CN1679223B - 电压倍增器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电压处理单元，电压处理单元包括一个集成电荷泵11，集成电荷泵用于将一个预定的因子Xm乘以加到集成电荷泵11的输入端的电压Vx。为了能够将期望的因子乘以可利用电压，并且减小集成电荷泵所需的空间，建议所说的电压处理单元还包括一个外部电压倍增电路12，用于放大可利用电压Vdd，并且将放大的电压Vx加到集成电荷泵11的所说输入端。本发明同样还涉及一种相应的方法。

Description

电压倍增器电路
技术领域
本发明涉及包括集成电荷泵的电压处理单元，这个集成电荷泵将一个预定的因子乘以加到集成电荷泵的输入端的电压。
本发明同样涉及一种提供放大的电压的方法。
背景技术
将一个预定的因子乘以可利用的电压的集成电荷泵在本领域中是公知的，如Dickson电荷泵。J.Shin等人在“没有因体效应产生阈值电压下降的新型电荷泵(A New Charge Pump WithoutDegradation in Threshold Voltage Due to Body Effect)”(IEEE期刊固体电路，第35卷，第1227-1230页，2000年8月)中已经描述了一种改进的全集成的Dickson电荷泵。在这篇文献中提出的电荷泵包括具有m-1个电容器的m-1级，并将因子m乘以输入电压Vdd。
这样一种集成电荷泵具有如下的缺点：它需要一个很大的区域，因为内部集成的m-1个电容器在许多技术中都要占据大多数空间。
发明内容
本发明的一个目的是允许将一个期望的因子乘以可利用的电压，所用的集成电荷泵所需的区域减小了。
按照本发明利用一个电压处理单元来实现这项目的，包括一个集成电荷泵，用于将一个预定的因子乘以加到所说的集成电荷泵的输入端的电压以获得集成电荷泵的输出电压，其特征在于：电压倍增电路，与集成电荷泵连接，用于放大可利用电压并将放大的可利用电压提供至集成电荷泵的输入端；其中电压倍增电路包括具有单一电容器的开关电容器电路；其中集成电荷泵提供泵信号以通过电压倍增电路的控制逻辑来控制电压倍增电路的切换，用于操作电压倍增电路，所述电压处理单元的电压处理过程依次包括预充电阶段、启动阶段和电压调节阶段，其中，在预充电阶段，控制逻辑控制电容器的充电，从而输出电压等于可利用电压；在启动阶段，通过控制逻辑对电容器的多次重新充电，输出电压从可利用电压连续增加到预定的因子乘以加到所说的集成电荷泵的输入端的电压所得到的值；在电压调节阶段：集成电荷泵以规则的间隔执行单一泵激操作，其中在控制逻辑的第一电平控制信号持续期间，输出电压缓慢降低；以及控制逻辑在再一次输出第一电平控制信号之前在每次接收泵信号时产生第二控制信号脉冲，在所述第二电平控制信号期间，电压倍增电路的电容器被重新充电。
本发明的目的利用提供倍增电压的方法同样可以实现。所建议的方法包括：通过包括单一电容器的电压倍增电路放大可利用电压，并将放大的可利用电压提供至集成电荷泵的输入端；以及将一个预定的因子乘以加到集成电荷泵的输入端的电压以得到集成电荷泵的输出电压以得到集成电荷泵的输出电压；其中操作电压倍增电路包括提供集成电荷泵的泵信号以控制电压倍增电路的切换，用以操作电压倍增电路，以使得在预充电阶段，控制逻辑控制电容器的充电，从而输出电压等于可利用电压；在启动阶段，通过控制逻辑对电容器的多次重新充电，输出电压从可利用电压连续增加到预定的因子乘以加到所说的集成电荷泵的输入端的电压所得到的值；在电压调节阶段：以规则的间隔执行集成电荷泵的单一泵激操作，其中在控制逻辑的第一电平控制信号持续期间，输出电压缓慢降低；以及控制逻辑操作电压倍增电路，以在再一次输出第一电平控制信号之前在每次接收泵信号时产生第二电平控制信号，在所述第二电平控制信号期间，电压倍增电路的电容器被重新充电。
本发明来源于如下的构思：集成电荷泵可与电压倍增电路进行有益的组合，因为这将使集成电荷泵中的倍增级数显著减小，同时还能维持期望的总的倍增因子。在理想的情况下，通过电压倍增电路使可利用电压倍增，因而可以使用这个倍增的电压作为集成电荷泵的输入电压。
因此，本发明的一个优点是，对于期望的放大因子，它能减小集成电荷泵所占的区域，最多可减小一半。此外，对于一个指定的集成电荷泵的期望的输出，还可能明显减小可以利用的电压的最小值，例如减小到1.8伏。
由从属权利要求可以更清楚地了解本发明的优选实施例。
在本发明的一个优选实施例中，通过由集成电荷泵提供的信号来控制电压倍增电路。利用泵信号来操作集成电荷泵，所说的泵信号用于切换内部的切换装置。根据集成电荷泵的类型，可由集成电荷泵向电压倍增电路提供这些泵信号中经过选择的一些泵信号。这就允许按照集成电荷泵从电压倍增电路提取的对应的电荷采操作电压倍增电路。
在本发明的另一个优选实施例中，电压倍增电路借助于一个单个充电电容器来实现电压移动。当前的电压倍增电路使用最小数目的两个电容器以及最多6个开关，例如由P.Favrat、P.Deval和M.J.Declercq在“高效率的CMOS电压倍增器”(IEEE期刊固体电路，第33卷，第410-416页，1998年3月)中描述的电压倍增电路。
这样，本发明所建议的实施例的一个优点是，它只需要一个电容器。这样就减小了所需的总的芯片面积，因此进一步减小了成本。尽管如此，当将包括单个电容器的电压倍增电路与一个集成电荷泵组合时，可以实现当将包括两个或多个电容器的电压倍增电路与一个集成电荷泵组合时可能达到的几乎一样好的功效。
如在所引用的文献“高效率的CMOS电压倍增器”中所述的，电压倍增电路的功效取决于使用外部电容器或者使用集成电容器，其中包括到地的寄生杂散电容在内。为了得到约95％的功效，优选使用外部电容器。
本发明可用于各种各样的场合，例如用于实现显示驱动器。
从下面结合附图的详细描述中，本发明的其它目的和特征都将变得显而易见。
附图说明
图1示意地表示按照本发明的电压处理单元的一个实施例；和
图2a)-d)是曲线图，借助于实例说明图1的电压处理单元的操作。
具体实施方式
图1描述按照本发明的电压处理单元的一个实施例，电压处理单元用于以期望的因子放大一个可利用电压。
图1的电压处理单元包括一个内部的集成电荷泵11和一个电压倍增电路12。
内部电荷泵11例如可包括一个Dickson电荷泵。它具有一个乘法因子Xm和一个可调节的输出端。乘法因子Xm可以是可调节的，约为电压处理单元的期望的总放大因子的一半。内部电荷泵的电压输出连接到负载13，例如连接到某个设备的显示器上。内部电荷泵11进一步还包括一个信号输出端，在所说的信号输出端向外部提供用在内部电荷泵之内的泵信号。
电压倍增电路12包括一个外部电容器C和一个外部电荷泵14，外部电荷泵14具有提供电压Vdd的电压源15、负载开关lsw、移动开关ssw、和控制逻辑16。应该理解，电压源15不必包括在本发明的电压处理单元本身之内，但也可以与电压处理单元连接。
电压源15一方面连接到地Gnd，另一方面经过负载开关lsw连接到内部电荷泵11的输入端。电容器C的上极板同样地连接到内部电荷泵11的输入端，而电容器C的下极板经过移动开关ssw或者连接到地Gnd，或者连接到电压源15和负载开关lsw之间的连接区。
利用PMOS晶体管来实施开关lsw、ssw。当低电平信号sw加到负载开关lsw上时，负载开关lsw将电压源15连接到内部电荷泵11的输入端。当高电平信号sw加到负载开关lsw上时，负载开关lsw将电压源与内部电荷泵11的输入端断开。当低电平信号sw加到移动开关ssw上时，移动开关ssw将电容器C连接到地Gnd。当高电平信号sw加到移动开关ssw上时，移动开关ssw连接电容器C到电压源15。
最后，控制逻辑16包括一个计数器和一个触发器电路。控制逻辑16的输入端连接到内部电荷泵11的信号输出端，同时控制逻辑16的输出端一方面连接到负载开关lsw的控制输入端，另一方面连接到移动开关ssw的控制输入端。
下面参照附图2a-d描述图1的电压处理单元的操作。
图2a是说明泵信号“pump”的曲线图，泵信号在内部电荷泵11的信号输出端输出。
图2b是说明在接收由内部电荷泵11提供的泵信号时由控制逻辑16输出的信号sw的曲线图。信号sw加到内部电荷泵14的负载开关lsw，sww上。
图2c是说明由电压倍增电路12加到内部电荷泵11的输入端的电压Vx的曲线图。
图2d是说明当负载13连接到内部电荷泵11的电压输出端时在这个电压输出端提供的电压Vy的曲线图。
在图2a-2d中表示的是每个信号随时间的变化过程，其顺序是：预充电阶段、启动阶段、和调节阶段，在这些阶段中预充电阶段和启动阶段是有预定长度的。
在整个预充电阶段期间，控制逻辑16向负载开关lsw和移动开关ssw提供的是低电平控制信号sw。这样，负载开关lsw闭合并且移动开关ssw连接到地Gnd，外部电容器C由外部电荷泵14的电压源15充电。在预充电阶段结束时，电容器C的上极板的电位以及电压Vx等于由电压源15提供的电压Vdd。与此同时，显示器负载13预充电到Vy＝Vdd。
在启动阶段开始时，控制信号sw通过控制逻辑16设定为高电平。因此，负载开关lsw打开，移动开关ssw连接到电压源Vdd。由于电容器C的下极板现在连接到电压源15并且电容器C充满电，发生电压移位，在理想情况下，电容器C的上极板移位到2Vdd的电位。这样，在理想情况下，用于内部电荷泵11的电压源现在的电位是Vx＝2Vdd。
内部电荷泵11将所加的电压Vx乘以实现的倍增因子Xm，连续地泵送(pump up)显示负载13。外部电容器C的大小应该至少与显示负载13的电容的大小有相同的数量级，因为从Vdd到Xm×2Vdd的泵送也会使电容器C迅速完全放电。
在启动阶段，内部电荷泵11还要向控制逻辑16的控制输入端提供泵信号。控制逻辑16的计数器在启动阶段计数预定数目k的接收的泵信号，然后简单地再次通过向负载开关lsw和移动开关ssw提供低电平控制信号sw使电容器C重新充电。在k个泵信号之后从高电平控制信号sw变化到低电平控制信号、并且在一个短暂的预定时间周期以后返回到高电平控制信号sw，这种情况要重复n次。在图2a中，这通过参照对应的k个泵信号用k(1)、k(2)、...k(n)来表示。因此，数目n就确定了启动阶段的长度。启动阶段的长度是根据连接到集成电荷泵11的负载13确定的，因此在内部电荷泵11的输出端向负载13提供的电压Vy在启动阶段期间是连续增加的，从Vdd增加到约为Xm×2Vdd的最大值。在对电容器C进行n次重新充电之后，在电容器C上达到稳定的剩余电荷，因为这时的负载13已经完全被泵送了。
在启动阶段期间泵送负载13时，电容器C的重复放电和重新充电的情况在图2c中是不能直接看到的，因为切换的发生是如此的频繁，以致于从电容器C最终抽吸的电荷和向电容器C供给的电荷都是相当少的。由于开关lsw、ssw都不是理想的事实，所以在图2c中对应的重新充电步骤之间的电压Vx的弯曲形式会在测量结果中出现。如图2c所示，当显示负载13被泵送到最大电压Vy＝Xm×2Vdd时，可以减小非理想开关lsw、ssw的影响。
在启动阶段之后，内部电荷泵11的调节阶段开始，在此阶段中，使Vy所达到的最大电压值或者调节电压值基本上保持不变。在这个调节阶段中，如果负载13具有足够大的阻抗，在一般情况下，只需要进行在规则间隔内的单个泵激(pumping)操作以保持显示负载13在被调节的输出电压值上。即，电压Vy缓慢地减小，一直到对应的下一个泵激操作，这种泵激操作将要再一次地导致电压Vy的增加。由此，实现了一个略带纹波的电压Vy，这个电压在Vy＝Xm×2Vdd的最大电压的周围变化。要说明的是，电压Vy的纹波与最大电压Vy＝Xm×2Vdd相比是很小的，在图2中没有按比例画出。控制逻辑16如以前所述由在内部电荷泵11的信号输出端提供的相应的泵信号驱动。然而现在，向控制逻辑16的触发器电路提供较少的泵信号。触发器电路在再一次输出高电平控制信号sw之前在每次接收泵信号时简单地产生一个低电平控制信号sw。在每个低电平控制信号sw期间，使电容器C重新充电。借此，对于内部电荷泵11，存在一个恒定的脉冲式电源电压Vx，电压Vx在接近Vdd和理想的最大电压2Vdd之间。
为了实现好的功效，流过负载开关lsw和移动开关ssw的电流要在同一数量级，并且要使电压倍增电路12的所有其它的寄生电流减至最小。
要说明的是，本实施例只是本发明的一个可选择的实施例，它可以按许多方式变化。

Claims (6)

1.一种电压处理单元，包括：
一个集成电荷泵(11)，用于将一个预定的因子(Xm)乘以加到所说的集成电荷泵的输入端的电压(Vx)以获得集成电荷泵的输出电压(Vy)，其特征在于：
电压倍增电路(12)，与集成电荷泵(11)连接，用于放大可利用电压(Vdd)并将放大的可利用电压提供至集成电荷泵(11)的输入端；
其中电压倍增电路(12)包括具有单一电容器(C)的开关电容器电路；其中集成电荷泵提供泵信号以通过电压倍增电路(12)的控制逻辑来控制电压倍增电路(12)的切换，用于操作电压倍增电路(12)，
所述电压处理单元的电压处理过程依次包括预充电阶段、启动阶段和电压调节阶段，其中，
在预充电阶段，控制逻辑控制电容器的充电，从而输出电压(Vy)等于可利用电压(Vdd)；
在启动阶段，通过控制逻辑对电容器的多次重新充电，输出电压(Vy)从可利用电压(Vdd)连续增加到预定的因子(Xm)乘以加到所说的集成电荷泵的输入端的电压(Vx)所得到的值；
在电压调节阶段：
集成电荷泵以规则的间隔执行单一泵激操作，其中在控制逻辑的第一电平控制信号持续期间，输出电压缓慢降低；以及
控制逻辑在再一次输出第一电平控制信号之前在每次接收泵信号时产生第二电平控制信号(sw)，在所述第二电平控制信号期间，电压倍增电路的电容器(C)被重新充电。
2.根据权利要求1所述的电压处理单元，其中：所说的电压倍增电路(12)包括：
一个电容器(C)，所说电容器(C)的第一连接区连接到所说集成电荷泵(11)的所说输入端；
第一开关装置(lsw)，用于当所说的第一开关装置(lsw)接通时将一个电压源(15)连接到所说集成电荷泵(11)的所说输入端；
第二开关装置(ssw)，用于将所说电容器(C)的第二连接区或者连接到地或者连接到电压源；和
所述控制逻辑(16)，用于提供控制信号(sw)，所说的控制信号交替地一方面接通所说的第一开关装置(lsw)并且将所说第二开关装置接通到地，而另一方面断开所说的第一开关装置(lsw)并且将所说的第二开关装置(ssw)接通到电压源。
3.根据权利要求2所述的电压处理单元，其中：所说的控制逻辑(16)包括一个计数器，用于在启动阶段每当接收预定数目的来自所说的集成电荷泵(11)的信号之后接通所说的第一开关装置(lsw)并且将所说的第二开关装置(ssw)接通到地，所说的控制逻辑还包括一个触发器电路，用于在随后的调节阶段利用从所说集成电荷泵(11)接收的每一个信号接通所说的第一开关装置(lsw)并且将所说的第二开关装置接通到地(ssw)。
4.根据权利要求2所述的电压处理单元，其中：所说第一开关装置(lsw)和所说的第二开关装置(ssw)是利用PMOS晶体管实现的。
5.根据权利要求1所述的电压处理单元，其中：所说的集成电荷泵是一个集成的Dickson电荷泵。
6.一种用于提供倍增电压的方法，所说的方法包括：
通过包括单一电容器(C)的电压倍增电路(12)放大可利用电压(Vdd)，并将放大的可利用电压提供至集成电荷泵(11)的输入端；以及
将一个预定的因子(Xm)乘以加到集成电荷泵的输入端的电压(Vx)以得到集成电荷泵的输出电压(Vy)；
其中操作电压倍增电路(12)包括提供集成电荷泵的泵信号以控制电压倍增电路(12)的切换，用以操作电压倍增电路(12)，以使得
在预充电阶段，控制逻辑控制电容器的充电，从而输出电压(Vy)等于可利用电压(Vdd)；
在启动阶段，通过控制逻辑对电容器的多次重新充电，输出电压(Vy)从可利用电压(Vdd)连续增加到预定的因子(Xm)乘以加到所说的集成电荷泵的输入端的电压(Vx)所得到的值；
在电压调节阶段：
以规则的间隔执行集成电荷泵的单一泵激操作，其中在控制逻辑的第一电平控制信号持续期间，输出电压缓慢降低；以及
控制逻辑操作电压倍增电路(12)，以在再一次输出第一电平控制信号之前在每次接收泵信号时产生第二电平控制信号(sw)，在所述第二电平控制信号期间，电压倍增电路的电容器(C)被重新充电。
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