CN1761136A - 电荷泵电路 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种能获得不同电压的可编程电荷泵电路。这个电荷泵电路通过不同电压控制器来选择所要求的输出电压。不同的开关电容用来积累电压以达到可编程LCD驱动电路所需的电压。本发明通过少数电容来单输出节点达到不同输出电压的目的。本发明电荷泵可用于高压集成电路芯片中，它实现了低功耗，高效率，并可以根据实际要求扩展此电路结构获取所需电压。本发明电荷泵具有积木式结构具有灵活拆配功能并能通过控制逻辑控制时钟时序来达到可编程输出电压值。本电荷泵的高效性在于其结构使用了较少的电容，并合理的利用电平转移电路通过较少的级数产生出高电压。

Description

电荷泵电路

技术领域

最常见的电荷泵电路的应用是在可擦可编程只读存储器电路的设计上。到目前为止，电荷泵和电压倍增技术已经成功的应用在LCD/TFT/OLED设计中的低压低功耗模拟集成电路设计方面。这个发明与LCD电路尤其是与LCD驱动设计相关，这种设计通过可编程数字逻辑在高压BICMOS工艺中提供多层电压转换器。

背景技术

随着工艺向纳米的逼近，模拟电路设计必须面对降低电压所带来的挑战。许多LCD设计不得不在内部使用高压来满足LCD材料的要求。因此，在芯片中电荷泵和电压倍增器成为低压模拟和数字电路设计中的主要部分。如图一是TFT(薄膜晶体管)的驱动电路。为了能使TFT面板正常显示，DC-DC转换器能提供40V的高压给门驱动，同时也能提供15V的高压给源驱动。

常规的电荷泵被分为两类，一类是如图二所示的由Cockcroft和Walton(见：J.D.Cockcroft and E.T.Walton，″Production of highvelocity position ions，″Proc.Roy.Soc.，A，vol.136，pp.619-630，1932)提出的电荷泵的结构。电压倍增器是通过连续层叠多个电容来实现。使用这种装置能得到稳定的800000伏的电压，这种方法也被广泛的运用于高能物理中的电子质子加速和对撞中。三个电容Ca，Cb，Cc，连续接在一起，而Ca又与VDD相连。在时钟相位中，C1与Ca相连，被充电到电压为VDD。而在开关转换，在另一个时钟相位^中，C1与Cb共享电荷，如果两者电容相同，都被充电到电压为VDD/2。在下一个周期，C2与Cb相连，共享电压为Vdd/4，此时C1再次被充电到VDD。随着这个进程的继续，电荷传输到每个电容中去，直到3VDD超过电压VOUT。这原理能被推广到更多电容相连，因此可以得到任意的电压。但是，在实际应用中，Cock-croft-Walton倍增器因为在有巨大的寄生电容，所以如果应用在单片集成电路中，效率比较低下。另外，它还需要占用太多的硅片面积。

为了克服以上的缺陷，Dickson(见：J.Dickson，“On-chipHigh-Voltage Generation in NMOS Integrated Circuits Using anImproved Voltage Multiplier Technique，”IEEE J.Solid-StateCircuits，Vol.11，no.6，pp.374-378，June 1976)提出了另外一种适合硅集成电路的电荷泵电路，如图三所示。这个电路包含两个时钟φ和φ^，它们具有相反的时钟相位和相同的电压Vφ。二极管作为同步开关被正向偏压Vd控制，寄生电容Cs被完全包含在每个节点上。倍增器在不同的时钟周期在二极管链路上充放电荷。我们易得到输出电压为：

Vout＝Vin+N.(Vφ-Vd)-Vd

通过变化Vφ到C/(C+Cs)Vφ，可把寄生电容Cs考虑在内。理论上，Dickson电荷泵能得到任何电压。但不幸的是，随着输入电压的减少，Vφ减小，Vd将限制输出电压。因此，Dickson电压泵不适合低压操作。

发明内容

本发明的目的是提供一种新电路以改进Cockcroft and Walton电路，也能克服Dickson电荷泵低压时的缺点。主要是是获得一个能产生内部电压倍增器电荷泵，并通过数字控制电荷泵来获得任何LCD驱动电路要求的电压。

为了实现述目的，本发明采用的技术方案是：一种电荷泵电路，它包含一个控制逻辑来选择电压等级和一个开关电容堆积电荷以在最后级上获得高压。电荷泵电路更深一层包含有水平相移电路以产生不同电压控制信号，传输门用以控制充电和放电电容器，多相时钟用以开关传输门。

本电路揭露了一个获得多种不同程度电压的方法。这方法包含了由上述电荷泵产生一个控制逻辑的步骤以及产生一个控制逻辑来产生充放信号来调节电荷泵的电压的步骤。

附图说明

图1为LCD驱动电路模块图；

图2为Cockcroft-Walton电压倍增器；

图3为Dickson电荷泵；

图4为数字控制电荷泵功能模块图；

图5为电荷泵中用以提高电压到2VDD；

图6为三倍器电路模块图；

图7为六倍器电路模块图；

图8为加一倍压和输出级电路模块图；

图9为水平平移电路。

具体实施方式

在阅读以下各方面的详细描述，还包括附图的说明后，本发明的这些和其他优点将显现无疑。下面结合附图对本发明作一详细说明。

图4是数字控制电荷泵功能模块图，它有一个控制逻辑和许多具有不同功能的分离模拟模块组成。可以根据它们的独立的功能来划分各个不同的模块。VDD提供了电荷泵的参考电压并直接输入到双倍器1中。在逻辑控制电路的输出端依次并列连接有双倍器1、三倍器2，六倍器3，加一倍压4，输出级5。双倍器的输入端并列连接有时钟控制信号CK1及其反向时钟CK1B。其中双倍器1的另一输入端连接有一端接地的电源VDD，双倍器1的输出端与三倍器2的另一输入端相接，三倍器2的输出端与六倍器3的另一输入端相接，六倍器3的输出端与加一倍压4的另一输入端相接，加一倍压4的输出端与输出级5的另一输入端相接。加一倍压电路利用了电压循环原理，在输出级原有的基础上再增加一倍的VDD，它是通过增加了一级传输门并由时钟控制逻辑来将VDD释放到输出级4。

图5是双倍器基本电路结构，用来提高电压到2VDD，具体如下：

双倍器的输入端与参考电压VDD连接。当控制信号CK1关上时，电流通过10号线路径充电，C1上电荷被充到C1xVDD。在相位8(控制信号CK1B关闭)时，当控制信号CK1打开，因为控制信号CK1B关上，在Cl的A端口通过9号路径被充电到电压为2VDD，因此输出电压有电位2VDD。这样通过一个完整的时钟周期，A点输出端电位被抬高到2VDD。

三倍器：用来提高电压到3VDD，三倍器的输入端来自双倍器的输出端A。其基本电路图见图6：

三倍器和图5中的双倍器结构近似。当时钟控制信号CK1B，CK2B关闭，电容C2沿着箭头12被充电到2VDD，当CK2关闭，CK1B，CK2B打开，节点B也及电容C3电压被抬高了一个VDD，总电压达到3VDD，从而实现了三倍器。

六倍器：可以产生节点B的双倍电压，从而得到6倍电压，电路图如图7。六倍器的输入端来自三倍器的输出端B。

在节点B，最大电压通过三倍器能得到3VDD，在时钟控制信号CK3关闭时，C的电压和B点电压相同，电流对电容C4的充电线路如图中19号线。在时钟控制信号CK3B，CK4关闭和CK3断开，C点被抬高了3VDD，并达到6VDD。、

加一倍压器电路：

加一倍压器的输入端来自六倍器的输出端C。本电路在图4中一部分，它是用另一个传输门来增加图8中节点D电压VDD。在时钟控制信号CK4，CK5B，CK6B关闭时，节点如图中23号线方向充电到6VDD。当时钟控制信号CK5关闭，另有VDD被加到电容C5的底部，因此D点电压变为7VDD，如图8所示。在时钟相位CK5关闭时，节点E被充电到7VDD，，当CK5断开，E点电压被保持。

图8已经提高电压到7VDD。随着工艺的发展，相同的电路能在任何电压下设计。其中最重要的因素就是电路中能根据需要把VDD拓展到2倍，3倍......7倍而不用改变电路。我们所需要做的只是设定可编程逻辑和改变各个不同时钟的开关。

为了在节点E获得2倍VDD，除了A中第一步以外，我们关掉所有的时钟电路

为了在节点E获得3倍VDD，我们关掉三倍压电路中充电时钟。

为了在节点E获得4倍VDD，我们关掉节点A的充电电路和加一充电电路

为了在节点E获得5倍VDD，我们关掉节点A的充电电路

为了在节点E获得6倍VDD，我们关掉加一充电电路7倍VDD，我已经在前描述过。

对于多于7倍的VDD，我们利用双倍器，三倍器，四倍器和六倍器组合，能得到各种倍数的电压。

所有的时钟控制电路都由水平平移电路控制，对于不同的电压需要根据不同的电压程度开关CMOS传输门。基本的水平平移电路如图9所示。

Claims (10)

1，一种电荷泵电路，用于LCD驱动，其特征在于包含一个可编程控制逻辑来控制输出，输入电位，从而获得不同LCD的驱动电压。

2，如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于包含有一个电压双倍器：以获得两倍的提供电压，这种双倍器是通过一个电容及一个冲放电电路取得的，它为下一级提供了两倍于基压的电压，其中双倍器的输入端与参考电压VDD连接，当控制信号CK1关上时，电流通过10号线路径充电，C1上电荷被充到C1xVDD，在相位8(控制信号CK1B关闭)时，当控制信号CK1打开，因为控制信号CK1B关上，在C1的A端口通过9号路径被充电到电压为2VDD，因此输出电压有电位2VDD，这样通过一个完整的时钟周期，A点输出端电位被抬高到2VDD。

3，如权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于包含有一个电压三倍器以获得三倍的提供电压：这种三倍器是在双倍器的基础上通过一个电容及一个冲放电电路取得的，它为下一级提供了三倍于基压的电压，同时它给控制逻辑电路提供电压，三倍器的输入端来自双倍器的输出端A，当时钟控制信号CK1B，CK2B关闭，电容C2沿着箭头12被充电到2VDD，当CK2关闭，CK1B，CK2B打开，节点B也及电容C3电压被抬高了一个VDD，总电压达到3VDD，从而实现了三倍器。

4，如权利要求3所述的电荷泵电路，其特征在于包含有一个产生四倍的电压方法以获得四倍的提供电压：这种四倍器是在三倍器的基础上通过一个电容及一个冲放电电路取得的，它为下一级提供了四倍于基压的电压，同时它给控制逻辑电路提供电压。

5，如权利要求4所述的电荷泵电路，其特征在于包含有一个产生五倍的电压的电路以获得五倍的提供电压：这种五倍器是在四倍器的基础上通过一个电容及一个冲放电电路取得的，它为下一级提供了五倍于基压的电压，同时它给控制逻辑电路提供电压。

6，如权利要求5所述的电荷泵电路，其特征在于包含有一个产生六倍的电压的电路以获得六倍的提供电压：这种六倍器是在五倍器的基础上通过一个电容及一个冲放电电路取得的，它为下一级提供了六倍于基压的电压，同时它给控制逻辑电路提供电压，六倍器的输入端来自三倍器的输出端B，在节点B，最大电压通过三倍器能得到3VDD，在时钟控制信号CK3关闭时，C的电压和B点电压相同，电流对电容C4的充电线路的19号线，在时钟控制信号CK3B，CK4关闭和CK3断开，C点被抬高了3VDD，并达到6VDD。

7，如权利要求6所述的电荷泵电路，其特征在于包含有一个加一电压电路，以使得输出节点上能增加一个VDD的电压，从而达到获得七倍提供电压的目的；它是用另一个传输门来增加节点D电压VDD，在时钟控制信号CK4，CK5B，CK6B关闭时，节点23号线方向充电到6VDD，  当时钟控制信号CK5关闭，另有VDD被加到C5的底部，因此D点电压变为7VDD，在时钟相位CK5关闭时，节点E被充电到7VDD，当CK5断开，E点电压被保持。

8，如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于包含有如果需要任何电压，就任何次通过这个结构获得提供电压。这是因为本电荷本具有积木式结构，它可以通过电路单元组合出任意的输出电压，并由一个多重时钟相位的电路，通过逻辑电路控制产生不同电压的控制脉冲。

9，如权利要求1，3，4，5，6，7，8中任何一项所述的电荷泵电路，其特征在于包含有一个水平平移电路，以通过改变低压信号到高压信号来控制电荷泵时钟这个水平平移电路被用于不同的逻辑控制时钟单元中，来产生所要求的时钟电压。

10，如权要求1所述的电荷泵电路，其特征在于包含有一个非重叠时钟方法，能产生多个时钟而且她们不重叠，并达到所要求的低功耗和低泄露电流。

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