CN1149506C - 包括一个电荷泵的无触点集成电路 - Google Patents

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Abstract

能无触点地工作的集成电路(30)至少借助一个与一调谐电容(CA)形成调谐谐振电路的线圈(L)并包括具有两个时钟输入端(E1，E2)的一个电荷泵(10)，其中，至少当集成电路无触点工作期间，电荷泵(10)的时钟输入端(E1，E2)持久地连接在线圈(L)的端子上，以致使得电荷泵从其时钟输入端来看构成调谐谐振电路的调谐电容的固定组成部分。

Description

包括一个电荷泵的无触点集成电路
本发明涉及能无触点地工作的集成电路，它至少借助一个与一调谐电容形成调谐谐振电路的线圈，并包括具有两个时钟输入端的一个电荷泵。
用于实现芯片卡、电子标签及通常设置在便携载体上的集成电路大多数包括一个用于寄存及存储数据的EEPROM存储器(可编程及可电擦除存储器)，及一个升压器、用于提供编程或擦除该存储器的高电压。实际上，用于编程或擦除一个EEPROM存储器的电压通常为15至20V量级，而集成电路的供电电压Vcc仅为3至5V量级。
在微电子学领域中，升压器电路的优选实施方式是电荷泵，它很适合在硅片上集成。
但是，电荷泵存在的问题是应由时钟信号来控制。这种信号需由一个振荡器提供，后者通常具有一定的电流损耗。在由电磁感应供电并使用的能源的无触点集成电路的情况下，这种电流损耗是不希望有的。
在更详细地着手讨论这个技术问题以前，我们首先来回忆一下电荷泵的传统构造及这种电荷泵在无触点集成电路中的传统布局。
表示在图1上的电荷泵包括多个级联地连接的电容，例如N个电容C1至CN。每个电容C1、C2、…的阳极通过MOS晶体管T1至TN连接到下个电容C2、C3、…的阳极，这些MOS晶体管的栅极连接到它们的漏极并可被看作是二极管。在该电路的终端。与电容CN阳极相连接的晶体管TN与一个储能电容器Chv的阳极相连接，而该储能电容器的阴极接地。奇数序号的电容器C1、C3、…的阴极由施加到电荷泵输入端E1的时钟信号H1激励，及偶数序号的电容器C2、C4…的阴极由施加到输入端E2的信号H2激励，信号H2的相位与信号H1的相位相反。并且交替地，每个奇数序号的电容器C1、C3、…向下一偶数序号的电容器C2、C4、…放电，及每个偶数序号电容器C2、C4、…向下个数序号电容器C3、C5，…放电。在电路终端，电容器CN向电容器Chv放电并在其端子上将产生一高压Vhv。
图2表示在一个无触点集成电路20中电荷泵10的传统布局。集成电路20包括一个线圈L，它与一个调谐电容Ca形成一个调谐谐振电路Lca，并允许该集成电路通过电磁感应接收交变电压Va。电荷泵10通过它的时钟输入端E1及E2与一个振荡器15相连接，该振荡器由信号PGR控制并输出时钟信号H1及H2。振荡器15从一个二极管或三极晶体管的整流桥Pd接收供电电压Vcc，该整流桥的输入端接收交流感应电压Va并在其输出端包括一个滤波电容器Cf。振荡器15的一个典型实施例表示在图3上。三个级联连接的反相门I1、I2、I3通过一个标号为A1的与门布置成闭环，该与门受到信号PGR的控制。信号H1例如从最后反相门I 3的输出端提取，反相信号H2从第四反相门I4输出。
谐振电容器Ca通常是一个可调电容器，它被调节得使电路LCa的谐振频率尽可能地接近电磁场的振荡频率，在该电磁场中，集成电路20被指定进行工作。如图中所示，谐振电容Ca例如包括多个并联的电容Cal至Can，金属条迹将保证在调节时为断路状态的某些电容的连接。
并且，当一个EEPROM存储器(未示出)要进行写或擦除操作时，信号PGR被置为1，与门A1将变为导通，振荡器15被触发工作及电荷泵10被起动。
如以上提及的，振荡器15的工作将引起不可忽略的电流损耗，这是因为各个反相门快速的换流产生的。
在编程或擦除操作开始时，这时信号PGR被置为1，这种损耗附加在应确保储能电容器Chv充电的电荷泵10上。此外，在无触点的芯片卡或电子标签中，这种编程或擦除操作可能在感应电压Va接收状态变差的时刻被断电。这样，如果被线圈L接收的能量很弱时，供电电压Vcc将下降并引起集成电路工作停止。
因此，希望在无触点集成电路中，在高电压Vhv发生周期期间尽可能地限制电流损耗。
在现有技术中，亦已知道一种方法，该方法在于，借助在线圈中应感的交变电压的正及负半波直接激励电荷泵。
如图4所示，该方法为：将线圈L的两个端子通过两个由编程信号PGR控制的开关16、17连接到电荷泵的两个输入端E1及E2。当信号PGR为1时，开关16，17闭合，及半波电压Va1和Va2被直接送入电荷泵10，作为起动信号H1及H2。
不过，申请人指出，该方法尽管能取消振荡器15，但出现了谐振电路Lca失调的缺点。
实际上，如果我们参照图1的电路，一个电荷泵从其输入端E1及E2来看等效于一个其值如下的电容CE：
(2)CE＝NC/2
N为电荷泵的级数，及C为每级电容器C1、C2…CN的电容量。
因而，在图4上，当信号PGR转变到1及电荷泵10连接在线圈L上时，电容器CE明显地使谐振电路LCa失调，并使能量的接收变为处于不良状态。
本发明旨在缓和这个缺点。
美国专利US 5,206,495描述了一种具有两种工作方式、即有触点或无触点工作方式的芯片卡，它包括一个集成电路，用于有触头工作的触头片及用于无触点工作方式的两个线圈。
美国专利US 5,285,370描述了一种装置，其中一个线圈两端子上的感应电压用于激励一电荷泵的时钟输入端。但是，该装置装有一个“宽带”感应线圈，它不带有谐振电容且不形成谐振电路。此外，该文献提出在线圈及电荷泵时钟输入端之间插入一个开关，以便当不必要时使线圈不连接到电荷泵时钟输入端。
因此，本发明的目的是允许借助一个谐振电路的线圈直接激励电荷泵，但不会使谐振电路失调。
为了实现该目的，本发明将依靠一个简单的但并非无创造性的构思，即将电荷泵持久地连接在线圈上，以使得电荷泵的输入电容CE成为谐振电路调谐电容Ca整体的组成部分。
本发明的实施意味着谐振电路的调谐考虑到电荷泵的输入电容。
更具体地，本发明确定了一种能无触点地工作的集成电路，它至少借助一个与一调谐电容形成调谐电路的线圈，并包括具有两个时钟输入端的一个电荷泵，其中，至少当集成电路无触点地工作期间，电荷泵的时钟输入端持久地连接在线圈端子上，电荷泵从某时钟输入端来看其电容构成调谐谐振电路的调谐电容的固定组成部分。
根据一个实施方式，电荷泵的时钟输入端直接地连接到线圈端子
根据一个实施方式，电荷泵的时钟输入端借助至少在集成电路无触点地工作期间控制其闭合的第一开关与线圈两端子相连接。
例如，当该集成电路具有两种工作方式，即有触点或无触点工作方式时，第一开关将由代表集成电路工作方式的信号来控制。
在此情况下，根据一种实施方式，电荷泵的时钟输入端此外还经过第二开关连接到振荡器的输出端。
本发明同样还涉及包括根据本发明的集成电路的便携式载体，尤其是芯片卡。
从以下结合附图对根据本发明的一个无触点地工作的集成电路及一个有触点或无触点混合地工作的集成电路的详细描述将会使本发明的这些特征和优点以及其它特征和优点更加阐明，附图为：
-图1是一个电荷泵的电路图，已在前面作出描述；
-图2表示一个电荷泵在一个无触点地工作的集成电路中的传统布局，已在前面作出描述；
-图3是一个振荡器的电路图，已在前面作出描述；
-图4表示一个电荷泵在一个无触点地工作的集成电路中的另一传统布局，已在前面作出描述；
-图5表示根据本发明的、一个电荷泵在一个无触点地工作的集成电路中的布局；
-图6表示在图5的集成电路中具有的调谐谐振电路的等效电路；
-图7表示根据本发明的、一个电荷泵在一个有触点或无触点混合地工作的集成电路中的布局。
图5表示在开始部分中已述的电荷泵10根据本发明在无触点地工作的一个集成电路30中的布局。在该电路30中可再看到已述过的线圈L，可调电容器Ca及桥式整流器Pd。根据本发明，电荷泵10的激励输入端E1及E2直接地与线圈L的两端子相连接并当交流电压Va存在时，一直接收交流电压Va的各半波Va1、Va2。这时电荷泵10被一直激励，及高电压Vhv的储能电容Chv总在被充电。
本发明的优点显示在图6上，该图表示集成电路30的调谐谐振电路36的等效电路图。谐振电路36包括线圈L，可调电容Ca及从电荷泵输入端E1及E2来看电荷泵10的等效电容CE。电容CE同样成为谐振电路调谐电容CA整体的组成部分，电容CA不再如现有技术中那样等于可调电容Ca，而等于：
(3)CA＝Ca+CE
本发明同样允许去除现有技术中的振荡器，而没有与电荷泵瞬时换流相关的缺点。
当然，当调节或构思根据本发明的集成电路时，我们考虑到电荷泵的电容值CE。
并且，该电荷泵是一直地被激励，而不是当其需要时、例如当存储器编程或擦除期间才被激励。
本领域的技术人员将看到，本发明的方法归根到底只是带来优点。尤其是，在任何时刻高电压Vhv可供自由支配而无传统中电荷泵起动时的过耗电，在此意义上，高电压电容Vhv一直被预充电是一个优点。当集成电路在其远离电磁场源(例如无触点芯片卡阅读器的发射线圈)的时刻触发编程或擦除操作及由线圈L接收的能量很弱时，该优点尤其显著。最后，本发明的另一优点在于，可调电容Ca由CE值减少，由此在集成电路硅片表面占有更小体积。
当然，电容Chv一直被预充电并不意味着一直进行存储器的编程或擦除操作。为了确定这个概念，在图5上概要地表示了一个传统的电路元件部分，它能用电压Vhv使存储器35编程。高电压Vhv首先被施加在一个调节电路31上，该调节电路将提供根据存储器35的特性选择的规定高电压Vpp。接着，将电压Vpp传送到一个整形电路32，通常它为一个斜坡电压发生电路，它允许渐增地将电压Vpp施加给存储器35。最后，斜坡电压Vpp通过高电压开关33及地址解码电路34施加给存储器35，地址解码电路能够选择必须编程或擦除区域。为了存储器35被编程或被擦除，同样应该使这些全部元件被激励。
图7表示本发明在具有两种工作方式即有触点或无触点工作方式的集成电路40上的有利应用。除已述的元件外，集成电路40包括各个触点P1、P2、…Pi，尤其是一个用于接收供电电压Vc c2的供电触点P1及一个接地触点P2。电荷泵10的输入端E1、E2现在通过两个开关41、42连接到线圈L的两端子上，并通过另外两个开关44，45连接到一个振荡器43的输出端H1、H2上。根据本发明，开关41，42受到代表集成电路的有触点或无触点工作方式的信号CTL的控制。开关44，45例如受反相信号/CTL的控制。当集成电路40工作在无触点方式时，信号CTL为1，而信号/CTL为0。开关41，42闭合，开关44，45断开，及电荷泵10一直处于与线圈L的端子相连接。相反地，当信号CTL为0及信号/CTL为1时，开关41，42断开，而开关44，45闭合。集成电路40作为一个传统的有触点集成电路工作尤其是，振荡器43借助于信号PGR被暂时地激励。
可以区别集成电路40的工作方式的信号CTL能用各种方式产生，例如，借助触点P1上供电电压Vcc2存在的检测，线圈L上电压Va存在的检测或在整流桥Pd输出端上电压Vcc存在的检测来产生。
本领域的技术人员显然清楚，本发明可以有各种各样的变型、实施方式及改进。
并且，根据一个变型，有触点方式时开关44，45的闭合不是由信号/CTL触发的，而是由一个以编程或擦除工作为特征的短暂信号、如信号PGR来触发。
根据另一变型，如果集成电路40会突然地从有触点方式转换到元触点方式，振荡器43在有触点方式时一直被激励，以便使电容Chv被预充电。
此外，为了增大电荷泵10的功率，电荷泵可通过一个晶体三极管作的二极管To用电压V来供电，如图1中虚线所示。电压V譬如可以是由整流桥Pd供给的电压Vcc或是由触点P1供给的电压Vcc2。
此外，很显然，在本申请及在权利要求书中，“电荷泵”一词不单是指在图1上所示的电路，而是普遍地指所有这样的升压电路，即从它们的激励输入端来看，能够类似于一个电容。
同样，尽管本发明要解决的问题表现为涉及包括一个EEPROM存储器的集成电路，但很显然，本发明能应用于包含电荷泵的所有集成电路，而不管在该集成电路中电荷泵的功能如何。
最好，尽管前面已指出谐振电路的调谐可通过电容Ca的调节来获得，但显然，谐振电路也可在制造集成电路的阶段来调谐，如果制造容差允许的话。

Claims (10)

1.无触点的集成电路(30)，包括具有两个时钟输入端(E1，E2)的电荷泵(10)及至少借助一个与一调谐电容(CA)形成调谐谐振电路(36)的线圈(L)无触点地工作，其特征在于，在集成电路的无触点工作期间：
-电荷泵(10)的时钟输入端(E1，E2)持久地连接在线圈(L)的端子上；及
-电荷泵从其时钟输入端(E1，E2)来看其电容(CE)构成调谐谐振电路(36)的调谐电容(CA)的固定组成部分。
2.根据权利要求1的集成电路(30)，其中电荷泵(10)的时钟输入端(E1，E2)直接地与线圈(L)的端子相连接。
3.具有两种工作方式，即有触点或无触点工作方式的集成电路，包括：
-具有两个时钟输入端(E1，E2)的电荷泵(10)；
-至少一个与一调谐电容(CA)形成调谐谐振电路(36)的线圈(L)，用于在无触点工作方式中接收一个交变供电电压(Va)；及
-触头片(P1，P2，Pi)，用于在有触点工作方式中接收直流供电电压(Vc c2)，
其特征在于：
-电荷泵(10)的时钟输入端(E1，E2)通过第一开关(41，42)与线圈(L)的端子相连接；
-在集成电路无触点地工作期间所述第一开关(41，42)被控制(CTL)一直地成闭合，以使得在集成电路无触点地工作期间，电荷泵(10)的时钟输入端(E1，E2)持久地与线圈(L)的端子相连接；
-电荷泵的电容(CE)从其时钟输入端(E1，E2)来看构成调谐谐振电路(36)的调谐电容(CA)的固定组成部分。
4.根据权利要求3的集成电路(40)，其中所述第一开关(41，42)受代表集成电路工作方式的信号(CTL)的控制。
5.根据权利要求3和4中一项的集成电路，其中电荷泵(10)的时钟输入端(E1，E2)还通过第二开关(44，45)与一个振荡器(43)的输出端(H1，H2)相连接。
6.根据权利要求5的集成电路，其中所述第二开关(44，45)在集成电路有触点地工作期间被控制成闭合。
7.根据权利要求5的集成电路，其中所述第二开关(44，45)通过代表集成电路工作方式的信号(CTL)来控制。
8.根据权利要求1或3的集成电路，其中电荷泵(10)包括多个级联地连接的电容器(C1-CN)，它们被二极管(T1-TN)隔开并连接到电荷泵时钟输入端(E1，E2)的一个或另一个上。
9.包括根据上述权利要求1或3的集成电路的便携载体。
10.包括根据权利要求1或3的集成电路的芯片卡。
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