CN107431857A - 用于电荷泵布置的阻抗电路和电荷泵布置 - Google Patents
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Abstract
阻抗电路（BigR）包括第一电流镜电路（CM1），其具有充当电流输入端子的第一偏置（pbias）、充当电流输出端子的第一输出（out1）以及用于与预先选择的电位耦合的第一输入（in1）。另外，阻抗电路（BigR）包括用于利用第一参考电流使第一电流镜电路（CM1）偏置的第一电荷泵（CP1），其中第一电荷泵（CP1）包括与第一电流镜电路（CM1）的第一偏置（pbias）耦合的第一偏置输出（bias1）。
Description
本发明涉及用于电荷泵布置的阻抗电路和电荷泵布置。
完全集成的电荷泵使用在多种多样的应用中，诸如闪速存储器、专用显示驱动器和用于电容式麦克风的DC偏置电压生成。
诸如单或双背板微机电系统器件（MEMS器件）之类的电容式麦克风需要高电压电荷泵。在当今的集成电路设计中，电荷泵通常通过一组非重叠的时钟信号来操作。针对用于MEMS麦克风的偏置电压的电荷泵在两个或更多非重叠的时钟的控制之下经由二极管通过电容器上的电荷累积来聚集其最终电压。这导致输出电压上的电压纹波，其需要被减小到在将麦克风（诸如MEMS麦克风）对接到前置放大器时将不引入附加噪声或使总体电源噪声抑制（PSR）恶化的水平。
电压纹波可以通过滤波来减小。为了滤波，可以使用低通RC滤波器。由于存在从电荷泵到电容式麦克风的前置放大器的输入的直接耦合，因此要求高阻抗以获取充足的信噪比（SNR）。
由于电阻值和电容值对于集成而言可能非常大，因此当今，大多数滤波是基于背对背、反并联配置中的多二极管（poly-diode）。
US 2014/0003609 A1示出一种用于驱动MEMS麦克风的电路布置。该电路布置包括电荷泵。电荷泵经由第一路径与MEMS麦克风互连。在第一路径中，布置两个相反连接的二极管D1和D2。第一路径拆分成两个并联的子路径UP1和UP2，其中在每一个情况下，两个相反连接的二极管D1和D2中的一个布置在每一个子路径UP1和UP2中。这两个子路径UP1、UP2形成高阻抗元件。
然而，基于多二极管的这些滤波器器件的工艺变化和温度变化是非常高的。特别地，基于多二极管的电路通常在所要求的温度范围内不足够稳定，并且由于工艺变化而具有宽范围的参数变化。
本发明的目的是提供一种用于电荷泵布置的阻抗电路和电荷泵布置，其允许阻抗电路和电荷泵布置的成本有效的制造和可靠的操作，特别是阻抗电路和电荷泵布置在宽温度范围内的可靠操作。
该目的通过独立权利要求的特征实现。本发明的有利实施例在从属权利要求中给出。
根据第一方面，本发明通过一种用于电荷泵布置的阻抗电路来区分。阻抗电路包括第一电流镜电路，其具有充当电流输入端子的第一偏置、充当电流输出端子的第一输出以及用于与预先选择的电位耦合的第一输入。另外，阻抗电路包括用于利用第一参考电流使第一电流镜电路偏置的第一电荷泵，其中第一电荷泵包括与第一电流镜电路的第一偏置耦合的第一偏置输出。有利地，电流镜电路包括非常高的输出电阻。电流镜电路的输出电阻取决于参考电流。参考电流越小，输出电阻越高。电荷泵由于其高输出阻抗而允许提供非常小的输出电流。由于相当确切地确定电荷泵的所有或几乎所有参数这一事实，该阻抗电路较小地倾向于工艺和温度变化。非常高的输出电阻允许例如电荷泵布置的电荷泵的所期望的输出电压的更干净的滤波。
根据第一方面的一个实施例，阻抗电路包括第二电流镜电路，其具有充当电流输入端子的第二偏置、充当电流输出端子的第二输出和用于与预先选择的电位耦合的第二输入。另外，阻抗电路包括用于利用第二参考电流使第二电流镜电路偏置的第二电荷泵，其中第二电荷泵包括与第二电流镜电路的第二偏置耦合的第二偏置输出。
有利地，通过这样的布置，两个子路径形成高阻抗元件。以此方式，可以模仿两个相反连接的二极管D1和D2的电阻布置。可以维持现有电路设计，例如用于滤波器和/或MEMS麦克风布置。
根据第一方面的另外的实施例，第一电荷泵和/或第二电荷泵被配置成为第一参考电流和/或第二参考电流提供等于或小于1nA的绝对值，以用于分别使第一电流镜电路和/或第二电流镜电路偏置。由于该小电流，第一电流镜电路和第二电流镜电路可以各自包括具有超过几千兆欧姆的电阻值的输出电阻，诸如100 GOhm、500 GOhm和1 TOhm。
根据第一方面的另外的实施例，第一电流镜电路包括第一类型的半导体晶体管技术的晶体管，并且第二电流镜电路包括第二类型的半导体晶体管技术的晶体管，其中第一类型的晶体管与第二类型的晶体管互补。这简化了两个相反连接的二极管D1和D2的电阻布置的模仿。而且可以实现电路的非常对称的布局设计，其进一步减少工艺和温度变化。
根据第一方面的另外的实施例，第一电流镜电路和/或第二电流镜电路是基于在弱反型中操作的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。有利地，以此方式，可以保持功率消耗较低。
根据第一方面的另外的实施例，第一电流镜电路包括NMOS晶体管，并且第二电流镜电路包括PMOS晶体管。特别地，第一电流镜电路是基于NMOS晶体管，并且第二电流镜电路是基于PMOS晶体管。这简化了两个相反连接的二极管D1和D2的电阻布置的模仿。而且可以实现电路的非常对称的布局设计，其进一步减少工艺和温度变化。
根据第一方面的另外的实施例，第一电流镜电路包括第一NMOS晶体管，其包括栅极、充当第一电流镜电路的电流输入端子的漏极以及可连接到预先选择的电位的源极。另外，第一电流镜电路包括NMOS晶体管块，其包括第二NMOS晶体管和至少一个另外的NMOS晶体管，第二NMOS晶体管和所述至少一个另外的NMOS晶体管串联布置，其中NMOS晶体管块包括与第一NMOS晶体管的栅极和漏极耦合的栅触点、充当第一基于电流镜电路的电流输出端子的漏触点以及可连接到预先选择的电位的源触点。优选地，晶体管块包括串联布置的多个NMOS晶体管。这允许缩减提供在电流输入端子处的第一参考电流的规模。通过期望的输出电阻确定NMOS晶体管块的NMOS晶体管的最小数目。
根据第一方面的另外的实施例，第二电流镜电路包括第一PMOS晶体管，其包括栅极、充当第二电流镜电路的电流输入端子的漏极和可连接到预先选择的电位的源极。另外，第二电流镜电路包括PMOS晶体管块，其包括第二PMOS晶体管和至少一个另外的PMOS晶体管，第二PMOS晶体管和所述至少一个另外的PMOS晶体管串联布置，其中PMOS晶体管块包括与第一PMOS晶体管的栅极和漏极耦合的栅触点、充当第二电流镜电路的电流输出端子的漏触点以及可连接到预先选择的电位的源触点。
根据第一方面的另外的实施例，第一电荷泵和/或第二电荷泵各自包括多个相同级，每一个包括二极管和泵送电容器，其中连贯级中的电容器由至少两个非重叠的时钟信号驱动。因此，第一和/或第二电荷泵包括基于Dickson的电荷泵。有利地，第一电荷泵和第二电荷泵每一个包括高输出电阻，并且分别递送小的第一和第二参考电流。第一参考电流和第二参考电流每一个分别取决于时钟信号的频率、泵送电容器的电容、级的数目以及第一电荷泵和第二电荷泵的电源。由于相当确切地确定电荷泵的所有参数这一事实，该阻抗电路较小地倾向于工艺和温度变化。
根据第一方面的另外的实施例，阻抗电路包括器件输入和器件输出，并且第一电流镜电路的第一输出和第二电流镜电路的第二输出与器件输出耦合，并且第一电流镜电路的第一输入和第二电流镜的第二输入与器件输入耦合。因此，第一电流镜电路和第二电流镜电路反并联耦合并且提供两个子路径。
根据第二方面，本发明通过一种电荷泵布置来区分。电荷泵布置包括被配置成提供给定输出电压的主电荷泵。另外，电荷泵布置包括被配置成对主电荷泵的输出电压进行滤波的滤波器元件。滤波器元件包括根据第一方面的阻抗电路。
第一方面的有利实施例对于第二方面同样有效。
特别地，主电荷泵被配置成提供期望的DC输出电压，以用于供给电子器件，例如MEMS麦克风。滤波器元件允许减小输出电压的电压纹波，使得没有或几乎没有噪声被引入到尤其是MEMS麦克风的前置放大器。通过设计来保证阻抗电路的高阻抗，并且向其余电路提供极其低并且可忽略的噪声贡献。因此，相比于具有使用电阻器或多二极管的滤波器元件的布置，改进了信噪比和电源噪声抑制（PSR）。
在示意图的帮助下在下文中解释本发明的示例性实施例。这些图为如下：
图1是例示电荷泵布置的框图，
图2是第一和第二电流镜电路的示例性实施例的框图，以及
图3是第一和第二电荷泵的示例性实施例的框图。
在不同图中出现的相同设计和功能的元件通过相同的参考标号来标识。
图1例示了用于驱动例如微机电系统（MEMS）麦克风20的电荷泵布置100。
电荷泵布置100包括主电荷泵CP。主电荷泵CP被配置成在其输出UBias上提供给定输出电压，优选地DC输出电压。优选地，电荷泵布置100包括控制单元（未示出），其控制主电荷泵CP并且其调节由主电荷泵CP提供的DC输出电压。主电荷泵CP经由主路径与MEMS麦克风20耦合。
电荷泵布置100包括滤波器元件FE。滤波器元件FE布置在主路径中。
滤波器元件FE被配置成将主电荷泵CP的输出电压上的电压纹波减小到将不引入附加噪声或使电源噪声抑制（PSR）恶化的水平。优选地，滤波器元件FE是低通滤波器。例如，滤波器元件FE包括RC滤波器特性。特别地，滤波器元件FE包括滤波器电容器Cf。
滤波器元件FE包括阻抗电路BigR。阻抗电路BigR包括第一电流镜电路CM1，其具有充当电流输入端子的第一偏置pbias、充当电流输出端子的第一输出out1以及用于与预先选择的电位耦合的第一输入in1。另外，阻抗电路BigR包括用于利用第一参考电流使第一电流镜电路CM1偏置的第一电荷泵CP1，其中第一电荷泵CP1包括与第一电流镜电路CM1的第一偏置pbias耦合的第一偏置输出bias1。
优选地，阻抗电路BigR包括第二电流镜电路CM2，其具有充当电流输入端子的第二偏置nbias、充当电流输出端子的第二输出out2以及用于与预先选择的电位耦合的第二输入in2。另外，阻抗电路BigR包括用于利用第二参考电流使第二电流镜电路CM2偏置的第二电荷泵CP2，其中第二电荷泵CP2包括与第二电流镜电路CM2的第二偏置nbias耦合的第二偏置输出bias2。
为了保证第一电流镜电路CM1和/或第二电流镜电路CM2的输出阻抗的良好稳定性，分别用于使第一和第二电流镜电路CM1、CM2偏置的第一参考电流和第二参考电流每一个必须被非常精确地提供并且提供有小的值。这些要求可以通过第一和/或第二电荷泵CP1、CP2来满足。第一和/或第二电荷泵CP1、CP2被配置成通过分别在第一和第二偏置输出bias1、bias2上提供恒定电压来提供偏置。
因此，主电荷泵CP的输出电压的滤波可以通过使用电流镜电路来模仿大欧姆电阻而基于RC滤波原理。为了解决二极管布置、尤其是多二极管布置的背对背配置，第一电流镜电路CM1可以包括第一类型的半导体晶体管技术的晶体管，并且第二电流镜电路CM2可以包括第二类型的该半导体晶体管技术的晶体管，其中第一类型的晶体管与第二类型的晶体管互补。
图2示出第一和第二电流镜电路CM1、CM2的示例性实施例。
特别地，第一电流镜电路CM1和/或第二电流镜电路CM2是基于金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
特别地，第一和第二电流镜电路CM1、CM2的MOSFET在弱反型中操作。
第一电流镜电路CM1例如包括第一NMOS晶体管Tn1，其包括栅极、充当第一电流镜电路CM1的电流输入端子的漏极以及可连接到预先选择的电位的源极。另外，第一电流镜电路CM1包括NMOS晶体管块Tnblock，其包括第二NMOS晶体管Tn2和至少一个另外的NMOS晶体管，第二NMOS晶体管Tn2和所述至少一个另外的NMOS晶体管串联布置。串联布置意指例如，第二NMOS晶体管Tn2的漏极与第三NMOS晶体管的源极耦合，并且第二NMOS晶体管Tn2的栅极和第三晶体管的栅极耦合等。
NMOS晶体管块Tnblock包括与第一NMOS晶体管Tn1的栅极和漏极耦合的栅触点Gcon、充当第一电流镜电路CM1的电流输出端子的漏触点Dcon以及可连接到预先选择的电位的源触点Scon。优选地，晶体管块包括串联布置的多个NMOS晶体管，例如在10至50个NMOS晶体管之间。以此方式，第一参考电流可以从小于1nA缩减规模到小于1pA，这意味着将第一参考输入电流＜1nA变换成输出电流＜1pA以达到期望的输出电阻。
出于对称原因，第二电流镜电路CM2包括类似于第一电流镜电路CM1的结构。
第二电流镜电路CM2包括例如第一PMOS晶体管Tp1，其包括栅极、充当第二电流镜电路CM2的电流输入端子的漏极以及可连接到预先选择的电位的源极。另外，第二电流镜电路CM2包括PMOS晶体管块Tpblock，其包括第二PMOS晶体管Tp2和至少一个另外的PMOS晶体管，第二PMOS晶体管Tp2和所述至少一个另外的PMOS晶体管串联布置，其中PMOS晶体管块Tpblock包括与第一PMOS晶体管Tp1的栅极和漏极耦合的栅触点Gcon、充当第二电流镜电路CM2的电流输出端子的漏触点Dcon以及可连接到预先选择的电位的源触点Scon。
替换地，第一和第二电流镜电路CM1、CM2可以包括其它而且不同的电流镜电路结构。例如，第一和/或第二电流镜电路CM1、CM2可以包括Wilson结构或共源共栅结构。
图3示出第一和第二电荷泵CP1、CP2的示例性实施例的详细视图。
优选地，第一电荷泵CP1和/或第二电荷泵CP2被配置成分别提供第一参考电流和/或第二参考电流，其具有等于或小于1nA的绝对值以用于使第一电流镜电路CM1和/或第二电流镜电路CM2偏置。
第一电荷泵CP1和/或第二电荷泵CP2每一个包括例如数个相同级，每一个包括二极管Dpump和泵送电容器Cpump，其中连贯级中的电容器由至少2个非重叠的时钟信号Clk1、Clk2驱动。
连贯级中的泵送电容器Cpump例如由两个互补的时钟信号Clk1、Clk2驱动。电荷从一个泵送电容器Cpump以时钟的节奏传送至下一个，从而得出可以比输入电压高得多的输出电压。
分别由第一和第二电荷泵CP1、CP2提供的第一和第二参考电流可以以如下的简化形式给出：
IRef = (Fclk*C_pump*Vcc)/N， Gl.1
其中Fclk是时钟信号Clk1、Clk2的频率，C_pump是泵送电容器Cpump的电容，N是级的数目，并且Vcc是第一电荷泵CP1和第二电荷泵CP2的电源。第一和第二电荷泵CP1、CP2每一个包括供给输入V1、V2。例如，第一和第二电荷泵CP1、CP2的供给输入V1、V2与主电荷泵CP的输出耦合。
例如，第一和/或第二电荷泵CP1、CP2的相应二极管Dpump包括二极管连接的NMOS晶体管。二极管连接的NMOS晶体管允许仅一个方向上的电荷流动。
因此，第一电荷泵CP1和第二电荷泵CP2特别地布置在背对背配置中以用于提供分别用于第一和第二电流镜电路CM1、CM2的第一和第二参考电流。
优选地，第一和第二电荷泵CP1、CP2每一个至少包括输出电容器Cout。
第一和第二电荷泵CP1、CP2的电路结构允许非常对称的布局设计，因而确保由于温度和工艺变化所致的电流变化的补偿。因此，第一和第二电流镜电路CM1、CM2的更加恒定且可靠的偏置是可能的，这也改进了滤波性能。
电荷泵布置100的滤波器元件FE的特征在于关于工艺和温度变化的经补偿的偏置电路。电压纹波可以仅取决于滤波电容器关于地的尺寸并且可以通过选择适当的电容来调节。
参考标记
20 MEMS麦克风
100 电荷泵布置
bias1 第一偏置输出
bias2 第二偏置输出
BigR 阻抗电路
Cf 滤波器电容器
Clk1、Clk2 时钟信号
CM1 第一电流镜电路
CM2 第二电流镜电路
Cout 输出电容器
CP 主电荷泵
CP1 第一电荷泵
CP2 第二电荷泵
Cpump 泵送电容器
Dcon 漏触点
Dpump 二极管
FE 滤波器元件
Gcon 栅触点
in1 第一输入
in2 第二输入
nbias 第二偏置
out1 第一输出
out2 第二输出
pbias 第一偏置
Res 阻抗元件
Scon 源触点
Tn1 第一NMOS晶体管
Tn2 第二NMOS晶体管
Tnblock NMOS晶体管块
Tp1 第一PMOS晶体管
Tp2 第二PMOS晶体管
Tpblock PMOS晶体管块
UBias 主电荷泵的输出
V1 第一电荷泵的供给输入
V2 第二电荷泵的供给输入
Claims (11)
1.一种用于电荷泵布置（100）的阻抗电路（BigR），包括：
- 第一电流镜电路（CM1），其具有充当电流输入端子的第一偏置（pbias）、充当电流输出端子的第一输出（out1）以及用于与预先选择的电位耦合的第一输入（in1），
- 用于利用第一参考电流使第一电流镜电路（CM1）偏置的第一电荷泵（CP1），其中第一电荷泵（CP1）包括与第一电流镜电路（CM1）的第一偏置（pbias）耦合的第一偏置输出（bias1）。
2.根据权利要求1所述的阻抗电路（BigR），包括
- 第二电流镜电路（CM2），其具有充当电流输入端子的第二偏置（nbias）、充当电流输出端子的第二输出（out2）和用于与预先选择的电位耦合的第二输入（in2），
- 用于利用第二参考电流使第二电流镜电路（CM2）偏置的第二电荷泵（CP2），其中第二电荷泵（CP2）包括与第二电流镜电路（CM2）的第二偏置（nbias）耦合的第二偏置输出（bias2）。
3.根据权利要求1或2所述的阻抗电路（BigR），其中第一电荷泵（CP1）和/或第二电荷泵（CP2）被配置成分别为第一参考电流和/或第二参考电流提供等于或小于1nA的绝对值，以用于分别使第一电流镜电路（CM1）和/或第二电流镜电路（CM2）偏置。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的阻抗电路（BigR），第一电流镜电路（CM1）包括第一类型的半导体晶体管技术的晶体管，并且第二电流镜电路（CM2）包括第二类型的所述半导体晶体管技术的晶体管，其中第一类型的晶体管与第二类型的晶体管互补。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的阻抗电路（BigR），其中第一电流镜电路（CM1）和/或第二电流镜电路（CM2）是基于在弱反型中操作的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
6.根据权利要求2至5中的任一项所述的阻抗电路（BigR），其中第一电流镜电路（CM1）包括NMOS晶体管，并且第二电流镜电路（CM2）包括PMOS晶体管。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的阻抗电路（BigR），第一电流镜电路（CM1）包括
- 第一NMOS晶体管（Tn1），其包括栅极、充当第一电流镜电路（CM1）的电流输入端子的漏极以及可连接到预先选择的电位的源极，以及
- NMOS晶体管块（Tnblock），其包括第二NMOS晶体管（Tn2）和至少一个另外的NMOS晶体管，第二NMOS晶体管（Tn2）和所述至少一个另外的NMOS晶体管串联布置，其中NMOS晶体管块（Tnblock）包括与第一NMOS晶体管（Tn1）的栅极和漏极耦合的栅触点（Gcon）、充当第一电流镜电路（CM1）的电流输出端子的漏触点（Dcon）以及可连接到预先选择的电位的源触点（Scon）。
8.根据权利要求2至7中的任一项所述的阻抗电路（BigR），第二电流镜电路（CM2）包括
- 第一PMOS晶体管（Tp1），其包括栅极、充当第二电流镜电路（CM2）的电流输入端子的漏极以及可连接到预先选择的电位的源极，以及
- PMOS晶体管块（Tpblock），其包括第二PMOS晶体管（Tp2）和至少一个另外的PMOS晶体管，第二PMOS晶体管（Tp2）和所述至少一个另外的PMOS晶体管串联布置，其中PMOS晶体管块（Tpblock）包括与第一PMOS晶体管（Tp1）的栅极和漏极耦合的栅触点（Gcon）、充当第二电流镜电路（CM2）的电流输出端子的漏触点（Dcon）以及可连接到预先选择的电位的源触点（Scon）。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的阻抗电路（BigR），其中第一电荷泵（CP1）和/或第二电荷泵（CP2）每一个包括多个相同级，其每一个包括二极管（Dpump）和泵送电容器（Cpump），其中连贯级中的电容器由至少两个非重叠的时钟信号（Clk1、Clk2）驱动。
10.根据权利要求2至9中的任一项所述的阻抗电路（BigR），其中阻抗电路（BigR）包括器件输入和器件输出，第一电流镜电路（CM1）的第一输出（out1）和第二电流镜电路（CM2）的第二输出（out2）与器件输出耦合，并且第一电流镜电路（CM1）的第一输入（in1）和第二电流镜电路（CM2）的第二输入（in2）与器件输入耦合。
11.一种电荷泵布置（100），包括
- 被配置成提供给定输出电压的主电荷泵（CP），以及
- 被配置成对主电荷泵（CP）的输出电压进行滤波的滤波器元件（FE），滤波器元件（FE）包括根据权利要求1至10中的任一项所述的阻抗电路（BigR）。
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