CN107592012A - 利用中低压器件在低压下产生高压的多级多相高压电荷泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用中低压器件在低压下产生高压的多级多相高压电荷泵，其包括有多个两相单级电荷泵电路，两相单级电荷泵电路包括有第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第一电容、第二电容和第三电容，第三NMOS管的源极和第四NMOS管的源极相互连接后作为两相单级电荷泵电路的前端，第三PMOS管的源极和第四PMOS管的源极相互连接后作为两相单级电荷泵电路的后端，多个两相单级电荷泵电路前后依次串联或相互并联，串联时，位于最前的两相单级电荷泵电路的前端接入高电平信号，并联时，多个两相单级电荷泵电路的前端均接入高电平信号。本发明成本低廉，结构简单，对电源和地的冲击小，纹波噪声低。
Description
技术领域
本发明涉及用于模拟电路中的电荷泵，尤其涉及一种利用中低压器件在低压下产生高压的多级多相高压电荷泵。
背景技术
目前的被动式电容指纹识别技术是由Driver和Sensor这两个芯片组成，通过driver把Sensor芯片的地抬高来感应并采集指纹的图案，请参照图1，图1表示了Driver和Sensor之间的电压域及其相互关系。抬地的电压越高，指纹感应的所造成的电容电荷变化量就越大，产生的图像效果越好也越容易识别。而产生的抬地高压有两种方式实现：一种是采用Boost Converter来将输入低压转化为高压，请参照图2；另一种是采用电荷泵方式将低压转化为高压，请参照图3。前者转换效率高，但不仅需要高压器件，还需要一个外接的电感(体积大价格贵)和一个外接稳压电容；后者也需要高压器件和多个外接电容(或做稳压电容或做fly capacitor)。然而，由于现有的指纹芯片(Sensor和Driver)设计全部采用5V的中压器件，这两种方式都不太适合面积有限且外接器件有限的集成式指纹识别芯片方案。另外，在穿透至少350um厚度的玻璃(Under Glass)的应用条件下，Driver的电荷泵需要提供最高达13.5V的电压。
由此可见，现有技术的缺陷在于，指纹芯片Driver和Sensor都是采用的5V中压器件来设计，如果采用上述的两种传统方式(Boost Converter或者Charge Pump)来产生超过13.5V的较高电压时，5V器件的漏源两端和二极管两端的电压差将远超过该器件其所设计的上限值而被击穿，最终导致芯片失效。另外，如果在工艺器件库中增加高压器件，会需要更多光罩而导致芯片制造成本上涨，而减少产品的竞争力。其次，现有的设计方案都采用单项方式设计，虽然简单，但对输入电源及地(Ground)的冲击干扰较大，且输出电源上的噪声也较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种成本低廉、结构简单、对电源和地的冲击小、纹波噪声低的利用中低压器件在低压下产生高压的多级多相高压电荷泵。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种利用中低压器件在低压下产生高压的多级多相高压电荷泵，其包括有多个两相单级电荷泵电路，所述两相单级电荷泵电路包括有第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第一电容、第二电容和第三电容，其中：所述第一PMOS管的源极连接高电位，所述第一NMOS管的源极接地，所述第一PMOS管的栅极和第一NMOS管的栅极相互连接后接入第一路时钟信号，所述第一PMOS管的漏极、第一NMOS管的漏极和第一电容的第一端相连接；所述第二PMOS管的源极连接高电位，所述第二NMOS管的源极接地，所述第二PMOS管的栅极和第二NMOS管的栅极相互连接后接入第二路时钟信号，所述第二路时钟信号与第一路时钟信号的相位相反，所述第二PMOS管的漏极、第二NMOS管的漏极和第二电容的第一端相连接；所述第三PMOS管的漏极、第三NMOS管的漏极、第四PMOS管的栅极、第四NMOS管的栅极和第一电容的第二端相互连接，所述第四PMOS管的漏极、第四NMOS管的漏极、第三PMOS管的栅极、第三NMOS管的栅极和第二电容的第二端相互连接；所述第三NMOS管的源极和第四NMOS管的源极相互连接后作为两相单级电荷泵电路的前端，所述第三PMOS管的源极、第四PMOS管的源极和第三电容的第一端相互连接后作为两相单级电荷泵电路的后端，所述第三电容的第二端接地，多个两相单级电荷泵电路前后依次串联或相互并联，串联时，位于最前的两相单级电荷泵电路的前端接入高电平信号，并联时，多个两相单级电荷泵电路的前端均接入高电平信号。
优选地，所述两相单级电荷泵电路的数量为5个。
本发明公开的利用中低压器件在低压下产生高压的多级多相高压电荷泵，其相比现有技术而言的有益效果在于，本发明电路架构简单，可以全部采用中低压CMOS器件，使得成本降低。同时，本发明采用多相技术，每相交替开关，对输入电源和地的冲击大大减小，从而导致其对周围IP模块的干扰也相应减少。此外，由于采用多相技术，电荷泵输出电压上的纹波噪声也相应地减少。
附图说明
图1为现有Driver和Sensor之间的电压域及其相互关系示意图。
图2为现有Driver中的Boost Converter升压电路示意图。
图3为现有Driver中的两相4倍电荷泵示意图。
图4为图3中电荷泵的时钟信号示意图。
图5为本发明中的两相单级电荷泵电路原理图。
图6为本发明优选实施例中多级多相高压电荷泵原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
本发明公开了一种利用中低压器件在低压下产生高压的多级多相高压电荷泵，结合图5和图6所示，其包括有多个两相单级电荷泵电路1，所述两相单级电荷泵电路1包括有第一PMOS管MP1A、第二PMOS管MP2A、第三PMOS管MP1、第四PMOS管MP2、第一NMOS管MN1A、第二NMOS管MN2A、第三NMOS管MN1、第四NMOS管MN2、第一电容CC1、第二电容CC2和第三电容CH1，其中：
所述第一PMOS管MP1A的源极连接高电位，所述第一NMOS管MN1A的源极接地，所述第一PMOS管MP1A的栅极和第一NMOS管MN1A的栅极相互连接后接入第一路时钟信号CLK1，所述第一PMOS管MP1A的漏极、第一NMOS管MN1A的漏极和第一电容CC1的第一端相连接；
所述第二PMOS管MP2A的源极连接高电位，所述第二NMOS管MN2A的源极接地，所述第二PMOS管MP2A的栅极和第二NMOS管MN2A的栅极相互连接后接入第二路时钟信号CLK2，所述第二路时钟信号CLK2与第一路时钟信号CLK1的相位相反，所述第二PMOS管MP2A的漏极、第二NMOS管MN2A的漏极和第二电容CC2的第一端相连接；
所述第三PMOS管MP1的漏极、第三NMOS管MN1的漏极、第四PMOS管MP2的栅极、第四NMOS管MN2的栅极和第一电容CC1的第二端相互连接，所述第四PMOS管MP2的漏极、第四NMOS管MN2的漏极、第三PMOS管MP1的栅极、第三NMOS管MN1的栅极和第二电容CC2的第二端相互连接；
所述第三NMOS管MN1的源极和第四NMOS管MN2的源极相互连接后作为两相单级电荷泵电路1的前端，所述第三PMOS管MP1的源极、第四PMOS管MP2的源极和第三电容CH1的第一端相互连接后作为两相单级电荷泵电路1的后端，所述第三电容CH1的第二端接地，多个两相单级电荷泵电路1前后依次串联或相互并联，串联时，位于最前的两相单级电荷泵电路1的前端接入高电平信号VDDA，并联时，多个两相单级电荷泵电路1的前端均接入高电平信号VDDA。
上述多级多相高压电荷泵中，其采用了多相多级叠加方式，来提高转换效率并减少输出电源上的ripple噪声，对于两相单级电荷泵电路而言，其中第一路时钟信号CLK1和第二路时钟信号CLK2是相互反相的时钟信号：当第一路时钟信号CLK1为高时，A点被第一NMOS管MN1A拉低，B点也随之拉低；同时第二路时钟信号CLK2为低，D点被第二PMOS管MP2A拉高，C点随之拉高；这样B点和C点交互关断第三PMOS管MP1/第四NMOS管MN2和开通第四PMOS管MP2/第三NMOS管MN1，而将电荷泵入第三电容CH1。其中第一电容CC1、第二电容CC2的作用在于：二者既是隔直电容并用来隔开电容两端的高压，使得时钟驱动器件可以使用中低压器件；同时又是Fly Capacitor，用来存储前一级输入的电荷。上述单级电路串联起来就成为多级电荷泵，而这样的两相电路并联就成为多相电荷泵。
相比现有技术而言，本发明电路架构简单，可以全部采用中低压CMOS器件，使得成本降低。同时，本发明采用多相技术，每相交替开关，对输入电源和地的冲击大大减小，从而导致其对周围IP模块的干扰也相应减少。此外，由于采用多相技术，电荷泵输出电压上的纹波噪声也相应地减少。
在本发明的优选实施例中，请参照图6，所述两相单级电荷泵电路1的数量为5个。并且该5个电路依次串联。
本发明公开的多级多相高压电荷泵，其减少了Driver芯片的外接器件，给芯片用户带来方便及降低成本；同时本发明只采用中压器件设计，减少工艺中的高压器件而降低工艺成本；再次本发明采用多相多级电荷泵提高转换效率及减少高压输出电源的噪声；此外，本发明可减少对输入电源及地Ground的冲击干扰。
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。
Claims (2)
1.一种利用中低压器件在低压下产生高压的多级多相高压电荷泵，其特征在于，包括有多个两相单级电荷泵电路(1)，所述两相单级电荷泵电路(1)包括有第一PMOS管(MP1A)、第二PMOS管(MP2A)、第三PMOS管(MP1)、第四PMOS管(MP2)、第一NMOS管(MN1A)、第二NMOS管(MN2A)、第三NMOS管(MN1)、第四NMOS管(MN2)、第一电容(CC1)、第二电容(CC2)和第三电容(CH1)，其中：
所述第一PMOS管(MP1A)的源极连接高电位，所述第一NMOS管(MN1A)的源极接地，所述第一PMOS管(MP1A)的栅极和第一NMOS管(MN1A)的栅极相互连接后接入第一路时钟信号(CLK1)，所述第一PMOS管(MP1A)的漏极、第一NMOS管(MN1A)的漏极和第一电容(CC1)的第一端相连接；
所述第二PMOS管(MP2A)的源极连接高电位，所述第二NMOS管(MN2A)的源极接地，所述第二PMOS管(MP2A)的栅极和第二NMOS管(MN2A)的栅极相互连接后接入第二路时钟信号(CLK2)，所述第二路时钟信号(CLK2)与第一路时钟信号(CLK1)的相位相反，所述第二PMOS管(MP2A)的漏极、第二NMOS管(MN2A)的漏极和第二电容(CC2)的第一端相连接；
所述第三PMOS管(MP1)的漏极、第三NMOS管(MN1)的漏极、第四PMOS管(MP2)的栅极、第四NMOS管(MN2)的栅极和第一电容(CC1)的第二端相互连接，所述第四PMOS管(MP2)的漏极、第四NMOS管(MN2)的漏极、第三PMOS管(MP1)的栅极、第三NMOS管(MN1)的栅极和第二电容(CC2)的第二端相互连接；
所述第三NMOS管(MN1)的源极和第四NMOS管(MN2)的源极相互连接后作为两相单级电荷泵电路(1)的前端，所述第三PMOS管(MP1)的源极、第四PMOS管(MP2)的源极和第三电容(CH1)的第一端相互连接后作为两相单级电荷泵电路(1)的后端，所述第三电容(CH1)的第二端接地，多个两相单级电荷泵电路(1)前后依次串联或相互并联，串联时，位于最前的两相单级电荷泵电路(1)的前端接入高电平信号(VDDA)，并联时，多个两相单级电荷泵电路(1)的前端均接入高电平信号(VDDA)。
2.如权利要求1所述的利用中低压器件在低压下产生高压的多级多相高压电荷泵，其特征在于，所述两相单级电荷泵电路(1)的数量为5个。
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