电晶体Mb、Md汲极与基底均连接第八节点NW1、NW2，闸极连接第一节点X、X’，源极连接第二节点Y、Y’。第2级之电荷转移单元32的第二节点Y’连接第1级的电荷转移单元31的第五节点W。另外，第一电容C1、C2分别连接时脉控制单元(图中未描述)，以接收其所提供、互为反相的第一时脉信号A与第二时脉信号B。
输出单元33包含了第三节点P、第二电路36与第二电容C3。第二电路36包括第六节点Q、第七节点NW3、属于PMOS电晶体的第五电晶体Me、第六电晶体Mf、第七电晶体M39、属于NMOS电晶体的第八电晶体M38，而第五电晶体Me、第六电晶体Mf组成第二井偏压电路39，以提供第七节点NW3一第二偏压。第三节点P连接第2级的电荷转移单元32的第二节点Y’，第五电晶体Me的汲极与基底连接第七节点NW3，闸极连接第六节点Q，源极连接第三节点P；第六电晶体Mf汲极与基底均连接第七节点NW3，闸极连接第三节点P，源极连接第六节点Q；第七电晶体M39汲极与闸极均连接第三节点P，源极连接第六节点Q，基底连接第七节点NW3；第八电晶体M38汲极与基底连接电压泵浦装置30的输出节点Nout，闸极连接第六节点Q，源极连接第三节点P；第二电容C3连接第六节点Q及第一时脉信号A。
如图3(a)与图3(b)所示，假设第一时脉信号A与第二时脉信号B的电压准位振幅均为VDD，第一电容C1、C2与第二电容C3的耦合效应(couplingeffect)为100％，利用第一时脉信号A与第二时脉信号B操作电荷转移单元31、32与输出单元33，使其切换于第一模式与第二模式间。
(一)t＝0 初始时，第1级的电荷转移单元31的第一节点X(连接输入节点Nin)接地，第1级的电荷转移单元31的第二节点Y的电压准位为VY0，第2级之电荷转移单元32的第二节点Y’的电压准位等于输出单元33的第三节点P的电压准位，均为VP0，输出单元33的第六节点Q的电压准位为VQ0，输出节点Nout的电压准位为VOUT0。
(二)t＝t0(第一模式) 时间为t0时，第一时脉信号A由低准位升到高准位，第二时脉信号B由高准位降到低准位，第一时脉信号A的电压准位变化增量VDD且经由第一电容C1的耦合效应，使得第1级的电荷转移单元31的第二节点Y的电压准位也有等量变化，即VY，t0＝VY0+VDD。同理，第一时脉信号A的电压准位变化增量VDD，由第二电容C3的耦合效应，使得输出单元33第六节点Q的电压准位也有等量变化，即VQ，t0＝VQ0+VDD；第二时脉信号B的电压准位变化减量VDD，经由第一电容C2的耦合效应，使得第2级的电荷转移单元32的第二节点Y’之电压准位也有等量变化，即VY’，t0＝VP，t0＝VP0-VDD。其中，分别详述电荷转移单元31、32与输出单元33的操作如下 (a)第1级的电荷转移单元31 第一井偏压电路37中，第九电晶体Ma不导通，因为源极与闸极之间的相对电位低于PMOS电晶体的临界电压|Vtp0|，即VSG，Ma＝VX，t0-VY，t0＝0-(VY0+VDD)<|Vtp0|；第十电晶体Mb导通，因为源极与闸极之间的相对电位高于临界电压|Vtp0|，即VSG，Mb＝VY，t0-VX，t0＝VY0+VDD>|Vtp0|。所以第八节点NW1的电压准位等于第二节点Y电压准位，即VNW1＝VY0+VDD。换言之，第一井偏压电路37让第1级的电荷转移单元31的PMOS电晶体，包括第一电晶体M30、第二电晶体M31、第三电晶体M32、第九电晶体Ma与第十电晶体Mb的基底(bulk node)均偏压在第1级的电荷转移单元31内具有较高电压准位的第二节点Y上。由于第一电晶体M30、第二电晶体M31、第三电晶体M32、第九电晶体Ma与第十电晶体Mb源极与闸极之间均无相对电位，所以它们的临界电压均等于|Vtp0|，即无基体效应(body effect)时的临界电压。第一电晶体M30导通，因为源极与闸极之间的相对电位高于临界电压|Vtp0|，即VSG，M30＝VY，t0-VX，t0＝VY0+VDD>|Vtp0|，电流由第二节点Y流至第一节点X，电荷由第一电容C1流至第一节点X，在时间t1之前(t＝t1_)，第二节点Y电压准位将会稳定在|Vtp0|，即VY，t1_＝|Vtp0|；第一电晶体M30的电荷转移效率等于(VY0+VDD-VY，t1_)/VDD。若能降低VY，t1_，第1级的电荷转移单元31的电荷转移效率将能获得进一步改善。第三电晶体M32不导通，因为源极与闸极之间的相对电位低于PMOS电晶体临界电压|Vtp0|，即VSG，M32＝VX，t0-VY，t0＝0-(VY0+VDD)<|Vtp0|；第四电晶体M33导通，因为闸极与源极之间的相对电位高于NMOS电晶体临界电压VtN，即VGS，M33＝VY，t0-VP，t0＝(VY0+VDD)-(VP0-VDD)＝2VDD+VY0-VP0>VtN，故第四节点Z的电压准位等于第二节点Y’之电压准位，即VZ＝VP0-VDD＝VG，M31<0V，因为第二电晶体M31闸极电压准位比第一电晶体M30闸极电压准位还低，所以第二电晶体M31比第一电晶体M30有较优的电荷转移效率，第二节点Y电压准位将比|Vtp0|更低，甚至接近0V，即
，因此第二电晶体M31辅助第一电晶体M30而提升了第1级的电荷转移单元31的电荷转移效率。
(b)第2级的电荷转移单元32 第九电晶体Mc导通，因为源极与闸极之间的相对电位高于PMOS电晶体临界电压|Vtp0|，即VSG，Mc＝VY，t0-VP，t0＝(VY0+VDD)-(VP0-VDD)＝2VDD+VY0-VP0>|Vtp0|；电晶体Md不导通，因为源极与闸极之间的相对电位低于临界电压|Vtp0|，即VSG，Md＝VP，t0-VY，t0＝(VP0-VDD)-(VY0+VDD)＝VP0-VY0-2VDD<|Vtp0|；因此第八节点NW2的电压准位等于第二节点Y的电压准位，即VNW1＝VY0+VDD。换言之，第一井偏压电路38让第2级的电荷转移单元32的PMOS电晶体，包括第一电晶体M34、第二电晶体M35、第三电晶体M36、第九电晶体Mc与第十电晶体Md的基底均偏压在第2级的电荷转移单元32内具有较高电压准位的第二节点Y’上。由于第一电晶体M34、第二电晶体M35、第三电晶体M36、第九电晶体Mc与第十电晶体Md源极与闸极之间无相对电位，所以它们的临界电压均等于|Vtp0|，即无基体效应(body effect)时的临界电压。第一电晶体M34不导通，因为源极与闸极之间的相对电位低于临界电压|Vtp0|，即VSG，M34＝VP，t0-VY，t0＝(VP0-VDD)-(VY，t0+VDD)＝VP0-VY0-2VDD<|Vtp0|；第三电晶体M36导通，因为源极与闸极之间的相对电高位于PMOS电晶体临界电压|Vtp0|，即VSG，M36＝VY，t0-VP，t0＝(VY0+VDD)-(VP0-VDD)＝2VDD+VY0-VP0>|Vtp0|；第四电晶体M37不导通，因为闸极与源极之间的相对电位低于NMOS电晶体临界电压VtN，即V-GS，M37＝VP，t0-VQ，t0＝(VP0-VDD)-(VQ0+VDD)＝(VP0-VQ0)-2VDD<VtN；第二电晶体M35不导通，因为闸极电压准位等于第二节点Y电压准位，即VG，M35＝VY＝VY0+VDD，源极与闸极之间的相对电位低于PMOS电晶体临界电压|Vtp0|，即VSG，M35＝VP，t0-VG，M35＝(VP0-VDD)-(VY0+VDD)＝(VP0-VY0)-2VDD<|Vtp0|。在时间t0时因为第一电晶体M34，第二电晶体M35均不导通，故第2级之电荷转移单元32没有电荷转移功能。
(c)输出单元33 第五电晶体Me不导通，因为源极与闸极之间的相对电位低于PMOS电晶体临界电压|Vtp0|，即VSG，Me＝VP，t0-VQ，t0＝(VP0-VDD)-(VQ0+VDD)＝VP0-VQ0-2VDD<|Vtp0|；第六电晶体Mf导通，因为源极与闸极之间的相对电位高于临界电压|Vtp0|，即VSG，Mf＝VQ，t0-VP，t0＝(VQ0+VDD)-(VP0-VDD)＝2VDD+VQ0-VP0>|Vtp0|，第七节点NW3的电压准位等于第六节点Q电压准位，即VNW3＝VQ0+VDD。第五电晶体Me、第六电晶体Mf与第七电晶体M39源极与闸极之间无相对电位，所以它们的临界电压均等于|Vtp0|，即无基体效应(body effect)时的临界电压。电晶体M39导通，因为源极与闸极之间的相对电位高于临界电压|Vtp0|，即VSG，M39＝VQ，t0-VP，t0＝(VQ0+VDD)-(VP0-VDD)＝2VDD+VQ0-VP0>|Vtp0|；第八电晶体M38导通，因为闸极与源极之间的相对电位高于临界电压VtN，即VGS，M38＝VQ，t0-VP，t0＝(VQ0+VDD)-(VP0-VDD)＝2VDD+VQ0-VP0>VtN。故电流由输出节点Nout流至第三节点P，电荷由负载电容Cout流至输入第一电容C2，在时间t1之前(t＝t1_)，电压泵浦装置30的输出节点Nout的电压准位将会从初始值VOUT0逐渐降低并稳定在VP0-VDD，即VOUT1_＝VP0-VDD，VPt1_＝VP0-VDD，VQt1_＝VP0-VDD+|Vtp0|。
(三)t＝t1(第二模式) 时间为t1时，第一时脉信号A由高准位降到低准位，第二时脉信号B由低准位升到高准位。第一时脉信号A的电压准位变化减量VDD，经由第一电容C1的耦合效应，使得第1级的电荷转移单元31的第二节点Y的电压准位也有等量变化，即VY，t1＝VY，t1_-VDD＝0-VDD。同理，第一时脉信号A的电压准位变化减量VDD，由第二电容C3的耦合效应，使得输出单元33第六节点Q电压准位也有等量变化，即VQ，t1＝VQ，t1_-VDD＝(VP0-VDD+|Vtp0|)-VDD＝VP0-2VDD+|Vtp0|。第二时脉信号B的电压准位变化增量VDD，经由第一电容C2的耦合效应，使得第2级的电荷转移单元32第二节点Y’电压准位也有等量变化，即VP，t1＝VP，t1_+VDD＝(VP0-VDD)+VDD＝VP0。
(a)第1级的电荷转移单元31 第九电晶体Ma导通，因为源极与闸极之间的相对电位高于PMOS电晶体的临界电压|Vtp0|，即VSG，Ma＝VX，t1-VY，t1＝0-(-VDD)＝VDD>|Vtp0|；电晶体Mb不导通，因为源极与闸极之间的相对电位低于临界电压|Vtp0|，即VSG，Mb＝VY，t1-VX，t1＝-VDD<|Vtp0|，第八节点NW1的电压准位等于第一节点X电压准位，即VNW1＝0V。换言之，第一井偏压电路37让第1级的电荷转移单元31的PMOS电晶体，包括第一电晶体M30、第二电晶体M31、第三电晶体M32、第九电晶体Ma与第十电晶体Mb的基底偏压在第1级的电荷转移单元31内具有较高电压准位的第一节点X(即输入节点Nin)上。第一电晶体M30，第二电晶体M31，第三电晶体M32，第九电晶体Ma与第十电晶体Mb源极与闸极之间无相对电位所以它们的临界电压均等于|Vtp0|，即无基体效应(body effect)时的临界电压。第一电晶体M30不导通，因为源极与闸极之间的相对电位低于临界电压|Vtp0|，即VSG，M30＝VY，t1-VX，t1＝-VDD<|Vtp0|；第三电晶体M32导通，因为源极与闸极之间的相对电高位于PMOS电晶体临界电压|Vtp0|，即VSG，M32＝VX，t1-VY，t1＝0-(-VDD)＝VDD>|Vtp0|；第四电晶体M33不导通，因为闸极与源极之间的相对电位低于NMOS电晶体临界电压VtN，即VGS，M33＝VY，t1-VP，t1＝(-VDD)-VP0<VtN；第二电晶体M31不导通，因为闸极电压准位等于第一节点X电压准位，VG，M31＝0V，源极与闸极之间的相对电高位于PMOS电晶体的临界电压|Vtp0|，即VSG，M31＝VY，t1-VX，t1＝-VDD<|Vtp0|。在时间t1时，因为第一电晶体M30，第二电晶体M31均不导通，所以第1级的电荷转移单元31没有电荷转移功能。
(b)第2级的电荷转移单元32 第九电晶体Mc不导通，因为源极与闸极之间的相对电位低于PMOS电晶体临界电压|Vtp0|，即VSG，Mc＝VY，t1-VP，t1＝-VDD-VP0<|Vtp0|；第十电晶体Md导通，因为源极与闸极之间的相对电位高于临界电压|Vtp0|，即VSG，Md＝VP，t1-VY，t1＝VP0-(-VDD)>|Vtp0|，第八节点NW2的电压准位等于第三节点P电压准位，即VNW2＝VP0。换言之，第一井偏压电路37让第2级的电荷转移单元32的PMOS电晶体，包括第一电晶体M34、第二电晶体M35、第三电晶体M36、第九电晶体Mc与第十电晶体Md的基底偏压在第2级的电荷转移单元32内具有较高电压准位的第二节点Y’上。第一电晶体M34、第二电晶体M35、第三电晶体M36、第九电晶体Mc与第十电晶体Md源极与闸极之间无相对电位，所以它们的临界电压等于均|Vtp0|，即无基体效应(body effect)时的临界电压。第一电晶体M34导通，因为源极与闸极之间的相对电位高于临界电压|Vtp0|，即VSG，M34＝VP，t1-VY，t1＝VP0-(-VDD)>|Vtp0|，电流由第二节点Y’流至第一节点X’，电荷由第一电容C2流至第一电容C1，在时间t2之前(t＝t2_)，第二节点Y’的电压准位将会稳定在|Vtp0|-VDD，即VP，t2_＝|Vtp0|-VDD，第一电晶体M30的电荷转移效率等于(VP，t1_-VP，t2_)/VDD。若能降低VP，t2_，第2级的电荷转移单元32的电荷转移效率将获得进一步改善。第三电晶体M36不导通，因为源极与闸极之间的相对电位低于PMOS电晶体临界电压|Vtp0|，即VSG，M36＝VY，t1-VP，t1＝-VDD-VP0<|Vtp0|；第四电晶体M37导通，因为闸极与源极之间的相对电位高于NMOS电晶体临界电压VtN，即VGS，M37＝VP，t1-VQ，t1＝VP0-(VP0-2VDD+|Vtp0|)＝2VDD-|Vtp0|>VtN，第二电晶体M35闸极电压准位等于第六节点Q电压准位，即VG，M35＝VP0-2VDD+|Vtp0|<VG，M34＝-VDD，第二电晶体M35比第一电晶体M34有较优的电荷转移效率，所以第三节点P电压准位将会比|Vtp0|-VDD更低，甚至接近-VDD，即VP，t2＝-VDD，因此第二电晶体M35辅助第一电晶体M34而提升了第2级的电荷转移单元32的电荷转移效率。
(c)输出单元33 第五电晶体Me导通，因为源极与闸极之间的相对电位低于PMOS电晶体临界电压|Vtp0|，即VSG，Me＝VP，t1-VQ，t1＝VP0-(VP0-2VDD+|Vtp0|)＝2VDD-|Vtp0|>|Vtp0|；第六电晶体Mf不导通，因为源极与闸极之间的相对电位高于临界电压|Vtp0|，VSG，Mf＝VQ，t1-VP，t1＝(VP0-2VDD+|Vtp0|)-VP0＝|Vtp0|-2VDD<|Vtp0|，第七节点NW3的电压准位等于第三节点P电压准位，即VNW3＝VP0。换言之，第二井偏压电路39让输出单元33的PMOS电晶体，包括第五电晶体Me、第六电晶体Mf与第七电晶体M39的基底偏压在输出单元33内具有较高电压准位的第三节点P上。由于第五电晶体Me、第六电晶体Mf与第七电晶体M39源极与闸极之间无相对电位，所以它们的临界电压等于均|Vtp0|，即无基体效应(body effect)时的临界电压。电晶体M39不导通，因为源极与闸极之间的相对电位低于临界电压|Vtp0|，即VSG，M39＝VQ，t1-VP，t1＝(VP0-2VDD+|Vtp0|)-VP0＝|Vtp0|-2VDD<|Vtp0|；第八电晶体M38不导通，因为闸极与源极之间的相对电位低于临界电压VtN，即VGS，M38＝VQ，t1-VP，t1＝(VP0-2VDD+|Vtp0|)-VP0＝|Vtp0|-2VDD<VtN。故输出单元33没有电荷转移功能，VOUT2_＝VoUT1_＝VP0-VDD，VQt2_＝VP0-2VDD+|Vtp0|。
(四)t＝t2(第一模式) 在时间t2时，第一时脉信号A由低准位升到高准位，第二时脉信号B由高准位降到低准位。第一时脉信号A的电压准位变化增量VDD经由第一电容C1的耦合效应，使得第1级的电荷转移单元31的第二节点Y电压准位也有等量变化，即VY，t2＝VYt2_+VDD＝-VDD+VDD＝0V。同理，第一时脉信号A的电压准位变化增量VDD经由第二电容C3的耦合效应，使得输出单元33第六节点Q电压准位也有等量变化，即VQ，t2＝VQt2_+VDD＝(VP0-2VDD+|Vtp0|)+VDD＝VP0-VDD+|Vtp0|。第二时脉信号B的电压准位变化减量VDD经由第一电容C2的耦合效应，使得第2级的电荷转移单元32的第二节点Y’电压准位也有等量变化，即VP，t2＝VP，t2_-VDD＝-VDD-VDD＝-2VDD。
(a)第1级转移单元51 VY，t2＝VX，t2＝0V，表示第1级的电荷转移单元31第二节点Y随着第一时脉信号A在0V，-VDD之间变化，完全转移来自第2级的电荷转移单元32的电荷。
(b)第2级的电荷转移单元32 第九电晶体Mc导通，因为VSG，Mc＝VY，t2-VP，t2＝0-(-2VDD)＝2VDD>|Vtp0|。第十电晶体Md不导通，因为VSG，Md＝VP，t2-VY，t2＝-2VDD<|Vtp0|，第八节点NW2的电压准位等于第一节点X’的电压准位，即VNW2＝VY，t2＝0V；第一电晶体M34不导通，因为VSG，M34＝VP，t2-VY，t2＝-2VDD<|Vtp0|；第三电晶体M36导通，因为VSG，M36＝VY，t2-VP，t2＝0-(-2VDD)＝2VDD>|Vtp0|；第四电晶体M37不导通，因为VGS，M37＝VP，t2-VQ，t2＝(-2VDD)-(VP0-VDD+|Vtp0|)＝-VP0-VDD+|Vtp0|<VtN；第二电晶体M35不导通，因为VSG，M35＝VP，t2-VS，M35＝VP，t2-VY，t2＝-2VDD<|Vtp0|。在时间t2时，因为第一电晶体M34，第二电晶体M35均不导通，第2级的电荷转移单元32没有电荷转移功能。
(c)输出单元33 第五电晶体Me不导通VSG，Me＝VP，t2-VQ，t2＝(-2VDD)-(VP0-VDD+|Vtp0|)＝|Vtp0|-VP0-VDD<|Vtp0|第六电晶体Mf导通，因为VSG，Mf＝VQ，t2-VP，t2＝(VP0-VDD+|Vtp0|)-(-2VDD)＝VDD+|Vtp0|+VP0>|Vtp0|，第七节点NW3的电压准位等于第六节点Q电压准位，即VNW3＝VP0-VDD+|Vtp0|；第七电晶体M39导通，因为VSG，M39＝VQ，t2-VP，t2＝(VP0-VDD+|Vtp0|)-(-2VDD)＝VDD+|Vtp0|+VP0>|Vtp0|；第八电晶体M38导通，因为VGS，M38＝VQ，t2-VP，t2＝VDD+|Vtp0|+VP0>VtN。故电流由输出节点Nout流至第三节点P，电荷由负载电容Cout流至输入第一电容C2，在时间t3之前(t＝t3_)，电压泵浦装置30的输出节点Nout的电压准位将会从VOUT，t2＝VP0-VDD逐渐降低并稳定在-2VDD，即VOUT3_＝-2VDD，VPt3_＝-2VDD，VQt3_＝-2VDD+|Vtp0|。
(五)t＝t3(第二模式) 在时间t3时，第一时脉信号A由高准位降到低准位，第二时脉信号B由低准位升到高准位。第一时脉信号A的电压准位变化减量VDD经由第一电容C1的耦合效应，使得第1级的电荷转移单元31的第二节点Y电压准位也有等量变化，即VY，t3＝VY，t3_-VDD＝0-VDD。同理，第一时脉信号A的电压准位变化减量VDD，经由第二电容C3的耦合效应，使得输出单元33第六节点Q电压准位也有等量变化，即VQ，t3＝VQ，t3_-VDD＝(-2VDD+|Vtp0|)-VDD＝-3VDD+|Vtp0|。第二时脉信号B的电压准位变化增量VDD经由第一电容C2的耦合效应，使得第2级的电荷转移单元32的第二节点Y’电压准位也有等量变化，即VP，t3＝VP，t3_+VDD＝(-2VDD)+VDD＝-VDD。
(a)第1级的电荷转移单元31 第九电晶体Ma导通，因为VSG，Ma＝VX，t3-VY，t3＝0-(-VDD)＝VDD>|Vtp0|；第十电晶体Mb不导通，因为VSG，Mb＝VY，t3-VX，t3＝(-VDD)-0<|Vtp0|，所以第八节点NW1的电压准位等于第一节点X电压准位，即VNW1＝0V。第一电晶体M30不导通，因为VSG，M30＝VY，t1-VX，t1＝-VDD<|Vtp0|；第三电晶体M32导通，因为VSG，M32＝VX，t3-VY，t3＝0-(-VDD)＝VDD>|Vtp0|；第四电晶体M33不导通，VSG，M33＝VY，t3-VP，t3＝(-VDD)-VP0<VtN；第二电晶体M31不导通，因为闸极电压准位等于第一节点X电压准位(0V)，源极与闸极之间的相对电位低于PMOS电晶体临界电压|Vtp0|，即VSG，M31＝VY，t1-V X，t1＝-VDD<|Vtp0|。在时间t3时，因为第一电晶体M30，第二电晶体M31均不导通，所以第1级的电荷转移单元31没有电荷转移功能。
(b)第2级的电荷转移单元32 VY，t3＝VP，t3＝0V，表示第2级的电荷转移单元32的第二节点Y’随着第二时脉信号B在-VDD与-2VDD之间变化，完全转移来自输出单元33的电荷。
(c)输出单元33 第五电晶体Me导通，因为VSG，Me＝VP，t3-VQ，t3＝(-VDD)-(-3VDD+|Vtp0|)＝2VDD-|Vtp0|>|Vtp0|；第六电晶体Mf不导通，因为VSG，Mf＝VQ，t3-VP，t3＝(-3VDD+|Vtp0|)-(-VDD)＝|Vtp0|-2VDD<|Vtp0|，第七节点NW3的电压准位等于第三节点P的电压准位，即VNW1＝VP，t3＝-VDD；电晶体M39不导通，因为VSG，M39＝VQ，t3-VP，t3＝(-3VDD+|Vtp0|)-(-VDD)＝|Vtp0|-2VDD<|Vtp0|；第八电晶体M38不导通，因为VGS，M38＝VQ，t3-VP，t3＝(-3VDD+|Vtp0|)-(-VDD)＝|Vtp0|-2VDD<VtN。所以输出单元33没有电荷转移功能，VOUT4_＝VOUT3＝-2VDD，VQt4_＝VQt3＝-3VDD+|Vtp0|。
(六)t＝t4(第一模式) 在时间t4时，第一时脉信号A由低准位升到高准位，第二时脉信号B由高准位降到低准位。第一时脉信号A的电压准位变化增量VDD经由第一电容C1的耦合效应，使得第1级的电荷转移单元31第二节点Y电压准位也有等量变化，即VY，t4＝VYt4_+VDD＝-VDD+VDD＝0V。同理，第一时脉信号A的电压准位变化增量VDD经由第二电容C3的耦合效应，使得输出单元33第六节点Q电压准位也有等量变化，即VQ，t4＝VQt4_+VDD＝(-3VDD+|Vtp0|)+VDD＝-2VDD+|Vtp0|。第二时脉信号B的电压准位变化减量VDD经由第一电容C2的耦合效应，使得第2级的电荷转移单元32第二节点Y’电压准位也有等量变化，即VP，t4＝VP，t4_-VDD＝-VDD-VDD＝-2VDD。
(a)第1级的电荷转移单元31 VY，t4＝VX，t4＝0V，表示第1级的电荷转移单元31的第二节点Y在0V与-VDD之间变化，完全转移来自第2级的电荷转移单元32的电荷。
(b)第2级的电荷转移单元32 第九电晶体Mc导通，因为VSG，Mc＝VY，t4-VP，t4＝0-(-2VDD)＝2VDD>|Vtp0|。第十电晶体Mb不导通，因为VSG，Md＝VP，t4-VY，t4＝-2VDD<|Vtp0|，第八节点NW2的电压准位等于第一节点X’电压准位，即VNW2＝0V；第一电晶体M34不导通，因为VSG，M34＝VP，t4-VY，t4＝-2VDD<|Vtp0|；第三电晶体M36导通，因为VSG，M36＝VY，t4-VP，t4＝0-(-2VDD)＝2VDD>|Vtp0|。第四电晶体M37不导通，因为VSG，M37＝VP，t4-VQ，t4＝(-2VDD)-(-2VDD+|Vtp0|)＝-|Vtp0|<VtN；第二电晶体M35不导通，因为VSG，M35＝VP，t4-VS，M35＝VP，t4-VY，t4＝-2VDD<|Vtp0|。在时间t4时因为第一电晶体M34，第二电晶体M35均不导通，故第2级之电荷转移单元32没有电荷转移功能。
(c)输出单元33 VOUT，t4＝VP，t4＝-2VDD，表示输出节点Nout电压准位维持在-2VDD，完全转移来自负载电容Cout的电荷。
上述的第一模式是致能第1级的电荷转移单元31和输出单元33并失能第2级的电荷转移单元32，使第1级的电荷转移单元31完全转移来自第2级的电荷转移单元32的电荷，且输出单元33完全转移来自输出节点Nout的电荷，而第2级的电荷转移单元32则不具电荷转移功能；而上述的第二模式是致能偶数级的电荷转移单元32且失能奇数级的电荷转移单元31和该输出单元，使第2级的电荷转移单元31完全转移来自输出单元33的电荷，输出单元33则不具电荷转移功能。因此，通过由重复切换电荷转移单元31、32与输出单元33于第一模式与第二模式，最终可自输出节点Nout产生输出电压，即VOUT＝-2VDD，若想取得-N×VDD的电压，仅需串接N级的电荷转移单元和输出单元。而上述不同时间各节点的电压准位及各电晶体的运作状态整理，如下列表一所示。
表一 如图4(a)与4(b)图所示，电压泵浦装置40由串接于输入节点Nin与输出节点Nout间2级的电荷转移单元(41，42)和输出单元43所组成，电荷转移单元具有第一电路(44，45)与第一电容C1、C2，输出单元43具有第二电路46，而第二电路内具有第二井偏压电路47，为取得负电压，输入节点Nin接地。第二实施例与第一实施例的差别在于电荷转移单元31、32内的第一电路(44，45)没有第一实施例的第一井偏压电路。
第1级的电荷转移单元41的PMOS电晶体，包括第一电晶体M40、第二电晶体M41与第三电晶体M42，其N型井区偏压在电荷转移单元41的第一节点X，而电荷转移单元42的PMOS电晶体，包括第一电晶体M44、第二电晶体M45与第三电晶体M46的N型井区偏压在电荷转移单元42的第一节点X’。
如图4(a)、图4(b)与图5所示，当第2级的电荷转移单元42的第二节点Y’电压准位被第二时脉信号B经由第一电容C2的耦合效应而升高，第1级的电荷转移单元41的第二节点Y的电压准位被第一时脉信号A经由第一电容C1的耦合效应而降低，此时第一电晶体M44导通，同时因为顺向偏压导通的P+/N-井接面二极体的协助，降低了第一电晶体M44的导通电阻(on-resistance)增加了导通时间，而改善电荷转移单元42的电荷转移效率。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种电压泵浦装置，其特征在于，包括
一输入节点，连接一电源电压；
一输出节点，用于提供一输出电压；
一时脉控制单元，用于提供互呈反相的一第一时脉讯号与一第二时脉讯号；
串接的至少二级电荷转移单元，每一级的所述电荷转移单元包括一第一节点、一第二节点、连接在两节点间的一第一电路与一第一电容，所述第一电容是连接所述第二节点与所述时脉控制单元；而第一级的所述电荷转移单元的所述第一节点连接所述输入节点，其余各级的所述电荷转移单元的所述第一节点与所述第二节点则分别连接前一级的所述电荷转移单元的所述第二节点与所述第一电路；以及
一输出单元，包括一第三节点、一第二电路以及连接所述时脉控制单元的一第二电容，所述第三节点连接最后一级的所述电荷转移单元的所述第二节点，所述第二电路则连接所述第三节点、所述输出节点、所述第二电容以及最后一级的所述电荷转移单元的所述第一电路。
2.如权利要求1所述电压泵浦装置，其特征在于，所述电源电压准位为接地准位。
3.如权利要求1所述电压泵浦装置，其特征在于，所述第一电路包括一第四节点、一第五节点、一第一电晶体、一第二电晶体、一第三电晶体与一第四电晶体，所述第一电晶体的基底、所述第二电晶体的基底与所述第三电晶体的基底连接所述第一节点，所述第五节点连接所述第四电晶体的基底与下一级的所述电荷转移单元的所述第二节点；所述第二电路包括一第六节点、一第七节点、一第五电晶体、一第六电晶体、一第七电晶体与一第八电晶体，所述第五电晶体、所述第六电晶体与一第七电晶体的基底连接所述第七节点，所述第八电晶体的基底连接所述输出节点，所述第六节点连接所述第八电晶体、所述第二电容以及最后一级的所述电荷转移单元的所述第五节点。
4.如权利要求3所述电压泵浦装置，其特征在于，所述第一电路的所述第一电晶体的汲极、闸极、所述第二电晶体的汲极以及所述第三电晶体的源极连接所述第一节点；所述第一电晶体的源极、所述第二电晶体的源极、所述第三电晶体的闸极以及所述第四电晶体的闸极则连接所述第二节点；所述第二电晶体的闸极、所述第三电晶体的汲极与所述第四电晶体的汲极连接所述第四节点；所述第四电晶体的源极连接所述所述第五节点；所述第二电路的所述第五电晶体的源极、所述第六电晶体的闸极、所述第七电晶体的汲极、闸极以及所述第八电晶体的源极连接所述第三节点；所述第五电晶体的闸极、所述第六电晶体的源极、所述第七电晶体的源极以及所述第八电晶体的闸极连接所述第六节点；所述第五电晶体的汲极以及所述第六电晶体的汲极连接所述第七节点。
5.如权利要求3或4所述电压泵浦装置，其特征在于，所述第一电晶体、所述第二电晶体、所述第三电晶体、所述第五电晶体、所述第六电晶体与所述第七电晶体为PMOS电晶体，而所述第四电晶体与所述第八电晶体则为NMOS电晶体。
6.如权利要求1所述电压泵浦装置，其特征在于，所述第一电路包括一第四节点、一第五节点、一第八节点、一第一电晶体、一第二电晶体、一第三电晶体、一第四电晶体与一第一井偏压电路，所述第一井偏压电路包括一第九电晶体与一第十电晶体，用于提供所述第八节点一第一偏压；所述第一电晶体、所述第二电晶体与所述第三电晶体基底连接所述第八节点；所述第五节点连接所述第四电晶体基底与下一级所述电荷转移单元的所述第二节点；所述第二电路包括一第六节点、一第七节点、一第二井偏压电路、一第七电晶体与一第八电晶体，所述第二井偏压电路包括一第五电晶体与一第六电晶体，用于提供所述第七节点一第二偏压，所述第五电晶体、所述第六电晶体与一第七电晶体基底连接所述第七节点，所述第八电晶体基底连接所述输出节点，所述第六节点连接所述第八电晶体、所述第二电容以及最后一级所述电荷转移单元的所述第五节点。
7.如权利要求6所述电压泵浦装置，其特征在于，所述第一电路的所述第一电晶体的汲极、闸极、所述第二电晶体的汲极、所述第三电晶体的源极、所述第九电晶体的源极以及所述第十电晶体的闸极连接所述第一节点；所述第一电晶体的源极、所述第二电晶体的源极、所述第三电晶体的闸极、所述第三电晶体的闸极、所述第四电晶体的闸极、所述第九电晶体的闸极以及所述第十电晶体的源极则连接所述第二节点；所述第二电晶体的闸极、所述第三电晶体的汲极与所述第四电晶体的汲极连接所述第四节点；所述第四电晶体的源极连接所述第五节点；所述第九电晶体的汲极、基底、所述第十电晶体的汲极、基底则连接所述第八节点；所述第二电路的所述第五电晶体的源极、所述第六电晶体的闸极、所述第七电晶体的汲极、闸极以及所述第八电晶体的源极连接所述第三节点；所述第五电晶体的闸极、所述第六电晶体的源极、所述第七电晶体的源极以及所述第八电晶体的闸极连接所述第六节点；所述第五电晶体的汲极以及所述第六电晶体的汲极连接所述第七节点。
8.如权利要求6或7所述电压泵浦装置，其特征在于，所述第一电晶体、所述第二电晶体、所述第三电晶体、所述第五电晶体、所述第六电晶体、所述第七电晶体、所述第九电晶体、所述第十电晶体均为PMOS电晶体，而所述第四电晶体与所述第八电晶体则为NMOS电晶体。
9.一种电压泵浦装置的操作方法，其特征在于，包括下列步骤
a、产生所述第一时脉信号与所述第二时脉信号，其电压准位振幅均为VDD；
b、施加所述第一时脉信号给奇数级的所述电荷转移单元的所述第一电容和所述输出单元的所述第二电容，同时施加所述第二时脉予偶数级的所述电荷转移单元的所述第一电容；
c、在一第一模式致能奇数级的所述电荷转移单元与所述输出单元且失能偶数级的所述电荷转移单元，使奇数级的所述电荷转移单元完全转移来自下一级偶数级的所述电荷转移单元的电荷且所述输出单元完全转移来自所述输出节点的电荷，而偶数级的所述电荷转移单元则不进行电荷转移；
d、在一第二模式致能偶数级的所述电荷转移单元且失能奇数级的所述电荷转移单元和所述输出单元，使偶数级的所述电荷转移单元完全转移来自下一级奇数级的所述电荷转移单元的电荷，而奇数级的所述电荷转移单元则不转移电荷；
e、重复步骤c至步骤d，最终自所述输出节点产生所述输出电压，其最多可达-N×VDD。
10.一种电压泵浦装置的操作方法，其特征在于，包括下列步骤
a、产生所述第一时脉信号与所述第二时脉信号，其电压准位的振幅均为VDD；
b、施加所述第一时脉信号予奇数级的所述电荷转移单元和所述输出单元，同时施加所述第二时脉予偶数级的所述电荷转移单元；
c、在一第一模式致能奇数级的所述电荷转移单元的所述第一电晶体、所述第二电晶体、所述第四电晶体和所述输出单元的所述第六电晶体、所述第七电晶体和所述第八电晶体并失能偶数级的所述电荷转移单元的所述第一电晶体、第二电晶体与第四电晶体，使奇数级的所述电荷转移单元完全转移来自下一级偶数级的所述电荷转移单元的电荷且所述输出单元完全转移来自所述输出节点的电荷，而偶数级的所述电荷转移单元则不进行电荷转移；
d、在一第二模式致能偶数级的所述电荷转移单元的所述第一电晶体、所述第二电晶体、所述第四电晶体且失能奇数级的所述电荷转移单元的所述第一电晶体、所述第二电晶体、所述第四电晶体和所述输出单元的所述第八电晶体、所述第九电晶体与所述第十电晶体，使偶数级的所述电荷转移单元完全转移来自下一级奇数级的所述电荷转移单元的电荷，而奇数级的所述电荷转移单元则不转移电荷；
e、重复步骤c至步骤d，最终自所述输出节点产生所述输出电压，其最多可达-N×VDD。
11.一种电压泵浦装置的操作方法，其特征在于，包括下列步骤
a、产生所述第一时脉信号与所述第二时脉信号，其电压准位振幅均为VDD；
b、施加所述第一时脉信号予奇数级的所述电荷转移单元和所述输出单元，同时施加所述第二时脉予偶数级的所述电荷转移单元；
c、在一第一模式致能奇数级的所述电荷转移单元的所述第一电晶体、所述第二电晶体、所述第四电晶体、所述第十电晶体和所述输出单元的所述第六电晶体、所述第七电晶体和所述第八电晶体并失能偶数级的所述电荷转移单元的所述第一电晶体、第二电晶体与第四电晶体与所述第十电晶体，使奇数级的所述电荷转移单元完全转移来自下一级偶数级的所述电荷转移单元的电荷且所述输出单元完全转移来自所述输出节点的电荷，而偶数级的所述电荷转移单元则不进行电荷转移；
d、在一第二模式致能偶数级的所述电荷转移单元的所述第一电晶体、所述第二电晶体、所述第四电晶体且失能奇数级的所述电荷转移单元的所述第一电晶体、所述第二电晶体、所述第四电晶体和所述输出单元的所述第八电晶体、所述第九电晶体与所述第十电晶体，使偶数级的所述电荷转移单元完全转移来自下一级奇数级所述电荷转移单元的电荷，而奇数级所述电荷转移单元则不转移电荷；
e、重复步骤c至步骤d，最终自所述输出节点产生所述输出电压，其最多可达-N×VDD。
全文摘要
本发明公开了一种电压泵浦装置及其操作方法，由彼此串接的多级电荷转移单元与输出单元组成，每一级电荷转移单元包括用于输入的第一节点、用于输出的第二节点、第一电路与第一电容。能够提供第一电路一偏压而使其偏压在第一节点或者第二节点，因此奇数级与偶数级电荷转移单元的第一电容能够分别接收两反相的时序信号以进行互补式开关操作，配合输出单元的开关，最后能产生一具有高负准位的输出电压，本发明具有能够消除基体效应和高帮浦增益的优点。
文档编号H02M3/04GK101364764SQ200710143138
公开日2009年2月11日 申请日期2007年8月6日 优先权日2007年8月6日
发明者吴政颖, 林信章 申请人:亿而得微电子股份有限公司