專利名稱：電荷泵電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電荷泵電路，特別涉及用于電源電路等的大電流輸出的電荷泵電路。
背景技術(shù)：
近年來(lái)的錄像機(jī)、數(shù)字靜像攝影機(jī)(DSC)、DSC電話等的影像設(shè)備為了攝入影像而采用CCD(電荷耦合器件Charge Coupled Devices)。用于驅(qū)動(dòng)CCD的CCD驅(qū)動(dòng)電路需要正、負(fù)的高電壓(十幾伏)且大電流(數(shù)mA)的電源電路。該高電壓通過(guò)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器而生成。
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可高性能、即高效率(輸出功率/輸入功率)地生成高電壓。但是，該電路的缺點(diǎn)是在電流開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生高次諧波噪聲，必須屏蔽使用電源電路。而且需要作為外部元件的線圈。
因此，近年來(lái)迪克遜電荷泵電路作為攜帶設(shè)備用電源電路受到注目。該電路例如在技術(shù)文獻(xiàn)(John F.Dickson On-chip High-Voltage Generation inMNOS Integrated Circuits Using an Improved Voltage Multiplier Technique IEEEJOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS，VOL.SC-11，NO.3 pp.374-378 JUNE1976.)中有詳細(xì)記載。
圖11表示4級(jí)的迪克遜電荷泵裝置的電路圖。二極管D1～D5串聯(lián)連接。C1～C4是與各二極管D1～D5的連接點(diǎn)連接的耦合電容器(CouplingCapacitor)，CL為輸出電容器(Output Capacitor)，CLK和CLKB為相互反相的輸入時(shí)鐘脈沖。而且，51為輸入CLK和CLKB的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器，52為電流負(fù)載。電源電壓Vdd被提供給時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器51。因此，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器51輸出的時(shí)鐘脈沖φ1、φ2的輸出振幅約為Vdd。將時(shí)鐘脈沖φ1提供給電容器C2、C4，將時(shí)鐘脈沖φ2提供給電容器C1、C3。
在穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出端流過(guò)定電流Iout時(shí)，電荷泵電路的輸入電流為來(lái)自輸入電壓Vin的電流和由時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器提供的電流。如果無(wú)視對(duì)寄生電容的充放電電流，則這些電流如下。在φ1為高(High)、φ2為低(Low)期間，在圖中的實(shí)線箭頭方向分別流過(guò)2Iout的平均電流。
而且，在φ1為低(Low)、φ2為高(High)期間，在圖中的虛線箭頭方向流過(guò)2Iout的平均電流。時(shí)鐘周期中其各平均電流都為Iout。穩(wěn)定狀態(tài)下的電荷泵裝置的升壓電壓Vout以下式表示Vout＝Vin-Vd+n(Vφ’-V1-Vd)這里，Vφ’為各連接節(jié)點(diǎn)中隨時(shí)鐘脈沖的變化而由耦合電容產(chǎn)生的電壓振幅。V1為因輸出電流Iout而產(chǎn)生的電壓下降，Vin為輸入電壓，通常正升壓時(shí)為電源電壓Vdd，負(fù)升壓時(shí)為0伏。Vd為正向偏置二極管電壓(Forward biasdiode voltage)，n為泵級(jí)數(shù)。而且，V1和Vφ’由下式表示。
V1＝Iout/f(C+Cs)＝(2IoutT/2)/(C+Cs)Vφ’＝VφC/(C+Cs)這里，C為耦合電容器C1～C4具有的電容量，Cs為各連接節(jié)點(diǎn)中寄生電容的電容值(stray capacitance at each node)，Vφ為時(shí)鐘脈沖的振幅(clockpulse amplitude)，f為時(shí)鐘脈沖的頻率，T為時(shí)鐘周期(clock period)。如果無(wú)視從時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器流向寄生電容的充放電電流，設(shè)Vin＝Vdd，則電荷泵裝置的效率以下式表示。
η＝Vout Iout/((n+1)Vdd Iout)＝Vout/((n+1)Vdd)這樣，迪克遜電荷泵電路，以二極管作為電荷傳送元件(charge transferdevice)、通過(guò)將電荷漸次向次級(jí)傳送進(jìn)行升壓。迪克遜電荷泵具有不需要線圈和噪聲低的長(zhǎng)處，但具有效率低和不能輸出大電流的缺點(diǎn)。
因此，本發(fā)明人改良了迪克遜電荷泵電路，開(kāi)發(fā)了具有高效率和大電流輸出(數(shù)mA)的電荷泵電路。該改良的電荷泵電路不采用二極管，而采用電荷傳送用MOS晶體管，在該電荷傳送用MOS晶體管的柵極中設(shè)置提供電平位移到高電壓的時(shí)鐘的電平位移電路，以降低電荷傳送用MOS晶體管的導(dǎo)通電阻。
日本特開(kāi)2001-286125號(hào)公報(bào)發(fā)明內(nèi)容但是，在使該電荷泵電路實(shí)用化時(shí)，突入電流(Inrush Current)成為問(wèn)題。即，在電荷泵電路開(kāi)始工作時(shí)，對(duì)各耦合電容器進(jìn)行的充電并不是只充電到必要的量。給電荷泵電路的電荷傳送元件提供輸入電源，并使時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器工作，規(guī)定時(shí)間后，各耦合電容被充電必要的電荷。因此，從使電荷泵電路開(kāi)始工作到電荷泵電路達(dá)到正常工作狀態(tài)之間的期間，從輸入電源以及時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器電源流入100mA～1A的大突入電流。另一方面，電荷泵電路的電源、即輸入電源以及時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器電源一般采用穩(wěn)壓電源，該穩(wěn)壓電源還向系統(tǒng)的其他電路提供電源。
因此，如果電荷泵電路流過(guò)這樣的過(guò)大的突入電流，則穩(wěn)壓電源變得不穩(wěn)定，使其他電路不能正常工作，該穩(wěn)壓電源的保護(hù)電路動(dòng)作，導(dǎo)致電流供給停止，有其他電路不工作的問(wèn)題。
這里，本發(fā)明人對(duì)上述突入電流的原因認(rèn)真研究后，判明耦合電容的充放電電流是支配性的。即判明電荷泵電路的電源被提供給下列3個(gè)電路部分①作為電荷泵電路輸入部的初級(jí)電荷傳送用MOS晶體管；②給電容器提供時(shí)鐘的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器；③電平位移電路，但其中流過(guò)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器電源的電流是支配性的。
本發(fā)明的電荷泵電路，設(shè)置第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器和具有比第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器，還設(shè)置時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器控制電路首先使第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器工作，經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間后，使第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器工作。由此可抑制工作開(kāi)始時(shí)流入時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器電源的突入電流，因此可降低電荷泵電路整體的突入電流，可防止對(duì)其他電路的不良影響。
根據(jù)本發(fā)明，可降低電荷泵電路工作開(kāi)始時(shí)產(chǎn)生的突入電流，可防止對(duì)其他電路的不良影響。
圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式的電荷泵電路的電路圖。
圖2是表示圖1的控制電路以及時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70的具體例的電路圖。
圖3是本發(fā)明的實(shí)施方式的其他電荷泵電路的電路圖。
圖4是表示圖1的反轉(zhuǎn)電平位移電路S1、S2的電路結(jié)構(gòu)以及工作波形的圖。
圖5是表示圖1的非反轉(zhuǎn)電平位移電路S3、S4的電路結(jié)構(gòu)以及工作波形的圖。
圖6是表示圖1的時(shí)鐘脈沖CLK、CLKB和時(shí)鐘脈沖CLK’、CLKB’的位相關(guān)系的圖。
圖7是表示圖1的泵節(jié)點(diǎn)的電壓波形V1、V2、V3的圖。
圖8是表示為了確認(rèn)電荷泵電路的突入電流改善效果的仿真結(jié)果的圖。
圖9是本發(fā)明的其他實(shí)施方式的電荷泵電路的電路圖。
圖10是本發(fā)明的其他實(shí)施方式的電荷泵電路的動(dòng)作時(shí)序圖。
圖11是現(xiàn)有的4級(jí)迪克遜電荷泵電路的電路圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式的電荷泵電路的電路圖。
4個(gè)電荷傳送用MOS晶體管M1～M4串聯(lián)連接。前級(jí)的M1、M2為N溝道型，后級(jí)的M3、M4為P溝道型。而且，其連接使電荷傳送用MOS晶體管M1～M4的柵極-基板間電壓Vgb與柵極-漏極間電壓Vgd為相同值，使漏極和基板為同電位，抑制反向柵極偏置效應(yīng)。
而且，向構(gòu)成電荷泵電路的初級(jí)的電荷傳送用MOS晶體管M1的漏極提供作為輸入電壓Vin的電源電壓Vdd。從最終級(jí)的電荷傳送用MOS晶體管M4的漏極輸出升壓電壓Vout。圖中的Cout為附加在電荷傳送用MOS晶體管M4的漏極的寄生電容。
升壓電壓Vout在由穩(wěn)壓器10調(diào)整為所希望的電壓后，被提供給負(fù)載元件20。穩(wěn)壓器10用運(yùn)算放大器構(gòu)成，其輸出通過(guò)電阻進(jìn)行電阻分壓的電壓施加到一個(gè)輸入端子(-)。通過(guò)開(kāi)關(guān)SW1、SW2得到的第1基準(zhǔn)電壓Vref1或接地電壓(0V)切換后施加到另一個(gè)輸入端子(+)。
C1、C2、C3是與電荷傳送用MOS晶體管M1～M4的連接點(diǎn)(泵節(jié)點(diǎn))的一端連接的耦合電容器。通過(guò)控制電路30和時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70在耦合電容器C1的另一端施加時(shí)鐘脈沖CLK。通過(guò)控制電路40和時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器80在耦合電容器C2的另一端施加與時(shí)鐘脈沖CLK反相的時(shí)鐘脈沖CLKB。另外，通過(guò)控制電路50和時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器90在耦合電容器C3的另一端施加時(shí)鐘脈沖CLK。
時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70如后所述，包括具有低驅(qū)動(dòng)能力的第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A；具有高驅(qū)動(dòng)能力的第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B。在電荷泵電路工作開(kāi)始時(shí)，控制使第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A工作，當(dāng)電荷泵電路進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，則第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A停止工作，同時(shí)使第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B工作。對(duì)于時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器80、90也完全一樣。
對(duì)上述電荷泵電路從工作開(kāi)始到進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)的規(guī)定時(shí)間進(jìn)行設(shè)定、并進(jìn)行第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A和第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B的切換動(dòng)作的方法，檢測(cè)出電荷泵電路的升壓電壓Vout達(dá)到規(guī)定電壓，并在該定時(shí)進(jìn)行該切換。
具體地說(shuō)，設(shè)置比較器60，將升壓電壓Vout通過(guò)電阻R1～R5進(jìn)行電阻分壓得到的電壓Va與基準(zhǔn)電壓Vref2進(jìn)行比較，依據(jù)作為其輸出的模式切換信號(hào)MS，進(jìn)行第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A和第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B的切換。
即，電荷泵電路工作一開(kāi)始，則升壓電壓Vout徐徐上升，升壓電壓Vout由電阻分壓的電壓Va也徐徐上升。此過(guò)程中，在Va＜Vref2時(shí)，作為比較器60的輸出的模式切換信號(hào)MS為高電平，據(jù)此，控制電路30使第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A工作。然后經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間，Va＞Vref2，則作為比較器60的輸出的模式切換信號(hào)MS變?yōu)榈碗娖?，?jù)此，控制電路30使第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A停止工作，并使第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B工作。
這里，在輸入到比較器60的第2基準(zhǔn)電壓Vref2為一定電壓的情況下，比較器60的輸出依賴電源電壓Vdd變化。為了抑制這種對(duì)電源電壓的依賴性，最好使用電源電壓Vdd作為第2基準(zhǔn)電壓Vref2。而且，為了防止由于電荷泵電路輸出的升壓電壓Vout的紋波引起的誤動(dòng)作，比較器60最好是使用具有磁滯性的磁滯比較器。
而且，向電荷傳送用MOS晶體管M1和M2的各節(jié)點(diǎn)分別提供反轉(zhuǎn)電平位移電路S1、S2的輸出。而且，向電荷傳送用MOS晶體管M3和M4的各節(jié)點(diǎn)分別提供非反轉(zhuǎn)電平位移電路S3、S4的輸出。反轉(zhuǎn)電平位移電路S1、S2和非反轉(zhuǎn)電平位移電路S3、S4的具體電路結(jié)構(gòu)在以后敘述。
圖2是表示控制電路30以及時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70的具體例的電路圖。其他的控制電路40以及時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器80、控制電路50以及時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器90也為同樣的結(jié)構(gòu)。該時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70包括具有低驅(qū)動(dòng)能力的第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A和具有高驅(qū)動(dòng)能力的第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B。
第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A由P溝道MOS晶體管MP1和N溝道MOS晶體管MN1在電源電壓Vdd和接地電壓(0V)之間串聯(lián)連接而構(gòu)成，在P溝道MOS晶體管MP1和N溝道MOS晶體管MN1的柵極施加控制電路30的輸出a、b。第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A的驅(qū)動(dòng)能力由P溝道MOS晶體管MP1和N溝道MOS晶體管MN1的導(dǎo)通電阻決定。在電路設(shè)計(jì)上，如果使P溝道MOS晶體管MP1和N溝道MOS晶體管MN1的GW/GL變小，則可降低其驅(qū)動(dòng)能力。其中GW是晶體管的柵極寬度，GL是晶體管的柵極長(zhǎng)度。
第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B由P溝道MOS晶體管MP2和N溝道MOS晶體管MN2在電源電壓Vdd和接地電壓(0V)之間串聯(lián)連接而構(gòu)成，在P溝道MOS晶體管MP2和N溝道MOS晶體管MN2的柵極施加控制電路30的輸出c、d。
第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A和第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B的輸出共同連接輸出端子35，該輸出端子35與耦合電容器C1的另一端連接。
下面說(shuō)明該控制電路30以及第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A的工作。在此設(shè)經(jīng)由控制電路30的第1輸入端子33輸入時(shí)鐘脈沖CLK，由第2輸入端子34輸入來(lái)自比較器60的模式切換信號(hào)MS。
模式切換信號(hào)MS為高電平(Va＜Vref)時(shí)，時(shí)鐘脈沖CLK經(jīng)過(guò)控制電路30，從輸出端子a、b原樣輸出，被施加到構(gòu)成第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A的P溝道MOS晶體管MP1和N溝道MOS晶體管MN1的柵極。由此，第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A作為反相器工作。另一方面，由于控制電路30的輸出端子c輸出高電平、輸出端子d輸出低電平，則構(gòu)成第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B的P溝道MOS晶體管MP2和N溝道MOS晶體管MN2均為關(guān)斷狀態(tài)，第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B的工作停止。
因此，時(shí)鐘脈沖CLK通過(guò)具有低驅(qū)動(dòng)能力的第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A被提供給耦合電容器C1。
模式切換信號(hào)MS為低電平(Va＞Vref)時(shí)，時(shí)鐘脈沖CLK經(jīng)過(guò)控制電路30，從輸出端子c、d原樣輸出，被施加到構(gòu)成第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B的P溝道MOS晶體管MP2和N溝道MOS晶體管MN2的柵極。由此，第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B工作。另一方面，由于控制電路30的輸出端子a輸出高電平、輸出端子b輸出低電平，則構(gòu)成第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A的P溝道MOS晶體管MP1和N溝道MOS晶體管MN1均為關(guān)斷狀態(tài)，第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A的工作停止。
因此，時(shí)鐘脈沖CLK通過(guò)具有高驅(qū)動(dòng)能力的第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B被提供給耦合電容器C1。
在上述實(shí)施方式中，作為比較器60的輸出的模式切換信號(hào)MS從工作開(kāi)始經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間后由高電平變?yōu)榈碗娖?，控制電?0據(jù)此使第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A停止工作，使第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B工作，但并不限于此。
即，所述模式切換信號(hào)MS從工作開(kāi)始經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間后由高電平變?yōu)榈碗娖?，?duì)此，不使第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A停止工作，而使第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B工作也可以。此時(shí)，經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間后，第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A和第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B都工作。為了進(jìn)行這樣的控制，變更控制電路30的邏輯電路就可以。
在上述實(shí)施方式中，用比較器60的輸出檢測(cè)出電荷泵電路進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)、即電荷泵電路的升壓電壓Vout達(dá)到規(guī)定電壓，并進(jìn)行第1以及第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A、70B的切換，所以沒(méi)有時(shí)間浪費(fèi)。但是，采用驅(qū)動(dòng)能力低的第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A開(kāi)始電荷泵電路的工作時(shí)，如果因某種原因電荷泵電路的升壓電壓Vout未達(dá)到規(guī)定電壓的情況下，不能進(jìn)行時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的切換。只有第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A則驅(qū)動(dòng)能力低，如果開(kāi)始流過(guò)負(fù)載電流，則電荷泵電路的升壓電壓Vout降低。因此，導(dǎo)致電荷泵電路作為電源電路的功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
以下說(shuō)明采用計(jì)數(shù)器的輸出進(jìn)行第1以及第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A、70B的切換的電荷泵電路。圖3是該電荷泵電路的電路圖。該電荷泵電路由于采用計(jì)數(shù)器的輸出，所以，如果經(jīng)過(guò)由計(jì)數(shù)器設(shè)定的一定時(shí)間，則必定進(jìn)行第1以及第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A、70B的切換。因此，無(wú)須擔(dān)心電荷泵電路作為電源電路的功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
如圖3所示，計(jì)數(shù)器100是對(duì)輸入的時(shí)鐘脈沖CLKA的上升次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器。而且，計(jì)數(shù)器100的結(jié)構(gòu)為通過(guò)復(fù)位信號(hào)R被復(fù)位。計(jì)數(shù)器100的特定比特輸出(檢測(cè)用比特輸出)保持在閉鎖電路101中。即，如果計(jì)數(shù)器100的特定比特輸出由數(shù)據(jù)「0」反轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)「1」，則閉鎖電路101保持該數(shù)據(jù)「1」。
該閉鎖電路101的輸出，作為模式切換信號(hào)MS’，輸入到控制電路30的輸入端子34。而且，閉鎖電路101的輸出同樣輸入到控制電路40、50中。即，作為閉鎖電路101的輸出的模式切換信號(hào)MS’，在計(jì)數(shù)器100的計(jì)數(shù)值達(dá)到預(yù)定的規(guī)定值之前，為高電平，如果超過(guò)規(guī)定值，則變?yōu)榈碗娖健?br>
因此，在計(jì)數(shù)器100的計(jì)數(shù)值達(dá)到規(guī)定值之前，使具有低驅(qū)動(dòng)能力的第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A工作，如果在規(guī)定值以上，則使第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A停止工作，而使第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B工作。
或者，通過(guò)變更控制電路30的邏輯電路，使得在計(jì)數(shù)器100的計(jì)數(shù)值達(dá)到規(guī)定值之前，使具有低驅(qū)動(dòng)能力的第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A工作，如果在規(guī)定值以上，則使第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A和第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B都工作。對(duì)于控制電路40、50也同樣變更邏輯電路。
而且，上述規(guī)定次數(shù)設(shè)定為可使具有低驅(qū)動(dòng)能力的第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A中的耦合電容器C1完全充電的次數(shù)。耦合電容器C2、C3也可同樣完全充電。
下面以圖4表示反轉(zhuǎn)電平位移電路S1、S2的電路結(jié)構(gòu)以及工作波形圖。如圖4(a)所示，該反轉(zhuǎn)電平位移電路S1、S2具有輸入反相器INV，差分輸入MOS晶體管M11和M12，交叉連接的MOS晶體管M13和M14。而且，除此之外還具有上拉(pull up)連接的MOS晶體管M15和M16。在MOS晶體管M15的柵極施加電壓V12，同時(shí)在源極施加電位A。
而且，在MOS晶體管M16的柵極施加與電壓V12反相的電壓V11，同時(shí)在源極施加電位B。這里，電位A＞電位B。M11、M12為N溝道型，M13～M16為P溝道型，都是高耐壓的MOS晶體管。
而且，如圖4(b)所示的上述結(jié)構(gòu)的電平位移電路中，MOS晶體管M15、M16變更為反相器結(jié)構(gòu)也可以。
上述結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)電平位移電路的工作波形如圖4(c)所示。該電平位移電路輪流輸出電位A和中間電位B(A＞B＞0V)。
下面以圖5表示非反轉(zhuǎn)電平位移電路S3、S4的電路結(jié)構(gòu)以及工作波形圖。其與反轉(zhuǎn)電平位移電路S1、S2的不同之處在于對(duì)上拉到電位A的MOS晶體管M15的柵極施加電壓V11，對(duì)上拉到電位B的MOS晶體管M16的柵極施加電壓V12(圖5(a))。而且，如圖5(b)所示，MOS晶體管M15、M16為反相器結(jié)構(gòu)也可以。
如圖5(c)所示，該非反轉(zhuǎn)電平位移電路S3、S4對(duì)輸入電壓IN進(jìn)行非反轉(zhuǎn)電平位移動(dòng)作。
反轉(zhuǎn)電平位移電路S1、S2，非反轉(zhuǎn)電平位移電路S3、S4和電荷泵電路的連接關(guān)系如下。通過(guò)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器110向反轉(zhuǎn)電平位移電路S1輸入時(shí)鐘脈沖CLK’，通過(guò)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器111向反轉(zhuǎn)電平位移電路S2輸入時(shí)鐘脈沖CLKB’。時(shí)鐘脈沖CLK’和CLKB’分別由時(shí)鐘脈沖CLK和CLKB生成，但為了防止電荷傳送用MOS晶體管M1～M4中電流逆流，低(Low)期間變短。
即，從電荷傳送用MOS晶體管M1～M4完全關(guān)斷開(kāi)始，通過(guò)時(shí)鐘脈沖CLK和CLKB的變化進(jìn)行各泵節(jié)點(diǎn)的升壓。上述時(shí)鐘脈沖的位相關(guān)系由圖6示出。
而且，如圖1所示，作為反轉(zhuǎn)電平位移電路S1的高電位側(cè)的電源(電位A)返回升壓的一級(jí)后的泵節(jié)點(diǎn)的電壓V2。
同樣地，作為反轉(zhuǎn)電平位移電路S2的高電位側(cè)的電源(電位A)返回升壓的一級(jí)后的泵節(jié)點(diǎn)的電壓V3。而且，作為反轉(zhuǎn)電平位移電路S1、S2的低電位側(cè)的電源(電位B)分別施加各級(jí)的電壓Vdd、V1。
另一方面，作為非反轉(zhuǎn)電平位移電路S3的低電位側(cè)的電源(電位B)采用一級(jí)前的泵節(jié)點(diǎn)的電壓V1，同樣地，作為非反轉(zhuǎn)電平位移電路S4的低電位側(cè)的電源(電位B)采用一級(jí)前的泵節(jié)點(diǎn)電壓V2。而且，作為非反轉(zhuǎn)電平位移電路S3、S4的高電位側(cè)的電源(電位A)分別施加各級(jí)的電壓V3、Vout。
通過(guò)這樣的結(jié)構(gòu)，在電荷泵電路的通常狀態(tài)中，可推導(dǎo)出電荷傳送用晶體管M1～M4的柵極-漏極間電壓Vgd(晶體管導(dǎo)通狀態(tài)時(shí))如下為2Vdd。首先，以下的關(guān)系成立。
Vgd(M1)＝V2(High)-VddVgd(M2)＝V3(High)-V1(High)Vgd(M3)＝V1(Low)-V3(Low)Vgd(M4)＝V2(Low)-Vout接著，由通常狀態(tài)的電荷泵的升壓工作，可知還有以下的關(guān)系成立。
V1(High)＝2Vdd，V1(Low)＝VddV2(High)＝3Vdd，V2(Low)＝2VddV3(High)＝4Vdd，V3(Low)＝3Vdd，Vout＝4Vdd由這些關(guān)系式，可推導(dǎo)出所有的電荷傳送用MOS晶體管導(dǎo)通時(shí)的Vgd的絕對(duì)值如表1所示為相同的值2Vdd。因此，通過(guò)高的Vgd降低電荷傳送用MOS晶體管M1～M4的導(dǎo)通電阻，可實(shí)現(xiàn)高效率和大輸出電流的電荷泵電路。而且，可以設(shè)計(jì)電荷傳送用MOS晶體管M1～M4的柵極氧化膜厚度(thickness of gate oxide)一律為能耐受2Vdd的厚度，所以與電荷傳送用MOS晶體管的Vgd不均勻的情況相比，可設(shè)計(jì)使導(dǎo)通電阻(ON-state resistance)變低，而效率良好。
表1電荷傳送用MOS晶體管的柵極-漏極間電壓Vgd
圖6是用于說(shuō)明電荷泵電路的工作的時(shí)序圖。電荷傳送用MOS晶體管M1～M4對(duì)應(yīng)時(shí)鐘脈沖輪流反復(fù)進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷。這里，施加在反轉(zhuǎn)電平位移電路S1和S2、非反轉(zhuǎn)電平位移電路S3和S4的時(shí)鐘脈沖CLK’、CLKB’的占空比不是50％。即，如圖所示設(shè)定低(Low)的期間變短。因此，電荷傳送用MOS晶體管M1～M4的導(dǎo)通的期間變短。其理由如下。
電荷傳送用MOS晶體管M1～M4由于未連接二極管，所以如果流過(guò)逆向電流是危險(xiǎn)的，而這使效率惡化。這里，為了防止逆向電流，電荷傳送用MOS晶體管M1～M4的導(dǎo)通期間變短，在關(guān)斷期間，變化施加在耦合電容器C1～C3上的時(shí)鐘脈沖并進(jìn)行泵送(pumping)。而且，圖7是表示各泵節(jié)點(diǎn)的電壓波形V1、V2、V3的圖。圖中，Vφ是時(shí)鐘脈沖CLK’、CLKB’的振幅，ΔVds為MOS晶體管M1～M4的漏極-源極間電壓。
下面說(shuō)明用于確認(rèn)本實(shí)施方式的電荷泵電路的突入電流改善效果的仿真。圖8是表示該SPICE仿真的結(jié)果的圖，橫軸表示時(shí)間，縱軸表示突入電流(電荷泵電路的電源電流)。
在圖中，時(shí)間①表示具有低驅(qū)動(dòng)能力的第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A進(jìn)行工作的期間，該例中為1.5msec左右。而且，時(shí)間②表示具有高驅(qū)動(dòng)能力的第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B進(jìn)行工作的期間。由該結(jié)果可明白，最大突入電流降低到70mA左右。
這里，想抑制峰值①時(shí)，可相應(yīng)降低第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A的驅(qū)動(dòng)能力。而且，想抑制峰值②時(shí)，可相應(yīng)延長(zhǎng)時(shí)間①的期間。
上述的電荷泵電路是降低1個(gè)電荷泵電路的突入電流的電路。下面，說(shuō)明其他實(shí)施方式的電荷泵電路。圖9是該電荷泵電路的電路圖，圖10是該電荷泵電路的動(dòng)作時(shí)序圖。該實(shí)施方式是降低具有2個(gè)電荷泵電路的系統(tǒng)的突入電流。
如圖9所示，該電荷泵電路具有輸出第1升壓電壓Vout1第1電荷泵電路200和輸出第2升壓電壓Vout2的第2電荷泵電路300。其結(jié)構(gòu)為，第1電荷泵電路200如上述的電荷泵電路那樣輸出正的升壓電壓，而第2電荷泵電路300則輸出負(fù)的升壓電壓。第1以及第2電荷泵電路200，與圖1和圖3的電路同樣，具有時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70、80、90，控制電路30、40、50。而且，計(jì)數(shù)器100也與圖3的電路為同樣的結(jié)構(gòu)，其輸出分別輸入到第1閉鎖電路101a、第2閉鎖電路101b。
作為第1閉鎖電路101a的輸出的第1模式切換信號(hào)MS1輸入到第1電荷泵電路200中，由此可切換第1電荷泵電路的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力。另一方面，作為第2閉鎖電路101b的輸出的第2模式切換信號(hào)MS2輸入到第2電荷泵電路300中，由此可切換第2電荷泵電路的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力。
這里，計(jì)數(shù)器100的輸出比特C0～C3中例如C0、C2的任一個(gè)變?yōu)閿?shù)據(jù)「1」時(shí)，第1閉鎖電路101a將第1模式切換信號(hào)MS1切換為低電平，并進(jìn)行保持。而且，同樣地，計(jì)數(shù)器100的輸出比特C0～C3中例如C0、C3的任一個(gè)變?yōu)閿?shù)據(jù)「1」時(shí)，第2閉鎖電路101b將第2模式切換信號(hào)MS2切換為低電平，并進(jìn)行保持。由此，可獨(dú)立控制第1以及第2電荷泵電路的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的工作的切換時(shí)期。
下面，參照?qǐng)D10說(shuō)明該電荷泵電路的工作控制例。首先，在時(shí)刻t1第1電荷泵開(kāi)始工作，具有低驅(qū)動(dòng)能力的第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A工作。接著，在時(shí)刻t2如果計(jì)數(shù)器100的計(jì)數(shù)值達(dá)到第1規(guī)定值，則作為第1閉鎖電路101a的輸出的第1模式切換信號(hào)MS1變?yōu)榈碗娖?，由此，具有高?qū)動(dòng)能力的第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B開(kāi)始工作。接下來(lái)，在時(shí)刻t3第2電荷泵開(kāi)始工作，具有低驅(qū)動(dòng)能力的第3時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器(相當(dāng)于第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A)工作。接著，在時(shí)刻t4，如果計(jì)數(shù)器100的計(jì)數(shù)值達(dá)到第2規(guī)定值，則作為第2閉鎖電路101b的輸出的第2模式切換信號(hào)MS2變?yōu)榈碗娖?，由此，具有高?qū)動(dòng)能力的第4時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器(相當(dāng)于第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B)開(kāi)始工作。
根據(jù)本實(shí)施方式，采用一個(gè)計(jì)數(shù)器100，可獨(dú)立控制2個(gè)電荷泵電路的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力。由此，可降低每個(gè)電荷泵電路的突入電流，同時(shí)錯(cuò)開(kāi)2個(gè)電荷泵電路的突入電流的發(fā)生時(shí)期，可降低整個(gè)系統(tǒng)的突入電流的峰值。
而且，在本實(shí)施方式中以具有2個(gè)電荷泵電路的系統(tǒng)為例進(jìn)行了說(shuō)明，但具有3個(gè)以上電荷泵電路的系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)也可完全相同。而且，每個(gè)電荷泵電路為輸出正的升壓電壓的類型也可以，為輸出負(fù)的升壓電壓的類型也可以。
而且，在上述的所有實(shí)施方式中，除了具有低驅(qū)動(dòng)能力的第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70A和具有高驅(qū)動(dòng)能力的第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器70B之外，還可設(shè)置一個(gè)以上的具有中間驅(qū)動(dòng)能力的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)從驅(qū)動(dòng)能力低的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器到驅(qū)動(dòng)能力高的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器順次進(jìn)行切換，可順次提高時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力。
權(quán)利要求
1.一種電荷泵電路，其特征在于電荷泵電路包括串聯(lián)連接的多個(gè)電荷傳送用晶體管；向初級(jí)的所述電荷傳送用晶體管提供輸入電壓的輸入電源；與所述多個(gè)電荷傳送用晶體管的各連接點(diǎn)在一端連接的多個(gè)電容器；向所述電容器的另一端提供時(shí)鐘脈沖的第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器；向所述電容器的另一端提供時(shí)鐘脈沖，與所述第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器相比有高驅(qū)動(dòng)能力的第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器；最初使所述第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器工作，經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間后，使第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器工作的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器控制電路，電荷泵電路從后級(jí)的電荷傳送用晶體管獲得輸出電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的電荷泵電路，其特征在于所述時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器控制電路在經(jīng)過(guò)所述規(guī)定時(shí)間后使所述第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的工作停止。
3.如權(quán)利要求1或2所述的電荷泵電路，其特征在于所述時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器控制電路包括將對(duì)應(yīng)所述輸出電壓的電壓與規(guī)定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較的比較器；以及對(duì)應(yīng)所述比較器的輸出信號(hào)，對(duì)所述第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器和第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的工作進(jìn)行控制的控制電路。
4.如權(quán)利要求3所述的電荷泵電路，其特征在于所述規(guī)定的基準(zhǔn)電壓與所述輸入電源的輸入電壓相等。
5.如權(quán)利要求3所述的電荷泵電路，其特征在于所述比較器為磁滯比較器。
6.如權(quán)利要求3所述的電荷泵電路，其特征在于對(duì)應(yīng)所述輸出電壓的電壓為通過(guò)電阻器將所述輸出電壓進(jìn)行分壓獲得的電壓。
7.如權(quán)利要求1或2所述的電荷泵電路，其特征在于所述時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器控制電路包括對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器；以及對(duì)應(yīng)該計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)，對(duì)所述第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器和所述第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的工作進(jìn)行控制的控制電路。
8.一種電荷泵電路，其特征在于該電荷泵電路包括具有第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器和比該第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的第1電荷泵電路；具有第3時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器和比該第3時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的第4時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的第2電荷泵電路；以及時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器控制電路，最初使所述第1電荷泵電路的所述第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器工作，經(jīng)過(guò)第1規(guī)定時(shí)間后，使所述第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器工作，接著，使所述第2電荷泵電路的所述第3時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器工作，經(jīng)過(guò)第2規(guī)定時(shí)間后，使所述第4時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器工作。
9.如權(quán)利要求8所述的電荷泵電路，其特征在于所述時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器控制電路包括對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器；以及對(duì)應(yīng)該計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)，對(duì)所述第1至第4時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的工作進(jìn)行控制的控制電路。
全文摘要
一種電荷泵電路，可降低電荷泵電路開(kāi)始工作時(shí)產(chǎn)生的突入電流，可防止對(duì)其他電路的不良影響。將電荷傳送用MOS晶體管(M1)～(M4)串聯(lián)連接，將它們的各連接點(diǎn)與耦合電容器(C1)、(C2)、(C3)的一端連接，在耦合電容器(C1)、(C2)、(C3)的另一端分別施加時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器(70)、(80)、(90)的輸出。例如，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器(70)具有第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器(70A)和具有比第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器(70A)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器(70B)，首先使第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器(70A)工作，經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間后，使第1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器(70A)停止，同時(shí)進(jìn)行切換使第2時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器(70B)工作。
文檔編號(hào)H02M3/07GK1543073SQ20041003434
公開(kāi)日2004年11月3日 申請(qǐng)日期2004年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月14日
發(fā)明者名野隆夫, 女屋佳隆, 隆 申請(qǐng)人:三洋電機(jī)株式會(huì)社