ITMI20062517A1

ITMI20062517A1 - Regolatore di una pompa di carica e struttura circuitale comprendente detto regolatore

Info

Publication number: ITMI20062517A1
Application number: IT002517A
Authority: IT
Inventors: Marco Pasotti; Marco Poles
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2008-06-29
Also published as: US20080174288A1; US7843255B2

Description

Dr. Ing. Enrico Mittler

DESCRIZIONE

deir invenzione industriale avente per titolo:

“Regolatore di una pompa di carica e struttura circuitale comprendente detto

regolatore .”

a nome: STMicroeletronics s.r.l.<'>? $ 1 7

* * * *

La presente invenzione concerne un regolatore per una pompa di carica

ed una struttura circuitale comprendente detto regolatore.

Una pompa di carica è un particolare circuito innalzatore che è

utilizzato per generare una tensione più alta della sua tensione di

alimentazione; normalmente le pompe di carica sono realizzate all" interno di

circuiti integrati. In genere, il funzionamento di una pompa di carica si basa

sul prelievo di una notevole quantità di carica dalla tensione di alimentazione

per trasferirla in una serie di stadi capacitivi che la riversano sull’uscita. La

frequenza di tale prelievo è determinata da un circuito di regolazione che

permette di fissare la tensione di uscita al valore voluto.

Gli attuali circuiti di regolazione prevedono il confronto tra la tensione

di uscita della pompa di carica ed una tensione di riferimento; in base a detto

confronto i circuiti di regolazione forniscono i segnali di abilitazione ai vari

stadi della pompa di carica per il prelievo della carica da uno stadio al

successivo della serie, con una frequenza variabile tra zero ed una frequenza

di clock impostata dall’esterno. Nella figura 1 è mostrata una pompa di carica

1 con un circuito di regolazione 2 avente in ingresso la tensione Vout in uscita

alla pompa di carica 1 ed un segnale di clock CK; il segnale Ckin in uscita al

regolatore 2 è in ingresso alla pompa di carica 1 alimentata da un segnale di Dr. Ing. Enrico Mittler

alimentazione Vdd.

Tale principio di funzionamento ha il vantaggio di massimizzare l’efficienza della pompa dato che essa viene accesa solo quando serve. L’inconveniente deriva dal fatto che la frequenza del prelievo di corrente dall’ alimentazione dipende dal carico attaccato alla pompa; infatti l’invio di segnali di abilitazione agli stadi capacitivi con bassa frequenza corrisponde generalmente alla condizione di pompa a vuoto, cioè in assenza di carico, mentre l’invio di segnali di abilitazione agli stadi capacitivi con alta frequenza corrisponde ad un elevata richiesta dal carico. Nella figura 2 sono mostrati i diagrammi temporali dei segnali Ivdd, Vout e Iout.

Tale comportamento porta ad avere sull’alimentazione degli spike di assorbimento a frequenza variabile, ciò genera un rumore ad ampio spettro che si riflette in tutto il circuito integrato alimentato dalla tensione di alimentazione. Nella figura 3 è mostrato lo spettro di frequenza S della corrente Ivdd.

Una pompa di carica in cui sono previsti mezzi per ridurre il rumore è nota dal brevetto EP 1408604. La pompa di carica comprende una sequenza di stadi capacitivi e mezzi per trasferire la carica elettrica da ogni blocco capacitivo al prossimo blocco capacitivo della sequenza; detti mezzi sono abilitati in modo alternativo durante una prima fase ed una seconda fase. La pompa di carica comprende mezzi per limitare la corrente che scorre attraverso ogni stadio capacitivo durante la prima fase e la seconda fase.

In vista dello stato della tecnica, scopo della presente invenzione è quello di fornire un regolatore di una pompa di carica che consenta la diminuzione del rumore nella pompa di carica.

Dr. Ing. Enrico Mittlcr

In accordo alla presente invenzione, detto scopo viene raggiunto mediante un regolatore per una pompa di carica avente un segnale in ingresso e generando un segnale di uscita ad un valore maggiore del segnale in ingresso, detta pompa di carica comprendendo almeno un condensatore ed almeno un dispositivo per la carica e la scarica del condensatore, detto regolatore comprendendo mezzi aventi in ingresso detto segnale in uscita dalla pompa di carica ed un segnale di riferimento, caratterizzato dal fatto che detti mezzi sono in grado di generare un segnale di alimentazione per detto almeno un dispositivo in risposta al valore della differenza fra detto segnale di uscita della pompa di carica e detto segnale di riferimento.

Sempre in accordo alla presente invenzione è possibile fornire una struttura circuitale come definita nella rivendicazione 4.

Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempio non limitativo negli uniti disegni, nei quali:

la figura 1 mostra uno schema tradizionale di un circuito a pompa di carica;

la figura 2 mostra i diagrammi temporali di segnali del circuito di figura 1;

la figura 3 mostra lo spettro di frequenza della corrente Ivdd;

la figura 4 mostra una pompa di carica con un regolatore in accordo alla presente invenzione;

la figura 5 mostra più in dettaglio la pompa di carica di figura 4;

la figura 6 mostra uno spettro in frequenza della corrente Ivdd del Dr. Ing. Enrico Mittler

circuito di figura 4;

la figura 7 mostra l’andamento temporale dei segnali Vout e Iload al variare del segnale Vin.

Nella figura 4 è mostrato un regolatore per una pompa di carica in accordo alla presente invenzione; la pompa di carica 1 ha in ingresso un segnale Val ed alimenta con una tensione Vout un carico LO AD connesso a massa GND ed in cui scorre una corrente Iload. Il regolatore comprende una serie di resistenze RI e R2 disposta fra la tensione Vout in uscita dalla pompa di carica 1 e massa GND, un amplificatore differenziale 3 atto ad amplificare la differenza fra la tensione Vr=Vout*R2/(Rl+R2) ed una tensione di riferimento Vref ed atto a pilotare, mediante il segnale di uscita Vg, un transistor M, ad esempio un transistor PMOS, avente il terminale di source connesso alla tensione di alimentazione Vdd ed il terminale di drain connesso ad un generatore di corrente I connesso a sua volta a massa GND. Sono presenti i condensatori di compensazione Ccl e Cc2 rispettivamente disposti fra la tensione Vout e la tensione Vg e la tensione Vg ed il terminale di drain del transistor M. Il regolatore genera una tensione Vin sul terminale di drain che è in ingresso alla pompa di carica 1.

In tal caso il regolatore fornisce alla pompa di carica 1 una tensione di alimentazione variabile Vin in ingresso e la pompa di carica opera ad una frequenza fissa di funzionamento CK. In tal modo lo spettro di frequenze S della corrente Ivdd presenta armoniche a frequenza multipla di CK, come visibile in figura 6.

Nella figura 5 è mostrata una pompa di carica con due stadi 10 e 11. Lo stadio 10 comprende uno stadio di carica comprendente due transistor MOS Dr. Ing. Enrico Mittler

MI e M2 che hanno i terminali di gate connessi rispettivamente al terminali di drain del transistor M2 ed al terminale di drain del transistor MI. I terminali di drain dei transistor MI e M2 sono rispettivamente connessi a due condensatori CI e C2 connessi a due dispositivi B 1 e B2 aventi rispettivamente in ingresso il segnale Ck ed il segnale Ck negato ed atti a caricare e scaricare i condensatori CI e C2. 1 terminali di source dei transistor MI e M2 sono connessi alla tensione Vdd che è la tensione Val di figura 4. In accordo all’invenzione i dispositivi B1 e B2 sono alimentati dal segnale Vin in uscita dal regolatore.

Lo stadio 1 1 comprende uno stadio di carica comprendente due transistor MOS M3 e M4 che hanno i terminali di gate connessi rispettivamente al terminale di drain del transistor M4 ed al terminale di drain del transistor M3. I terminali di drain dei transistor M3 e M4 sono rispettivamente connessi a due condensatori C3 e C4 connessi a due dispositivi B3 e B4 aventi rispettivamente in ingresso il segnale Ck ed il segnale Ck negato ed atti a caricare e scaricare i condensatori C3 e C4. In accordo all’invenzione i dispositivi B3 e B4 sono alimentati dal segnale Vin in uscita dal regolatore. I terminali di source dei transistor M3 e M4 sono in comune.

Fra l’uscita dello stadio 10 e l’ingresso dello stadio 11 è disposto un circuito comprendente due transistor PMOS MP1 e MP2; il terminale di drain del transistor MP1 è connesso al terminale di gate del transistor MP2 ed al terminale di gate del transistor M2 mentre il terminale di drain del transistor MP2 è connesso al terminale di gate del transistor MP1 ed al terminale di gate del transistor MI ed i terminali di source sono in comune e connessi con i Dr. Ing. Enrico Mittler

terminali di source dei transistor M3 e M4.

In uscita allo stadio 11 è disposto un circuito comprendente due transistor PMOS MP3 e MP4; il terminale di drain del transistor MP3 è connesso al terminale di gate del transistor MP4 ed al terminale di gate del transistor M4 mentre il terminale di drain del transistor MP4 è connesso al terminale di gate del transistor MP3 ed al terminale di gate del transistor M3 ed i terminali di source sono in comune e connessi ad un carico LOAD su cui insiste la tensione Vout di uscita della pompa di carica

Pertanto con una pompa di carica comprendente una pluralità di n stadi carica 10, 11... In la tensione Vin è atta ad alimentare i dispositivi Bl, B2...Bn dei singoli stadi di carica.

In accordo ad una variante della forma di realizzazione della presente invenzione, la tensione Vin è atta ad alimentare il primo stadio della pompa di carica in alternativa alla tensione Vdd, come visibile nella stessa figura 5 dove la tensione Vin, indicata in tratteggio, alimenta lo stadio di carica 10 al posto della tensione Vdd. Più precisamente la tensione Vin alimenta solo i transistor MI e M2 del primo stadio di carica 10, cioè la “struttura pompante” dello stadio di carica 10.

Nella figura 7 sono mostrati i diagrammi temporali della tensione di uscita Vout, della corrente sul carico LOAD Iload e della tensione Vin. La corrente Iload sale a rampa da lOua a 300uA, la tensione Vout si mantiene stabile ad un valore di 6.5 Volt e la tensione Vin sale da un valore di 1,8 Volt con Iload a 1 OuA ad un valore di 2,3 Volt con Iload a 300uA.

Claims

Dr. Ing. Enrico Mittler RIVENDICAZIONI 1. Regolatore per una pompa di carica (1) avente un segnale in ingresso (Val) e generando un segnale di uscita (Vout) ad un valore maggiore del segnale in ingresso, detta pompa di carica (1) comprendendo almeno un condensatore (C1-C4) ed almeno un dispositivo (B1-B4) per la carica e la scarica del condensatore, detto regolatore comprendendo mezzi (3, M) aventi in ingresso detto segnale (Vout) in uscita dalla pompa di carica ed un segnale di riferimento (Vref), caratterizzato dal fatto che detti mezzi (3, M) sono in grado di generare un segnale di alimentazione (Vin) per detto almeno un dispositivo (BI-B4) in risposta al valore della differenza fra detto segnale di uscita (Vout) della pompa di carica e detto segnale di riferimento (Vref).
2. Regolatore in accordo alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto segnale in ingresso (Val) alla pompa di carica è detto segnale di alimentazione (Vin) generato da detti mezzi.
3. Regolatore in accordo alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi (3, M) comprendono un amplificatore operazionale (3) atto ad amplificare la differenza fra detto segnale di uscita (Vout) della pompa di carica e detto segnale di riferimento (Vref) ed un transistor pilotato dal segnale in uscita a detto amplificatore operazionale (3) ed avente un terminale non pilotabile connesso ad un’ulteriore tensione di alimentazione (Vdd) e generando su detto altro terminale non pilotabile detto segnale di alimentazione (Vin).
4. Struttura circuitale comprendente una pompa di carica (1) ed un regolatore della pompa di carica, detta pompa di carica (1) avente un segnale in ingresso (Val) e generando un segnale di uscita (Vout) ad un valore Dr. Ing. Enrico Mittler maggiore del segnale in ingresso, detta pompa di carica (1) comprendendo almeno un condensatore (C1-C4) ed almeno un dispositivo (B1-B4) per la carica e la scarica del condensatore, detto regolatore comprendendo mezzi (3, M) aventi in ingresso detto segnale in uscita (Vout) dalla pompa di carica ed un segnale di riferimento (Vref), caratterizzato dal fatto che detti mezzi (3, M) sono in grado di generare un segnale di alimentazione (Vin) per detto almeno un dispositivo (B1-B4) in risposta al valore della differenza fra detto segnale di uscita (Vout) della pompa di carica e detto segnale di riferimento (Vref).
5. Struttura in accordo alla rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto segnale in ingresso (Val) alla pompa di carica è detto segnale di alimentazione (Vin) generato da detti mezzi.
6. Struttura in accordo alla rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detti mezzi (3, M) comprendono un amplificatore operazionale (3) atto ad amplificare la differenza fra detto segnale di uscita (Vout) della pompa di carica e detto segnale di riferimento (Vref) ed un transistor pilotato dal segnale in uscita a detto amplificatore operazionale (3) ed avente un terminale non pilotabile connesso ad un’ulteriore tensione di alimentazione (Vdd) e generando su detto altro terminale non pilotabile detto segnale di alimentazione (Vin).
7. Struttura in accordo alla rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta pompa di carica (1) comprende una pluralità di stadi di carica (10, 11) ognuno comprendendo almeno un condensatore (C1-C4) ed almeno un dispositivo (B1-B4) per la scarica e la carica di detto condensatore, ognuno di detti dispositivi (B1-B4) avendo detto segnale (Vin) generato dal regolatore come segnale di alimentazione. Dr. Ing. Enrico Mittler
8. Struttura in accordo alla rivendicazione 5}caratterizzato dal fatto che detta pompa di carica (1) comprende una pluralità di stadi di carica (10, 11) ognuno comprendendo almeno un condensatore (C1-C4) ed almeno un dispositivo (B1-B4) per la scarica e la carica di detto condensatore, detto segnale (Vin) generato dal regolatore essendo il segnale di alimentazione di ognuno di detti dispositivi (B1-B4) e il segnale di ingresso (Val) del solo primo stadio della pompa dì carica.
9. Struttura in accordo alla rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto almeno un dispositivo (B1-B4) è pilotato da un segnale a frequenza fìssa (Ck).
10. Struttura in accordo alla rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto detto almeno un dispositivo (B 1 -B4) comprende un inverter.