JP2614938B2 - Charge pump device - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、チャージポンプ装置に関し、特に消費電流
の最適化により半導体集積回路(以下ICと略す)に内蔵
するチャージポンプ装置に関する。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a charge pump device, and more particularly to a charge pump device incorporated in a semiconductor integrated circuit (hereinafter abbreviated as IC) by optimizing current consumption.
従来のチャージポンプ回路は、第5図に示すように、
インバータを奇数個接続し、最後段を最初段へ帰還して
自励発振させるリングオシレータ50と、リングオシレー
タ50の出力をスイッチング信号としてコンデンサの充電
回路をスイッチングするチャージポンプ回路51と、チャ
ージポンプ回路出力の過剰昇圧電圧をクランプするクラ
ンプ回路52とを有している。第5図に示すチャージポン
プ回路は、インバータのもつ固有の遅延時間を利用し、
奇数個のインバータを接続し、正帰還ループを形成して
発振回路を構成している。このリングオシレータ50の発
振周波数は、個々のインバータの立上り遅延時間と立下
り遅延時間との和をtdiNV、接続するインバータの個数
をn個とすると、概ね(1)式のように f≒1/(tdINV×n) …(1) 算出される。チャージポンプ回路の内部回路について
は、種々の回路例があるが、たとえば第3図は、3倍電
圧を発生させる3倍昇圧回路30を備えたチャージポンプ
回路の例を示す。本例のクランプ回路は、所望の出力電
圧を得るためにあらかじめ高目の電圧に昇圧しておき、
余分な電圧をクランプ回路でおさえる働きをさせてい
る。The conventional charge pump circuit, as shown in FIG.
A ring oscillator 50 for connecting an odd number of inverters, returning the last stage to the first stage and self-oscillating, a charge pump circuit 51 for switching the capacitor charging circuit using the output of the ring oscillator 50 as a switching signal, and a charge pump circuit And a clamp circuit 52 for clamping an excessive boosted voltage of the output. The charge pump circuit shown in FIG. 5 utilizes the inherent delay time of the inverter,
An odd number of inverters are connected to form a positive feedback loop to form an oscillation circuit. Assuming that the sum of the rise delay time and the fall delay time of each inverter is t diNV , and the number of connected inverters is n, the oscillation frequency of the ring oscillator 50 is approximately f 式 1 / (T dINV × n) (1) It is calculated. There are various examples of the internal circuit of the charge pump circuit. For example, FIG. 3 shows an example of a charge pump circuit having a triple booster circuit 30 for generating a triple voltage. In the clamp circuit of this example, in order to obtain a desired output voltage, the voltage is increased in advance to a higher voltage,
The extra voltage is controlled by the clamp circuit.
又別な従来例を第6図に示す。本例は定電圧回路60
と、その定電圧回路出力Vrefを基準電圧として、m倍に
昇圧してm×Vrefの出力電圧を得るチャージポンプ回路
61とを有している。本例は、時計用ICや電卓用ICの液晶
駆動用電源として、広く実用化されている。Another conventional example is shown in FIG. In this example, the constant voltage circuit 60
And a charge pump circuit that obtains an output voltage of m × V ref by boosting the voltage by m times using the output V ref of the constant voltage circuit as a reference voltage
61 and has. This example is widely used as a power supply for driving a liquid crystal of a watch IC or a calculator IC.
第5図の従来例では、リングオシレータの発振周波数
が構成回路を決定した段階で固定され、チャージポンプ
回路出力の負荷の大小にかかわらず、リングオシレータ
の消費電流が多く、特にIC内蔵化の大きな障害となって
いた。更に出力部にクランプ回路があり、所望の出力電
圧はクランプ電圧の設定精度によって決められるが、IC
内蔵で高精度化することはコストアップになるという欠
点があった。In the prior art shown in FIG. 5, the oscillation frequency of the ring oscillator is fixed at the stage when the constituent circuit is determined, and the current consumption of the ring oscillator is large irrespective of the load of the output of the charge pump circuit. Was an obstacle. In addition, there is a clamp circuit in the output section, and the desired output voltage is determined by the setting accuracy of the clamp voltage.
There is a drawback that increasing the precision with the built-in increases the cost.
第6図の従来例は、出力電圧をm×Vrefとして求める
ことができるため、出力電圧を精度よく得ることができ
るが、負荷が大きくなった場合に、電圧降下分を補間す
るようになっていないため、用途が液晶表示器の駆動回
路などに限られていた。In the conventional example shown in FIG. 6, since the output voltage can be obtained as m × Vref , the output voltage can be obtained with high accuracy. However, when the load increases, the voltage drop is interpolated. Therefore, the application has been limited to a drive circuit of a liquid crystal display.
本発明の目的は、必要最小限の消費電流で所望の出力
電圧を得るチャージポンプ装置を提供することにある。An object of the present invention is to provide a charge pump device that obtains a desired output voltage with a minimum required current consumption.
前記目的を達成するため、本発明に係るチャージポン
プ装置は、チャージポンプ回路と、分圧回路と、誤差増
幅器と、VCOとを有するチャージポンプ装置であって、 チャージポンプ回路は、スイッチングによりコンデン
サの充電を行い、直流電圧を昇圧又は降圧するものであ
り、 分圧回路は、チャージポンプ回路の出力を分圧するも
のであり、 誤差増幅器は、分圧回路の出力と基準電圧とを比較
し、誤差電圧を増幅してVCOに対する電圧制御信号を出
力するものであり、 VCOは、直列接続された複数段のインバータと、各段
のインバータに設けた負荷トランジスタとを含み、各負
荷トランジスタのゲートに誤差増幅器からの電圧制御信
号を入力して負荷トランジスタのオン抵抗を可変させ、
クロックの全期間で帰還をかけ発振周波数を変化させる
ものである。In order to achieve the above object, a charge pump device according to the present invention is a charge pump device having a charge pump circuit, a voltage divider circuit, an error amplifier, and a VCO, wherein the charge pump circuit includes a capacitor connected by switching. It charges and raises or lowers the DC voltage. The voltage divider divides the output of the charge pump circuit.The error amplifier compares the output of the voltage divider with the reference voltage to determine the error. The VCO amplifies the voltage and outputs a voltage control signal for the VCO. The VCO includes a plurality of stages of inverters connected in series and load transistors provided in the inverters of each stage. Input the voltage control signal from the amplifier to vary the on-resistance of the load transistor,
Feedback is performed during the entire clock period to change the oscillation frequency.
チャージポンプ回路の負荷の度合により、チャージポ
ンプ回路入力のスイッチング周波数を変調させる帰還部
を設ける。その帰還部の構成が分圧回路と誤差増幅器で
あるチャージポンプ回路のスイッチング周波数を負荷の
度合により最適周波数にするVCO(Voltage Controlled
Oscillator)をリングオシレータの機能に付加する。A feedback unit is provided for modulating the switching frequency of the input of the charge pump circuit according to the degree of load of the charge pump circuit. The VCO (Voltage Controlled) switches the switching frequency of the charge pump circuit, which is the voltage divider circuit and error amplifier, to the optimum frequency depending on the load level.
Oscillator) is added to the function of the ring oscillator.
次に本発明について図面を参照して説明する。 Next, the present invention will be described with reference to the drawings.
第1図は、本発明の一実施例を示す構成図である。 FIG. 1 is a configuration diagram showing one embodiment of the present invention.
図において、本実施例は、スイッチングによりコンデ
ンサを充電するチャージポンプ回路1と、チャージポン
プ回路1の出力を分圧する分圧回路2と、分圧回路2の
出力と基準電圧とを比較し、誤差電圧を増幅する誤差増
幅器3と、誤差増幅器3の出力を制御電圧とし、チャー
ジポンプ回路1のスイッチング信号を出力するVCO(Vol
tage Controlled Oscilltor)4とを有する。また、5
は負荷を示す。In the figure, in the present embodiment, a charge pump circuit 1 for charging a capacitor by switching, a voltage dividing circuit 2 for dividing the output of the charge pump circuit 1, a comparison between the output of the voltage dividing circuit 2 and a reference voltage are performed. An error amplifier 3 that amplifies a voltage, and a VCO (Vol.) That outputs a switching signal of the charge pump circuit 1 by using an output of the error amplifier 3 as a control voltage.
Stage Controlled Oscilltor) 4. Also, 5
Indicates a load.
より具体的にするために、第2図の実施例で説明す
る。第2図は、第1図の構成の内部回路を具体的に示し
た一例である。チャージポンプ回路1の例として、従来
から実績のある2倍電圧昇圧回路を用いた。即ち、出力
電圧V0=2×Vccが得られる実施例である。ここでは、
2倍電圧昇圧回路は、MOSトランジスタT1〜T8、コンデ
ンサC1,C2を有しており、その動作は、既に公知技術で
あり省略するが、チャージポンプ回路1の部分に、第3
図に示す3倍電圧昇圧回路30ないしは、第4図の1/2倍
昇圧回路40をそのまま置き替えても差しつかえない。For more specificity, the embodiment of FIG. 2 will be described. FIG. 2 is an example specifically showing an internal circuit having the configuration of FIG. As an example of the charge pump circuit 1, a double voltage booster circuit that has been used in the past is used. That is, in this embodiment, an output voltage V 0 = 2 × V cc is obtained. here,
The double voltage boosting circuit has MOS transistors T 1 to T 8 and capacitors C 1 and C 2 , and the operation thereof is already a well-known technology and will not be described.
The triple voltage booster circuit 30 shown in the figure or the 1/2 voltage booster circuit 40 in FIG. 4 can be replaced as it is.
分圧回路2は、抵抗r1,t2、コンデンサC3を有し、チ
ャージポンプ回路1の出力V0をr2/(r1+r2)に分圧す
る。即ち、分圧回路2の出力Viは、 Vi={r2/(r1+r2)}・V0 …(2) として算出できる。誤差増幅器3は、基準電圧Vrefを正
転入力に接続し、分圧回路2の出力Viを抵抗r3を介し
て、反転入力に接続した差動増幅器で構成する。差動増
幅器出力と反転入力の間を抵抗r4で負帰還をかけると、
誤差増幅器3の出力Vcは、(3)式で表わすことができ
る。The voltage dividing circuit 2 has resistors r 1 and t 2 and a capacitor C 3 , and divides the output V 0 of the charge pump circuit 1 into r 2 / (r 1 + r 2 ). That is, the output V i of the voltage dividing circuit 2 can be calculated as follows: V i = {r 2 / (r 1 + r 2 )} · V 0 (2) The error amplifier 3 is connected to a reference voltage V ref to the non-inverting input, the output V i of the voltage dividing circuit 2 through a resistor r 3, constituting a differential amplifier connected to the inverting input. When applying a negative feedback between the inverting input and the differential amplifier output resistance r 4,
The output V c of the error amplifier 3 can be expressed by equation (3).
Vc=Vref−(r4/r3)(Vi−Vref) …(3) 即ち、VCO4の電圧制御入力となるVcは、基準電圧Vref
を中心に分圧回路2の出力Viと基準電圧Vrefの差分(Vi
−Vref)をr4/r3倍に増幅し、極性を反転した電圧を得
る。VCO4の回路構成は、MOSトランジスタT9〜T22を有
し、リングオシレータ回路を変形し、インバータの負荷
トランジスタT10,T12,T14,T16及びT16のゲート電圧を電
圧制御し、誤差増幅器3の出力Vcに接続する。 V c = V ref - (r 4 / r 3) (V i -V ref) ... (3) that is, V c to a voltage control input of the VCO 4, the reference voltage V ref
Of the voltage divider circuit 2 mainly output V i and the reference voltage V ref difference (V i
−V ref ) is amplified by r 4 / r 3 times to obtain a voltage whose polarity is inverted. The circuit configuration of VCO 4 has MOS transistors T 9 to T 22 , deforms the ring oscillator circuit, and voltage-controls the gate voltages of load transistors T 10 , T 12 , T 14 , T 16 and T 16 of the inverter, connected to the output V c of the error amplifier 3.
以上のようにすると、誤差増幅器3の出力Vcが高くな
ると、リングオシレータのインバータの負荷電流特性が
大きくなり、発振周波数は高くなる。発振周波数が高く
なると、チャージポンプ回路1のスイッチング速度も速
くなり、チャージポンプ回路1の出力V0も高くなる。そ
の結果、分圧回路2の出力Viも高くなり、(3)式に従
って誤差増幅器3の出力Vcが低くなるというフィードバ
ックがかかり、自動制御が働く。When Thus, when the output V c of the error amplifier 3 is increased, the load current characteristic of the inverter of the ring oscillator increases, the oscillation frequency becomes higher. When the oscillation frequency increases, the switching speed of the charge pump circuit 1 also increases, and the output V 0 of the charge pump circuit 1 also increases. As a result, feedback that the output V i of the voltage dividing circuit 2 increases and the output V c of the error amplifier 3 decreases according to the equation (3) is applied, and automatic control operates.
(2)式と(3)式をまとめると、誤差増幅器の出力
Vcとチャージポンプ回路出力V0との間には、 VC=Vref−(r4/r3){[r2/ (r1+r2)]・V0−Vref} …(4) の関係式が成り立つ。Summarizing equations (2) and (3), the output of the error amplifier
Between the V c and a charge pump circuit output V 0, V C = V ref - (r 4 / r 3) {[r 2 / (r 1 + r 2)] · V 0 -V ref} ... (4 ) Holds.
また、リングオシレータの個々のインバータの負荷電
流ILは、 IL=1/2β(VC−VT)2 …(5) (βはMOSトランジスタの導伝係数) として表わすことができ、5個のインバータを接続した
本実施例では波形増幅用インバータを含めて、6×ILと
してリングオシレータの消費電流を算出でき、チャージ
ポンプ回路として出力V0を得る最低限の消費電流で動作
する構成となっている。The load current I L of the individual inverters of the ring oscillator, I L = 1 / 2β ( V C -V T) 2 ... (5) (β is-conduction coefficient of the MOS transistor) can be expressed as, 5 in this embodiment of connecting the number of inverters including waveform amplifying inverter, can be calculated the current consumption of the ring oscillator as 6 × I L, it operates with minimum current consumption to obtain an output V 0 as a charge pump circuit configured It has become.
以上説明したように本発明は、リングオシレータをVC
O構成にしたことにより、所望の出力電圧V0を得るため
に必要な最小限の消費電流でチャージポンプ回路を実現
するとができ、IC内蔵化の極めて有効な手段である。As described above, the present invention provides a
With the O configuration, a charge pump circuit can be realized with the minimum current consumption required to obtain a desired output voltage V 0 , which is an extremely effective means of incorporating an IC.
第1図は、本発明の一実施例を示す構成図、第2図は、
第1図に示した構成の内部詳細回路図、第3図は、第1
図に示したチャージポンプ回路の3倍電圧昇圧回路を示
す図、第4図は、第1図に示したチャージポンプ回路の
1/2倍昇圧回路を示す図、第5図は、従来のチャージポ
ンプ回路を示す図、第6図は、従来の基準電圧をチャー
ジポンプする回路を示す図である。 1……チャージポンプ回路 2……分圧回路、3……誤差増幅器 4……VCO、5……負荷 T1〜T22……MOSトランジスタ C1〜C3……コンデンサ r1〜r4……抵抗FIG. 1 is a block diagram showing one embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 3 is a detailed internal circuit diagram of the configuration shown in FIG.
FIG. 4 is a diagram showing a triple voltage boosting circuit of the charge pump circuit shown in FIG. 4;
FIG. 5 is a view showing a conventional charge pump circuit, and FIG. 6 is a view showing a conventional circuit for charge pumping a reference voltage. 1 charge pump circuit 2 voltage divider circuit 3 error amplifier 4 VCO 5 load T 1 to T 22 MOS transistors C 1 to C 3 capacitors r 1 to r 4 …resistance
Claims (1)
増幅器と、VCOとを有するチャージポンプ装置であっ
て、 チャージポンプ回路は、スイッチングによりコンデンサ
の充電を行い、直流電圧を昇圧又は降圧するものであ
り、 分圧回路は、チャージポンプ回路の出力を分圧するもの
であり、 誤差増幅器は、分圧回路の出力と基準電圧とを比較し、
誤差電圧を増幅してVCOに対する電圧制御信号を出力す
るものであり、 VCOは、直列接続された複数段のインバータと、各段の
インバータに設けた負荷トランジスタとを含み、各負荷
トランジスタのゲートに誤差増幅器からの電圧制御信号
を入力して負荷トランジスタのオン抵抗を可変させ、ク
ロックの全期間で帰還をかけ発振周波数を変化させるも
のであることを特徴とするチャージポンプ装置。1. A charge pump device comprising a charge pump circuit, a voltage dividing circuit, an error amplifier, and a VCO, wherein the charge pump circuit charges a capacitor by switching and boosts or drops a DC voltage. The voltage divider divides the output of the charge pump circuit. The error amplifier compares the output of the voltage divider with the reference voltage,
The VCO amplifies the error voltage and outputs a voltage control signal to the VCO. The VCO includes a plurality of inverters connected in series and load transistors provided in the inverters of each stage. A charge pump device which receives a voltage control signal from an error amplifier, varies the on-resistance of a load transistor, and performs feedback during the entire clock period to change the oscillation frequency.
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