CN105305812A - 电荷泵装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供电荷泵装置。电荷泵装置包括：时钟信号发生器、时钟冻结电路、电荷泵电路和反馈电路。时钟信号发生器产生时钟信号。时钟冻结电路直接接收时钟信号和致能信号。时钟冻结电路根据致能信号以决定是否通过或锁存时钟信号的电压电平以产生控制时钟信号。电荷泵电路直接接收控制时钟信号藉此对输入电压执行电荷泵的操作，以产生泵电压。

Description

电荷泵装置
技术领域
本发明涉及一种电荷泵装置，且特别涉及一种可在降低其所产生的泵电压上的纹波电压(ripplevoltage)的电荷泵装置。
背景技术
电荷泵(chargepump)电路基于参考电压用来提供更高电压电平的泵电压。泵电压的电压电平可以是参考电压的电压电平的好几倍。电荷泵电路可以应用在多种电子装置中，例如非易失性存储器、显示驱动器等等。
在已知的领域中，当泵电压的电压电平达到目标值时，如果时钟信号不停止，纹波电压将会被载在泵电压上。为了减少纹波电压的危害，电荷泵电路常需要较大尺寸的去耦电容。也就是说，增加电荷泵电路的芯片尺寸会对应被增加。
在一些已知领域中，当泵电压的电压电平达到目标值时，可以通过停止时钟源所产生的时钟信号来停止电荷泵的动作。然而，在泵电压达到目标值的时间点和时钟信号被停止的时间点之间有时间的延迟。亦即，在时钟信号上的一些非必要的脉冲会被传送到电荷泵电路使得泵电压上的纹波电压因此相应地增加。
发明内容
本发明涉及一种电荷泵装置，可有效地减少在泵电压上由电荷泵装置产生的纹波电压。
本发明提供的电荷泵装置包括：时钟信号发生器、时钟冻结电路、电荷泵电路和反馈电路。时钟信号发生器产生时钟信号。时钟冻结电路耦接到时钟信号发生器，并直接接收时钟信号和致能信号。时钟冻结电路根据致能信号以决定是否保持时钟信号的电压电平以产生控制时钟信号。电荷泵电路耦接到时钟冻结电路。电荷泵电路直接接收控制时钟信号以便对输入电压执行电荷泵的操作，以产生泵电压。
依据本发明的实施例，当泵电压低于预先设定的目标电压时，反馈电路产生具有第一逻辑电平的致能信号，以及当泵电压高于预先设定的目标电压时，反馈电路产生具有第二逻辑电平的致能信号。其中，第一逻辑电平和第二逻辑电平是互补的。
依据本发明的实施例，其中，当致能信号处于第一逻辑电平时，时钟冻结电路通过(pass)时钟信号的电压电平以产生控制时钟信号。
依据本发明的实施例，其中时钟冻结电路在致能信号从第一逻辑电平转态到第二逻辑电平时间点则藉由锁存住时钟信号来产生控制时钟信号。
依据本发明的实施例，其中电荷泵电路包括至少一电容器，并且控制时钟信号直接连接到该至少一电容器。
根据上述说明，本发明提供了可及时停止时钟信号的时钟冻结电路。亦即，当泵电压等于目标值时，在时钟信号上不会有额外的脉冲被传送到电荷泵电路。因此，电荷泵装置在泵电压上的纹波电压可以减少，使得电荷泵装置因纹波电压所造成的过度跨压的问题可以得到改善。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1为根据本发明一实施例所绘示电荷泵装置。
图2为根据本发明一实施例绘示时钟冻结电路的方块图。
图3A为根据本发明一实施例所绘示锁存电路的电路图。
图3B为在图3A中所绘示三态反相器TINV的电路图。
图4为根据本发明一实施例所绘示反馈电路的方块图。
图5为根据本发明一实施例所绘示电荷泵电路的方块图。
图6为根据本发明一实施例所绘示时钟产生器的方块图。
【符号说明】
100：电荷泵装置
110：时钟信号发生器
120：时钟冻结电路
121、310：锁存电路
130：电荷泵电路
131：开关电路
140：反馈电路
441：电压调节器
442：比较器
C1～CM：电容器
CLK：时钟信号
CCLK、CCLK1～CCLKM：控制时钟信号
COMPV：比较电压
EN：致能信号
ENB：反相致能信号
IN：输入端
INV1、INV2：反相器
IV1～IVN：反相器
M1～M4：晶体管
NAND1：与非门
OUT：输出端
SW1：开关
TG1：传输门
TINV：三态反相器
VDD2：电压源
VOUT：泵电压
VREF：预先设定的目标电压
具体实施方式
参照图1，图1为根据本发明一实施例所绘示电荷泵装置。电荷泵装置100包括时钟信号发生器110、时钟冻结电路120、电荷泵电路130和反馈电路140。时钟信号发生器110用于产生时钟信号CLK，而时钟信号CLK提供给时钟冻结电路120。时钟冻结电路120接收时钟信号CLK和致能信号EN，并且时钟冻结电路120可根据致能信号EN决定是否冻结时钟信号CLK来产生控制时钟信号CCLK。
致能信号EN由反馈电路140产生。反馈电路140耦接在电荷泵电路130、时钟冻结电路120和时钟信号发生器110之间。反馈电路140比较由电荷泵电路130产生的调节过的泵电压VOUT与预先设定的目标电压，并藉以产生致能信号EN。其中，泵电压VOUT是基于控制时钟信号CCLK及电荷泵电路130通过电荷泵操作而产生。也就是说，当泵电压VOUT的电压电平比预先设定的目标电压低时，反馈电路140可以产生具有第一逻辑电平(例如逻辑电平“1”)的致能信号EN。相反地，当泵电压VOUT的电压电平不低于预先设定的目标电压时，反馈电路140可以产生具有第二逻辑电平(例如逻辑电平“0”)的致能信号EN。第一和第二逻辑电平是互补的。当致能信号EN的逻辑电平为第二逻辑电平时，电荷泵电路130的电荷泵操作已经完成并且不需要控制时钟信号CCLK提供更多的脉冲。
当时钟冻结电路120接收到第二逻辑电平的致能信号EN时，时钟冻结电路120会保持时钟信号CLK的电压电平在一固定的电平以冻结时钟信号CLK来产生控制时钟信号CCLK。具体而言，当致能信号EN的逻辑电平从第一逻辑电平转态至第二逻辑电平时，时钟冻结电路120可立即保持时钟信号CLK的电压电平在一固定的电平上。也就是说，当致能信号EN的逻辑电平从第一逻辑电平转态到第二逻辑电平的时间点T1，时钟冻结电路120将时钟信号CLK的电压电平保持在时间点T1的电压电平以产生控制时钟信号CCLK。因此，当泵电压VOUT高于预先设定的目标电压时，控制时钟信号CCLK不会提供不必要的脉冲输送到电荷泵电路130。
另一方面，时钟冻结电路120可根据致能信号EN来锁住时钟信号CLK以保持时钟信号CLK的电压电平。
此处请注意，当致能信号EN的逻辑电平是在第一逻辑电平时，时钟冻结电路120会控制使得时钟信号CLK跟控制时钟信号CCLK有相同逻辑电平，而电荷泵电路130则基于持续振荡的时钟信号CLK来正常地进行电荷泵运作的操作动作。
此外，控制时钟信号CCLK是直接连接到电荷泵电路130。当致能信号EN转态到第二逻辑电平时，控制时钟信号CCLK会立即保持在一固定的电压电平上，并且不会有额外的脉冲被输送到电荷泵电路130。
参照图2，图2为根据本发明一实施例绘示时钟冻结电路的方块图。时钟冻结电路120包括锁存电路121。锁存电路121的输入端接收时钟信号CLK，和锁存电路121的输出端输出控制时钟信号CCLK。此外，锁存电路121根据致能信号EN决定是否保持时钟信号CLK的电压电平，并藉以产生控制时钟信号CCLK。
在某些实施例中，时钟信号CLK可包含多个子时钟信号，例如第一、第二、第三和第四子时钟信号，其中，第一、第二、第三和第四子时钟信号的相位是不同的。相对应地，锁存电路121用于锁存四个时钟信号就会包含四个子锁存器及相对的第一、第二、第三和第四子时钟信号，并分别产生四个子控制时钟信号。
参照图3A，图3A为根据本发明一实施例所绘示锁存电路的电路图。锁存电路310包括反相器INV1及INV2、开关SW1、以及三态反相器TINV。反相器INV1接收时钟信号CLK并产生反相时钟信号。开关SW1接收时钟信号的反相信号，并根据致能信号EN决定是否传输反相时钟信号到反相器INV2。如图3A所示，开关SW1是一个传输门TG1。传输门TG1由致能信号EN和反相致能信号ENB控制，并且当致能信号EN为逻辑电平为1时，传输门TG1开启以传输时钟信号的反相信号给反相器INV2。相反地，当致能信号EN为逻辑电平为0时，传输门TG1被断开，并且，时钟信号的反相信号不被输送到反相器INV2。
反相器INV2的输入端耦接到三态反相器TINV的输出端，反相器INV2的输出端耦接到三态反相器TINV的输入端。此外，三态反相器TINV由致能信号EN控制。当开关SW1在时间点T1依据致能信号EN而被断开时，三态反相器TINV启动，并且反相器INV2和三态反相器TINV形成锁存回路用于锁存电压电平，并在此时间点T1，使控制时钟信号CCLK等同时钟信号CLK。相反地，当开关SW1由致能信号EN开启时，三态反相器TINV被切断，时钟信号CLK通过反相器INV1和INV2以成为控制时钟信号CCLK。
此处，锁存电路可以由其它逻辑闸门(例如，或非门(NOR)或与非(NAND)门)来形成。锁存电路在图3A中的绘示仅用以作为示范范例，并且非用来限制本申请的范围。
请参考图3B，图3B为在图3A中所绘示三态反相器TINV的电路图。三态反相器TINV包括晶体管M1-M4。晶体管M1和M2是P型晶体管，而晶体管M1-M2串联耦接在电压源VDD2和三态反相器TINV的输出端OUT之间。晶体管M3和M4是N型晶体管，晶体管M3-M4串联耦接在输出端OUT和参考接地GND之间。晶体管M1的栅极端接收致能信号EN，晶体管M4的栅极接收反相致能信号ENB，晶体管M2-M3的栅极耦接到三态反相器TINV的输入端IN。当晶体管M1和M4分别根据致能信号EN和反相致能信号ENB关闭时，三态反相器TINV的输出端OUT在高阻抗状态。相反地，当晶体管M1和M4分别根据致能信号EN和反相致能信号ENB开启时，输出端OUT和输入端IN的逻辑电平是互补的。
参照图4，图4为根据本发明一实施例所绘示反馈电路的方块图。反馈电路140包括电压调节器441和比较器442。电压调节器441接收泵电压VOUT，并且通过调节泵电压VOUT来产生比较电压COMPV。比较器442接收比较电压COMPV和预先设定的目标电压VREF，并且藉由比较比较电压COMPV和预先设定的目标电压VREF产生致能信号EN。
参照图5，图5为根据本发明一实施例所绘示电荷泵电路的方块图。电荷泵电路130包括开关电路131和至少一电容器C1-CM。电荷泵电路130接收电压源VDD2和控制时钟信号CCLK1-CCLKM，并通过开关电路131依据一特定的序列提供至电容器C1-CM，藉以产生更高的泵电压VOUT。电压源VDD2可以是开关电路131的操作电压。在此请注意，控制时钟信号CCLK1-CCLKM提供给电荷泵电路130为了电荷泵操作，并且控制时钟信号CCLK1-CCLKM分别直接提供给电容器C1-CM。亦即，当控制时钟信号CCLK1-CCLKM的电压电平保持在固定电压电平时，电荷泵操作可以快速的被停止。
参照图6，图6为根据本发明一实施例所绘示时钟产生器的方块图。时钟产生器110是环形振荡器，并包括多个反相器IV1-IVN和与非门NAND1。与非门NAND1的第一输入端接收致能信号EN。反相器IV1-IVN串联耦接在与非门NAND1的第二输入端和输出端，并且串连反相器IV1-IVN的输出端输出时钟信号CLK。时钟信号CLK的频率可以藉由多个反相器IV1-IVN或各反相器IV1-IVN与与非门NAND1的栅极延迟来控制。当然，在图6中的环形振荡器仅仅是一个例子，并且由本领域的技术人员理解的任何其他时钟产生器均可以在本发明中应用。
致能信号EN可用于启用或停止时钟产生器110。在本实施例中，当致能信号EN为逻辑高电平(logichigh)时，时钟产生器110会启动，并且产生时钟信号CLK。相反地，当致能信号EN为逻辑低电平(logiclow)时，时钟产生110会被停止，并且停止时钟信号CLK的传输。
综上所述，当泵电压达到目标值时，本发明提供了一时钟冻结电路以保持时钟信号的电压电平。亦即，没有更多额外的脉冲会被传送到电荷泵电路，可以减小在泵电压上的纹波电压。过度跨压的问题可以得到改善，而电荷泵装置的面积也可以缩小。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。

Claims (12)

1.一种电荷泵装置，包括：
时钟信号发生器，产生时钟信号﹔
时钟冻结电路，耦接到该时钟信号发生器，直接接收该时钟信号和致能信号，并根据该致能信号以决定是否通过或锁存该时钟信号的电压电平以产生控制时钟信号﹔
电荷泵电路，耦接到该时钟冻结电路，直接接收该控制时钟信号以对输入电压执行电荷泵的操作，以产生泵电压；以及
反馈电路，耦接到该电荷泵电路和该时钟冻结电路，其中该反馈电路比较该泵电压和预先设定的目标电压，以产生该致能信号。
2.如权利要求1所述的电荷泵装置，其中当该泵电压低于预先设定的该目标电压时，该反馈电路产生具有第一逻辑电平的该致能信号，以及当该泵电压高于预先设定的该目标电压时，该反馈电路产生具有第二逻辑电平的该致能信号，
其中，该第一逻辑电平和该第二逻辑电平是互补的。
3.如权利要求1所述的电荷泵装置，其中当该致能信号处于该第一逻辑电平，该时钟冻结电路让该时钟信号的该电压电平通过，以产生该控制时钟信号。
4.如权利要求1所述的电荷泵装置，其中该时钟冻结电路从该第一逻辑电平转态至该第二逻辑电平的致能信号的时间点藉由锁存该时钟信号产生该控制时钟信号。
5.如权利要求4所述的电荷泵装置，其中该时钟冻结电路包括：
锁存电路，接收该时钟信号和该致能信号，并根据该致能信号决定是否锁存该时钟信号以产生该控制时钟信号。
6.如权利要求5所述的电荷泵装置，其中该锁存电路包括：
第一反相器，接收该时钟信号并产生反相时钟信号；
开关，具有第一端以接收该反相的时钟信号，并且由该致能信号控制以开启或断开；
第二反相器，具有输入端耦接到该开关的第二端，并且该第二反相器的输出端产生该控制时钟信号；以及
三态反相器，具有输入端、输出端和控制端，其中该三态反相器的该输出端耦接到该开关的该第二端，该三态反相器的输入端耦接到该第二反相器的该输出端，以及该三态反相器的该控制端接收该致能信号。
7.如权利要求5所述的电荷泵装置，其中该开关是传输门，和该传输门的第一端接收该反相时钟信号，该传输门的该第二端耦接到该第二反相器的该输入端并且该传输门的该第一和该第二控制端分别接收该致能信号和反相致能信号。
8.如权利要求1所述的电荷泵装置，其中该反馈电路包括：
电压调节器，接收该泵电压并根据该泵电压产生比较电压；以及
比较器，耦接到该电压调节器和该时钟冻结电路，并且该比较器比较该比较电压和预先设定的该目标电压，以产生该致能信号。
9.如权利要求1所述的电荷泵装置，其中该时钟信号发生器还接收该致能信号并且该时钟信号发生器根据该致能信号以决定是否产生该时钟信号。
10.如权利要求1所述的电荷泵装置，其中该电荷泵电路包括至少一电容器，并且该控制时钟信号直接连接到该至少一电容器。
11.如权利要求1所述的电荷泵装置，其中该时钟信号包括第一、第二、第三和第四子时钟信号，并且该第一、第二、第三和第四子时钟信号的相位是不同的。
12.如权利要求1所述的电荷泵装置，其中该时钟信号发生器是环形振荡器。
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