CN102088242A - 电荷泵电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电荷泵电路。该电荷泵电路具有：交替地进行升压操作的第一和第二电荷泵电路；以及控制电路。第一(第二)电荷泵电路具有：串联连接的多级第一(第二)开关晶体管；分别连接至第一(第二)开关晶体管的源极的多级第一(第二)连接节点；以及分别连接至第一(第二)连接节点的多级第一(第二)电容器。控制电路具有：多级第一反相器；以及多级第二反相器。第n级第一(第二)反相器供应有来自第(n-1)级第二(第一)连接节点的正侧电源电压，供应有来自第n级第一(第二)连接节点的负侧电源电压，供应有来自第(n-1)级第一(第二)连接节点的输入电压，以及向第n级第一(第二)开关晶体管的栅极输出输出电压。

Description

电荷泵电路
技术领域
本发明涉及一种电荷泵电路。
背景技术
通过诸如电池组电池的低电压电源所操作的电子器件通常使用升压器电路，其将低电源电压升压至使电子器件能够正常操作的工作电压。
一种代表性的升压器电路是通过将多个二极管和多个电容器组合来构造的电荷泵型升压器电路(以下简称电荷泵电路)。在半导体集成电路中，优选地使用电荷泵电路。
在电荷泵电路中，一对二极管和电容器根据预期的输出电压被布置成用于许多级。第一级电容器由电源电压来充电，第二级电容器由第一级电容器来充电，以及第三级电容器由第二级电容器来充电。直到末级为止以此种方式重复充电。因此，输入电压被提高至预期的输出电压。以下将参考图1来描述典型的电荷泵电路的工作原理。
图1示出其中将一对二极管和电容器布置用于五级的电荷泵电路的构造。具体地，图1所示的电荷泵电路具有：串联连接的五个二极管D1至D5；以及分别连接至二极管D1至D5的连接节点的五个电容器C1至C5。电容器C1和C3的一端分别被连接至连接节点a1和a3，以及它们的另一端供应有控制信号S1。电容器C2和C4的一端分别连接至连接节点a2和a4，以及它们的另一端供应有控制信号S2。
这里，分别以预定的周期在0V与Vdd之间切换控制信号S1和S2的电平。此外，控制信号S1和S2在0V周期和Vdd周期中彼此不同。也就是说，控制信号S1和S2为互补信号。
当控制信号S1的电平为0V(控制信号S2的电平为Vdd)时，通过二极管D1，由输入电源电压Vdd对电容器C1充电。电荷电压此时为“Vdd-VF”，其中VF为二极管的正向电压降。
接下来，当控制信号S1的电平变成Vdd(控制信号S2的电平变成0V)时，电容器C1的连接节点的电压变成“2Vdd-VF”。此时，控制信号S2的电平为0V，并因此通过二极管D2将电容器C2充电至“2Vdd-2VF”。以此方式重复充电，并且还提高其他电容器C3、C4和C5的电荷电压。结果，图1所示的电荷泵电路能够产生大约“5Vdd-5VF”的输出电压。
在图1所示的电荷泵电路的情况下，输出电压从“5Vdd”减少作为二极管D1至D5的正向电压降之和的“5VF”。也就是说，由于控制对电容器充电的控制元件(二极管)的电压降，所以降低输出电压。因此，考虑将具有小的电压降量的元件用作充电操作的控制元件，以便提高电荷泵电路的输出电压。例如，用FET(场效应晶体管；以下简单地称作晶体管)来替代二极管，从而大大地抑制输出电压的降低。
图2示出使用代替二极管的晶体管的电荷泵电路的构造。图2所示的电荷泵电路为负电压升压器电路。图2所示的电荷泵电路具有：源极和漏极串联连接的晶体管FET1至FET6；以及其一端分别连接至晶体管FET1至FET6之间的连接节点a11至a15的电容器C11至C15。电容器C11、C13和C15的一端分别连接至连接节点a11、a13和a15，以及它们的另一端供应有控制信号S3。电容器C12和C14的一端分别连接至连接节点a12和a14，以及它们的另一端供应有控制信号S4。
如图3所示，以预定的周期在0V与Vdd之间切换控制信号S3和S4的电平。此外，控制信号S3和S4在0V周期和Vdd周期中彼此不同。此外，存在控制信号S3和S4这两者的电平均为0V的周期。例如，控制信号S3和S4在周期T1中均为0V。在周期T2中，在将控制信号S4切换至VDD的同时将控制信号S3维持在0V。在周期T3中，控制信号S3和S4均为0V。在周期T4中，在将控制信号S4维持在0V的同时将控制信号S3切换至VDD。在周期T5中，控制信号S3和S4均为0V。在周期T6中，在将控制信号S4切换至VDD的同时将控制信号S3维持在0V。
控制信号G1至G6分别供应至晶体管FET1至FET6的栅极。也就是说，晶体管FET1至FET6分别由控制信号G1至G6来控制导通/断开。在本示例中，当控制信号S3为VDD时，晶体管FET1、FET3和FET5导通，以及晶体管FET2和FET4断开。另一方面，当控制信号S4为VDD时，晶体管FET1、FET3和FET5断开，以及晶体管FET2和FET4导通。
将参考图2和3来描述电荷泵的操作。当控制信号S3为VDD时，通过晶体管FET1，由电源电压VDD对电容器C11充电。在此，让我们考虑晶体管的漏极与源极之间的电压降为0V的情形。在该情况下，电容器C11的电荷电压为“VDD”。
接下来，将控制信号S3切换至0V，并且将晶体管FET1从导通切换至断开。结果，电容器C11的连接节点a11的电压变成“-VDD”。由于晶体管FET2在将晶体管FET1从导通切换至断开时处于断开状态，所以没有电流从连接节点a12流向连接节点a11。接下来，将晶体管FET2导通，并将控制信号S4切换至VDD。结果，通过晶体管FET2用“2VDD”对电容器C12充电。
接下来，将控制信号S4切换至0V，并且将晶体管FET2从导通切换至断开。结果，电容器C12的连接节点a12的电压变成“-2VDD”。由于晶体管FET3在将晶体管FET2从导通切换至断开时处于断开状态，所以没有电流从连接节点a13流向连接节点a12。接下来，将晶体管FET3导通，并将控制信号S3切换至VDD。结果，通过晶体管FET3，用“3VDD”对电容器C13充电。
T相同的情形适用于其他电容器。因此，能够获得“-5VDD”的输出电压。在图2所示的电荷泵电路的情况下，存在将FET晶体管同时断开的周期，这能够抑制由电压降所引起的上述升压损失。
在此，让我们考虑用于导通/断开控制晶体管的控制信号G1至G5。在N沟道MOS(金属氧化物半导体)FET的情况下，晶体管在栅源电压变得高于其阈值电压Vt时导通，并当栅源电压变得低于阈值电压Vt时断开。如图2所示，晶体管FET1的源极和背栅连接至连接节点a11。在当控制信号S3为VDD时的周期T4中，连接节点a11的电压为0V，并因此需要控制信号G1的电平高于“0V+Vt”，用于导通晶体管FET1。
在当控制信号S3和S4这两者为0V时的周期T5中，连接节点a11的电压为-VDD，并因此需要控制信号G1的电平低于“-VDD+Vt”，用于断开晶体管FET1。相似地，在当控制信号S3为0V时的周期T6中，连接节点a11的电压为-VDD，并因此需要控制信号G1的电平低于“-VDD+Vt”，用于断开晶体管FET1。
晶体管FET2的源极和背栅连接至连接节点a12。在当控制信号S3为VDD时的周期T4中，连接节点a12的电压为-2VDD，并因此需要控制信号G2的电平低于“-2VDD+Vt”，用于断开晶体管FET2。在当控制信号S3为0V时的周期T5和T6中，连接节点a12的电压为-VDD，并因此需要控制信号G2的电平高于“-VDD+Vt”，用于导通晶体管FET2。
相似地，需要控制信号G3的电平高于“-2VDD+Vt”，用于导通晶体管FET3，以及低于“-3VDD+Vt”，用于断开晶体管FET3。需要控制信号G4的电平高于“-3VDD+Vt”，用于导通晶体管FET4，以及低于“-4VDD+Vt”，用于断开晶体管FET4。需要控制信号G5的电平高于“-4VDD+Vt”，用于导通晶体管FET5，以及低于“-5VDD+Vt”，用于断开晶体管FET5。
让我们把控制信号G3看作示例。为了导通晶体管FET3，如上所述，需要控制信号G3的电平高于“-2VDD+Vt”。然而，在图3所示的示例中，将电压VDD(高电平)的控制信号用于导通晶体管FET3。在该情况下，向晶体管FET3施加作为栅极电压(控制信号G3)与源极电压(连接节点a13的电压)之间的电压差的“3VDD”。因此，对于晶体管FET3而言，需要高于“3VDD”的击穿电压。相似地，对于晶体管FET4而言，需要高于“4VDD”的击穿电压。通常，具有较高的击穿电压的元件具有较低的电流驱动能力和较大的布局尺寸。因此理想的是，设定栅极控制电压，以便不提高晶体管的击穿电压。
日本专利公布JP-2009-011121(专利文献1)描述了一种具有根据晶体管的击穿电压而产生栅极控制信号的电路的电荷泵电路，图4示出在专利文献1中描述的产生负电压的反相型电荷泵电路100的构造。在电荷泵电路100中，开关SW101至SW104分别由MOS晶体管构成，并且控制电路105的导通/断开分别通过驱动器电路101至104来控制开关SW101至SW104。
首先，控制电路105在将开关SW103和SW104断开以成为切断状态的同时将开关SW101和SW102导通为电连接状态。结果，用电压(Vin-Vc)对电容器C101充电。接下来，控制电路105在将开关SW103和SW104导通成电连接状态的同时将开关SW101和SW102断开成切断状态。结果，用充入电容器C101中的电压的反相电压对电容器C102充电，并且该反相电压输出为负输出电压Vout。在无负载的情况下，输出电压Vout等于“-(Vin-Vc)”。
驱动器电路使从控制电路105输入的控制信号的电压电平偏移，以产生向开关SW101至104供应的相应栅极控制信号。
然而，在图4所示的电路的情况下，向节点CN施加负电压“-(Vin-Vc)”。在此，驱动器电路102和104的电源电压为输入电压Vin。因此，向开关SW102和SW104的各栅极和节点CN施加达到(2×Vin-Vc)的电压差。为了使电压差小于MOS晶体管(开关)的击穿电压，需要通过利用复杂的电压控制方法来提高MOS晶体管(开关)的击穿电压或防止这样的电压差出现。
专利文献1还描述了一种用于解决该问题的反相型电荷泵电路110。通过向图4所示的电路增加简单的电路来获得电荷泵电路110。
图5示出在专利文献1中描述的电荷泵电路110的构造。电荷泵电路110通过输入端子IN接收输入电压Vin，由输入电压Vin产生预定的负电压，以及从输出端子OUT输出作为输出电压Vout的负电压。
如图5所示，在电荷泵电路110中的开关111与节点CP之间插入NMOS晶体管M110。向NMOS晶体管M110的栅极供应恒定的电压Vb。可以在不提高用作开关SW111至SW114的MOS晶体管的击穿电压的情况下减少输出电压Vout的波纹。
当开关SW111和SW112导通时，向开关SW112施加最大电压差(Vb-Vc)。另一方面，当开关SW113和SW114导通时，向开关SW114施加最大电压差(2×Vb-Vc)。
在电荷泵电路110的情况下，可以通过合适地设定恒定的电压Vb，使向MOS晶体管(开关SW111至SW114)施加的电压低于MOS晶体管的击穿电压。然而，用于供应恒定的电压Vb的恒压电路增大电荷泵电路110电路尺寸。此外，需要设定恒定的电压Vb，使得电压差(2×Vb-Vc)变得小于开关SW114的击穿电压。能够被输出作为输出电压Vout的最低电压为“-(Vb-Vc)”。
在此，让我们考虑电压Vc等于0V的情形。在该情况下，最低输出电压Vout未“-Vb”。向开关SW114施加的最大电压差为“2×Vb”，并因此将开关SW114的击穿电压设定为大约“2×Vb”。因此，电荷泵电路110的最低输出电压Vout至多为开关SW114的击穿电压的一半。如果将电压Vc设定为负电压，则使最低输出电压Vout更低。然而，输入电压Vin与电压Vc之间的电压差需要小于开关SW113的击穿电压。因此，输出电压Vout的绝对值不能超过开关SW113的元件击穿电压。
日本专利公布JP-2005-204366(专利文献2)描述了将用于开关FET的栅极控制电压控制在击穿电压内的另一示例。专利文献2描述了将栅极控制电压控制到开关FET的击穿电压的最大值的电路。
日本专利公布JP-2001-086735(专利文献3)描述了一种能够抑制输出电压变化的升压器电路。具体地，当两个钳位电容器之一被串联连接至电源时，它们中的另一个被并联连接至电源。
[专利文献1]日本专利公布JP-2009-011121
[专利文献1]日本专利公布JP-2005-204366
[专利文献1]日本专利公布JP-2001-086735
发明内容
本发明的发明人已认识到以下要点。
根据在专利文献2中描述的技术，可以将向开关FET输入的栅极控制信号控制为晶体管的最高击穿电压。因此，可以降低开关FET的击穿电压并减小电路尺寸。然而，用于控制栅极控制信号的电路需要高压元件，这导致电路尺寸增大。此外，需要供应用于控制栅极控制信号的恒定电流，这导致升压效率降低。
此外，根据在专利文献2中描述的技术，如在专利文献1的情况下，能够使输出电压的绝对值不大于晶体管的击穿电压。相同的情形适用于在专利文献3中描述的技术。
如上所述，尽管已对降低开关FET的击穿电压提出了产生栅极控制电压的各种电路，但电荷泵输出被限制为小于元件击穿电压，这是一个问题。
在本发明的方面中，电荷泵电路具有：第一电荷泵电路和第二电荷泵电路，所述第一电荷泵电路和第二电荷泵电路交替地执行升压操作；以及控制电路，所述控制电路被构造成控制第一电荷泵电路和第二电荷泵电路的相应升压操作。第一电荷泵电路具有：多级的第一开关晶体管，所述多级的第一开关晶体管被接连地串联连接；多级的第一连接节点，所述多级的第一连接节点被分别连接至多级的第一开关晶体管的源极；以及多级的第一电容器，所述多级的第一电容器的一端分别连接至多级的第一连接节点。第二电荷泵电路具有：多级的第二开关晶体管，所述多级的第二开关晶体管被接连地串联连接；多级的第二连接节点，所述多级的第二连接节点被分别连接至多级的第二开关晶体管的源极；以及多级的第二电容器，所述多级的第二电容器的一端分别连接至多级的第二连接节点。控制电路具有：多级的第一反相器；以及多级的第二反相器。
在此，n为等于或大于3的整数。多级的第一反相器的第n级第一反相器被构造成供应有来自多级的第二连接节点的第(n-1)级第二连接节点的正侧电源电压，供应有来自多级的第一连接节点的第n级第一连接节点的负侧电源电压，供应有来自多级的第一连接节点的第(n-1)级第一连接节点的输入电压，并向多级的第一开关晶体管的第n级第一开关晶体管的栅极输出输出输出电压。多级的第二反相器的第n级第二反相器被构造成供应有来自多级的第一连接节点的第(n-1)级第一连接节点的正侧电源电压，供应有来自多级的第二连接节点的第n级第二连接节点的负侧电源电压，供应有来自多级的第二连接节点的第(n-1)级第二连接节点的输入电压，并向多级的第二开关晶体管的第n级第二开关晶体管的栅极输出输出电压。
如上所述，第一电荷泵电路和第二电荷泵电路交替执行升压操作。第一和第二电荷泵电路之一的电容器的充电状态用于在下一周期中控制它们中的另一个的电容器的充电。即使增大电容器和开关晶体管的级的数目，向开关施加的电压也总是小于开关的击穿电压。因此，通过增大电容器和开关晶体管的级的数目，可以使电荷泵输出电压大于元件击穿电压。
根据本发明的电荷泵电路能够输出绝对值大于晶体管的元件击穿电压的升压的电压。此外，通过小于晶体管的元件击穿电压的栅极控制电压，升压操作是可以的。此外，能够降低开关晶体管的元件击穿电压。此外，能够减小电荷泵电路的电路尺寸。
附图说明
从以下结合附图的某些优选实施例的说明，本发明以上及其他的目的、优点和特征将更加明显，其中：
图1示出提供有二极管和电容器的典型电荷泵电路的构造；
图2示出利用晶体管的典型电荷泵电路的构造；
图3是示出图2所示的电荷泵电路的操作的时序图；
图4示出在专利文献1(日本专利公布JP-2009-011121)中描述的常规电荷泵电路的构造；
图5示出在专利文献1(日本专利公布JP-2009-011121)中描述的另一常规电荷泵电路的构造；
图6示出根据本发明实施例的电荷泵电路的构造；
图7示出根据本发明实施例的电平偏移电路的示例的构造；
图8A是示出根据本发明实施例的电荷泵电路的操作(逐步下降操作)的时序图；
图8B是示出根据本发明实施例的电荷泵电路的操作(逐步下降操作)的时序图；以及
图9示出根据本发明实施例的电荷泵电路的另一构造。
具体实施方式
现在将参考说明性实施例来描述本发明。本领域的技术人员将认识到的是，能够利用本发明的教导来实现许多可替选的实施例，并且本发明不局限于为解释性目的而图解的实施例。
(构造)
将参考图6和7来描述根据本发明实施例的电荷泵电路的构造。图6示出根据本发明实施例的电荷泵电路的构造。将描述作为根据本发明实施例的电荷泵电路的示例的四级负电压升压器电路。
根据本发明实施例的电荷泵电路具有：多级第一开关(FET1A、FET2A、FET3A和FET4A)；多级第二开关(FET1B、FET2B、FET3B和FET4B)；第三开关FET5A；第四开关FET5B；多级第一连接节点(WA1、WA2、WA3和WA4)；多级第一电容器(C1A、C2A、C3A和C4A)；多级第二连接节点(WB1、WB2、WB3和WB4)；多级第二电容器(C1B、C2B、C3B和C4B)；平滑电容器Cave；多级第一电平偏移电路(LS1A、LS2A、LS3A和LS4A)；以及多级第二电平偏移电路(LS1B、LS2B、LS3B和LS4B)。
在导通时产生小的电压降的晶体管(例如：FET)优选地用作以下开关中的每一个：第一开关FET1A至FET4A、第二开关FET1B至FET4B、第三开关FET5A和第四开关FET5B。
第一电容器C1A至C4A和第二电容器C1B至C4B分别为升压器电容器。第一开关FET1A至FET4A是用于对各个第一电容器C1A至C4A的充电进行控制的开关元件。包括第一电容器C1A至C4A、第一开关FET1A至FET4A和连接节点WA1至WA4的电路以下称为“第一电荷泵电路4”。第二开关FET1B至FET4B是用于对各个第二电容器C1B至C4B的充电进行控制的开关元件。包括第二电容器C 1B至C4B、第二开关FET1B至FET4B和连接节点WB1至WB4的电路以下称为“第二电荷泵电路5”。第一电荷泵电路4和第二电荷泵电路5交替地执行升压操作。
接连地串联连接第一开关FET1A至FET4A和第三开关FET5A的源极和漏极。连接节点WA1至WA4分别连接至第一开关FET1A至FET4A的源极。电容器C1A至C4A的一端分别连接至连接节点WA1至WA4。因此，图6所示的第一电荷泵电路4由四级充电电路来构成。
第一开关FET1A和电容器C1A形成第一电荷泵电路4中的第一级充电电路。第一开关FET1A的漏极和源极分别连接至GND端子(0V)和连接节点WA1。电容器C1A被连接在连接节点WA1与被供应有输入信号ΦA(第一输入信号)的输入端子1(第一输入端子)之间。第一开关FET2A和电容器C2A形成第一电荷泵电路4中的第二级充电电路。第一开关FET2A的漏极和源极分别连接至连接节点WA1和连接节点WA2。电容器C2A被连接在连接节点WA2与被供应有输入信号ΦB(第二输入信号)的输入端子2(第二输入端子)之间。第一开关FET3A和电容器C3A形成第一电荷泵电路4中的第三级充电电路。第一开关FET3A的漏极和源极分别连接至连接节点WA2和连接节点WA3。电容器C3A被连接在连接节点WA3与供应有第一级的输出电压的连接节点WA1之间。第一开关FET4A和电容器C4A形成第一电荷泵电路4中的第四级充电电路。第一开关FET4A的漏极和源极分别连接至连接节点WA3和连接节点WA4。电容器C4A被连接在连接节点WA4与供应有第二级的输出电压的连接节点WA2之间。
应指出的是，输入信号ΦA和ΦB中的每一个的电平以预定的周期在高电平与低电平之间切换。输入信号ΦA和ΦB交替地具有高电平。也就是说，当输入信号ΦB为高电平时，输入信号ΦA为低电平。相似地，当输入信号ΦA为高电平时，输入信号ΦB为低电平。可以存在当输入信号ΦA和ΦB均为低电平时的周期。
第一开关FET1A至FET4A的源极/背栅分别连接至连接节点WA1至WA4(即，相应级的输出端子)。
接连地串联连接第二开关FET1B至FET4B和第四开关FET5B的源极和漏极。连接节点WB1至WB4分别连接至第二开关FET1B至FET4B的源极。电容器C1B至C4B的一端分别连接至连接节点WB1至WB4。因此，图6所示的第二电荷泵电路5由四级充电电路来构成。
第二开关FET1B和电容器C1B形成第二电荷泵电路5中的第一级充电电路。第二开关FET1B的漏极和源极分别连接至GND端子(0V)和连接节点WB1。电容器C1B连接在连接节点WB1与供应有输入信号ΦB(第二输入信号)的输入端子2(第二输入端子)之间。第二开关FET2B和电容器C2B形成在第二电荷泵电路5中的第二级充电电路。第二开关FET2B的漏极和源极分别连接至连接节点WB1和连接节点WB2。电容器C2B连接在连接节点WB2与供应有输入信号ΦA(第一输入信号)的输入端子1(第一输入端子)之间。第二开关FET3B和电容器C3B形成第二电荷泵电路5中的第三级充电电路。第二开关FET3B的漏极和源极分别连接至连接节点WB2和连接节点WB3。电容器C3B连接在连接节点WB3与供应有第一级的输出电压的连接节点WB 1之间。第二开关FET4B和电容器C4B形成第二电荷泵电路5中的第四级充电电路。第二开关FET4B的漏极和源极分别连接至连接节点WB3和连接节点WB4。电容器C4B被连接在连接节点WB4与供应有第二级的输出电压的连接节点WB2之间。
第二开关FET1B至FET4B的源极/背栅分别连接至连接节点WB1至WB4(即，相应级的输出端子)。
关于每个电荷泵电路中的第n级电容器(在此，n是等于或大于3的整数)，它的一端被连接至第n级连接节点(第n级的输出端子)，同时它的另一端被连接至被同时充电的前一级连接节点。在本实施例中，同时对偶数级充电，并且同时对奇数级充电。因此，第n级电容器的一端被连接至第n级连接节点(第n级的输出端子)，同时第n级电容器的另一端被连接至第(n-2)级连接节点(第(n-2)级的输出端子)。
第三开关FET5A和第四开关FET5B形成输出控制电路7，其选择第一电荷泵电路4与第二电荷泵电路5的输出之一，并向输出端子3输出选定的一个输出。更具体地，第三开关FET5A的源极、漏极和栅极分别连接至第一电荷泵电路4的末级连接节点WA4、输出端子3和第二电荷泵电路5的末级连接节点WB4。由于该构造，所以根据第二电荷泵电路5的末级连接节点WB4的电压，即第二电荷泵电路5的输出电压，第三开关FET5A控制第一电荷泵电路4的末级连接节点WA4与输出端子3之间的电连接。相似地，第四开关FET5B的源极、漏极和栅极分别连接至第二电荷泵电路5的末级连接节点WB4、输出端子3和第一电荷泵电路4的末级连接节点WA4。由于该构造，所以根据第一电荷泵电路4的末级连接节点WA4的电压，即第一电荷泵电路4的输出电压，第四开关FET5B控制第二电荷泵电路5的末级连接节点WB4与输出端子3之间的电连接。
第三开关FET5A的背栅和源极被连接至第一电荷泵电路4的末级(第四级)连接节点WA4。相似地，第四开关FET5B的背栅和源极被连接至第二电荷泵电路5的末级(第四级)连接节点WB4。
当连接节点WB4的电压为高电平时，输出控制电路7输出连接节点WA4的电压作为输出电压VCPL。当连接节点WB4的电压为高电平时，输出控制电路7输出连接节点WA4的电压作为输出电压VCPL。
第一电平偏移电路LS1A至LS4A和第二电平偏移电路LS1B至LS4B形成控制电路6，其控制第一电荷泵电路4和第二电荷泵电路5的切换操作。更具体地，第一电平偏移电路LS1A至LS4A分别向第一开关FET1A至FET4A的栅极输出栅极控制电压，以导通/断开控制第一开关FET1A至FET4A。第二电平偏移电路LS1B至LS4B分别向第二开关FET1B至FET4B的栅极输出栅极控制电压，以导通/断开控制第二开关FET1B至FET4B。在此，被供应至第一级第一电平偏移电路LS1A的输入电压VA是输入信号ΦA的反相信号。被供应至第一级第二电平偏移电路LS1B的输入电压VB是输入信号ΦB的反相信号。
第一电平偏移电路LS1A至LS4A和第二电平偏移电路LS1B至LS4B均为进行电平偏移并输出输入电压电平的反相电平的电平偏移电路。例如，图7所示的反相电路在本实施例中用作电平偏移电路。更具体地，反相电路具有PMOSFET 10、NMOSFET 20、第一(正侧)电源端子11和第二(负侧)电源端子12。PMOSFET 10和NMOSFET 20被串联连接在第一电源端子11与第二电源端子12之间。PMOSFET 10的栅极、源极和漏极被连接至输入端子IN、第一电源端子11和输出端子OUT。NMOSFET 20的栅极、源极和漏极被连接至输入端子IN、第二电源端子12和输出端子OUT。当PMOSFET 10的栅-源电压(即，向第一电源端子11供应的正侧电源电压与向输入端子IN供应的输入电压之间的差)超过其阈值电压时，PMOSFET 10导通，并且从输出端子OUT输出正侧电源电压。当NMOSFET 20的栅-源电压(即，向第二电源端子12供应的负侧电源电压与向输入端子IN供应的输入电压之间的差)超过其阈值电压时，NMOSFET 20导通，并从输出端子OUT输出负侧电源电压。
第一电平偏移电路LS1A至LS4A分别从输出端子OUT向第一开关FET1A至FET4A的栅极输出栅极控制电压，以导通/断开控制第一开关FET1A至FET4A。第二电平偏移电路LS1B至LS4B分别从输出端子OUT向第二开关FET1B至FET4B的栅极输出栅极控制电压，以导通/断开控制第二开关FET1B至FET4B。
首先，将详细描述控制电路6中的第一级的第一电平偏移电路LS1A和第二电平偏移电路LS1B。第一电平偏移电路LS1A的第一电源端子11被连接至输入端子1，并且供应有输入信号ΦA。第一电平偏移电路LS1A的第二电源端子12被连接至连接节点WA1，并且供应有第一电荷泵电路4中的第一级的输出电压。第一电平偏移电路LS1A的输入端子IN供应有输入电压VA。根据输入电压VA和输入信号ΦA，第一电平偏移电路LS1A确定向第一级第一开关FET1A的栅极输入的栅极控制电压VGA1。另一方面，第二电平偏移电路LS1B的第一电源端子11被连接至输入端子2，并且供应有输入信号ΦB。第二电平偏移电路LS1B的第二电源端子12被连接至连接节点WB1，并且供应有第二电荷泵电路5中的第一级的输出电压。第二电平偏移电路LS1B的输入端子IN供应有输入电压VB。根据输入电压VB和输入信号ΦB，第二电平偏移电路LS1B确定向第一级第二开关FET1B的栅极输入的栅极控制电压VGB1。
接下来，将详细描述控制电路6中的第二级的第一电平偏移电路LS2A和第二电平偏移电路LS2B。第一电平偏移电路LS2A的第一电源端子11被连接至第二电荷泵电路5的连接节点WB1，并且供应有第二电荷泵电路5中的第一级的输出电压。第一电平偏移电路LS2A的第二电源端子12被连接至连接节点WA2，并且供应有第一电荷泵电路4中的第二级的输出电压。第一电平偏移电路LS2A的输入端子IN被连接至连接节点WA1，并且供应有第一电荷泵电路4中的第一级的输出电压。根据第一电荷泵电路4和第二电荷泵电路5中的第一级的输出电压，第一电平偏移电路LS2A确定向第二级第一开关FET2A的栅极输入的栅极控制电压VGA2。另一方面，第二电平偏移电路LS2B的第一电源端子11被连接至第一电荷泵电路4的连接节点WA1，并且供应有第一电荷泵电路4中的第一级的输出电压。第二电平偏移电路LS2B的第二电源端子12被连接至连接节点WB2，并且供应有第二电荷泵电路5中的第二级的输出电压。第二电平偏移电路LS2B的输入端子IN被连接至连接节点WB1，并且供应有第二电荷泵电路5中的第一级的输出电压。根据第一电荷泵电路4和第二电荷泵电路5中的第一级的输出电压，第二电平偏移电路LS2B确定向第二级第二开关FET2B的栅极输入的栅极控制电压VGB2。
接下来，将详细描述控制电路6中的第三级的第一电平偏移电路LS3A和第二电平偏移电路LS3B。第一电平偏移电路LS3A的第一电源端子11被连接至第二电荷泵电路5的连接节点WB2，并且供应有第二电荷泵电路5中的第二级的输出电压。第一电平偏移电路LS3A的第二电源端子12被连接至连接节点WA3，并且供应有第一电荷泵电路4中的第三级的输出电压。第一电平偏移电路LS3A的输入端子IN被连接至连接节点WA2，并且供应有第一电荷泵电路4中的第二级的输出电压。根据第一电荷泵电路4和第二电荷泵电路5中的第二级的输出电压，第一电平偏移电路LS3A确定向第三级第一开关FET3A的栅极输入的栅极控制电压VGA3。另一方面，第二电平偏移电路LS3B的第一电源端子11被连接至第一电荷泵电路4的连接节点WA2，并且供应有第一电荷泵电路4中的第二级的输出电压。第二电平偏移电路LS3B的第二电源端子12被连接至连接节点WB3，并且供应有第二电荷泵电路5中的第三级的输出电压。第二电平偏移电路LS3B的输入端子IN被连接至连接节点WB2，并且供应有第二电荷泵电路5中的第二级的输出电压。根据第一电荷泵电路4和第二电荷泵电路5中的第二级的输出电压，第二电平偏移电路LS3B确定向第三级第二开关FET3B的栅极输入的栅极控制电压VGB3。
接下来，将详细描述控制电路6中的第四级的第一电平偏移电路LS4A和第二电平偏移电路LS4B。第一电平偏移电路LS4A的第一电源端子11被连接至第二电荷泵电路5的连接节点WB3，并且供应有第二电荷泵电路5中的第三级的输出电压。第一电平偏移电路LS4A的第二电源端子12被连接至连接节点WA4，并且供应有第一电荷泵电路4中的第四级的输出电压。第一电平偏移电路LS4A的输入端子IN被连接至连接节点WA3，并且供应有第一电荷泵电路4中的第三级的输出电压。根据第一电荷泵电路4和第二电荷泵电路5中的第三级的输出电压，第一电平偏移电路LS4A确定向第四级第一开关FET4A的栅极输入的栅极控制电压VGA4。另一方面，第二电平偏移电路LS4B的第一电源端子11被连接至第一电荷泵电路4的连接节点WA3，并且供应有第一电荷泵电路4中的第三级的输出电压。第二电平偏移电路LS4B的第二电源端子12被连接至连接节点WB4，并且供应有第二电荷泵电路5中的第四级的输出电压。第二电平偏移电路LS4B的输入端子IN被连接至连接节点WB3，并且供应有第二电荷泵电路5中的第三级的输出电压。根据第一电荷泵电路4和第二电荷泵电路5中的第三级的输出电压，第二电平偏移电路LS4B确定向第四级第二开关FET4B的栅极输入的栅极控制电压VGB4。
由于上述构造，所以根据本实施例的电荷泵电路响应于输入信号ΦA和ΦB交替地对偶数级电容器和奇数级电容器充电(“VDD”＝高电平，“0V”＝低电平)。在稳定的周期中，分别用电压“VDD”对第一级的电容器C1A和C1B充电。用电压“2VDD”对其他级的电容器中的每个进行充电。
(操作)
将参考图6、8A和8B来详细描述根据本发明的电荷泵电路的操作。关于输入信号ΦA和ΦB，电压值“VDD”对应于高电平，以及电压值“0V(GND)”对应于低电平。为简单起见，让我们考虑当导通时在每个FET开关中不出现电压降的情形。
图8A和8B都是示出根据本实施例的电荷泵电路的操作(逐步下降操作)的示例的时序图。在图8A和8B中，时刻tA、tB、tC和tD按时间顺序。在周期(t＜tA、tD＜t)中，输入信号ΦA和输入电压VB为低电平，以及输入信号ΦB和输入电压VA为高电平。在周期(tB＜t＜tC)中，输入信号ΦA和输入电压VB为高电平，以及输入信号ΦB和输入电压VA为低电平。在过渡周期(tA＜t＜tB、tC＜t＜tD)中，输入信号ΦA和ΦB均为低电平(0V)。
以下将描述根据本实施例的电荷泵电路中的第一级的操作。
首先，将描述第一电荷泵电路4中的第一级和控制电路6的操作。
在输入信号ΦA为高电平并且输入信号ΦB为低电平的周期(tB＜t＜tC)中，输入电压VA为低电平“GND”。此时，从输入端子1向电平偏移电路LS1A的电源端子11供应“VDD”，并从连接节点WA1向电平偏移电路LS1A的电源端子12供应“0V”。由于向电平偏移电路LS1A输入的输入电压VA为低电平，所以从电平偏移电路LS1A输出的输出电压VGA1为“VDD”。结果，开关FET1A导通，并因此通过开关FET1A对电容器C1A充电。电容器C1A的充电电压为“VDD”。
另一方面，在输入信号ΦA为低电平并且输入信号ΦB为高电平的周期(t＜tA、t＞tD)中，输入电压VA为高电平“VDD”。此时，从输入端子1向电平偏移电路LS1A的电源端子11供应“0V”，并且从连接节点WA1向电平偏移电路LS1A的电源端子12供应“VDD”。由于向电平偏移电路LS1A输入的输入电压VA为高电平，所以从电平偏移电路LS1A输出的输出电压VGA1与连接节点WA1的电压相同。结果，开关FET1A断开。由于已用电压“VDD”对电容器C1A充电并且电容器C1A的一端连接至输入端子1(“0V”)，所以连接至电容器C1A的另一端的连接节点WA1的电压变成“-VDD”。也就是说，第一电荷泵电路4中的第一级的输出电压变成“-VDD”。
以此方式，在上述两种状态((1)输入信号ΦA为高电平并且输入信号ΦB为低电平；以及(2)输入信号ΦA为低电平而输入信号ΦB为高电平)中，防止向电平偏移电路LS1A的PMOSFET 10和NMOSFET 20以及开关FET1A施加的电压超过“VDD”。
接下来，将描述第二电荷泵电路5中的第一级和控制电路6的操作。
在输入信号ΦA为高电平并且输入信号ΦB为低电平的周期(tB＜t＜tC)中，输入电压VB为高电平“VDD”。此时，从输入端子2向电平偏移电路LS1B的电源端子11供应“0V”，并且从连接节点WB1向电平偏移电路LS1B的电源端子12供应“-VDD”。由于向电平偏移电路LS1B输入的输入电压VB为高电平，所以从电平偏移电路LS1B输出的输出电压VGB1与连接节点WB1的电压相同。结果，开关FET1B断开。由于已用电压“VDD”对电容器C1B充电并且电容器C1B的一端连接至输入端子2(“0V”)，所以连接至电容器C1B的另一端的连接节点WB1的电压变成“-VDD”。也就是说，第二电荷泵电路5中的第一级的输出电压变成“-VDD”。
另一方面，在输入信号ΦA为低电平并且输入信号ΦB为高电平的周期(t＜tA、t＞tD)中，输入电压VB为低电平“0V”。此时，从输入端子2向电平偏移电路LS1B的电源端子11供应“VDD”，并且从连接节点WB1向电平偏移电路LS1B的电源端子12供应“0V”。由于向电平偏移电路LS1B输入的输入电压VB为低电平，所以从电平偏移电路LS1B输出的输出电压VGB1为“VDD”。结果，开关FET1B导通。通过开关FET1B对电容器C1B充电。电容器C1B的充电电压为“VDD”。
由于电平偏移电路LS1B的NMOSFET 20的栅极、源极和背栅的电压为“0V”，所以NMOSFET 20断开。另一方面，由于电平偏移电路LS1B的PMOSFET 10的栅极的电压为“0V”并且其源极和背栅的电压为“VDD”，所以PMOSFET 10导通，并且输出电压VGB1变成“VDD”。在该周期(t＜tA、t＞tD)中，在电平偏移电路LS1B中没有直通电流流动。
以此方式，在上述两种状态((1)输入信号ΦA为高电平并且输入信号ΦB为低电平；以及(2)输入信号ΦA为低电平并且输入信号ΦB为高电平)中，防止向电平偏移电路LS1B的PMOSFET 10和NMOSFET 20以及开关FET1B施加的电压超过“VDD”。
接下来，以下将描述根据本实施例的电荷泵电路中的第二级的操作。
首先，将描述第一电荷泵电路4中的第二级和控制电路6的操作。
在输入信号ΦA为高电平并且输入信号ΦB为低电平的周期(tB＜t＜tC)中，如上所述，连接节点WA1为“0V”，并且连接节点WB1为“-VDD”。此时，从连接节点WB1向电平偏移电路LS2A的电源端子11供应“-VDD”，并且从连接节点WA2向电平偏移电路LS2A的电源端子12供应“-2VDD”。由于从连接节点WA1向电平偏移电路LS2A供应作为输入电压的“0V”，所以从电平偏移电路LS2A输出的输出电压VGA2与连接节点WA2的电压相同。结果，开关FET2A断开。由于已用电压“2VDD”对电容器C2A充电并且电容器C2A的一端被连接至输入端子2(“0V”)，所以被连接至电容器C2A的另一端的连接节点WA2的电压变成“-2VDD”。也就是说，第一电荷泵电路4中的第二级的输出电压变成“-2VDD”。
如上所述，在输入信号ΦA为高电平并且输入信号ΦB为低电平的周期(tB＜t＜tC)中，关于电平偏移电路LS2A，输入电压为“0V”，电源电压为“-VDD”和“-2VDD”，并且输出电压VGA2为“-2VDD”。也就是说，向电平偏移电路LS2A的元件施加的最大电压为“2VDD”。关于开关FET2A，栅极电压为“-2VDD”，并且该开关FET2A的漏极和源极分别连接至连接节点WA1(“0V”)和连接节点WA2(“-2VDD”)。因此，向开关FET2A施加的最大电压为“2VDD”。
另一方面，在输入信号ΦA为低电平并且输入信号ΦB为高电平的周期(t＜tA、t＞tD)中，如上所述，连接节点WA1为“-VDD”，并且连接节点WB1为“0V”。此时，从连接节点WB1向电平偏移电路LS2A的电源端子11供应“0V”，并且从连接节点WA2向电平偏移电路LS2A的电源端子12供应“-VDD”。由于从连接节点WA1向电平偏移电路LS2A供应作为输入电压的“-VDD”，所以从电平偏移电路LS2A输出的输出电压VGA2与连接节点WB1的电压相同。结果，开关FET2A导通。电容器C2A的一端从输入端子2供应有“VDD”，其另一端(连接节点WA2)通过开关FET2A供应有“-VDD”。结果，用电压“2VDD”对电容器C2A充电。
如上所述，在输入信号ΦA为低电平并且输入信号ΦB为高电平的周期(t＜tA、t＞tD)中，关于电平偏移电路LS2A，输入电压为“-VDD”，电源电压为“0V”和“-VDD”，以及输出电压VGA2为“0V”。也就是说，向电平偏移电路LS2A的元件施加的最大电压为“VDD”。关于开关FET2A，栅极电压为“0V”，并且该开关FET2A的漏极和源极分别连接至连接节点WA1(“-VDD”)和连接节点WA2(“-VDD”)。结果，向开关FET2A施加的最大电压为“VDD”。
接下来，将描述第二电荷泵电路5中的第二级和控制电路6的操作。
在输入信号ΦA为高电平并且输入信号ΦB为低电平的周期(tB＜t＜tC)中，如上所述，连接节点WB1为“-VDD”，以及连接节点WA1为“0V”。此时，从连接节点WA1向电平偏移电路LS2B的电源端子11供应“0V”，并且从连接节点WB2向电平偏移电路LS2B的电源端子12供应“-VDD”。由于从连接节点WB1向电平偏移电路LS2B供应作为输入电压的“-VDD”，所以从电平偏移电路LS2B输出的输出电压VGB2与连接节点WA1的电压相同。结果，开关FET2B导通。电容器C2B的一端从输入端子1供应有“VDD”，其另一端(连接节点WB2)通过开关FET2B供应有“-VDD”。结果，用电压“2VDD”对电容器C2B充电。
如上所述，在输入信号ΦA为高电平并且输入信号ΦB为低电平的周期(tB＜t＜tC)中，关于电平偏移电路LS2B，输入电压为“-VDD”，电源电压为“0V”和“-VDD”，以及输出电压VGB2为“0V”。也就是说，向电平偏移电路LS2B的元件施加的最大电压为“VDD”。关于开关FET2B，栅极电压为“0V”，并且该开关FET2B的漏极和源极分别连接至连接节点WB1(“-VDD”)和连接节点WB2(“-VDD”)。因此，向开关FET2B施加的最大电压为“VDD”。
另一方面，在输入信号ΦA为低电平并且输入信号ΦB为高电平的周期(t＜tA、t＞tD)中，如上所述，连接节点WB1为“0V”，以及连接节点WA1为“-VDD”。此时，从连接节点WA1向电平偏移电路LS2B的电源端子11供应“-VDD”，并且从连接节点WB2向电平偏移电路LS2B的电源端子12供应“-2VDD”。由于从连接节点WB1向电平偏移电路LS2B供应作为输入电压的“0V”，所以从电平偏移电路LS2B输出的输出电压VGB2与连接节点WB2的电压相同。结果，开关FET2B断开。由于已用电压“2VDD”对电容器C2B充电并且电容器C2B的一端连接至输入端子1(“0V”)，所以连接至电容器C2B的另一端的连接节点WB2的电压变成“-2VDD”。也就是说，第二电荷泵电路5中的第二级的输出电压变成“-2VDD”。
如上所述，在输入信号ΦA为低电平并且输入信号ΦB为高电平的周期(t＜tA、t＞tD)中，关于电平偏移电路LS2B，输入电压为“0V”，电源电压为“-VDD”和“-2VDD”，以及输出电压VGB2为“-2VDD”。也就是说，向电平偏移电路LS2B的元件施加的最大电压为“2VDD”。关于开关FET2B，栅极电压为“-2VDD”，并且该开关FET2B的漏极和源极分别连接至连接节点WB1(“0V”)和连接节点WB2(“-2VDD”)。因此，向开关FET2B施加的最大电压为“2VDD”。
以此方式，将根据本实施例的电荷泵电路的第二级的输出电压(连接节点WA2和WB2处的电压)升压至“-2VDD”。此时，向第二级的开关和电平偏移电路中的晶体管施加的最大电压为“2VDD”。
接下来，以下将描述根据本实施例的电荷泵电路中的第三级的操作。
首先，将描述第一电荷泵电路4中的第三级和控制电路6的操作。
在输入信号ΦA为高电平并且输入信号ΦB为低电平的周期(tB＜t＜tC)中，如上所述，连接节点WA2为“-2VDD”，并且连接节点WB2为“-VDD”。此时，从连接节点WB2向电平偏移电路LS3A的电源端子11供应“-VDD”，并从连接节点WA3向电平偏移电路LS3A的电源端子12供应“-2VDD”。由于从连接节点WA2向电平偏移电路LS3A供应作为输入电压的“-2VDD”，所以从电平偏移电路LS3A输出的输出电压VGA3与连接节点WB2的电压相同。结果，开关FET3A导通。电容器C3A的一端从连接节点WA1供应有“0V”，其另一端(连接节点WA3)通过开关FET3A供应有“-2VDD”。结果，用电压“2VDD”对电容器C3A充电。
如上所述，在输入信号ΦA为高电平并且输入信号ΦB为低电平的周期(tB＜t＜tC)中，关于电平偏移电路LS3A，输入电压为“-2VDD”，电源电压为“-VDD”和“-2VDD”，以及输出电压VGA3为“-VDD”。也就是说，向电平偏移电路LS3A的元件施加的最大电压为“VDD”。关于开关FET3A，栅极电压为“-VDD”，并且该开关FET3A的漏极和源极分别连接至连接节点WA2(“-2VDD”)和连接节点WA3(“-2VDD”)。因此，向开关FET3A施加的最大电压为“VDD”。
另一方面，在输入信号ΦA为低电平并且输入信号ΦB为高电平的周期(t＜tA、t＞tD)中，如上所述，连接节点WA2为“-VDD”，并且连接节点WB2为“-2VDD”。此时，从连接节点WB2向电平偏移电路LS3A的电源端子11供应“-2VDD”，并从连接节点WA3向电平偏移电路LS3A的电源端子12供应“-3VDD”。由于从连接节点WA2向电平偏移电路LS3A供应作为输入电压的“-VDD”，所以从电平偏移电路LS3A输出的输出电压VGA3与连接节点WA3的电压相同。结果，开关FET3A断开。由于已用电压“2VDD”对电容器C3A充电并且电容器C3A的一端连接至连接节点WA1(“-VDD”)，所以连接至电容器C3A的另一端的连接节点WA3的电压变成“-3VDD”。也就是说，第一电荷泵电路4中的第三级的输出电压变成“-3VDD”。
如上所述，在输入信号ΦA为低电平并且输入信号ΦB为高电平的周期(t＜tA、t＞tD)中，关于电平偏移电路LS3A，输入电压为“-VDD”，电源电压为“-2VDD”和“-3VDD”，以及输出电压VGA3为“-3VDD”。也就是说，向电平偏移电路LS3A的元件施加的最大电压为“2VDD”。关于开关FET3A，栅极电压为“-3VDD”，并且该开关FET3A的漏极和源极分别连接至连接节点WA2(“-VDD”)和连接节点WA3(“-3VDD”)。因此，向开关FET3A施加的最大电压为“2VDD”。
接下来，将描述第二电荷泵电路5中的第三级和控制电路6的操作。
在输入信号ΦA为高电平并且输入信号ΦB为低电平的周期(tB＜t＜tC)中，如上所述，连接节点WB2为“-VDD”，以及连接节点WA2为“-2VDD”。此时，从连接节点WA2向电平偏移电路LS3B的电源端子11供应“-2VDD”，并从连接节点WB3向电平偏移电路LS3B的电源端子12供应“-3VDD”。由于从连接节点WB2向电平偏移电路LS3B供应作为输入电压的“-VDD”，所以从电平偏移电路LS3B输出的输出电压VGB3与连接节点WB3的电压相同。结果，开关FET3B断开。由于已用电压“2VDD”对电容器C3B充电并且电容器C3B的一端连接至连接节点WB1(“-VDD”)，所以连接至电容器C3B的另一端的连接节点WB3的电压变成“-3VDD”。也就是说，第二电荷泵电路5中的第三级的输出电压变成“-3VDD”。
如上所述，在输入信号ΦA为高电平并且输入信号ΦB为低电平的周期(tB＜t＜tC)中，关于电平偏移电路LS3B，输入电压为“-VDD”，电源电压为“-2VDD”和“-3VDD”，以及输出电压VGB3为“-3VDD”。也就是说，向电平偏移电路LS3B的元件施加的最大电压为“2VDD”。关于开关FET3B，栅极电压为“-3VDD”，并且该开关FET3B的漏极和源极分别连接至连接节点WB2(“-VDD”)和连接节点WB3(“-3VDD”)。因此，向开关FET3B施加的最大电压为“2VDD”。
另一方面，在输入信号ΦA为低电平并且输入信号ΦB为高电平的周期(t＜tA、t＞tD)中，如上所述，连接节点WB2为“-2VDD”，以及连接节点WA2为“-VDD”。此时，从连接节点WA2向电平偏移电路LS3B的电源端子11供应“-VDD”，并从连接节点WB3向电平偏移电路LS3B的电源端子12供应“-2VDD”。由于从连接节点WB2向电平偏移电路LS3B供应作为输入电压的“-2VDD”，所以从电平偏移电路LS3B输出的输出电压VGB3与连接节点WA2的电压相同。结果，开关FET3B导通。电容器C3B的一端从连接节点WB1供应有“0V”，以及其另一端(连接节点WB3)通过开关FET3B供应有“-2VDD”。结果，用电压“2VDD”对电容器C3B充电。
如上所述，在输入信号ΦA为低电平并且输入信号ΦB为高电平的周期(t＜tA、t＞tD)中，关于电平偏移电路LS3B，输入电压为“-2VDD”，电源电压为“-VDD”和“-2VDD”，以及输出电压VGB3为“-VDD”。也就是说，向电平偏移电路LS3B的元件施加的最大电压为“VDD”。关于开关FET3B，栅极电压为“-VDD”，并且该开关FET3B的漏极和源极分别连接至连接节点WB2(“-2VDD”)和连接节点WB3(“-2VDD”)。结果，向开关FET3B施加的最大电压为“VDD”。
以此方式，将根据本实施例的电荷泵电路的第三级的输出电压(连接节点WA3和WB3处的电压)升压至“-3VDD”。此时，向第三级的开关和电平偏移电路中的晶体管施加的最大电压为“2VDD”。
接下来，以下将描述根据本实施例的电荷泵电路中的第四级(末级)的操作。
首先，将描述第一电荷泵电路4中的第四级和控制电路6的操作。
在输入信号ΦA为高电平并且输入信号ΦB为低电平的周期(tB＜t＜tC)中，如上所述，连接节点WA3为“-2VDD”，以及连接节点WB3为“-3VDD”。此时，从连接节点WB3向电平偏移电路LS4A的电源端子11供应“-3VDD”，并从连接节点WA4向电平偏移电路LS4A的电源端子12供应“-4VDD”。由于从连接节点WA3向电平偏移电路LS4A供应作为输入电压的“-2VDD”，所以从电平偏移电路LS4A输出的输出电压VGA4与连接节点WA4的电压相同。结果，开关FET4A断开。由于已用电压“2VDD”对电容器C4A充电并且电容器C4A的一端连接至连接节点WA2(“-2VDD”)，所以连接至电容器C4A的另一端的连接节点WA4的电压变成“-4VDD”。也就是说，第一电荷泵电路4中的第四级的输出电压变成“-4VDD”。
如上所述，在输入信号ΦA为高电平并且输入信号ΦB为低电平的周期(tB＜t＜tC)中，关于电平偏移电路LS4A，输入电压为“-2VDD”，电源电压为“-3VDD”和“-4VDD”，以及输出电压VGA4为“-4VDD”。也就是说，向电平偏移电路LS4A的元件施加的最大电压为“2VDD”。关于开关FET4A，栅极电压为“-4VDD”，并且该开关FET4A的漏极和源极分别连接至连接节点WA3(“-2VDD”)和连接节点WA4(“-4VDD”)。因此，向开关FET4A施加的最大电压为“2VDD”。
另一方面，在输入信号ΦA为低电平并且输入信号ΦB为高电平的周期(t＜tA、t＞tD)中，如上所述，连接节点WA3为“-3VDD”，以及连接节点WB3为“-2VDD”。此时，从连接节点WB3向电平偏移电路LS4A的电源端子11供应“-2VDD”，并从连接节点WA4向电平偏移电路LS4A的电源端子12供应“-3VDD”。由于从连接节点WA3向电平偏移电路LS4A供应作为输入电压的“-3VDD”，所以从电平偏移电路LS4A输出的输出电压VGA4与连接节点WB3的电压相同。结果，开关FET4A导通。电容器C4A的一端从连接节点WA2供应有“-VDD”，其另一端通过开关FET4A供应有“-3VDD”。结果，用电压“2VDD”对电容器C4A充电。
如上所述，在输入信号ΦA为低电平并且输入信号ΦB为高电平的周期(t＜tA、t＞tD)中，关于电平偏移电路LS4A，输入电压为“-3VDD”，电源电压为“-2VDD”和“-3VDD”，以及输出电压VGA4为“-2VDD”。也就是说，向电平偏移电路LS4A的元件施加的最大电压为“VDD”。关于开关FET4A，栅极电压为“-2VDD”，并且该开关FET4A的漏极和源极分别连接至连接节点WA3(“-3VDD”)和连接节点WA4(“-3VDD”)。因此，向开关FET4A施加的最大电压为“VDD”。
接下来，将描述第二电荷泵电路5中的第四级和控制电路6的操作。
在输入信号ΦA为高电平并且输入信号ΦB为低电平的周期(tB＜t＜tC)中，如上所述，连接节点WB3为“-3VDD”，以及连接节点WA3为“-2VDD”。此时，从连接节点WA3向电平偏移电路LS4B的电源端子11供应“-2VDD”，并从连接节点WB4向电平偏移电路LS4B的电源端子12供应“-3VDD”。由于从连接节点WB3向电平偏移电路LS4B供应作为输入电压的“-3VDD”，所以从电平偏移电路LS4B输出的输出电压VGB4与连接节点WA3的电压相同。结果，开关FET4B导通。电容器C4B的一端从连接节点WB2供应有“-VDD”，以及其另一端通过开关FET4B供应有“-3VDD”。结果，用电压“2VDD”对电容器C4B充电。
如上所述，在输入信号ΦA为高电平并且输入信号ΦB为低电平的周期(tB＜t＜tC)中，关于电平偏移电路LS4B，输入电压为“-3VDD”，电源电压为“-2VDD”和“-3VDD”，以及输出电压VGB4为“-2VDD”。也就是说，向电平偏移电路LS4B的元件施加的最大电压为“VDD”。关于开关FET4B，栅极电压为“-2VDD”，并且该开关FET4B的漏极和源极分别连接至连接节点WB3(“-3VDD”)和连接节点WB4(“-3VDD”)。结果，向开关FET4B施加的最大电压为“VDD”。
另一方面，在输入信号ΦA为低电平并且输入信号ΦB为高电平的周期(t＜tA、t＞tD)中，如上所述，连接节点WB3为“-2VDD”，而连接节点WA3为“-3VDD”。此时，从连接节点WA3向电平偏移电路LS4B的电源端子11供应“-3VDD”，并从连接节点WB4向电平偏移电路LS4B的电源端子12供应“-4VDD”。由于从连接节点WB3向电平偏移电路LS4B供应作为输入电压的“-2VDD”，所以从电平偏移电路LS4B输出的输出电压VGB4与连接节点WB4的电压相同。结果，开关FET4B断开。由于已用电压“2VDD”对电容器C4B充电并且电容器C4B的一端连接至连接节点(“-2VDD”)，所以连接至电容器C4B的另一端的连接节点WB4的电压变成“-4VDD”。也就是说，第二电荷泵电路5中的第四级的输出电压变成“-4VDD”。
如上所述，在输入信号ΦA为低电平并且输入信号ΦB为高电平的周期(t＜tA、t＞tD)中，关于电平偏移电路LS4B，输入电压为“-2VDD”，电源电压为“-3VDD”和“-4VDD”，以及输出电压VGB4为“-4VDD”。也就是说，向电平偏移电路LS4B的元件施加的最大电压为“2VDD”。关于开关FET4B，栅极电压为“-4VDD”，并且该开关FET4B的漏极和源极分别连接至连接节点WB3(“-2VDD”)和连接节点WB4(“-4VDD”)。因此，向开关FET4B施加的最大电压为“2VDD”。
以此方式，将根据本实施例的电荷泵电路的第四级的输出电压(连接节点WA4和WB4处的电压)升压至“-4VDD”。此时，向第四级的开关和电平偏移电路中的晶体管施加的最大电压为“2VDD”。
其间，在输入信号ΦA为高电平并且输入信号ΦB为低电平的周期(tB＜t＜tC)中，开关FET5A的栅极电压(即，连接节点WB4的电压)为“-3VDD”，以及开关FET5A的源极电压(即，连接节点WA4的电压)为“-4VDD”。另一方面，开关FET5B的栅极电压(即，连接节点WA4的电压)为“-4VDD”，以及开关FET5B的源极电压(即，连接节点WB4的电压)为“-3VDD”。因此，在开关FET5B断开的同时，开关FET5A导通。因此，在周期(tB＜t＜tC)中，从连接节点WA4供应的电压“-4VDD”从输出端子3被输出为输出电压VCPL。
在输入信号ΦA为低电平并且输入信号ΦB为高电平的周期(t＜tA、t＞tD)中，开关FET5A的栅极电压(即，连接节点WB4的电压)为“-4VDD”，以及开关FET5A的源极电压(即，连接节点WA4的电压)为“-3VDD”。另一方面，开关FET5B的栅极电压(即，连接节点WA4的电压)为“-3VDD”，以及开关FET5B的源极电压(即，连接节点WB4的电压)为“-4VDD”。因此，在开关FET5B导通的同时，开关FET5A断开。因此，在周期(t＜tA、t＞tD)中，从连接节点WB4供应的电压“-4VDD”从输出端子3被输出为输出电压VCPL。
如上所述，根据本实施例的电荷泵电路重复上述两种状态((1)输入信号ΦA为高电平并且输入信号ΦB为低电平；以及(2)输入信号ΦA为低电平并且输入信号ΦB为高电平)，并能够在将向内部晶体管施加的最大电压抑制到至多为“2VDD”的情况下产生“-4VDD”的输出电压VCPL。尽管已作为本实施例的示例描述了四级电荷泵电路，但本发明不局限于此。在将向内部晶体管施加的最大电压维持到至多为“2VDD”的情况下，通过增大充电电路的级的数目，可以根据级的数目来进一步提高输出电压VCPL。也就是说，在不提高内部晶体管的元件击穿电压的情况下，可以根据本发明使电荷泵输出电压大于内部晶体管的元件击穿电压。
此外，由于将向内部晶体管施加的最大电压抑制到“2VDD”，所以能够降低电荷泵电路的内部晶体管的元件击穿电压。结果，能够减小电荷泵电路的电路尺寸。
此外，根据本实施例的开关晶体管由栅极控制电压导通/断开控制，通过所述栅极控制电压来将栅-源电压的最高值抑制到“2VDD”。因此，根据本实施例的电荷泵电路，通过小于晶体管的元件击穿电压的栅极控制电压，升压操作是可以的。
尽管以上已描述了实施例，但本发明的具体构造不局限于上述实施例的构造。例如，尽管电荷泵电路的放大率在上述实施例中为4，但其不局限于此并可具有另一值。总之，电荷泵电路根据放大率提供有级的数目，并根据放大率进行升压操作。
此外，如以下所描述地，可省略输出控制电路7中的开关FET5B。图9示出根据本实施例的电荷泵电路的构造的变形示例。图9所示的电荷泵电路提供有通过从图6所示的输出控制电路7去除开关FET5B获得的输出控制电路7′。根据从连接节点WB4供应的电压，开关FET5A控制连接节点WA4与输出端子3之间的电连接。其他的构造与在图6所示的电荷泵电路的情况中的构造相同。
在本变形示例中的第二电荷泵电路5的路径是用于产生供应至电平偏移器电路LS1A至LS4A的第一电源电压，所述电平偏移器电路LS1A至LS4A产生用于第一电荷泵电路4的栅极控制信号。
在输入信号ΦA为高电平并且输入信号ΦB为低电平的周期(tB＜t＜tC)中，开关FET5A的栅极电压(即，连接节点WB4的电压)为“-3VDD”，以及开关FET5A的源极电压(即，连接节点WA4的电压)为“-4VDD”。因此，开关FET5A导通。因此，在周期(tB＜t＜tC)中，从连接节点WA4供应的电压“-4VDD”从输出端子3输出为输出电压VCPL。
根据图9所示的电荷泵电路，可以使开关FET1B至FET4B、电平偏移电路LS1B至LS4B和电容器C1B至C4B的尺寸最小化。此外，通过调节元件尺寸，能够合适地调节开关FET1A至FET4A的升压操作时序。
应指出的是，本发明不局限于如在上述实施例和变形示例的情况下的负电压电荷泵电路。相同的情形适用于正电压电荷泵电路。也就是说，本发明也能够获得正电压电荷泵电路。
显然，本发明不局限于以上实施例，并且在不偏离本发明的范围和精神的情况下可以进行变形和改变。

Claims (7)

1.一种电荷泵电路，包括：
第一电荷泵电路和第二电荷泵电路，所述第一电荷泵电路和第二电荷泵电路交替地进行升压操作；以及
控制电路，所述控制电路被构造成控制所述第一电荷泵电路和所述第二电荷泵电路的各升压操作，
其中，所述第一电荷泵电路包括：
多级的第一开关晶体管，所述多级的第一开关晶体管被接连地串联连接；
多级的第一连接节点，所述多级的第一连接节点分别与所述多级的第一开关晶体管的源极相连接；以及
多级的第一电容器，所述多级的第一电容器的一端分别与所述多级的第一连接节点相连接，
其中，所述第二电荷泵电路包括：
多级的第二开关晶体管，所述多级的第二开关晶体管被接连地串联连接；
多级的第二连接节点，所述多级的第二连接节点分别与所述多级的第二开关晶体管的源极相连接；以及
多级的第二电容器，所述多级的第二电容器的一端分别与所述多级的第二连接节点相连接，
其中，所述控制电路包括：
多级的第一反相器；以及
多级的第二反相器，
其中，n为等于或大于3的整数，
其中，所述多级的第一反相器的第n级第一反相器被构造成以被供应有来自所述多级的第二连接节点的第(n-1)级第二连接节点的正侧电源电压，被供应有来自所述多级的第一连接节点的第n级第一连接节点的负侧电源电压，被供应有来自所述多级的第一连接节点的第(n-1)级第一连接节点的输入电压，以及输出一输出电压至所述多级的第一开关晶体管的第n级第一开关晶体管的栅极，以及
其中，所述多级的第二反相器的第n级第二反相器被构造成以被供应有来自所述多级的第一连接节点的第(n-1)级第一连接节点的正侧电源电压，被供应有来自所述多级的第二连接节点的第n级第二连接节点的负侧电源电压，被供应有来自所述多级的第二连接节点的第(n-1)级第二连接节点的输入电压，以及输出一输出电压至所述多级的第二开关晶体管的第n级第二开关晶体管的栅极。
2.根据权利要求1所述的电荷泵电路，
其中，所述多级的第一电容器的第n级第一电容器的一端被连接至所述多级的第一连接节点的第n级第一连接节点，而所述多级的第一电容器的第n级第一电容器的另一端被连接至所述多级的第一连接节点的第(n-2)级第一连接节点，以及
其中，所述多级的第二电容器的第n级第二电容器的一端被连接至所述多级的第二连接节点的第n级第二连接节点，而所述多级的第二电容器的第n级第二电容器的另一端被连接至所述多级的第二连接节点的第(n-2)级第二连接节点。
3.根据权利要求2所述的电荷泵电路，
其中，所述多级的第一电容器的第一级第一电容器的一端被连接至所述多级的第一连接节点的第一级第一连接节点，而所述多级的第一电容器的第一级第一电容器的另一端被连接至供应有第一输入信号的第一输入端子，
其中，所述多级的第一电容器的第二级第一电容器的一端被连接至所述多级的第一连接节点的第二级第一连接节点，而所述多级的第一电容器的第二级第一电容器的另一端被连接至供应有第二输入信号的第二输入端子，
其中，所述第一输入信号和所述第二输入信号的电平中的每个在高电平与低电平之间切换，当所述第二输入信号为高电平时，所述第一输入信号为低电平，而当所述第一输入信号为高电平时，所述第二输入信号为低电平，
其中，所述多级的第二电容器的第一级第二电容器的一端被连接至所述多级的第二连接节点的第一级第二连接节点，而所述多级的第二电容器的第一级第二电容器的另一端被连接至所述第二输入端子，以及
其中，所述多级的第二电容器的第二级第二电容器的一端被连接至所述多级的第二连接节点的第二级第二连接节点，而所述多级的第二电容器的第二级第二电容器的另一端被连接至所述第一输入端子。
4.根据权利要求3所述的电荷泵电路，
其中，所述多级的第一反相器的第一级第一反相器被构造成被供应有来自所述第一输入端子的正侧电源电压，被供应有来自所述多级的第一连接节点的第一级第一连接节点的负侧电源电压，被供应有作为所述第一输入信号的反相信号的输入信号，以及输出一输出电压至所述多级的第一开关晶体管的第一级第一开关晶体管的栅极，
其中，所述多级的第二反相器的第一级第二反相器被构造成被供应有来自所述第二输入端子的正侧电源电压，被供应有来自所述多级的第二连接节点的第一级第二连接节点的负侧电源电压，被供应有作为所述第二输入信号的反相信号的输入信号，以及输出一输出电压至所述多级的第二开关晶体管的第一级第二开关晶体管的栅极，
其中，所述多级的第一反相器的第二级第一反相器被构造成被供应有来自所述多级的第二连接节点的第一级第二连接节点的正侧电源电压，被供应有来自所述多级的第一连接节点的第二级第一连接节点的负侧电源电压，被供应有来自所述多级的第一连接节点的第一级第一连接节点的输入电压，以及输出一输出电压至所述多级的第一开关晶体管的第二级第一开关晶体管的栅极，以及
其中，所述多级的第二反相器的第二级第二反相器被构造成被供应有来自所述多级的第一连接节点的第一级第一连接节点的正侧电源电压，被供应有来自所述多级的第二连接节点的第二级第二连接节点的负侧电源电压，被供应有来自所述多级的第二连接节点的第一级第二连接节点的输入电压，以及输出一输出电压至所述多级的第二开关晶体管的第二级第二开关晶体管的栅极。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电荷泵电路，还包括：
输出控制电路，所述输出控制电路被连接至所述多级的第一连接节点的末级第一连接节点和所述多级的第二连接节点的末级第二连接节点。
6.根据权利要求5所述的电荷泵电路，
其中，所述输出控制电路包括第三开关晶体管，所述第三开关晶体管被构造成根据所述末级第二连接节点的电压来控制所述末级第一连接节点与输出端子之间的电连接。
7.根据权利要求6所述的电荷泵电路，
其中，所述输出控制电路还包括第四开关晶体管，所述第四开关晶体管被构造成根据所述末级第一连接节点的电压来控制所述末级第二连接节点与所述输出端子之间的电连接。
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