CN1835363A - 自适应输入电压控制的升压器 - Google Patents

Abstract

提供一种通过输入电压自适应地控制的升压器。该升压器包括：运算跨导放大器(OTA)，其具有正和负输入端，并响应于正和负输入端之间的电压差而生成输出电流。OTA的正输入端接收通过用升压器的目标输出电压除以n得到的电压，OTA的负输入端接收通过用升压器的输出电压除以n得到的电压。OTA的输出电流对输入电容器进行充电，以生成第一输入电压。缓冲器接收第一输入电压和输出第二输入电压。第二输入电压被输入至升压单元，以生成具有与第二输入电压的n倍相等的电压的输出电压，其中n≥1。

Description

自适应输入电压控制的升压器

本申请要求于2005年3月14日提交的韩国专利申请第10-2005-0021093号的优先权，其内容通过引用整体结合于此。

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路，具体涉及通过输入电压自适应地控制的升压器及其升压方法。

背景技术

图1是使用电荷泵的传统升压器100的电路图。参见图1，升压器100包括第一、第二、第三和第四开关102、106、108和110，以及第一和第二电容器104和112。第一和第三开关102和108响应于第一控制信号P1而接通，第二和第四开关106和110响应于第二控制信号P2而接通。第一和第二控制信号P1和P2是反相的脉冲信号，如图2所示。第一电容器104在第一控制信号P1的逻辑高期间由接收的输入电压VIN充电。随后，响应于在第一电容器104中所充的电压，第二电容器112在第二控制信号P2的逻辑高期间被充电。在第二电容器112中充的输出电压VOUT具有输入电压VIN的两倍的电压2VIN。输出电压VOUT可以用于驱动流出负载电流I_L的电路。

图3示意性地示出了在图1的升压器100中存在寄生电阻。参见图3，升压器100具有输入端的接触电阻Rin，并且输入端接收来自外部设备的输入电压VIN。第一电容器104具有在其两端的接触电阻Rs1和Rs2，因为该第一电容器用作外部器件。第二电容器112关于输出电压VOUT具有接触电阻R_L，因为该第二电容器也用作外部器件。这些寄生电阻Rin、Rs和R_L减小了输出电压VOUT。由于寄生电阻Rin、Rs和R_L造成的输出电压降如下所示。

[等式1]

Vdeg＝2RinI_L+4RsI_L+0.5R_LI_L

由于负载电流I_L造成的输出电压降如下所示。

[等式2]

$\mathrm{V\; deg}=\frac{I_L}{\mathrm{Cs}\·f}$

通过从两倍于输入电压VIN的目标电压2VIN中减去由于寄生电阻Rin，Rs和R_L造成的输出电压降而得到输出电压VOUT。

[等式3]

$\mathrm{VOUT}=2\mathrm{VIN}-2{\mathrm{RinI}}_L+4{\mathrm{RsI}}_L+0.5R_L{I}_L-\frac{I_L}{\mathrm{Cs}\·f}$

因此，升压器100具有由寄生电阻Rin、Rs和R_L以及负载电流I_L造成的减小的输出电压VOUT。需要一种升压器，其能够将输出电压升高至例如输入电压的两倍或输入电压的多倍(×n)，而没有由于寄生电阻和负载电流而造成的电压降。

发明内容

本发明的示例性实施例提供一种通过一输入电压自适应地控制，以将输入电压升高至输入电压的多倍(×n)的升压器。

根据本发明的一个示例性实施例，提供一种升压器，包括：运算跨导放大器(OTA)、输入电容器、缓冲器和升压单元。OTA具有正和负输入端，并响应于正和负输入端之间的电压差而生成输出电流。正输入端接收通过用升压器的目标输出电压除以n得到的电压，负输入端接收通过用升压器的输出电压除以n得到的电压。输入电容器由OTA的输出电流充电以生成第一输入电压。缓冲器接收第一输入电压和输出第二输入电压。升压单元将第二输入电压升高至第二输入电压的n倍以生成输出电压，其中n≥1。

根据本发明的另一个示例性实施例，提供一种升压器，包括：OTA、输入电容器、缓冲器和升压单元。OTA具有正和负输入端，并响应于正和负输入端之间的电压差而生成输出电流。正输入端接收通过用从升压器的输出电压减去升压器的目标输出电压得到的电压除以n+1得到的电压，负输入端接收地电压。输入电容器由OTA的输出电流充电以生成第一输入电压。缓冲器接收第一输入电压和输出第二输入电压。升压单元将第二输入电压升高至第二输入电压的n倍以生成输出电压，其中n≥1。

附图说明

当参考附图阅读对本发明示例性实施例的描述时，本发明对于本领域的普通技术人员将变得显而易见。

图1是使用电荷泵的传统升压器的电路图。

图2是图解说明在图1的升压器中使用的第一和第二控制信号的波形的图。

图3示意性地示出了在图1的升压器中存在寄生电阻。

图4是图解说明根据本发明的示例性实施例的正电压升压器的框图。

图5是示出图4的运算跨导放大器(OTA)的特性的图。

图6A、6B到图9A、9B是按照图5的OTA特性图的区域来说明图4的升压器的操作的图。

图10是用于说明图4的正电压升压器的操作的图。

图11是图解说明根据本发明的另一个示例性实施例的负电压升压器的图。

图12A、12B到图15A、15B是用于说明图11的升压器操作的OTA图。

图16是用于说明图11的负电压升压器的操作的图。

具体实施方式

下文中将参考附图详细说明本发明的示例性实施例。在对附图的描述中，相同的参考数字始终指示相似或相同的元件。

图4是图解说明根据本发明的示例性实施例的正电压升压器400的图。参见图4，升压器400包括第一和第二电阻器410和420、运算跨导放大器(OTA)430、输入电容器440、缓冲器450、n倍升压单元460，其中n≥1。第一和第二电阻器410和420串联连接在输出电压Vo和地电压之间。第一电阻器410具有电阻(n-1)R，其中R是参考电阻，第二电阻器420具有电阻R。用输出电压Vo除以n得到的电压Vo/n被施加到在第一和第二电阻器410和420之间的节点，其中n≥1。在本发明的另一个示例实施例中，可以实现OTA430，其中n≥2。

OTA 430的输出电流Io取决于分别输入到OTA 430的正(+)和负(-)输入端的电压之间的差Vd而变化。图5是示出图4的OTA 430的特性的图。参见图5，当电压差Vd在范围ΔVi内时，输出电流Io具有线性特性，从而该输出电流与电压差Vd成比例。当电压差Vd在范围ΔVi之外时，输出电流Io具有饱和特性，从而该输出电流达到最大输出电流Io_max，而与电压差Vd无关。OTA 430的正输入端具有通过用升压器400的目标输出电压Vo_tar除以n而得到的电压Vo_tar/n，OTA 430的负输入端具有通过用升压器400的输出电压Vo除以n而得到的电压Vo/n，其中n≥1。在本发明的另一个示例实施例中，可以实现正电压升压器400，其中n≥2。

OTA 430的输出电流Io向输入电容器440充电以生成第一输入电压VIN’。第一输入电压VIN’经过缓冲器450后成为第二输入电压VIN。缓冲器450包括提供近似单位增益的模拟缓冲器，以使得第一输入电压VIN’和第二输入电压VIN相同或大致相同。根据模拟缓冲器的特性，第二输入电压VIN可以具有大电流驱动能力。n倍升压单元460接收第二输入电压VIN以生成正输出电压Vo，该正输出电压Vo具有对应于第二输入电压VIN的n倍的电压n×VIN。

图6、7、8和9是按照图5的OTA特性图的区域说明图4的升压器的操作的图。

第一，当升压器400的输出电压Vo低于通过从目标电压Vo_tar减去n倍的电压范围n·ΔVi而得到的电压Vo_tar-n·ΔVi时，输出电压Vo如下所示。

[等式4]

V_{o_tar}-n·ΔVi＞Vo

[等式5]

V_{o_tar}/n-ΔVi＞Vo/n

[等式4]

Vd＝V_{o_tar}/n-Vo/n＞ΔVi

因此，OTA 430的输入电压差Vd在图6A所示的正电压范围ΔVi之外的范围A中，从而OTA 430的输出电流Io变为最大输出电流Io_max。第一和第二输入电压VIN’和VIN具有通过用最大输出电流Io_max除以输入电容器440的电容Cin而得到的增量Io_max/Cin。因此，升压单元460的输出电压Vo具有对应于n·Io_max/Cin的斜率，并从初始输出电压Vinit变化到电压Vo_tar-n·ΔVi，如图6B所示。当输出电压Vo低于目标电压Vo_tar时，可以控制输入电容器440的电容Cin使得第一和第二输入电压VIN’和VIN能够被快速地增加，以快速增加输出电压Vo。

第二，当升压器400的输出电压Vo高于电压Vo_tar-n·ΔVi，但是低于目标电压Vo_tar时，输出电压Vo如下所示。

[等式7]

V_{o_tar}-n·ΔVi＜Vo＜V_{o_tar}

[等式8]

V_{o_tar}/n-ΔVi＜Vo/n＜V_{o_tar}/n

[等式9]

0≤Vd＝V_{o_tar}/n-Vo/n＜ΔVi

因此，OTA 430的输入电压差Vd在图7A所示的正电压范围ΔVi内的范围B中，从而OTA 430的输出电流Io在0和最大输出电流Io_max之间变化。输入至升压单元460的第二输入电压VIN按照通过用输出电流Io除以输入电容器440的电容Cin而得到的增量Io/Cin而增加。因此，升压单元460的输出电压Vo增加至目标电压Vo_tar。但是，OTA 430的输入电压差Vd随着输出电压Vo逼近目标电压Vo_tar而减少，从而第一和第二输入电压VIN’和VIN以及输出电压Vo的增加较小。因此，输出电压Vo的斜率n·Io/Cin逐渐减小以使得输出电压Vo平滑地收敛在目标电压Vo_tar，如图7B所示。

第三，当升压器400的输出电压Vo高于目标电压Vo_tar，但是低于通过将n倍的电压范围n·ΔVi与目标电压Vo_tar相加而得到的电压Vo_tar+n·ΔVi时，输出电压Vo如下所示。

[等式10]

V_{o_tar}＜Vo＜V_{o_tar}+n·ΔVi

[等式11]

V_{o_tar}/n＜Vo/n＜V_{o_tar}/n+ΔVi

[等式12]

-ΔVi≤Vd＝V_{o_tar}/n-Vo/n＜0

因此，OTA 430的输入电压差Vd在图8A所示的负电压范围ΔVi内的范围C中，从而OTA 430的输出电流Io在负的最大输出电流-Io_max和0之间变化。输入至升压单元460的第二输入电压VIN按照通过用输出电流Io除以输入电容器440的电容Cin而得到的斜率Io/Cin而减少。因此，升压单元460的输出电压Vo减少至目标电压Vo_tar。但是，OTA 430的输入电压差Vd随着输出电压Vo逼近目标电压Vo_tar而减少，从而第一和第二输入电压VIN’和VIN以及输出电压Vo的增加较小。因此，输出电压Vo的斜率-n·Io/Cin逐渐减小以使得输出电压Vo平滑地收敛在目标电压Vo_tar，如图8B所示。当输出电压Vo比目标电压Vo_tar稍高时，随着输出电压Vo和目标电压Vo_tar之间的差变小，第一和第二输入电压VIN’和VIN的减少量变小，以最小化目标电压Vo_tar附近的波动。

第四，当升压器400的输出电压Vo高于通过将n倍的电压范围n·ΔVi与目标电压Vo_tar相加而得到的电压Vo_tar+n·ΔVi时，输出电压Vo如下所示。

[等式13]

V_{o_tar}+n·ΔVi＜Vo

[等式14]

V_{o_tar}/n+ΔVi＜Vo/n

[等式15]

Vd＝V_{o_tar}/n-Vo/n＜-ΔVi

因此，OTA 430的输入电压差Vd在图9A所示的负电压范围ΔVi之外的范围D中，从而OTA 430的输出电流Io达到负的最大输出电流-Io_max。第一和第二输入电压VIN’和VIN具有通过用负的最大输出电流-Io_max除以输入电容器440的电容Cin而得到的减少量-Io_max/Cin。因此，升压单元460的输出电压Vo具有对应于-n·Io_max/Cin的斜率，并从最大输出电压Vo_max变化到电压Vo_tar+n·ΔVi，如图9B所示。当输出电压Vo高于目标电压Vo_tar时，可以控制输入电容器440的电容Cin使得第一和第二输入电压VIN’和VIN能够被快速地增加，以快速上升输出电压Vo。

图6、7、8和9中所示的图结合至图10中所示的图。

图11是图解说明根据本发明的另一个示例性实施例的负电压升压器1100的框图。参见图11，升压器1100包括串联连接在输出电压Vo和1/n倍的目标电压-Vo_tar之间的第一和第二电阻器1110和1120；接收在第一和第二电阻器1110和1120之间的节点的电压以及地电压的OTA 1130；通过OTA1130的输出电流Io充电的输入电容器1140；接收在输入电容器1140中充电的第一输入电压VIN’以生成第二输入电压VIN的缓冲器1150；以及n倍升压单元1160，接收第二输入电压VIN并将接收的第二输入电压升高至第二输入电压的n倍以生成负输出电压Vo，其中n≥1。在本发明的另一个示例性实施例中，可以实现负升压器1100，其中n≥2。

第一电阻器1110具有电阻nR，其中R是参考电阻，第二电阻器1120具有参考电阻R。因此，第一和第二电阻器1110和1120之间的节点的电压对应于(Vo-Vo_tar)/n+1。OTA的输出电流Io取决于分别施加到OTA 1130的正和负输入端的电压之间的差Vd而变化。OTA 1130具有线性特性，从而当电压差Vd在电压范围ΔVi内时，OTA 1130的输出电流Io与电压差Vd成比例。OTA 1130具有饱和特性，从而当电压差Vd在电压范围ΔVi之外时，OTA 1130的输出电流Io达到最大输出电流Io_max，而与电压差Vd无关。第一和第二电阻器1110和1120之间的节点电压(Vo-Vo_tar)/(n+1)被施加到OTA 1130的正输入端，地电压被施加到负输入端。

图12、13、14和15是用于说明图11的升压器的操作的图。

第一，当负电压升压器1100的输出电压Vo高于通过将(n+1)倍的电压范围ΔVi与目标电压-Vo_tar相加而得到的电压-Vo_tar+(n+1)·ΔVi时，输出电压Vo如下所示。

[等式16]

V_{o_tar}+(n+1)·ΔVi＞Vo

[等式17]

V_{o_tar}/(n+1)+ΔVi＞Vo/(n+1)

[等式18]

Vd＝(V_{o_tar}-Vo)/(n+1)＞ΔVi

因此，OTA 1130的输入电压差Vd在图12A所示的正电压范围ΔVi之外的范围A中，从而OTA 1130的输出电流Io变为最大输出电流Io_max。第一和第二输入电压VIN’和VIN具有通过用最大输出电流Io_max除以输入电容器1140的电容Cin而得到的减少量Io_max/Cin。因此，升压单元1160的输出电压Vo具有对应于-n·Io_max/Cin的负斜率，并从负的最大输出电压-Vo_max变化到电压-Vo_tar+(n+1)·ΔVi，如图12B所示。当输出电压Vo高于负目标电压-Vo_tar时，可以控制输入电容器1140的电容Cin使得第一和第二输入电压VIN’和VIN能够被快速地减少，以快速减少输出电压Vo。

第二，当升压器1100的输出电压Vo低于电压-Vo_tar+(n+1)·ΔVi，但是高于目标电压-Vo_tar时，输出电压Vo如下所示。

[等式19]

V_{o_tar}＜Vo＜V_{o_tar}+(n+1)·ΔVi

[等式20]

V_{o_tar}/(n+1)＜Vo/(n+1)＜V_{o_tar}/(n+1)+ΔVi

[等式21]

0≤Vd＝(V_{o_tar}-Vo)/(n+1)＜ΔVi

因此，OTA 1130的输入电压差Vd在图13A所示的正电压范围ΔVi内的范围B中，从而OTA 1130的输出电流Io在0和最大输出电流Io_max之间变化。输入至升压单元1160的第二输入电压VIN按照通过用输出电流Io除以输入电容器1140的电容Cin而得到的斜率Io/Cin而减少。因此，升压单元1160的输出电压Vo减少至目标电压-Vo_tar。但是，OTA 1130的输入电压差Vd随着输出电压Vo逼近目标电压-Vo_tar而减少，从而第一和第二输入电压VIN’和VIN以及输出电压Vo的减少较小。因此，输出电压Vo的斜率-n·Io/Cin逐渐减小以使得输出电压Vo平滑地收敛在目标电压-Vo_tar，如图13B所示。

第三，当升压器1100的输出电压Vo高于通过从目标电压-Vo_tar减去(n+1)倍的电压范围(n+1)·ΔVi而得到的电压-Vo_tar-(n+1)·ΔVi，但是低于目标电压-Vo_tar时，输出电压Vo如下所示。

[等式22]

V_{o_tar}-(n+1)·ΔVi＜Vo＜V_{o_tar}

[等式23]

V_{o_tar}/(n+1)-ΔVi＜Vo/(n+1)＜V_{o_tar}/(n+1)

[等式24]

-ΔVi≤Vd＝(V_{o_tar}-Vo)/(n+1)＜0

因此，OTA 1130的输入电压差Vd在图14A所示的负电压范围ΔVi内的范围C中，从而OTA 1130的输出电流Io在负的最大输出电流-Io_max和0之间变化。输入至升压单元1160的第二输入电压VIN按照通过用输出电流Io除以输入电容器1140的电容Cin而得到的斜率Io/Cin而增加。因此，升压单元1160的输出电压Vo增加至目标电压-Vo_tar。但是，OTA 1130的输入电压差Vd随着输出电压Vo逼近目标电压-Vo_tar而减少，从而第一和第二输入电压VIN’和VIN以及输出电压Vo的增加较小。因此，输出电压Vo的斜率逐渐减小以使得输出电压Vo平滑地收敛在目标电压-Vo_tar，如图14B所示。这里，当输出电压Vo比目标电压-Vo_tar稍低时，随着输出电压Vo和目标电压-Vo_tar之间的差变小，第一和第二输入电压VIN’和VIN的增加量变小，以最小化目标电压-Vo_tar附近的波动。

第四，当升压器1100的输出电压Vo低于通过从目标电压-Vo_tar减去(n+1)倍的电压范围(n+1)·ΔVi而得到的电压-Vo_tar-(n+1)·ΔVi时，输出电压Vo如下所示。

[等式25]

Vo＜V_{o_tar}-(n+1)·ΔVi

[等式26]

Vo/(n+1)＜V_{o_tar}/(n+1)-ΔVi

[等式27]

Vd＝(V_{o_tar}-Vo)/(n+1)＜-ΔVi

因此，OTA 1130的输入电压差Vd在图15A所示的负电压范围ΔVi之外的范围D中，从而OTA 1130的输出电流Io变为负的最大输出电流-Io_max。第一和第二输入电压VIN’和VIN具有通过用负的最大输出电流Io_max除以输入电容器1140的电容Cin而得到的增量-Io_max/Cin。因此，升压单元1160的输出电压Vo具有对应于n·Io_max/Cin的正斜率，并从负的初始输出电压-Vinit变化到电压-Vo_tar-(n+1)·ΔVi，如图15B所示。当输出电压Vo低于目标电压-Vo_tar时，可以控制输入电容器1140的电容Cin使得第一和第二输入电压VIN’和VIN能够被快速地增加，以快速增加输出电压Vo。

图12、13、14和15中所示的图结合至图16中所示的图。

根据本发明示例性实施例的正电压升压器400和负电压升压器1100生成稳定的目标电压，而没有任何由于寄生电阻或负载电流而造成的电压降。

尽管已经为了图解说明的目的参考附图描述了本发明的示例性实施例，但是应当理解，发明处理和装置并不因此而被解释为限制。对于本领域的技术人员而言显而易见地，在不背离如所附权利要求(权利要求的等价物包含在内)限定的本发明的范围的情况下，可以对前述的示例性实施例做出各种改变。

Claims (20)

1.一种正电压升压器，包括：

运算跨导放大器OTA，其具有正和负输入端，并响应于正和负输入端之间的电压差而生成输出电流，正输入端接收通过用升压器的目标输出电压除以n得到的电压，负输入端接收通过用升压器的输出电压除以n得到的电压；

输入电容器，由OTA的输出电流充电以生成第一输入电压；

缓冲器，接收第一输入电压和输出第二输入电压；和

升压单元，将第二输入电压升高至第二输入电压的n倍以生成输出电压，其中n≥1。

2.如权利要求1所述的正电压升压器，其中所述缓冲器输出具有高电流能力的、与第一输入电压相等的第二输入电压。

3.如权利要求1所述的正电压升压器，其中所述缓冲器包括提供近似单位增益的模拟缓冲器。

4.如权利要求1所述的正电压升压器，其中所述升压单元包括电荷泵，其接收第二输入电压以生成输出电压。

5.一种正电压升压器，包括：

串联连接在升压器的输出电压和地电压之间的第一和第二电阻器；

运算跨导放大器OTA，其具有正和负输入端，并响应于正和负输入端之间的电压差而生成输出电流，正输入端接收通过用升压器的目标输出电压除以n得到的电压，负输入端连接到第一和第二电阻器之间的节点；

输入电容器，由OTA的输出电流充电以生成第一输入电压；

缓冲器，接收第一输入电压和输出第二输入电压；和

升压单元，将第二输入电压升高至第二输入电压的n倍以生成输出电压，其中n≥1。

6.如权利要求5所述的正电压升压器，其中所述第一电阻器具有电阻(n-1)R，其中R是参考电阻，第二电阻器具有参考电阻R。

7.如权利要求5所述的正电压升压器，其中所述缓冲器输出具有高电流能力的、与第一输入电压相等的第二输入电压。

8.如权利要求5所述的正电压升压器，其中所述缓冲器包括提供近似单位增益的模拟缓冲器。

9.如权利要求5所述的正电压升压器，其中所述升压单元包括电荷泵，其接收第二输入电压以生成输出电压。

10.一种负电压升压器，包括：

运算跨导放大器OTA，其具有正和负输入端，并响应于正和负输入端之间的电压差而生成输出电流，正输入端接收通过用从升压器的输出电压减去升压器的目标输出电压得到的电压除以n+1得到的电压，负输入端接收地电压；

输入电容器，由OTA的输出电流充电以生成第一输入电压；

缓冲器，接收第一输入电压和输出第二输入电压；和

升压单元，将第二输入电压升高至第二输入电压的n倍以生成输出电压，其中n≥1。

11.如权利要求10所述的负电压升压器，其中所述缓冲器输出与第一输入电压相等的第二输入电压。

12.如权利要求10所述的负电压升压器，其中所述缓冲器包括提供近似单位增益的模拟缓冲器。

13.如权利要求10所述的负电压升压器，其中所述升压单元包括电荷泵，其接收第二输入电压以生成输出电压。

14.如权利要求10所述的负电压升压器，其中n≥2。

15.一种负电压升压器，包括：

串联连接在升压器的输出电压和通过将升压器的负目标输出电压除以n得到的电压之间的第一和第二电阻器；

运算跨导放大器OTA，其具有正和负输入端，并响应于正和负输入端之间的电压差而生成输出电流，正输入端连接至第一和第二电阻器之间的节点，负输入端接收地电压；

输入电容器，由OTA的输出电流充电以生成第一输入电压；

缓冲器，接收第一输入电压和输出第二输入电压；和

升压单元，将第二输入电压升高至第二输入电压的n倍以生成输出电压，其中n≥1。

16.如权利要求15所述的负电压升压器，其中所述第一电阻器具有电阻(n-1)R，其中R是参考电阻，第二电阻器具有参考电阻R。

17.如权利要求15所述的负电压升压器，其中所述缓冲器输出与第一输入电压相等的第二输入电压。

18.如权利要求15所述的负电压升压器，其中所述缓冲器包括提供近似单位增益的模拟缓冲器。

19.如权利要求15所述的负电压升压器，其中所述升压单元包括电荷泵，其接收第二输入电压以生成输出电压。

20.如权利要求15所述的负电压升压器，其中n≥2。

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