CN1674444A - 电荷泵电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可防止电荷转送用MOS晶体管发生反向电流的电荷泵电路。在第1至第4电荷转送用MOS晶体管(M11)、(M12)、(M13)、(M14)全部关断的状态下，改变来自时钟驱动器的时钟CLK、*CLK，然后令第2电荷转送用MOS晶体管(M12)导通以使第1泵电容(CA)放电，并令第3MOS晶体管(M13)导通以使第2泵电容(CB)充电。接着，在第1至第4电荷转送用MOS晶体管(M11)、(M12)、(M13)、(M14)再次全部关断的状态下，改变时钟CLK、*CLK，然后，令第4电荷转送用MOS晶体管(M14)导通以使第2泵电容(CB)放电，并令第1MOS晶体管(M11)导通以使第1泵电容(CA)充电。

Description

电荷泵电路
技术领域
本发明涉及电荷泵(charge pump)电路。
背景技术
在EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory(电可擦可编程只读存储器))或闪存(Flash Memory)的写入/擦除系统、LCD(Liquid Crystal Display(液晶显示器))系统、以及驱动模拟开关的系统等中，需要供给高于电源电压Vdd的电压。
因此，内置电荷泵电路被广泛应用在这些系统中。电荷泵电路是简单的电路，是可提升电源电压的电路，能够使用系统中的单一电源，提供高于该电源电压的电压。
普通的电荷泵电路，串联连接电荷转送用MOS晶体管、构成多段泵包(pumping packet)，来提升输入电压。若设输入电压为Vdd，晶体管阈值电压为Vd，升压电压为Vout，N段的电荷泵电路中，升压电压Vout则可表示为下式。
Vout＝(N+1)(Vdd-Vd)
另外，作为现有技术文献，有以下的专利文献1、非专利文献1。
【专利文献1】特开2001-211637号公报
【非专利文献1】“在使用了改良的电压放大电路技术的NMOS集成电路上的片上高压的发生On-chip High-Voltage Generation in NMOSIntegrated Circuits Using an Improved Voltage Multiplier Technique”IEEEjournal of solidstate circuit SC-11卷NO.3 374-378页1976年6月
本发明提供的电荷泵电路，适用于在电荷泵电路的应用领域中、要求具有输出电流微小和耗电量低的规格的应用领域，例如电容拾音器的电源电路。特别是，在这种电荷泵电路中，要防止因电荷转送用MOS晶体管的反向电流所引起的电压损失。
发明内容
因此，本发明的电荷泵电路，其特征在于，具备：串联连接的第1和第2电荷转送用开关元件；第1电容，其一方的端子与所述第1电荷转送用开关元件和所述第2电荷转送用开关元件的连接点相连接；串联连接的第3和第4电荷转送用开关元件；第2电容，其一方的端子与所述第3电荷转送用开关元件和所述第4电荷转送用开关元件的连接点相连接；时钟驱动器，给所述第1电容的另一方端子和所述第2电容的另一方端子，提供互补的时钟；电压源，向连接所述第1和第3电荷转送用开关元件的输入端子中提供输入电压；以及，控制电路，按照以下方式进行控制，即，在将所述第1至第4电荷转送用开关元件全部关断的状态下、反转所述时钟驱动器的时钟的电压电平，之后导通所述第2和第3电荷转送用开关元件，然后，在将所述第1至第4电荷转送用开关元件全部关断的状态下、再反转所述时钟驱动器的时钟的电压电平，之后导通所述第1和第4电荷转送用开关元件，并从与所述第2和第4电荷转送用开关元件连接的输出端子中获得提升所述输入电压后得到的输出电压。
通过采用本发明的电荷泵电路，能够防止电荷转送用晶体管的反向电流的发生，并防止由它引起的电压损失。
附图说明
图1是表示应用本发明实施方式中的电荷泵电路的电容拾音器系统的电路图。
图2是图1的电容拾音器系统的偏置用电源的电路图。
图3是现有技术中的电荷泵电路的电路图。
图4是本发明实施方式中的电荷泵电路的电路图。
图5是本发明实施方式中的电荷泵电路的动作时序图。
图6是对本发明实施方式中的电荷泵电路的动作进行说明的电路图。
图7是对本发明实施方式中的电荷泵电路的动作进行说明的电路图。
图8是对本发明实施方式中的电荷泵电路的动作进行说明的电路图。
图9是表示本发明实施方式中的电荷泵电路的模拟结果的图。
图中：10-电容拾音器，20-偏置用电源，30-电阻，M1-第1电荷转送用MOS晶体管，M2-第2电荷转送用MOS晶体管，M3-第3电荷转送用MOS晶体管，M4-第4电荷转送用MOS晶体管，C1-第1泵电容，C2-第2泵电容，M11-第1电荷转送用MOS晶体管，M12-第2电荷转送用MOS晶体管，M13-第3电荷转送用MOS晶体管，M14-第4电荷转送用MOS晶体管，CA-1泵电容，CB-第2泵电容，M15-第1偏置用MOS晶体管，M16-第2偏置用MOS晶体管，M17-第3偏置用MOS晶体管，M18-第4偏置用MOS晶体管，C11-第1耦合电容，C12-第2耦合电容，C13-第3耦合电容，C14-第4耦合电容。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明实施方式的电荷泵电路进行说明。图1是应用该电荷泵电路的电容拾音器(condenser microphone)系统的电路图。在半导体芯片上，一对电容电极、及介于这两个电容电极之间的电介质形成电容拾音器10，偏置用电源20通过电阻30与一对电容电极间连接。通过来自外部的声音(声压)引起微小振动，一对电容电极使电容拾音器10的电容发生微小变化。于是电容拾音器10的输出信号V也与此相应发生微小变化，通过使用拾音器放大器对该输出信号V进行放大，得到声音输出信号。使用电荷泵电路作为该偏置用电源20。
图2是偏置用电源20的电路图。该电路串联连接N个2倍升压电路(1)～(N)，在初段的2倍升压电路(1)上施加输入电压Vin，从最终段的2倍升压电路(N)得到Vout＝Vin+N×Vdd的电压。2倍升压电路(1)～(N)，是在输入电压Vin上加上2倍升压电路(1)～(N)的电源电压Vdd的电路。在图2的例子中，设Vin＝Vdd，于是Vout＝Vin×(N+1)。
下面，对图2的2倍升压电路(1)～(N)电路、即电荷泵电路的具体电路进行说明。图3为表示现有技术中的电荷泵电路的一例的电路图。第1和第2电荷转送用MOS晶体管M1、M2串联连接，其连接节点与第1泵电容(pumping condenser)C1的一个端子连接，第1泵电容C1的另一个端子上，被施加来自时钟驱动器(未图示)的时钟CLK。第1电荷转送用MOS晶体管M1的源极上被施加来自输入端子Pin的输入电压Vin，第2电荷转送用MOS晶体管M2的源极连接到输出端子Pout上。
另一方面，第3和第4电荷转送用MOS晶体管M3、M4也串联连接，其连接节点与第2泵电容C2的一个端子连接，第2泵电容C2的另一个端子上，被施加来自时钟驱动器(未图示)的反转时钟*CLK(*CLK为CLK的反转时钟)。第3电荷转送用MOS晶体管M3的源极上被施加来自输入端子Pin的输入电压Vin，第4电荷转送用MOS晶体管M4的源极连接到输出端子Pout上。
另外，输出端子Pout与滤波电容Cout连接。第1和第3电荷转送用MOS晶体管M1、M3为N沟道型，第2和第4电荷转送用MOS晶体管M2、M4为P沟道型。分别设时钟驱动器的电源电压为Vdd、时钟为CLK、反转时钟*CLK的振幅为Vdd。
该电荷泵电路的动作如下。在时钟CLK为“高”的期间，M2、M3导通，M1、M4关断。从而第1泵电容C1放电，第2泵电容C2充电。第1泵电容C1的放电电流流过M2，得到输出电压Vout＝Vin+Vdd。另一方面，在时钟CLK为“低”的期间，M1、M4导通，M2、M3关断。从而第2泵电容C2放电，第1泵电容C1充电。第2泵电容C2的放电电流流过M4，得到输出电压Vout＝Vin+Vdd。这样，通过贯穿时钟CLK的整个期间，泵电容的放电电流流过M2、M4的其中之一，从而高效进行升压动作。
但是，由于在该电荷泵电路中，电荷转送用MOS晶体管的导通关断同时进行，因此实际在电荷转送用MOS晶体管切换时会流有反向电流I1、I2，会造成电荷泵电路的电压损失ΔV。即，输出电压就变成Vout＝Vin+Vdd-ΔV。
例如，当时钟CLK从“高”变为“低”时，M2从导通切换为关断，M1从关断切换为导通。但是，由于MOS晶体管切换时需要一定时间，因此无法避免出现M1、M2同时导通的过渡期间。在M1和M2同时导通的期间内，会从产生升压电压的输出端子Pout，经过M2、M1，向输入端子Pin流有反向电流I1。同样，当时钟CLK从“低”变化到“高”时，会从输出端子Pout，经过M4、M3，向输入端子Pin流有反向电流I2。
因此，以下对防止这种反向电流发生的电荷泵电路进行说明。图4是该电荷泵电路的电路图。第1和第2电荷转送用MOS晶体管M11、M12串联连接，其连接节点与第1泵电容CA的一个端子连接，第1泵电容CA的另一个端子上，被施加来自时钟驱动器(未图示)的时钟CLK。第1电荷转送用MOS晶体管M11的源极上，被施加来自输入端子Pin的输入电压Vin，第2电荷转送用MOS晶体管M12的源极连接到输出端子Pout上。
另一方面，第3和第4电荷转送用MOS晶体管M13、M14也串联连接，其连接节点与第2泵电容CB的一个端子连接，第2泵电容CB的另一个端子上，被施加来自时钟驱动器(未图示)的反转时钟*CLK(*CLK为CLK的反转时钟)。第3电荷转送用MOS晶体管M3的源极被施加来自输入端子Pin的输入电压Vin，第4电荷转送用MOS晶体管M14的源极连接到输出端子Pout上。
另外，输出端子Pout上连有滤波电容Cout。第1和第3电荷转送用MOS晶体管M11、M13为N沟道型，第2和第4电荷转送用MOS晶体管M12、M14为P沟道型。
第1时钟CLK(B)，经过第1耦合电容C11，供给到第1电荷转送用MOS晶体管M11的栅极。另外，在输入端子Pin和第1电荷转送用MOS晶体管M11的栅极之间，连接有第1偏置用MOS晶体管M15。另一方面，第3时钟CLK(C)，经过第3耦合电容C13，供给到第3电荷转送用MOS晶体管M13的栅极。
另外，在输入端子Pin和第3电荷转送用MOS晶体管M13的栅极之间，连接有第3偏置用MOS晶体管M17。而且，第1偏置用MOS晶体管M15的栅极，与第3电荷转送用MOS晶体管M13的栅极相互连接，而且，第3偏置用MOS晶体管M17的栅极，与第1电荷转送用MOS晶体管M11的栅极相互连接。
同样，第2时钟CLK(A)，经过第2耦合电容C12，供给到第2电荷转送用MOS晶体管M12的栅极。另外，在输出端子Pout和第2电荷转送用MOS晶体管M12的栅极之间，连接有第2偏置用MOS晶体管M16。另一方面，第4时钟CLK(D)，经过第4耦合电容C14，供给到第4电荷转送用MOS晶体管M14的栅极。另外，在输出端子Pout和第4电荷转送用MOS晶体管M14的栅极之间，连接有第4偏置用MOS晶体管M18。
而且，第2偏置用MOS晶体管M16的栅极，与第4电荷转送用MOS晶体管M14的栅极相互连接。而且，第4偏置用MOS晶体管M18的栅极，与第2电荷转送用MOS晶体管M12的栅极相互连接。
再有，第1电荷转送用MOS晶体管M11的栅极、与输出端子Pout之间，连接有第1初始电压设定用二极管D1。即，第1初始电压设定用二极管D1的阳极，与第1电荷转送用MOS晶体管M11的栅极连接，第1初始电压设定用二极管D1的阴极，与输出端子Pout相连接。同样，第3电荷转送用MOS晶体管M13的栅极、与输出端子Pout之间，连接有第3初始电压设定用二极管D3。
即，第3初始电压设定用二极管D3的阳极，连接在第3电荷转送用MOS晶体管M13的栅极上，第3初始电压设定用二极管D3的阴极，连接在输出端子Pout上。
另外，第2电荷转送用MOS晶体管M12的栅极、与输入端子Pin之间，连接有第2初始电压设定用二极管D2。即，第2初始电压设定用二极管D2的阴极，与第2电荷转送用MOS晶体管M12的栅极连接，第2初始电压设定用二极管D2的阳极，与输入端子Pin相连接。同样，第4电荷转送用MOS晶体管M14的栅极、与输入端子Pin之间，连接有第4初始电压设定用二极管D4。
即，第4初始电压设定用二极管D4的阴极，连接在第4电荷转送用MOS晶体管M14的栅极上，第4初始电压设定用二极管D4的阳极，连接在输入端子Pin上。
下面，参照附图对上述图4的电荷泵电路的动作进行说明。图5是该电荷泵电路的时序图，图6是对图5状态A(M12、M13为导通的状态)下的动作进行说明的电路图，图7是对图5状态B(M11、M14为导通的状态)下的动作进行说明的电路图。
该电荷泵电路的动作要点是，如图5所示，在第1至第4电荷转送用MOS晶体管M11、M12、M13、M14全部关断的状态下，令来自时钟驱动器的时钟CLK、*CLK从低变化到高，或者从高变化到低，之后，令第2电荷转送用MOS晶体管M12导通、使第1泵电容CA放电，令第3MOS晶体管M13导通、使第2泵电容CB充电(状态A)。
接着，在第1至第4电荷转送用MOS晶体管M11、M12、M13、M14再次全部关断的状态下，令来自时钟驱动器的时钟CLK、*CLK从低变化到高，或者从高变化到低，之后，令第4电荷转送用MOS晶体管M14导通、使第2泵电容CB放电，令第1MOS晶体管M11导通、使第1泵电容CA充电(状态B)。
这样，由于第1电荷转送用MOS晶体管M11和第2电荷转送用MOS晶体管M12就不会同时导通，同样，第3电荷转送用MOS晶体管M13和第4电荷转送用MOS晶体管M14也不会同时导通，因此，能够完全防止反向电流的发生。
下面，对电荷泵电路的动作进行详细说明。在以下说明中，将第1至第4电荷转送用MOS晶体管M11、M12、M13、M14，简记为M11、M12、M13、M14；将第1至第4偏置用MOS晶体管M15、M16、M17、M18，简记为M15、M16、M17、M18。
另外，分别设时钟驱动器的电源电压为Vdd、时钟为CLK、*CLK的高电平为Vdd、低电平设为Vss(接地电压)。另外同样，将第1至第4时钟CLK(B)、CLK(A)、CLK(C)、CLK(D)的高电平设为Vdd，低电平设为Vss(接地电压)。另外，在输入端子Pin上施加输入电压Vin。
首先，在M11、M12、M13、M14全部关断的状态下，令来自时钟驱动器的时钟CLK从低变为高，反转时钟*CLK从高变为低。于是，M11和M12的连接节点的电压从Vin变化到Vin+Vdd，M13和M14的连接节点的电压从Vin+Vdd变化到Vin。
接着，令第2时钟CLK(A)从高变为低，与此同时令第3时钟CLK(C)从低变为高。于是电荷泵电路形成图5的状态A。参照图6对该状态的电路动作进行说明。
第2时钟CLK(A)从高变为低后，M12、M18的栅极电压变为Vin，M12和M18导通。通过M12的导通，第1泵电容CA的电荷向输出端子Pout放电。从而，输入端子Pin上得到的输出电压Vout＝Vin+Vdd。另外，由于通过M18的导通，M14的栅极电压与输出电压Vout相同，变为Vin+Vdd，因此M14关断。
另一方面，第3时钟CLK(C)从低变为高后，M13、M15的栅极电压变为Vin+Vdd，M13和M15导通。通过M13的导通第2泵电容CB被充电。另外，由于通过M15的导通M11的栅极电压变为Vin，因此M11关断。
接着，在M11、M12、M13、M14全部再次关断的状态下，令来自时钟驱动器的时钟CLK从高变为低，反转时钟*CLK从低变为高。于是，M11和M12的连接节点的电压从Vin+Vdd变化到Vin，M13和M14的连接节点的电压从Vin变化到Vin+Vdd。
接着，令第1时钟CLK(B)从低变为高，与此同时令第4时钟CLK(D)从高变为低。于是，电荷泵电路形成图5的状态B。参照图7，对该状态的电路动作进行说明。
第1时钟CLK(B)从低变为高后，M11、M17的栅极电压变为Vin+Vdd，M11和M17导通。通过M11导通，第1泵电容CA被充电。另外，由于通过M17导通M13的栅极电压变为输入电压Vin，因此M13关断。
另一方面，第4时钟CLK(D)从高变为低后，M14、M16的栅极电压变为Vin，M14和M16导通。通过M14导通，第2泵电容CB的电荷向输出端子Pout放电。于是输出端子Pout上得到输出电压Vout＝Vin+Vdd。另外，由于通过M16导通，M12的栅极电压与输出电压Vout相同变为Vin+Vdd，因此M12关断。
下面，参照图8对第1至第4初始电压设定用二极管D1、D2、D3、D4的动作进行说明。若没有第1和第3的初始电压设定用二极管D1、D3，当图中的节点A或A′的初始值为Vout+Vtn以上时，由于M15、M17的其中一方总是导通、另一方总是关断，因此电路不动作。Vtn是M15、M17的阈值电压。
例如，设节点A的初始值为Vout+Vtn以上。于是M15的栅极电压也为Vout+Vtn以上，并且总为导通状态。另外，由于节点A′总为Vin，因此M17的栅极电压也总为Vin、且总处于关断状态。因此，在通过设置第1和第3的初始电压设定用二极管D1、D3，使节点A、A′为Vout以上的情况下，二极管流有顺向电流，降低节点A、A′的电压。
另一方面，若没有第2和第4的初始电压设定用二极管D2、D4，当图中的节点B或B′的初始值为Vin+Vtp以下时，由于M16、M18的其中一方总是导通、另一方总是关断，因此电路不动作。Vtp是M16、M18的阈值电压。例如，设节点B的初始值为Vin+Vtp以下。于是M18的栅极电压也为Vin+Vtp以下，且总处于导通状态。
另外，由于节点B′总为Vout，因此M16的栅极电压也总为Vout、且M16总处于关断状态。因此，在通过设置第2和第4的初始电压设定用二极管D2、D4，使节点B、B′为Vin以下的情况下，二极管流有顺向电流，提高节点B、B′的电压。
图9表示的是，本实施方式的电荷泵电路的输出电压Vout的电路模拟结果。结果表明，在没有反向电流对策的电路(图3的电路)中，产生了由反向电流引起的电压损失，而在有反向电流对策的电路(图4的电路)中，避免了这种电压损失。

Claims (9)

1.一种电荷泵电路，其特征在于：
具备：串联连接的第1和第2电荷转送用开关元件；
第1电容，其一方的端子与所述第1电荷转送用开关元件和所述第2电荷转送用开关元件的连接点相连接；
串联连接的第3和第4电荷转送用开关元件；
第2电容，其一方的端子与所述第3电荷转送用开关元件和所述第4电荷转送用开关元件的连接点相连接；
时钟驱动器，给所述第1电容的另一方端子和所述第2电容的另一方端子，提供互补的时钟；
电压源，向连接所述第1和第3电荷转送用开关元件的输入端子中提供输入电压；以及，
控制电路，按照以下方式进行控制，即，在将所述第1至第4电荷转送用开关元件全部关断的状态下、反转所述时钟驱动器的时钟的电压电平，之后导通所述第2和第3电荷转送用开关元件，然后，在将所述第1至第4电荷转送用开关元件全部关断的状态下、再反转所述时钟驱动器的时钟的电压电平，之后导通所述第1和第4电荷转送用开关元件，
并从与所述第2和第4电荷转送用开关元件连接的输出端子中获得提升所述输入电压后的输出电压。
2.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于：
所述第1、第2、第3和第4电荷转送用开关元件，分别是所述第1、第2、第3和第4电荷转送用MOS晶体管。
3.根据权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于，所述控制电路，
具备：第1时钟供给模块，通过第1耦合电容给第1电荷转送用MOS晶体管的栅极提供第1时钟；
第1偏置用MOS晶体管，给所述第1电荷转送用MOS晶体管的栅极提供所述输入电压；
第3时钟供给模块，通过第3耦合电容给第3电荷转送用MOS晶体管的栅极提供第3时钟；以及，
第3偏置用MOS晶体管，给所述第3电荷转送用MOS晶体管的栅极提供所述输入电压，
并进行控制为：所述第1时钟从第1电平变化到第2电平后，所述第1电荷转送用MOS晶体管和所述第3偏置用MOS晶体管导通，所述第3电荷转送用MOS晶体管关断，
接着，所述第3时钟从第1电平变化到第2电平后，所述第3电荷转送用MOS晶体管和所述第1偏置用MOS晶体管导通，所述第1电荷转送用MOS晶体管关断。
4.根据权利要求3所述的电荷泵电路，其特征在于：
设置初始电压设定电路，其进行电压设定以令所述第1电荷转送用MOS晶体管和所述第3电荷转送用MOS晶体管的栅极电压的初始值不超过规定值。
5.根据权利要求4所述的电荷泵电路，其特征在于：
所述初始电压设定电路，由设置于所述第1电荷转送用MOS晶体管的栅极及所述第3电荷转送用MOS晶体管的栅极、与所述输出端子之间的一对二极管元件构成。
6.根据权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于，所述控制电路，
具备：第2时钟供给模块，通过第2耦合电容给第2电荷转送用MOS晶体管的栅极提供第2时钟；
第2偏置用MOS晶体管，给所述第2电荷转送用MOS晶体管的栅极提供所述输出电压；
第4时钟供给模块，通过第4耦合电容给第4电荷转送用MOS晶体管的栅极提供第4时钟；以及，
第4偏置用MOS晶体管，给所述第4电荷转送用MOS晶体管的栅极，提供所述输出电压，
并进行控制为：所述第2时钟从第1电平变化到第2电平后，所述第2电荷转送用MOS晶体管和所述第4偏置用MOS晶体管导通，所述第4电荷转送用MOS晶体管关断，
接着，所述第4时钟从第1电平变化到第2电平后，所述第4电荷转送用MOS晶体管和所述第2偏置用MOS晶体管导通，所述第2电荷转送用MOS晶体管关断。
7.根据权利要求6所述的电荷泵电路，其特征在于：
设置初始电压设定电路，其进行电压设定以令所述第2电荷转送用MOS晶体管和所述第4电荷转送用MOS晶体管的栅极电压的初始值不低于规定值。
8.根据权利要求7所述的电荷泵电路，其特征在于：
所述初始电压设定电路，由设置于所述第2电荷转送用MOS晶体管的栅极及所述第4电荷转送用MOS晶体管的栅极、与所述输入端子之间的一对二极管元件构成。
9.根据权利要求1～8的任一项所述的电荷泵电路，其特征在于：
将所述输出电压用作电容拾音器的电源电压。
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