CN102265494B

CN102265494B - 电荷泵电路

Info

Publication number: CN102265494B
Application number: CN200980150393.1A
Authority: CN
Inventors: 吉尔贝托·库拉托拉; 尤里·维克多诺维奇·波诺马廖夫
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2029-12-17
Also published as: EP2380266B1; WO2010070603A1; US8823443B2; EP2380266A1; CN102265494A; US20110241767A1

Abstract

本发明描述了一种电荷泵电路(1，1’)，包括：电源电压输入节点(10)，用于施加要被升高的输入电压(U_in)；升压输出节点(11)，用于输出升高的电压(U_out)；以及多个晶体管级，串联连接在所述电源电压输入节点(10)和所述升压输出节点(11)之间；其中，至少一个晶体管级包括多栅极晶体管(D1，...，D5)，所述多栅极晶体管(D1，...，D5)包括至少两个栅极，其中一个是第一栅极(G)，用于根据施加到第一栅极(G)上的电压使晶体管(D1，...，D5)导通或截止，另一个是附加的第二栅极(G_i)，用于根据施加到第二栅极(G_i)上的控制电压(Φ₁，Φ₂)，独立于所述第一栅极(G)，来控制多栅极晶体管(D1，...，D5)的阈值电压。本发明还描述了一种使用电荷泵电路(1，1’)来升高电压的方法，电荷泵电路(1，1’)包括串联连接在电源电压输入节点(10)和升压输出节点(11)之间的多个晶体管级，其中至少一个晶体管级包括多栅极晶体管(D1，...，D5)，方法包括：在电源电压输入节点(10)处施加要被升高的输入电压(U_in)；向多栅极晶体管(D1，...，D5)的第二栅极(G_i)施加控制电压(Φ₁，Φ₂)，以控制多栅极晶体管(D1，...，D5)的阈值电压；以及在电压输出节点(11)输出升高的电压(U_out)。

Description

电荷泵电路

技术领域

本发明描述了一种电荷泵电路以及一种使用电荷泵电路升高电压的方法。

背景技术

电荷泵是一种能使用电容器在级之间存储能量来向上泵动电荷以生成高于常规电源电压的电压的电路。一般使用二极管链，将电荷从一个级转移到另一级。在低压应用中，链中的“二极管”一般是MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，MOSFET被连接以使得电荷仅能沿一个方向流动，即是说，使得晶体管用作具有特定正向偏置电压的二极管。使用半导体技术的电荷泵被广泛地应用到存储器和多种电源管理集成电路中。另一个使用这种电荷泵电路的重要领域是无源RFID(射频标识符)标签，其中，首先将标签的收发器接收到的AC电压转换为直流电源，然后通过在标签中的电路将直流电压“泵动”或者升高到需要的水平。

一种常用半导体电荷泵电路为Dickson电荷泵，该电荷泵使用二极管晶体管级的链，沿着该链对电荷进行泵动，该电荷泵还使用在每级输出处的电容器来存储电荷。这里，术语“晶体管级”是指一种独特的电路配置，例如在链中重复的二极管晶体管和电容器。其它的电路元件，比如附加晶体管和可选的减少电压纹波的电容器，可以连接在最末的晶体管级和输出电压节点之间。电源电压施加到第一级，施加控制信号或者“泵动时钟”以将电荷“泵动”到电容器上。最末的晶体管或者晶体管级处的输出为“升高”的电压。

最终能够以电荷泵达到的输出电压-电压增益-还依赖于输入电压之外的其他多个因素，例如使用的晶体管级的数目，每个晶体管级的电压增益，输出负载和消耗的电流。在传统电路中，每级上的电压增益，或者单级增益，在一定程度上都受限于晶体管的阈值电压。在典型的MOSFET中，所述阈值电压可以在大约0.3-0.4V之间。当前技术发展中的电路的效率一般仅为大约18％-20％。只要电源电压和泵动时钟电压电平显著大于阈值电压，就能获得满意的输出电压。然而，低压应用中的电源电压并没有高出阈值电压太多，且由于单级增益可忽略，所以Dickson电荷泵变得非常不适合。

在文献“MOS Charge Pumps for Low-Voltage Operation”(Wu，Chang；IEEE Journal of Solid-State Circuits，Vol.33，No.4，April 1998)中描述了一种备选方法，由于在使用电荷转移开关(CTS)以及二极管晶体管的电荷泵电路中，电荷转移独立于阈值电压，所以这种电荷泵电路来提供较高的单级增益。然而，这种类型的电路也存在其局限性，即在电荷转移开关上的反向电荷泄漏，这导致升高的输出电压较低。为了克服这个缺点，对于每一个升高级，必须包括附加的一对晶体管，以将电荷转移开关晶体管完全截止，这导致相应复杂的电路和增加的功率耗散。

发明概述

本发明的目的在于提供一种克服上述问题的备选的电荷泵电路。

本发明的目的通过根据权利要求1所述的电荷泵电路和根据权利要求13所述的一种使用电荷泵电路升高电压的方法来实现。

根据本发明的电荷泵电路包括：电源电压输入节点，用于施加要被升高的输入电压；升压输出节点，用于输出升高的电压；以及多个晶体管级，串联连接在所述电源电压输入节点和所述升压输出节点之间。在根据本发明的电荷泵电路中，至少一个晶体管级包括多栅极晶体管，所述多栅极晶体管包括至少两个栅极，其中一个是第一栅极，用于根据施加到第一栅极上的电压使多栅极晶体管导通或截止，另一个是第二栅极，用于根据施加到第二栅极上的控制电压，独立于所述第一栅极，来控制多栅极晶体管的阈值电压。

术语“多栅极”(“multiple-gate”或者“multigate”)晶体管是指诸如具有可以彼此独立地被控制的至少两个栅极电极或者端子的场效应晶体管之类的晶体管。这种晶体管是如下研究工作的成果：针对由于在比如32nm等亚微米技术中的短沟道效应而导致的平面晶体管的物理限制，找到解决方案。在多栅极器件中，栅极实现在沟道周围的多个表面上，从而允许小型化的实现以及有效抑制泄漏电流(1eakage current)。

通过独立地驱动多栅极晶体管的两个栅极，可以动态地控制器件的阈值电压。具体而言，如果在施加到第二栅极上的电压发生改变时，将一个栅极用作“正常”控制栅极来导通或截止晶体管，则可以对晶体管性能进行电调谐并相应地改变晶体管的阈值电压。例如，当在第一栅极上施加高压以便按照通常的方式导通晶体管时，施加到第二栅极上的低压造成阈值电压降低，从而允许更多的电荷转移通过晶体管。另一方面，当在第一栅极上施加低压以便按照通常的方式截止晶体管时，施加到另一栅极上的高压造成阈值电压升高，因此该晶体管能被使当地截止。因此，根据本发明的电荷泵电路的优点在于，它可用于低功率应用中，在这些低功率应用中，传统的电荷泵设计由于与阈值电压或者电荷泄漏相关的问题而失灵。

根据本发明的电荷泵电路的另一个优点在于，能够按需地升高或者降低阈值电压，这允许针对包含多栅极晶体管的晶体管级，达到更大的单级增益，同时也可以适当地截止晶体管。因此，与传统的电路相比，根据本发明的电荷泵电路可以实现效率上高达因子二(2)的提高。

根据本发明使用电荷泵电路升高电压的方法，所述电荷泵电路包括串联连接在电源电压输入节点和升压输出节点之间的多个晶体管级，其中至少一个晶体管级包括具有至少两个栅极的多栅极晶体管，其中一个栅极是第一栅极，用于根据施加到第一栅极上的电压使多栅极晶体管导通或截止，另一个栅极是附加的第二栅极，用于根据施加到第二栅极上的控制电压，独立于所述第一栅极，控制多栅极晶体管的阈值电压。所述方法包括：在电源电压输入节点处施加要被升高的输入电压；向所述多栅极晶体管的第二栅极施加控制电压，以控制所述多栅极晶体管的阈值电压；以及在电压输出节点处输出升高的电压。

独立权利要求和随后的描述将特别披露本发明有益的实施例和特征。

电荷泵电路有时也可以被称为“电荷提升器”电路。因此这些术语可以在下文中相互交换地使用，而不以任何方式限制本发明。

如以上示出的，使用多栅极晶体管允许动态调整晶体管的阈值电压，使得在电荷泵的单个级使用多栅极晶体管来转移电荷的情况下，可以提高该单级增益。因此，在本发明的具体优选实施例中，电荷泵电路的每个晶体管级优选地包括具有可独立地控制的第二栅极的多栅极晶体管。在这种电路中，每一晶体管级均具有提高的单级增益，使得与现有技术的电荷泵电路相比，整个电荷泵电路可以给出改进的升高的输出电压。简单来说，该优选实施例不受到由于阈值电压考虑而导致的制约，而现有技术的电压泵电路受到这些制约。

如上所述，半导体制造技术最近的发展方向是朝向可实现的多栅极MOSFET。具有三个或者多个独立可控栅极的器件是可设想的。然而，为了本发明的电荷泵的目的，第二个独立可控栅极就足够了。因此，根据本发明的电荷泵电路中使用的具有独立栅极的多栅极晶体管优选地包括双栅极FinFET晶体管，比如4端子FinFET等等，即，MOSFET具有源极端子，漏极端子和两个可以彼此独立地被控制的栅极端子。为了避免混淆，当用于下文时，术语“第一栅极”是指在其上施加电压以便按照常规方式将晶体管导通或截止的栅极，而术语“第二栅极”(在下文中也叫做“独立栅极”)是指另一栅极端子，可以向该另一栅极端子施加电压，得到升高或者降低晶体管的阈值电压的效果。

如本领域技术人员公知的，传统电荷泵电路具有相对较低的效率的一个原因是衬底损失造成的。因此，根据本发明的电荷泵电路的另一优选实施例中，可以通过实现绝缘体上硅(SOI)FinFET器件，来利用绝缘体上硅(SOI)的优点。除了已经提到的优点之外，由于衬底中隔离层(也叫“BOX”层)的存在能在显著提高电荷泵电路的效率，所以这种电路更进一步的特征在于极大地减少衬底损失。

在具有由二极管连接的晶体管级的电荷泵电路中，如果级的输入处的电位高于其输出处的电位，则电荷将从晶体管级输入转移到晶体管级输出。通常通过向交替的晶体管级输入节点施加控制电压，来提高这些节点处的电位。因此，在本发明的具体优选实施例中，第一和第二控制电压包括相反相位的本质上方波信号，使得交替的晶体管级输入节点处的电位能够被均匀和快速地升高。

如已经示出的，当晶体管导通时，低阈值电压是优选的。另一方面，当晶体管不应该导通时，即当它截止时，高阈值电压是优选的。这里考虑的类型的电荷泵电路中，相邻晶体管级中的晶体管可以交替地导通或截止，使得交替的晶体管级具有更高的输入电位，即更高的源极电压。这里使用的表达“交替的晶体管”的意思是“每隔一个晶体管”或者“每第二个晶体管”。然而，在传统的MOSFET中，当源极电压升高时，阈值电压也升高，这导致较少的电荷转移。另一方面，当所述MOSFET截止时，阈值电压降低，使得一定量的电流通过晶体管“泄漏”回来。这被称作晶体管的“体效应”，并且极大程度上导致传统电荷泵电路性能的局限。

在根据本发明的方法中，控制电压不仅施加至晶体管级输入节点，但也选择性地应用于动态地控制晶体管级中多栅极晶体管的阈值电压。因为控制电压本质上为方波，所以方波基本上有两个电平，即“关”和“开”，其中“关”对应于零电压值，“开”对应于控制输入的高电压值。在本发明更优的实施例中，第一控制电压输入节点连接至交替的晶体管级的双栅极晶体管的独立栅极，以施加第一控制电压来动态控制这些双栅极晶体管的阈值电压，第二控制电压输入节点连接至其余晶体管级的双栅极晶体管的独立栅极，以施加第二控制电压来动态控制这些双栅极晶体管的阈值电压。

如上所述，在电荷泵电路中，使用连接在输出级和控制电压之间的电容器来存储在晶体管级的输出处的电荷。因此，根据本发明的电荷泵优选地包括用于将晶体管级的输出或者漏极连接到随后晶体管级的输入或者源极的中间节点，以及并联连接在相邻晶体管级的中间节点与第一或者第二控制电压输入节点之间的多个电容器。

根据本发明的电荷泵电路的一种可能的实现方式中，每个晶体管级的双栅极晶体管的独立栅极连接至第一或者第二控制电压输入节点，使得晶体管级的独立栅极和连接到所述晶体管级的输出的电容器被连接到相同的控制电压输入节点，并且交替的晶体管级的独立栅极连接到第一控制电压输入节点，而其余晶体管级的独立栅极连接到第二控制电压输入节点。换句话说，对于一个特定晶体管级，将相同的控制电压施加到它的独立栅极以及与该级输出连接的电容器上。在这个特别简单的实施例中，其设计是基于公知的Dickson电荷泵，施加到导通晶体管的独立栅极上的控制电压为“低”，使得该导通晶体管的阈值电压也相应地为低，因此增加能被转移的电荷。对于一个“截止”的晶体管，即该晶体管的源极电位低于它的漏极电位，施加到独立栅极上的控制电压为“高”，使得这个非导通晶体管的阈值电压被升高，因此允许这个晶体管被有效地截止，同时也实质上减少了通过晶体管返回的泄漏电流。

根据本发明的电荷泵电路不局限于如上所述的简单的Dickson类型的电荷泵，其中每个晶体管级包括二极管连接的多栅极MOSFET。因此，在本发明的另一实施例中，晶体管级优选地包括用作二极管的常规单栅极MOSFET，其与用作电荷转移开关(CTS)的双栅极晶体管并联连接。在这个电路中，因为晶体管级的最低电压对应于前一级的最高电压，所以可以显著增加每个晶体管级上的增益。

晶体管级的输出用于导通或者截止前一级的电荷转移开关。因为电荷转移开关为多栅极晶体管，所以施加到独立栅极上的电压可以用于(动态地)调整阈值电压。因此，在本发明的另一实施例中，晶体管级的双栅极晶体管的独立栅极连接至第一或者第二控制电压输入节点，使得晶体管级的独立栅极和连接于该晶体管级的输出节点的电容器被连接到不同的控制电压输入节点，并且交替的晶体管级的独立栅极连接至第一控制电压输入节点，而剩余晶体管级的独立栅极连接至第二控制电压输入节点，其中交替的晶体管级的输出节点连接至前一晶体管级的双栅极晶体管的第一栅极。

这个优选实施例允许更高效地实现使用静态电荷转移开关的电荷泵电路。在传统的电路中，电荷转移开关不能被适当地截止，所以经过电荷转移开关返回的泄漏电流导致较低的升高输出电压。根据本发明的方法，通过将多栅极MOSFET用于电荷转移开关并且通过调整它们的阈值电压，当需要的时候，这些多栅极MOSFET可以被有效地截止。因此，根据本发明的电荷泵电路可获得的升高输出电压有利地高于通过可比较的现有技术电路可得到的电压。

这使得根据本发明的电路泵电路尤其适用于低压应用中。因此，在根据本发明的电荷泵电路中，施加到电路输入节点的电源电压优选地是在范围1V到1.1V，更优选地是在范围0.9V到1V，最优选地是在范围0.8V到0.9V。根据本发明的电荷泵电路耗散的功率优选在范围4-5μW上，更优选地在3-4μW上，最优选地在1-2μW上。

这种低压应用的一个例子是无源射频标识符(RFID)标签或者智能卡。这些设备不连接到电源，而是必须从天线处接收的射频信号中获得电能供应。显然，这种信号中包含的能量是低的。因此，为了向包含在这些设备中的电路(例如逻辑模块，存储器，调制器等等)供能，这些设备一般具有电荷泵电路来升高从对天线输出处传递的AC信号进行整流和平滑而得到的电压，其中整流和平滑是为了提供随后必须被升高的低DC输入信号。

因此，根据本发明的射频通信电路包括用于接收和/或发送射频信号的天线，用于提供电源电压的电源电压源，用于处理在射频电路中产生的信号的电路模块，以及根据以上任一实施例描述的用于升高电源电压以向电路模块提供升高的电压的电荷泵电路。通过使用根据本发明的电荷泵电路，能够使用比传统电荷泵电路简单得多的实现方式来获得更大的升高的电压。

根据本发明的电荷泵电路也可以用于其它应用，例如需要相对高的电压脉冲以在写操作之前清除存储器的各个位的存储器电路，或者根据要在待机模式或在在用模式下对设备供能来提供不同级别的电能的电源管理电路。

通过结合附图和下面详细的描述，本发明的其它目的和特征将变得显而易见。然而，应该理解地是，附图设计的目的仅仅是为了描述，而非对本发明的限制。

附图描述

图1a示出了现有技术的Dickson电荷泵；

图1b示出了用于泵动图1a电荷泵电路中电荷的一对控制电压信号；

图1c示出了图1a电荷泵电路的第一节点和第二节点的电压电平；

图2示出了双栅极FinFET的电路表示；

图3a示出了根据本发明的电荷泵电路的第一实施例；

图3b示出了图3a中电荷泵电路第一节点和第二节点的电压电平；

图4示出了现有技术中使用电荷转移开关的电荷泵电路；

图5a示出了根据本发明的电荷泵电路的第二实施例；

图5b示出了图5a中电荷泵电路第一节点、第二节点和第三节点的电压电平；

图6示出了根据本发明的射频通信电路的实施例。

这些附图中，相同的数字代表相同对象，图中的对象不一定按照比例绘制。

具体实施例

图1示出了现有Dickson电荷泵电路，包括一系列晶体管级。每个晶体管级包括晶体管T1，T2，T3，T4，典型地为MOSFET，晶体管的漏极连接到下一晶体管级的晶体管的源极以及连接到电容器C，电容器C也连接到控制电压节点12，13。在输入节点10上施加输入电源电压U_in，在第一和第二控制电压输入节点12，13上分别施加第一和第二控制电压信号Φ₁，Φ₂，输出节点11处的电容器C_f用于减小输出电压U_out上的纹波。

输出升高电压U_out取决于多个因素，比如晶体管级的数目、电容器C的电容、控制电压信号Φ₁，Φ₂的输入电压U_in电平以及最高电平U_phi、控制电压信号Φ₁，Φ₂的频率等等。电容器C通常选择为具有相同的值，但是本领域技术人员应理解这不是必须的。

基本上，Dickson电荷泵工作如下：由也可称为“泵动时钟”的控制电压信号Φ₁，Φ₂将电荷泵动到电容器中。如图1b所示，控制电压信号Φ₁，Φ₂是值在0伏特和U_phi之间的相反相位的方波信号。通过适当选择控制电压电平U_phi和通过交替地对电容器充电和放电，将晶体管二极管T1，T2，T3，T4交替地导通或截止，以沿着晶体管级的链转移电荷。

从左往右看，图1c示出了图1a中电荷泵电路的前两个晶体管T1，T2的输出节点处的电压。当第一控制电压信号Φ₁为低时，第一晶体管T1导通，从而在节点N1处的电压U1变为

U1＝U_in-U_TH(1)

由于第一晶体管的源极的电压为U_in，并且电压U_TH为晶体管二极管的阈值电压或正向偏置电压(假设每个晶体管T1，T2，T3，T4具有相同的阈值电压)。当第一控制电压信号Φ₁变高时，第二控制电压信号Φ₂变低，使得第一晶体管T1截止，第二晶体管T2导通。节点N1的电压现在为

U1＝U_in-U_TH+U_phi＝U_in+(U_phi-U_TH)(2)

由于等式(1)给出的电荷由电容器存储并通过第一控制电压而增加，当第一控制电压信号Φ₁再次变低时，第二控制电压信号Φ₂变高，使得节点N2的电压升高了泵动到连接于节点N2的电容器中的电荷量U_phi：

U2＝U_in+(U_phi-U_TH)-U_TH(3)

再次，当第一控制电压信号Φ₁变低，第二控制电压信号Φ₂变高时，第二晶体管T2截止，连接到节点N2的电容器被充电附加的量U_phi，使得节点N2的电压U2变为

U2＝U_in+2·(U_phi-U_TH)(4)

该原理应用到随后的晶体管级，从而在第n晶体管级的输出处的电压可以写为：

Un＝U_in+n·(U_phi-U_TH)-U_TH(5)

显然，输出处的实际有用电压U_out会由于输出负载以及电路的杂散(stray)电容而减小。然而，为了说明的目的，需指出的是，阈值电压U_TH对可获得的电压输出U_out具有限制的制约，这是因为在这种传统电荷泵电路中每个晶体管级的单级增益SSG_c为

SSG_c＝U_phi-U_TH (6)

通常，控制信号的幅度U_phi本质上与电源电压电平U_in相同。很明显，对于比如射频标识中的低电源电压电平，阈值电压U_TH的负面影响变得更显著了。

图2示出了具有独立栅极的双栅极场效应晶体管D的电路表示，比如FinFET。这种类型的晶体管D具有常规的源极端子20和漏极端子21。除了连接到第一栅极G的栅极端子22之外，双栅极FinFET D也具有连接到第二独立栅极Gi的附加的栅极端子23。利用该附加的栅极端子23，可以按需向独立栅极施加低或高电压，以升高或者降低该器件的阈值电压。

图3a示出了根据本发明的电荷泵电路1的第一实施例，其中以一种简单和有效的方式来处理阈值电压的问题。与图1的电路相似，在具有并联布置的电容器C的一系列晶体管级中，连接双栅极晶体管二极管D的链。在该图中，如上述图2示出，晶体管二极管D为双栅极FinFET，每个均具有第一栅极G和能够独立于第一栅极G而被控制的第二(独立)栅极G_i。为了清楚的目的，在图中并未明显地标出这些栅极。晶体管级的FinFET D的独立栅极连接到第一控制电压输入12或者第二控制电压输入13。这里，(在图中沿电荷转移的方向从左往右看)第一、第三和第五FinFETD1，D3，D5通过它们的独立栅极连接到第一控制电压输入12，第二和第四FinFET D2，D4通过它们的独立栅极连接到第二控制电压输入13。

该电路操作原理如下：输入电压U_in施加到电压输入节点10，第一和第二控制电压信号Φ₁，Φ₂分别施加到第一和第二控制电压输入12，13。当施加到第一控制电压输入节点12的第一控制电压Φ₁为低(0伏特)时，第一FinFET D导通。此外，因为施加到第一FinFET D的第二栅极的电压为第一控制电压Φ₁，因此也为低，所以该FinFET的阈值电压降低，使得在第一节点N1的电压为

U1＝U_in-U_min (1’)

在将电荷泵动到第一级输出处到电容器C上之后，在第一节点N1的电压增加到：

U1＝U_in+(U_phi-U_min)(2’)

因此，对于这个电路，当电荷被泵动到它的输出电容器C上之后，第n个节点的电压可以表示为

U2＝U_in+n·(U_phi-U_min)-U_min(5’)

改进的单级增益SSG可以表示为

SSG＝U_phi-U_min (6’)

其中，降低的阈值电压U_min显著小于传统二极管MOSFET的阈值电压U_TH。

图3b示出了图3a改进的Dickson电荷泵的第一和第二节点N1，N2处的电压。因为单级增益SSG高于传统Dickson电荷泵电路的单级增益SSG_c，因此在输出节点11上的可用的升高的电压U_out也相应地更高。所示电荷泵电路1可达到的效率可高达40％，这远远好于可比较的传统电路能够达到的18％-20％。

图4示出了现有技术使用晶体管级来升高输入电压U_in以获得输出电压U_out的电荷泵电路，每个晶体管级具有二极管晶体管MD和用作电荷转移开关的附加的晶体管MS1，MS2，MS3，MS4，MS5。电路的行为可总结如下：二极管晶体管MD设置每个泵动节点N1，N2，N3，N4，N5处的电压，但是并不涉及到泵动操作本身中。节点N2，N3，N4，N5处的电压用于控制先前级的电荷转移开关MS1，MS2，MS3，MS4。通过对应的泵动时钟或者控制电压信号Φ₁，Φ₂导通和截止电荷转移开关MS1，MS2，MS3，MS4，MS5，允许仅沿一个方向推送电荷。这种电路的操作在背景技术介绍的Wu和Chang的论文中清楚地描述，在此就不需详细地解释了。

基本上，该电路中不存在对阈值电压的明显依赖性，对于输入电源电压U_in，晶体管级输出节点处的电压U_n表示为

U_n＝U_in+n·ΔV(7)

其中，ΔV依据控制电压电平U_phi、电容C、任意杂散电容、控制电压信号的频率以及通过电荷泵输出处的负载的电流。很明显，ΔV必须高于电荷转移开关的阈值电压以使电路起作用。然而，该电路并不是完全理想，因为电荷转移开关MS1，MS2，MS3，MS4由于阈值电压的两个相互冲突的需求而不能被完全的截止，正如背景技术介绍的Wu和Chang的论文解释的一样。简言之，阈值电压必须同时高于两倍ΔV且低于两倍ΔV。由于这种需求明显不能满足，因此，电荷转移开关就不能被适当地截止，导致泄漏电流，使得实际上可实现的输出电压要小于预期的输出电压，原因在于不能获得单级增益ΔV。

图5a示出了根据本发明的备选电荷泵电路1’，其使用晶体管级链中的电荷转移开关D1，D2，D3，D4，D5来将输入电压U_in升高到输出电压U_out。同样，电路1’的操作原理上与上述图4的相同。然而，在本发明的这个实施例中，电荷转移开关D1，D2，D3，D4为具有独立栅极的双栅极MOSFET。这里示出的电荷转移开关D5为常规的MOSFET，原因在于控制电压信号Φ₁，Φ₂的不同相位。但是电荷转移开关D5可以与其它晶体管D1，D2，D3，D4一样等同为同种类型的双栅极器件。电荷转移开关D1，D2，D3，D4的每个独立栅极连接到控制电压输入节点12，13中的一个或另一个，使得包括第二和第四电荷转移开关D2，D4的第一组电荷转移开关的独立栅极连接到第一控制电压Φ₁，包括第一和第三电荷转移开关D1，D3的第二组电荷转移开关的独立栅极连接到第二控制电压Φ₂。

该电路1’的操作原理本质上与Wu和Chang论文中描述的一样，但是通过FinFET电荷转移开关D1，D2，D3，D4的附加的独立栅极提供了重大的改进：当第一控制电压Φ₁变高时，第二组电荷转移开关中的电荷转移开关D1，D3完全截止。相似地，当第二控制电压Φ₂变高，第一组电荷转移开关中的电荷转移开关D2，D4完全截止。因此，现有技术CTS电荷泵电路不能满足的需求在根据本发明的电荷泵电路1’中就不重要了。

图5b示出了在图5a电路中的前三个晶体管级的输出节点N1，N2，N3处的电压。正如图上清楚地示出，电荷可以逐级转移，并在每级增加量ΔV。因此，使用该电荷泵电路1’，能获得令人满意的高电平的升高的输出电压U_out。

图6示出了无源射频标识符标签5的实现，其具有用于接收和发射射频信号51的天线50，接收到的AC信号在整流电路52被整流和平滑以获得(弱)DC信号U_in。然后在根据以上任意实施描述的电荷泵1，1’中升高该信号U_in。例如可以依据需要的升高电压的电平来选择电荷泵电路1，1’。然后将升高的电压U_out传递给需要该较高DC电压的任何电路模块53。

虽然本发明是以优选实施和以上变形的形式示出，但是应该理解，在不背离本发明范围的前提下，可以进行多种附加的修改和。例如，在根据本发明的电荷泵电路中，可以使用任意数目的晶体管级。也可以设想一个或者多个这些晶体管级包括诸如具有单个栅极的MOSFET之类的常规晶体管。

为了清楚目的，应该理解在本公开中，使用“一”或者“一个”并不排除多个，“包括”不排除其它的步骤或者元件，“单元”或者“模块”可以包括多个单元或者模块，除非另有说明。

Claims

1.一种电荷泵电路（1，1’），包括

电源电压输入节点（10），用于施加要被升高的输入电压（Uin）；

升压输出节点（11），用于输出升高的电压（Uout）；

多个晶体管级，串联连接在所述电源电压输入节点（10）和所述升压输出节点（11）之间；

其中，每个晶体管级具有多栅极晶体管（D1,…,D5），所述多栅极晶体管（D1,…,D5）包括至少第一栅极（G）和第二栅极（G_i），其中第一栅极（G）实现为根据施加到第一栅极（G）上的电压使多栅极晶体管（D1,…,D5）导通或截止，第二栅极（G_i）实现为根据施加到第二栅极（G_i）上的控制电压（Φ₁,Φ₂），独立于所述第一栅极（G），来控制多栅极晶体管（D1,…,D5）的阈值电压，

所述控制电压（Φ₁,Φ₂）是第一控制电压（Φ₁）或第二控制电压（Φ₂），所述电荷泵电路（1，1’）包括：第一控制电压输入节点（12），用于施加第一控制电压（Φ₁）；以及第二控制电压输入节点（13），用于施加第二控制电压（Φ₂），

其中，第一控制电压输入节点（12）连接至交替设置的晶体管级的多栅极晶体管（D1,…,D5）的第二栅极（G_i），以施加第一控制电压（Φ₁）来控制所述交替设置的晶体管级的多栅极晶体管（D1,…,D5）的阈值电压，第二控制电压输入节点（13）连接至其余的晶体管级的多栅极晶体管（D1,…,D5）的第二栅极（G_i），以施加第二控制电压（Φ₂）来控制所述其余的晶体管级的多栅极晶体管（D1,…,D5）的阈值电压。

2.根据权利要求1所述的电荷泵电路（1，1’），其中，所述多栅极晶体管（D1,…,D5）包括FinFET晶体管（D）。

3.根据权利要求1所述的电荷泵电路（1，1’），其中，所述第一和第二控制电压（Φ₁，Φ₂）包括相位相反的实质方波信号（Φ₁，Φ₂）。

4.根据权利要求1所述的电荷泵电路（1，1’），包括：中间节点（N1,N2,N3,N4），用于将晶体管级的输出连接至下一晶体管级的输入；以及并联连接在相邻晶体管级的中间节点（N1,N2,N3,N4）与第一或第二控制电压输入节点（12,13）之间的多个电容器（C）。

5.根据权利要求4所述的电荷泵电路（1），其中，晶体管级的多栅极晶体管（D1,…,D5）的第二栅极（G_i）连接至第一或者第二控制电压输入节点（12,13），使得：

晶体管级的第二栅极（G_i）和连接到该晶体管级的输出的所述电容器（C）都连接到相同的控制电压输入节点（12,13），以及

交替设置的晶体管级的多栅极晶体管（D1,D3,D5）的第二栅极（G_i）连接到第一控制电压输入节点（12），而其余的晶体管级的多栅极晶体管（D2,D4）的第二栅极（G_i）连接到第二控制电压输入节点（13）。

6.根据权利要求4所述的电荷泵电路（1’），其中晶体管级包括与多栅极晶体管（D）并联连接的二极管晶体管（T）。

7.根据权利要求4或6所述的电荷泵电路（1’），其中，晶体管级的多栅极晶体管（D1,…,D5）的第二栅极（G_i）连接至第一或者第二控制电压输入节点（12,13），使得晶体管级的多栅极晶体管（D1,…,D5）的第二栅极（G_i）和连接到该晶体管级的输出节点的电容器（C）连接到不同的控制电压输入节点（12,13），以及交替设置的晶体管级的多栅极晶体管（D2，D4）的第二栅极（G_i）连接到第一控制电压输入节点（12），而其余的晶体管级的多栅极晶体管（D1,D3,D5）的第二栅极（G_i）连接到第二控制电压输入节点（13），以及

其中，晶体管级的输出节点连接至前一晶体管级的双栅极晶体管（D1,D2,D3,D4）的第一栅极（G）。

8.根据权利要求1-6任一项所述的电荷泵电路（1，1’），其中，施加到电路的输入节点（10）的输入电压(U_in)在范围0.8V到1.1V之间。

9.根据权利要求1-6任一项所述的电荷泵电路（1，1’），其中，电路（1，1’）耗散的功率在范围3到5μW之间，或在1到2μW之间。

10.一种射频通信设备（5），包括

天线（50），用于接收和/或发送射频信号（51），

整流器模块（52），用于提供输入电压（U_in）；

电路模块（53），用于处理在所述射频通信设备（5）中产生的信号；以及

根据权利要求1至9之一所述的电荷泵电路（1，1’），用于升高输入电压（U_in）以向所述电路模块（53）提供升高的电压（U_out）。

11.一种使用根据权利要求1至9之一所述的电荷泵电路（1，1’）来升高电压的方法，所述方法包括：

在电源电压输入节点（10）处施加要被升高的输入电压（U_in）；

向所述多栅极晶体管（D1,…,D5）的第二栅极（G_i）施加控制电压（Φ₁,Φ₂），以控制所述多栅极晶体管（D1,…,D5）的阈值电压；以及

在电压输出节点（11）输出升高的电压（U_out）。

12.根据权利要求11所述的方法，所述方法包括：

在与第一组晶体管级中的多栅极晶体管（D1,…,D5）的第二栅极（G_i）连接的第一控制电压输入节点（12）处施加第一控制电压（Φ₁），并在与第二组晶体管级中的多栅极晶体管（D1,…,D5）的第二栅极（G_i）连接的第二控制电压输入节点（13）处施加第二控制电压（Φ₂），以控制所述多个晶体管级中晶体管（D1,…,D5）的阈值电压。