CN101317320A - 电荷泵电路和集成电路 - Google Patents

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CN101317320A CNA2006800445102A CN200680044510A CN101317320A CN 101317320 A CN101317320 A CN 101317320A CN A2006800445102 A CNA2006800445102 A CN A2006800445102A CN 200680044510 A CN200680044510 A CN 200680044510A CN 101317320 A CN101317320 A CN 101317320A
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Abstract

一种用于提升电路电压的电荷泵电路，其包括：直流－直流升压变换器(14)，其具有用于将电路电压提升至较高电压的电容器阵列，直流－直流升压变换器具有用于输出较高电压的输出引线(8)；与输出引线连接的直流－直流降压变换器(30)，直流－直流降压变换器具有用于降低较高电压的电容器和二极管阵列；和ESP(静电释放保护)电路，其包括用于从输出引线吸收电流的N个串联连接的二极管的串(42)，其中N是大于2的整数，每个二极管的阳极均与输出引线永久地连接，每个二极管的阴极均与参考电势永久地连接，其中所述串包括直流－直流降压变换器的二极管。

Description

电荷泵电路和集成电路
技术领域
本发明涉及一种电荷泵电路和一种集成电路。
背景技术
通常，用于提高直流电压电路的电荷泵电路可包括：
-直流-直流升压变换器，其具有电容器阵列，该电容器阵列用于将电路电压提升至较高电压，直流-直流升压变换器具有用于输出较高电压的输出引线，以及
-直流-直流降压变换器，其与输出引线连接，直流-直流降压变换器具有用于降低较高电压的电容器和二极管的阵列。
直流-直流升压变换器还具有二极管，该二极管阻止了通过直流-直流升压变换器从输出引线吸收电流。
仅当直流-直流降压变换器被激活时，通过直流-直流降压变换器的电流吸收才是可能的。仅当直流-直流升压变换器被禁止时，直流-直流降压变换器才可能被激活。
因此，上述电路并不抵制在输出引线上的静电放电，这是因为通过直流-直流升压或降压变换器的相对参考电势的电流吸收并不总是可能的。
这种传统电荷泵电路的示例在下列文章中给予了描述：
“A linear high voltage charge pump for MEMS applications in0.18μm CMOS technology”，Manuel Innocent，Piet Wambacq，StéphaneDonnay，Willy Sansen，and Hugo De Man-IMEC，Kapeldreef 75，Leuven Belgium。
因此，本发明期望提供一种改进的电荷泵电路。
发明内容
本发明提供一种电荷泵电路，其具有ESP(静电释放保护)电路，该ESP电路包括N个串联连接的二极管的串，其用于从输出引线吸收电流，其中N是大于2的整数，每个二极管的阳极均与输出引线永久地连接，其阴极均与参考电势永久地连接，其中该串包括直流-直流降压变换器的二极管。
直流直流降压变换器通过动态地抽吸电荷来提高输出引线的放电速度。例如，当输出引线与电容性负载连接时，这是非常有用的。
上述的直流-直流升压变换器更能抵制在输出引线上的静电放电，这是因为其包括了ESP电路。
此外，该电荷泵电路的总片上面积被减小了，这是因为对于直流-直流降压变化器和ESP电路，二极管是共用的。
上述电路的实施例可具有以下特性的一个或几个：
-串联连接二极管的每个正向偏置电压的总和大于由直流-直流升压变换器产生的较高电压，
-直流-直流降压变换器包括几个串联连接在输出引线和参考电势之间的降压级，每个级均仅具有一个二极管和一个电容器，
-在ESP电路的串中使用的直流-直流降压变换器的二极管的数目是严格地小于N的。
-直流-直流升压变换器是Dickson电荷泵电路，以及
-用于直流-直流升压或降压变换器的电容器是金属-金属电容器。
电荷泵电路的上述实施例给出了下列优点：
-具有大于较高电压的总二极管正向偏置电压降低或消除了可从输出引线流至参考电势的漏电流，
-仅具有一个二极管和一个电容器的直流-直流降压变换器级减小了实现电荷泵电路所需的片上面积，
-直流-直流降压变换器中的二极管数目小于N，这减小了实现电荷泵电路所需的片上面积，
-使用Dickson电荷泵电路减小了实现电荷泵电路所需的片上面积，以及
-使用金属-金属电容器降低了电容器漏电流，并且显著地改进了直流-直流升压或降压变换器的性能。
本发明还涉及一种具有上述电荷泵电路的集成电路。
本发明的这些方面和其它方面将从以下描述、附图和权利要求变为显然的，并且将在以下描述、附图和权利要求中被阐明。
附图说明
图1是具有电荷泵电路的集成电路的一部分的示意图，
图2A和2B是在图1的电荷泵电路内使用的时钟信号的时序图，以及
图3是操作图1的电荷泵电路的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了集成电路2。以下，对于所属领域的技术人员所共知的功能或结构将不给予详细的描述。
更准确地说，图1示出了集成电路片上面积的一部分，其中实现了电荷泵电路4以提高直流电路电压Vdd。
电路4具有用于接收电压Vdd的输入引线6和用于输出较高直流电压VOUT的输出引线8。
引线8与片上负载10连接。例如，负载10是具有电容器12的电容性负载。
直流-直流升压变换器14被直接连接在引线6和8之间，以便将引线8提升至较高电压VOUT。
例如，变换器14是Dickson电荷泵变换器。这种变换器例如在以下参考文献中被给予了描述：
“On-chip high-voltage generation in MNOS integrated circuitsusing an improved voltage multiplier technique”，J.F.Dickson-IEEE J.Solid-State Circuits，Vol.1l，No.3，pp.374-378，June 1976。
变换器14具有串联连接在引线6和8之间的M个电荷泵级Mi。为了简单起见，图1仅示出了级M1、M2、M3和Mm。
每个级Mi均具有：
-一个电压输入端Ii，
-一个电压输出端Oi，以及
-一个时钟信号输入端C1i。
第一级M1的输入端I1与引线6直接连接。其它输入端Ii与前一级Mi-1的输出端直接连接。
最后一级Mm的输出端Om通过二极管20与引线8连接，其中二极管20的阴极与引线8直接连接。
时钟输入端C1i通过多路复用器26与时钟信号发生器24连接。
发生器24产生一个时钟信号Φ和一个时钟信号Φ。信号Φ和Φ具有相反的相位，即信号Φ的相位是从信号Φ的相位移位了180°。
图2A和2B图示了根据时间变化的信号Φ和Φ。具有奇数下标i的级Mi的时钟输入端C1i与信号Φ连接。具有偶数下标i的级Mi的时钟输入端C1i与信号Φ连接。
每个级Mi均包括：
-仅仅一个二极管Di，其阳极与输入端Ii连接，其阴极与输出端Oi连接，以及
-仅仅一个电容器Ci，其连接在输出端Oi和时钟输入端C1i之间。
例如，每个电容器Ci的电容值均小于5pf。在此，电容等于1pf。
每个电容器Ci均为金属-金属电容器。例如，电容器Ci的结构是在以下参考文献的图2中所公开的结构：
“Capacity limits and matching properties of integratedcapacitors”，Roberto Aparicio，and Ali Hajimiri，IEEE，vol.37，n°3，Mars2002。
每个二极管Di均具有正向偏置电压Vd，例如其等于0.7V。正向偏置电压是当二极管导通时由于二极管而产生的电压降。
电路4还具有直流-直流降压变换器30，其被连接在引线8和参考电势Vref之间。例如，参考电势Vref接地。
变换器30具有用于降低电压VOUT的电容器和二极管的阵列。
变换器30具有一个直接与引线8连接的输入端32，和一个与参考电势Vref连接的输出端34。
变换器30具有串联连接在输入端32和输出端34之间的L个降压泵级Ri。每个级Ri均具有：
-一个电压输入端I’1，
-一个电压输出端O’i，以及
-一个时钟输入端C1’i。
输入端I’1与输入端32直接连接，输出端O’1与二极管36的阳极直接连接。二极管36的阴极与输出端34直接连接。其它输出端O’i与下一级Ri+1的输入端I’i+1连接。为了简单起见，在图1中仅示出了级R1、R2、RL-1和RL。
如果下标i是奇数，则输入时钟C1’i与信号Φ连接，否则其与信号Φ连接。
每个级Ri均具有：
-仅仅一个二极管D’i，其阳极与输入端I’i连接，其阴极与输出端O’i连接，以及
-仅仅一个电容器C’i，其连接在输出端O’i和时钟输入端C1’i之间。
例如，二极管D’i与二极管Di相同。在此，为了描述的目的，电容器C’i具有小于电容器Ci的电容值。例如，电容器C’i具有至少小于电容器Ci两倍的电容值。在此，电容器C’i的电容值等于0.5pif。具有比电容器Ci小的电容器C’i减小了实现电路4所需的片上面积。
输出端34通过K个二极管Ei的串40与参考电势Vref连接。为了简单起见，在图1中仅示出了二极管E1、E2、E3、Ek-1、Ek。
每个二极管Ei的阳极均与输出端34连接，并且阴极均与参考电势Vref连接。例如，二极管Ei与二极管D’i相同。
如从电路4的布局可以看出，引线8通过N个二极管的串42直接并且永久地与参考电势Vref连接，其中N等于L+K+1。更确切地说，二极管的串42包括：
-L个串联连接的二极管D’i，
-二极管36，以及
-K个串联连接的二极管Ei。
N个二极管的串42形成了ESP电路。对于变换器30和ESP电路，二极管D’i和二极管36是共用的。
对ESP电路中的二极管的数目N进行选择，使其满足下列关系：
N.Vd＞VOUT                     (1)
其中：
-VOUT是由变换器14产生的电压，以及
-Vd是二极管D’i、36和Ei的正向偏置电压。
因此，只要VOUT保持小于N.Vd，就没有漏电流通过N个串联连接的二极管。
多路复用器26能够相继地激活变换器14和30。更确切地说，多路复用器26能够交替地将信号Φ和Φ连接至时钟输入端C1i和时钟输入端C1’i。
例如，多路复用器26具有两个可控中断44和46，它们用于将每个输入时钟C1i与信号Φ和Φ连接和断开。
多路复用器26还具有两个可控中断48和50，它们能够将每个输入时钟C1’i与时钟信号Φ和Φ连接和断开。将中断44、46、48和50设计为：当中断44和46关闭时，中断48和50开启，并且反之亦然。
通过控制输入端口52来控制中断44、46、48和50的切换。
现在，参考图3将描述电路4的操作。
首先，在步骤60中，控制器26关闭中断44和46并且开启中断48和50，以仅激活变换器14并且禁止变换器30。
随后，开始升压步骤62。在步骤62期间，变换器14增大电压Vdd以获得电压VOUT。变换器14的操作是公知的，将不给予详细地描述。
不管何种意愿，如果需要，在步骤64中，通过端口52来控制多路复用器26，以开启中断44和46并且关闭中断48和50。因此，在步骤64中，禁止了变换器14以及激活了变换器30。
在步骤66中，当被激活时，变换器30像变换器14一样操作，以降低电压VOUT。因此，不详细描述步骤66。
在步骤66中，电流从负载10通过二极管D’i、二极管36和二极管Ei流至参考电势Vref。激活变换器30使负载10能比仅使用二极管时更快地放电。
与步骤60至66并行，在步骤70中，如果在引线8上存在静电放电，则电压VOUT变成大于N.Vd。因此，在步骤70中，二极管D’i、二极管36和二极管Ei导通。电流通过变换器30和二极管串40吸入。这可以快速地降低VOUT，并且有助于保护电路4免受静电放电的损坏。
应该注意，ESP电路甚至在变换器30被禁止时仍然工作，这是因为一旦二极管的两个端子之间的电压变为大于电压Vd时，二极管就自动地开始导通。因此，在任何情况下，电路4总是被保护以免受静电放电的损坏。
很多其它实施例也是可行的。例如，数目L不需要等于数目M。优选地，数目L小于M，以便减少实现电路4所需的片上面积。
二极管Ei的数目K可以小到为0。
可以用具有不同结构的直流-直流升压变换器来代替直流-直流升压变换器14。例如，可以使用与在WO98/20401的图3C中所公开的结构类似的结构。还可用具有在以下文章中所公开的结构的变换器来代替变换器14：
“Power efficient charge pump in deep submicron standard CMOStechnology”，Roberto Pelliconi，David Jezzi，Andrea Baroni，MarcoPasotti，Pier Luigi Rolandi-STMicroelectronics-Central R & D。

Claims (7)

1.一种用于提升电路电压的电荷泵电路，其包括：
-直流-直流升压变换器(14)，其具有用于将电路电压提升至较高电压的电容器阵列，该直流-直流升压变换器具有用于输出所述较高电压的输出引线(8)，
-直流-直流降压变换器(30)，其与所述输出引线连接，该直流-直流降压变换器具有用于降低所述较高电压的电容器和二极管阵列，以及
-ESP电路，其包括用于从所述输出引线吸收电流的N个串联连接的二极管的串(42)，其中N是大于2的整数，每个二极管的阳极均与所述输出引线永久地连接，并且每个二极管的阴极均与参考电势永久地连接，其中所述串包括所述直流-直流降压变换器的二极管。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述串联连接的二极管的每个正向偏置电压的总和大于由所述直流-直流升压变换器(14)所产生的较高电压。
3.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电路，其中所述直流-直流降压变换器(30)包括几个串联连接在所述输出引线和所述参考电势之间的降压级(Ri)，每个级均仅具有一个二极管和一个电容器。
4.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电路，其中在所述ESP电路的串中所使用的直流-直流降压变换器(30)的二极管的数目严格地小于N。
5.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电路，其中所述直流-直流升压变换器(14)是Dickson电荷泵电路。
6.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电路，其中在所述直流-直流升压或降压变换器(14，30)中使用的电容器是金属-金属电容器。
7.一种集成电路，其具有根据前述权利要求中的任一权利要求所述的片上电荷泵电路(4)。
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