[发明专利]电荷泵电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种电荷泵电路。

背景技术

通过诸如电池组电池的低电压电源所操作的电子器件通常使用升压器电路，其将低电源电压升压至使电子器件能够正常操作的工作电压。

一种代表性的升压器电路是通过将多个二极管和多个电容器组合来构造的电荷泵型升压器电路(以下简称电荷泵电路)。在半导体集成电路中，优选地使用电荷泵电路。

在电荷泵电路中，一对二极管和电容器根据预期的输出电压被布置成用于许多级。第一级电容器由电源电压来充电，第二级电容器由第一级电容器来充电，以及第三级电容器由第二级电容器来充电。直到末级为止以此种方式重复充电。因此，输入电压被提高至预期的输出电压。以下将参考图1来描述典型的电荷泵电路的工作原理。

图1示出其中将一对二极管和电容器布置用于五级的电荷泵电路的构造。具体地，图1所示的电荷泵电路具有：串联连接的五个二极管D1至D5；以及分别连接至二极管D1至D5的连接节点的五个电容器C1至C5。电容器C1和C3的一端分别被连接至连接节点a1和a3，以及它们的另一端供应有控制信号S1。电容器C2和C4的一端分别连接至连接节点a2和a4，以及它们的另一端供应有控制信号S2。

这里，分别以预定的周期在0V与Vdd之间切换控制信号S1和S2的电平。此外，控制信号S1和S2在0V周期和Vdd周期中彼此不同。也就是说，控制信号S1和S2为互补信号。

当控制信号S1的电平为0V(控制信号S2的电平为Vdd)时，通过二极管D1，由输入电源电压Vdd对电容器C1充电。电荷电压此时为“Vdd-VF”，其中VF为二极管的正向电压降。

接下来，当控制信号S1的电平变成Vdd(控制信号S2的电平变成0V)时，电容器C1的连接节点的电压变成“2Vdd-VF”。此时，控制信号S2的电平为0V，并因此通过二极管D2将电容器C2充电至“2Vdd-2VF”。以此方式重复充电，并且还提高其他电容器C3、C4和C5的电荷电压。结果，图1所示的电荷泵电路能够产生大约“5Vdd-5VF”的输出电压。

在图1所示的电荷泵电路的情况下，输出电压从“5Vdd”减少作为二极管D1至D5的正向电压降之和的“5VF”。也就是说，由于控制对电容器充电的控制元件(二极管)的电压降，所以降低输出电压。因此，考虑将具有小的电压降量的元件用作充电操作的控制元件，以便提高电荷泵电路的输出电压。例如，用FET(场效应晶体管；以下简单地称作晶体管)来替代二极管，从而大大地抑制输出电压的降低。

图2示出使用代替二极管的晶体管的电荷泵电路的构造。图2所示的电荷泵电路为负电压升压器电路。图2所示的电荷泵电路具有：源极和漏极串联连接的晶体管FET1至FET6；以及其一端分别连接至晶体管FET1至FET6之间的连接节点a11至a15的电容器C11至C15。电容器C11、C13和C15的一端分别连接至连接节点a11、a13和a15，以及它们的另一端供应有控制信号S3。电容器C12和C14的一端分别连接至连接节点a12和a14，以及它们的另一端供应有控制信号S4。

如图3所示，以预定的周期在0V与Vdd之间切换控制信号S3和S4的电平。此外，控制信号S3和S4在0V周期和Vdd周期中彼此不同。此外，存在控制信号S3和S4这两者的电平均为0V的周期。例如，控制信号S3和S4在周期T1中均为0V。在周期T2中，在将控制信号S4切换至VDD的同时将控制信号S3维持在0V。在周期T3中，控制信号S3和S4均为0V。在周期T4中，在将控制信号S4维持在0V的同时将控制信号S3切换至VDD。在周期T5中，控制信号S3和S4均为0V。在周期T6中，在将控制信号S4切换至VDD的同时将控制信号S3维持在0V。

控制信号G1至G6分别供应至晶体管FET1至FET6的栅极。也就是说，晶体管FET1至FET6分别由控制信号G1至G6来控制导通/断开。在本示例中，当控制信号S3为VDD时，晶体管FET1、FET3和FET5导通，以及晶体管FET2和FET4断开。另一方面，当控制信号S4为VDD时，晶体管FET1、FET3和FET5断开，以及晶体管FET2和FET4导通。

将参考图2和3来描述电荷泵的操作。当控制信号S3为VDD时，通过晶体管FET1，由电源电压VDD对电容器C11充电。在此，让我们考虑晶体管的漏极与源极之间的电压降为0V的情形。在该情况下，电容器C11的电荷电压为“VDD”。