CN103562812A - 相控阵式电荷泵供应 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及相控阵式电荷泵供应。一种电荷泵***和方法，其可以减小的波纹频率用减小的波纹电压提供大的供应电压和电流。所述电荷泵***可包括电荷泵阵列和延迟管线。所述电荷泵阵列可包括多个电荷泵。所述延迟管线可包括多个延迟元件。所述延迟元件可响应于全局触发信号来将触发信号输出到所述电荷泵阵列。各自的电荷泵可响应于所述触发信号而发射。

Description

相控阵式电荷泵供应
优先权
本申请要求2011年3月21日申请的美国临时申请第61/454744号的权益，其全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
电荷泵是众所周知的装置。在集成电路（IC）实施方式中，IC上的组件可具有不同于供应到IC的供应电压或电流源的电压或电流要求。电荷泵可用于将所供应的电流或电压转换成来自IC供应电压的不同电压或电流。这是有益的，原因在于其减小客户成本和对IC的功率要求。电荷泵可被用来产生大于或小于由正供应电压生成的供应电压或负供应的供应。
背景技术
然而，特定应用有时可能要求大电压或电流值。这通常使用IC外部的大电容器或电感器而实现。一般来说，当电压和电流输出升高时，各自的噪音也增加。另外，当IC的负载改变时，电压下降可能因所提供的大电压和/或电流而变得过度。或者，输出电流或电压值上的波动，或一般来说，“波纹”可能很明显。如果波纹明显，那么其可能在供应有输出电压或电流的负载上导致误差。波纹电压的改变速率是波纹频率。
一种减小电压或电流波纹的已知方法是***多个电荷泵。当每个电荷泵根据时钟信号进行放电和再充电时，所述多个电荷泵维持输出电压或电流供应。***要求多个时钟信号来控制所述多个电荷泵的发射。当每个个别电荷泵因所述多个时钟信号同步失败而不精确地发射时，所述多个电荷泵的发射事实上可增加电压波纹。多个不同时钟信号的管理要求复杂的控制装置。此外，额外的时钟输入和相关连接还消耗IC上的额外实际面积，这增加了成本并且使IC变得更大。而且，***可能不提供特定电路应用或配置可能需要的较大电压或电流。
因此，需要一种在不具有***解决方案的复杂控制和大量输入的情况下供应大电压或电流的电荷泵配置。
附图说明
图1图示根据本发明的实施方案的示例性电荷泵***的方框图。
图2图示根据本发明的实施方案的用于随机发射电荷泵阵列中的电荷泵的电荷泵***。
图3图示根据本发明的实施方案的用于随机化将发射信号供应到电荷泵的延迟的电荷泵***。
图4图示用于实施本发明的实施方案的示例性电荷泵。
具体实施方式
电荷泵***可包括连接成阵列的多个电荷泵和也连接成阵列的多个延迟元件。延迟元件的各自元件连接到多个电荷泵的各自电荷泵的使能输入。各自延迟元件可被供应触发信号，根据所述触发信号，电荷泵可在一定的时间延迟后被启用来以串接的方式发射以将电压单独地输出到多个电荷泵的共同输出连接。供应到延迟元件的触发信号可以是单个一次输入信号或单个时钟信号。仅在所有电荷泵已提供输出信号后才可重复触发信号。
图1是根据本发明的实施方案的电荷泵***的方框图。电荷泵***100可包括多个电荷泵110.1至110.N、延迟管线120和输入信号，输入信号可以是触发信号TRG。电荷泵110.1至110.N可具有并联连接的输出，且可生成电压和/或电流信号到负载。
延迟管线120可具有接收触发信号TRG的输入。触发信号TRG可以是周期性时钟信号、单个脉冲信号（例如，“一次出射”）或适用于发起电荷泵110.1至110.N的发射的任何形式的信号。延迟管线120可包括多个输出120.1至120.N，其用于将从各自的延迟元件130.0至130.N-1输出的发射信号输出到各自的电荷泵110.1至110.N中的每个。例如，延迟元件130.0至130.N-1可串联连接以将增加延迟提供到输入全局触发信号TRG。因此，延迟触发信号（例如，TRG1、TRG2、……）可彼此偏离某一时段（Δt）。电荷泵110.1至110.N的特性可在于衰变时间比延迟元件130.0至130.N-1的延迟时间长。换句话说，当每个电荷泵发射时，从每个电荷泵110.1至110.N的输出电压或电流可重叠一定时段。因此，输出电压或电流仍可保持基本恒定。
可使用逆变器、开关、延迟线或其它电路组件（例如，RC延迟）来实施延迟元件130.0至130.N。例如，单个逆变器在逆变器的晶体管切换时具有固有延迟；延迟元件130.0至130.N-1每个可由一个或多个逆变器制成。当将***100制造为集成芯片时，逆变器将会共享共同的电路特性，且因此共享类似的时间延迟。
延迟元件130.0至130.N-1可配置成如所示的开环配置或配置为环形振荡器。串接的延迟元件130.0至130.N-1可例如个别地串联配置或配置成延迟元件组。每个延迟元件130.0至130.N-1可提供相同的延迟周期Δt。
在操作期间，可将全局触发信号TRG施加到延迟管线120的输入。响应于全局触发信号TRG的施加，可经由输出120.1从延迟管线120的延迟元件130.0输出触发信号TRG1。在因延迟元件130.0所致的预定延迟（Δt）后，时序信号TRG1可导致第一电荷泵110.1发射，且输出信号VOUT。时序信号TRG1可施加到延迟元件130.1，且在预定延迟（Δt）后从延迟管线120的输出120.2输出触发信号TRG2。现在可从初始施加全局触发信号TRG到延迟管线120而使触发信号TRG2延迟时段2Δt。输出信号120.2可将输出触发信号TRG2提供到电荷泵110.2和延迟元件130.2。电荷泵110.2可响应于触发信号TRG2而发射，且输出信号VOUT。延迟元件130.2还可响应于来自延迟元件130.1的输出信号，且在固有延迟后经由延迟管线输出120.3而将触发信号TRG3输出到电荷泵110.3和延迟元件130.3。因此，电荷泵110.3可发射且输出信号VOUT，且延迟元件130.3可在延迟输出信号后输出触发信号。可继续这个过程直到延迟元件130.N-1输出延迟信号TRGN为止，延迟信号TRGN是从延迟管线输出120.N输出到电荷泵110.N。电荷泵110.N可响应于触发信号TRGN而发射，且输出信号VOUT。
电荷泵***100的操作可被配置使得所有电荷泵110.1至110.N在一个时钟循环或某个其它预定时段内发射。在某些实施方案中，电荷泵110.1至110.N的特性可在于衰变时间比延迟元件130.1至130.N-1的延迟时间长。由于这种配置和每个各自电荷泵的发射的时序，可将具有最小波纹且基本上不下降的足够量值的电压或电流供应到负载。如果延迟元件130.1至130.N-1配置成环形振荡器配置，那么可重复上述次序直到例如因另一控制信号而中断为止。
在某些情况下，出于各种原因，延迟元件和电荷泵可能不提供从一个延迟元件到下一个延迟元件，或从一个电荷泵到下一个电荷泵的一致的性能。如果以规则时间间隔发生不一致的性能，那么可产生可在上游传播且可能被放大的误差。因此，电荷泵***的输出处可发生误差。可应用不同技术以减小发生这些类型的误差的可能性。例如，第一种技术可以是随机化发射各自的电荷泵的选择，且第二种技术可以是随机化施加到发射信号（其施加到各自电荷泵）的延迟。
在图2中图示的实施方案中，可通过随机选择要发射哪个电荷泵来随机化电荷泵阵列230中的电荷泵的发射。相控阵式电荷泵***200可包括延迟管线210、路由选择***220和电荷泵阵列230。延迟管线210可包括多个延迟元件D0至DN、触发信号TRG和延迟偏置信号BIAS的输入，和延迟触发信号TRG1至TRGN的输出。延迟偏置信号BIAS可用来调整延迟管线210中的延迟元件D0至DN的延迟。路由选择***220可包括多个多路复用器（MUX）220.1至220.N、路由选择控制信号RC的输入、接收从延迟管线210输出的延迟触发信号的多个输入，和将延迟触发信号TRG1’至TRGN’传递到电荷泵阵列230内的电荷泵的多个输出。
延迟管线210可包括时序信号TRG和偏置信号BIAS的输入。时序信号TRG可开始电荷泵阵列230的发射次序。偏置信号BIAS可施加到延迟元件D0至DN以调整每个延迟元件D0至DN的延迟。例如，偏置信号BIAS可施加到延迟元件D0至DN的逆变器实施方案中使用的晶体管的背栅。虽然示为单个延迟信号，但是每个延迟元件D0至DN可具有施加到其的个别偏置信号。可随机化特定偏置电平的选取。延迟管线210可耦接到路由选择***220。路由选择***220可具有从延迟管线210输出的信号TRG1至TRGN的输入和路由选择控制信号RC的输入。路由选择***220可耦接到电荷泵阵列230。路由选择***220可被配置来从循环到循环改变各自电荷泵的发射以提供更好的误差减小。
响应于TRG信号，延迟管线210可循序地生成输入到路由选择***220的触发信号TRG1至TRGN。路由选择***220可包括控制器225、路由选择控制RC信号的输入、来自延迟管线210的多个输入、电荷泵阵列230的多个输出、逻辑装置220.1至220.N（其可以是多路复用器）。路由选择控制信号RC可以是数字码字。控制器225可解译数字码字且基于解译而将触发信号（例如，TRG1）路由选择到电荷泵阵列230中的各自电荷泵。
例如参考图2，可将触发信号TRG施加到延迟管线210。延迟元件D0可施加第一延迟，且将延迟触发信号TRG1输出到路由选择***220和延迟元件D1。路由选择控制信号RC可施加到路由选择***220且由控制器225接收。基于路由选择控制信号RC的解译，控制器225可用信号通知MUX220.3传递延迟触发信号TRG1且将随机化触发信号TRG3’输出到连接到电荷泵230中的MUX220.3的电荷泵（未示出）。类似地，可由输出随机化触发信号TRG1’的MUX220.1传递从延迟元件D1输出的延迟触发信号TRG2。
路由选择控制信号RC可由外部或内部控制器提供，且可改变，因此电荷泵阵列230内的电荷泵可循序或不循序（即，随机化）地发射以提供电压或电流信号。
图3示出根据本发明的另一实施方案的减少传播信号误差的可能性的电荷泵***。在所图示的实例中，可从循环到循环而随机化电荷泵阵列中的个别电荷泵中的每个的发射延迟，从而随机化信号误差的影响。电荷泵***300可包括电荷泵310.1至310.N的阵列、中间延迟元件315和延迟管线320。
串接的延迟元件320.0至320.N-1可从一个延迟元件到下一个延迟元件提供延迟触发信号。每个延迟元件320.0至320.N的时间延迟可相同，或可通过施加延迟调整信号（如延迟调整X-0至延迟调整X-N-1）而调整。每个延迟元件320.0至320.N-1可具有允许个别地设置每个延迟元件的延迟的个别延迟调整。例如，在使用逆变器实施延迟元件320.0至320.N-1的实施方式中，可通过将延迟调整X-0信号施加到延迟元件320.0的逆变器中的晶体管的背栅来调整延迟元件320.0的延迟。或者，在延迟线的实施方式中，延迟调整X-0信号可启动添加或删除整个延迟线的额外延迟线段的开关。如所示，每个延迟元件320.0至320.N-1可具有个别的延迟调整X-0至延迟调整X-N-1。可使用逆变器、延迟线或RC电路来实施延迟元件320.0至320.N-1。
从延迟管线320输出的触发信号TRG1至TRGN可被输入到中间延迟315，其可耦接到延迟管线320和各自的电荷泵310.1至310.N。中间延迟315可包括延迟元件315.1至315.N。可使用逆变器、延迟线或RC电路来实施延迟元件315.1至315.N。类似于延迟元件320.0至320.N-1，延迟元件315.1至315.N中的每个也可具有个别的延迟调整，如延迟调整Y-0至延迟调整Y-N-1。
在操作中，可将全局触发信号TRG施加到延迟管线320。延迟元件320.0可基于延迟元件320.0的预设延迟（包括响应于延迟调整X-0信号而对延迟的任何调整（增加或减小））来使全局触发信号TRG延迟达预定时间延迟。在预定时间延迟后，延迟元件320.0可将延迟触发信号TRG1输出到中间延迟315和延迟元件320.1。可在中间延迟315的中间延迟元件315.1的输入处接收到延迟触发信号TRG1。在预设延迟（其可由延迟调整Y-1信号个别地调整）后，中间延迟元件315.1可输出用于使电荷泵310.1发射的延迟触发信号TRG1”。响应于接收到延迟触发信号TRG1”，电荷泵310.1可发射并输出电压/电流信号VOUT。电压/电流信号VOUT可被提供到负载。关于将延迟触发信号TRG1施加到延迟元件330.1，延迟元件330.1还可响应于延迟调整X-1信号使触发信号TRG1延迟达包括任何延迟调整的预定时段。延迟元件330.1可将延迟触发信号TRG2输出到中间延迟315和延迟元件330.2。施加到中间延迟315的延迟触发信号TRG2可被输入到中间延迟元件315.2。中间延迟元件315.2可响应于其设置延迟（包括响应于延迟调整Y-1信号而对延迟的任何调整（增加或减小））来延迟将触发信号输出到电荷泵310.2。在预定时段后，中间延迟元件315.2可输出用于使电荷泵310.2发射的延迟触发信号TRG2”。可继续这个过程以使电荷泵310.3至310.N发射，电荷泵310.3至310.N可能已延迟施加到其的触发信号TRG3”至TRGN”。
个别的延迟调整延迟调整Y-0信号至延迟调整Y-N-1信号可设置中间延迟元件315.1至315.N的个别延迟。例如，可使用配置为逆变器的晶体管来实施延迟元件315.1至315.N，且可将各自的延迟调整信号施加到各自晶体管的背栅，从而实现逆变器和逆变器延迟的操作。延迟管线320中的延迟元件320.0至320.N-1的延迟调整与中间延迟315的延迟元件315.1至315.N的延迟调整的多个不同组合提供用于克服信号链中错误信号的影响的各种可能性。
图4图示负电荷泵的示例性示意图。可通过重新配置开关和开关如何连接到VREF来产生正电荷泵。电荷泵400可用作如关于图1至图3描述的多个电荷泵之一。电荷泵400可包括一对开关410A和410B、电容器C1、控制信号TRG的输入、参考电压VREF的输入，和输出电压VOUT的输出。当控制信号TRG是低电平且开关410A和410B连接到位置Φ0时，电荷泵400可处于再充电状态。开关410A可连接到参考电压VREF且开关410B可连接到较低电位或接地。因此，电容器C1可开始充电到近似等于VREF的电压。当控制信号TRG响应于来自各自的延迟元件的输出或路由选择逻辑而变高电平时，开关410A和410B被置于第二位置Φ1。因此，开关410A连接到较低电位端子或接地，且开关410B连接到输出VOUT。电容器C1进行放电并输出电压/电流信号VOUT。一旦控制信号TRG不再有效且变为低电平时，开关410A可重新连接到VREF，且开关410B可重新连接到低电位或接地，且电容器C1可再充电。可在控制信号TRG前施加逆变器以逆变操作次序。
已仅仅通过举例且并非限制的方式参考特定实施方案详细地图示和描述了本发明的多个特征和方面。本领域技术人员应明白所公开的实施方案的替代性实施方式和各种修改是在本公开内容的范围和预期内。

Claims (22)

1.一种电荷泵***，其包括：
多个电荷泵，每个电荷泵具有连接到共同节点的输出且具有触发信号的输入，
延迟元件链，第一延迟元件具有全局触发信号的输入、耦接到所述链中的下一延迟元件的输入且耦接到相应电荷泵的输入的中间延迟元件的输出。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述延迟元件链是开端链。
3.根据权利要求1所述的***，其中所述延迟元件链是环形振荡器。
4.根据权利要求1所述的***，其中所述延迟元件包括逆变器。
5.根据权利要求1所述的***，其中所述电荷泵的特性在于衰变时间比所述延迟元件的延迟时间长。
6.一种电荷泵***，其包括：
多个电荷泵，每个电荷泵具有连接到共同节点的输出且具有触发信号的输入，
延迟元件链，第一延迟元件具有全局触发信号的输入，当所述触发信号前进通过所述链时，每个延迟元件对所述触发信号的传播强加增加延迟；
路由选择***，其耦接在所述电荷泵与所述延迟元件链之间以根据控制信号将所述触发信号从各自的延迟元件的输出动态地路由选择到所述电荷泵的输入。
7.根据权利要求6所述的电荷泵***，其中所述控制信号由与所述多个电荷泵和延迟元件相同的集成电路上的控制装置提供。
8.根据权利要求6所述的电荷泵***，其中所述控制信号由所述集成电路外部的控制装置提供，所述多个电荷泵和延迟元件形成在所述集成电路上。
9.根据权利要求6所述的电荷泵***，其中所述延迟元件包括逆变器。
10.根据权利要求6所述的电荷泵***，其中供应到所述延迟元件的所述全局触发信号是单个一次输入信号。
11.根据权利要求6所述的电荷泵***，其中所述全局触发信号是周期性信号，所述周期等于或大于与提供输出电压的全部电荷泵的单个循环相等的持续时间。
12.根据权利要求6所述的电荷泵***，其中所述延迟元件链中的所述延迟元件具有允许调整个别延迟元件的所述各自延迟的延迟调整输入。
13.一种电荷泵***，其包括：
多个电荷泵，每个具有连接到共同节点的输出且具有触发信号的输入，
延迟元件链，第一延迟元件具有全局触发信号的输入，当所述触发信号前进通过所述链时，每个延迟元件对所述触发信号的传播强加增加延迟；
多个中间延迟元件，其耦接在所述电荷泵与所述延迟元件链之间以在将延迟触发信号输出到电荷泵的输入前将额外延迟提供到从所述延迟元件链中的各自延迟元件输出的所述触发信号。
14.根据权利要求13所述的电荷泵***，其中所述延迟元件链中的所述延迟元件和所述中间延迟元件具有允许调整个别延迟元件的所述各自延迟的延迟调整输入。
15.一种控制电荷泵***的方法，其包括：
将全局触发信号施加到延迟管线，所述延迟管线包括多个延迟元件；
通过所述延迟管线中的第一延迟元件将所述全局触发信号延迟预定延迟时段；
从所述延迟管线输出第一延迟触发信号，且输出到所述延迟管线中的第二延迟元件；
响应于所述第一延迟触发信号，使第一电荷泵发射以生成输出信号达一段持续时间；
从所述延迟管线将第二延迟触发信号输出到所述电荷泵阵列中的第二电荷泵；以及
响应于所述第二延迟触发信号，使所述第二电荷泵发射以生成输出信号达一段持续时间。
16.根据权利要求15所述的方法，其还包括：
将所述第一延迟触发信号施加到由路由选择控制信号指示的所述第一电荷泵。
17.根据权利要求15所述的方法，其还包括：
在所述电荷泵阵列中的全部电荷泵已经接收到用来发射的触发信号后，重新施加所述全局触发信号。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一电荷泵生成输出信号的所述持续时间比所述预定延迟时段长。
19.根据权利要求15所述的方法，其中从所述延迟管线输出的所述第一延迟触发信号被输出到电荷泵阵列中的第一电荷泵。
20.根据权利要求15所述的方法，其还包括：
在中间延迟时接收从所述延迟管线输出的触发信号，其中所述中间延迟包括多个延迟元件；
延迟所述触发信号达额外的延迟时段；以及
将额外延迟的触发信号输出到电荷泵阵列中的各自电荷泵。
21.根据权利要求20所述的方法，其中通过个别调整所述延迟管线和所述中间延迟两者中的每个延迟元件上的所述延迟而执行对所述延迟管线中的所述延迟元件和/或所述中间延迟中的所述延迟元件的伪随机调整。
22.根据权利要求20所述的方法，其中通过立即调整所述延迟管线和所述中间延迟两者中的全部所述延迟元件上的所述延迟而执行对所述延迟管线中的所述延迟元件和/或所述中间延迟中的所述延迟元件的伪随机调整。
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