负电荷泵电路的制作方法

本申请涉及一种负电荷泵电路，尤其涉及被设计为连接至电容负载的负电荷泵电路。

背景技术：

许多电子设备(例如，集成电路)通过传送固定极性(这里称为正极性)的电压的电功率源来供电。然而，在特定情况下，除了由电源传送的正电压之外，期望具有相反极性的电压，这里称为负极性。

为了产生从正电源电压开始的负电压，通常使用负电荷泵电路，也已知为反相电荷泵电路。

期望能够至少部分地改进已知负电荷泵电路的特定方面。

技术实现要素：

一个实施例提供了一种负电荷泵电路，其包括：第一电容器；第一选择器开关，将第一电容器的第一电极链接到用于施加正电源电位的第一节点或用于施加参考电位的第二节点；以及第二选择器开关，将第一电容器的第二电极链接到第二节点或者用于提供负电源电位的第三节点。控制电路被设计为在第一操作阶段中以第一配置和第二配置交替地控制第一和第二选择器开关，在第一配置中，第一电容器的第一和第二电极分别链接到第一和第二节点，并且在第二配置中，第一电容器的第一电极和第二电极分别链接到第二节点和第三节点。在第二操作阶段中，控制电路迫使第一选择器开关将第一电容器的第一电极链接到第二节点，并控制第二选择器开关，以交替地将第一电容器的第二电极链接到第二节点和第三节点。

根据一个实施例，控制电路被设计成以周期性方式交替地重复第一和第二操作阶段，以这种方式，第三节点的电位建立在参考电位与正相对电源电位的相反电位之间的范围内的负值处。

根据一个实施例，负电荷泵电路还包括：第二电容器；第三选择器开关，将第二电容器的第一电极链接到第一节点或第二节点；以及第四选择器开关，将第二电容器的第二电极链接到第二节点或第三节点。该控制电路被设计为在第一操作阶段中，与第一和第二选择器开关相位相反地控制第三和第四选择器开关，从而在第一电容器的第一和第二电极分别链接到第一和第二节点时将第二电容器的第一和第二电极分别链接到第二和第三节点，以及在第一电容器的第一和第二电极分别链接到第二和第三节点时将第二电容器的第一电极和第二电极分别链接到第一和第二节点。在第二操作阶段中，控制电路迫使第三选择器开关将第二电容器的第一电极链接到第二节点，并与第二选择器开关相位相反地控制第四选择器开关，从而交替地在第一电容器的第二电极链接到第二节点时将第二电容器的第二电极链接到第三节点，以及在第一电容器的第二电极链接到第三节点时将第二电容器的第二电极链接到第二节点。

根据一个实施例，每个选择器开关均包括与第二n沟道mos晶体管串联的第一p沟道mos晶体管，第一和第二晶体管的漏极是公共的，并且第一和第二晶体管的栅极是公共的，第一晶体管的源极限定选择器开关的第一导电节点，第二晶体管的源极限定选择器开关的第二导电节点，第一和第二晶体管的漏极限定选择器开关的第三导电节点，以及第一和第二晶体管的栅极限定选择器开关的控制节点。

根据一个实施例，控制电路包括用于施加时钟信号的节点和用于施加操作模式选择信号的节点，时钟信号在第一操作阶段中限定用于第一和第二选择器开关的开关频率以及在第二操作阶段中限定用于第二选择器开关的开关频率，并且操作模式选择信号限定第一和第二操作阶段的持续时间。

根据一个实施例，控制电路包括第一操作模式选择电路，该第一操作模式选择电路被设计为在操作模式选择信号处于第一状态时向第一选择器开关施加与时钟信号基本相同的控制信号，并且在操作模式选择信号处于第二状态时施加固定控制信号，以迫使第一选择器开关将第一电容器的第一电极链接到第二节点。

根据一个实施例，控制电路被设计为向第二选择器开关施加控制信号，该控制信号与时钟信号基本相同，但电压偏移一值，该值基本上等于正电源电位的相反电位的值，而与操作模式选择信号的状态无关。

根据一个实施例，控制电路包括第二操作模式选择电路，其被设计为在操作模式选择信号处于第一状态时向第三选择器开关施加与时钟信号互补的控制信号，以及在操作模式选择信号处于第二状态时施加固定控制信号，以迫使第三选择器开关将第二电容器的第一电极链接到第二节点。

根据一个实施例，控制电路被设计为向第四选择器开关施加控制信号，该控制信号与互补时钟信号基本相同，但电压偏移一值，该值基本等于正电源电位的相反电位，而与操作模式选择信号的状态无关。

一个实施例提供了一种用于控制负电荷泵电路的方法，该负电荷泵电路包括：第一电容器；第一选择器开关，将第一电容器的第一电极链接到用于施加正电源电位的第一节点或用于施加参考电位的第二节点；以及第二选择器开关，将第一电容器的第二电极链接到第二节点或用于提供负电源电位的第三节点。该方法包括：在第一操作阶段中，以第一配置和第二配置交替地控制第一和第二选择器开关，在第一配置中，第一电容器的第一和第二电极分别链接到第一节点和第二节点，在第二配置中，第一电容器的第一电极和第二电极分别链接到第二和第三(vneg)节点，并且在第二操作阶段中，迫使第一选择器开关将第一电容器的第一电极链接到第二节点，并且控制第二选择器开关，以交替地将第一电容器的第二电极链接到第二节点和第三节点。

附图说明

这些特征和优点连同其他特征和优点将在下面结合附图的具体但非限制性实施例的描述中呈现，其中：

图1是根据本公开的一个实施例的负电荷泵电路的一个示例的简化电路图；

图2是根据本公开的另一实施例的负电荷泵电路的一个示例性实施例的简化电路图；以及

图3是根据本公开的又一实施例的负电荷泵电路的另一示例性实施例的更详细的电路图。

具体实施方式

相同的元件在不同的附图中用相同的参考标号表示。为了清楚，仅详细示出对所述实施例的理解有用的元件。特别地，所述负电荷泵电路的各种用途还没有详细说明，所述实施例与负电荷泵电路的全部或大部分已知应用兼容。在本说明书中，术语“连接”将被用来表示直接的电链接，而没有中间电子元件(例如，通过导电轨道)，术语“耦合”或术语“链接”表示直接的电链接(意思是“连接”)或经由一个或多个中间部件(电阻器、电容器等)的链接。除非另有说明，否则表述“近似”、“基本”和“…的等级”表示最接近10％，或优选最接近5％。

图1是负电荷泵电路的一个示例的简化电路图。

图1中的电路被设计为生成从正电源电压valim(例如，由电功率源(未示出)提供的dc电压)开始的负电压vload。电压valim被施加在电路的节点vbat和节点gnd之间，并且在电路的节点vneg和节点gnd之间传送电压vload。在操作中，节点gnd处于电路的参考电位，其被认为是固定的，例如等于0v。通过示例，节点gnd被连接到电路的地。对于其一部分，节点vbat接收正电源电位，换言之，高于节点gnd的电位，而节点vneg提供负电源电位，换言之，低于节点gnd的电位。在图1中，电容器的电容cload进一步被示为连接在节点vneg和gnd之间，示意性地表示用于接收负电源电压vload的负载的电容。

图1中的电路包括：电容器cfly1；第一选择器开关sw11，被设计为将电容器cfly1的第一电极11链接到节点vbat或节点gnd；以及第二选择器开关sw12，被设计为将电容器cfly1的第二电极13链接到节点gnd或节点vneg。图1中的电路还包括被设计为控制选择器开关sw11和sw12的控制电路15。更具体地，在该示例中，控制电路15接收时钟信号clk，并将控制信号cmd11提供给选择器开关sw11且将控制信号cmd12提供给选择器开关sw12。

在图1的示例中，电路15以时钟信号clk的频率在第一配置和第二配置中交替地控制选择器开关sw11和sw12，在第一配置中，选择器开关sw11将电容器cfly1的第一电极11链接到节点vbat，并且选择器开关sw12将电容器cfly1的第二电极13链接到节点gnd，在第二配置中，选择器开关sw11将电容器cfly1的第一电极11链接到节点gnd，并且选择器开关sw12将电容器cfly1的第二电极13链接到节点vneg。

在第一配置(电容器cfly1连接在节点vbat和gnd之间)中，电容器cfly1趋向于充电到正电压。在第二配置(电容器cfly1连接在节点gnd和vneg之间)中，由于电容器ccly1的正电极11与节点gnd的连接，电容器cfly1倾向于在节点vneg和gnd之间施加负电压vload。

在时钟信号clk的特定数量的循环之后，特别取决于电容cfly1和cload的值、时钟信号clk的频率以及开关操作的占空比(换言之，在与时钟信号clk相同的周期内，第一配置中的选择器开关sw11和sw12的控制周期与第二配置中的选择器开关sw11和sw12的控制周期之间的比率)，电压vload稳定在与-valim基本相等的负值(即，幅度基本等于正电源电压valim的幅度)。

这种操作模式的一个限制是：在稳态下，由电荷泵电路传送的负电压vload的值不能被调节。

然而，在某些应用中，期望能够调整由电荷泵电路提供的负电压vload的值，例如在0v和-valim之间。

具体地，在soi(“绝缘体上半导体”)类型(并且更具体地，fdsoi(完全耗尽soi)类型)的结构中制造的特定集成电路中，期望能够将可调节值的负电压施加到结构的半导体衬底，以便控制形成在结构中和结构上的mos晶体管的阈值电压。

为了调整施加到负载cload的负电压vload的值，一种可能性是提供与负载cload并联连接的开关k1(例如，mos晶体管)，换言之，连接在节点vneg和gnd之间(图1中用虚线显示的链路)。当晶体管k1导通时，电容器cload放电，这使得节点vneg的电位上升。通过适当地选择开关k1设置为导通状态的周期以及开关k1保持在导通状态的时间周期，可以平衡开关k1的效果(cload的放电)以及选择器开关sw11和sw12对电压vload的效果(cload的充电)。因此，在稳定状态下，电压vload的值可以保持基本恒定，处于在0v和-valim之间选择的值。该解决方案的一个缺点是：假定开关k1连接在节点gnd和vneg之间，需要生成用于控制开关的导通或非导通状态的负控制信号。此外，为了能够快速地放电电容器cload并由此快速地调整负电压vload的电平，开关k1必须具有相对较大的尺寸。

图2是负电荷泵电路的一个示例性实施例的简化电路图。图2中的电路与图1中的电路的不同之处主要在于，其不包括图1中的电路的开关k1，并且在于图1中的电路的控制电路15被控制电路25代替。

如图1中的示例，控制电路25接收时钟信号clk，并向选择器开关sw11提供控制信号cmd11，并向选择器开关sw12提供控制信号cmd12。在图2中的示例中，控制电路25还接收附加的控制信号d，例如二进制信号。

图2中的电荷泵电路具有两种不同的操作模式：被称为充电模式的模式和被称为放电模式的模式，可经由信号d选择性地激活。

当信号d处于第一状态(例如低状态，例如处于基本等于电路的参考节点gnd电位的电位)时，图2中的电路的操作与图1中电路的操作相同或类似，换言之，电路25以时钟信号clk的频率在第一配置和第二配置中交替地控制选择器开关sw11和sw12，在第一配置中，选择器开关sw11将电容器cfly1的第一电极11链接到节点vbat，并且选择器开关sw12将电容器cfly1的第二电极13链接到节点gnd，在第二配置中，选择器开关sw11将电容器cfly1的第一电极11链接到节点gnd，并且选择器开关sw12将电容器cfly1的第二电极13链接到节点vneg。然后，电容器cload趋于充电到基本等于-valim的电压vload。也就是说，该电路在充电模式下操作。

当信号d处于第二状态(例如高状态，例如处于与电路的高电源节点vbat的电位基本相等的电位)时，控制电路25迫使选择器开关sw11将电容器cfly1的电极11链接到节点gnd，并且在电容器cfly1的电极11保持链接到节点gnd时，以时钟信号clk的频率在第一配置和第二配置中交替地控制选择器开关sw12，在第一配置中，选择器开关sw12将电容器cfly1的第二电极13链接到节点vneg，在第二配置中，选择器开关sw12将电容器cfly1的第二电极13链接到节点gnd。然后，电容器cload趋于放电，并且负电压vload减小(绝对值)，直到其基本达到零为止。也就是说，该电路在放电模式下操作。

通过示例，信号d是周期信号，其周期大于信号clk的周期，例如其周期等于信号clk的周期的倍数。因此，图2中的电荷泵电路在充电模式和放电模式中被交替控制。

通过适当地选择信号d的周期和信号d的占空比(换言之，在信号d的一个周期期间，充电阶段的持续时间与放电阶段的持续时间之间的比率)，可以平衡电容器cload在电压vload上的充电和放电的效果。因此，在稳定状态下，电压vload的值可以保持基本恒定，处于0v和-valim之间选择的值。

图2中的电荷泵电路的一个优点是：其允许施加到负载cload的负电压vload的值被调整(通过调整信号d的周期和占空比)，而不需要如图1中的示例的连接到负载cload的端子的附加开关。

图3是负电荷泵电路的另一示例性实施例的更详细的电路图。图3中的电路包括与图2中的电路相同的元件，基本以相同的方式布置，但以更详细的方式示出了选择器开关sw11和sw12以及控制电路25的一个示例性实施例。此外，在图3的示例中，电荷泵电路包括：第二电容器cfly2；第三选择开关sw21，被设计为将电容器cfly2的第一电极31链接到节点vbat或节点gnd；以及第四选择器开关sw22，被设计为将电容器cfly2的第二电极33链接到节点gnd或节点vneg。

在图3的示例中，控制电路25不仅提供用于选择器开关sw11和sw12的控制信号cmd11和cmd12，而且还提供用于选择器开关sw21的控制信号cmd21和用于选择器开关sw22的控制信号cmd22。

更具体地，在图3中的示例中，控制电路25被配置为：在充电模式(信号d处于低状态)中，与选择器开关sw11相位相反地控制选择器开关sw21，并且与选择器开关sw12相位相反地控制选择器开关sw22，以及在放电模式(信号d处于高状态)中，迫使选择器开关sw21将电容器cfly2的电极31链接到节点gnd，并且与选择器开关sw12相位相反地控制选择器开关sw22。

因此，在充电模式中，电路25交替地在第一配置和第二配置中以时钟信号clk的频率控制选择器开关sw11、sw12、sw21和sw22：

-在第一配置中，选择器开关sw11将电容器cfly1的电极11链接到节点vbat，选择器开关sw12将电容器cfly1的电极13链接到节点gnd，选择器开关sw21将电容器cfly2的电极31链接到节点gnd，以及选择器开关sw22将电容器cfly2的电极33链接到节点vneg；以及

-在第二配置中，选择器开关sw11将电容器cfly1的电极11链接到节点gnd，选择器开关sw12将电容器cfly1的电极13链接到节点vneg，选择器开关sw21将电容器cfly2的电极31链接到节点vbat，以及选择器开关sw22将电容器cfly2的电极33链接到节点gnd。

在放电模式中，电路25迫使选择器开关sw11将电容器cfly1的电极11链接到节点gnd，并迫使选择器开关sw21将电容器cfly2的电极31链接到节点gnd，并且在电容器ccly1的电极11和电容器cfly2的电极31链接到节点gnd的同时，以时钟信号clk的频率在第一配置和第二配置中交替地控制选择器开关sw12和sw22，在第一配置中，选择器开关sw12将电容器cfly1的电极13链接到节点vneg，并且选择器开关sw22将电容器cfly2的电极33链接到节点gnd，在第二配置中，选择器开关sw12将电容器cfly1的电极13链接到节点gnd，并且选择器开关sw22将电容器cfly2的电极33链接到节点vneg。

与图2中的架构相比，图3中的架构的一个优点是：在充电模式(信号d处于低状态)中，一方面由于选择器开关sw11和sw21相位相反的操作，另一方面由于sw12和sw22相位相反的操作而与时钟信号clk的状态无关，所以两个电容器cfly1和cfly2中的一个趋于在节点vneg和gnd之间施加负电压vload。此外，在放电模式(信号d处于高状态)中，由于选择器开关sw12和sw22相位相反的操作而与时钟信号clk的状态无关，所以电容器cload趋于放电。其结果是电容器cload的充电和放电可以比参照图2描述的类型的架构更快地进行。此外，在稳定状态下，这允许围绕设定值的电压vload的不想要的振荡受到限制。

在图3的示例中，每个选择器开关sw11、sw12、sw21和sw22包括与选择器开关的第一和第二导电节点n1和n2之间的n沟道mos晶体管t2串联链接的p沟道mos晶体管t1。更具体地，在该示例中，晶体管t1的源极连接到节点n1且其漏极连接到晶体管t2的漏极，并且晶体管t2的源极连接到节点n2。晶体管t1和t2的漏极与选择器开关的第三导电节点n3连接，并且晶体管t1和t2的栅极连接到选择器开关的控制节点cmd。选择器开关sw11、sw12、sw21和sw22的操作如下。当低电平的控制电压施加到选择器开关的控制节点cmd时，晶体管t1导通且晶体管t2截止，使得选择器开关将其导电节点n3与其导电节点n1链接。当高电平的控制电压施加到选择器开关的控制节点cmd时，晶体管t1截止且晶体管t2导通，使得选择器开关将其导电节点n3链接到其导电节点n2。

在图3中的示例中，选择器开关sw11和sw21将它们的节点n1连接到节点vbat，并且它们的节点n2连接到节点gnd，选择器开关sw12和sw22将它们的节点n1连接到节点gnd且将它们的节点n2连接到节点vneg，选择器开关sw11、sw12、sw21和sw22将它们的节点n3分别连接到电容器cfly1和ccly2的电极11、13、31和33，并且选择器开关sw11、sw12、sw21和sw22将它们的节点cmd分别连接到从控制电路25提供信号cmd11、cmd12、cmd21和cmd22的节点。

在图3的示例中，控制电路25包括第一模式选择电路35(由图中的or逻辑门表示)，其包括：两个输入节点i1和i2，分别链接到用于施加控制信号d的节点(即，接收控制信号d的节点)和用于施加时钟信号clk的节点(即，接收clk信号的节点)；以及输出节点o，链接到选择器开关sw11的控制节点cmd。此外，在该示例中，控制电路25包括第二模式选择电路37(也由图中的or逻辑门表示)，其包括：两个输入节点i1和i2，分别链接到用于施加控制信号d的节点和用于提供时钟信号的节点，该时钟信号与时钟信号clk互补(换言之，与信号clk的相位相反的信号)；以及输出节点o，链接到选择器开关sw21的控制节点cmd。电路35和37分别为选择器开关sw11提供控制信号cmd11以及为选择器开关sw21提供控制信号cmd21。当信号d处于低状态时，电路35和37生成选择器开关sw11的控制节点cmd上的时钟信号clk以及选择器开关sw21的控制节点cmd上的互补时钟信号的基本相同的副本。当信号d处于高状态时，电路35和37将信号d复制到选择器开关sw11和sw21的控制节点cmd上，而不管时钟信号clk的状态，这迫使选择器开关sw11和sw21中的每个开关均将其节点n3链接到其节点n2。

为了生成互补时钟信号，图3中的电路25包括反相器39，其输入链接到用于施加时钟信号clk的节点，其输出链接到模式选择电路37的输入节点i2。在所示示例中，反相器39包括与节点vbat和节点gnd之间的n沟道mos晶体管43串联的p沟道mos晶体管41。更具体地，晶体管41的源极连接到节点vbat，其漏极连接到晶体管43的漏极，并且晶体管43的源极连接到节点gnd。晶体管41和43的漏极的公共节点形成反相器的输出并且连接到电路37的输入节点i2。晶体管41和43的栅极连接到反相器的相同输入节点，链接到用于施加时钟信号clk的节点。通过示例，信号clk是在高状态下基本等于节点vbat的电位且在低状态下基本等于节点gnd的电位的二进制信号。因此，当信号clk处于高状态时，晶体管41截止且晶体管43导通，使得信号处于低状态，并且当信号clk处于低状态时，晶体管41导通且晶体管43截止，使得信号处于高状态。

图3中的控制电路25附加地包括用于为选择器开关sw12生成控制信号cmd12以及为选择器开关sw22生成控制信号cmd22的电路45。确实应注意，假定选择器开关sw12和sw22参考节点vneg的负电位，它们的控制信号必须相对于选择器开关sw11和sw21的控制信号偏移-valim级别的电压。在图3的示例中，电路45向选择器开关sw12提供控制信号cmd12，该控制信号基本与时钟信号clk相同但是相对于信号clk偏移-valim的级别的电压。换言之，当信号clk处于高状态(即，基本等于节点vbat的电位)时，信号cmd12基本等于节点gnd的电位，并且当信号clk处于低状态(即，基本等于节点gnd的电位)时，信号cmd12基本等于-valim。此外，电路45向选择器开关sw22提供控制信号cmd22，该控制信号基本与互补时钟信号相同，但是相对于信号偏移-valim的级别的电压。换言之，当信号处于高状态(即，基本等于节点vbat的电位)时，信号cmd22基本等于节点gnd的电位，并且当信号处于低状态(即，基本等于节点gnd的电位)时，信号cmd22基本等于-valim。

在所示示例中，电路45包括：电容器c1，其第一电极链接到用于提供时钟信号clk的节点，并且其第二电极链接到选择器开关sw12的控制节点cmd；以及电容器c2，例如基本与电容器c1相同，其第一电极链接到用于提供互补时钟信号的节点，其第二电极链接到选择器开关sw22的控制节点cmd。电路45还包括两个p沟道mos晶体管47和49。晶体管47和49的源极链接到节点gnd。晶体管47的漏极链接到选择器开关sw22的控制节点cmd，其栅极链接到选择器开关sw12的控制节点cmd，并且晶体管49的漏极链接到选择器开关sw12的控制节点cmd，其栅极链接到选择器开关sw22的控制节点cmd。

电路45的操作如下。在时钟信号clk的几个周期的过渡相位之后，电容器c1和c2基本被充电到电压valim。当时钟信号clk处于低状态时，电容器c1随后在选择器开关sw12的控制节点cmd上施加基本等于-valim的电位。此外，晶体管47处于导通状态，这使得基本等于节点gnd的电位的电位被施加于选择器开关sw22的控制节点cmd。当时钟信号clk处于高状态时，互补时钟信号处于低状态，并且电容器c2随后在选择器开关sw22的控制节点cmd上施加基本等于-valim的电位。此外，晶体管49处于导通状态，这导致基本等于节点gnd的电位的电位被施加于选择器开关sw12的控制节点cmd。

已经描述了具体实施例。对本领域技术人员来说，各种变体和修改将是显而易见的。特别地，所描述的实施例不限于参照图3描述的选择器开关和控制电路的具体示例性实施例。

还应注意，参照图3描述的控制电路25的详细实施方式可容易地适应参照图2描述的类型的单通道架构，特别是通过移除模式选择电路37。

此外，本领域的技术人员能够通过适应性修改实施选择器开关和/或用于这些选择器开关的控制电路的方式来修改对应于信号clk和d的高和低状态的电位电平，因此修改对应于cmd11、cmd12、cmd21和cmd22的高和低状态的电位电平。例如，在期望当信号d处于高状态时图2和图3中的电路以充电模式进行操作以及当信号d处于低状态时以放电模式进行操作的情况下，电路35和37可以由nand门代替。

上面描述的各种实施例可以被组合以提供进一步的实施例。这些和其他变化可以根据上述详细描述对实施例进行。一般而言，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制为在说明书和权利要求中所公开的具体实施例，但应理解为包括所有可能的实施例以及这些权利要求的等效全范围。因此，权利要求不受本公开的限制。