CN111193394B - 一种加速恢复的电荷泵电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种加速恢复的电荷泵电路，将输出电容Cout的下极板由接地改为接入一个周期性脉冲Vpulse，当图像传感器中像素的周期性偏置切换导致电荷泵输出出现周期性波动时，该调节方式可以有效减小电荷泵输出电压的恢复时间，保证在一个控制周期内将电荷泵输出恢复到额定值，避免像素工作性能下降。本发明的调节结构没有引入静态功耗，且所用电路的复杂度不高，易于实施。本发明方案亦可用于由电荷再分配引起电荷泵输出压降，且要求快速恢复的其他应用中。

Description

一种加速恢复的电荷泵电路
技术领域
本发明属于电荷泵电路技术领域，尤其是涉及一种加速恢复的电荷泵电路。
背景技术
在图像传感器应用中，为了改善传感器性能，有时会采用高出电源电压、低于地电压的电平用作像素偏置。出于方便片上集成的考虑，一般采用开关电容电荷泵的结构。
图1给出了一种传统的单级电荷泵电路示意图。该电荷泵由两个泵电容、一个输出电容、四个开关构成，由一对反相时钟clk1、clk2控制，输入电压为Vin，输出电压为Vout。开关S1连接输入节点Vin和泵电容C1的上极板，开关S2连接Vin和泵电容C2的上极板，开关S3连接泵电容C1的上极板和输出节点Vout，开关S4连接泵电容C2的上极板和Vout。C1的下极板接时钟clk1，C2的下极板接时钟clk2。输出电容Cout的上极板接Vout，下极板接固定点位(一般为地)。当clk1为低电平，clk2为高电平时，S1、S4导通，S2、S3关断，C1充电。当clk1跳变至高电平时，clk1为低电平，S1、S4关断，S2、S3导通，根据电容两极板间电压不会突变的原理，C1对外提供输出电压Vout，Vout的值为Vin与时钟电压Vclk的和。同理，当clk1为高电平，clk2为低电平时，C2充电；当clk1为低电平，clk2为高电平时，C2对外提供输出电压Vout。C1和C2轮流对电荷泵的负载供电，可以减小Vout上的输出噪声。
若要实现更高的升压倍率，将N个上述结构的单级电荷泵级联即可，输出电压Vout＝Vin+N*Vclk。该输出电压Vout经滤波电容Cout提供给下一级电路。
由于电荷泵利用输出电容上存储的电荷对外供电，供电的控制信号为VTG，当VTG信号发生由低电平向高电平的跳变时，会导致电荷泵输出电容和像素MOS管栅电容上的电荷再分配，从而改变电荷泵的输出电压(正压电荷泵输出下降，负压电荷泵输出上升)。
图2给出了传统正压电荷泵输出Vout与控制信号VTG的瞬态波形示意图。当VTG由低电平切换至高电平时，Vout由于电荷再分配出现压降，该下降过程持续的时间为t1。之后电荷泵的输出再以对数上升的趋势恢复至额定值，由于恢复速度逐渐放缓，恢复时间远长于下降时间t1。由于VTG的信号在图像传感器应用为周期性脉冲波形，要保证像素正常工作，需在一个周期内使电荷泵的输出恢复到额定电压。否则，电荷泵的输出在经历数个周期的衰减后，将无法达到像素所需的偏置电压。同时，像素阵列越大(负载电容越大)，恢复的时间越长，这对电荷泵输出电压的恢复速度提出了更高的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种加速恢复的电荷泵电路，以实现电荷泵输出电压的快速恢复。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明的核心思想是：施加脉冲信号到电荷泵输出电容的下极板，利用电容的耦合作用，直接对输出电压Vout进行调节。通过周期性脉冲调节，将电荷泵输出电容下极板电位先拉低再抬高，加快Vout的恢复，缩短电荷泵的恢复时间。
一种加速恢复的电荷泵电路，包括泵电容C1、泵电容C2、输出电容Cout、四个开关S1至S4，由一对反相时钟clk1、clk2控制；开关S1连接输入电压Vin和泵电容C1的上极板，开关S2连接输入电压Vin和泵电容C2的上极板，开关S3连接泵电容C1的上极板和输出电压Vout，开关S4连接泵电容C2的上极板和输出电压Vout；泵电容C1的下极板接时钟clk1，泵电容C2的下极板接时钟clk2；所述输出电容Cout的上极板接输出电压Vout，所述输出电容Cout的下极板接周期性脉冲Vpulse，在所述输出电容Cout由于控制信号VTG的跳变产生变化后，通过周期性脉冲Vpulse将输出电容Cout的下极板电位先拉低再抬高，缩短额定输出的恢复时间。
进一步的，正压电荷泵的工作方式如下：在控制信号VTG维持低电平的状态下，电荷泵输出为稳定的额定输出Vo；当VTG发生由低电平到高电平的跳变时，电荷泵输出电压持续时间为t1的压降，由额定输出Vo降至最低值V1；于此时刻起，再经过时间t2，电荷泵电压输出由V1恢复至V2；在这一时刻，将Vpulse由高电平VbH拉低至低电平VbL，输出电压Vout相应下降△V，达到V2-△V；于此时刻起，经过时间t3的恢复，输出电压Vout从V2-△V恢复至V3，V3的值为电荷泵额定输出Vo与△V的差；在这一时刻，Vpulse由低电平VbL跳变至VbH，上升△V，输出Vout上升△V达到额定值Vo；其中，周期性脉冲Vpulse的周期与控制信号为VTG的周期相同；周期性脉冲Vpulse的脉宽为t3，其高电平VbH与低电平为VbL的差值为△V，周期性脉冲Vpulse的下降沿相对控制信号VTG上升沿的延时为△t＝t1+t2。
进一步的，所述脉宽t3、△V及△t的大小均可通过电路仿真得到最优值。
进一步的，周期性脉冲Vpulse为矩形脉冲或者锯齿波脉冲。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
(1)本发明将输出电容Cout的下极板由接地改为接入一个周期性脉冲Vpulse，当图像传感器中像素的周期性偏置切换导致电荷泵输出出现周期性波动时，该调节方式可以有效减小电荷泵输出电压的恢复时间，保证在一个控制周期内将电荷泵输出恢复到额定值，避免像素工作性能下降。
(2)本发明的调节结构没有引入静态功耗，且所用电路的复杂度不高，易于实施。本发明方案亦可用于由电荷再分配引起电荷泵输出压降，且要求快速恢复的其他应用中。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为传统的单级电荷泵电路示意图；
图2为传统电荷泵输出Vout与控制信号VTG的波形示意图；
图3为本发明实施例改进的单级电荷泵电路示意图；
图4为本发明实施例Vpulse波形以及调节前后的电荷泵输出示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明提出一种缩短输出电压恢复时间的电荷泵控制方法。图3给出了改进的单级电荷泵电路结构示意图。在传统电路的基础上，将输出电容Cout的下极板由接地改为接入一个周期性脉冲Vpulse，利用电容的耦合对输出电压Vout进行调节，达到缩短恢复时间的目的。
具体工作方式如下：
本实施例的周期性脉冲Vpulse为矩形脉冲，但是周期性脉冲Vpulse的波形不局限于矩形脉冲，亦可根据需要采用锯齿波等。
图4给出了周期性脉冲Vpulse波形以及调节前后的电荷泵输出示意图，其中，(a)为传统电荷泵的输出波形，(b)为引入Vpulse调节的输出波形，(c)为Vpulse脉冲波形，(d)为控制信号VTG的波形。
在控制信号VTG维持低电平的状态下，电荷泵输出为稳定的额定输出Vo；当VTG发生由低电平到高电平的跳变时，电荷泵输出由于电荷再分配，出现持续时间为t1的压降，由额定输出Vo降至最低值V1；于此时刻起，再经过时间t2，电荷泵输出由V1恢复至V2；在这一时刻，将Vpulse由高电平VbH拉低至低电平VbL，下降△V(△V为VbH和VbL的差值)，由于电容的耦合作用，输出电压Vout相应也下降△V，达到V2-△V。于此时刻起，经过时间t3的恢复，输出电压Vout从V2-△V恢复至V3，V3的值为电荷泵额定输出Vo与△V的差。在这一时刻，Vpulse由低电平VbL跳变至VbH，上升△V，输出Vout也在电容耦合作用下上升△V，达到额定值Vo。
本发明的脉冲调节方式可实现在t3阶段内电荷泵输出电压的恢复速度远快于传统方式在t3阶段的恢复速度，实现了恢复加速。
同理可实现对负压电荷泵的输出调节。
周期性脉冲Vpulse的控制时序由数字模块提供，经电平转移得到高电平为VbH，低电平为VbL，脉宽为t3，周期为T(控制信号VTG的控制周期)的周期性矩形脉冲信号Vpulse。
周期性脉冲Vpulse的下降沿相对控制信号VTG上升沿的延时△t＝t1+t2、Vpulse脉宽t3以及△V的大小均可通过电路仿真得到最优值。当电荷泵输出上的压降为0.2V时，传统电荷泵电路所需的恢复时间约为7us。若引入Vpulse调节后，△t＝2us，Vpulse脉宽1us，△V＝0.1V时，恢复时间缩短至3us，比传统电路缩短了约57％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种加速恢复的电荷泵电路，包括泵电容C1、泵电容C2、输出电容Cout、四个开关S1至S4，由一对反相时钟clk1、clk2控制；开关S1连接输入电压Vin和泵电容C1的上极板，开关S2连接输入电压Vin和泵电容C2的上极板，开关S3连接泵电容C1的上极板和输出电压Vout，开关S4连接泵电容C2的上极板和输出电压Vout；泵电容C1的下极板接时钟clk1，泵电容C2的下极板接时钟clk2；所述输出电容Cout的上极板接输出电压Vout，其特征在于：
所述输出电容Cout的下极板接周期性脉冲Vpulse，在所述输出电容Cout上的电压由于控制信号VTG的跳变产生变化后，通过周期性脉冲Vpulse将输出电容Cout的下极板电位先拉低再抬高，缩短额定输出的恢复时间；其中，控制信号VTG为电荷泵利用输出电容上存储的电荷对外供电的控制信号；
正压电荷泵的工作方式如下：
在控制信号VTG维持低电平的状态下，电荷泵输出为稳定的额定输出Vo；当VTG发生由低电平到高电平的跳变时，电荷泵输出电压产生压降，持续时间为t1，由额定输出Vo降至最低值V1；于此时刻起，再经过时间t2，电荷泵电压输出由V1恢复至V2；在这一时刻，将Vpulse由高电平VbH拉低至低电平VbL，输出电压Vout相应下降△V，达到V2-△V；于此时刻起，经过时间t3的恢复，输出电压Vout从V2-△V恢复至V3，V3的值为电荷泵额定输出Vo与△V的差；在这一时刻，Vpulse由低电平VbL跳变至VbH，上升△V，输出Vout上升△V达到额定值Vo；
其中，周期性脉冲Vpulse的周期与控制信号VTG的周期相同；周期性脉冲Vpulse的脉宽为t3，其高电平VbH与低电平VbL的差值为△V，周期性脉冲Vpulse的下降沿相对控制信号VTG上升沿的延时为△t＝t1+t2。
2.根据权利要求1所述的一种加速恢复的电荷泵电路，其特征在于：所述脉宽t3、△V及△t的大小均通过电路仿真得到最优值。
3.根据权利要求1所述的一种加速恢复的电荷泵电路，其特征在于：周期性脉冲Vpulse为矩形脉冲或者锯齿波脉冲。
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