专利名称：电荷泵电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种集成电路的电源电路等中使用的电荷泵电路。
背景技术：
电荷泵电路，由电荷输送用MOS晶体管、电容器、时钟驱动器等构成，是一种将输入电位转换成正的高电位或者负的低电位后输出的电路，被作为集成电路的电源电路等广泛使用。
然而，在由于电荷输送用MOS晶体管的背栅被固定，因此根据其用途、输出电位变为正电位或负电位的情况下，都会产生如下问题电荷输送用MOS晶体管所附带的寄生二极管中流有不需要的正向电流、且功耗增加，无法对使用电荷泵电路的电路进行控制。
专利文献1特开2003-33006号公报发明内容因此，本发明的电荷泵电路，其特征在于具备第1电荷输送用MOS晶体管，其被施加输入电位；第2电荷输送用MOS晶体管，其与所述第1电荷输送用MOS晶体管串联连接；电容器，其与所述第1以及第2电荷输送用MOS晶体管电容耦合；时钟驱动器，其给所述电容器提供时钟；控制电路，其对所述第1以及第2电荷输送用MOS晶体管的导通进行控制；以及，第1开关电路，其进行切换，来将所述第1电荷输送用MOS晶体管的背栅，设定为所述第1以及第2电荷输送用MOS晶体管的连接点的电位和所述输入电位的任意一方的电位，从所述第2电荷输送用MOS晶体管获得输出电位。
根据本发明，即使在由于电荷输送用MOS晶体管的背栅被固定，因此根据其用途、输出电位变为正电位或负电位的情况下，也能通过背栅的电位切换，切断寄生二极管的泄漏路径，防止功耗的增加，同时防止电路陷于不能控制的状态。
图1为本发明第1实施方式中的电荷泵电路的电路图。
图2为表示本发明第1实施方式中的电荷泵电路的第1电荷输送用MOS晶体管的截面图。
图3为本发明第1实施方式中的电荷泵电路的开关电路的具体电路图。
图4为本发明第2实施方式中的电荷泵电路的电路图。
图5为本发明第3实施方式中的电荷泵电路的电路图。
图6为表示本发明第3实施方式中的电荷泵电路的寄生二极管的示意图。
图7为参考例中的电荷泵电路的电路图。
图中10-白色LED，11-驱动用MOS晶体管，12-高电阻元件，13-二极管，30-电荷泵电路，31-控制电路，CD-时钟驱动器，SW1-第1开关电路，SW2-第2开关电路。
具体实施例方式
下面，参照附图对本发明的第1实施方式中的电荷泵电路进行说明。图1为表示白色发光二极管的驱动电路的电路图，使用电荷泵电路作为该驱动电路的电源电路。图1中，10为用作液晶面板的背光的白色发光二极管(以下，称作白色LED)，其阳极(anode)上被供给电源电位VDD。11为用于给该白色LED10提供驱动电流的驱动MOS晶体管，其漏极连接在白色LED10的阴极(cathode)上。由于白色LED10具有3.2V～3.8V的正向阈值电压，因此需要给白色LED10的阳极·阴极之间施加这种程度的电压。
另一方面，作为白色LED10的驱动电路的电源电位VDD的规格，要求例如2.7V～5.5V这样较宽的电压范围。因此，该驱动电路中，当电源电位VDD较低时，通过使电荷泵电路30工作产生负的电位，并降低驱动用MOS晶体管11的源极电位，来确保给阳极·阴极之间施加的给定电压。另外，当电源电位VDD较高时，通过停止电荷泵电路30的工作，来提高驱动用MOS晶体管11的源极电位，从而给驱动用MOS晶体管11的源极漏极间施加恒定电压，并对白色LED10供给恒定电流。相关的具体电路结构在后文说明。
电荷泵电路30，其由第1电荷输送用MOS晶体管M1；第2电荷输送用MOS晶体管M2；电容器C1、C2；开关用MOS晶体管M3、M4、M5；对时钟CLK进行驱动的时钟驱动器CD(由P沟道型MOS晶体管M6以及N沟道型MOS晶体管M7构成)；以及，对第1电荷输送用MOS晶体管M1以及第2电荷输送用MOS晶体管M2的导通进行控制的控制电路31，构成。
第1电荷输送用MOS晶体管M1以及第2电荷输送用MOS晶体管M2为N沟道型，彼此串联连接。给第1电荷输送用MOS晶体管M1的源极提供接地电位VSS，从作为第2电荷输送用MOS晶体管M2的漏极的输出端子Pout获得输出电位Vout。第1电荷输送用MOS晶体管M1的背栅G1(基片)构成为通过第1开关电路SW1，被设定为第1以及第2电荷输送用MOS晶体管M1、M2的连接点的电位X和作为输入电位的接地电位VSS中的任意一方的电位。
图2表示该第1电荷输送用MOS晶体管M1的截面结构。在P型半导体基板100的表面上形成N型阱区域101，再在其中形成P型阱区域102，在该P阱区域102中形成第1电荷输送用MOS晶体管M1。P阱区域102，构成第1电荷输送用MOS晶体管M1的背栅。D1为漏极D和P阱区域102形成的寄生二极管；D2为源极S和P阱区域102形成的寄生二极管。
给控制电路31，提供时钟CLK、白色LED10和驱动用MOS晶体管11的连接点(漏极D)的电位VD、作为高电阻元件12和二极管13的连接点的电位的基准电位VREF。控制电路31，在电荷泵电路30的工作中，根据时钟CLK，按照使第1以及第2电荷输送用MOS晶体管M1、M2交替被导通关断的方式，来对它们的栅极电位进行控制。
另外，控制电路31，在电荷泵电路30的工作停止中，使第1以及第2电荷输送用MOS晶体管M1、M2双方均为导通，同时对第1电荷输送用MOS晶体管M1的导通电阻进行控制，以使所述电位VD与所述基准电位VREF相等。该控制，通过控制电路31中的运算放大器(未图示)进行。即，若设二极管13的正向阈值电压为VF，则驱动用MOS晶体管11的源漏间电压VD被控制为与VF相等。这样，可在驱动用MOS晶体管11中流有恒定电流。
接着，对上述的白色发光二极管的驱动电路的详细动作进行说明。首先，当电源电位VDD比给定值低时，使电荷泵电路30工作，从输出端子Pout输出-0.5VDD这种负的电位作为输出电位Vout。这样，由于给白色LED10和驱动用MOS晶体管10之间施加了1.5VDD大小的电压，因此能够驱动白色LED10。
这时，第1电荷输送用MOS晶体管M1的背栅G1，通过第1开关电路SW1，被设定为第1以及第2电荷输送用MOS晶体管M1、M2的连接点的电位X。(通过图1中的实线实施的连接)这样，可使第1电荷输送用MOS晶体管M1的背栅偏置效果得到抑制，同时通过寄生二极管D2发挥作用从而防止电流的逆流。
这时的电荷泵电路的动作的细节如下。首先，对时钟CLK为低电平时的动作进行说明。这时，由于时钟驱动器CD的M6导通、M7关断，因此翻转时钟*CLK为高电平(VDD电平)。另外，将M1、M4导通，将M2、M3、M5关断。
于是，以经过时钟驱动器CD的M6、电容器C1、M4、电容器C2、M1、接地电压VSS的路径，使电容器C1、C2被串联连接并充电。这样，电容器C1的第1端子被充电为电源电位VDD、其第2端子的电位V1被充电为+0.5VDD，电容器C2的第1端子的电位V3也被充电为+0.5VDD。
接着，对时钟CLK为高电平时的动作进行说明。这时，由于时钟驱动器CD的M7导通、M6关断，因此翻转时钟*CLK为低电平(VSS电平)。另外，将M1、M4关断，将M2、M3、M5导通。这样，从2条路径向输出端子提供-0.5VDD。1条路径为，从接地电位VSS，通过M3、电容器C2、M2，电容器C2的电荷被放电，并给输出端子Pout提供-0.5VDD。
其原因是，由于当时钟CLK为低电平时电容器C2的第1端子的电位V3被充电为+0.5VDD，因此通过导通M3，随着电位V3由+0.5VDD向接地电位VSS变化，通过电容器C2的电容耦合，电容器C2的第2端子的电位X，从接地电位VSS(0V)降压至-0.5VDD。
另一条路径为，从接地电位VSS，通过时钟驱动器CD的N沟道型MOS晶体管M7、第1电容器C1、M5，第1电容器C1的电荷被放电，并给输出端子Pout提供-0.5VDD。其原因是，虽然当时钟CLK为低电平时，第1电容器C1的第2端子的电压V1被充电为+0.5VDD，但时钟CLK变化至高电平后，通过导通M7，伴随电容器C1的第1端子的电位从电源电位VDD变化至接地电位VSS，通过电容器C1的电容耦合，电容器C1的第2端子的电位V1被从+0.5VDD降压至-0.5VDD。通过将该时钟CLK为低电平时的动作、和高电平时的工作交替重复，得到将电源电位VDD变为-0.5倍的-0.5VDD作为输出电位Vout。
接着，当电源电位VDD比给定值高时，停止电荷泵电路30的工作。即，停止时钟CLK，或者切断向电路的输入。然后，如上所述，将第1以及第2电荷输送用MOS晶体管M1、M2双方导通，同时控制第1电荷输送用MOS晶体管M1的导通电阻，使所述电位VD与所述基准电位VREF相等。
这样，驱动用MOS晶体管11中流有恒定电流。通过该动作，输出端子Pout的输出电位Vout，通过M1、M2的导通电阻，变得比接地电位VSS高。即，由于输出端子Pout的输出电位Vout为正，因此若不加改变，第1以及第2电荷输送用MOS晶体管M1、M2的寄生二极管D2、D3中会流有不需要的正向电流，输出端子Pout的输出电位Vout变得无法控制。
因此，通过第1开关电路SW1，切换为将第1电荷输送用MOS晶体管M1的背栅G1连接在接地电位VSS上(通过图1中的虚线实现的连接)。通过这样，寄生二极管D1被反向偏置，并能切断从输出端子Pout向接地电位VSS的二极管电流。
如上所述，根据本实施方式的电荷泵电路30，通过背栅G1的切换，在其输出端子Pout的输出电位Vout变为正电位、负电位的这种动作条件下，可消除二极管泄漏路径，并且对白色LED10的驱动电路进行适当控制。作为消除二极管泄漏路径的代替方法，也可考虑对第1以及第2电荷输送用MOS晶体管M1、M2，再追加1个串联连接MOS晶体管。
然而由此，电荷输送路径的MOS晶体管的导通电阻会增大，无法获得大输出电流。要抑制该导通电阻的增大，须将为了电荷输送已原本设计得较大的晶体管尺寸设计得更大，因而会导致布局图形面积的增大。根据本实施方式的电荷泵电路30，由于仅通过1个电荷输送用MOS晶体管的背栅G1的切换来应对，构成第1开关电路SW1的晶体管尺寸可较小，因此能够抑制布局图形面积的增大。
接着，参照图3对第1开关电路SW1的具体电路结构进行说明。图3为将图1的主要部分抽出的电路图，寄生二极管D1、D2、D3未图示。第1电荷输送用MOS晶体管M1的背栅G1和第1以及第2电荷输送用MOS晶体管M1、M2的连接点(电位X)之间，串联连接2个开关用N沟道型MOS晶体管MNA、MNB，另外第1电荷输送用MOS晶体管M1的背栅G1和接地电位VSS之间，串联连接有2个开关用N沟道型MOS晶体管MNC、MND。设MNA、MNB、MNC、MND的栅极电位，分别为NA、NB、NC、ND。
在电荷泵电路30工作后从输出端子Pout输出负电位(-0.5VDD)作为输出电位Vout的情况下，给NA、NB分别施加电源电位VDD，使MNA、MNB导通。另外，给NC施加电位X、给ND施加接地电位VSS，使MNC、MND关断。这样，第1电荷输送用MOS晶体管M1的背栅G1被设定为电位X。
另一方面，在电荷泵电路30停止工作从输出端子Pout输出正电位作为输出电位Vout的情况下，给NC、ND施加电源电位VDD，使MNC、MND导通。另外，给NA施加电位X、给NB施加电位VSS，使MNA、MNB关断。这样，第1电荷输送用MOS晶体管M1的背栅G1被设定为接地电位VSS。从而，能够在电荷泵电路30的工作中、工作停止中这双方之中，都不从输出端子Pout向接地电位VSS流入二极管电流。
接着，参照图4对本发明的第2实施方式中的电荷泵电路进行说明。该电荷泵电路30中，除第1实施方式的电路之外，在输出端子Pout和接地电位VSS之间，连接有N沟道型的下拉用MOS晶体管M8。如前文所述，当停止电荷泵电路的工作时，虽然令第1以及第2电荷输送用MOS晶体管M1、M2双方导通，但是有些情况下，输出电位Vout和接地电位VSS之间的阻抗无法充分降低，不能给白色LED10提供给定的恒定电流。
因此，当停止电荷泵电路的工作时，通过使下拉用MOS晶体管M8导通，来降低输出电位Vout和接地电位VSS之间的阻抗。下拉用MOS晶体管M8，在电荷泵电路工作中被设定为关断。另外，下拉用MOS晶体管M8的导通·关断，由控制电路31进行控制。
另外，与第1电荷输送用MOS晶体管M1同样，按照在下拉用MOS晶体管M8所附带的寄生二极管中不流有不需要的正向电流的方式设置第2开关电路SW2，其如下切换当电荷泵电路30停止工作时，将下拉用MOS晶体管M8的背栅G2与接地电位VSS连接；当电荷泵电路30工作时，将背栅G2与输出电位Vout连接。
接着，参照图4对第2开关电路SW2的具体电路结构进行说明。下拉用MOS晶体管M8的背栅G2和输出端子Pout之间，串联连接有2个开关用N沟道型MOS晶体管MN1A、MN1B，另外下拉用MOS晶体管M8的背栅G2与接地电位VSS之间，串联连接有2个开关用N沟道型MOS晶体管MN1C、MN1D。设MN1A、MN1B、MN1C、MN1D的栅极电位分别为N1A、N1B、N1C、N1D。
在电荷泵电路30工作从输出端子Pout输出负电位(-0.5VDD)作为输出电位Vout的情况下，给N1A、N1B分别施加电源电位VDD，使MN1A、MN1B导通。另外，给N1C施加输出电位Vout，给N1D施加接地电位VSS，使MN1C、MN1D关断。这样，下拉用MOS晶体管M8的背栅G2被设定为输出电位Vout。
另一方面，在电荷泵电路30停止工作从输出端子Pout输出正电位作为输出电位Vout的情况下，给N1C、N1D施加电源电位VDD，使MN1C、MN1D导通。另外，给N1A施加输出电位Vout，给N1B施加接地电位VSS，使MN1A、MN1B关断。这样下拉用MOS晶体管M8的背栅G2被设定为接地电位VSS。从而，能够在电荷泵电路30的工作中、工作停止中这双方中，都没有因寄生二极管产生的正向电流从输出端子Pout流入接地电位VSS。另外，本发明的第2开关电路SW2，也可以由MN1B和MN1C这2个N沟道型晶体管构成。
接着，参照图5对本发明的第3实施方式中的电荷泵电路进行说明。该电荷泵电路，为将正的升压电位从输出端子Pout输出的电路。P沟道型的第1以及第2电荷输送用MOS晶体管M11、M12被串联连接。给第1电荷输送用MOS晶体管的源极提供电源电位VDD。另外，第1以及第2电荷输送用MOS晶体管M11、M12的连接点上连接有电容器C的第1端子，电容器C的第2端子上被施加由CMOS反相器构成的时钟驱动器CD的输出。MR为输出端子Pout和接地电位VSS之间连接的N沟道型复位用MOS晶体管。
给时钟驱动器CD的输入施加时钟CLK。并且，第1电荷输送用MOS晶体管M11的背栅G3，构成为通过开关电路SW3，在电荷泵电路的工作中设定为第1以及第2电荷输送用MOS晶体管M11、M12的连接点的电位Y，在电荷泵电路的工作停止中设定为电源电位VDD。
开关电路SW3的具体电路结构如下所述。第1电荷输送用MOS晶体管M11的背栅G3和第1以及第2电荷输送用MOS晶体管M11、M12的连接点(设该电位为电位Y)之间，串联连接2个开关用P沟道型MOS晶体管MPA、MPB，另外第1电荷输送用MOS晶体管M11的背栅G3和电源电位VDD之间，串联连接2个开关用P沟道型MOS晶体管MPC、MPD。设MPA、MPB、MPC、MPD的栅极电位分别为PA、PB、PC、PD。
在该电荷泵电路工作从输出端子Pout输出正电位(例如2VDD)作为输出电位Vout的情况下，给PA、PB分别施加接地电位VSS，使MPA、MPB导通。另外，给PC施加电位Y、给PD施加电源电位VDD，使MPC、MPD关断。这样，第1电荷输送用MOS晶体管M11的背栅G3被设定为电位Y。复位用MOS晶体管MR，通过栅极信号R被设定为低电平而被设定为关断。
另一方面，在该电荷泵电路停止工作的情况下，将复位用MOS晶体管R设定为导通。然后，给PC、PD施加接地电位VSS，使MPC、MPD导通。另外，给PA施加电位Y、给PB施加电源电位VDD，使MPA、MPB关断。这样，第1电荷输送用MOS晶体管M11的背栅G3被设定为电源电位VDD。
这样，由于在电荷泵电路工作中，形成如图6(a)所示的寄生二极管，因此不会有二极管电流从输出端子Pout流入电源电位VDD。另外，由于在工作停止中，形成如图6(b)所示的寄生二极管，因此输出端子Pout被复位为接地电位VSS，同时能够令二极管电流不从电源电位VDD流入输出端子Pout(接地电位VSS)。这样，降低了电荷泵电路在工作停止时的功耗。
作为消除该电荷泵电路的二极管泄漏路径的代替方法，如图7所示，可考虑对第1以及第2电荷输送用MOS晶体管M11、M12，再追加一个串联连接MOS晶体管13。但是由此，电荷输送路径的MOS晶体管的导通电阻会增大，得不到大输出电流。
要抑制该导通电阻的增大，须将为了电荷输送本来已设计得较大的晶体管尺寸设置得更大，从而导致布局图形面积的增大。根据本实施方式的电荷泵电路30，由于仅通过1个电荷输送用MOS晶体管的背栅G3的切换来应对，构成开关电路SW3的晶体管尺寸较小即可，因此能够抑制布局图形面积的增大。
权利要求
1.一种电荷泵电路，其特征在于具备第1电荷输送用MOS晶体管，其被施加输入电位；第2电荷输送用MOS晶体管，其与所述第1电荷输送用MOS晶体管串联连接；电容器，其与所述第1以及第2电荷输送用MOS晶体管电容耦合；时钟驱动器，其给所述电容器提供时钟；控制电路，其对所述第1以及第2电荷输送用MOS晶体管的导通进行控制；以及，第1开关电路，其进行切换，来将所述第1电荷输送用MOS晶体管的背栅，设定为所述第1以及第2电荷输送用MOS晶体管的连接点的电位和所述输入电位的任意一方的电位，从所述第2电荷输送用MOS晶体管获得输出电位。
2.根据权利要求1所述的分电荷泵电路，其特征在于，所述第1开关电路，在电荷泵电路的工作中，将所述第1电荷输送用MOS晶体管的背栅设定为所述第1以及第2电荷输送用MOS晶体管的连接点的电位；在电荷泵电路工作停止中，将所述第1电荷输送用MOS晶体管的背栅设定为所述输入电位。
3.根据权利要求1或2所述的电荷泵电路，其特征在于，具备下拉用MOS晶体管，其连接在所述输出电位和接地电位之间；以及，第2开关电路，其在电荷泵电路的工作中，将所述下拉用MOS晶体管的背栅设定为所述输出电位；在电荷泵电路的工作停止中，将所述下拉用MOS晶体管的背栅设定为接地电位。
4.根据权利要求1或2所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第1开关电路，由连接在所述第1电荷输送用MOS晶体管的背栅和所述第1以及第2电荷输送用MOS晶体管的连接点之间的第1开关；以及，连接在所述第1电荷输送用MOS晶体管的背栅和所述输入电位之间的第2开关，构成。
5.根据权利要求4所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第1开关，由串联连接的第1以及第2控制用MOS晶体管构成。
6.根据权利要求5所述的电荷泵电路，其特征在于，当令所述第1开关为导通时，对所述第1以及第2控制用MOS晶体管的栅极施加第1电位；当令所述第1开关关断时，对所述第1控制用MOS晶体管的栅极施加所述第1以及第2电荷输送用MOS晶体管的连接点的电位，同时对所述第2控制用MOS晶体管的栅极施加所述输入电位。
7.根据权利要求4所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第2开关，由串联连接的第3以及第4控制用MOS晶体管构成。
8.根据权利要求7所述的电荷泵电路，其特征在于，当令所述第2开关导通时，对所述第3以及第4控制用MOS晶体管的栅极施加第1电位；当令所述第2开关关断时，对所述第3控制用MOS晶体管的栅极施加所述第1以及第2电荷输送用MOS晶体管的连接点的电位，同时对所述第4控制用MOS晶体管的栅极施加所述输入电位。
全文摘要
第1电荷输送用MOS晶体管(M1)以及第2电荷输送用MOS晶体管(M2)为N沟道型，彼此串联连接。给第1电荷输送用MOS晶体管(M1)的源极提供接地电位(VSS)，从作为第2电荷输送用MOS晶体管(M2)的漏极的输出端子(Pout)获得输出电位。第1电荷输送用MOS晶体管(M1)的背栅(G1)，构成为通过第1开关电路(SW1)，设定为第1以及第2电荷输送用MOS晶体管(M1)、(M2)的连接点的电位(X)和作为输入电位的接地电位(VSS)的任意一方的电位。这样，切断电荷输送用MOS晶体管的寄生二极管的泄漏路径，并防止功耗的增加，同时防止电路陷于不可控制的状态。
文档编号H02M3/07GK1744417SQ20051009780
公开日2006年3月8日 申请日期2005年8月30日 优先权日2004年8月30日
发明者河井周平 申请人:三洋电机株式会社