專(zhuān)利名稱(chēng)：自激振蕩調(diào)節(jié)的低波紋電荷泵和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及集成電荷泵電路，更具體地涉及其中降低功率消耗和減少所需的 集成電路芯片面積的量的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
在集成電路運(yùn)算放大器中使用片上電荷泵自舉其輸入級(jí)末端電流源提供增大的 運(yùn)算放大器的軌對(duì)軌共模輸入電壓范圍。由于波紋電壓在末端電流中產(chǎn)生隨后傳播至運(yùn)算 放大器的輸出的噪聲，所以由電荷泵產(chǎn)生的升壓輸出電壓需要具有低的波紋電壓。希望片 上電荷泵消耗盡可能小的電流和功率。圖1示出已在受讓人的0PA365運(yùn)算放大器中使用的低波紋片上電流模式電荷泵， 其被認(rèn)為是最接近的現(xiàn)有技術(shù)。在圖1中，集成電路IA包括產(chǎn)生升壓輸出電壓Vout的電 流模式電荷泵電路1B。施加Vout以偏壓用作運(yùn)算放大器(未示出)的輸入級(jí)的末端電流 源的電源。電流模式電荷泵IB包括用作反饋放大器的運(yùn)算放大器4。反饋放大器4的(+) 輸入通過(guò)導(dǎo)體6連接至電壓源5的(+)端子，該電壓源5的(-)端子連接至正軌電壓源VDD， 由此在導(dǎo)體6上產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓Vref。電壓源5可產(chǎn)生大約1伏的恒定電壓，并能例如借助 P型溝道MOS晶體管和包括電阻器和電流源(未示出)的電路的柵極源極電壓Ves以各種 方式實(shí)現(xiàn)(由于電壓源5必須以高于Vdd的電壓操作，所以在P型溝道晶體管的柵極和漏極 連接至Vdd的情況下，P型溝道晶體管的源極通過(guò)電阻器和電流源耦聯(lián)至Vout)。反饋放大 器4的(-)輸入連接至導(dǎo)體3，在該導(dǎo)體3上產(chǎn)生電荷泵輸出電壓Vout。反饋放大器4的 輸出通過(guò)導(dǎo)體8連接到分別產(chǎn)生“放電電流” IO和“再充電電流” Il的兩個(gè)基本相同的受 控電流源7和9的控制端。受控電流源7和9中的每個(gè)受控電流源的上端子均連接至VDD。放電電流源7的下端子通過(guò)導(dǎo)體12連接至開(kāi)關(guān)Sl和S5中的每個(gè)開(kāi)關(guān)的一個(gè)端 子。開(kāi)關(guān)Sl的另一端子通過(guò)導(dǎo)體13連接到快速電容器Cl的“底”板，并連接到開(kāi)關(guān)S2的 一個(gè)端子，該開(kāi)關(guān)S2的另一端子連接至諸如Vss的電源電壓施加至的導(dǎo)體2。快速電容器 Cl的“上”板通過(guò)導(dǎo)體14連接至開(kāi)關(guān)S3和S4中的每個(gè)開(kāi)關(guān)的一個(gè)端子。開(kāi)關(guān)S3的另一 端子通過(guò)導(dǎo)體15連接至再充電電流源9的下端子。開(kāi)關(guān)S4的另一端子連接至電荷泵輸出 導(dǎo)體3。再充電電流源9的下端子通過(guò)導(dǎo)體15連接至開(kāi)關(guān)S7的一個(gè)端子。開(kāi)關(guān)S7的另 一端子通過(guò)導(dǎo)體18連接至第二快速電容器C2的頂板，并連接至開(kāi)關(guān)S8的一個(gè)端子，該開(kāi) 關(guān)S8的另一端子連接至Vout導(dǎo)體3?？焖匐娙萜鰿2的底板通過(guò)導(dǎo)體17連接至開(kāi)關(guān)S5和 S6中的每個(gè)開(kāi)關(guān)的一個(gè)端子。開(kāi)關(guān)S6的另一端子連接至Vss導(dǎo)體2。開(kāi)關(guān)S5的另一端子 連接至導(dǎo)體12。導(dǎo)體12上的電壓VDIseHAK;E等于快速電容器Cl的底板電壓Vcl或快速電容 器C2的底板電壓Vc2。在Vout導(dǎo)體3與Vdd之間連接有內(nèi)部旁路電容器CO。在Vout導(dǎo)體3與Vss之間 連接有汲取負(fù)載電流込的負(fù)載19，并且負(fù)載19能在集成電路芯片IA以?xún)?nèi)或以外。通常， 外部振蕩器IOA產(chǎn)生相位信號(hào)Fl及其邏輯補(bǔ)F2。相位信號(hào)Fl控制開(kāi)關(guān)Si、S4、S6和S7, 而相位信號(hào)F2控制開(kāi)關(guān)S2、S3、S5和S8。
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快速電容器Cl和C2交替地再充電和交替地放電到Vout導(dǎo)體3中，以便產(chǎn)生基本 上恒定值的輸出電壓Vout。在圖1的示例中，Vout用于控制運(yùn)算放大器(未示出)的末端 電流，其中MOS晶體管(未示出)的用作末端電流源的柵極-源極電壓Ves需要等于大致比 正軌電壓Vdd高1伏并借助電壓源5產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓Vref。通常借助于MOS晶體管實(shí)現(xiàn)電 荷泵IB的各種開(kāi)關(guān)，并控制電荷泵IB的各種開(kāi)關(guān)，使得除短的切換過(guò)渡期間之外，快速電 容器Cl與C2中的一個(gè)快速電容器總是通過(guò)開(kāi)關(guān)連接至輸出Vout。放電電流IO和再充電 電流Il的值由包括放大器4的反饋回路決定，其中Vout作為放大器4的倒相輸入并且導(dǎo) 體6上的電壓Vref作為其同相輸入。如果包括受控電流源10、Il和運(yùn)算放大器14的各種部件是理想的，則放電電流IO 和再充電電流Il等于負(fù)載電流Iy并且Vout在快速電容器的放電過(guò)程期間大致恒定(除 相對(duì)小的波紋電壓分量以外)。這是因?yàn)橛捎诳焖匐娙萜鰿l和C2中的每個(gè)交替地連接至 電荷泵輸出導(dǎo)體3，并通過(guò)放電電流IO從受控電流源7向負(fù)載19放電，同時(shí)另一快速電容 器由來(lái)自受控電流源9的相同量的電流Il再充電，所以包括反饋放大器4和受控電流源7 和9的反饋回路調(diào)節(jié)IO和II，以便使Vout精確地等于Vref。通常，外部振蕩器IOA用于使得快速電容器Cl和C2的“交換”以正好高于上述包 括輸入末端電流源26的運(yùn)算放大器(未示出)的帶寬的頻率發(fā)生。快速電容器Cl和C2 的“交換”指的是它們的功能從以Il再充電到以IO放電的交替切換。然而，前述技術(shù)從功率效率的觀(guān)點(diǎn)是不理想的，因?yàn)榭焖匐娙萜鞯慕粨Q頻率需要 基于快速電容器Cl和C2、VDD、和負(fù)載電流L最壞情況的值。在相位Fl和F2之間的切換 過(guò)渡期間，電荷泵1消耗用于對(duì)MOS晶體管(未示出)的開(kāi)關(guān)柵極電容再充電的能量，所述 MOS晶體管通常用于實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)S1、S2、…S8,并且對(duì)與快速電容器Cl和C2相關(guān)的寄生電容 Cpl和Cp2再充電。因此，電荷泵電路IB的功率消耗與相位信號(hào)Fl和F2的頻率成正比，并與快速電 容器Cl和C2的電容成反比。在包括圖1的現(xiàn)有技術(shù)電荷泵IB的現(xiàn)有產(chǎn)品中，相位信號(hào)Fl與F2的脈沖之間的 切換通常由外部振蕩器IOA控制。外部振蕩器IOA的頻率通常必須為以下最壞情況的組合 選擇電源值、電荷泵負(fù)載電流值、以及片上頻率設(shè)定電阻器和電容器的高電阻和電容，其 中片上頻率設(shè)定電阻器和電容器通常由于過(guò)程參數(shù)的變化而在值上具有至少15%的變化。當(dāng)與快速電容器相關(guān)的寄生電容Cpl或Cp2充電時(shí)，當(dāng)前正由放電電流IO放電的 快速電容器的底板電壓Vcl或Vc2升高，但底板電壓Vcl或Vc2不能超過(guò)VDD。根據(jù)負(fù)載電 流l·、電荷泵電源電壓、和Vout的最壞情況值選擇快速電容器Cl和C2最壞情況的電容值。實(shí)際上，在各種電路參數(shù)標(biāo)稱(chēng)值的情況下，快速電容器的值必須為電荷泵操作所 需的值的至少兩倍。每當(dāng)快速電容器功能被有效地交換時(shí)，因?yàn)樾枰獙?duì)寄生電容Cpl或Cp2 中的一個(gè)再充電，所以損失或浪費(fèi)一些能量。實(shí)際上損失的是對(duì)寄生電容Cpl或Cp2再充 電所需的電流。因此，希望電容器交換頻率盡可能地小，并且還希望通過(guò)使快速電容器盡可 能地小來(lái)減少集成電路芯片面積和成本，并且還希望通過(guò)使快速電容器的電容盡可能地小 來(lái)減小它們的寄生分量Cpl和Cp2。因此，需要改進(jìn)電荷泵電路，使其具有低的噪聲特性，并且比現(xiàn)有電路更有效地操 作和需要更小的集成電路芯片面積。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的集成電路電荷泵電路，其比具有可比較的低噪聲 性能的最接近現(xiàn)有技術(shù)的電荷泵電路更有效地操作。本發(fā)明的另一目的是提供一種改進(jìn)的集成電路電荷泵電路，其需要比具有可比較 的低噪聲性能的最接近現(xiàn)有技術(shù)的電荷泵電路更小的集成電路芯片面積。簡(jiǎn)要地描述，并根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明提供電荷泵電路(30)，其借助于對(duì)產(chǎn)生 第一(Fl)和第二(F2)互補(bǔ)相位信號(hào)的觸發(fā)器(22)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的比較器(20)，電荷泵電路 (30)將電流模式電荷泵(IB)中的第一(Cl)和第二(C2)快速電容器的底板電壓與基準(zhǔn)值 (Vdd-V28)相比較。第一和第二相位信號(hào)控制快速電容器的切換，以確定快速電容器的交換 頻率正好低到足以防止將快速電容器放電到輸出導(dǎo)體(3)中的放電電流源(IO)的飽和。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供電荷泵電路(30)，其包括電流模式電荷泵電路 (IB)，該電流模式電荷泵電路(IB)具有響應(yīng)反相的第一(Fl)和第二(F2)相位信號(hào)操作 的第一(Cl)和第二(C2)快速電容器和各種相關(guān)的開(kāi)關(guān)、第一(7)和第二(9)受控電流源 和反饋放大器(4)，所包括的全部器件耦聯(lián)以便產(chǎn)生升壓輸出電壓(Vout)。自激振蕩電路 (IOB)包括比較電路(20)，其具有第一輸入、第二輸入和輸出(V21)；觸發(fā)器電路(22)，其 具有耦聯(lián)至比較電路(20)的輸出(V21)的時(shí)鐘輸入(21)；和分別產(chǎn)生第一(Fl)、第二 (F2) 相位信號(hào)的第一輸出和第二輸出。電流模式電荷泵電路(IB)產(chǎn)生表示在第一(Cl)和第二 (C2)快速電容器上交替產(chǎn)生的第一(Vcl)和第二(Vc2)底板電壓的放電信號(hào)(VDISQIAK;E)。 比較電路輸出(V21)指示第一(Vcl)和第二(Vc2)底板電壓接近位于電荷泵電路(30)的第 一電源電壓(Vdd)的預(yù)定電壓(V28)的時(shí)間。比較電路(20)的第一輸入⑴接收放電信號(hào)
(Vdischarge) ο在描述的實(shí)施例中，比較電路包括比較器(20)和耦聯(lián)在比較電路(20)的第二輸 入(-)與第一電源電壓(Vdd)之間的電壓源(28)。觸發(fā)器電路(22)被配置為執(zhí)行二分頻 功能。在描述的實(shí)施例中，電壓源(28)產(chǎn)生大小足以防止第一受控電流源(7)的飽和的 電壓。自激振蕩電路(IOB)由第一電源電壓(Vdd)和LDO(低壓差輸出)調(diào)節(jié)器(11)供電。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種用于操作電荷泵電路(30)以產(chǎn)生升壓輸出信 號(hào)(Vout)的方法，包括借助于比較電路(20)將在電流模式電荷泵(IB)中產(chǎn)生的放電信 號(hào)(VDIS_eE)與基準(zhǔn)值(Vdd-V28)相比較，以便產(chǎn)生具有分別指示放電信號(hào)(VDIS_eE)上升超 過(guò)基準(zhǔn)值(Vdd-V28)的時(shí)間和放電信號(hào)(Vdisqiak;e)下降低于基準(zhǔn)值(Vdd-V28)的時(shí)間的邊緣的 輸出信號(hào)(V21),放電信號(hào)(Vdischaege)表示在電流模式電荷泵(IB)的第一 (Cl)和第二 (C2) 快速電容器上交替產(chǎn)生的第一(Vcl)和第二(Vc2)底板電壓；將比較電路(20)的輸出信號(hào) (V21)施加至觸發(fā)器(22)的輸入；借助于觸發(fā)器(22)產(chǎn)生第一 (Fl)和第二 (F2)互補(bǔ)相位 信號(hào)；以及將第一(Fl)和第二(F2)相位信號(hào)施加至控制操作第一(Cl)和第二(C2)快速 電容器的各種開(kāi)關(guān)的控制電極，以便產(chǎn)生放電信號(hào)(VDIS_eE)?；鶞?zhǔn)值(Vdd-V28)大致使第一 相位信號(hào)(Fl)的頻率最低，并且還避免電流模式電荷泵(IB)的受控電流源(10)的飽和。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供電流模式電荷泵電路(30)，包括裝置(20)，其借助 于比較電路(20)將在電流模式電荷泵(IB)中產(chǎn)生的放電信號(hào)(VDISQIAK;E)與基準(zhǔn)值(Vdd-V28)相比較，以便產(chǎn)生指示放電信號(hào)(VDIsaiAKeE)上升超過(guò)基準(zhǔn)值(Vdd-V28)的時(shí)間和放電信號(hào) (Vdischaege)下降低于基準(zhǔn)值(Vdd-V28)的時(shí)間的輸出信號(hào)(V21),放電信號(hào)(VDIseHAKeE)表示在電 流模式電荷泵(IB)的第一(Cl)和第二(C2)快速電容器上交替產(chǎn)生的第一(Vcl)和第二 (Vc2)底板電壓；響應(yīng)于比較電路(20)的輸出信號(hào)(V21)產(chǎn)生第一 (Fl)和第二 (F2)互補(bǔ) 相位信號(hào)的裝置(22)；以及如下裝置，其用于將第一(Fl)和第二(F2)相位信號(hào)施加至控 制第一(Cl)和第二(C2)快速電容器的電路連接的各種開(kāi)關(guān)(Sl、2-8)的控制電極，以便 產(chǎn)生放電信號(hào)(VDISQIAK;E)，從而確定電流模式電荷泵(IB)的快速電容交換頻率。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的電荷泵電路的示意圖(現(xiàn)有技術(shù))。圖2是根據(jù)本發(fā)明的自激振蕩電荷泵電路的示意圖。圖3是對(duì)圖2的理想自激振蕩電荷泵電路的操作的細(xì)節(jié)進(jìn)行指示的時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一種通過(guò)提供差動(dòng)電流模式的電荷泵電路產(chǎn)生精確的片上低噪聲電 壓源的能量有效方式，其中快速電容器的交換是基于當(dāng)前正被放電的快速電容器的底板電 壓(即現(xiàn)有技術(shù)圖1中的￥___)。得到的“自激振蕩”為電荷泵電路上任何特定的負(fù)載和 任何特定的電源電壓確保最低可能的快速電容器交換頻率。圖2示出包括自激振蕩電荷泵30的集成電路，該自激振蕩電荷泵30的輸出電壓 Vout能經(jīng)由導(dǎo)體3施加到片上應(yīng)用電路26，諸如上述運(yùn)算放大器的末端電流源。自激振蕩 電荷泵30包括現(xiàn)有技術(shù)的圖1的電流模式電荷泵IB和相位信號(hào)產(chǎn)生電路IOB以外還，該 相位信號(hào)產(chǎn)生電路IOB包括比較電路。比較電路可以是包括內(nèi)置偏置電路的比較器。替代 性地，比較電路可包括比較器20，該比較器20在其(-)輸入耦聯(lián)至具有連接至Vdd的(+)端 子的電壓源28的㈠端子的情況下耦聯(lián)在Vdd與Vss之間。電源電壓Vss可施加至圖1的電流模式電荷泵IB的導(dǎo)體2，或者替代性地可將調(diào) 節(jié)基準(zhǔn)電壓Vura施加至導(dǎo)體2。Vuw可由連接在Vdd與Vss之間的常規(guī)LDO(低壓差輸出)電 壓調(diào)節(jié)器11產(chǎn)生。LDO電壓調(diào)節(jié)器11可在集成電路芯片IA外部，或者其可與自激振蕩電 荷泵30 —起被包括在相同的集成電路芯片中。LDO電壓調(diào)節(jié)器11的使用減少傳播至輸出 Vout的時(shí)鐘信號(hào)泄露噪聲的量(每當(dāng)在電荷泵IB中發(fā)生快速電容器的切換，則大的電流脈 沖流過(guò)電源電壓Vdd的源，并由于寄生電阻和集成電路絲焊電感產(chǎn)生電源波紋電壓。電源波 紋電壓通過(guò)電荷泵電路傳播，并在電荷泵輸出信號(hào)Vout上產(chǎn)生不合需要的噪聲分量)。連接比較器20的⑴輸入以接收在導(dǎo)體12 (圖1)上由電流模式電荷泵IB產(chǎn)生 的放電電壓V
DISCHARGE0 比較器20在導(dǎo)體21上產(chǎn)生輸出信號(hào)V21，其中如果V
DISCHARGE J 于Vdd減
去電壓源28的電壓V28，則V21為“0”，如果Vdischaege大于Vdd減去電壓源28的電壓V28，則V21 為“1”。V21施加至D型觸發(fā)器22的時(shí)鐘輸入。觸發(fā)器22的Q輸出產(chǎn)生相位信號(hào)F1，該相 位信號(hào)Fl施加至如圖1所示的電流模式電荷泵IB的各種開(kāi)關(guān)的控制電極。觸發(fā)器22的 輸出產(chǎn)生相位信號(hào)F2，該相位信號(hào)F2連接至如圖1所示的電流模式電荷泵IB的各種開(kāi)關(guān)， 并且還連接至觸發(fā)器22的D輸出，從而使該觸發(fā)器22用作正邊緣觸發(fā)二分頻電路。通過(guò)如下方式降低圖2的電荷泵30的功率消耗強(qiáng)制其對(duì)于任何特定的電路參
7數(shù)、諸如VDD、負(fù)載電流Ip和包括上述末端電流源的上述運(yùn)算放大器的帶寬，以最低可能的 工作頻率自激振蕩?？焖匐娙萜鞯姆烹姾驮俪潆姽δ艿母鹘粨Q發(fā)生的瞬間由當(dāng)前通過(guò)開(kāi)關(guān) S4或S8耦聯(lián)至Vout導(dǎo)體3的快速電容器的底板處的電壓Vcl或Vc2限定。也就是說(shuō)，各 交換發(fā)生的瞬間由導(dǎo)體12上的電壓Vdisqiak;e限定，該導(dǎo)體12通過(guò)開(kāi)關(guān)Sl或S5耦聯(lián)至當(dāng)前 耦聯(lián)至Vout的快速電容器的底板。V28具有電流源IO變得接近于飽和并且不能再輸送電流的值。因此，當(dāng)Vdisqiak;e接 近Vdd-V28時(shí)，電流源IO傾向于飽和，并因此不再能精確地輸送負(fù)載電流和精確地維持Vout 等于Vref。因此，本發(fā)明提供一種以保持自激振蕩電荷泵30的精確度的方式、以最低交換 頻率交換快速電容器Cl和C2的功能的方法。具體地，由于在VDIseHAK;E比大約150毫伏更接近Vdd時(shí)受控電流源7不能精確地提 供放電電流10，所以在自激振蕩電荷泵30中，只有當(dāng)快速電容器Cl和C2相應(yīng)的底板電壓 Vcl和Vc2增加到V28，例如增加到低于正軌電壓Vdd的150毫伏時(shí)，才交換快速電容器Cl和 C2的功能。當(dāng)開(kāi)關(guān)Sl或S5閉合時(shí)，切換快速電容器Cl和C2的底板以在導(dǎo)體12上產(chǎn)生放 電電壓VDIsaM(;E，以便在放電電流源7開(kāi)始飽和之前使快速電容器Cl和C2的放電功能和再 充電功能交換。比較器20比較當(dāng)前正被IO放電的快速電容器Cl或C2的底板的放電電壓 VdiscHAEGE'使得當(dāng)VDIS_eE超過(guò)Vdd-150毫伏時(shí)，V21從“0”電平變?yōu)椤?1”電平。這使觸發(fā)器22 改變狀態(tài)，從而使相位信號(hào)Fl和F2的互補(bǔ)邏輯電平反向。這繼而切換快速電容器Cl與C2 的連接，以便交換它們放電和再充電的功能。例如，當(dāng)快速電容器C2在當(dāng)前F2脈沖結(jié)尾幾乎完全放電時(shí)，則將其頂板18與 Vout導(dǎo)體3斷開(kāi)并通過(guò)開(kāi)關(guān)S7連接，以便經(jīng)由導(dǎo)體15從再充電電流源9接收再充電電流 II。同時(shí)，電容器C2的底板17通過(guò)開(kāi)關(guān)S6連接至V·?；九c此同時(shí)，快速電容器Cl的 頂板14通過(guò)開(kāi)關(guān)S4連接至Vout，并且其底板13通過(guò)開(kāi)關(guān)Sl連接，以便經(jīng)由導(dǎo)體12從放 電電流源7接收放電電流10。于是，如圖3的VDISCHAK;E波形的Vcl部分所指示的，放電電流 IO開(kāi)始對(duì)寄生電容Cpl充電并從而電容器Cl放電到Vout導(dǎo)體3中，直到電容器Cl幾乎完 全被放電，并且VDISQM(;E上升至Vdd-150毫伏為止。這繼而使比較器20的輸出V21從“O”電 平變?yōu)椤?”電平。這導(dǎo)致觸發(fā)器22使相位信號(hào)Fl和F2的邏輯電平反轉(zhuǎn)，從而使快速電容 器Cl和C2的放電功能和再充電功能反轉(zhuǎn)。因此，除了在互補(bǔ)相位信號(hào)Fl和F2的脈沖的短的切換過(guò)渡期間外，放電電流IO 總是同時(shí)地使兩個(gè)快速電容器中的一個(gè)放電，而再充電電流Il總是對(duì)另一快速電容器再 充電，并且反饋放大器4連續(xù)地確定和控制為保持Vout等于Vref所需的相等電流IO和Il 的值。因此，在每個(gè)Vdisqiak;e變成等于Vdd_150毫伏的瞬間，比較器20的輸出V21從“O”變 為“1”電平，從而強(qiáng)制觸發(fā)器22改變其狀態(tài)。這使先前再充電的快速電容器的底板連接在 Vout之間，并使放電電流源IO使該快速電容器放電到Vout導(dǎo)體3中，并且還使另一快速電 容器的底板連接在再充電電流源Il與Vura之間，以對(duì)后一電容器再充電。例如，假定快速電容器Cl由通過(guò)開(kāi)關(guān)Sl流入寄生電容Cpl并流入電容器Cl的底 板13的IO放電，以便通過(guò)強(qiáng)制存儲(chǔ)在電容器Cl中的電荷通過(guò)開(kāi)關(guān)S4進(jìn)入Vout導(dǎo)體3來(lái) 升壓Vcl到VDD，并因此還因?yàn)殚_(kāi)關(guān)Sl閉合升壓Vdischak;e到VDD，如圖3中的附圖標(biāo)記40所 示。然后，快速電容器C2的底板17通過(guò)開(kāi)關(guān)S6連接至Vura，并且11同時(shí)通過(guò)開(kāi)關(guān)S7對(duì)C2再充電。當(dāng)Vdischaege達(dá)到圖3中的點(diǎn)41所示的Vdd-150毫伏時(shí)，比較器20的輸出V21如圖3 中的上升脈沖沿42所指示的快速地從“0”變?yōu)椤?”電平，以便使觸發(fā)器22改變狀態(tài)，并如 圖3中在點(diǎn)45和46處所示的使相位信號(hào)Fl和F2的邏輯電平反轉(zhuǎn)。相位信號(hào)Fl和F2這 些新的電平斷開(kāi)開(kāi)關(guān)Si、S4、S6和S7，并閉合開(kāi)關(guān)S2、S3、S5和S8，從而通過(guò)開(kāi)關(guān)S2使快 速電容器Cl的底板13連接至Vuw和通過(guò)開(kāi)關(guān)S3使電容器Cl的頂板14連接至II，并從而 使Cl再充電。C2的底板17通過(guò)開(kāi)關(guān)S5連接至10，并且頂板18通過(guò)開(kāi)關(guān)S8連接至Vout 導(dǎo)體3。也就是，快速電容器Cl和C2的放電功能和再充電功能被交換。因此，如圖3中的附圖標(biāo)記50所示，VDIseHAK;E快速下降到V·。同時(shí)，在對(duì)寄生電容 Cp2充電和通過(guò)Il對(duì)Cl再充電時(shí)，快速電容器C2通過(guò)電流IO放電到Vout。這使Vc2朝 Vdd上升，這種情形導(dǎo)致VDISQM(;E也如圖3中的附圖標(biāo)記51所指示的朝Vdd上升，直到Vdisqiak;e 達(dá)到點(diǎn)52所示的Vdd-150毫伏為止。這使V21重新從“0”電平變?yōu)椤?”電平，如附圖標(biāo)記55 所示，以便使觸發(fā)器22再次改變狀態(tài)，從而再次反轉(zhuǎn)相位信號(hào)Fl和F2的邏輯電平，從而再 次交換Cl和C2的放電功能和再充電功能。只要自激振蕩電荷泵30繼續(xù)被供電，相同的過(guò)程就繼續(xù)被重復(fù)。在圖3中還示出 Vout的低振幅噪聲假信號(hào)時(shí)序。因此，只有當(dāng)需要通過(guò)確保電流源7不飽和來(lái)維持精確地電荷泵操作時(shí)，才交換 電荷泵30的快速電容器Cl和C2，從而基本上使快速電容器交換的頻率最小，從而降低圖2 的電荷泵30總的功率消耗。如果導(dǎo)體2上的初始電壓Vura接近于正軌，則A2的電路不會(huì)起動(dòng)。為了避免該問(wèn) 題，觸發(fā)器22的時(shí)鐘輸入可耦聯(lián)至合適的電路，該電路在經(jīng)過(guò)明顯大于自激振蕩電荷泵30 最壞情況的正常操作周期的一定量的時(shí)間之后強(qiáng)制該觸發(fā)器22改變狀態(tài)。例如，如果圖2 的自激振蕩電路IOB由于導(dǎo)體2上的電壓太接近于Vdd而變得“卡住”，則可以各種方式強(qiáng)制 觸發(fā)器22改變狀態(tài)，因此，其繼續(xù)自激振蕩。例如，可使用低頻振蕩器(未示出)確保觸發(fā) 器22在經(jīng)過(guò)預(yù)定的時(shí)間間隔之后改變狀態(tài)，并且可將與或(AND/OR)門(mén)等耦聯(lián)在比較器20 的輸出V21與觸發(fā)器22的時(shí)鐘輸入之間，使得如果V21在預(yù)定的時(shí)間間隔之內(nèi)不從“0”電平 切換至“1”電平，則上述低頻振蕩器使觸發(fā)器22改變狀態(tài)，從而啟動(dòng)電荷泵電路30自建的 自激振蕩。本發(fā)明提高了電路操作效率并且減少集成電荷泵電路所需的芯片面積。盡管參考本發(fā)明若干特定的實(shí)施例描述本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠在不偏 離本發(fā)明的真實(shí)范圍的情況下對(duì)本發(fā)明所描述的實(shí)施例進(jìn)行各種改變。意欲與權(quán)力要求中 所陳述的非實(shí)質(zhì)不同的但分別以基本相同的方式執(zhí)行基本相同功能以實(shí)現(xiàn)與權(quán)利要求要 求保護(hù)的相同結(jié)果的所有元件或步驟落入本發(fā)明的范圍。當(dāng)然，由圖2的集成電路IOB產(chǎn) 生的升壓輸出電壓Vout可用于除控制末端電流源以外的用途。恒定電壓源5和28可具有 不是此所公開(kāi)的值的合適值。
權(quán)利要求
電荷泵電路，包括(a)電流模式電荷泵電路，其包括響應(yīng)反相位的第一和第二相位信號(hào)可操作的第一和第二快速電容器和各種相關(guān)的開(kāi)關(guān)、第一和第二受控電流源和反饋放大器，所述電流模式電荷泵電路包括的器件全部耦聯(lián)以便產(chǎn)生升壓輸出電壓；(b)自激振蕩電路，包括(1)比較電路，其具有第一輸入、第二輸入和輸出，(2)觸發(fā)器電路，其具有耦聯(lián)至所述比較電路的輸出的時(shí)鐘輸入和分別產(chǎn)生所述第一相位信號(hào)、第二相位信號(hào)的第一輸出和第二輸出，(3)所述電流模式電荷泵電路產(chǎn)生表示在所述第一和第二快速電容器上交替產(chǎn)生的第一和第二底板電壓的放電信號(hào)，以及(4)所述比較電路輸出指示所述第一和第二底板電壓接近所述電荷泵電路的第一電源電壓的預(yù)定電壓范圍內(nèi)的時(shí)間，耦聯(lián)所述比較電路的所述第一輸入以接收所述放電信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷泵電路，其中，所述比較電路包括比較器和耦聯(lián)在所述 比較電路的所述第二輸入與所述第一電源電壓之間的電壓源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷泵電路，其中，所述升壓輸出電壓被施加到與所述電荷 泵電路相同的集成電路芯片上的應(yīng)用電路；并且其中所述應(yīng)用電路包括需要由比所述第一 電源電壓高的升壓偏置電壓偏壓的運(yùn)算放大器末端電流源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷泵電路，其中，所述觸發(fā)器電路是邊緣觸發(fā)D型觸發(fā)器； 并且其中所述D型觸發(fā)器是配置為執(zhí)行二分頻功能的主從觸發(fā)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電荷泵電路，其中，所述電壓源產(chǎn)生近似150mV的電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷泵電路，其中，所述電流模式電荷泵包括耦聯(lián)至所述反 饋放大器的第一輸入的第一電壓源，所述反饋放大器的第二輸入耦聯(lián)至所述升壓輸出電 壓，所述電流模式電荷泵包括第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八開(kāi)關(guān)、耦聯(lián)在 所述第一電源電壓與傳導(dǎo)所述放電信號(hào)的第一導(dǎo)體之間的第一受控電流源，所述比較電路 的輸出耦聯(lián)到所述第一和第二受控電流源的控制端子，所述第一開(kāi)關(guān)耦聯(lián)在所述第一導(dǎo)體 與耦聯(lián)到所述第一快速電容器的底板的第二導(dǎo)體之間，所述第二開(kāi)關(guān)耦聯(lián)在所述第二導(dǎo)體 與基準(zhǔn)電壓之間，所述第三開(kāi)關(guān)耦聯(lián)在第三導(dǎo)體與第四導(dǎo)體之間，所述第三導(dǎo)體耦聯(lián)至所 述第一快速電容器的頂板，所述第二受控電流源耦聯(lián)在所述第一電源電壓與所述第四導(dǎo)體 之間，所述第四開(kāi)關(guān)耦聯(lián)在所述第三導(dǎo)體與所述升壓輸出電壓之間，所述第五開(kāi)關(guān)耦聯(lián)在 所述第一導(dǎo)體與耦聯(lián)至所述第二快速電容器的底板的第五導(dǎo)體之間，所述第六開(kāi)關(guān)耦聯(lián)在 所述第五導(dǎo)體與所述基準(zhǔn)電壓之間，所述第七開(kāi)關(guān)耦聯(lián)在所述第四導(dǎo)體與耦聯(lián)至所述第二 快速電容器的頂板的第六導(dǎo)體之間，所述第八開(kāi)關(guān)耦聯(lián)在所述第六導(dǎo)體與所述升壓輸出電 壓之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電荷泵電路，其中，所述第一、第四、第六和第七開(kāi)關(guān)的控制 電極被耦聯(lián)到所述第一相位信號(hào)，并且其中所述第二、第三、第五和第八開(kāi)關(guān)的控制電極被 耦聯(lián)到所述第二相位信號(hào)。
8.一種用于操作電荷泵電路以產(chǎn)生升壓輸出信號(hào)的方法，包括(a)通過(guò)比較電路比較電流模式電荷泵中產(chǎn)生的放電信號(hào)與基準(zhǔn)值，以產(chǎn)生具有分別 指示所述放電信號(hào)上升超過(guò)所述基準(zhǔn)值的時(shí)間和所述放電信號(hào)下降低于所述基準(zhǔn)值的時(shí)間的邊緣的輸出信號(hào)，所述放電信號(hào)表示在所述電流模式電荷泵的第一和第二快速電容器 上交替產(chǎn)生的第一和第二底板電壓；(b)將所述比較電路的輸出信號(hào)施加到觸發(fā)器的輸入；(C)通過(guò)所述觸發(fā)器產(chǎn)生第一和第二互補(bǔ)相位信號(hào)；以及(d)將所述第一和第二相位信號(hào)施加到控制操作所述第一和第二快速電容器的各種開(kāi) 關(guān)的控制電極，以便產(chǎn)生所述放電信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，包括提供所述基準(zhǔn)值，以便大致使所述第一相位信號(hào) 的頻率最低，并且還避免所述電流模式電荷泵的受控電流源的飽和。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，包括提供電源電壓和由LDO電壓調(diào)節(jié)器，即低壓差輸 出電壓調(diào)節(jié)器，產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓，以向所述電荷泵電路供電。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包括將所述升壓輸出電壓施加到所述電流模式電荷 泵的反饋放大器的反相輸入，和將等于所述電源電壓與預(yù)定的恒定電壓的和的升壓基準(zhǔn)電 壓施加到所述電流模式電荷泵的反饋放大器的同相輸入。
12.電流模式電荷泵電路，包括(a)裝置，其通過(guò)比較電路比較電流模式電荷泵中產(chǎn)生的放電信號(hào)與基準(zhǔn)值，以產(chǎn)生指 示放電信號(hào)上升超過(guò)基準(zhǔn)值的時(shí)間和放電信號(hào)下降低于基準(zhǔn)值的時(shí)間的輸出信號(hào)，所述放 電信號(hào)表示在所述電流模式電荷泵的第一和第二快速電容器上交替產(chǎn)生的第一和第二底 板電壓；(b)用于響應(yīng)所述比較電路的輸出信號(hào)產(chǎn)生第一和第二互補(bǔ)相位信號(hào)的裝置；以及(c)裝置，其將所述第一和第二相位信號(hào)施加到控制所述第一和第二快速電容器的電 路連接的各種開(kāi)關(guān)的控制電極，以產(chǎn)生所述放電信號(hào)，從而確定所述電流模式電荷泵的快 速電容交換頻率。
全文摘要
借助于對(duì)產(chǎn)生第一(F1)和第二(F2)互補(bǔ)相位信號(hào)的觸發(fā)器(22)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的比較器(20)，電荷泵電路(30)將電流模式電荷泵(IB)中的第一(C1)和第二(C2)快速電容器的底板電壓與基準(zhǔn)值(VDD-V28)相比較。第一和第二相位信號(hào)控制快速電容器的切換，以確定快速電容器的交換頻率正好低到足以防止將快速電容器放電到輸出導(dǎo)體(3)中的放電電流源(I0)的飽和。
文檔編號(hào)H03L7/093GK101926079SQ200980103122
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2009年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月25日
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