專利名稱：電荷泵電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電荷泵電路。具體地，本發(fā)明涉及能夠提供電源電壓的非整數(shù)倍的電壓輸出的電荷泵電路。本發(fā)明還涉及包括這種電路的電子裝置，具體地但并非唯一地是大面積電子(LAE)裝置，如有源矩陣液晶顯示器(AMLCD)或其它類型的有源矩陣顯示器。半導(dǎo)體器件或半導(dǎo)體集成電路是另一種裝置形式，其中電荷泵電路例如可以是集成的。
公知的是，電荷泵電路用于從較低的直流電壓源提供升壓了的直流電壓。該升壓電壓可比輸入電源電壓的高電平更正，或者可供選擇的，比輸入電源電壓的低電平更負(fù)。這種電路可包括一系列升壓級，每一級都包括連接到電容器的開關(guān)，該開關(guān)控制電荷向電容器的流動。例如在WO02/061930中公開了這種電路。每一級的開關(guān)都設(shè)置在該級的輸入端，每一級的輸出端都是開關(guān)和電容器之間的結(jié)點。輸入給電路的是具有較低電壓幅度的直流電流源。電容器交替連接到兩個互補(bǔ)的時鐘控制線中的一個上，該時鐘控制線控制開關(guān)操作，而其控制了沿這些級的所謂的電荷的泵作用。
在電路的工作過程中，一個時鐘周期形成了在電容器上的一次電荷存儲，這些電容器連接到控制線中要通過其到達(dá)對應(yīng)的下一級的電容器的一個上。這些電容器上的電壓沿這一系列升壓級逐漸地增大。更多的級導(dǎo)致產(chǎn)生用于電路的更大的輸出電壓。
對于給定的電源，其具有低電壓電平Vss＝0V(僅是為了說明)和高電壓電平VDD，WO02/061930中公開的這種類型的電荷泵電路被用來在正電荷泵的情況下產(chǎn)生電壓(n+1)VDD，并在負(fù)電荷泵的情況下產(chǎn)生電壓-nVDD，其中n是等于電荷泵中的級數(shù)的整數(shù)。但是，經(jīng)常出現(xiàn)所需的輸出電壓不等于電源電壓VDD的整數(shù)倍這種情況。在這種情況下，公知的是使用附加的電路來調(diào)節(jié)輸出電壓到所需的值，這為可以實現(xiàn)的理論效率提供了主要的限制。
例如，具有5V輸入電壓的單級正電荷泵在正常情況下將產(chǎn)生10V的輸出電壓。如果對其進(jìn)行調(diào)節(jié)以下降到所需的7.5V輸出電壓，則該電荷泵的最大理論效率被減小到75％。
專利US5790393公開了一種用于產(chǎn)生電源電壓的分?jǐn)?shù)倍大小的電荷泵電路。為了將輸出電壓減小到所需的分?jǐn)?shù)倍大小的電平，存儲泵電荷的電容器與電路輸出端的附加電容器并聯(lián)連接。盡管這個電路不使用電壓調(diào)節(jié)器，但也具有限制了最大理論效率的缺點。
除了要提供電壓電源線的分?jǐn)?shù)倍大小，還經(jīng)常需要電壓高于高壓電源線以及電壓低于低壓電源線。
電荷泵電路的應(yīng)用的一個例子是應(yīng)用在具有顯示屏的便攜式電子裝置中。顯示器需要使用相對較高的電壓，例如15V，而該設(shè)備要用相對較低的電壓源例如3V對其進(jìn)行供電。使用升壓裝置如電荷泵電路明顯看來是很合適的。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種電荷泵電路，包括升壓級；與升壓級并聯(lián)的降壓級；和連接到升壓和降壓級的共用輸入端。
本發(fā)明解決產(chǎn)生兩個(或可能更多個)升壓電壓的問題，其中一個升壓電壓在相對于電源電壓的正向上，另一個升壓電壓是在相對于電源電壓的負(fù)向上。此外，該電路能夠使產(chǎn)生的電壓不等于電源電壓的整數(shù)倍。具體地，在一個級的泵作用中用到的電荷可以被再循環(huán)到其它級，這是因為升壓級和降壓級需要方向相反的電荷泵作用。因此，提供了產(chǎn)生所需電壓的有效的裝置。
該升壓級優(yōu)選地是用于將輸入電壓增加低電源線電壓和高電源線電壓之間差值的整數(shù)倍，降壓級是用于將輸入電壓減小低電源線電壓和高電源線電壓之間差值的整數(shù)倍。通過在電源線電壓之間的一個值上選擇輸入電壓，輸出電壓是電源線電壓的非整數(shù)倍。
升壓級可包括一個或多個電荷泵部分，每個都用于將輸入電壓增加低電源線電壓和高電源線電壓之間的差值。類似地，降壓級可包括一個或多個電荷泵部分，每個都用于將輸入電壓減小低電源線電壓和高電源線電壓之間的差值。
每個電荷泵部分優(yōu)選地包括在結(jié)點串聯(lián)連接在一起的輸入開關(guān)和輸出開關(guān)，以及連接在結(jié)點和控制線之間的電荷泵電容器。
每個電荷泵部分可包括在第一結(jié)點串聯(lián)連接在一起的第一輸入開關(guān)和輸出開關(guān)，在第二結(jié)點串聯(lián)連接在一起的第二輸入開關(guān)和輸出開關(guān)，連接在第一結(jié)點和第一控制線之間的第一電荷泵電容器，以及連接在第二結(jié)點和第二控制線之間的第二電荷泵電容器。這樣提供了并聯(lián)的兩個泵電路，使得在所有的時鐘周期內(nèi)都可以執(zhí)行電荷的泵作用。
在另一種設(shè)置方式中，升壓級和降壓級中的每個電荷泵部分可包括在第一結(jié)點串聯(lián)連接在一起的第一輸入開關(guān)和輸出開關(guān)，連接在輸入端和第二結(jié)點之間的第二輸入開關(guān)，連接在第一結(jié)點和第一控制線之間的第一電荷泵電容器，以及連接在第二結(jié)點和第二控制線之間的第二電容器，其中第二結(jié)點提供用于第一輸入和輸出開關(guān)的控制信號。
在這種設(shè)置方式中，在每個電荷泵電路中僅提供了一個電荷泵電容器，另一個電容器用于產(chǎn)生合適的開關(guān)控制信號。互補(bǔ)的信號再次被提供給第一和第二控制線。但是，在兩種設(shè)置方式中，也可以替換地使用非重疊的信號。
本發(fā)明還提供了一種集成電路裝置或其它電子裝置，其可通過例如使用低溫多晶硅處理工藝來形成，并且其包括本發(fā)明的電荷泵電路。該裝置可包括有源矩陣液晶顯示器裝置，具有設(shè)置在公共襯底上的電荷泵電路和用于顯示的TFT開關(guān)陣列。
現(xiàn)在將參考附圖通過例子描述本發(fā)明的實施例，附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的電荷泵電路的示意性電路圖；圖2是示出了圖1中所示電路的一種實現(xiàn)形式的更詳細(xì)的電路圖；和圖3A和3B被用來更詳細(xì)地解釋圖2中所示電路的工作；和圖4是示出了圖1中所示電路的另一種實現(xiàn)形式的更詳細(xì)的電路圖；圖5是包含顯示器和電荷泵電路的LAE裝置的示意性平面圖；和圖6到11進(jìn)一步示意性地說明了根據(jù)本發(fā)明的電荷泵電路可供選擇的實施例。
在所有圖中用相同的附圖標(biāo)記和符號來表示相同或相近的特征。
本發(fā)明提供了一種能夠產(chǎn)生兩個(或可能更多個)升壓電壓的電路，其中的一個升壓電壓是在相對于電源電壓的正向上，另一個升壓電壓是在相對于電源電壓的負(fù)向上。此外，該電路能夠使這些電壓等于電源電壓的非整數(shù)倍。這提供了一種產(chǎn)生例如用于模擬開關(guān)的電壓的有效方法，在這種情況下，可能需要產(chǎn)生高于和低于電源軌道的電壓，以便確保開關(guān)可以被正確地接通和關(guān)斷。在大量模擬電路應(yīng)用中都需要這種能力。
圖1用示意方式示出了根據(jù)本發(fā)明的電荷泵電路，用于說明本發(fā)明的基本思想。
該電路包括升壓級1和降壓級2。每一級都具有串聯(lián)連接在該級的輸入端和各自的電壓控制端4、6之間的輸入開關(guān)裝置S1A、S2A(下文中通常表示成SnA)和電荷泵電容器CP1、CP2(下文中通常表示成CPn)。每一級1、2的輸出包括在開關(guān)裝置SnA和電容器CPn之間的結(jié)點。該結(jié)點通過輸出開關(guān)S1B、S2B(下文中通常表示成SnB)連接到該級的輸出端。
用互補(bǔ)的信號(Φ’和/Φ’)轉(zhuǎn)換輸入和輸出開關(guān)SnA、SnB，使得電荷泵電容器交替地連接到級的輸入端8和輸出端。
電壓控制端4、6的電壓可在兩個電平之間轉(zhuǎn)換。這是通過提供方齒波形給端子4、6來實現(xiàn)的。提供給控制電壓端4和6的電壓根據(jù)高壓電源軌道和低壓電源軌道的電壓改變電壓電平。例如，低壓電源軌道可接地。
在一個端子4(/Φ)上的電壓與在另一個端子6(Φ)上的電壓互補(bǔ)，使得一個信號具有與另一個信號相反的極性，但在同時被計時。
相同的控制信號波形定時可被用來控制控制線4、6的輸入和輸出開關(guān)。換句話說，Φ可以具有與Φ’相同的轉(zhuǎn)變。這樣，當(dāng)CP1被連接到低電壓且CP2被連接到高電壓時，開關(guān)S1A和S2A被閉合(具有低阻抗)，S1B和S2B被打開(即，具有高阻抗)。類似地，當(dāng)CP1被連接到高電壓且CP2被連接到低電壓時，開關(guān)S1A和S2A被打開(具有高阻抗)，S1B和S2B被閉合(具有低阻抗)?？刂菩盘枽怠?Φ’的實際性質(zhì)取決于開關(guān)的性質(zhì)。
在每一級的工作過程中，DC輸入電壓Vin被施加到電荷泵電路的輸入端8。該電壓源提供平均電流，該平均電流近似等于在輸出端汲取的平均負(fù)載電流的差值，所以I(Vin)＝IL1-IL2。如果IL2大于IL1，則Vin將吸收電流，反之如果IL1大于IL2，則它將提供電流。
舉例考慮升壓級1，當(dāng)輸入開關(guān)S1A被閉合時，電荷流向電容器CP1，將其充電到輸入電壓(小于跨開關(guān)的任何電壓降)。當(dāng)控制端4被連接到低控制電壓(例如0V)且輸入開關(guān)被閉合時，電荷被提供給電容器。在下一個時鐘周期，并且在電容器充電后，開關(guān)S1A被打開，并且控制端上的電壓被反向。然后，電容器CP1上的電壓將加到控制端4上的新的更高的電壓(例如5V)上，使得增加了的電壓出現(xiàn)在級的輸出端。
該增加了的輸出電壓通過閉合的輸出開關(guān)S1B被提供給輸出端。
圖1中的降壓級2用相似的方式工作，只是根據(jù)在高和低電源軌道(如圖1中的0V和VDD所示)之間的電壓差的幅度來提供電壓的步進(jìn)減小。
在輸出電壓達(dá)到它們的穩(wěn)定狀態(tài)電平所需的初始穩(wěn)定周期之后實現(xiàn)該電路的操作。當(dāng)電荷沿電路被泵送并且電流被提供給負(fù)載時，輸出電壓在該穩(wěn)定狀態(tài)電平附近上下波動。通過增加在電荷泵的輸出端連接的電容器的大小來減小該紋波的幅度。電荷的泵作用操作是公知的，因此不再更詳細(xì)地描述。
根據(jù)本發(fā)明，升壓和降壓級1、2共用公共輸入端Vin。輸入電壓Vin處于電源軌道電壓之間。在傳統(tǒng)電路中，負(fù)電荷泵的輸入連接到低壓電源軌道，正電荷泵的輸入連接到高壓電源軌道VDD。通過將兩個輸入端連接到一起，有效地產(chǎn)生了非整數(shù)倍的電源電壓，這是因為通過降壓電荷泵注入的電荷可以再循環(huán)回升壓電荷泵。這樣使必須由電壓源Vin提供的電流最小。
在輸出端提供了去耦電容器CL1和CL2，并被連接到地。實際上，這些電容器可被連接到任意的低阻抗恒定電壓源上。在啟動階段，去耦電容器被充電(即，泵送)到輸出電壓。它們用來使工作過程中輸出電壓中的紋波最小(它們越大則紋波越小)。因為每個時鐘周期CL1和CL2上的電荷就被充滿一次，所以很需要這一點，但負(fù)載很可能連續(xù)不斷地汲取電流。去耦電容器很可能是不在玻璃上的外部元件。
現(xiàn)在將更詳細(xì)地描述電路的工作過程，假定，低電源線電壓Vss為0V，高電源線電壓為VDD。圖1中的電路產(chǎn)生正輸出電壓Vout1＝Vin+VDD，并產(chǎn)生負(fù)輸出電壓Vout2＝Vin-VDD，其中Vin是0和VDD之間的電壓。
盡管Vout1和Vout2之間的差值總是等于2VDD，但可以根據(jù)Vin的值將Vout1和Vout2的絕對電平從分別在各自上端的2VDD和0V之間調(diào)整到分別在各自下端的VDD和-VDD之間。當(dāng)所需的輸出電壓處于這兩個限度之間時該電路提供了超過傳統(tǒng)方案的優(yōu)點。這是因為產(chǎn)生Vout2的負(fù)電荷泵朝輸入電壓源Vin反向注入電荷。但是同時，產(chǎn)生Vout1的正電荷泵從電壓源Vin汲取電荷。因此，實際結(jié)果是來自負(fù)電荷泵的電荷可以再循環(huán)回正電荷泵。
圖1還將由兩個產(chǎn)生的電壓驅(qū)動的負(fù)載表示為第一電流源IL1和第二電流源IL2，第一電流源IL1連接在升高的電壓和低電源線電壓(在這個例子中是地)之間，第二電流源IL2連接在減小的電壓和低電源線電壓之間。這些負(fù)載電流取決于由電路驅(qū)動的負(fù)載。
如果負(fù)載電流IL1和IL2相等，則沒有凈電流流進(jìn)或流出電壓源Vin，這意味著電壓源可以被設(shè)計成具有高阻抗。在Vin是具有100％效率的電壓源，電荷泵開關(guān)是理想的，并且泵電容器是無窮大的情況下，只要IL1大于或等于IL2，則理論效率就會等于100％。如果IL1小于IL2，并且注入電壓源Vin的電荷不可以再循環(huán)，則效率會因此降低。
圖1中的電路示出了利用開關(guān)形成的電荷泵，但代替地可以使用二極管。而且，圖1中所說明的正和負(fù)電荷泵僅具有單個級。
該原理可以容易地擴(kuò)展到具有多級的電荷泵中，這種情況下，正輸出電壓變?yōu)閂outp＝Vin+nVDD(其中n是正電荷泵中的級數(shù))，負(fù)輸出電壓變?yōu)閂outn＝Vin-mVDD(其中m是負(fù)電荷泵中的級數(shù))。
在多級設(shè)置中，來自一個級中的電容器的電荷流到(或泵送到)在下一級中的電容器。在下一級中的電容器具有在此時提供給它的相反的控制電壓，使得該下一級的電容器具有比前一級中的電容器上的電壓更高的電壓。這樣，電容器電壓沿一系列級增加。
一個電容器上的電壓將比前一個電容器上的電壓高出控制電壓之間的差值(忽略開關(guān)上的電壓降不計)。這就是所謂的升壓。
在一連串電荷泵中，通過互補(bǔ)控制信號控制相鄰的泵，使得有兩個電壓控制端，每一個與不同組升壓級有聯(lián)系。
還可以有連接到同一個輸入電壓源Vin的多個正電荷泵(每個都具有多個級)和多個負(fù)電荷泵(每個都具有多個級)。而且，由于電荷的再循環(huán)而得到最佳效率的標(biāo)準(zhǔn)是通過負(fù)電荷泵注入回輸入電壓源Vin的電流應(yīng)該小于或等于通過正電荷泵從電源Vin汲取的電流。
為了確保電流被正確地從電荷泵的負(fù)臂再循環(huán)到正臂，可能需要在電壓源Vin的設(shè)計中注意一些問題。具體地，可能需要將它設(shè)計成具有特定的電阻并在輸出端要使用去耦電容器。這是一種公知的技術(shù)。而且，如果正臂中負(fù)載電流的幅值小于負(fù)臂中負(fù)載電流的幅值，使得電流從電壓源Vin被汲取走，則希望Vin應(yīng)盡可能地有效。用于有效地產(chǎn)生在電源電壓之間的電壓的電路也是公知的。例如容性分壓電路可以以理想的100％的效率產(chǎn)生VDD/2(假定是理想的開關(guān)和無窮大的電容器)。
圖2中示出了電路實現(xiàn)形式的更詳細(xì)的例子，同樣，為了簡明起見，每個電荷泵都由單個的升壓級組成。輸出負(fù)載在圖2中表示成電阻器RL1和RL2。在圖2中，NMOS晶體管被表示成“N”，并且PMOS晶體管被表示成“P”。
升壓級1和降壓級2是利用多晶硅TFT(薄膜晶體管)來實現(xiàn)的，并適合于集成到輸入電源電壓為5V和0V的有源矩陣LCD顯示器中。該電路被用于從這些輸入電壓產(chǎn)生+7.5V和-2.5V的電壓，這些電壓需要用于CMOS開關(guān)，以確保它們可以被正確地接通和關(guān)斷。
每個級1、2都與兩個電荷泵電容器Cp1a、Cp1b和Cp2a、Cp2b有聯(lián)系。每個電容器連接到輸入晶體管開關(guān)N1a、N1b、P2a、P2b和輸出晶體管開關(guān)P1b、P1a、N2a、N2b之間的結(jié)點上。這樣，每個級都有效地包括兩個圖1中所示的電荷泵結(jié)構(gòu)，彼此并聯(lián)設(shè)置。這種結(jié)構(gòu)使得能夠在所有周期內(nèi)都能執(zhí)行電荷的泵作用。
圖2中，并聯(lián)的兩個電荷泵使得能夠簡單地產(chǎn)生合適的柵電壓以用于輸入和輸出開關(guān)，所述輸入和輸出開關(guān)實現(xiàn)為晶體管。這些柵電壓具有與時鐘轉(zhuǎn)變幅度相等的轉(zhuǎn)變，但兩個電平都上移(或下移)與Vin相等的一個量。
可替換地，這些開關(guān)可以用二極管實現(xiàn)，這樣則不需要控制信號，這是因為二極管的接通和關(guān)斷是電荷泵電路工作方式的自然結(jié)果。
將參考圖3A和3B詳細(xì)地描述每個級的工作過程。
圖3A示出了升壓級1的各元件。圖中所指明的電壓假定低電源軌道為0V且高電源軌道為5V。圖3A示出了在其中上部控制端為低電壓而下部控制端為高電壓的周期。圖3A和3B中沒有給出晶體管和電容器的附圖標(biāo)記，它們與圖2中的相對應(yīng)。因此圖2中的附圖標(biāo)記被用來表示圖3中對應(yīng)的元件。圖3A和3B中的箭頭表示電荷流向。
2.5V的輸入電壓通過被接通的晶體管N1b將上部電容器Cp1b充電到2.5V。在輸出端的平衡值為7.5V，如圖中所示，下部電容器Cp1a被在其上的2.5V電壓充電，從而在輸出端呈現(xiàn)7.5V。電荷通過晶體管P1a被泵送到輸出端，以維持輸出在此電壓值上。
圖3B示出了在其上上部控制端為高電壓而下部控制端為低電壓的周期。
2.5V的輸入電壓通過被接通的晶體管P1a將下部電容器Cp1a充電到2.5V。上部電容器Cp1b被在其上的2.5V電壓充電，因此在輸出端呈現(xiàn)7.5V。電荷通過晶體管P1b被泵送到輸出端，以維持輸出在此電壓值上。
因此，這種結(jié)構(gòu)在所有的時鐘周期內(nèi)都提供電荷的泵作用。
降壓級2用相同的方式操作，只是電荷在相反的方向上流動。
如圖2中所示，升壓級1的電荷泵部分和降壓級2的電荷泵部分通過串聯(lián)連接在一起的電荷泵電容器Cp1a和Cp2a連接在一起，使其中一條控制線在結(jié)點處。
圖2中的電路對于每個電荷泵級都具有兩個電荷泵電容器。這些電容器需要具有特定的尺寸以執(zhí)行電荷泵操作，這樣增加了電路所需的面積。
圖4示出了一種替換的實現(xiàn)形式，其在每個電荷泵級上僅具有一個泵電容器Cp1和Cp2。每個電荷泵級也僅具有一個輸出開關(guān)P1和N2。因此，僅在兩個周期中的一個周期內(nèi)由每個級執(zhí)行電荷的泵作用。
在升壓級中，僅使用一個輸入開關(guān)N1b和電容器Cbs1來產(chǎn)生電平移動的時鐘信號以驅(qū)動其它輸入開關(guān)N1a和輸出開關(guān)P1的柵信號。類似地，在降壓級中，僅使用輸入開關(guān)P2b和電容器Cbs2來產(chǎn)生電平移動的時鐘信號用于輸入開關(guān)P2a和輸出開關(guān)N2的柵極。
由于電容器Cbs1和Cbs2沒有被用來將電荷泵送到電路中，因此它們的值可以遠(yuǎn)小于Cp1和Cp2。該電路是優(yōu)選的，特別是在如果Cp1和Cp2的值太大而不能使它們被集成到玻璃上的情況下。
圖5示出了包括有源矩陣液晶顯示器裝置的集成電路裝置30，其使用TFT開關(guān)陣列32。該開關(guān)陣列和電荷泵電路34被設(shè)置在共用襯底36上，并用低壓電源38(例如3V的電池)來給集成電路36提供電力。
圖6示出了與圖1中相同的基本電荷泵電路，只是提供給開關(guān)S1A、S1B、S2A、S2B和控制端4和6的控制信號的定時被修改了。在這種情況下，提供給S1B和S2A的控制信號的定時與提供給端子4和6的波形的定時相同。這意味著，當(dāng)端子4和6被連接到高壓電平VDD上時，開關(guān)S1B和S2A被閉合(即，具有低阻抗)，且開關(guān)S1A和S2B被打開(即，具有高阻抗)。反之，當(dāng)端子4和6被連接到低壓電平，在圖6中是0V時，開關(guān)S1B和S2A被打開(即，具有高阻抗)，且開關(guān)S1A和S2B被閉合(即，具有低阻抗)。對定時的這種修改意味著，在電荷從降壓級2被注入之后，在該電荷被再循環(huán)到升壓級1之前，有半個時鐘周期的延遲。為了確保電荷被正確地再循環(huán)，必須如前面提到的將電壓源Vin去耦合，這里，這是通過電阻器Rin和電容器Cin來實現(xiàn)的。實際上，在電荷被再循環(huán)到升壓級1之前，電容器Cin起到從降壓級2注入的電荷的臨時存儲節(jié)點的作用。
圖7示出了用于實現(xiàn)圖6中所示的示意性結(jié)構(gòu)的可能的電路。該電路與圖4中的相同，只是修改了提供給Cp1、Cp2、Cbs1和Cbs2的時鐘信號，使得該定時如圖6中所示。圖7還明確地示出了用于使電壓源Vin去耦合的電阻器Rin和電容器Cin。
在到目前為止所描述的實施例中，提供給電荷泵中開關(guān)的控制信號和提供給電荷泵電容器的電壓電平都是互補(bǔ)的，這意味著，所有的轉(zhuǎn)變都同時發(fā)生，使得當(dāng)特定的信號從低轉(zhuǎn)換到高時，其互補(bǔ)的開關(guān)從高轉(zhuǎn)換到低。公知的是，在某些情況下通過使用不同時轉(zhuǎn)換的控制信號可以提高電荷泵的效率。這被稱為使用非重疊的控制信號。非重疊的控制信號可以被用來確保在電荷泵開關(guān)開始轉(zhuǎn)換的有限時間內(nèi)，電荷不會通過這些電荷泵開關(guān)在錯誤的方向上被泄漏掉。其余的例子示出了非重疊控制信號是如何與本發(fā)明一起被使用的。
圖8示出了具有提供給電荷泵開關(guān)的非重疊控制信號φa和φb以及提供給端子6和4的互補(bǔ)波形φ和/φ的電荷泵的示意形式。當(dāng)φ轉(zhuǎn)換到高電平時，端子6連接到高電源電壓且端子4被連接到低電源電壓。在這種轉(zhuǎn)變過程中，所有的開關(guān)S1A、S1B、S2A和S2B都打開(即，具有高阻抗)。在一延遲周期之后，φa中的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致S1A和S2A閉合，將電容器Cp1和Cp2連接到Vin。在充電周期之后，φa中的進(jìn)一步轉(zhuǎn)變導(dǎo)致S1A和S2A打開。在一個延遲周期之后，φ轉(zhuǎn)換到低電平，所以端子6連接到低壓電源，端子4連接到高壓電源。然后，又一個延遲周期之后，φb的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致S1B和S2B閉合，將Cp1連接到CL1，并將CP2連接到CL2。然后在又一個充電周期之后，φb的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致S1B和S2B打開。不斷地重復(fù)這個循環(huán)，使得CL1和CL2被泵送到如圖8中所示的它們各自的輸出電壓上。
圖9示出了用于實現(xiàn)圖8中所示的示意性結(jié)構(gòu)的可能電路。晶體管N1b和電容器Cbs1a連同控制信號φa一起產(chǎn)生用于轉(zhuǎn)換電荷泵晶體管N1a的電平移動的電壓信號。晶體管N1c和電容器Cbs1b連同控制信號/φb一起產(chǎn)生用于轉(zhuǎn)換電荷泵晶體管P1的電壓信號。晶體管P2b和電容器Cbs2a連同控制信號/φa一起產(chǎn)生用于轉(zhuǎn)換電荷泵晶體管P2a的電壓信號。晶體管P2c和電容器Cbs2b連同控制信號φb一起產(chǎn)生用于轉(zhuǎn)換電荷泵晶體管N2的電壓信號。該電路需要產(chǎn)生6個控制信號，φ、φa、φb和它們的互補(bǔ)信號。
圖10示出了具有提供給電荷泵開關(guān)的非重疊控制信號φa和φb以及提供給端子6和4的波形φ的電荷泵的示意形式。當(dāng)φ轉(zhuǎn)換到低電平時，端子4和6連接到低電源電壓。在這個轉(zhuǎn)變過程中，所有開關(guān)S1A、S1B、S2A和S2B都打開。在一延遲周期之后，φa的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致S1A和S2B閉合。這將CP1連接到Vin，并將CP2連接到CL2。在一充電周期之后，φa的進(jìn)一步轉(zhuǎn)變導(dǎo)致S1A和S2B打開。在一延遲周期之后，φ轉(zhuǎn)換到高電平，所以端子4和6連接到高壓電源。然后，在又一個延遲周期之后，φb的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致S1B和S2A閉合，將CP1連接到CL1，并將CP2連接到Vin。然后在又一個充電周期之后，φb的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致S1B和S2A打開。不斷地重復(fù)該循環(huán)，使得CL1和CL2被泵送到如圖8中所示的它們各自的輸出電壓上。
圖11示出了用于實現(xiàn)圖10中所示的示意性結(jié)構(gòu)的可能的電路?；倦娐放c圖9中的相同，只是修改了控制信號，使得電路的開關(guān)序列如圖10中所示。該電路的優(yōu)點是，與用于圖9中所示電路的六個控制信號相比，該電路只需產(chǎn)生三個控制信號φ、φa和φb。如圖6的描述所述的，需要通過圖10和11中的Rin和Cin提供Vin的去耦合以確保電荷被正確地從降壓電荷泵再循環(huán)到升壓電荷泵。
如前面提到的，本發(fā)明的電荷泵電路可用在大面積電子裝置中，如有源矩陣顯示器裝置和類似裝置。
但是，電荷泵電路也可與其它類型的裝置一起使用。實際上，電荷泵是在許多其它應(yīng)用中都可找到的應(yīng)用非常廣泛的電路。例子包括用于快速存儲器的和低壓集成電路中的可編程和可擦除電壓的產(chǎn)生，在低壓集成電路中的模擬開關(guān)可能需要升高的電壓。電荷泵也可以用在半導(dǎo)體功率開關(guān)的集成控制電路中。該功率開關(guān)例如可以是MOSFET。當(dāng)然還有許多更多的應(yīng)用和各種其它修改對本領(lǐng)域的技術(shù)人員都將是很明顯的。
權(quán)利要求
1.一種電荷泵電路，包括升壓級(1)；與升壓級并聯(lián)的降壓級(2)；和連接到升壓和降壓級的共用輸入端(8)。
2.如權(quán)利要求1中所述的電路，其中，升壓級用于將輸入電壓增加低電源線電壓(VSS)和高電源線電壓(VDD)之間差值的整數(shù)倍，降壓級用于將輸入電壓減小低電源線電壓(VSS)和高電源線電壓(VDD)之間差值的整數(shù)倍。
3.如權(quán)利要求1或2中所述的電路，其中，升壓級包括至少一個電荷泵部分。
4.如權(quán)利要求3中所述的電路，其中，升壓級(1)包括多個電荷泵部分，每一個都用于將輸入電壓增加低電源線電壓和高電源線電壓之間的差值。
5.如權(quán)利要求1到3中任一個所述的電路，其中，降壓級(2)包括至少一個電荷泵部分。
6.如權(quán)利要求5中所述的電路，其中，降壓級包括多個電荷泵部分，每一個都用于將輸入電壓減小低電源線電壓和高電源線電壓之間的差值。
7.如權(quán)利要求3到6中任一個所述的電路，其中，升壓級(1)和降壓級(2)中的該電荷泵部分或每個電荷泵部分都包括在結(jié)點串聯(lián)連接在一起的輸入開關(guān)(S1A；S2A)和輸出開關(guān)(S1B；S2B)，以及連接在該結(jié)點和控制線(4；6)之間的電荷泵電容器(CP1；CP2)。
8.如權(quán)利要求7中所述的電路，其中，升壓級(1)和降壓級(2)中的該電荷泵部分或每個電荷泵部分都包括在第一結(jié)點串聯(lián)連接在一起的第一輸入開關(guān)和輸出開關(guān)(N1a、P1a；P2a，N2a)，在第二結(jié)點串聯(lián)連接在一起的第二輸入開關(guān)和輸出開關(guān)(N1b，P1b；P2b，N2b)，連接在第一結(jié)點和第一控制線(Φ)之間的第一電荷泵電容器(Cp1a；Cp2a)，以及連接在第二結(jié)點和第二控制線(/Φ)之間的第二電荷泵電容器(Cp1b；Cp2b)。
9.如權(quán)利要求8中所述的電路，其中，將互補(bǔ)的信號施加到第一(Φ)和第二(/Φ)控制線。
10.如權(quán)利要求8中所述的電路，其中，將非重疊的信號施加到第一(Φ)和第二(/Φ)控制線。
11.如權(quán)利要求7中所述的電路，其中，升壓級(1)和降壓級(2)中的該電荷泵部分或每個電荷泵部分都包括在第一結(jié)點串聯(lián)連接在一起的第一輸入開關(guān)和輸出開關(guān)(N1a、P1；P2a，N2)，連接在輸入端和第二結(jié)點之間的第二輸入開關(guān)(N1b；P2b)，連接在第一結(jié)點和第一控制線之間的第一電荷泵電容器(Cp1；Cp2)，以及連接在第二結(jié)點和第二控制線之間的第二電容器(Cbs1；Cbs2)，其中第二結(jié)點提供用于第一輸入和輸出開關(guān)的控制信號。
12.如權(quán)利要求11中所述的電路，其中將互補(bǔ)的信號施加到第一和第二控制線。
13.如權(quán)利要求11中所述的電路，其中將非重疊的信號施加到第一和第二控制線。
14.如權(quán)利要求8到12中任一個所述的電路，其中，第一輸入開關(guān)和輸出開關(guān)(N1a、P1；P2a、N2)以互補(bǔ)的方式工作。
15.如權(quán)利要求8到14中任一個所述的電路，其中，升壓級中至少一個電荷泵部分的電荷泵電容器與降壓級中至少一個電荷泵部分的電容器連接在一起。
16.如前述權(quán)利要求中任一個所述的電路，其中，升壓級(1)用于將輸入電壓增加低電源線電壓和高電源線電壓之間差值的整數(shù)倍，降壓級(2)用于將輸入電壓減小低電源線電壓和高電源線電壓之間差值的整數(shù)倍，并且其中，將電壓(Vin)施加到在低電源線電壓和高電源線電壓之間的共用輸入端(8)上。
17.一種電子裝置(30)，包括如前述權(quán)利要求中任一個所述的電路(34)。
18.如權(quán)利要求17中所述的裝置，其中該裝置(30)包括液晶顯示器。
19.如權(quán)利要求18中所述的裝置，其中，該電路(34)和用于顯示的TFT開關(guān)陣列(32)被設(shè)置在公共襯底(36)上。
全文摘要
一種電荷泵電路具有并聯(lián)的升壓級和降壓級，并共用一個公共輸入端。這樣允許電荷在各級間流動，使得用在一個級的泵作用中的電荷被再循環(huán)到其它級。
文檔編號H02M3/04GK1739230SQ200380108871
公開日2006年2月22日 申請日期2003年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月17日
發(fā)明者J·R·A·艾爾斯, K·亞馬施塔 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司