CN110677037A - 一种高效的用于电荷泵输出切换的开关控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高效的用于电荷泵输出切换的开关控制方法，通过以下切换电路实现，所述切换电路包括高压电平转移模块，用于将gnd‑vdd的控制信号电平转换为gnd‑Vout_H，负压电平转移模块，用于gnd‑vdd的控制信号电平转换为Vout_L‑vdd，通过控制Vint、Vinb、Vinm控制信号的时序，实现TG_bias在Vout_H、vdd、gnd、Vout_L之间切换。本发明能改善信号切换时dc‑dc转换器的瞬态响应性能，提高电源效率。

Description

一种高效的用于电荷泵输出切换的开关控制方法

技术领域

本发明涉及模拟集成电路技术领域，特别是涉及一种高效的用于电荷泵输出切换的开关控制方法，尤其涉及采用升压、负压dc-dc转换器的CMOS图像传感器应用。

背景技术

研究表明，调制4T有源像素中的传输管(Transfer Gate,TG)栅压能够有效改善图像传感器的微光性能。用高压开启TG，可加速电荷的转移，提高电荷转移效率，避免图像拖尾。用负压关断TG，可减小暗电流，增大满阱容量，改善图像质量。要提供相应高压、负压，需要采用具有升压、负压功能的dc-dc转换器。为了使芯片易于集成，常采用开关电容电荷泵(Switched-Capacitor Charge Pump,SC CP)结构。

图1给出一种利用线性稳压器进行输出调节的倍压SC CP结构。利用一组反相时钟控制开关的导通与否，根据电容两极板间的电压不能突变的原理，将节点CPout的电压泵至2Vin，再通过一个低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)结构，使电压稳定在Vout并输出，该SC CP的电源效率为Vout/2Vin。负压SC CP的结构与倍压器基本一致，只需将倍压器的Vin与gnd互换位置即可，电源效率为-Vout/Vin。

图2给出了利用电荷泵产生的高压、负压驱动像素阵列的模块连接示意图。带LDO的高压电荷泵输出Vout_H，带LDO的负压电荷泵输出Vout_L，由开关控制电路实现Vout_H和Vout_L的切换，并将输出TG_bias接到像素阵列TG管的栅极。

将产生高压和负压的电荷泵输出通过开关接到像素阵列的TG栅极后，每次信号的翻转都相当于对一个大电容(TG上的电容与像素阵列总列数的乘积)进行充放电，这部分电荷均由电荷泵的电容(图1中的Cout和C2)提供，由于电荷泵电容补充电荷的能力有限，在Vout与CPout电压上会表现出较大的波动(高压下降、负压上升)。当其他设计参数一定时，需要为LDO传输管的漏失电压(即CPout与Vout的电压差)留出充足的裕量，保证传输管工作在饱和区。若Vin不变，相当于减小了Vout，导致了电源效率的降低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种高效的用于电荷泵输出切换的开关控制方法，解决像素阵列高压、负压切换时dc-dc转换器上电压变化过大带来的电源效率过低的问题。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种高效的用于电荷泵输出切换的开关控制方法，通过以下切换电路实现，所述切换电路包括：

高压电平转移模块，用于将gnd-vdd的控制信号电平转换为gnd-Vout_H，包括四个MOS管M1-M4，MOS管M1、M3的漏极连接，MOS管M3、M4的源极接地，MOS管M1、M2的源极连接，MOS管M2的栅极接MOS管M1、M3的漏极连接线，MOS管M3、M4的栅极分别接Vint、Vintn控制信号，MOS管M1的栅极接在MOS管M2、M4的漏极连接线上，并通过节点Vlsp与MOS管M9、M10的栅极连线连接，MOS管M9的源极接MOS管M1、M2的源极连接，MOS管M10的源极接vdd，MOS管M9、M10的漏极连线与MOS管M13的源极连接；

负压电平转移模块，用于gnd-vdd的控制信号电平转换为Vout_L-vdd，包括四个MOS管M5-M8，MOS管M5、M7的漏极连接，MOS管M5、M7的栅极分别接Vinb、Vinbn控制信号，MOS管M5、M6的源极接vdd，MOS管M7、M8的源极连接，MOS管M8的栅极接MOS管M5、M7的漏极连接线,MOS管M7的栅极接在MOS管M6、M8的漏极连接线上，并通过节点Vlsn与MOS管M11、M12的栅极连接线连接，MOS管M11的源极接地，MOS管M12的源极接MOS管M7、M8的源极，MOS管M11、M12的漏极连接线与MOS管M14的源极连接；

其中，MOS管M13、M14的栅极共同接Vinm控制信号、源极相接输出TG_bias到像素阵列TG管的栅极；

通过控制Vint、Vinb、Vinm控制信号的时序，实现TG_bias在Vout_H、vdd、gnd、Vout_L之间切换。

所述切换电路的切换策略如下：

当TG_bias从Vout_L向Vout_H切换时，Vinb和Vinm率先由高电平转换为低电平，MOS管M13导通，MOS管M14截止,Vlsn上的电位为Vout_L，MOS管M11导通，MOS管M12截止，Vlsp保持上一状态，电位依然为Vout_H，MOS管M9截止，MOS管M10导通，TG_bias输出vdd，待TG_bias成功达到vdd后，Vint由高电平转为低电平，Vlsp上的电位为gnd，MOS管M9导通，MOS管M10截止，TG_bias输出Vout_H，实现切换；

当TG_bias从Vout_H向Vout_L切换时，Vint和Vinm率先由低电平转换为高电平，MOS管M13截止，MOS管M14导通，Vlsp上的电位为Vout_H，MOS管M9截止，MOS管M10导通，Vlsn保持上一状态，电位依然为Vout_L，MOS管M11导通，MOS管M12截止，TG_bias输出gnd，待TG_bias成功达到gnd后，Vinb由低电平转为高电平，Vlsn上的电位为vdd，MOS管M11截止，MOS管M12导通，TG_bias输出Vout_L，实现切换。

本发明能改善信号切换时dc-dc转换器的瞬态响应性能，提高电源效率。

附图说明

图1为用线性稳压器进行输出调节的倍压SC CP结构示意图；

图2为利用电荷泵产生的高压、负压驱动像素阵列的模块连接示意图

图3为本发明提供的开关控制电路原理图；

图4为本发明提供的控制信号时序及对应输出的示意图；

图5为本发明提供的控制时序产生的电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明高效的用于电荷泵输出切换的开关控制方法，采用图3所示的电路结构实现，包括16个MOS管M1-M16，其中，Vint、Vinb、Vinm为外部提供的CMOS标准电平(gnd-vdd)的控制信号。Vintn、Vinbn分别为Vint和Vinb的反相。Vout_H为倍压电荷泵的高压输出，Vout_L为负压电荷泵的负压输出，TG_bias为开关控制电路的最终输出，它将接到像素阵列同一行的所有TG栅极。

MOS管M1-M4实现高压电平转移的功能，将gnd-vdd的控制信号电平转换为gnd-Vout_H；MOS管M5-M8实现负压电平转移的功能，将gnd-vdd的控制信号电平转换为Vout_L-vdd。这两个电平转移结构可以保证后级MOS的正常开启和完全关断。通过控制Vint、Vinb、Vinm的时序，可以实现TG_bias在Vout_H、vdd、gnd、Vout_L之间任意切换。

当TG栅压需要从Vout_H向Vout_L切换时，先将TG_bias由Vout_H切换至gnd，这期间转移的电荷由gnd提供，不会对电荷泵输出产生影响。

之后再将TG_bias由gnd切换至Vout_L，只有这期间转移的电荷会引起电荷泵上的电压变化，比将TG_bias直接由Vout_H切换至Vout_L减少Vout_H/(Vout_H-Vout_L)*100％。

同理，当TG栅压需要从Vout_L向Vout_H切换时，先将TG_bias切换至vdd进行过渡，引起的电荷泵电压变化减少了(vdd-Vout_L)/(Vout_H-Vout_L)*100％。通过这种方式，可减小留给LDO结构中传输管的漏失电压裕度，从而达到提高电源效率的目的。

如图4所示，当TG_bias从Vout_L向Vout_H切换时，Vinb和Vinm率先由高电平转换为低电平，M13导通，M14截止。Vlsn上的电位为Vout_L，M11导通，M12截止，Vlsp保持上一状态，电位依然为Vout_H，M9截止，M10导通，TG_bias输出vdd。待TG_bias成功达到vdd后，Vint由高电平转为低电平，Vlsp上的电位为gnd，M9导通，M10截止，TG_bias输出Vout_H，最终实现切换。

同理，当TG_bias从Vout_H向Vout_L切换时，Vint和Vinm率先由低电平转换为高电平，M13截止，M14导通。Vlsp上的电位为Vout_H，M9截止，M10导通，Vlsn保持上一状态，电位依然为Vout_L，M11导通，M12截止，TG_bias输出gnd。待TG_bias成功达到gnd后，Vinb由低电平转为高电平，Vlsn上的电位为vdd，M11截止，M12导通，TG_bias输出Vout_L，最终实现切换。

图5给出了利用Vinm产生所需Vint和Vinb的电路。

假设Vinm的初始状态为高，Vint、Vinb均输出高电平。在Vinm的下降沿，由于与非门对输入信号的下降沿敏感，Vinb立即转换为低电平，Vinb的变化经延时delay2传递至或非门，此后才会引起Vint电位的切换。在Vinm的上升沿，由于或非门对输入信号的上升沿敏感，Vint立即转换为高电平，Vint的变化经延时delay1传递至与非门，此后才会引起Vinb电位的切换。故而，Vint下降沿相对于Vinm的延时，可以通过调整delay2得到，Vinb上升沿相对于Vinm的延时，可以通过调整delay1得到。

可以看出，本发明提供的开关控制方法，通过其切换控制电路，可自由实现高压Vout_H、标准电源电压vdd、标准地gnd、负压Vout_L之间的切换，从而在像素偏置高压、负压的切换之间引入vdd和gnd的过渡，减少信号切换过程中电荷泵输出电压的波动，改善电荷泵的瞬态响应性能，从而达到减小LDO上的漏失电压，提高电荷泵整体电源效率的目的。同时，轨对轨的输出模式，可在增大电荷泵驱动能力的同时，降低该开关控制电路上的电流消耗。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种高效的用于电荷泵输出切换的开关控制方法，其特征在于，通过以下切换电路实现，所述切换电路包括：

高压电平转移模块，用于将gnd-vdd的控制信号电平转换为gnd-Vout_H，包括四个MOS管M1-M4，MOS管M1、M3的漏极连接，MOS管M3、M4的源极接地，MOS管M1、M2的源极连接，MOS管M2的栅极接MOS管M1、M3的漏极连接线，MOS管M3、M4的栅极分别接Vint、Vintn控制信号，MOS管M1的栅极接在MOS管M2、M4的漏极连接线上，并通过节点Vlsp与MOS管M9、M10的栅极连线连接，MOS管M9的源极接MOS管M1、M2的源极连接，MOS管M10的源极接vdd，MOS管M9、M10的漏极连线与MOS管M13的源极连接；

负压电平转移模块，用于gnd-vdd的控制信号电平转换为Vout_L-vdd，包括四个MOS管M5-M8，MOS管M5、M7的漏极连接，MOS管M5、M7的栅极分别接Vinb、Vinbn控制信号，MOS管M5、M6的源极接vdd，MOS管M7、M8的源极连接，MOS管M8的栅极接MOS管M5、M7的漏极连接线,MOS管M7的栅极接在MOS管M6、M8的漏极连接线上，并通过节点Vlsn与MOS管M11、M12的栅极连接线连接，MOS管M11的源极接地，MOS管M12的源极接MOS管M7、M8的源极，MOS管M11、M12的漏极连接线与MOS管M14的源极连接；

其中，MOS管M13、M14的栅极共同接Vinm控制信号、源极相接输出TG_bias到像素阵列TG管的栅极；

通过控制Vint、Vinb、Vinm控制信号的时序，实现TG_bias在Vout_H、vdd、gnd、Vout_L之间切换。

2.根据权利要求1所述高效的用于电荷泵输出切换的开关控制方法，其特征在于，所述切换电路的切换策略如下：

当TG_bias从Vout_L向Vout_H切换时，Vinb和Vinm率先由高电平转换为低电平，MOS管M13导通，MOS管M14截止,Vlsn上的电位为Vout_L，MOS管M11导通，MOS管M12截止，Vlsp保持上一状态，电位依然为Vout_H，MOS管M9截止，MOS管M10导通，TG_bias输出vdd，待TG_bias成功达到vdd后，Vint由高电平转为低电平，Vlsp上的电位为gnd，MOS管M9导通，MOS管M10截止，TG_bias输出Vout_H，实现切换；

当TG_bias从Vout_H向Vout_L切换时，Vint和Vinm率先由低电平转换为高电平，MOS管M13截止，MOS管M14导通，Vlsp上的电位为Vout_H，MOS管M9截止，MOS管M10导通，Vlsn保持上一状态，电位依然为Vout_L，MOS管M11导通，MOS管M12截止，TG_bias输出gnd，待TG_bias成功达到gnd后，Vinb由低电平转为高电平，Vlsn上的电位为vdd，MOS管M11截止，MOS管M12导通，TG_bias输出Vout_L，实现切换。

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