CN104393752A - 电容式电荷泵装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电容式电荷泵装置，包括主电荷泵、逻辑控制电路、辅助电荷泵、稳压电路和升压装置。所述逻辑控制电路根据所述主电荷泵的输出控制所述辅助电荷泵的开启和关闭，所述辅助电荷泵根据所述逻辑控制电路的控制信息控制所述升压装置的开启和关闭，所述稳压电路减少所述主电荷泵和所述辅助电荷泵的输出纹波，稳定输出电压，所述升压装置用于将所述主电荷泵输出端电压升高。在第一使能信号到来时，通过逻辑电路和辅助电荷泵控制NMOS器件的开启和关断，可以使电荷泵第一输出端电压迅速上升到电源电压VCC，而没有NMOS器件传递高电压阈值损失的问题，极大缩短了输出负载电容达到稳定值的时间，达到快速启动的目的。

Description

电容式电荷泵装置

技术领域

本发明涉及电荷泵领域，具体涉及一种能够快速启动的电容式电荷泵。

背景技术

随着工艺技术的不断发展，系统的电源电压变得越来越小，越来越多的系统中加入了电荷泵电路。电荷泵电路具有的升压特性，经常作为提供高电压的电源而广泛应用于各种集成电路中。现有技术中，电容式电荷泵由时钟产生电路、电荷泵主电路、逻辑控制电路等组成，用于对负载电容进行充电，从而在输出端产生高电压。

伴随着工艺尺寸的缩小，大规模集成电路成为趋势，电荷泵所带负载器件会越来越多，如此巨大的负载电容将导致对其充电速度的减慢，使输出电压斜升速度减慢，电荷泵的升压启动过程将变得漫长。这将导致集成电路处理速度减慢的缺陷。因此，提高电荷泵的启动速度对大规模集成电路是十分必要的。

现有技术通过提高振荡器输出频率和增大电荷泵电容值的办法，达到提高负载电容充电速度的目的。这两种办法在负载电容小的电路中作用明显，但在电荷泵输出负载电容很大的大规模电路中，所能达到的效果有限。在输出负载电容很大的条件下，若提高时钟频率，必然会引入较大的噪声和增大功耗；若电荷泵电容做的很大，芯片面积将会大幅增大，成本会大大增加。另一方面，如果增加电容，将会使节点的时间常数变大，从而限制最大时钟频率。

发明内容

本申请的目的之一在于提供种改良的一种电容式电荷泵，在输出负载电容大的情况下，能够快速启动，并且不增加噪声和系统功耗。

根据本申请的一个方面，提供电容式电荷泵装置，包括主电荷泵、逻辑控制电路、辅助电荷泵、稳压电路和升压装置，其中，

所述逻辑控制电路根据所述主电荷泵的输出控制所述辅助电荷泵的开启和关闭，

所述辅助电荷泵根据所述逻辑控制电路的控制信息，控制所述升压装置的开启和关闭，

所述稳压电路减少所述主电荷泵和所述辅助电荷泵的输出纹波，稳定输出电压，

所述升压装置，用于将所述主电荷泵输出端电压升高。

在一些实施例中，所述主电荷泵由第一使能信号启动和控制，所述主电荷泵的输出作为所述逻辑控制电路的输入，所述逻辑控制电路的输出作为所述辅助电荷泵的控制信号以控制所述辅助电荷泵的开启，所述辅助电荷泵的输出控制所述升压装置的开启和关闭。

在一些实施例中，所述主电荷泵的电路包括第一至第九NMOS器件，其中：

第一NMOS器件的栅端连接第一使能信号，源端与电源相连，漏端电连接第二NMOS器件的栅端和源端，

第二NMOS器件的源端和第六NMOS器件的栅端电连接，漏端电连接第三NMOS器件的栅端和源端，

第三NMOS器件的源端和第七NMOS器件的栅端电连接，漏端电连接第四NMOS器件的栅端和源端，

第四NMOS器件的源端和第八NMOS器件的栅端电连接，漏端电连接第五NMOS器件的栅端和源端，

第五NMOS器件的源端和第九NMOS器件的栅端电连接，漏端作为所述主电荷泵的输出端，

第一时钟信号与第七NMOS器件的源端、第七NMOS器件的漏端、第九NMOS器件的源端以及第九NMOS器件的漏端分别电连接，

第二时钟信号与第六NMOS器件源端、第六NMOS器件的漏端、第八NMOS器件的源端以及第八NMOS器件的漏端分别电连接，

其中第六NMOS器件、第七NMOS器件、第八NMOS器件和第九NMOS器件作为电容使用。

在一些实施例中，所述逻辑控制电路包括第十五NMOS器件、第十六NMOS器件、第四反相器、第五反相器和第六反相器，其中

第十五NMOS器件的栅端与所述主电荷泵的输出端以及第四反相器的输入端连接，源端与电源电连接，漏端电连接第四反相器的输出端和第五反相器的输入端，

第五反相器的输出端电连接第六反相器的输入端和所述辅助电荷泵的输入端，第六反相器的输出端电连接第十六NMOS器件的栅端，

第十六NMOS器件的漏端接地，源端连接所述升压装置的输入端。

在一些实施例中，所述辅助电荷泵包括第十至第十四NMOS器件、第一与非门、第二与非门、第三与非门、第一反相器、第二反相器和第三反相器，其中，

第一与非门、第二与非门、第三与非门的一个输入端相连作为所述辅助电荷泵的输入端，第一与非门另一个输入端连接第一使能信号，第二与非门另一个输入端连接第一时钟信号，第三与非门另一个输入端连接第一时钟信号；

第一与非门的输出端连接第一反相器的输入端，第一反相器的输出端电连接第十NMOS器件的栅端，

第十NMOS器件的源端与电源电连接，漏端与第十一NMOS器件的栅端和源端以及第十三NMOS器件的栅端电连接，

第二与非门的输出端连接第二反相器的输入端，第二反相器的输出端电连接第十三NMOS器件的源端和漏端，

第三与非门的输出端连接第三反相器的输入端，第三反相器的输出端电连接第十四NMOS器件的源端和漏端，

第十四NMOS器件的栅端与第十一NMOS器件的漏端、第十二NMOS器件的栅端和源端电连接；

第十二NMOS器件的漏端连接所述升压装置的输入端。

在一些实施例中，所述稳压电路包括第十八至第二十一NMOS器件，其中，

第十八NMOS器件的栅端和源端连接所述主电荷泵的输出端，漏端电连接第十九NMOS器件的栅端和源端，第十九NMOS器件的漏端电连接第二十NMOS器件的栅端和源端，第二十NMOS器件的漏端电连接第二十一NMOS器件的栅端和源端，第二十一NMOS器件的漏端接地。

在一些实施例中，所述升压装置的第十七NMOS器件的栅端作为所述升压装置的输入端，源端与电源相连，漏端与所述主电荷泵的输出端相连。

上述方案至少具有以下的有益效果：通过逻辑电路和辅助电荷泵控制NMOS器件的开启和关断，可以使电荷泵输出端电压迅速上升到电源电压VCC，并且还避免了NMOS器件传递高电压阈值损失的问题，极大缩短了输出负载电容达到稳定值的时间，达到快速启动的目的。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的电容式电荷泵的结构示意图；

图2为本发明一种实施方式的电容式电荷泵的电路图；

图3为本发明一种实施方式的电容式电荷泵的实验对比图；

图4为现有一种电荷泵的结构图；

图5是图4所示现有电荷泵的电路图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述说明。

如图1所示实施例的电容式电荷泵包括：主电荷泵1、逻辑控制电路2、辅助电荷泵3、稳压电路4和升压装置5。

主电荷泵1起到常规电荷泵的作用，其输出端连接有升压装置5以根据需要升高主电荷泵1输出端电压。逻辑控制电路2根据主电荷泵1的输出控制辅助电荷泵3的开启和关闭，辅助电荷泵3根据逻辑控制电路2的控制信息控制升压装置5的开启和关闭。稳压电路4连接主电荷泵1输出端，用于减少主电荷泵1输出纹波，稳定输出电压。

在上述实施例中，在第一输出端Vout增加一个升压装置5(可以由NMOS器件构成)，通过逻辑电路2和辅助电荷泵3控制NMOS器件的开启和关断，可以使电荷泵输出端电压迅速上升到电源电压VCC。充电速度提升效果明显。第一使能信号pull_en控制主电荷泵1和辅助电荷泵3的工作。主电荷泵1的输出Vout还作为逻辑控制电路2的输入。逻辑控制电路2的输出信号ctrl1作为辅助电荷泵3的控制信号，控制辅助电荷泵3的开启。辅助电荷泵3的输出信号ctrl 2控制升压装置5的开启和关闭。

第一使能信号pull_en是整个电荷泵结构的总使能，当pull_en为低电平时，主电荷泵1和辅助电荷泵3都不工作；当pull_en为高电平时，主电荷泵1工作，辅助电荷泵3工作与否受控制信号Ctrl1控制。也就是说，对于辅助电荷泵3来说，pull_en的权重要比信号Ctrl 1要高。具体工作流程如下：pull_en使能信号为高电平，主电荷泵1和辅助电荷泵3同时开始工作，辅助电荷泵3和逻辑控制电路2可以在一瞬间将主电荷泵1的输出提升到电源电压VCC。之后逻辑控制电路2将辅助电荷泵3关断，主电荷泵1独自工作将输出电压升到最终目标值并稳定输出。

图2显示了上述实施方式的电荷泵的电路图。电荷泵结构的级数根据实际应用需要而定，本实施例中主电荷泵1采用四级结构，辅助电荷泵3采用三级结构。

主电荷泵1包括第一至第九NMOS器件，具体的电路组成和连接关系如下：

第一NMOS器件MN01的栅端连接第一使能信号pull_en，第一NMOS器件MN01的漏端电连接第二NMOS器件MN02的栅端、第二NMOS器件MN02的源端和第六NMOS器件MN06的栅端，第一NMOS器件MN01的源端与电源相连。第二NMOS器件MN02的漏端电连接第三NMOS器件MN03的栅端、第三NMOS器件MN03的源端和第七NMOS器件MN07的栅端。第三NMOS器件MN03的漏端电连接第四NMOS器件MN04的栅端、第四NMOS器件MN04的源端和第八NMOS器件MN08的栅端。第四NMOS器件MN04的漏端电连接第五NMOS器件MN05的栅端、第五NMOS器件MN05的源端和第九NMOS器件MN09的栅端。第一时钟信号CLK与第七NMOS器件MN07的源端、第七NMOS器件MN07的漏端、第九NMOS器件MN09的源端以及第九NMOS器件MN09的漏端分别电连接。第二时钟信号CLKN与第六NMOS器件MN06源端、第六NMOS器件MN06的漏端、第八NMOS器件MN08的源端以及第八NMOS器件MN08的漏端分别电连接。第六NMOS器件MN06、第七NMOS器件MN07、第八NMOS器件MN08、第九NMOS器件MN09作为电容使用。

逻辑控制电路2包括第十五NMOS器件MN15、第十六NMOS器件MN16、第四反相器INV04、第五反相器INV05和第六反相器INV06，具体的组成和连接关系如下：

第五NMOS器件MN05的漏端电连接第十五NMOS器件MN15的栅端和第四反相器INV04的输入端。第十五NMOS器件MN15的源端与电源电连接，第十五NMOS器件MN15的漏端电连接第四反相器INV04的输出端和第五反相器INV05的输入端。第五反相器INV05的输出端电连接第六反相器INV06的输入端，第六反相器INV06的输出端电连接第十六NMOS器件MN16的栅端，第十六NMOS器件MN16的源端电连接第十二NMOS器件MN12的漏端和第十七NMOS器件MN17的栅端，第十六NMOS器件MN16的漏端接地。第五反相器INV05的输出端连接辅助电荷泵3的输入端，输出控制信号ctrl1。

辅助电荷泵3包括第十至第十四NMOS器件、第一与非门NAND01、第二与非门NAND02、第三与非门NAND03、第一反相器INV01、第二反相器INV02和第三反相器INV03，具体的电路组成和连接关系如下：

第一与非门NAND01、第二与非门NAND02、第三与非门NAND03的一个输入端相连作为辅助电荷泵3的输入端，接收第五反相器INV05的输出端输出的控制信号ctrl 1，第一与非门NAND01另一个输入端连接第一使能信号pull_en，第二与非门NAND02另一个输入端连接第一时钟信号CLKN，第三与非门NAND03另一个输入端连接第一时钟信号CLK。第一与非门NAND01的输出端连接第一反相器INV01的输入端，第一反相器INV01的输出端电连接第十NMOS器件MN10的栅端。第十NMOS器件MN10的源端与电源电连接，第十NMOS器件MN10漏端与第十一NMOS器件MN11的栅端、第十一NMOS器件MN11的源端和第十三NMOS器件MN13的栅端电连接。第二与非门NAND02的输出端连接第二反相器INV02的输入端，第二反相器INV02的输出端电连接第十NMOS器件MN10的源端和第十NMOS器件MN10的漏端。第三与非门NAND03的输出端连接第三反相器INV03的输入端，第三反相器INV03的输出端电连接第十四NMOS器件MN14的源端和第十四NMOS器件MN14的漏端，第十四NMOS器件MN14的栅端与第十一NMOS器件MN11的漏端、第十二NMOS器件MN12的栅端和第十二NMOS器件MN12的源端电连接。第十二NMOS器件MN12的漏端连接升压装置5的输入端。其中第十三NMOS器件MN13、第十四NMOS器件MN14作为电容使用；第一与非门NAND01、第二与非门NAND02、第三与非门NAND03是两输入与非门。

稳压电路4包括第十八至第二十一NMOS器件，具体的电路组成和连接关系如下：

第十八NMOS器件MN18的栅端和第十八NMOS器件MN18的源端连接第五NMOS器件MN05的漏端(主电荷泵1的输出端)，第十八NMOS器件MN18的漏端电连接第十九NMOS器件MN19的栅端和第十九NMOS器件MN19的源端。第十九NMOS器件MN19的漏端电连接第二十NMOS器件MN20的栅端和第二十NMOS器件MN20的源端。第二十NMOS器件MN20的漏端电连接第二十一NMOS器件MN21的栅端和第二十一NMOS器件MN21的源端。第二十一NMOS器件MN21的漏端接地。

升压装置5由第十七NMOS器件MN17构成。第十七NMOS器件MN17的栅端作为升压装置5的输入端，与第十二NMOS器件MN12的漏端相连。第十七NMOS器件MN17的源端与电源相连，第十七NMOS器件MN17的漏端与第五NMOS器件MN05的漏端(主电荷泵1的输出端)相连。负载器件具有寄生电容Cload。

下面说明上述实施方式的电荷泵的工作方式。

当电荷泵第一使能信号pull_en到来后，逻辑控制电路2和辅助电荷泵3会将输出电压在瞬间提升到电源电压，这个过程为第一充电阶段；在输出电压达到电源电压后，辅助电荷泵会停止工作，由主电荷泵继续向负载电容充电，这个过程为第二充电阶段。

当第一使能信号pull_en到来时，主电荷泵1刚刚启动，还未向负载电容充电，输出电压Vout为低电平。此时逻辑控制电路2的输出ctrl 1会将辅助电荷泵3开启。辅助电荷泵3将会产生一个高于VCC+VTH(升压装置5的NMOS器件阈值电压)的电压ctrl 2，使升压装置5开启，瞬间将负载电容充电到VCC，这时第一充电阶段完成。这个电压是辅助电荷泵输出电压的设计要求，具体数值与电源和工艺参数有关，需要说明的是，如果低于这个电压，快速启动效果变差。实际应用中，先确定这个电压值，然后根据它设计辅助电荷泵的级数。当输出电压Vout为VCC时，逻辑电路2输出信号ctrl 1将辅助电荷泵3关断，进而使升压装置5关断。这时，第二充电阶段开始，由主电荷泵1继续给负载电容充电，上升到稳定电压时，稳压电路4开启，完成电荷泵整个启动过程。

由于有第一充电阶段的过程，在一个时钟周期内，可以一次性给负载电容注入使其电压值为直流电压源电压VCC所需的电荷。而在没有这个操作的情况下，每一次时钟翻转，最多只能给主电荷泵的第一级注入使其电压值为直流电压源电压(忽略阈值损失)所需的电荷。相比之下，上述实施方式中的第一充电阶段可以很大程度上缩短负载电容上的电压达到稳态值所需的时间，消除了传统电荷泵电路电压上升速度慢的缺陷。

辅助电荷泵3的输出信号ctrl 2是一个大于VCC+VTH的电压值，通过提高升压装置5栅极电压的办法，达到减小升压装置5在传递高电压时损失的目的。这样，不仅可以大大提高启动速度，还可以消除不同工艺下NMOS器件阈值电压VTH对第一充电阶段目标电压的影响。

由于主电荷泵会产生一个高于电源的电压值，为了保证升压装置5的NMOS器件不被击穿，通常会选用耐压高的器件，其阈值电压也会较常压管大的多(常压器件在0.7V左右，高压器件在1-2V之间)。假如没有辅助电荷泵，第一充电阶段的目标电压仅为VCC-VTH，第一目标电压会变得很小，加速效果不明显，严重限制启动速度。采用辅助电荷泵为升压装置5栅极加压，不但可以将第一充电阶段目标电压提高到电源电压VCC，而且完全不用考虑工艺所带来的阈值电压变化的影响。

图3所示为上述实施例电荷泵与传统电荷泵(如图4、图5所示)启动时间的对比图。曲线1表示上述实施例电荷泵启动时间，曲线2表示传统电荷泵启动时间，从图中能够看到，采用本发明电荷泵的启动时间比传统电荷泵明显缩短。

以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干相似的变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电容式电荷泵装置，其特征在于，包括主电荷泵(1)、逻辑控制电路(2)、辅助电荷泵(3)、稳压电路(4)和升压装置(5)，其中，

所述逻辑控制电路(2)根据所述主电荷泵(1)的输出控制所述辅助电荷泵(3)的开启和关闭，

所述辅助电荷泵(3)根据所述逻辑控制电路(2)的控制信息，控制所述升压装置(5)的开启和关闭，

所述稳压电路(4)减少所述主电荷泵(1)和所述辅助电荷泵(3)的输出纹波，稳定输出电压，

所述升压装置(5)用于将所述主电荷泵(1)输出端电压升高。

2.根据权利要求1所述的电容式电荷泵装置，其特征在于，所述主电荷泵(1)由第一使能信号(pull_en)启动和控制，所述主电荷泵(1)的输出(Vout)作为所述逻辑控制电路(2)的输入，所述逻辑控制电路(2)的输出(ctrl1)作为所述辅助电荷泵(3)的控制信号以控制所述辅助电荷泵(3)的开启，所述辅助电荷泵(3)的输出(ctrl 2)控制所述升压装置(5)的开启和关闭。

3.根据权利要求1所述的电容式电荷泵装置，其特征在于，所述主电荷泵(1)的电路包括第一至第九NMOS器件，其中：

第一NMOS器件(MN01)的栅端连接第一使能信号(pull_en)，源端与电源相连，漏端电连接第二NMOS器件(MN02)的栅端和源端，

第二NMOS器件(MN02)的源端和第六NMOS器件(MN06)的栅端电连接，漏端电连接第三NMOS器件(MN03)的栅端和源端，

第三NMOS器件(MN03)的源端和第七NMOS器件(MN07)的栅端电连接，漏端电连接第四NMOS器件(MN04)的栅端和源端，

第四NMOS器件(MN04)的源端和第八NMOS器件(MN08)的栅端电连接，漏端电连接第五NMOS器件(MN05)的栅端和源端，

第五NMOS器件(MN05)的源端和第九NMOS器件(MN09)的栅端电连接，漏端作为所述主电荷泵(1)的输出端，

第一时钟信号(CLK)与第七NMOS器件(MN07)的源端、第七NMOS器件(MN07)的漏端、第九NMOS器件(MN09)的源端以及第九NMOS器件(MN09)的漏端分别电连接，

第二时钟信号(CLKN)与第六NMOS器件(MN06)源端、第六NMOS器件(MN06)的漏端、第八NMOS器件(MN08)的源端以及第八NMOS器件(MN08)的漏端分别电连接，

其中第六NMOS器件(MN06)、第七NMOS器件(MN07)、第八NMOS器件(MN08)和第九NMOS器件(MN09)作为电容使用。

4.根据权利要求1所述的电容式电荷泵装置，其特征在于，所述逻辑控制电路包括第十五NMOS器件(MN15)、第十六NMOS器件(MN16)、第四反相器(INV04)、第五反相器(INV05)和第六反相器(INV06)，其中

第十五NMOS器件(MN15)的栅端与所述主电荷泵(1)的输出端以及第四反相器(INV04)的输入端连接，源端与电源电连接，漏端电连接第四反相器(INV04)的输出端和第五反相器(INV05)的输入端，

第五反相器(INV05)的输出端电连接第六反相器(INV06)的输入端和所述辅助电荷泵(3)的输入端，第六反相器(INV06)的输出端电连接第十六NMOS器件(MN16)的栅端，

第十六NMOS器件(MN16)的漏端接地，源端连接所述升压装置(5)的输入端。

5.根据权利要求1所述的电容式电荷泵装置，其特征在于，所述辅助电荷泵(3)包括第十至第十四NMOS器件、第一与非门(NAND01)、第二与非门(NAND02)、第三与非门(NAND03)、第一反相器(INV01)、第二反相器(INV02)和第三反相器(INV03)，其中：

第一与非门(NAND01)、第二与非门(NAND02)、第三与非门(NAND03)的一个输入端相连作为所述辅助电荷泵(3)的输入端，第一与非门(NAND01)另一个输入端连接第一使能信号(pull_en)，第二与非门(NAND02)另一个输入端连接第一时钟信号(CLKN)，第三与非门(NAND03)另一个输入端连接第一时钟信号(CLK)；

第一与非门(NAND01)的输出端连接第一反相器(INV01)的输入端，第一反相器(INV01)的输出端电连接第十NMOS器件(MN10)的栅端，

第十NMOS器件(MN10)的源端与电源电连接，漏端与第十一NMOS器件(MN11)的栅端和源端以及第十三NMOS器件(MN13)的栅端电连接，

第二与非门(NAND02)的输出端连接第二反相器(INV02)的输入端，第二反相器(INV02)的输出端电连接第十三NMOS器件(MN10)的源端和漏端，

第三与非门(NAND03)的输出端连接第三反相器(INV03)的输入端，第三反相器(INV03)的输出端电连接第十四NMOS器件(MN14)的源端和漏端，

第十四NMOS器件(MN14)的栅端与第十一NMOS器件(MN11)的漏端、第十二NMOS器件(MN12)的栅端和源端电连接；

第十二NMOS器件(MN12)的漏端连接所述升压装置(5)的输入端。

6.根据权利要求1所述的电容式电荷泵装置，其特征在于，所述稳压电路(4)包括第十八至第二十一NMOS器件，其中，

第十八NMOS器件(MN18)的栅端和源端连接所述主电荷泵(1)的输出端，漏端电连接第十九NMOS器件(MN19)的栅端和源端，第十九NMOS器件(MN19)的漏端电连接第二十NMOS器件(MN20)的栅端和源端，第二十NMOS器件(MN20)的漏端电连接第二十一NMOS器件(MN21)的栅端和源端，第二十一NMOS器件(MN21)的漏端接地。

7.根据权利要求1或5所述的电容式电荷泵装置，其特征在于，所述升压装置(5)的第十七NMOS器件(MN17)的栅端作为所述升压装置(5)的输入端，源端与电源相连，漏端与所述主电荷泵(1)的输出端相连。