CN109075709B - 减少电荷泵基板噪声的方法和系统 - Google Patents

Abstract

提供了减少具有飞跨电容器的电荷泵中的基板噪声的方法和系统。飞跨电容器的输入节点以第一转换速度预充电。飞跨电容器的输入节点以比第一转换速度快的第二转换速度下充电。飞跨电容器的输入节点以第三转换速度预放电。飞跨电容器的输入节点以比第一转换速度快的第四转换速度放电。

Description

减少电荷泵基板噪声的方法和系统

技术领域

本公开一般涉及电荷泵，更具体地，涉及具有减少的基板噪声的电荷泵。

背景技术

近年来，一直致力于改善性能，增加附加特征，降低成本，并且在半导体集成电路(IC)中占用较少的空间。因此，电路的速度逐渐增加，IC变得更加密集，并且引入了共享公共基板的更多电路块。

这些先进的数字，混合信号或模拟IC面临的一个挑战是最大限度地降低系统各部分之间的噪声耦合，以避免性能下降甚至出现故障。寄生效应引起的耦合可能导致IC的性能不可靠。例如，在混合信号电路中，作为噪声源的敏感模拟电路和高频数字电路都可能存在于同一IC上，导致通过导电基板在这两种类型的电路之间产生不希望的信号耦合。这些电路越密集，基板噪声问题就越明显。

示例性高频和高功率电路是电荷泵，其是DC到DC转换器，其使用电容器作为能量存储元件以从参考输入提供更低或更高的电压电平。电荷泵可以通过公共节点(例如基板)引入混合信号噪声耦合。电荷泵的高频开关操作引起下面的基板电压的波动，该基板电压通过公共基板扩散，引起基板电位的变化，影响IC的各种部件，包括敏感的模拟部分。

附图说明

附图是说明性实施例。它们没有示出所有实施例。可以另外或替代地使用其他实施例。可省略可能明显或不必要的细节以节省空间或用于更有效的说明。一些实施例可以用附加的组件或步骤和/或没有所示的所有组件或步骤来实践。当相同的数字出现在不同的图中时，它指的是相同或相似的组件或步骤。

图1A示出了典型的电荷泵阶段。

图1B示出了与图1A的电荷泵阶段的操作有关的几个波形。

图2示出了与示例性实施例一致的电荷泵阶段200。

图3示出了与图2的电荷泵阶段的操作有关的几个波形，与说明性实施例一致。

具体实施方式

综述

在以下详细描述中，通过示例阐述了许多具体细节，以便提供对相关教导的透彻理解。然而，应该显而易见的是，可以在没有这些细节的情况下实践本教导。在其他情况下，已经相对高级地描述了众所周知的方法、过程、组件和/或电路，而没有详细描述，以避免不必要地模糊本教导的各方面。一些实施例可以用附加的组件或步骤和/或没有所描述的所有组件或步骤来实践。

这里公开的方法和电路一般涉及提供低噪声电荷泵的方法和电路。更具体地，本公开描述了具有减小的基板噪声的有源电荷泵。电荷泵使用开关装置来控制电容器两端的电压。在这方面，可以使用多级来逐步增加从一级到另一级的参考电压。在每级中使用的电容器有时被称为“飞跨电容器”，其在第一电源(例如，Vin)和第二电源(例如，地)之间循环。飞跨电容器通常具有到地(例如，当用作外部装置时)或基板(例如，当集成在芯片上时)的寄生电容。该寄生电容用作将噪声耦合到共享相同接地和/或基板的其他电路部件的导管。

现在参考图1A，其示出了可以在各种典型的电荷泵中找到的电荷泵阶段100。电荷泵阶段100包括飞跨电容器116，其具有第一节点(V_驱动)114。在节点102处的第一电压源(V_s+)与V_驱动114之间耦合有第一开关θ1(112)，第二开关θ2(120)耦合在节点130处的第二电压源(V_s-)与V_驱动114之间。在V_驱动114和基板终端之间存在寄生电容C_p122。基板端子一般连接到地或外部电源。寄生电容C_p122表示V_驱动节点114处的总寄生电容，其可包括飞跨电容器116的寄生电容、第一开关112、第二开关120、节点114处的布线寄生等，以及节点118处的任何寄生物。在一个估计中，寄生电容122可以是实际飞跨电容器116的1/10到1/5，其可以在纳瓦法拉范围内。

现在参考图1B，其示出了与图1A的电荷泵阶段100的操作有关的若干波形。V_驱动节点114在节点102处的第一电压源(V_s+)和节点130处的第二电压源(V_s-)之间循环，如波形142所示。为此，当开关θ1 112为ON时，在节点102处的V_s+和V_驱动114之间产生路径以对飞跨电容器116充电，如波形144所示。飞跨电容器116通过开关θ2 120放电。因此，当开关θ2 120接通时，在节点130处的第二电压源V_s-与V_驱动节点114之间产生路径，如波形146所示。飞跨电容器116上的电压转换通常非常快，1纳秒上升时间或更短时间。因此，由开关θ1 112和θ2 120驱动的瞬态电流也非常快。由此产生的di/dt通过基板连接线电感产生大的电压瞬变。产生的噪声电流在波形148中示出，并由下面的等式1提供：

因此，噪声电流I_噪声是寄生电容C_p122和V_驱动节点114处的电压变化dv的函数。由于飞跨电容器116的尖锐电压边缘引起的电流尖峰148通常难以抑制。

申请人已经确定，通过使用这里讨论的配置和定时序列，可以主动控制在充电/放电操作期间流向基板/从基板流出的电流，从而降低电荷泵阶段的基板的本底噪声。为此，飞跨电容器的输入节点以第一转换速度预充电。飞跨电容器的输入节点在第二转换速度下充电，该速度比第一转换速度快，但在V_驱动处具有小的电压变化。飞跨电容器的输入节点在第三转换速度预先放电。飞跨电容器的输入节点在第四转换速度下放电，该转速速度比第三转换速度快，但也小幅度。借助于这里讨论的方法和架构，减少了具有飞跨电容器的电荷泵中的基板噪声。

示例性实施

图2示出了与示例性实施例一致的电荷泵阶段200。电荷泵阶段200包括飞跨电容器216，其耦合在V_驱动节点214和输出218之间。在多种实施方案中，输出节点218可以耦合到一个或多个电荷泵阶段以实现期望的输出电压。

存在第一开关θ1(212)，在本文中有时称为驱动开关，耦合在节点202处的第一电压源(V_s+)与V_驱动节点214之间，以及存在第二开关θ2(120)，有时在这里称为放电开关，耦合在节点230处的第二电压源(V_s-)和V_驱动214之间。第一开关θ1(212)被配置为对V_驱动节点214快速充电，而第二开关θ2(220)被配置为对V_驱动节点214快速放电。

在一个实施方案中，第一电流源204耦合到节点202处的第一电压源(V_s+)，第二电流源210耦合到第二电压源(V_s-)。第三开关θ3(206)耦合到第一电流源(204)和V_驱动节点214之间。第四开关θ4(208)耦合到V_驱动节点214和第二电流源l2(210)之间。

第三开关θ3(206)被配置为以转换速度对V_驱动节点214进行预充电，该转换速度基本上慢于由第一开关θ1引起的转速速度。例如，θ3周期可以是时钟周期的四分之一。如果时钟频率是1MHz，则θ3周期将是250nsec，比1nsec不受控制的边缘慢得多。第四开关θ4(208)被配置为以转换速度对V_驱动节点214进行预放电，该转换速度基本上慢于由第二开关θ2(220)引起的转换速度。在一个实施方案中，第三开关θ3(206)和第四开关θ4(208)的转换速度基本相似。下面的等式2提供了对于示例实施例的第一电流源204和第二电流源210的指导。

I₁和I₂≥4×C_p(V_S+-V_S-)×F_osc 等式2

其中：

I₁是通过第一电流源204的电流；

I₂是通过第二电流源210的电流；

C_p是寄生电容222；

F_OSC是开关θ1(212)和θ2(220)的周期的倒数。

借助于上述等式2中的关系，电荷泵阶段200提供具有转换速度的预充电和预放电，该转换速度分别比充电开关θ1(212)和放电开关θ2(220)的转换速度慢得多。

在一个实施方案中，不需要单独的电流源I₁204和/或I₂210。例如，开关θ3(206)可以被配置为使得其在第一电压源V_s+和V_驱动节点214之间提供减小的电流，该电流与上面的等式2一致。类似地，开关θ4(208)可以配置成使得它在第二电压源V_s-和V_驱动节点214之间提供减小的电流，该电流与上面的等式2一致。例如，如果场效应晶体管用作开关，则可以调节晶体管的宽度/长度以实现通过晶体管的所需电流。相信本领域技术人员知道不同类型的开关的尺寸以实现期望的电流。因此，为简洁起见，这里不讨论开关的尺寸。

如前所述，在V_驱动节点214和基板终端之间存在寄生电容C_p222。虽然寄生电容C_p222仅作为示例说明而不是作为对地的限制，但在各种情况下，寄生电容C_p222可以是任何其他节点，例如基板，第一电源(V_s+)，第二电源(V_s-)，或电荷泵阶段200的任何其他节点。

寄生电容C_p222表示V_驱动节点214处的总寄生电容，其可包括飞跨电容器216的寄生电容、第一开关212、第二开关220、节点214处的布线寄生、节点218处的布线寄生等。

现在参考图3，其示出了与示例性实施例一致的与图2的电荷泵阶段200的操作有关的若干波形。如由波形310所示，V_驱动节点214在由节点202处的第一电压源(V_s+)和节点230处的第二电压源(V_s-)提供的电平之间循环。显然，电荷泵阶段200以这种方式配置以防止电流尖峰到地面或基板。为此，开关θ1(212)的每个硬电荷之前是通过开关θ3(206)的预充电。类似地，通过开关θ2(220)的每次硬放电之前是通过开关θ4的预放电(208)。换句话说，每个充电循环包括预充电和硬充电，并且每个放电循环包括预放电和硬放电。

例如，如波形340所示，通过接通开关θ3(206)，以第一转换速度将V_驱动节点214预充电到预定电压电平。因此，在第一电流源204和V_驱动节点214之间产生路径，从而将具有寄生电容C_p222的V_驱动节点214预充电到预定电压，该预定电压可以处于或略低于V_s+，这是由于开关θ3(206)的有效电阻下降，而这又是由于飞跨电容器216充电电流，如电平362所示。

在多种实施方案中，在充电周期期间，开关θ3(206)在开关θ1(212)接通之前接通。开关θ1可以保持接通而开关θ3接通(参见波形340的虚线及其与波形320的关系)，波形310几乎没有变化。因此，在T0，开关θ3(206)接通，直到T1到T3。在T2，开关θ1接通并保持接通直到T3。因此，预充电可以具有与硬电荷重叠的时间窗口。

类似地，在放电周期期间，通过接通开关θ4(208)，如波形350所示，V_驱动节点214在第三转换速度下被预放电到第二预定电压(等于或低于V_s-)。因此，在第二电流源210和V_驱动节点214之间产生路径，从而将V_驱动节点214预放电到第二预定电压，该第二预定电压可以处于或略高于V_s-，如电平364所示。从而，在T3处，开关θ4(208)接通。在多种实施方案中，开关θ4(208)保持接通直到T4到T6。换句话说，开关θ4(208)在第二开关θ2(220)接通之前断开，或者保持接通直到下一个预充电周期在T6开始(参见波形350中的虚线)。

预充电期间的转换速度由下面的等式3提供。

其中

dv是V_驱动节点214处的电压变化；

dt是V_驱动节点214处的电压变化的时间；

I₁是通过第一电流源204的电流；

C_p是寄生电容222。

在一个实施方案中，由第一电流源204提供的预充电电流相对较小(例如，以μA或几十μA的量级)，从而提供慢转换速度。相反，通过第一开关θ1(212)提供的电流可以高达一千倍，提供可以在很大程度上不受控制并且明显快于预充电的第二转换速度。因此，通过使用预充电，注入的基板电流不仅更小(在硬充电期间看到相对小的凸起366)而且还随时间扩展，如波形360所示。预放电操作类似于上面，因此为简洁起见，不再重复。借助于这里讨论的预充电和预放电，减少了基板噪声基底。

应当注意，在一个实施方案中，由于转换速度慢，在预充电操作期间，很多电荷不经由第三开关θ3(206)传输到飞跨电容器216。因此，开关θ1(212)在充电操作期间经由开关θ1(212)执行到飞跨电容器216的电荷转移。在这方面，由于V_驱动节点214几乎到达(参见波形310中的电平362)V_s+电平，所以当开关θ1在T2接通时，V_驱动节点214处的电压跳变到V_s+电平。开关θ4和θ2在放电周期期间提供类似的波形。

结论

已经讨论的组件、步骤、特征、对象、益处和优点仅仅是说明性的。它们中没有一个，也没有与它们有关的讨论，都是为了以任何方式限制保护范围。还构想了许多其他实施例。这些包括具有更少、附加和/或不同组件、步骤、特征、对象、益处和/或优点的实施例。这些还包括其中组件和/或步骤以不同方式布置和/或排序的实施例。

例如，在多种实施方案中，开关可以是场效应晶体管(FET，例如PFET、NFET和/或JFET)、双极设备(例如，NPN和/或PNP)其任何组合、或基于特定实现的任何其他合适的有源或无源设备的形式。相信本领域技术人员熟悉基于不同技术的交换机的结构和一般操作和实现。

除非另有说明，否则本说明书中列出的所有测量值、数值、额定值、位置、大小、尺寸和其他规格均为近似值，而非精确值。它们旨在具有与它们所涉及的功能以及它们所属领域中的惯例一致的合理范围。

除非上文所述，否则任何已陈述或说明的内容均无意或应被解释为致使任何组成部分、步骤、特征、对象、利益、优势或等同于公布的奉献，无论其是否在权利要求中叙述。

应当理解，除非本文另有说明的具体含义，否则这里使用的术语和表达具有与其相应的相应研究和研究领域相关的这些术语和表达的普通含义。诸如“第一”和“第二”之类的关系术语可以仅用于将一个实体或动作与另一个实体或动作区分开，而不一定要求或暗示它们之间的任何实际关系或顺序。当结合说明书或权利要求中的元件列表使用时，术语“包括”、“包含”及其任何其他变型旨在表示该列表不是排他性的并且可以包括其他元件。类似地，在没有进一步约束的情况下，前面带有“一”或“一个”的元素不排除存在相同类型的附加元素。

提供本公开的摘要以允许读者快速确定技术公开的本质。提交时的理解是，它不会用于解释或限制权利要求的范围或含义。另外，在前面的具体实施方式中，可以看出，为了简化本公开，各种特征在各种实施例中被组合在一起。该公开方法不应被解释为反映所要求保护的实施例需要比每个权利要求中明确记载的更多特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，发明主题在于少于单个公开实施例的所有特征。因此，以下权利要求在此并入具体实施方式中，每个权利要求自身作为单独要求保护的主题。

Claims (18)

1.一种电荷泵，包括：

耦合在驱动节点和输出之间的飞跨电容器；

第一驱动开关，耦合在第一电源和所述驱动节点之间，并且可操作以对所述飞跨电容器充电；

第二驱动开关，耦合在第二电源和所述驱动节点之间，并且可操作以对所述飞跨电容器放电；

第三开关，耦合在所述第一电源和所述驱动节点之间，并且可操作以对所述驱动节点进行预充电；

第四开关，耦合在所述第二电源和所述驱动节点之间，并且可操作以对所述驱动节点进行预放电,

其中所述第三开关的转换速度比所述第一驱动开关的转换速度慢，以及

其中所述第四开关的转换速度比第二驱动开关的转换速度慢。

2.根据权利要求1所述的电荷泵，其中所述第三开关被配置为在所述第一驱动开关接通之前接通。

3.根据权利要求2所述的电荷泵，其中所述第三开关被配置为在所述第一驱动开关接通时保持接通。

4.根据权利要求1所述的电荷泵，其中所述第四开关被配置为在所述第二驱动开关接通之前接通。

5.根据权利要求4所述的电荷泵，其中所述第四开关被配置为在所述第二驱动开关接通时保持接通。

6.根据权利要求1所述的电荷泵，还包括：

耦合在所述第一电源和所述第三开关之间的第一电流源；和

耦合在所述第二电源和所述第四开关之间的第二电流源。

7.根据权利要求1所述的电荷泵，其中通过所述第三开关的电流I₁和通过所述第二驱动开关的电流I₂基于：

在所述驱动节点处的寄生电容C_p；

第一电源V_s+；

第二电源V_s-；和

所述第一驱动开关和第二驱动开关的周期的倒数F_OSC，其中，

I₁和I₂≥4×C_p(V_s+－V_s-)×F_OSC。

8.一种降低具有飞跨电容器的电荷泵中的基板噪声的方法，该方法包括：

以第一转换速度对所述飞跨电容器的输入节点预充电；

以比所述第一转换速度快的第二转换速度对所述飞跨电容器的输入节点充电；

以第三转换速度对所述飞跨电容器的输入节点预放电；和

以比所述第三转换速度快的第四转换速度对所述飞跨电容器的输入节点放电。

9.根据权利要求8所述的方法，其中：

对所述飞跨电容器的输入节点预充电至第一预定电压电平；

对所述飞跨电容器的输入节点充电至高于所述第一预定电压电平的第二预定电压电平；

对所述飞跨电容器的输入节点预放电至第三预定电压电平；和

对所述飞跨电容器的输入节点放电至低于所述第三预定电压电平的第四预定电压电平。

10.根据权利要求8所述的方法，其中：

所述第一转换速度和第三转换速度基本相似；和

所述第二转换速度和第四转换速度基本相似。

11.根据权利要求8所述的方法，其中：

对飞跨电容器的输入节点充电包括接通第一开关，从而在第一电压源和所述飞跨电容器的输入节点之间创建路径；和

对飞跨电容器的输入节点放电包括接通第二开关，从而在第二电压源和所述飞跨电容器的输入节点之间创建路径。

12.根据权利要求11所述的方法，其中:

对飞跨电容器的输入节点预充电包括接通第三开关，从而在第一电流源和所述飞跨电容器的输入节点之间创建路径；和

对飞跨电容器的输入节点预放电包括接通第四开关，从而在第二电流源和所述飞跨电容器的输入节点之间创建路径。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括对于每个充电周期，在接通所述第一开关之前接通所述第三开关。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括在所述第一开关接通时保持所述第三开关接通。

15.根据权利要求12所述的方法，还包括对于每个放电周期，在接通所述第二开关之前接通所述第四开关。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括在所述第二开关接通时保持所述第四开关接通。

17.根据权利要求12所述的方法，其中所述第三开关的转换速度比所述第一开关的转换速度慢。

18.根据权利要求12所述的方法，其中所述第四开关的转换速度比第二开关的转换速度慢。

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