CN1941578A - 带有电荷泵升压电路的半导体器件 - Google Patents
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Abstract
提供一种能输出期望的升压的电荷泵升压电路，得到的升压不局限于输入电压的整数倍，且即使负载波动也能稳定输出升压。在这种电荷泵升压电路中，根据升高电压的反馈电压控制用于泵升的晶体管栅极电压，从而控制升压。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有使用电容器和开关装置的电荷泵升压电路的半导体器件。
背景技术
一种带有升压电路的半导体器件，例如可作为电源产生从1.5V的干电池升至用于液晶显示器的3V驱动电压。作为这种升压电路，电荷泵升压电路是通过在串联和并联之间切换电容器来升压的(例如，见JP2004-23832A)。
图6示出一种常规的电荷泵升压电路。晶体管22的漏极连接到输入端21且晶体管22的源极连接到泵式电容器(pumping capacitor)24的一端。晶体管23的漏极连接到输入端21且晶体管23的源极连接到泵式电容器24的另一端。晶体管25的漏极连接到泵式电容器24的另一端且晶体管25的源极接地。晶体管26的漏极连接到泵式电容器24的一端且晶体管26的源极连接到输出电容器27的一端。输出电容器27的一端连接到输出端子28且输出电容器27的另一端接地。
在上述电荷泵升压电路的结构中，使晶体管22和25导通从而对泵式电容器24充电以输入到输入端21的电压，使晶体管23和26导通从而泵升泵式电容器24的电压以对输出电容器27充入该电压，如此可以将升高的电压输出到输出端28。当电荷泵升压电路具有如图6所示的两级时，能获得双倍于输入电压的电压。
然而，在上述的常规电荷泵升压电路中，升高电压局限于输入电压的整数倍，因此难获得期望的电压值。例如，在常规的两级电荷泵升压电路中，输入电压为3V而升高电压为6V。因此，额定电压最大值为5V的半导体器件，不能用4.5V的电源。
此外，由于进行这样的设计使得即使连接最大负载，输出电压降也在一个容限内，因此有必要加大使用中的电容器容量或升高用于升压的时钟信号频率。然而，加大电容器的容量不适合于个人数字助理或类似设备所需的小型化，同时也增加了成本。升高升压用的时钟信号的频率使得电流消耗加大，导致电压转换效率降低。
此外，当连接以脉冲类似形式消耗电流的负载时，存在输出电压波动变大的问题。
发明内容
本发明用于解决上述问题。本发明的一个目的在于提供一种能获得任意升压值且即使负载波动也输出稳定升压的电荷泵升压电路。
根据本发明的一个方面，电荷泵升压电路被构造为使得根据升高的电压来控制用于控制升压操作的升压开关的阻抗，以获得期望升压。
此外，电荷泵升压电路可提供有两个升压电路，每个升压电路都包括升压电容器和升压开关。通过变换各升压操作彼此的时序，电荷泵升压电路被构造为使得即使负载波动，电荷泵升压电路也能输出更稳定的升高电压。
上述根据本发明的电荷泵升压电路能获得不是输入电压整数倍的期望升压。
此外，即使负载波动，电荷泵升压电路也能输出稳定电压，而不用扩大升压电容器的电容器值，也不用增高升压时钟信号的频率。
附图说明
在附图中：
图1是根据本发明第一实施例的电荷泵升压电路的结构图；
图2是根据本发明第一实施例的电荷泵升压电路的升压时钟控制电路的示例电路图；
图3是根据本发明第一实施例的电荷泵升压电路的时序图；
图4是根据本发明第二实施例的电荷泵升压电路的模块图；
图5是根据本发明第二实施例的电荷泵升压电路的时序图；且
图6是一种常规电荷泵升压电路的电路图。
具体实施方式
(第一实施例)
图1是根据本发明第一实施例的电荷泵升压电路的框图。在根据本发明第一实施例的电荷泵升压电路中，晶体管22的漏极连接到输入端21而晶体管22的源极连接到泵式电容器24的一端。晶体管23的漏极连接到输入端21且晶体管23的源极连接到泵式电容器24的另一端。晶体管25的漏极连接到泵式电容器24的另一端且晶体管25的源极接地。晶体管26的漏极连接到泵式电容器24的一端且晶体管26的源极连接到输出电容器27的一端。输出电容器27的一端连接到输出端子28且输出电容器27的另一端接地。CLK3、CLK1和CLK4分别输入到晶体管22的栅极、晶体管25的栅极和晶体管26的栅极。
此外，电荷泵升压电路还提供有用于输出输出端28的分压Vdiv的分压电阻1和2，以及向其输入分压Vdiv和CLK2并输出根据分压Vdiv调节的CLK2a的升压时钟控制电路3。CLK2a输入到晶体管23的栅极。
在上述电荷泵升压电路结构中，泵式电容器24由输入到输入端21的电压充电。通过升高电压并以升高的电压对输出电容器27进行充电，能将升高的电压输出到输出端28。此处，升压时钟控制电路3根据分压Vdiv的值将CLK2调节成CLK2a。换言之，晶体管23的栅极可根据输出电压的值进行反馈控制。因此，由泵式电容器24利用其对输出电容器27进行充电的电压能被调节到获得所需的升压值。
图2是根据本发明第一实施例的电荷泵升压电路的升压时钟电路3的举例电路图。升压时钟控制电路3包括放大器31，向该放大器31输入分压Vdiv和参考电压电路32输出的参考电压Vref，并且该放大器31输出用于设定CLK2a峰值的电压Va，还包括将输入的CLK2分别放大转换成VDD和Va的晶体管33和34。
该电荷泵升压电路的操作与常规电荷泵升压电路的操作相同，直到以输入到输入端21的电压对泵式电容器24进行充电。当以对泵式电容器24进行充电的电压对输出电容器27进行充电时，根据反馈作为分压Vdiv的输出电压的值来控制放大器31的输出，从而当CLK2a为低电平时控制峰值。因此，输出电容器27的电压能被控制。
输出电压由以下公式1表示：
Vout＝Vref×(R1+R2)/R2 (公式1)
其中分压电阻1的阻值是R1Ω，分压电阻2的阻值是R2Ω，输出电压是Vout。
换言之，参考电压Vref设成是可变的，因此对输出电容器27进行充电的电压能被控制成高达两倍于输入到输入端21的电压的期望电压。
图3是根据本发明第一实施例的电荷泵升压电路时序图。电压VDD输入到输入端21。时钟信号CLK1、CLK3和CLK4的幅度为VDD-VSS。CLK2a的幅度为VDD-Va，其中放大器31输出的电压Va是根据输出电压Vout和参考电压Vref之间的关系的。
首先，在Ф1期间，由于时钟信号CLK1、CLK2a和CLK4位于VDD且时钟信号CLK3位于VSS，晶体管22和25导通而晶体管23和26关断。因此，泵式电容器24的端子分别连接到VDD和VSS，进行电荷充电。然后，在Ф2期间，由于时钟信号CLK1和CLK4位于VSS且时钟信号CLK3位于VDD，晶体管22和25关断而晶体管26导通。时钟信号CLK2a处于低电平，输出电容器27经由晶体管26被充电以从泵式电容器24的VSS侧的电位泵升得到的电压。由于时钟信号CLK2a的电位被放大器31的输出Va控制，泵送的电压由晶体管23的阻抗控制。换言之，如公式1所示输出电压Vout根据设定的参考电压Vref进行控制。重复该操作，执行升压操作。
当由于负载波动使得输出电压降低时，事实上是反馈到升压时钟控制电路3作为分压Vdiv。然后，降低放大器31的输出电压Va，增加时钟信号CLK2a的幅度，提高泵送电压，由此可以获得期望输出电压值。
如上所述，根据本发明第一实施例的电荷泵升压电路，不仅可以获得对应于输入电压整倍数的输出电压，还可获得除此之外的输出电压。此外，由于泵操作有裕度，可防止由于负载波动引起的输出电压波动。
(第二实施例)
图4是根据本发明第二实施例的电荷泵升压电路的电路示意图。如图4所示，提供了两个电荷泵升压电路，其共用输入端21、输出端28、分压电阻1和2、以及输出电容器27。图4中，分别提供了升压时钟控制电路3和升压时钟控制电路33。然而，可共用参考电压Vref。
各个电路的升压操作类似于第一实施例中的电荷泵升压电路。
图5是根据本发明第二实施例的电荷泵升压电路的时序图。类似于第一实施例，电压VDD输入到输入端21且时钟信号CLK1、CLK3和CLK4的幅度为VDD-VSS，而时钟信号CLK2a的幅度为VDD-Va。时钟信号CLK31、CLK33和CLK34的幅度为VDD-VSS而时钟信号CLK32a的幅度为VDD-Va′。
在第一电荷泵升压电路中，首先，在Ф1期间，由于时钟信号CLK1、CLK2a和CLK4位于VDD且时钟信号CLK3位于VSS，晶体管22和25导通而晶体管23和26关断。因此，泵式电容器24的端子分别连接到VDD和VSS，进行电荷充电。然后，在Ф2期间，由于时钟信号CLK1和4位于VSS且时钟信号CLK3位于VDD，晶体管22和25关断而晶体管26导通。时钟信号CLK2a处于低电平，输出电容器27经由晶体管26被充电以从泵式电容器24的VSS侧的电位泵升得到的电压。由于时钟信号CLK2a的电位被放大器31的输出Va控制，泵送的电压由晶体管23的阻抗控制。换言之，如公式1所示输出电压Vout根据设定的参考电压Vref控制。
当由于负载波动使得输出电压降低时，事实上是反馈到升压时钟控制电路3作为分压Vdiv。然而，在以电荷对泵式电容器24进行充电的周期Ф1期间，不能充分地处理该问题，并且无法维持期望的输出电压值。
此处，时钟信号这样设定，即使得第一电荷泵升压电路的周期Ф1在第二电荷泵升压电路的周期Ф2中。通过用这样的时钟信号操作两个电荷泵升压电路，两个电荷泵升压电路的周期Ф1彼此互补，防止了由于负载波动导致的输出电压下降，并且总能维持期望的输出电压。
如上所述，根据本发明第二实施例的电荷泵升压电路，不仅可以获得对应于输入电压整倍数的输出电压，还可获得除此之外的输出电压。此外，由于泵操作有裕度，可防止由于负载波动引起的输出电压波动。
Claims (13)
1、一种具有电荷泵升压电路的半导体器件，该电荷泵升压电路包括：
多个升压电容器；
多个升压开关；和
升压时钟控制电路，用于监控升高的电压并控制升压开关的阻抗。
2、一种具有电荷泵升压电路的半导体器件，该电荷泵升压电路包括：
输入端；
输出端；
以输入到输入端的电压进行充电的泵式电容器；
以来自泵式电容器的升高的电压进行充电的输出电容器；
多个升压开关，用于控制泵式电容器和输出电容器的升压操作；
升压时钟输入端，向其输入多个用于控制升压开关的升压时钟；和
升压时钟控制电路，用于根据输出到输出端的输出电容器的升高电压来控制升压时钟的峰值。
3、根据权利要求2所述的具有电荷泵升压电路的半导体器件，其中升压开关包括MOS晶体管。
4、根据权利要求2所述的具有电荷泵升压电路的半导体器件，其中升压时钟控制电路包括：
用于输出参考电压的参考电压电路；
用于将对升高的电压分压得到的分压与参考电压进行比较的放大器；和
多个MOS晶体管，用于通过放大器的输出控制升压时钟的峰值。
5、根据权利要求3所述的具有电荷泵升压电路的半导体器件，其中升压时钟电路控制MOS晶体管的栅电压以泵升泵式电容器的电压。
6、根据权利要求4所述的具有电荷泵升压电路的半导体器件，其中通过设定参考电压来输出期望的升压。
7、一种具有电荷泵升压电路的半导体器件，该电荷泵升压电路包括：
输入端；
输出端；
以输入到输入端的电压进行充电的第一泵式电容器；
以输入到输入端的电压进行充电的第二泵式电容器；
以从第一和第二泵式电容器得出的升高电压进行充电的输出电容器；
用于控制第一泵式电容器和输出电容器的升压操作的第一升压开关组；
用于控制第二泵式电容器和输出电容器的升压操作的第二升压开关组；
升压时钟输入端，向其输入多个用于控制第一和第二升压开关组的升压时钟；
第一升压时钟控制电路，用于根据输出到输出端的输出电容器的升高电压来控制第一升压开关组的升压时钟的峰值；和
第二升压时钟控制电路，用于根据输出到输出端的输出电容器的升高电压来控制第二升压开关组的升压时钟的峰值。
8、根据权利要求7所述的具有电荷泵升压电路的半导体器件，其中当第一泵式电容器被充电以输入电压时，输出电容器被充电以从第二泵式电容器得到的升高电压，当第二泵式电容器被充电以输入电压时，输出电容器被充电以从第一泵式电容器得到的升高电压。
9、根据权利要求7所述的具有电荷泵升压电路的半导体器件，其中升压开关包括MOS晶体管。
10、根据权利要求7所述的具有电荷泵升压电路的半导体器件，其中第一和第二升压时钟控制电路均包括：
输出参考电压的参考电压电路；
将通过分割升高的电压得到的分压与参考电压进行比较的放大器；和
多个MOS晶体管，用于通过放大器的输出控制升压时钟的峰值。
11、根据权利要求8所述的一种具有电荷泵升压电路的半导体器件，其中第一和第二升压时钟控制电路每一个控制MOS晶体管的栅极电压来泵升第一和第二泵式电容器每一个的电压。
12、根据权利要求10所述的具有电荷泵升压电路的半导体器件，其中第一和第二升压时钟控制电路共用参考电压电路。
13、根据权利要求10所述的具有电荷泵升压电路的半导体器件，其中通过设定参考电压来输出期望的升高电压。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |