JP2007166788A - 昇圧回路 - Google Patents

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暁翔 陳
Akira Umezawa
明 梅沢
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泰彦 本多
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Abstract

【課題】省電力化を図ることができ、しかも、安定した回路動作を行うことができる昇圧回路を提供する。
【解決手段】昇圧回路は、基準電位を出力する基準電位回路と、基準電位と出力電圧に対応する電圧とを比較する比較器と、電源電圧を昇圧して出力電圧として出力する昇圧手段であって、比較器の出力によって動作/不動作が制御される昇圧手段とから構成される。そして、比較器が、基準電位と前記出力電圧に対応する電圧とを比較し比較結果を昇圧手段へ出力する差動増幅手段(P8、P9)と、差動増幅手段の駆動電流を流す定電流回路であって、昇圧手段が動作の時駆動電流をオン、不動作の時駆動電流をオフとする定電流回路(N5、N6)と、昇圧手段が不動作の時差動増幅手段へ駆動電流より小さい電流を流す電流回路(P21,N21、N22)とから構成される。
【選択図】図1

Description

本発明は、主としてLSI(大規模集積回路)の内部に用いられる昇圧回路に関する。
近年のLSI(大規模集積回路)においては、回路内部において3V、5V、10Vというような異なる電位値を持つ多値電源が要求される場合が多い。従来、このような多値電源が要求される場合、LSI外部において複数の電源を生成してLSIへ供給するようになっていた。しかし、最近は、LSIへ供給する電源は単一電源であり、LSI内部において多値電源を生成することが要求されている。さらに、近年は、持ち運びが便利なモバイル用途のため、LSIに対してバッテリー駆動の要求が強く、低電圧化、低消費電力化の要求が強くなってきている。このような要求を受け、近年、低電圧、低消費電力の昇圧回路が開発されている。
図5はLSI内部に形成される昇圧回路の構成例を示すブロック図である。この図において、符号1−1、1−2、・・・1−kは内部昇圧回路であり、直流電位Vinを昇圧して内部電位V1、V2、・・・Vkを生成する。2は内部昇圧回路1−1〜1−kへ基準電位を与える基準電位回路である。図6はこの基準電位回路2の構成を示す回路図であり、BGR(Band Gap Reference)回路と呼ばれる。この回路は、差動増幅を行うNch(Nチャネル)トランジスタ3、4と、トランジスタ3、4の負荷となるPch(Pチャネル)トランジスタ5、6と、差動出力がゲートへ加えられるPchトランジスタ7と、定電流源8と、抵抗9〜11と、ダイオード12と、複数のダイオードをシリーズ接続して構成されたダイオードユニット13から構成され、温度補償された基準電位Vrefを出力する。
次に、内部昇圧回路1−1の構成を説明する。なお、内部昇圧回路1−2〜1ーkの構成も同様である。
内部昇圧回路1−1において、符号21は発振器であり、比較器22の出力が”H(ハイ)”レベルの時クロックパルスCLK1、CLK2を生成し、ポンプ回路23へ出力する。ここで、クロックパルスCLK2はクロックパルスCLK1を反転したパルスである。ポンプ回路23は、チャージポンプ回路と言われるもので、入力電位Vinを昇圧して内部電位V1として出力する。図7はその詳細を示す回路図であり、この図において、24−1〜24−mはダイオード、25−1〜25−(m−1)はコンデンサである。
この回路において、クロックパルスCLK2が”L(ロー)”(0V)の時、コンデンサ25−1にダイオード24−1を介して電圧Vinが充電され、クロックパルスCLK2が”H”(電圧Vin)、CLK1が”L”になると、コンデンサ25−1のダイオード側電圧が2Vinとなり、この電圧2Vinによってコンデンサ25−2が充電される。次に、クロックパルスCLK1が”H”、クロックパルスCLK1が”L”になると、コンデンサ25−2のダイオード側電圧が3Vinになり、この電圧3Vinによってコンデンサ25−3が充電される。以下、同様の動作が繰り返され、これにより、内部電位V1として(m−1)Vinなる電位が出力される。
次に、図5に示すデバイダ27は、ポンプ回路23の出力電位V1を分圧した電圧VmonAを比較器22へ出力する。比較器22は、デバイダ27の出力電圧VmonAと基準電位回路2から出力される基準電位Vrefとを比較し、電圧VmonAが電圧Vrefより小の場合に”H”を、大の場合に”L”を発振器21へ出力する。
図8は比較器22の構成を示す回路図である。この図において、P1〜P11はPchトランジスタ、N1〜N8はNchトランジスタ、31は抵抗、32はインバータである。トランジスタP1〜P4、N1〜N4、抵抗31はウイルソンバイアス回路を構成し、バイアス電圧OpbiasをトランジスタN5およびN7へ出力する。トランジスタP5〜P9、N5、N6は、電圧VmonAと基準電位Vrefとを比較する差動回路を構成している。トランジスタP10、N7、N8は差動回路の出力を増幅する増幅回路を構成している。また、トランジスタP11およびインバータ32が波形成形回路を構成している。また、トランジスタP1、P5、N1の各ゲートには、信号Disableが加えられ、トランジスタN4、N6、N8、P11の各ゲートには信号Enableが加えられる。ここで、信号Enableはポンプ回路23が動作中において”H”、不動作中において”L”となる信号であり、また、信号Disableは信号Enableを反転した信号である。
図9は上述した内部昇圧回路1−1の各部の波形図である。デバイダ27の出力電圧VmonAが基準電位Vrefより低い時は、比較器22の出力が”H”となり(図9(b)、(c)参照)、発振器21がクロックパルスCLK1、CLK2をポンプ回路23へ出力する。これにより、ポンプ回路23の出力電圧V1が逐次上昇し(図9(a)参照)、これに伴い、デバイダ27の出力電圧VmonAが徐々に上昇する(図9(b))。そして、電圧VmonAが基準電位Vrefを越えると、比較器22の出力が”L”となり(図9(c))、発振器21のクロックパルスCLK1、2がオフとなる(図9(d))。クロックパルスCLK1、2がオフとなると、ポンプ回路23における昇圧動作が停止し、その出力電圧V1が徐々に下降し、それに伴い、デバイダ27の出力電圧VmonAも徐々に下降する。そして、電圧VmonAが基準電圧Vrefより小になると、再び、比較器22の出力が”H”となり、ポンプ回路23の昇圧動作が行われ、以下、上述した動作が繰り返される。
また、上述した動作の過程において、ポンプ回路23の昇圧動作が停止すると、図8に示す信号Enableが”L”、信号Disableが”H”となる。これにより、比較器22のトランジスタP1、P5、N4、N6、N8がオフとなり(×印参照)、これらのトランジスタが挿入されているラインがオフとなる。これにより、ポンプ回路23の昇圧動作停止時に比較器22において無駄な電力が消費されるのを防止している。
ところで、上述した昇圧回路には次の問題がある。
すなわち、上述した比較器22のトランジスタP1、P5、N4、N6、N8をポンプ回路23の昇圧/停止動作の繰り返しに合わせてオン/オフすると、比較器22の差動対トランジスタP8、P9の入力電圧Vref、VmonAがトランジスタのしきい値Vthより大きいので、差動対トランジスタP8、P9が導通したままとなる。これにより、差動対トランジスタP8、P9の各ソースの接続点NOの電圧が図10(a)に波形A1で示すように大きく変動する。なお、図10(a)において、波形A2はトランジスタP1、P5、N4、N6、N8のオン/オフを行わない場合(常時オンの場合)の接続点NOの波形である。
そして、接続点NOの変動は寄生容量などを通して基準電位回路2の出力電圧Vrefに影響を与える。図10(b)は基準電位Vrefの変動を示す波形図であり、トランジスタP1、P5、N4、N6、N8のオン/オフ動作周期が短いとき、同図に波形B1で示すように、基準電位Vrefの電位変動が大きい。なお、図10(b)における波形B2はトランジスタP1、P5、N4、N6、N8のオン/オフを行わない場合である。
次に、このような現象が起きる理由を図11、図12を参照して説明する。
図11は比較器22の要部と基準電位回路2の接続関係を示す図である。この図に示すように、比較器22のトランジスタP9のソース−ゲート間には浮遊容量C1が存在し、また、比較器22の入力端と基準電位回路2の出力端とを結ぶラインと接地間には浮遊容量C2が存在する。これらの容量を考慮し、比較器22と基準電位回路2とを接続する回路を等価的に表すと、図11下部に示す回路となる。この回路において、抵抗Raと定電流回路Tは基準電位回路2のトランジスタ7を等価的に表しており、また、抵抗R2は基準電位回路2の抵抗9〜11と、ダイオード12、13を等価的に表している。
そして、この回路はさらに図12(a)に示す等価回路によって表すことができる。この等価回路におけるコンデンサC1、C2のインピーダンスZ1、Z2はそれぞれ、
Z1=1/ωC1
Z2=1/ωC2
であり、また、インピーダンスZ2と抵抗R2の並列回路のインピーダンスKは、
K=R2‖Z2
と表すことができる。図12(b)に、これらのインピーダンスによる等価回路を示す。
次に、図12(b)を用いて基準電位Vrefの変動の理由を説明する。
まず、トランジスタP1、P5、N4、N6、N8のオン/オフ動作がない場合は、コンデンサC1、C2がオープンと考えられることから、基準電位Vrefは、
Vref=R2×VDD/(R1+R2)・・・(1)
なる式によって表される。一方、トランジスタP1、P5、N4、N6、N8のオン/オフ動作が繰り返される時は、基準電位Vrefは、コンデンサC1、C2の影響を受けるので、
Vref=K×VDD/(R1+K)+K×Vn/(K+Z1)・・・(2)
なる式によって表される。なお、Vnは接続点NOの電圧である。
トランジスタP1、P5、N4、N6、N8のオン/オフ動作が繰り返される場合、
K=(R2‖Z2)<R2
であり、
式(2)の第1項<式(1)の第1項
となる。また、コンデンサC2の容量はコンデンサC1の容量よりはるかに大きく、約100倍と考えられることから、
C2=100・C1
なる式が得られ、この式から
Z2=0.01・Z1
なる式が得られる。この式から、
K≦0.01・Z1
なる関係が得られる。
さらに、Vn≒VDD/2であるので、式(2)の第2項は、
第2項≒0.005・VDD
となり、無視することができる。
以上の結果、トランジスタP1、P5、N4、N6、N8のオン/オフ動作が繰り返される時は、コンデンサC1、C2の働きによって、基準電位Vrefがトランジスタのオン/オフがない時より大きく変動する(図10(b)の符号B1参照)。この変動は、コンデンサC2の容量が大きくなれば、インピーダンスKが小さくなることから、さらに顕著になる。図13はコンデンサC2の容量による変動の違いを示す図であり、符号D1は容量が大きい場合、D2は容量がそれより小さい場合である。
なお、この種の昇圧回路が記載された従来の文献として特許文献1が知られている。
特開平10−302492号公報
上述したように、LSIの省電力化のため、内部昇圧回路の比較器のトランジスタをオン/オフ制御すると、基準電位Vrefが変動してしまう。LSIの中には多くの内部昇圧回路が含まれ、これら内部電位回路の基準電位は同一の基準電位回路によることから、一系統の内部昇圧回路のトランジスタのオン/オフによる基準電位Vrefの変動は、他系統の内部電位値に大きな影響を与え、これにより、多数の内部昇圧回路の動作が不安定になる問題がある。
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、省電力化を図ることができ、しかも、安定した回路動作を行うことができる昇圧回路を提供することにある。
この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、基準電位を出力する基準電位回路と、前記基準電位と出力電圧に対応する電圧とを比較する比較器と、電源電圧を昇圧して前記出力電圧として出力する昇圧手段であって、前記比較器の出力によって動作/不動作が制御される昇圧手段とを具備する昇圧回路において、前記比較器が、前記基準電位と前記出力電圧に対応する電圧とを比較し比較結果を前記昇圧手段へ出力する差動増幅手段と、前記差動増幅手段の駆動電流を流す定電流回路であって、前記昇圧手段が動作の時駆動電流をオン、不動作の時駆動電流をオフとする定電流回路と、前記昇圧手段が不動作の時前記差動増幅手段へ前記駆動電流より小さい電流を流す電流回路とからなることを特徴とする昇圧回路である。
請求項2に記載の発明は、基準電位を出力する基準電位回路と、前記基準電位と出力電圧に対応する電圧とを比較する比較器と、電源電圧を昇圧して前記出力電圧として出力する昇圧手段であって、前記比較器の出力によって動作/不動作が制御される昇圧手段とを具備する昇圧回路において、前記比較器が、対となる第1、第2の増幅素子を具備し、前記基準電位と前記出力電圧に対応する電圧とを比較し比較結果を前記昇圧手段へ出力する差動増幅手段と、前記差動増幅手段の駆動電流を流す定電流回路であって、前記昇圧手段が動作の時駆動電流をオン、不動作の時駆動電流をオフとする定電流回路と、 前記昇圧手段が不動作の時前記差動増幅手段の一方の増幅素子へ前記駆動電流より小さい電流を流す電流回路とからなることを特徴とする昇圧回路である。
請求項3に記載の発明は、基準電位を出力する基準電位回路と、前記基準電位と出力電圧に対応する電圧とを比較する比較器と、電源電圧を昇圧して前記出力電圧として出力する昇圧手段であって、前記比較器の出力によって動作/不動作が制御される昇圧手段とを具備する昇圧回路において、前記比較器が、前記基準電位と前記出力電圧に対応する電圧とを比較し比較結果を前記昇圧手段へ出力する差動増幅手段と、前記差動増幅手段の駆動電流を流す定電流回路であって、前記昇圧手段が動作の時駆動電流をオン、不動作の時駆動電流をオフとする定電流回路と、前記定電流回路へバイアス電圧を供給するラインを、前記昇圧手段が不動作の時オフとするスイッチ手段と、前記定電流回路と前記差動増幅手段との接続点の電位を前記昇圧手段が不動作となった後一定時間保持するコンデンサとからなることを特徴とする昇圧回路である。
この発明による昇圧回路は、省電力化を図ることができ、かつ、基準電位の変動が少なく、安定した回路動作を行うことができる。
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図1はこの発明の第1の実施の形態による昇圧回路において用いられる比較器の構成を示すブロック図である。この第1の実施形態による昇圧回路のブロック構成は図5と同じであり、比較器の構成のみが従来の昇圧回路と異なっている。
図1に示す回路が図8に示す従来の比較器と異なる点は、次の点である。
(1)トランジスタP5と並列にPchトランジスタP21を設けている。このトランジスタP21は、そのゲートへ接地電位が加えられており、抵抗として機能する。
(2)トランジスタP7のソースとトランジスタP10のソースとの接続を除き、トランジスタP10のソースと電源電圧VDDの間にPchトランジスタP22を挿入している。このトランジスタP22のゲートへ信号Disableが加えられ、これにより、このトランジスタP22はポンプ回路の動作時にオン、不動作時にオフとなる。
(3)接続点NOと接地ラインとの間に、NchトランジスタN21、N22のシリーズ接続回路を挿入している。この場合、トランジスタN21のゲートへはバイアス電圧Opbiasが加えられる。また、トランジスタ22は、そのゲートへ電源電圧VDDが加えられ、抵抗として機能する。
このような構成において、ポンプ回路動作時の動作は、トランジスタP10の電流がトランジスタP22を介して供給される点を除き、図8の回路とほぼ同じである。一方、ポンプ回路の不動作時においては、すべての定電流パスが停止するのではなく、待機電流要求値に対し、その許される範囲内で差動対のトランジスタP8、P9のみに、トランジスタP21、N21、N22のルートを介して定格電流の約1/10の定電流を流す。これにより、接続点NOの電位変動を減少させている。
次に、この発明の第2の実施形態について説明する。図2は第2の実施形態による昇圧回路において用いられる比較器の構成を示すブロック図である。なお、比較器以外の構成は従来のものと同様である。図2に示す比較器が図1に示す比較器と異なる点は、図1におけるトランジスタP6、P7の各ソース間を接続する線が除去され、トランジスタP5のドレインがトランジスタP7のソースに接続されている点である。
この回路においても、第1の実施形態と同様に、ポンプ回路の停止時にトランジスタP21、N21、N22のルートを介して定格電流の約1/10の定電流を流す。これにより、接続点NOの電位変動を減少させている。但し、接続点NOの電位保持の観点から、差動対は片側動作すればよいので、ポンプ回路停止時にはトランジスタP6、P8のラインにのみ電流を流し、トランジスタP7、P9のラインの電流をトランジスタP5によってオフとしている。
次に、この発明の第3の実施形態について説明する。図3は第3の実施形態による昇圧回路において用いられる比較器の構成を示すブロック図である。なお、比較器以外の構成は従来のものと同様である。図3に示す比較器が図8に示す従来の比較器と異なる点は、次の点である。
(1)トランジスタP7のソースとトランジスタP10のソースとの接続を除き、トランジスタP10のソースと電源電圧VDDの間にPchトランジスタP25を挿入している。このトランジスタP25のゲートへ信号Disableが加えられ、これにより、このトランジスタP22はポンプ回路の動作時にオン、不動作時にオフとなる。
(2)トランジスタN3、P4の接続点とトランジスタN5のゲートとの間に半導体スイッチ40を挿入している。この半導体スイッチ40は、ポンプ回路の動作時にオン、不動作時にオフとなる。
(3)トランジスタN5のゲートと接地間およびトランジスタN5のソースと接地間にそれぞれコンデンサ41、42を追加している。
この実施形態においては、ポンプ回路の停止時において、差動段の定電流パスを完全にシャットダウンする。但し、定電流源用トランジスタN5のオン/オフ前後の電位関係を保持するため、半導体スイッチ40、電位保持用のコンデンサ41、42を設けている。
図4は上述した第1〜第3の実施形態の効果を示す図である。この図において、波形E4は従来の回路(図8)における基準電位Vrefの変動を示し、波形E1〜E3はそれぞれ第1〜第3の実施形態における基準電位Vrefの変動を示している。この図から明らかなように、第1〜第3の実施形態によれば、いずれの回路も基準電位Vrefの変動が従来の回路より少ない。特に、第1の実施形態の回路の変動が少なく、変動抑制の効果が大きい。
この発明は、主としてLSI内部の電源回路に用いられる。
この発明の第1の実施形態による昇圧回路において用いられる比較器の構成を示す回路図である。 この発明の第2の実施形態による昇圧回路において用いられる比較器の構成を示す回路図である。 この発明の第3の実施形態による昇圧回路において用いられる比較器の構成を示す回路図である。 この発明の第1〜第3の実施形態の効果を説明するための波形図である。 従来の昇圧回路の構成を示すブロック図である。 同昇圧回路における基準電位回路2の構成を示す回路図である。 同昇圧回路におけるポンプ回路23の構成を示す回路図である。 同昇圧回路における比較器22の構成を示す回路図である。 同昇圧回路の各部の波形を示す波形図である。 同昇圧回路の問題点を説明するための波形図である。 同昇圧回路における比較器22の要部と基準電位回路2の接続関係を示す図である。 同昇圧回路における比較器22の要部と基準電位回路2の接続部の等価回路図である。 同昇圧回路の問題点を説明するための波形図である。
符号の説明
P1〜P11、P21、P22、P25…Pchトランジスタ
N1〜N8、N21、N22…Nchトランジスタ
40…半導体スイッチ
41、42…コンデンサ

Claims (3)

  1. 基準電位を出力する基準電位回路と、
    前記基準電位と出力電圧に対応する電圧とを比較する比較器と、
    電源電圧を昇圧して前記出力電圧として出力する昇圧手段であって、前記比較器の出力によって動作/不動作が制御される昇圧手段と、
    を具備する昇圧回路において、
    前記比較器が、
    前記基準電位と前記出力電圧に対応する電圧とを比較し比較結果を前記昇圧手段へ出力する差動増幅手段と、
    前記差動増幅手段の駆動電流を流す定電流回路であって、前記昇圧手段が動作の時駆動電流をオン、不動作の時駆動電流をオフとする定電流回路と、
    前記昇圧手段が不動作の時前記差動増幅手段へ前記駆動電流より小さい電流を流す電流回路と、
    からなることを特徴とする昇圧回路。
  2. 基準電位を出力する基準電位回路と、
    前記基準電位と出力電圧に対応する電圧とを比較する比較器と、
    電源電圧を昇圧して前記出力電圧として出力する昇圧手段であって、前記比較器の出力によって動作/不動作が制御される昇圧手段と、
    を具備する昇圧回路において、
    前記比較器が、
    対となる第1、第2の増幅素子を具備し、前記基準電位と前記出力電圧に対応する電圧とを比較し比較結果を前記昇圧手段へ出力する差動増幅手段と、
    前記差動増幅手段の駆動電流を流す定電流回路であって、前記昇圧手段が動作の時駆動電流をオン、不動作の時駆動電流をオフとする定電流回路と、
    前記昇圧手段が不動作の時前記差動増幅手段の一方の増幅素子へ前記駆動電流より小さい電流を流す電流回路と、
    からなることを特徴とする昇圧回路。
  3. 基準電位を出力する基準電位回路と、
    前記基準電位と出力電圧に対応する電圧とを比較する比較器と、
    電源電圧を昇圧して前記出力電圧として出力する昇圧手段であって、前記比較器の出力によって動作/不動作が制御される昇圧手段と、
    を具備する昇圧回路において、
    前記比較器が、
    前記基準電位と前記出力電圧に対応する電圧とを比較し比較結果を前記昇圧手段へ出力する差動増幅手段と、
    前記差動増幅手段の駆動電流を流す定電流回路であって、前記昇圧手段が動作の時駆動電流をオン、不動作の時駆動電流をオフとする定電流回路と、
    前記定電流回路へバイアス電圧を供給するラインを、前記昇圧手段が不動作の時オフとするスイッチ手段と、
    前記定電流回路と前記差動増幅手段との接続点の電位を前記昇圧手段が不動作となった後一定時間保持するコンデンサと、
    からなることを特徴とする昇圧回路。
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