专利名称：电荷泵电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，更具体的，本发明涉及一种电荷泵电路。
背景技术：
图像传感器是用于将光学图像转换成电信号的半导体器件，包括电荷耦合器件 (CCD)图像传感器与互补金属氧化物半导体(CM0Q图像传感器。其中，由于CMOS图像传感器采用了与后续信号处理电路相同的CMOS制作工艺，其制作成本较低，因此，CMOS图像传感器广泛应用于各种光电转换装置，如数码相机、数码摄像机等。CMOS图像传感器在进行光电转换时，首先通过其中的光电二极管进行曝光，所述光电二极管随光线强度以及曝光时间的不同，产生不同的电压，并将所述电压通过与光电二极管直接相连的MOS晶体管传输到后续的读出电路；随后，所述读出电路将光电二极管产生的电压进一步转换成数字信号输出，从而完成了光学图像向电信号的转换。在电压传输过程中，所述与光电二极管直接相连的晶体管需要完全开启，并保证电压传输过程中没有电荷损失，因此，需要使用高于芯片外部电源电压的稳定电压，作为所述与光电二极管直接相连的晶体管的栅极电压。通常的，所述栅极电压采用电荷泵电路产生。申请号为2008101836000的中国专利申请文件公布了一种用于CMOS图像传感器的电荷泵电路，如图1所示，所述电荷泵电路包括由NMOS晶体管Ml、M2与电容Cl、C2构成的升压单元101，由PMOS晶体管M3和M4构成的电压选择单元103，以及外接于电压选择单元103输出端的输出电容C3。其中，NMOS晶体管Ml和电容Cl构成第一升压子单元105， NMOS晶体管M2与电容C2构成第二升压子单元107。所述升压单元101中匪OS晶体管Ml和M2的漏极共同相连于电源电压。匪OS晶体管Ml和M2在源极交叉耦合，即NMOS晶体管Ml的栅极与NMOS晶体管M2的源极相连， 而NMOS晶体管M2的栅极与NMOS晶体管Ml的源极相连。电容Cl和C2的一端分别连接于 NMOS晶体管Ml和M2的源极，另一端分别连接于一对相位相反的非重叠时钟PHO与PHl上。 因此，所述升压单元101具有对称推挽结构。所述电压选择单元103中PM0S晶体管M3和M4在源极交叉耦合，即PMOS晶体管 M3的栅极与PMOS晶体管M4的源极相连；PMOS晶体管M4的栅极与PMOS晶体管M3的源极相连。而PMOS晶体管M3和M4的源极相连后与输出电容C3的一端相连，而所述输出电容 C3的另一端即作为所述电荷泵电路的输出端。在电荷泵电路工作过程中，升压单元101会不停的在用于存储电荷的电容Cl和C2 之间进行切换，所述电容切换过程会产生较大的电压纹波，所述电压纹波有时可能高达200 至300毫伏，会在图像中产生类似水波纹的干扰。所述电荷泵电路的输出端设置的输出电容C3即是为了减小电容切换过程中产生的电压纹波，避免较大的电压纹波影响图像转换质量。然而，为了减小电压纹波，图1的电荷泵电路的输出电容C3必须具备较大的电容值，而较大电容值的电容很难实现与CMOS电路的单片集成，只能采用接在芯片外部的分立电容。所述分立电容的采用增加了电荷泵电路的使用成本。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种电荷泵电路，所述电荷泵电路大大降低了电荷泵电路输出电压的电压纹波，还避免了分立电容的使用，减少了电荷泵电路的使用成本。为解决上述问题，本发明提供了一种电荷泵电路，包括升压单元、电压选择单元、 基准电压单元以及线性整流单元，其中升压单元，基于时钟信号对电源电压进行提升，输出升压电压；电压选择单元，基于升压单元提供的升压电压输出第一输出电压；基准电压单元，向线性整流单元提供基准电压；线性整流单元，以电压选择单元提供的第一输出电压作为工作电源电压，对基准电压单元提供的基准电压进行负反馈放大，形成第二输出电压。可选的，所述线性整流单元包括运放单元以及反馈单元，其中运放单元分别接收基准电压与反馈单元提供的反馈电压，以第一输出电压为工作电源电压，在第一输出电压的幅值范围内，对基准电压与反馈电压的差动电压进行放大，输出第二输出电压；反馈单元将运放单元输出的第二输出电压进行分压以形成反馈电压，并将所述反馈电压反馈给运放单元。现有技术相比，本发明具有以下优点本发明的电荷泵电路在满足升压速率和效率的基础上，采用线性整流单元减小输出电压的电压纹波；所述线性整流单元可以与电荷泵电路的升压单元、电压选择单元集于同一芯片中，避免了芯片外接的分立电容，从而降低了电荷泵电路的使用成本。
图1是现有技术一种电荷泵电路的示意图。图2是本发明实施例的电荷泵电路的示意图。图3是本发明实施例的电荷泵电路的线性整流单元的一种电路实例图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。正如背景技术部分所述，现有技术的电荷泵电路采用外接于芯片外部的分立电容来减小电荷泵电路输出电压中包含的电压纹波，所述分立电容的采用增加了电荷泵电路的使用成本。针对上述问题，本发明的发明人提供了一种包含有线性整流单元的电荷泵电路，所述线性整流单元通过负反馈结构对电荷泵电路中电压选择单元输出的电压进行处理，有效减小了输出电压中的电压纹波。本发明的发明人发现，基于运放电路实现的反馈系统，例如同相放大电路，可以通过深度负反馈来获得稳定的电压增益，所述电压增益由反馈系统的反馈系数决定；进一步的，提供可以精确控制的带隙基准电压，即可基于反馈系统稳定的电压增益，对所述精确控制的带隙基准电压进行放大，从而获得稳定的输出电压。然而，运放电路的输出电压无法超过其工作电源电压，因此，对于用于驱动CMOS 图像传感器工作的高幅值电压，仅利用通常的运放电路是无法得到的。针对所述运放电路的工作电源电压较低的问题，发明人提出，利用电荷泵电路中电压选择单元已获得的高幅值的升压电压作为运放电路输出级的工作电源电压，即可大大提高运放电路的输出电压。 所述运放电路的输出电压仅由反馈系数及带隙基准电压决定，不受电压选择单元输出电压中包含的电压纹波影响。图2是本发明实施例的电荷泵电路的示意图。如图2所示，所述电荷泵电路包括升压单元201、电压选择单元203、基准电压单元 205以及线性整流单元207，其中升压单元201，包括第一升压子单元202与第二升压子单元204，所述第一升压子单元202与第二升压子单元204分别受控于一对相位相反的非重叠时钟信号，依据时钟信号的不同，所述第一升压子单元202与第二升压子单元204交替实现对电源电压的提升，输出升压电压。电压选择单元203，基于升压单元201提供的升压电压输出第一输出电压，所述第一输出电压中包含有较大幅值的电压纹波。基准电压单元205，向线性整流单元207提供稳定的基准电压。线性整流单元207，以电压选择单元203提供的第一输出电压作为工作电源电压， 对基准电压单元205提供的基准电压进行负反馈放大，形成第二输出电压。更具体的说，所述线性整流单元207为负反馈运放电路，包括运放单元206以及反馈单元210，其中运放单元206，分别接收基准电压与反馈单元210提供的反馈电压，在第一输出电压的幅值范围内，对基准电压与反馈电压的差动电压进行放大，输出第二输出电压；反馈单元210，将运放单元206输出的第二输出电压进行分压以形成反馈电压，并将所述反馈电压反馈给运放单元206。所述电荷泵电路的工作原理为电荷泵电路启动后，升压单元201基于时钟信号将电源电压不断提升；在电荷泵电路工作一段时间后，升压单元201输出的升压电压稳定在最高值附近，并通过电压选择单元203输出，形成包含有较大电压纹波的第一输出电压。所述第一输出电压作为线性整流单元207的工作电源电压，线性整流单元207在第一输出电压的幅值范围内，将基准电压单元205提供的基准电压进行放大，由于第一输出电压具备超出电源电压的幅值，因此，所述第二输出电压也具备超过电源电压的幅值，驱动CMOS图像传感器中的MOS晶体管。同时，所述线性整流单元207中的反馈单元210对运放单元206输出端的第二输出电压进行分压以形成反馈电压，并将所述反馈电压反馈给运放单元206，与基准电压进行比较。在所述线性整流单元207的电压放大过程中，由于所述反馈单元210对运放单元 206的负反馈作用，使得整个线性整流单元207处于深度负反馈状态。具体而言，运放单元 206会因为反馈电压偏离基准电压而引起第二输出电压变化，而所述第二输出电压的变化会被反馈单元210的反馈电压给抵消，这种反馈作用使得第二输出电压保持稳定。而所述深度负反馈状态的线性整流单元207的电压增益由反馈单元210的反馈系数决定。在第一输出电压的幅值范围内，线性整流单元207以所述稳定的反馈系数对基准电压进行放大，输出高于电源电压的第二输出电压。对于负反馈连接的线性整流单元207而言，其输出电阻因负反馈连接而大大增加，因此，第一输出电压中包含的大幅值的电压纹波并不会影响线性整流单元207输出的第二输出电压，电压纹波得到有效抑制。下面通过一个更加具体的线性整流单元及其工作过程的举例，对于上述实施例中的线性整流单元作进一步的说明。图3是本发明实施例的电荷泵电路的线性整流单元的一种电路实例图。如图3所示，所述线性整流单元包括推挽输出单元301，包括第一 PMOS晶体管Ml 与第二 NMOS晶体管M2 ；偏置电流源单元303，包括第三NMOS晶体管M3与第四NMOS晶体管M4 ；负载单元305，包括第五PMOS晶体管M5与第六PMOS晶体管M6 ；差动输入单元307， 包括第七NMOS晶体管M7与第八NMOS晶体管M8 ；反馈单元309，包括第一电阻Rl与第二电阻R2。其中，所述推挽输出单元301、偏置电流源单元303、负载单元305以及差动输入单元 307共同构成了运放单元。所述差动输入单元307中，第七NMOS晶体管M7的栅极与反馈单元309的第一电阻Rl的第二端相连，用于接收负载单元305提供的反馈电压；第八NMOS晶体管M8的栅极用于接收基准电压单元提供的基准电压；第七NMOS晶体管M7、第八NMOS晶体管M8的源极共同相连于偏置电流源单元303的第四NMOS晶体管M4的漏极，用于接收偏置电流源单元 303提供的偏置电流；第七NMOS晶体管M7的漏极与负载单元305的第五PMOS晶体管M5的栅极、漏极相连，第八NMOS晶体管M8的漏极与负载单元305的第六PMOS晶体管M6的漏极相连，向负载单元305提供差动电压。所述偏置电流源单元303中，第三NMOS晶体管M3、第四NMOS晶体管M4的栅极、 以及第三NMOS晶体管M3的漏极共同相连于偏置电压，所述偏置电压用于形成偏置电流源单元303的偏置电流；第三NMOS晶体管M3、第四NMOS晶体管M4的源极共同相连接于公共电压端；第四NMOS晶体管M4的漏极与差动输入单元307中第七NMOS晶体管M7、第八NMOS 晶体管M8的源极相连，用于向差动输入单元307提供偏置电流。所述负载单元305中，第五PMOS晶体管M5、第六PMOS晶体管M6的源极共同相连于电源电压；第五PMOS晶体管M5、第六PMOS晶体管M6的栅极、第五PMOS晶体管M5的漏极共同相连于差动输入单元307的第七NMOS晶体管M7的漏极；第六PMOS晶体管M6的漏极与推挽输出单元301的第一 PMOS晶体管Ml、第二 NMOS晶体管M2的栅极相连；所述负载单元305将差动输入单元307提供的差动电压转换为单端输出的中间电压，并提供给推挽输出单元301。
所述推挽输出单元301中，第二 NMOS晶体管M2的源极接于公共电压端，第一 PMOS 晶体管Ml的源极与电压选择单元的输出端相连，用于接收第一输出电压。第二 NMOS晶体管M2与第一 PMOS晶体管Ml的栅极共同相连于差动输入单元307的第八NMOS晶体管M8 的漏极，用于接收中间电压；第二 NMOS晶体管M2与第一 PMOS晶体管Ml的漏极共同相连于反馈单元309的第二电阻R2的第一端，用于向反馈单元309提供第一输出电压。所述反馈单元309中，第一电阻Rl第一端与推挽输出单元301的第一 PMOS晶体管Ml、第二 NMOS晶体管M2的漏极相连，接收第二输出电压；第一电阻Rl的第一端、第二电阻R2的第二端共同相连于差动输入单元307的第七NMOS晶体管M7的栅极，向差动输入单元307提供反馈电压；第一电阻Rl的第二端接于公共电压端。上述线性整流单元的工作过程详述如下电压选择单元输出第一输出电压并提供给推挽输出单元301的第一 PMOS晶体管 Ml的源极，所述第一输出电压作为推挽输出单元301的工作电源电压，由于所述第一输出电压具备较高的幅值，因此，推挽输出单元301输出的第二输出电压(即运放单元的输出电压)可以达到较高的幅值，以驱动CMOS图像传感器中的MOS晶体管。在运放单元中，差动输入单元307中第七NMOS晶体管M7的栅极作为运放单元的反相输入端，而第八NMOS晶体管M8的栅极作为运放单元的同相输入端；推挽输出单元301 中第一 PMOS晶体管Ml的漏极作为运放单元的输出端。由于反馈单元309将运放单元输出的第二输出电压分压后，反馈至运放单元的反相输入端，使得运放单元构成了负反馈的连接方式。通过所述负反馈连接，第二输出电压的值可以通过基准电压与反馈单元的反馈系数确定，具体为Vth = Vbg/%* (R1+R2)其中，Vth为第二输出电压，Vbg为基准电压，R1为第一电阻Rl的电阻值，R2为第二电阻R2的电阻值，IV(RAR2)为反馈系数。更具体的，所述负反馈的反馈过程为当第二输出电压相对较高时，反馈单元309将所述较高的第二输出电压反馈至运放单元的反相输入端，即第七NMOS晶体管M7的栅极电压上升，第七NMOS晶体管M7的源漏电流相应增大，由于第七NMOS晶体管M7与第五PMOS晶体管M5的源漏电流相同，因此，第五PMOS晶体管M5的源漏电流相应增大。对于图3的运放单元，其两个电流支路(第七NMOS晶体管M7、第八NMOS晶体管 M8)的源漏电流之和由偏置电流源单元303确定，当偏置电流源单元303的偏置电压为定值时，所述运放单元中差动输入单元307的源漏电流之和为定值。因此，当第七NMOS晶体管 M7的源漏电流增大的同时，第八NMOS晶体管M8的源漏电流降低。所述增大的第五PMOS晶体管M5的源漏电流、降低的第八NMOS晶体管M8的源漏电流使得第六PMOS晶体管M6的漏极电压升高。进一步的，第六PMOS晶体管M6升高的漏极电压使得第一 PMOS晶体管Ml流入的电流减小，第二 NMOS晶体管M2流出的电流增大，这使得推挽输出单元301输出的第二输出电压降低，完成负反馈的过程，第二输出电压保持稳定。类似的，当第二输出电压相对较低时，第六PMOS晶体管M6的源漏电流减小，第八NMOS晶体管M8的源漏电流增大，因此第六PMOS晶体管M6的漏极电压降低。所述第六PMOS 晶体管M6降低的漏极电压使得第一 PMOS晶体管Ml流入的电流增大，第二 NMOS晶体管M2 流出的电流减小，这使得推挽输出单元301输出的第二输出电压升高，完成负反馈，第二输出电压保持稳定。在具体实施例中，基准电压单元采用带隙电路结构，所述带隙电路结构的基准电压单元与电荷泵电路集成于同一芯片中。通过采用所述负反馈连接运放电路的线性整流单元，电荷泵电路的输出电压将电压纹波减小到非常小的范围内，电荷泵电路产生的电压纹波可以小于1毫伏，有效避免了较大的电压纹波对光电二极管图像质量的影响；此外，所述线性整流单元可以与电荷泵电路的升压单元、电压选择单元集于同一芯片中，避免了芯片外接的分立电容，从而降低了电荷泵电路的使用成本。应该理解，此处的例子和实施例仅是示例性的，本领域技术人员可以在不背离本申请和所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，做出各种修改和更正。
权利要求
1.一种电荷泵电路，其特征在于，包括升压单元、电压选择单元、基准电压单元以及线性整流单元，其中升压单元，基于时钟信号对电源电压进行提升，输出升压电压；电压选择单元，基于升压单元提供的升压电压输出第一输出电压；基准电压单元，向线性整流单元提供基准电压；线性整流单元，以电压选择单元提供的第一输出电压作为工作电源电压，对基准电压单元提供的基准电压进行负反馈放大，形成第二输出电压。
2.如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述线性整流单元为负反馈运放电路，包括运放单元以及反馈单元，其中运放单元分别接收基准电压与反馈单元提供的反馈电压，以第一输出电压为工作电源电压，在第一输出电压的幅值范围内，对基准电压与反馈电压的差动电压进行放大，输出第二输出电压；反馈单元将运放单元输出的第二输出电压进行分压以形成反馈电压，并将所述反馈电压反馈给运放单元。
3.如权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于，所述运放单元包括差动输入单元、偏置电流源单元、负载单元以及推挽输出单元，其中偏置电流源单元用于向差动输入单元提供偏置电流；差动输入单元由偏置电流源单元提供的偏置电流驱动，对基准电压及反馈电压进行比较，形成差动电压；负载单元将所述差动电压转换为单端输出的中间电压，并将所述中间电压提供给推挽输出单元；推挽输出单元以所述第一输出电压为工作电源电压对负载单元提供的中间电压进行放大，并输出第二输出电压。
4.如权利要求3所述的电荷泵电路，其特征在于，所述推挽输出单元包括第一PMOS晶体管与第二 NMOS晶体管，所述偏置电流源单元包括第三NMOS晶体管与第四NMOS晶体管， 所述负载单元包括第五PMOS晶体管与第六PMOS晶体管构成的，所述差动输入单元包括第七NMOS晶体管与第八NMOS晶体管，其中第七NMOS晶体管的栅极接收反馈单元提供的反馈电压，第八NMOS晶体管的栅极用于接收基准电压单元提供的基准电压；第三、第四NMOS晶体管的栅极、以及第三NMOS晶体管的漏极共同相连，用于接收偏置电压，所述偏置电压用于形成偏置电流源单元的偏置电流；第三、第四NMOS晶体管的源极共同相连于公共电压端；第四NMOS晶体管的漏极向第七、第八NMOS晶体管的源极提供偏置电流；第五、第六PMOS晶体管的源极共同相连于电源电压；第五、第六PMOS晶体管的栅极、第五PMOS晶体管的漏极与第七NMOS晶体管的漏极共同相连，第六PMOS晶体管的漏极与第八 NMOS晶体管的漏极共同相连，所述第五、第六PMOS晶体管构成的负载单元将差动电压转换为中间电压；第二 NMOS晶体管与第一 PMOS晶体管的栅极共同相连，接收由第六PMOS晶体管的漏极提供的中间电压；第二NMOS晶体管与第一PMOS晶体管的漏极共同相连，输出第二输出电压并提供给反馈单元；第二NMOS晶体管的源极接于公共电压端，第一PMOS晶体管的源极与电压选择单元的输出端相连，用于接收第一输出电压。
5.如权利要求3所述的电荷泵电路，其特征在于，所述反馈单元包括串联连接的第一电阻与第二电阻，其中第一电阻的第一端、第二电阻的第二端共同相连，作为反馈单元的输出端并输出反馈电压；第一电阻的第二端接于公共电压端；第二电阻的第一端与推挽输出单元的输出端相连，用于接收第二输出电压。
6.如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述线性整流单元与升压单元、电压选择单元集成于同一芯片中。
7.如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述基准电压单元与升压单元、电压选择单元以及线性整流单元集成于同一芯片中。
8.如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述升压单元包括与电源电压相连的第一升压子单元与第二升压子单元所述第一升压子单元与第二升压子单元分别受控于第一时钟与第二时钟，所述第一时钟和第二时钟为一对相位相反的非重叠时钟；其中在第一时钟为第一相位时，所述第一升压子单元实现对电源电压的升压，在第二时钟为第一相位时，所述第二升压子单元实现对电源电压的升压。
全文摘要
一种电荷泵电路，包括升压单元、电压选择单元、基准电压单元以及线性整流单元，其中升压单元，基于时钟信号对电源电压进行提升，输出升压电压；电压选择单元，基于升压单元提供的升压电压输出第一输出电压；基准电压单元，向线性整流单元提供基准电压；线性整流单元，以电压选择单元提供的第一输出电压作为工作电源电压，对基准电压单元提供的基准电压进行负反馈放大，形成第二输出电压。本发明的电荷泵电路在满足升压速率的情况下，采用线性整流单元减小输出电压的电压纹波；所述线性整流单元可以与电荷泵电路的升压单元、电压选择单元集于同一芯片中，避免芯片外接分立电容，降低了电荷泵电路的使用成本。
文档编号H02M1/14GK102201733SQ201010141930
公开日2011年9月28日 申请日期2010年3月25日 优先权日2010年3月25日
发明者罗文哲, 陈巨 申请人:昆山锐芯微电子有限公司