CN110463002B - 电荷泵系统、设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本主题涉及电荷泵设备、系统和方法，其中多个串联连接的电荷泵级被连接在电源电压节点和主电路节点之间，以及放电电路被连接到多个电荷泵级，其中放电电路被配置为选择性地从所述主电路节点移除电荷。

Description

电荷泵系统、设备和方法
优先权声明
本申请要求2017年2月16日提交的美国临时专利申请序列号62/460,003的权益，通过引用将其公开内容整体并入本文。
技术领域
本文公开的主题总体上涉及电荷泵。更具体地，本文公开的主题涉及用于将电容器充电到比电压源相对更高的电位的电荷泵的配置和操作。
背景技术
电荷泵用于在电源电压相对低的配置下生成所期望的高电压输出。然而，即使在这种高电压输出将是有利的情况下，与电荷泵相关联的各种问题阻止它们替换其他的高电压源。例如，对接地的寄生效应、电荷泵元件(例如，泵级、控制电路、保持电容器)所需的空间和充电时间都可被视为对某些电路是有害的。出于这些原因中的许多原因，尽管具有从相对低的电源电压生成高电压输出的能力，但电荷泵的适用性已经受到限制。
发明内容
根据本公开，提供了电荷泵设备、系统和方法。在一个方面，提供一种电荷泵，其中多个串联连接的电荷泵级被连接在电源电压节点和主电路节点之间；以及放电电路被连接到所述多个电荷泵级，其中所述放电电路被配置为选择性地从所述主电路节点移除电荷。
在另一方面，一种用于在主电路节点处调节电荷的方法包括：选择性地驱动被连接在电源电压节点和主电路节点之间的多个串联连接的电荷泵级的各级之间的电荷；以及通过被连接到所述多个电荷泵级的放电电路选择性地从所述主电路节点移除电荷。
在另一方面，根据本主题的一种微电子机械系统(MEMS)设备包括：至少一个固定电极；可移动的梁，其包括与所述至少一个固定电极存在间隔的并且相对于所述至少一个固定电极能够移动的至少一个可移动电极；多个串联连接的电荷泵级，其被连接在电源电压节点和主电路节点之间，其中，所述主电路节点连接到所述至少一个可移动电极或至少一个固定电极中的一个；以及被连接到所述多个电荷泵级的放电电路，其中所述放电电路被配置为选择性地从所述主电路节点移除电荷。
尽管上文已经陈述了本文公开的主题的一些方面，并且这些方面全部或部分地由当前公开的主题来实现，但是当结合附图进行描述时，其他方面将变得明显，如下文最佳描述的。
附图说明
通过下面的详细描述将更容易地理解本主题的特征和优点，该详细描述应该结合仅通过解释性和非限制性示例所给出的附图来阅读，并且在附图中：
图1是根据当前公开的主题的实施例的电荷泵的示意图；
图2是根据当前公开的主题的实施例的电荷泵的示意图；
图3是根据当前公开的主题的实施例的电荷泵的示意图；
图4是示出了根据当前公开的主题的实施例的电荷泵的主电路节点处的电压的曲线图；
图5是根据当前公开的主题的实施例的由电荷泵驱动的微电子机械设备的侧视图；以及
图6是根据当前公开的主题的实施例的电荷泵控制系统的示意性表示；
图7是根据当前公开的主题的实施例的电荷泵控制系统的示意性表示。
具体实施方式
本主题提供电荷泵设备、系统和方法。在一个方面，本主题提供一种电荷泵，其既将与主电路节点进行通信的电容器或其他元件充电到比电压源相对更高的电位，又在没有任何形式的高电压开关的情况下抽空高电压电荷。参考图1中所示的一个示例配置，总体上被标记为100的电荷泵可包括被连接在电源电压节点101和主电路节点102之间的多个串联连接的电荷泵级105-1至105-n(即，一个泵级的电压输出是后续泵级的电压输入)。
在一些实施例中，例如，电荷泵100可以是迪克森型电荷泵，其中电荷泵级105-1至105-n包括由二极管串所链接的多级电容器。如本文所使用的，术语“二极管”并不旨在限于半导体二极管，而是总体上用于指代主要在一个方向上传导电流的任何双端电子元件(即，偏置相关的)，包括模仿二极管的MOSFET电路。在这样的布置中，通过(例如，由时钟驱动器电路106所提供的)两相时钟经由二极管串在电容器之间传递电荷，使得电荷只能以一种方式流动，并且电荷在主电路节点102处的串的末端累积(build up)。可以选择级数以生成电荷泵100所期望的电压递升量。例如，可以基于主电路节点102处所期望的高电压输出和电源电压节点101处的电荷泵的电压供应之间的差异来选择级数。因此，对于任何给定的应用，级数通常是固定的。
例如，用于电荷泵设计的一种配置可以包括偶数个级，其中一半在每个上升时钟沿上被时钟控制为高，并且另一半在下降时钟沿上被时钟控制为高。在一些实施例中，电荷泵级105-1至105-n包括在电源电压节点101和主电路节点102之间以串联布置方式连接的多个二极管。为了驱动跨越二极管链的电荷，电荷泵级105-1至105-n还包括多个泵级电容器，每个泵级电容器连接到相关联的二极管中的相应一个的阴极端子以形成每个电荷泵级，并且时钟驱动器电路106控制泵级电容器的充电。尽管这里讨论了电荷泵100的配置的一个示例，但是本领域普通技术人员将认识到，可以按照在多个电荷泵级105-1至105-n的各级之间驱动电荷的各种其他配置中的任何一种来提供电荷泵100。
然而，除了与传统电荷泵配置类似的这种结构之外，在一些实施例中，电荷泵100还包括总体上被标记为110的放电电路，其被连接到多个电荷泵级105-1至105-n，其中放电电路110被配置成选择性地从主电路节点102移除电荷。在一些实施例中，放电电路110可包括多个放电电路元件115-1至115-n，每个放电电路元件115-1至115-n与电荷泵级105-1至105-n中各自的一个进行通信。在一些实施例中，例如，放电电路元件115-1至115-n可以是在主电路节点102和基准(reference)103(例如，地)之间以级联阵列方式布置的多个晶体管，其中多个晶体管中的每个晶体管被连接到多个电荷泵级105-1至105-n中的一个。在一些实施例中，放电电路元件115-1至115-n可以被提供为场效应晶体管(FET)“跟随器”，其将整个堆叠级联到逻辑电平，其中每个FET的栅极被插入在泵级105-1至105-n中的每个之间。
这种配置可以与电荷泵级105-1至105-n的设计进行集成。例如，在一些实施例中，可以使用晶体管来实现电荷泵级105-1至105-n的“二极管”，可以在电荷泵上升期间按照典型方式来操作晶体管。然而，当希望在主电路节点102处减少电荷时，可以在瞬态基础上操作晶体管以短路并去除高电压。在一些实施例中，可以将串的高电压末端处的晶体管驱动器的馈电制成具有低电压触发的级联。在一些实施例中，可以通过门控低FET来控制用于放电电路110的这种配置。
参考图2中所示的示例配置，电荷泵100包括16个电荷泵级105-1至105-16的堆叠。放电电路元件115-1至115-16以晶体管116-1至116-16(例如，NFET跟随器)的形式连接到相关联的电荷泵级105-1至105-16中的每个，其与随后和之前的泵级进行级联。当将主电路节点102放电到基准103时，这个电路产生过电压的情况。
为了实现这种放电，可以操作短路开关118以触发从主电路节点102移除电荷。在一些实施例中，诸如在图2中，尽管在其它实施例中，晶体管116-1的栅极(即，最接近基准103的多个晶体管116-1至116-16中的一个)可以作为短路开关118进行操作，但是短路开关118是被连接在多个放电电路元件115-1至115-16和基准103之间的附加晶体管。
在一些实施例中，可以通过选择性激活与短路开关118进行通信的输入电压源119来实现短路开关118的致动。例如，在输入电压源119提供VIN＝1的电位的情况下，主电路节点102在时钟驱动器电路106的多个周期之后被泵送到高电压电位。按照这种方式，每个后续泵级处的电压输出以步进的增量增加，直到在主电路节点102处实现期望的电荷为止。在输入电压源119被切换以提供VIN＝0的电位的情况下，放电电路110操作以将主电路节点102处的高电压级联向下到逻辑电平。与这种泵降压相协调的，时钟驱动器电路106可以被关断，并且电源电压节点101可以被浮置或接地。在这种配置中，当主电路节点102被放电时，短路开关118的栅极将保持充电。
在图3中示出的另一示例配置中，放电电路元件115-1到115-n可以包括在多个晶体管116-1至116-16中各自的一个处从栅极到漏极连接的多个二极管117-1至117-n，其在主电路节点101和基准103之间级联。在一些实施例中，当主电路节点102被连接到基准103时，二极管117-1至117-n通过对放电电路元件115-1至115-n的晶体管116-1至116-n的栅极和电荷泵级105-1至105-n中相关联的一个进行放电，而促进从主电路节点102移除电荷。在这种布置中，二极管117-1至117-n帮助开关安全地崩溃(collapse)(例如，通过防止晶体管116-1至116-n中的一些在瞬态期间损坏)。与上面关于图2所讨论的配置相似，这种电路被设计成当输入电压源119处的电位为“1”时向主电路节点102提供逻辑转换，并且当输入电压源119处的电位为“0”时提供逻辑低电平。在图4中示出了这种结果，其中主电路节点102处的电位(上部波形)对应于输入电压源119处的状态(下部波形)。
在一些实施例中，由于上面讨论的系统和方法提供高电压控制而不需要高电压开关，因此可以使用可能仅具有低电压晶体管的制造方法来实现根据本公开的电荷泵100和/或放电电路110。在一些实施例中，例如，可以使用绝缘体上硅(SOI)或其他类似工艺(例如，SiGe)。关于SOI实现来说特别的是，与其它技术相比，由于较低的对地寄生效应，电荷泵100和/或放电电路110的操作可以更为有效。此外，低电压实现可以用最小尺寸的晶体管使寄生电容最小化并且不将主体连接到衬底，导致电荷泵100和/或放电电路110通过小值耦合电容器而相对高效并且较小，以及与简单的二极管连接的FET相比，可以实现更复杂的控制。此外，衬底隔离不需要大的耗尽区。
无论电荷泵100的具体配置如何，本主题可以在一系列应用中提供优势。在一些实施例中，例如，如本文所述的电荷泵100可以被用作微电子机械系统(MEMS)设备的电荷源。参考图5中所示的布置，总体上被标记为120的MEMS设备包括至少一个固定电极122(例如，被设置在衬底121上)，和可移动的梁123被悬挂在固定电极122上，可移动的梁123包括与固定电极122存在间隔的并且相对于固定电极122能够移动的至少一个可移动电极124。电荷泵100被连接到这个结构，其中主电路节点102被连接到固定电极122或可移动电极124中的一个，并且可移动电极124或固定电极122中的另一个接地。在这种配置中，可以由电荷泵100直接驱动可移动的梁123的偏转。因此，鉴于传统的MEMS致动器通常需要高电压晶体管来施加和移除来自MEMS的高电压，在MEMS设备120的一些实施例中，不需要高电压晶体管(例如，用于SOI实现)。此外，由于电荷泵100正在对MEMS本身充电(即，而不是单独的保持电容器)，因此仅需要提供相对较低的电荷(例如，仅足以实现约50fF和1pF之间的电容)。结果是，电荷泵100可以非常小，这进一步有助于避免由于小负载而导致的大步长。
用电荷泵100直接驱动一个或多个这样的MEMS梁来控制可移动的梁123随电荷而不是电压进行偏转。因此，与传统的MEMS致动器相比，当电荷被添加时，不会有拉入但是会渐进式闭合，并且随着电荷的移除而逐渐释放。尽管在一些实施例中充电时间可能更长，但是这样的渐进式闭合可以使振铃最小化，这可以导致更短的总时间来达到稳定闭合(例如，与排出的总时间加上振铃消退的时间相比)。此外，冲击力将极大地降低，以避免破裂并导致更低的磨损。
此外，在本主题的另一方面，阵列包括多个这样的MEMS设备120，可以由相应的电荷泵100来驱动多个这样的MEMS设备120中的每个。如图6中所示出的，例如，在一些实施例中，总体上被标记为200的阵列可以包括多个电荷泵100，每个电荷泵100与各个MEMS设备120相关联。控制器210或与每个电荷泵100进行通信的其它输入设备提供对应于MEMS设备120的期望致动模式(例如，对应于期望的总阵列行为)的输入数字控制字。在这种布置中，不是使用由低电压数字字所驱动的高电压电平移位器的阵列和单个电荷泵来控制设备的阵列，而是来自低电压数字字的位可以用于通过激励所选择的各个单独的电荷泵100来致动各个MEMS设备120。
在任何配置或应用中，电荷泵100的操作可以包括各种控制和调节系统中的任何一种。在一些实施例中，提供用于电荷泵100的调节系统，以便感测在主电路节点102处可用的高电压输出，以确定何时应当激活电荷泵100。用于电荷泵的调节系统可以被配置为确定对电荷泵计时的周期数量以及电荷泵的每一级所需要的电压增量。由电荷泵的设计、负载电容或电荷泵的每一级所需要的电压增量中的一个或多个来确定对电荷泵计时的周期数量，以实现所期望的高电压输出。
在一些实施例中，设置用于启动时钟的阈值水平和时钟周期的数量，以实现对电荷泵的稳定控制。在这种情况下，调节系统可以与分数(fractional)驱动器组合以节流电荷泵以及管理任何电压尖峰。对于给定的电压上升，这将需要更多的周期，但提供对电荷泵级的更为精细的控制。另外，在时钟周期停止之后，串可能需要更长的时间来稳定，并且电荷泵的初始状态可能沿着串是不均匀的。
可以根据与所期望的阈值电压或参考电压的测量比较来确定电压增量。此外，可以基于测量的电压和参考电压之间的差来计算实现所期望的高电压输出所需要的周期数量。可替换地，对阈值电压处的或低于阈值电压的电压的测量可以用作发起固定数量的操作周期的触发器。在一些实施例中，当电荷泵不活动时，可以对电荷泵二极管串本身进行为了比较所采取的测量。按照这种方式，不需要单独的分压器，这可能是有利的，这是因为使用分压器会向电荷泵增加相当大量的泄漏，从而要求更为频繁地操作电荷泵以在主电路节点处维持所期望的高电压输出。
参考用于调节系统的一种配置，图7示出了调节系统150，其被配置为对电荷泵100进行电压测量。在所示的配置中，这种测量可以在电荷泵级105-1至105-n的串的底部附近进行，其为调节系统150提供低电压，低电压与串的顶部处的高电压成正比。可替换地，调节系统150可以被配置为与放电电路元件115-1至115-n中的一个或与短路开关118进行通信。
在任何配置中，调节系统150可以被配置为从在串的底部处所获取的电压测量结果来推断主电路节点102处的当前电压。特别地，在使用SOI工艺或其他绝缘衬底晶体管技术实现电荷泵系统100的实施例中，在电荷泵级105-1至105-n之间的分压可以比在其他实施方式中(例如，CMOS)更均匀，并且因此，由调节系统150所进行的测量可以用于确定主电路节点102处的电压。系统通过找到对应于主电路节点102处的所期望的高电压输出的测量电压和参考电压之间的差来推断当前电压。然后，调节系统150使用这个信息来计算电荷泵100需要被激活以便在主电路节点102处实现所期望的电压电平的时钟周期的数量。
在一些实施例中，可以通过高阻抗输入来获得对二极管串的这种测量，以避免对分压进行干扰。通过避免单独的测量分配器，应该极大地减少电流消耗。此外，对电荷泵的直接测量将提供几乎瞬时的电压测量，并且因此允许紧凑的、对电荷泵的更为精确的调节，以及在静态“接通”状态期间更低的纹波。通过不要求单独的分配器串，将极大地减少来自主电路节点的泄漏，从而导致更低的DC电流消耗和更低的平均噪声。
在不脱离本主题的精神和基本特征的情况下，本主题可以以其他形式来体现。因此，所描述的实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。尽管已经根据某些优选实施例描述了本主题，但是对于本领域普通技术人员显而易见的其他实施例也在本主题的范围内。

Claims (24)

1.一种电荷泵，包括：
多个串联连接的电荷泵级，其被连接在电源电压节点和主电路节点之间；以及
放电电路，所述放电电路包括在所述主电路节点和基准之间串联连接的多个电路元件，其中所述多个电路元件中的每个被分别连接到多个电荷泵级中的一个，并且其中所述放电电路被配置为选择性地从所述主电路节点移除电荷。
2.根据权利要求1所述的电荷泵，其中每个电荷泵级包括：绝缘体上硅(SOI)设备。
3.根据权利要求1所述的电荷泵，其中所述放电电路包括：
在所述主电路节点和所述基准之间以级联阵列方式布置的多个晶体管，其中所述多个晶体管中的每个连接到所述多个电荷泵级中的一个；以及
连接在所述多个晶体管和所述基准之间的短路开关。
4.根据权利要求3所述的电荷泵，其中所述多个晶体管中的每个包括：绝缘体上硅(SOI)设备。
5.根据权利要求3所述的电荷泵，其中所述放电电路包括：连接在所述多个晶体管中的每个的漏极和栅极之间的二极管。
6.根据权利要求3所述的电荷泵，其中所述短路开关包括：所述多个晶体管中最靠近所述基准的一个晶体管的栅极。
7.根据权利要求1所述的电荷泵，包括与所述串联连接的电荷泵级进行通信的时钟驱动器电路。
8.根据权利要求1所述的电荷泵，包括：电压测量设备，其被配置为测量所述主电路节点处的当前电荷状态；
其中，所述电压测量设备与所述多个电荷泵级中的一个进行通信连接；以及
其中，所述电压测量设备被配置为从在所述多个电荷泵级中的一个处所获得的电压测量值来推断所述主电路节点处的当前电荷状态。
9.一种用于在主电路节点处调节电荷的方法，所述方法包括：
选择性地驱动被连接在电源电压节点和主电路节点之间的多个串联连接的电荷泵级的各级之间的电荷；以及
通过放电电路而选择性地从所述主电路节点移除电荷，所述放电电路包括在所述主电路节点和基准之间串联连接的多个电路元件，其中所述多个电路元件中的每个被分别连接到多个电荷泵级中的一个。
10.根据权利要求9所述的方法，其中每个电荷泵级包括：绝缘体上硅(SOI)设备。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，选择性地驱动多个串联连接的电荷泵级的各级之间的电荷包括：从时钟驱动器电路接收控制输入。
12.根据权利要求9所述的方法，其中选择性地移除电荷包括：控制所述多个电路元件，其中所述多个电路元件包括在所述主电路节点和所述基准之间以级联阵列方式布置的多个晶体管，其中所述多个晶体管中的每个连接到所述多个电荷泵级中的一个。
13.根据权利要求12所述的方法，其中选择性地移除电荷包括：控制连接在所述多个晶体管中的每个的漏极和栅极之间的二极管。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，选择性地驱动多个串联连接的电荷泵级的各级之间的电荷包括：
通过从在所述多个电荷泵级中的一个处所获得的电压测量值推断当前电荷状态，来测量所述主电路节点处的当前电荷状态；以及
如果所述当前电荷状态小于期望的电荷状态，则驱动多个串联连接的电荷泵级的各级之间的电荷。
15.一种微电子机械系统(MEMS)设备，包括：
至少一个固定电极；
可移动的梁，其包括与所述至少一个固定电极存在间隔的并且相对于所述至少一个固定电极能移动的至少一个可移动电极；
多个串联连接的电荷泵级，其被连接在电源电压节点和主电路节点之间，其中，所述主电路节点连接到所述至少一个可移动电极或至少一个固定电极中的一个；以及
被连接到多个电荷泵级的接地电路，其中所述接地电路被配置为选择性地从所述主电路节点移除电荷；
放电电路，包括在所述主电路节点和基准之间彼此串联连接的多个电路元件，其中所述多个电路元件中的每个被分别连接到多个电荷泵级中的一个。
16.根据权利要求15所述的微电子机械系统(MEMS)设备，其中，每个电荷泵级包括：绝缘体上硅(SOI)设备。
17.根据权利要求15所述的微电子机械系统(MEMS)设备，其中所述多个电荷泵级实质上位于所述可移动的梁的下方。
18.根据权利要求15所述的微电子机械系统(MEMS)设备，其中所述多个电路元件包括：在所述主电路节点和所述基准之间以级联阵列方式布置的多个晶体管，其中所述多个晶体管中的每个连接到所述多个电荷泵级中的一个。
19.根据权利要求18所述的微电子机械系统(MEMS)设备，其中所述放电电路包括：连接在所述多个晶体管中的每个的漏极和栅极之间的二极管。
20.一种微电子机械系统(MEMS)阵列，包括：
多个电荷泵，所述多个电荷泵中的每个包括连接在电源电压节点和主电路节点之间的多个串联连接的电荷泵级；
多个微电子机械系统设备，所述多个微电子机械系统设备中的每个连接到所述多个电荷泵中的一个并且包括：
至少一个固定电极；以及
可移动的梁，其包括与所述至少一个固定电极存在间隔的并且相对于所述至少一个固定电极能移动的至少一个可移动电极；
其中，所述多个电荷泵中的一个的主电路节点连接到所述至少一个可移动电极或所述至少一个固定电极中的一个；以及
控制器，所述控制器与所述多个电荷泵中的每一个通信，其中所述控制器被配置为控制所述多个电荷泵驱动所述多个微电子机械系统设备的相应组合，所述组合对应于所述多个微电子机械系统设备的期望的总阵列行为。
21.根据权利要求20所述的微电子机械系统(MEMS)阵列，其中，每个电荷泵级包括：绝缘体上硅(SOI)设备。
22.根据权利要求20所述的微电子机械系统(MEMS)阵列，其中所述多个电荷泵中的每个包括：连接到多个电荷泵级的放电电路，其中所述放电电路被配置为选择性地从所述主电路节点移除电荷。
23.根据权利要求22所述的微电子机械系统(MEMS)阵列，其中所述放电电路包括：在所述主电路节点和基准之间以级联阵列方式布置的多个晶体管，其中所述多个晶体管中的每个连接到所述多个电荷泵级中的一个。
24.根据权利要求23所述的微电子机械系统(MEMS)阵列，其中所述放电电路包括：连接在所述多个晶体管中的每个的漏极和栅极之间的二极管。
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