一种电荷泵电路的制作方法

1.本发明涉及电子技术领域，更具体地，涉及一种电荷泵电路。


背景技术：

2.电荷泵又称为开关负载电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”或“泵送”负载电容来储能的变换器。可以使得输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压，广泛应用于电源、存储器以及射频芯片中。
3.现有技术的电荷泵电路在以下问题：因电荷泵电路中的充电开关元件与放电开关元件的工作状态不同，会导致电荷泵电路中的飞电容的压差受电源电压变化的影响较大。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种电荷泵电路，解决电荷泵电路中的飞电容的压差受电源电压变化的影响较大的问题。
5.根据本发明实施例提供了一种电荷泵电路，包括：
6.第一开关，控制端在时钟信号的第一电平状态时接收驱动电压，衬底端接收电源电压和输出电压中之一；
7.第二开关，控制端在所述时钟信号的第二电平状态时接收所述驱动电压，衬底端接收所述电源电压；
8.飞电容，第一端经由所述第一开关接收所述电源电压，第二端经由所述第二开关接收所述电源电压，
9.其中，所述第一开关接收驱动电压导通时，第二开关关断，所述电源电压向所述飞电容充电，所述第二开关接收驱动电压导通时，第一开关关断，所述飞电容放电以产生所述输出电压，
10.当所述电源电压小于预设的输出电压时，至少在所述时钟信号的一个周期内，提供至第一开关的所述驱动电压小于提供至第二开关的所述驱动电压。
11.可选地，所述电源电压小于预设的输出电压时，所述第一开关的衬底端接收所述输出电压；所述电源电压大于预设的输出电压时，所述第一开关的衬底端接收所述电源电压。
12.可选地，当所述电源电压大于预设的输出电压时，至少在所述时钟信号的一个周期内，提供至第一开关的所述驱动电压等于提供至第二开关的所述驱动电压。
13.可选地，还包括：
14.调整电路，当所述电源电压小于预设的输出电压且所述第一开关导通时提供失调电压，以及根据所述输出电压和基准电压产生反馈放大信号，并将所述反馈放大信号或者叠加了所述失调电压的反馈放大信号作为所述驱动电压输出。
15.可选地，当所述电源电压小于预设的输出电压时，提供至所述第一开关的所述驱动电压为叠加了所述失调电压的反馈放大信号，提供至所述第而开关的所述驱动电压为反
馈放大信号；当所述电源电压大于预设的输出电压时，所述驱动电压均为所述反馈放大信号。
16.可选地，所述调整电路包括：
17.失调模块，当所述电源电压小于预设的输出电压且所述第一开关导通时提供失调电压；以及
18.反馈模块，根据所述输出电压和基准电压产生反馈放大信号，并将所述反馈放大信号或者叠加了所述失调电压的反馈放大信号作为所述驱动电压输出，
19.所述反馈模块包括：
20.分压单元，采集所述输出电压以得到分压电压；
21.误差放大器，与所述分压单元连接，根据所述分压电压和所述基准电压产生所述反馈放大信号；以及
22.缓冲器，第一输入端接收所述反馈放大信号，第二输入端与所述缓冲器的输出端连接，所述输出端还接收所述失调电压。
23.可选地，所述失调模块包括：
24.电流源，第一端接收所述电源电压；以及
25.串联在所述电流源第二端与所述缓冲器输出端之间的第三开关、第四开关，所述第三开关在所述第一开关的衬底端接收所述输出电压时导通，所述第四开关在所述时钟信号为第一电平状态时导通。
26.可选地，预设的输出电压与基准电压正相关。
27.可选地，还包括：
28.第五开关，第一端与所述飞电容的第二端连接，第二端接地；
29.第六开关，第一端与所述飞电容的第一端连接，第二端提供所述输出电压；以及
30.输出电容，连接在所述输出电压与地之间，
31.其中，所述第一开关导通时所述第五开关导通，所述第二开关导通时所述第六开关导通。
32.本技术实施例的电荷泵电路，包括飞电容、输出电容、第一开关、第二开关，其中，第一开关的衬底端接收电源电压和输出电压之一，第二开关的衬底端接收电源电压。当第一开关的衬底端接收输出电压时会导致第一开关与第二开关的过流能力有所差异。本技术在第一开关的衬底端接收输出电压时，通过将提供至第一开关的驱动电压小于提供至第二开关的驱动电压，以根据电源电压的大小自适应地调节第一开关和第二开关的过流能力。使得第一开关和第二开关恒工作在饱和区，以保证飞电容的压差随电源电压的变化较小，进而使得在电源电压变化的过程中整个电荷泵电路的状态切换的更加缓和，提升了电路稳定性。
33.进一步地，通过在电荷泵电路中设置调整电路，当电源电压小于预设的输出电压且在向第一开关提供驱动电压时产生失调电压以叠加在反馈放大信号上，以增大第一开关的栅源电压进而提升其过流能力。使得第一开关和第二开关恒工作在饱和区，以保证飞电容的压差随电源电压的变化较小，进而使得在电源电压变化的过程中整个电荷泵电路的状态切换的更加缓和，提升了电路稳定性。
附图说明
34.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
35.图1a示出根据本技术实施例提供的一种电荷泵电路的结构示意图；
36.图1b示出图1a中电荷泵电路在电源电压小于预设的输出电压的情况下驱动电压的波形示意图；
37.图2示出根据本发明实施例提供的又一种电荷泵电路的结构示意图。
具体实施方式
38.以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
39.应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“连接于”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
40.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
41.图1a示出根据本技术实施例提供的一种电荷泵电路的结构示意图。图1b示出图1a中电荷泵电路在电源电压小于预设的输出电压的情况下驱动电压的波形示意图。
42.如图1a所示，电荷泵电路100包括飞电容cfly、开关sw1、开关sw2。
43.开关sw1的控制端在时钟信号clk的第一电平状态时接收驱动电压vg，开关sw1的第一端接收电源电压vdd，开关sw1的第二端与飞电容cfly的第一端连接，开关sw1的衬底端接收电源电压vdd和输出电压vout中的之一。开关sw1导通时通过电源电压vdd对飞电容cfly充电。
44.开关sw2的控制端在时钟信号clk的第二电平状态时接收驱动电压vg，开关sw2的第一端接收电源电压vdd，开关sw2的第二端与飞电容cfly的第二端连接，开关sw2的衬底端与开关sw2的第一端连接并接收电源电压vdd。开关sw2导通时对飞电容cfly放电并提供输出电压vout。其中，开关sw1和开关sw2的控制端根据时钟信号clk的电平状态交替接收驱动电压vg进而交替导通。
45.在其他实施例中，电荷泵电路100还包括开关sw5、开关sw6、输出电容cout。
46.开关sw5的第一端与飞电容cfly的第二端连接，开关sw5的第二端接地。开关sw6的第一端与飞电容cfly的第一端连接，开关sw6的第二端提供输出电压vout且与输出电容cout的一端连接。输出电容cout的另一端接地。进一步地，在时钟信号clk的第一电平状态下，作为充电开关元件的开关sw1接收驱动电压vg导通，开关sw5导通，此时作为放电开关元件的开关sw2和开关sw6断开，即此时电荷泵电路100在充电阶段，电源电压vdd对飞电容cfly充电。接着，在时钟信号clk的第二电平状态下，作为充电开关元件的开关sw1和开关sw5断开，此时作为放电开关元件的开关sw2接受驱动电压vg且导通，开关sw6导通，即此时电荷泵电路100在放电阶段，电源电压vdd被叠加在对飞电容cfly的充电电压上。交替重复上述充电、放电阶段，以使得输出电容cout的电压vout比电源电压vdd更高。其中，开关sw5
和开关sw6的控制端例如接收逻辑高电平或者逻辑低电平以导通或者关断。
47.示例性地，本实施例中，开关sw1、开关sw2、开关sw6选自p型mosfet(n-channel-metal-oxide-semiconductor，p型金属氧化物半导体场效应晶体管)，开关sw5选自n型mosfet(n-channel-metal-oxide-semiconductor，n型金属氧化物半导体场效应晶体管)。进一步地，开关sw1、开关sw2的第一端为pmos晶体管的源极，开关sw1、开关sw2的第二端为pmos晶体管的漏极，开关sw1、开关sw2的控制端为pmos晶体管的栅极。
48.开关sw1的第二端通过开关与输出电压vout连接。为了避免开关sw1的衬底端与第二端之间的pn结导通，电荷泵电路100还包括选择电路110，适于根据电源电压vdd和预设的输出电压从输出电压vout和电源电压vdd之间选择之一提供至开关sw1的衬底端。进一步地，选择电路100包括开关sw7和开关sw8。开关sw7的第一端接收电源电压vdd，开关sw7的第二端与开关sw1的衬底端连接。开关sw8的第一端接收输出电压vout，开关sw8的第二端与开关sw1的衬底端连接。开关sw7和开关sw8的控制端(图中未示出)例如都接收电源电压vdd和预设的输出电压之间的比较结果。进一步地，电源电压vdd小于预设的输出电压时，开关sw7断开、开关sw8导通，开关sw1的衬底端接收输出电压vout。电源电压vdd大于预设的输出电压时，开关sw7导通、开关sw8断开，开关sw1的衬底端接收电源电压vdd。本实施例中，开关sw7、开关sw8的晶体管类型例如不同。需要说明，开关sw7、开关sw8的晶体管类型也可以相同，对应地，开关sw7和开关sw8中之一的控制端接收电源电压vdd和预设的输出电压之间的比较结果，另一个的控制端接收比较结果的取反信号。
49.进一步地，当电源电压vdd大于预设的输出电压时，开关sw1的衬底端至第一端之间的电压差为0，开关sw2的衬底端至第一端之间的电压差为0，开关sw1和开关sw2保持在饱和区对飞电容cfly进行充放电，理想情况下开关sw1和开关sw2的充放电能力保持一致。在上述情况下，至少在时钟信号clk的一个周期内，驱动电压vg在时钟信号clk为第一电平状态时的电压值和在时钟信号clk为第二电平状态时的电压值相等。
50.进一步地，当电源电压vdd小于预设的输出电压时，开关sw1的衬底端至第一端之间的电压差大于0，开关sw2的衬底端至第一端之间的电压差为0。此时开关sw1发生衬偏效应进而使得开关sw1的阈值电压vth增大而过流能力减弱，这使得电荷泵电路100对飞电容cfly的充电能力将弱于放电能力。进一步地，参见图1b，当电源电压vdd小于预设的输出电压时，且至少在时钟信号clk的一个周期内，驱动电压vg在时钟信号clk为第一电平状态时的电压vg1小于在时钟信号clk为第二电平状态时的电压vg2。由于开关sw1和开关sw2的第一端的电压均为电源电压vdd，因此开关sw1导通(低电平状态)时的栅源电压的幅值大于开关sw2导通(低电平状态)时的栅源电压的幅值。即，本实施例在电源电压vdd小于预设的输出电压时，通过降低提供至开关sw1的驱动电压vg(时钟信号clk在第一电平状态时的电压vg1)以使得开关sw1的栅源电压的幅值大于开关sw2的栅源电压的幅值，以提升电荷泵电路100的充电能力，进而保持飞电容cfly的电荷平衡。避免了飞电容cfly上的压差在电源电压vdd变化时存在台阶，提升了电荷泵电路100的稳定性。
51.图2示出根据本发明实施例提供的又一种电荷泵电路的结构示意图。
52.如图2所示，电荷泵电路200在电荷泵电路100的基础上还包括调整电路220。
53.调整电路220适于在开关sw1的衬底端接收输出电压vout且时钟信号clk为第一电平状态时提供失调电压，以及根据输出电压vout和基准电压vbg产生反馈放大信号，并将反
馈放大信号或者叠加了失调电压的反馈放大信号作为驱动电压vg输出。进一步地，在开关sw1的衬底端接收输出电压vout时，且在时钟信号clk为第一电平状态时驱动电压vg为叠加了失调电压的反馈放大信号；在开关sw1的衬底端接收输出电压vout且在时钟信号clk为第二电平状态时，以及在开关sw1的衬底端接收电源电压vdd时，驱动电压vg为反馈放大信号。
54.进一步地，调整电路220包括反馈模块221和失调模块222。
55.反馈模块221适于根据输出电压vout和基准电压vbg产生反馈放大信号，并将反馈放大信号或者叠加了失调电压的反馈放大信号作为驱动电压vg输出。反馈模块包括分压单元、误差放大器u1、缓冲器u2。分压单元适于采集输出电压vout以得到分压电压，包括并联在输出电容cout两端之间的电阻r1、电阻r2，电阻r1的第一端接收输出电压vout，电阻r1的第二端与电阻r2的第一端连接并输出分压电压，电阻r2的第二端接地。误差放大器(ea)u1根据分压电压和基准电压vbg产生反馈放大信号。进一步地，误差放大器u1的第一输入端接收基准电压vbg，误差放大器u1的第二输入端接收分压电压，误差放大器u1的输出端输出反馈放大信号。缓冲器(buffer)u2的第一输入端与误差放大器u1的输出端连接以接收反馈放大信号，缓冲器u2的第二输入端与缓冲器u2的输出端连接，缓冲器u2的输出端还用于接收失调电压。其中，预设的输出电压与基准电压vbg正相关。
56.失调模块222适于在开关sw1的衬底端接收输出电压vout且时钟信号clk的第一电平状态时提供失调电压。失调模块222包括电流源i1、开关sw3和开关sw4。电流源i1的第一端接收电源电压vdd。开关sw3及开关sw4串联连接在电流源i1的第二端与缓冲器u2的输出端之间，开关sw3在开关sw1的衬底端电压vmax为输出电压vout时导通，在其他情况下关断。开关sw4在时钟信号clk为第一电平状态时导通，在时钟信号clk为第二电平状态时断开。具体地，开关sw3的第一端连接电流源i1的第二端，开关sw3的第二端与开关sw4的第一端连接，开关sw4的第二端与缓冲器u2的输出端连接，开关sw4的控制端接收时钟信号clk。进一步地，失调模块222还包括比较单元2221，比较单元2221在选择电路110中的开关sw8导通时控制开关sw3导通。示例性地，比较单元2221例如包括比较电路(图中未示出)，比较电路的第一输入端例如与开关sw7和开关sw8的第一端连接以接收开关sw1的衬底端电压vmax，比较电路的第二输入端例如接收电源电压vdd，比较电路的输出端输出比较结果。例如当衬底端电压vmax大于电源电压vdd时比较结果为有效电平状态，进而控制开关sw3导通；当衬底端电压vmax不大于电源电压vdd时比较结果为无效电平状态，进而控制开关sw3断开。
57.电荷泵电路200通过在开关sw1的衬底端电压vmax大于电源电压时，并在向开关sw1提供驱动电压vg时产生失调电压以叠加在反馈放大信号上，以增大开关sw1的栅源电压的幅值进而提升其过流能力。至少使得电荷泵电路200中的开关sw1和开关sw2保持在饱和区对飞电容cfly进行充放电。
58.开关sw1的漏源电压vds1＝vdd-vfly，开关sw2的漏源电压vds2＝vdd-(vout-vfly)其中，vfly为飞电容cfly两端的压差。当开关sw1和开关sw2的充放电能力完全一致时，开关sw1的漏源电压vds1与开关sw2的漏源电压vds2相等，则飞电容cfly的压差的稳态值为vfly＝vout/2。即，本技术实施例通过电源电压vdd的大小自适应地调节开关sw1和开关sw2之间的过流能力，以使得开关sw1和开关sw2工作在饱和区，进而飞电容cfly的压差稳定在vout/2处且随电源电压vdd的变化较小。以使在电源电压变化的过程中整个系统状态切换的更加缓和，稳定性更高。
59.应当说明，尽管在本文中，将器件说明为某种n沟道或p沟道器件、或者某种n型或者p型掺杂区域，然而本领域的普通技术人员可以理解，根据本发明，互补器件也是可以实现的。本领域的普通技术人员可以理解，导电类型是指导电发生的机制，例如通过空穴或者电子导电，因此导电类型不涉及掺杂浓度而涉及掺杂类型，例如p型或者n型。本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当
……
时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“1”或“0”)取决于使用正逻辑还是负逻辑。
60.此外，还需要说明，在本文中的诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
61.依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。