CN101510728A

CN101510728A - 电荷泵及cmos图像传感器

Info

Publication number: CN101510728A
Application number: CNA2008101836000A
Authority: CN
Inventors: 罗文哲; 陈巨
Original assignee: Brigates Microelectronic Co Ltd
Current assignee: Brigates Microelectronic Co Ltd
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2009-08-19

Abstract

一种电荷泵及CMOS图像传感器。所述电荷泵包括：升压电路，包括与电源电压相连的第一升压分支电路和第二升压分支电路；所述第一升压分支电路和第二升压分支电路分别受控于第一时钟和第二时钟，所述第一时钟信号和第二时钟为一对相位相反的非重叠时钟；其中，在第一时钟为第一相位时，所述第一升压分支电路实现对电源电压的升压；在第二时钟为第一相位时，所述第二升压分支电路实现对电源电压的升压；电压选择电路，耦接于所述第一升压分支电路和第二升压分支电路，根据对电源电压升压的升压分支电路的输出形成电荷泵的输出。所述电荷泵具有较高的转换效率、较小的纹波以及较小的面积。

Description

电荷泵及CMOS图像传感器

技术领域

本发明涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，特别涉及提供CMOS图像传感器像素驱动的电荷泵及相应具有该电荷泵的CMOS图像传感器。

背景技术

图像传感器是用于将光学图像转换成电信号的半导体器件，包括电荷耦合器件(CCD，Charge Coupled Device)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

其中，CMOS图像传感器采用了利用控制电路和信号处理电路作为外围电路的CMOS技术，还采用了允许利用与排列的像素的数量对应设置的MOS晶体管顺序检测输出而由此检测图像的开关技术。另外，CMOS图像传感器利用了CMOS制造技术。

CMOS图像传感器通常需要使用电荷泵的技术，以在片上产生高于电源电压(VDD)的电压。产生的高电压通常用于CMOS图像传感器中像素单元的驱动，如像素单元中复位端(RESET)、转移端(TX)。通常CMOS图像传感器所需高压小于1.5倍的电源电压。例如VDD为2.8V，CMOS图像传感器所需高压一般低于4.2V。

图1为目前常用Dickson电荷泵的一种电路图。参照图1所示，所述Dickson电荷泵包括4个相连的升压级，每一个升压级由一个电容和一个二极管接法的NMOS管(栅极接漏极)构成。例如图1中所示的电容C1和NMOS管M1构成的第一升压级，电容C2和NMOS管M2构成的第二升压级，电容C3和NMOS管M3构成的第三升压级，电容C4和NMOS管M4构成的第四升压级。所述Dickson电荷泵的输出电外接电容COUT，以使得输出电压VOUT平滑。

其中，NMOS管的二极管接法使得电流只能从漏极向源极流动。而一对相位相反的非重叠时钟PH0、PH1，交替连接于每一个升压级的电容上，使得各个升压级依次将输出电压逐步升高。

以第二升压级(线框所包围的)为例，PH1变为高时，PH0变为低。b点电压升高，使得电流流向c点，给电容C3充电。与此同时，由于M1截止，电流不会进入到第一升压级中。从而电容C3充电到比电容C2更高的电压值。以此类推，各电容上的电压从C1->C2->C3->C4->COUT向上积累。

然而，Dickson电荷泵的效率较低，一般来说超过三级的Dickson电荷泵的效率低于30％，而随着级数的增加，其效率还会下降。并且，Dickson电荷泵，只在时钟(例如PH1)的一个相位输出电流，容易引起较大的纹波。另外，由于每一升压级均有一个泵浦电容，而一般Dickson电荷泵都使用三级以上的升压级，因而电容面积较大，使得相应电荷泵的面积也较大。

发明内容

本发明要解决的问题是，现有技术电荷泵效率较低，且面积较大的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种电荷泵，包括：

升压电路，包括与电源电压相连的第一升压分支电路和第二升压分支电路；所述第一升压分支电路和第二升压分支电路分别受控于第一时钟和第二时钟，所述第一时钟信号和第二时钟为一对相位相反的非重叠时钟；其中，在第一时钟为第一相位时，所述第一升压分支电路实现对电源电压的升压；在第二时钟为第一相位时，所述第二升压分支电路实现对电源电压的升压；

电压选择电路，耦接于所述第一升压分支电路和第二升压分支电路，根据对电源电压升压的升压分支电路的输出形成电荷泵的输出。

本发明还提供一种CMOS图像传感器，包括提供像素单元复位端或转移端电压的电荷泵，其中，所述电荷泵包括：

与现有技术相比，上述方案具有以下优点：由于所述第一升压分支和第二升压分支轮流升高所述电源电压，提高了电荷泵升压的效率。

并且，由于仅需两个升压分支即可完成电荷泵的升压，节约了电荷泵的面积。

附图说明

图1是现有技术Dickson电荷泵电路图；

图2是本发明电荷泵的一种实施方式图；

图3是本发明电荷泵的一种电路实例图；

图4是图3所示电荷泵相应的波形图。

具体实施方式

通过对目前Dickson电荷泵的工作过程分析可以得到，Dickson电荷泵中某个时钟(PH0或PH1)，只有一个相位中有电荷被泵到外部电容COUT上，因而效率较低。并且，Dickson电荷泵为达至CMOS图像传感器的像素驱动所需电压，只能通过多个升压级一级级提升电压，这样势必要增加电容面积。因此，目前Dickson电荷泵的升压级结构限制了其提升升压效率以及缩减面积。

因而，针对上述问题，一种可行的方法是使得电荷泵在时钟的两个相位(高电平相位和低电平相位)都能进行升压，从而相应提升升压效率，并能够相应进行面积缩减。基于此，本发明电荷泵的一种实施方式，参照图2所示，至少可以包括：

升压电路1，包括与电源电压相连的第一升压分支电路10和第二升压分支电路11；所述第一升压分支电路10和第二升压分支电路11分别受控于第一时钟和第二时钟，所述第一时钟信号和第二时钟为一对相位相反的非重叠时钟；其中，在第一时钟为第一相位时，所述第一升压分支电路10实现对电源电压的升压；在第二时钟为第一相位时，所述第二升压分支电路11实现对电源电压的升压；

电压选择电路2，耦接于所述第一升压分支电路10和第二升压分支电路11，根据对电源电压升压的升压分支电路的输出形成电荷泵的输出。

上述实施方式中，第一升压分支电路10和第二升压分支电路11分别受控于相位互反的第一时钟和第二时钟，并且轮流升高所述电源电压。即，在例如第一时钟的高电平相位时，第一升压分支电路10升高所述电源电压，并经由电压选择电路2，而将电荷泵到电荷泵的外部输出电容上；而当第一时钟为低电平相位，即第二时钟为高电平相位时，第二升压分支电路11升高所述电源电压，并经由电压选择电路2，而将电荷泵到电荷泵的外部输出电容上。

从而，在任一时钟的两个相位，都有相应的升压分支电路升高所述电源电压，并经由电压选择电路2泵到电荷泵的外部输出电容上。

因此，上述实施方式的电荷泵的升压效率较高。

下面通过一个更加具体的电荷泵电路及其工作过程的举例，对于上述实施方式的电荷泵作进一步说明。

图3为本发明电荷泵的一种电路实例图。参照图3所示，所述电荷泵电路至少包括：由NMOS管M5、M6和电容C5、C6构成的升压电路1，由PMOS管M7和M8构成的电压选择电路2，以及外接于电压选择电路2的输出的电容COUT。其中，NMOS管M5和电容C5构成第一升压分支电路10，NMOS管M6和电容C6构成第二升压分支电路11。

所述升压电路1中：NMOS管M5和M6的漏极共同相连于电源电压VDD。NMOS管M5和M6在源极交叉耦合，即NMOS管M5的栅极与NMOS管M6的源极相连；NMOS管M6的栅极与NMOS管M5的源极相连。而电容C5和C6的一端分别相连于NMOS管M5和M6的源极，另一端分别相连于一对相位相反的非重叠时钟PH0和PH1上。从而所述升压电路1具有对称式推挽结构。

所述电压选择电路2中：PMOS管M7和M8在源极交叉耦合，即PMOS管M7的栅极与PMOS管M8的源极相连；PMOS管M8的栅极与PMOS管M7的源极相连。而PMOS管M7和M8的漏极则相连并作为电荷泵的输出。

电容COUT是外接的大电容，用于电压的平滑作用。

此外，所述相位相反的非重叠时钟PH0和PH1，可以从电荷泵外部只提供一个时钟PH0或PH1，而在电荷泵内部通过相应逻辑电路再产生一个与输入时钟相位相反的时钟。

上述电荷泵电路的工作过程详述如下：

继续参照图3所示，电荷泵开始工作时，假定此时电容C1、C2上的电压为0。此处需要说明的是，后续说明中指明的各点电压应都是指该点的瞬态电压。

当在PH0的一个周期中，PH0为高电平，例如VDD，相应PH1为低电平，例如0时，在升压电路1中，位于NMOS管M5源极处的a点电压V(a)上升至：V(a)＝k×VDD。其中k是一个电荷分配系数，k1＝C5/(C5+Ca)，C_a为a点的寄生电容。可以看到，当C5>>C_a时，k接近于1。即当与相连于时钟PH0的电容C5远大于NMOS管M5源极处的寄生电容时，NMOS管M5源极处的a点电压在PH0为高时，上升至近似于VDD。

此时，由于NMOS管M6的栅极与NMOS管M5的源极相连，故NMOS管M6的栅极电压也为k×VDD，则NMOS管M6导通。此时，NMOS管M6源极处的b点电压V(b)上升至：V(b)＝V(a)-Vt＝k×VDD-Vt，其中Vt为NMOS管M6的阈值电压。例如，若所述NMOS管采用3.3V的CMOS工艺的NMOS管，考虑到衬偏效应，其阈值电压Vt的值一般会从0.7V上升至1-1.2V。

此时，由于PH1为低电平，电容C6被充电，其电压V(C6)被充电至：V(C6)＝V(b)-0＝k×VDD-Vt。

而在电压选择电路2中，PMOS管M7的栅极电压等于a点的电压V(a)，源极电压等于b点的电压V(b)；而PMOS管M8的栅极电压等于b点的电压V(b)，源极电压等于a点的电压V(a)。

此时，由于V(a)＝k×VDD，V(b)＝k×VDD-Vt，V(b)<V(a)，而当V(a)>V(b)+Vt8(Vt8为PMOS管M8的阈值电压)时，可以认为PMOS管M8导通，输出V(a)。

而由于PMOS管M8的导通，电容C5与外接电容COUT连通进行电荷分配，则所述电荷泵电路的瞬态输出电压VOUT＝V(a)×k2，其中k2是电荷分配系数，k2＝COUT/(COUT+C5)。而由于电荷分配，a点上的电压V(a)＝VOUT。

仍然在该PH0周期，当PH0为低电平，相应PH1为高电平时，b点电压V(b)上升至：V(b)＝k3×VDD+V(C6)，其中k3是一个电荷分配系数，k3＝C6/(C6+C_b)，C_b为b点的寄生电容。由于所述的第一升压分支电路10和第二升压分支电路11为对成结构，可以认为NMOS管M5和M6相同，电容C5和C6也相同。因而有C5＝C6，C_a＝C_b，即k3＝k。因此，V(b)＝k×VDD+k×VDD-Vt＝2k×VDD-Vt。

此时，由于NMOS管M5的栅极与NMOS管M6的源极相连，故NMOS管M5的栅极电压也为2k×VDD-Vt，则NMOS管M5强烈导通至线性区，此时NMOS管M5工作在深线性区，可以等效为一个很小的电阻，因而a点电压V(a)可以近似为VDD。

此时，由于PH0为低电平，电容C5被充电，其电压V(C5)被充电至：V(C5)＝V(a)-0＝VDD。

而在电压选择电路2中，此时，由于V(a)＝VDD，V(b)＝2k×VDD-Vt，而对于PMOS管M7，其栅源电压V_GS＝V(a)-V(b)＝(1-2k)×VDD+Vt，此时M7导通。

下一个PH0的周期，当PH0又变为高电平，相应PH1变为低电平时，a点的电压V(a)瞬时上升至：V(a)＝VDD+k×VDD。

此时，由于NMOS管M6的栅极与NMOS管M5的源极相连，故NMOS管M6的栅极电压也为VDD+k×VDD，则NMOS管M6强烈导通至线性区，b点电压V(b)为VDD。

此时，由于PH1为低电平，电容C6被充电，其电压V(C6)被充电至：V(C6)＝V(b)-0＝VDD。

而在电压选择电路2中，此时，由于V(a)＝VDD+k×VDD，V(b)＝VDD，V(b)<V(a)，而对于PMOS管M8，其栅源电压V_GS＝V(b)-V(a)＝-k×VDD，此时M8导通，输出V(a)。

仍然在该PH0周期，当PH0为低电平，相应PH1为高电平时，b点电压V(b)瞬时上升至：V(b)＝VDD+k×VDD。

此时，由于NMOS管M5的栅极与NMOS管M6的源极相连，故NMOS管M5的栅极电压也为VDD+k×VDD，则NMOS管M5强烈导通至线性区，a点电压V(a)为VDD。

此时，由于PH0为低电平，电容C5被充电到：V(C5)＝V(a)-0＝VDD。

而在电压选择电路2中，此时，由于V(a)＝VDD，V(b)＝VDD+k×VDD，V(a)<V(b)，而对于PMOS管M7，其栅源电压V_GS＝V(a)-V(b)＝-k×VDD，此时M7导通，输出V(b)。

而由于PMOS管M7的导通，电容C6与外接电容COUT连通进行电荷分配，则所述电荷泵电路的瞬态输出电压VOUT＝V(b)×k2，其中k2是电荷分配系数，k2＝COUT/(COUT+C6)。而由于电荷分配，b点上的电压V(b)＝VOUT。

接下来，当PH0为高电平时，V(a)＝(1+k)×VDD，V(b)＝VDD；当PH1为高电平时，V(b)＝(1+k)×VDD，V(a)＝VDD。

该过程周而复始。从而，所述升压电路1在时钟(PH0/PH1)的两个相位轮流升高电源电压。而电压选择电路2中的PMOS管M7和M8也以推挽的方式配合，在时钟(PH0/PH1)的两个相位选择升压电路1中的某个升压分支输出，即在所述时钟的两个相位都有电荷被泵到外接电容COUT上，从而推动CMOS图像传感器中例如像素复位端和转移端的工作。而且这两个相位中电荷被转移的电压高度是相同的，即在每个相位，最后VOUT＝(1+k)×VDD×k2。

图4所示为图3所示电荷泵相应的工作波形图。结合图3和图4中可以看到，当PH0为高电平，PH1为低电平时，V(a)＝(1+k)×VDD，V(b)＝VDD；当PH1为高电平，PH0为低电平时，例如图4中的A点，V(b)上升至(1+k)×VDD，而V(a)则回落至VDD，V(C5)被充电至VDD，V(C6)则上升了k×VDD，电荷泵输出VOUT＝(1+k)×VDD×k2；而当PH0再度为高电平，PH1再度为低电平时，例如图4中B点，V(a)上升至(1+k)×VDD，而V(b)则回落至VDD，V(C6)被充电至VDD，V(C5)则上升了k×VDD，电荷泵输出VOUT＝(1+k)×VDD×k2。因而，图4中的VOUT维持不变，验证了上述所说明的在时钟(PH0/PH1)的两个相位，电荷被转移的电压高度是相同的。

从上述电荷泵工作过程说明中可以看到，相比较Dickson电荷泵只在时钟的一个相位将电荷泵到外接电容上。上述举例的本发明的一种电荷泵在时钟的两个相位都将电荷泵到在外接电容上。因此，所述电荷泵相较于Dickson电荷泵具有较低的纹波。

并且，所述电荷泵由于在时钟(PH0/PH1)的两个相位轮流升高电源电压，相较于Dickson电荷泵，具有更高的转换效率。仿真发现，所述电荷泵的转换效率可以达到60％以上，远超出传统的Dickson电荷泵低于30％的转换效率。

另外，所述电荷泵只使用两个泵浦电容C5，C6(COUT外接不算)。而在Dickson电荷泵中，由于一般使用超过3级升压级，要用到至少3个以上的泵浦电容。由于泵浦电容所占芯片面积较大，是电荷泵面积的主要部分，所以所述电荷泵具有较小的面积。

虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种电荷泵，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的电荷泵，其特征在于，

所述第一升压分支电路包括电源电压输入端、第一时钟输入端、第一控制端和第一输出端；

所述第二升压分支电路包括电源电压输入端、第二时钟输入端、第二控制端和第二输出端；

其中，所述第一升压分支电路的第一控制端与第二升压分支电路的第二输出端相连，所述第二升压分支电路的第二控制端与第一升压分支电路的第一输出端相连。

3.如权利要求2所述的电荷泵，其特征在于，

所述电压选择电路包括第一选择单元和第二选择单元，所述第一选择单元包括第一选择输入端、第一选择控制端和第一选择输出端，所述第二选择单元包括第二选择输入端、第二选择控制端和第二选择输出端；

其中，所述第一选择输入端和所述第二升压分支电路的第二输出端相连，所述第一选择控制端和所述第一升压分支电路的第一输出端相连；

所述第二选择输入端和所述第一升压分支电路的第一输出端相连，所述第二选择控制端和所述第二升压分支电路的第二输出端相连；

所述第一选择输出端和第二选择输出端相连。

4.如权利要求1所述的电荷泵，其特征在于，

所述第一升压分支电路包括：漏极与电源电压相连的第一NMOS管，以及一端与第一时钟相连的第一电容；所述第一电容的另一端与所述第一NMOS管的源极相连；

所述第二升压分支电路包括：漏极与电源电压相连的第二NMOS管，以及一端与第二时钟相连的第二电容；所述第二电容的另一端与所述第二NMOS管的源极相连，

所述第一NMOS管的栅极与所述第二NMOS管的源极相连，所述第二NMOS管的栅极与所述第一NMOS管的源极相连。

5.如权利要求4所述的电荷泵，其特征在于，所述电压选择电路包括：第一PMOS管和第二PMOS管；其中，所述第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的源极相连，源极与第二NMOS管的源极相连；所述第二PMOS管的栅极与第一PMOS管的源极相连，源极与第一NMOS管的源极相连；所述第一PMOS管和第二PMOS管的漏极相连作为电荷泵的输出。

6.一种CMOS图像传感器，包括：提供像素单元复位端或转移端电压的电荷泵，其特征在于，所述电荷泵包括：

7.如权利要求6所述的CMOS图像传感器，其特征在于，

8.如权利要求7所述的CMOS图像传感器，其特征在于，

所述第一选择输出端和第二选择输出端相连。

9.如权利要求6所述的CMOS图像传感器，其特征在于，

10.如权利要求9所述的CMOS图像传感器，其特征在于，

所述电压选择电路包括：第一PMOS管和第二PMOS管；其中，所述第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的源极相连，源极与第二NMOS管的源极相连；所述第二PMOS管的栅极与第一PMOS管的源极相连，源极与第一NMOS管的源极相连；所述第一PMOS管和第二PMOS管的漏极相连作为电荷泵的输出。