CN100433515C

CN100433515C - 一种电荷泵装置

Info

Publication number: CN100433515C
Application number: CNB2005101174177A
Authority: CN
Inventors: 吴小晔; 许萍; 周莉
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: Shanghai Shen Shen College of further education; State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd
Priority date: 2005-10-31
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2025-10-31
Also published as: CN1960146A

Abstract

本发明涉及集成电路领域中的升压装置，具体而言公开了一种电荷泵装置，包括电容(C1)、电容(C2)、电容(C3)和电容(C4)和开关(S1)、开关(S2)、开关(S3)、开关(S4)、开关(S5)、开关(S6)、开关(S7)、开关(S8)、开关(S9)、开关(S10)和开关(S11)，通过一对非重叠的时钟信号对电容和开关的选择控制提高输出电压。采用本发明所述的电荷泵装置，克服了现有技术所有的输出节点的电压只能逐级提升的缺点，而且还有可以调节输出节点电压，器件少和结构简单等优点。

Description

一种电荷泵装置

技术领域

本发明涉及集成电路领域，具体涉及一种提升电压的电荷泵装置。

背景技术

集成电路中常常需要使用比电源电压更高一些的电压，因此用于提升电压的电荷泵的应用领域非常广泛，如给DC-to-DC转换器提供电源电压以外的电平；给运算放大器提供高电压；及所有外部提供单一电压，而内部需要多种电平的电路，尤其是在非易失性存储器和为高压驱动电路提供所需电压方面，发挥着非常重要的作用。

如图1所示的Dickson电荷泵是最早的电荷泵结构，提出了用电容推举电压，以二极管限制电荷转移方向的方法来获得高压的基本思路，该电荷泵的缺点是只能逐级提升电源电压，且每提升一级电压就需要增加一个电容，而且输出节点上的电压固定。

而后，又相继出现了几种电荷泵结构，如CTS电荷泵，walton电荷泵等，对Dickson电荷泵的性能进行了改进，但是不管如何改进，上述几种电荷泵的共同缺点是输出电压只能逐级提升，输出节点上的电压固定，不能调整，而且随着电压的升高，电路结构变得越来越复杂。

发明内容

为了克服现有技术中的电荷泵存在的输出电压只能逐级提升，输出节点上的电压固定，不能调整，而且随着电压的升高，电路结构变得越来越复杂的问题，而提出一种电荷泵装置。

为了实现上述发明目的，本发明具体是这样实现的：

一种电荷泵装置，包括电容和开关，通过对电容和开关的选择控制提高输出电压；

开关S1一端接到电源电压VDD上，另一端和开关S3的一端相连接，开关S3的另一端连接到公共地GND上，开关S2一端接到电源电压VDD上，另一端和开关S4的一端相连接，开关S4的另一端连接到公共地GND上，开关S5一端接到电源电压VDD上，另一端和开关S6的一端相连接，开关S6的另一端和开关S7的一端相连接，开关S7的另一端和开关S8和S9的一端相连接，开关S8的另一端和开关S10的一端相连接，开关S9的另一端和开关S11的一端相连接，开关S10的另一端为输出端V_out，开关S11的另一端和公共地GND相连接。电容C1的一端和开关S1与S3的连接端相连接，另一端和开关S5与S6的连接端相连接；电容C2的一端和开关S2与S4的连接端相连接，另一端和开关S6与S7的连接端相连接；电容C3的一端和开关S7与S8、S9的连接端相连接，另一端和公共地GND相连接；电容C4的一端和开关S8与S10的连接端相连接，另一端和开关S9与S11的连接端相连接。

所述开关为CMOS开关，开关的开启和关闭由控制信号完成。

所述控制信号T1、T2是一对非重叠的时钟信号。

所述开关S1、S7的状态为T1；开关S3和S5的状态为T2；开关S6、S8、S10一直导通；开关S2、S4、S9、S11一直断开。

所述开关S1、S4和S6的状态为T1；开关S2、S3、S5和S7的状态为T2；开关S8、S10一直导通；开关S9、S11一直断开。

所述开关S1、S8、和S11的状态为T1；开关S3、S5、S9和S10的状态为T2；开关S6、S7一直导通；开关S2、S4一直断开。

所述开关S1、S4、S6、S9和S10的状态为T1；开关S2、S3、S5、S7、S8和S11的状态为T2。

采用本发明所述的电荷泵装置，通过选择适当的开关信号，就可以通过4个电容和11个开关实现2倍、3倍、4倍和6倍电源电压的可调输出电压的电荷泵，该电荷泵克服了现有技术所有的输出节点的电压只能逐级提升的缺点，而且还有可以调节输出节点电压，器件少和结构简单等优点。

附图说明

图1是Dickson电荷泵的结构示意图；

图2是本发明所述输出电压可调的电荷泵装置的结构示意图；

图3是本发明中所述开关的时序图；

图4是采用本发明所述的电荷泵装置的输出电压的仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明所述装置做进一步的详细说明。

本发明所述的一种电荷泵装置，包括电容C1，C2，C3，C4和C_out，以及开关S1～S11。

所述开关S1一端接到电源电压VDD上，另一端和开关S3的一端相连接，开关S3的另一端连接到公共地GND上，开关S2一端接到电源电压VDD上，另一端和开关S4的一端相连接，开关S4的另一端连接到公共地GND上，开关S5一端接到电源电压VDD上，另一端和开关S6的一端相连接，开关S6的另一端和开关S7的一端相连接，开关S7的另一端和开关S8和S9的一端相连接，开关S8的另一端和开关S10的一端相连接，开关S9的另一端和开关S11的一端相连接，开关S10的另一端与电容C_out的一端相连接，电容开关C_out的一端的另一端、S11的另一端都与公共地GND相连接，电容C_out两极板上的电压为输出电压V_out。

电容C1的一端和开关S1与S3的连接端相连接，另一端和开关S5与S6的连接端相连接；电容C2的一端和开关S2与S4的连接端相连接，另一端和开关S6与S7的连接端相连接；电容C3的一端和开关S7与S8、S9的连接端相连接，另一端和公共地GND相连接；电容C4的一端和开关S8与S10的连接端相连接，另一端和开关S9与S11的连接端相连接。

控制信号T1、T2是一对非重叠的时钟信号，要在V_out得到2倍的VDD，则开关S1、S7的状态为控制信号T1；开关S3和S5的状态为控制信号T2；开关S6、S8、S10一直导通；开关S2、S4、S9、S11一直断开；

要在V_out得到3倍的VDD，则开关S1、S4和S6的状态为控制信号T1；开关S2、S3、S5和S7的状态为控制信号T2；开关S8、S10一直导通；开关S9、S11一直断开；

要在V_out得到4倍的VDD，则开关S1、S8、和S11的状态为控制信号T1；开关S3、S5、S9和S10的状态为控制信号T2；开关S6、S7一直导通；开关S2、S4一直断开；

要在V_out得到6倍的VDD，则开关S1、S4、S6、S9和S10的状态为控制信号T1；开关S2、S3、S5、S7、S8和S11的状态为控制信号T2。

本发明所述的可调输出电压的一种电荷泵装置的结构如附图2所示，由5个电容，11个开关实现，开关可以选择CMOS开关或者其他开关，开关的开启和关闭关系如图3所示，有控制信号T1和T2，常导通，常断开四种状态，在控制信号T1、T2中，1表示开关闭合导通，开关两端没有电势差，0表示开关断开，开关两端存在电势差，为了说明方便，具体实施方式说明中的电容区分正负端，在推导时，假设所有的电容的大小都为C。

控制信号T1、T2是一对非重叠的时钟信号。

如图2所示结构，要在C_out实现2倍VDD输出的功能，开关S1、S7的状态为控制信号T1；开关S3和S5的状态为控制信号T2；开关S6、S8、S10一直导通；开关S2、S4、S9、S11一直断开；假设在0时刻，电容C1和C_out电容两端的电势差为0，则存储的电荷也为0，在控制信号T2为高电平时，控制信号T1为电平时，开关S3和S5导通，开关S1、S7断开，此时电容C1上极板电压为VDD，下极板电压为0，上下极板电势差为VDD，电荷量Q＝VDD＊C，电容C_out上下极板电势差为0，电荷量为0，在控制信号T1为高电平，控制信号T2为低电平时，开关S3和S5断开，开关S1、S7导通，电容C1下极板与电源电压VDD相连，因此电容C1下极板的电压为VDD，电容C1上极板和电容C_out上极板相连，电压相同，都为V_out，电容C_out下极板的电压为0，而两个电荷总量之和不变，为Q＝VDD＊C+0＝VDD＊C，因此，C_out上的电压为：

(V_out-0)*C+(V_out-VDD)*C＝VDD*C

由于假设电容C1和C_out的大小相等，都为C，则C_out上的电压为

(V_out-0)*C+(V_out-VDD)*C＝VDD*C

V_out＝VDD

当控制信号T2的第二个高电平来时，开关S3和S5导通，开关S1、S7断开，此时电容C1上极板电压为VDD，下极板电压为0，上下极板电势差为VDD，电荷量Q_c1＝VDD＊C，电容C_out上下极板电势差为VDD，电荷量为Q_cout＝VDD＊C，在控制信号T1的第二个高电平来时，开关S3和S5断开，开关S2、S7导通，电容C1下极板与电源电压VDD相连，因此电容C1下极板的电压为VDD，电容C1上极板和C_out上极板相连，电压相同，都为V_out，电容C_out下极板的电压为0，而两个电荷总量之和不变，为Q＝VDD＊C+VDD＊C＝2VDD＊C，因此，C_out上的电压为

(V_out-0)*C+(V_out-VDD)*C＝2VDD*C

V_{out} = \frac{3}{2} VDD

根据极限的原理，随着时间的推移，C_out上的电压会越来越高，最终等于2VDD。

要在电容C_out实现3倍VDD输出的功能，开关S1、S4和S6的状态为控制信号T1；开关S2、S3、S5和S7的状态为控制信号T2；开关S8、S10一直导通；开关S9、S11一直断开。

推导2VDD时用了电荷守恒的原理，在这里，为了描述方便，假设一个电容可以把其电荷全部转移到另外一个电容上，根据极限的知识，只要时间足够，这两种推导的结果是一致的。假设在0时刻，电容C1和C2上的电势差都为0，当控制信号T2的第一个高电平到达，电容C1上的电势差为VDD，当控制信号T1的第一个高电平到达，电容C1的下极板接到VDD上，上极板和地之间的电压为2VDD，此时电容C2的下极板接地，根据前面的假设，则电容C2上的电压为2VDD，当控制信号T2的第二个高电平到达时，电容C2的下极板接到电源电压VDD上，此时电容C2的上极板相对地的电压为3VDD，因此，C_out上的电压为3倍VDD。

要在C_out实现4倍VDD输出的功能，开关S1、S8、和S11的状态为控制信号T1；开关S3、S5、S9和S10的状态为控制信号T2；开关S6、S7一直导通；开关S2、S4一直断开；假设在0时刻，电容C1和C2上的电势差都为0，当控制信号T2的第一个高电平到达，电容C1上的电势差为VDD，当控制信号T1的第一个高电平到达，电容C1的下极板接到VDD上，上极板和地之间的电压为2VDD，由于此时开关S8和S11导通，且开关S6和S7一直导通，因此此时电容C3和C4上的电压是2VDD，当控制信号T2的第2个高电平到达，开关S8和S11断开，开关S9和S10导通，电容C4的下极板和电容C3的上极板相连接，电压是2VDD，因此电容C4的上极板电压是4VDD，而此时C_out的上极板和电容C4的上极板相连，因此C_out上的电压是4VDD。

要在C_out实现6倍VDD输出的功能，开关S1、S4、S6、S9和S10的状态为控制信号T1；开关S2、S3、S5、S7、S8和S11的状态为控制信号T2；假设在0时刻，电容C1、C2、C3和C4上的电势差都为0，当控制信号T2的第一个高电平到达，电容C1上的电势差为VDD，当控制信号T1的第一个高电平到达，电容C1的下极板接到VDD上，上极板和地之间的电压为2VDD，此时电容C2的下极板接地，根据前面的假设，电容C2上的电压为2VDD，当控制信号T2的第二个高电平到达时，电容C2的下极板接到电源电压VDD上，此时电容C2的上极板相对地的电压为3VDD，此时，开关S7、S8和S11导通，电容C3和C4的上极板都和电容C2的上极板相连接，下极板都和地相连，因此，电容C3和C4的电势差是3VDD，当控制信号T1的下一个高电平到达时，开关S9和S11闭合，电容C4的下极板和电容C3的上极板相连，电容C3上的电压是3VDD，因此电容C4的上极板上的电压是6VDD，此时电容C_out的上极板和电容C4的上极板相连，因此电容C_out上的电压是6VDD。

附图4是仿真结果，从图上看，工作一段时间后，C_out上的电压V_out达到稳定，因此上述3倍、4倍、6倍VDD的推导正确。

Claims

1、一种电荷泵装置，其特征在于，包括电容和开关，通过对电容和开关的选择控制提高输出电压；

第一开关(S1)一端接到电源电压上，另一端和第三开关(S3)的一端相连接，第三开关(S3)的另一端连接到公共地上，第二开关(S2)一端接到电源电压上，另一端和第四开关(S4)的一端相连接，第四开关(S4)的另一端连接到公共地上，第五开关(S5)一端接到电源电压上，另一端和第六开关(S6)的一端相连接，第六开关(S6)的另一端和第七开关(S7)的一端相连接，第七开关(S7)的另一端和第八开关(S8)和第九开关(S9)的一端相连接，第八开关(S8)的另一端和第十开关(S10)的一端相连接，第九开关(S9)的另一端和第十一开关(S11)的一端相连接，第十开关(S10)的另一端为输出端，第十一开关(S11)的另一端和公共地相连接；第一电容(C1)的一端和第一开关(S1)与第三开关(S3)的连接端相连接，另一端和第五开关(S5)与第六开关(S6)的连接端相连接；第二电容(C2)的一端和第二开关(S2)与第四开关(S4)的连接端相连接，另一端和第六开关(S6)与第七开关(S7)的连接端相连接；第三电容(C3)的一端和第七开关(S7)与第八开关(S8)、第九开关(S9)的连接端相连接，另一端和公共地相连接；第四电容(C4)的一端和第八开关(S8)与第十开关(S10)的连接端相连接，另一端和第九开关(S9)与第十一开关(S11)的连接端相连接。

2、如权利要求1所述的电荷泵装置，其特征在于：

所述开关为CMOS开关，开关的开启和关闭由控制信号完成。

3、如权利要求2所述的电荷泵装置，其特征在于：

所述控制信号为一对非重叠的时钟信号。

4、如权利要求1至3中任一权利要求所述，其特征在于：

所述第一开关(S1)、第七开关(S7)的状态由第一控制信号(T1)来控制；第三开关(S3)和第五开关(S5)的状态由第二控制信号(T2)来控制；第六开关(S6)、第八开关(S8)、第十开关(S10)一直导通；第二开关(S2)、第四开关(S4)、第九开关(S9)、第十一开关(S11)一直断开。

5、如权利要求1至3中任一权利要求所述，其特征在于：

第一开关(S1)、第四开关(S4)和第六开关(S6)的状态由第一控制信号(T1)来控制；第二开关(S2)、第三开关(S3)、第五开关(S5)和第七开关(S7)的状态由第二控制信号(T2)来控制；第八开关(S8)、第十开关(S10)一直导通；第九开关(S9)、第十一开关(S11)一直断开。

6、如权利要求1至3中任一权利要求所述，其特征在于：

所述第一开关(S1)、第八开关(S8)、和第十一开关(S11)的状态由第一控制信号(T1)来控制；第三开关(S3)、第五开关(S5)、第九开关(S9)和第十开关(S10)的状态由第二控制信号(T2)来控制；第六开关(S6)、第七开关(S7)一直导通；第二开关(S2)、第四开关(S4)一直断开。

7、如权利要求1至3中任一权利要求所述，其特征在于：

所述第一开关(S1)、第四开关(S4)、第六开关(S6)、第九开关(S9)和第十开关(S10)的状态由第一控制信号(T1)来控制；第二开关(S2)、第三开关(S3)、第五开关(S5)、第七开关(S7)、第八开关(S8)和第十一开关(S11)的状态为第二控制信号(T2)。