驱动能力稳定的电荷泵系统的制作方法

本实用新型涉及一种能够稳定地提供驱动能力的电荷泵系统。
背景技术：
：电荷泵用于实现高于电源电压的内部电压，广泛应用于存储器、显示驱动等芯片中。电荷泵系统主要由时钟产生电路、电荷泵和电压调整器构成，如图1A和图1B所示是通常的两种架构。在图1A中，时钟产生电路生成振荡信号clk0，并连接至电荷泵的时钟输入端CK，电荷泵的输出端连接到输出信号Vout。输出信号Vout可输出至滤波电容器C与负载。电压调整器一般由电阻R1与电阻R2所组成的分压电路和比较器构成，如图2所示。电压调整器将输出信号Vout分压后与参考电压Vref进行比较，生成控制信号En_osc，并连接至时钟产生电路的使能端。当振荡信号Clk0维持在固定的电平时，输出信号Vout逐渐下降；反之，当振荡信号Clk0在高低电平变化时，根据振荡信号Clk0的上升沿，可使输出信号Vout逐渐上升。在图1B中，时钟产生电路生成振荡信号clk0，并连接至与门and的第二输入端，与连接至与门and的第一输入端的信号En_osc相与后生成信号Clk，并连接至电荷泵的时钟输入端CK，电荷泵的输出端连接到输出信号Vout。输出信号Vout可输出至滤波电容器C与负载。电压调整器将输出信号Vout分压后与参考电压Vref进行比较，生成控制信号En_osc，并连接至与门and的第一输入端。当振荡信号Clk维持在固定的电平时，输出信号Vout逐渐下降；反之，当振荡信号Clk在高低电平变化时，根据振荡信号Clk的上升沿，可使输出信号Vout逐渐上升。如果电荷泵的驱动能力小于负载耗电，则输出信号Vout将达不到所需要的电压值。如果电荷泵的驱动能力大于负载耗电，那么多余的电流将流入电容器C中，使电荷泵的输出信号Vout上出现纹波。驱动能力越大于负载耗电，输出信号Vout上的纹波越大。电源电压和工艺角对电荷泵的驱动能力影响很大，在高电源电压或快工艺角下，电荷泵的驱动能力会大；反之，在低电源电压或慢工艺角下，电荷泵的驱动能力会小。通常要保证在最坏条件，即低电源电压、慢工艺角条件下，电荷泵的驱动能力与负载耗电相等或略大，这样在其它任何条件下电荷泵都能具有足够的驱动能力。但是，这样引入的问题是：在其它非最坏条件下，电荷泵具有过大的驱动能力，从而导致电荷泵输出信号上出现过大的纹波。尤其是在高电源电压、快工艺角下，电荷泵的驱动能力最大，相应的其输出信号上的纹波也最大。技术实现要素：本实用新型的目的在于解决现有电路驱动能力随电源电压和工艺角变化大的问题，提供一种驱动能力稳定的电荷泵系统。为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：一种驱动能力稳定的电荷泵系统，包括时钟产生电路、电荷泵以及电压调整器；电荷泵的时钟脉冲输入端CK接收来自时钟产生电路的振荡信号Clk0，电荷泵的输出端输出信号Vout，输出信号Vout分别输出至滤波电容器C、负载以及电压调整器；电压调整器将输出信号Vout分压后与参考电压Vref进行比较，产生控制信号En_osc并输出，控制信号En_osc输出至时钟产生电路的使能端EN；时钟产生电路的配置端TRin连逻辑控制电路的输出端TRout，逻辑控制电路的输入端Pin接工艺角监测电路的输出信号sense_p，逻辑控制电路的输入端Vin接电源电压监测电路的输出信号sense_v；其中，工艺角监测电路：用于监测当前芯片所处的工艺角；电源电压监测电路：用于监测当前电源电压的高低；逻辑控制电路：根据工艺角监测电路和电源电压监测电路的结果，产生不同的配置信号，控制时钟产生电路输出时钟信号的频率。本实用新型进一步的改进在于：所述电压调整器产生的控制信号En_osc不输出至时钟产生电路的使能端EN，而是直接输出至与门and1的第一输入端A1，时钟产生电路接收逻辑控制电路的配置信号trim，生成振荡信号Clk0，振荡信号Clk0输出至与门and1的第二输入端A2，与门and1输出振荡信号Clk至电荷泵的时钟脉冲输入端CK。所述电源电压监测电路包括1位输出电路和2位输出电路，1位输出电路包括第一分压器、比较器comp_v1及第一缓冲器，2位输出电路包括第二分压器、比较器comp_v2及第二缓冲器；第一分压器的一端接电源电压vext，另一端接地，且第一分压器输出采样信号vfb1至比较器comp_v1的正向输入端，比较器comp_v1的输出端输出信号v1；第二分压器的一端接电源电压vext，另一端接地，且第二分压器输出采样信号vfb2至比较器comp_v2的正向输入端，比较器comp_v2的输出端输出信号v2；比较器comp_v1和比较器comp_v2的反向输入端均接参考电压vref；输出信号v1通过第一缓冲器输出输出信号sense_v1，输出信号v2通过第二缓冲器输出输出信号sense_v2；输出信号sense_v1和输出信号sense_v2的输出结果如下：如果采样信号vfb1大于参考电压vref，输出信号sense_v1＝1；如果采样信号vfb1小于或等于参考电压vref，输出信号sense_v1＝0；如果采样信号vfb2大于参考电压vref，输出信号sense_v2＝1；如果采样信号vfb2小于或等于参考电压vref，输出信号sense_v2＝0。所述第一分压器包括依次串联的电阻R0、电阻R1及电阻R2，电阻R0的一端接地，电阻R2的一端接电源电压vext，电阻R2和电阻R1相连的节点输出采样信号vfb1；第二分压器包括依次串联的电阻R3、电阻R4及电阻R5，电阻R3的一端接地，电阻R5的一端接电源电压vext，电阻R5和电阻R4相连的节点输出采样信号vfb2。所述电源电压监测电路还包括m-2个结构与1位输出电路和2位输出电路相同的第3至第m位输出电路，m为大于2的正整数；每一位输出电路的分压器的一端均接电源电压vext，另一端接地，各比较器的正向输入端接各输出电路的采样信号vfb3、vfb4、……、vfbm，反向输入端接参考电压vref；第3至第m位输出电路的输出端分别输出信号sense_v3、sense_v4、……、sense_vm，输出信号sense_v3、sense_v4、……、sense_vm的输出结果与输出信号sense_v1和sense_v2的输出结果相类似。所述输出信号v1还经过反相器inv1输出至nmos管n1的栅端，nmos管n1的漏极和源极接电阻R0的两侧；输出信号v2还经过反相器inv4输出至nmos管n2的栅端，nmos管n2的漏极和源极接电阻R3的两侧。所述电源电压监测电路还包括m-2个结构与1位输出电路和2位输出电路相同的第3至第m位输出电路，m为大于2的正整数；每一位输出电路的分压器的一端均接电源电压vext，另一端接地，各比较器的正向输入端接各输出电路的采样信号vfb3、vfb4、……、vfbm，反向输入端接参考电压vref；第3至第m位输出电路的输出端分别输出信号sense_v3、sense_v4、……、sense_vm，输出信号sense_v3、sense_v4、……、sense_vm的输出结果与输出信号sense_v1和sense_v2的输出结果相类似。所述工艺角监测电路包括环形振荡器、与门and2、计数器、比较器comp_p1以及比较器comp_p2，比较器comp_p1以及比较器comp_p2的输出端分别为工艺角监测电路1位输出和2位输出；环形振荡器产生振荡信号clk_gen，振荡信号clk_gen和控制信号ctrl_meas连接至与门and2，产生信号clk_count，其中，控制信号ctrl_meas的高电平时间为T_base；得到信号clk_count后将其传输至计数器的输入端，计数器对其周期数进行计数并输出结果cycle_count；cycle_count通过比较器comp_p1和比较器comp_p2与环形振荡器在时间T_base内的周期数cycle_base1和周期数cycle_base2进行比较，得到工艺角监测电路的输出信号sense_p1和输出信号sense_p2，输出信号sense_p1和输出信号sense_p2的输出结果如下：如果cycle_count小于等于cycle_base1，输出信号sense_p1＝0；如果cycle_count大于cycle_base1，输出信号sense_p1＝1；如果cycle_count小于等于cycle_base2，输出信号sense_p2＝0；如果cycle_count大于cycle_base2，输出信号sense_p2＝1。所述工艺角监测电路还包括n-2个比较器，这n-2个比较器的输出端分别为工艺角监测电路的第3至第n位输出，n为大于2的正整数；每一个比较器的输入端均分别接cycle_base3、cycle_base4、……、cycle_basen，同时每一个比较器的另一输入端均同时接cycle_count，输出端输出信号sense_p3、sense_p4……、sense_pn，输出信号sense_p3、sense_p4……、sense_pn的输出结果与输出信号sense_p1和输出信号sense_p2的输出结果相类似。所述逻辑控制电路产生配置信号trim能够通过以下三种方式实现：1)逻辑控制电路的输入端Pin接收工艺角监测电路的输出信号sense_p，产生配置信号trim；2)逻辑控制电路的输入端Vin接收电源电压监测电路的输出信号sense_v，产生配置信号trim；3)逻辑控制电路的输入端Pin和输入端Vin同时接收工艺角监测电路的输出信号sense_p和电源电压监测电路的输出信号sense_v，产生配置信号trim。与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型能够实现对工艺角和电源电压的自动监测，根据工艺角的不同和电源电压的不同产生频率不同的时钟信号，以反相补偿因工艺角和电源电压对电荷泵驱动能力造成的影响。在快工艺角或高电源电压条件下产生的时钟信号频率低，在慢工艺角或低电源电压条件下产生的时钟信号频率高，从而确保电荷泵在不同工艺角和不同电源电压条件下都具有大致相同的驱动能力。【附图说明】图1A是现有电荷泵系统的一种电路原理图；图1B是现有电荷泵系统的第二种电路原理图；图2是电压调整器的基本原理图；图3A是本实用新型所述的电荷泵系统的一种电路原理图；图3B是本实用新型所述的电荷泵系统的第二种电路原理图；图4是本实用新型所述的电源监测电路的电路原理图；图5是本实用新型所述的工艺角监测电路的电路原理图；图6是本实用新型所述的工艺角监测电路中对环形振荡器产生的振荡信号进行预处理的示意图。【具体实施方式】下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：参见图3-图6，本实用新型驱动能力稳定的电荷泵系统，包括时钟产生电路、电荷泵以及电压调整器；电荷泵的时钟脉冲输入端CK接收来自时钟产生电路的振荡信号Clk0，电荷泵的输出端输出信号Vout，输出信号Vout分别输出至滤波电容器C、负载以及电压调整器；电压调整器将输出信号Vout分压后与参考电压Vref进行比较，产生控制信号En_osc并输出，控制信号En_osc输出至时钟产生电路的使能端EN；时钟产生电路的配置端TRin连逻辑控制电路的输出端TRout，逻辑控制电路的输入端Pin接工艺角监测电路的输出信号sense_p，逻辑控制电路的输入端Vin接电源电压监测电路的输出信号sense_v；其中，时钟产生电路：生成电荷泵工作所需要的时钟信号。电荷泵：在输入时钟信号上升沿的作用下，使输出信号Vout逐渐上升。电压调整器：将输出信号Vout分压后与参考电压Vref进行比较，产生控制信号En_osc。工艺角监测电路：监测当前芯片所处的工艺角。电源电压监测电路：监测当前电源电压的高低。逻辑控制电路：根据工艺角监测电路和电源电压监测电路的结果，产生不同的配置信号，控制时钟产生电路输出时钟信号的频率。如图4所示，电源电压监测电路包括1位输出电路和2位输出电路；1位输出电路包括第一分压器、比较器comp_v1及第一缓冲器，2位输出电路包括第二分压器、比较器comp_v2以及第二缓冲器；第一分压器包括依次串联的电阻R0、电阻R1及电阻R2，电阻R0的一端接地，电阻R2的一端接电源电压vext，电阻R2和电阻R1相连的节点输出采样信号vfb1，采样信号vfb1连接至比较器comp_v1的正向输入端；第二分压器包括依次串联的电阻R3、电阻R4及电阻R5，电阻R3的一端接地，电阻R5的一端接电源电压vext，电阻R5和电阻R4相连的节点输出采样信号vfb2，采样信号vfb2连接至比较器comp_v2的正向输入端；比较器comp_v1和比较器comp_v2的反向输入端均接参考电压vref，比较器comp_v1的输出端输出信号v1，比较器comp_v2的输出端输出信号v2；电源电压监测电路通过第一分压器和第二分压器对电源电压vext进行采样，将采样信号vfb1和vfb2与参考电压vref进行比较；当采样信号vfb1大于参考电压vref时，比较器comp_v1的输出信号v1为高电平；当采样信号vfb1小于或等于参考电压vref时，比较器comp_v1的输出信号v1为低电平；同理，当采样信号vfb2大于参考电压vref时，比较器comp_v2的输出信号v2为高电平；当采样信号vfb2小于或等于参考电压vref时，比较器comp_v2的输出信号v2为低电平；信号v1通过反相器inv2和inv3构成的缓冲器后得到电源电压监测电路的第一输出信号sense_v1，信号v2通过反相器inv5和inv6构成的缓冲器后得到电源电压监测电路的第二输出信号sense_v2。在电源电压监测电路中，nmos管n1和反相器inv1，nmos管n2和反相器inv4用来实现迟滞功能，以避免因电源电压vext抖动而造成电源电压监测电路输出不稳定。具体的：如果初始时电源电压vext较低，采样信号vfb1小于参考电压vref，则比较器comp_v1输出信号v1为低电平，信号v1b为高电平，nmos管n1导通，电阻R0被旁路到地，当电源电压vext逐渐变高时，只有当其升高到大于vth1_rise＝(1+R2/R1)vref，比较器comp_v1才会翻转；同理，如果初始时电源电压vext较低，采样信号vfb2小于参考电压vref，则比较器comp_v2输出信号v2为低电平，信号v2b为高电平，nmos管n2导通，电阻R3被旁路到地，当电源电压vext逐渐变高时，只有当其升高到大于vth2_rise＝(1+R5/R4)vref，比较器comp_v2才会翻转。如果初始时电源电压vext较高，采样信号vfb1大于参考电压vref，则比较器comp_v1输出信号v1为高电平，信号v1b为低电平，nmos管n1断开，当电源电压vext逐渐变低时，只有当其降低到小于vth1_fall＝(1+R2/(R1+R0))vref，比较器comp_v1才会翻转；同理，如果初始时电源电压vext较高，采样信号vfb2大于参考电压vref，则比较器comp_v2输出信号v2为高电平，信号v2b为低电平，nmos管n2断开，当电源电压vext逐渐变低时，只有当其降低到小于vth2_fall＝(1+R5/(R4+R3))vref，比较器comp_v2才会翻转。本实用新型电源电压监测电路还可以扩展为m位输出，具体结构还包括m-2个结构与1位输出电路和2位输出电路相同的第3至第m位输出电路，m为大于2的正整数；每一位输出电路的分压器的一端均接电源电压vext，另一端接地，比较器的正向输入端分别接各输出电路的采样信号vfb3、vfb4、……、vfbm，反向输入端接参考电压vref；第3至第m位输出电路的输出端分别输出信号sense_v3、sense_v4、……、sense_vm，输出信号sense_v3、sense_v4、……、sense_vm的输出结果与输出信号sense_v1和sense_v2的输出结果相类似。具体的，以输出信号sense_v3为例，如果初始时电源电压vext较低，输出信号sense_v3为低电平，当电源电压vext逐渐变高时，只有当其升高到大于vth3_rise时，输出信号sense_v3才会翻转为高电平；如果初始时电源vext较高，输出信号sense_v3为高电平，当电源电压vext逐渐变低时，只有当其降低到小于vth3_fall时，输出信号sense_v3才会翻转为低电平。如图5所示，工艺角监测电路由环形振荡器、与门and2、计数器、比较器comp_p1以及比较器comp_p2组成。环形振荡器产生振荡信号clk_gen，其频率高低完全受工艺角水平决定，当芯片处于快工艺角时，振荡信号clk_gen的频率高；反之，当处于慢工艺角时，振荡信号clk_gen的频率低。控制信号ctrl_meas是一个脉冲信号，用来对振荡信号clk_gen进行预处理，其高电平持续时间为T_base。振荡信号clk_gen和控制信号ctrl_meas进行与操作后生成信号clk_count，如图6所示是其波形图。预处理后的振荡信号clk_count连接到计数器的输入端，对其周期数进行计数，结果为cycle_count。在时间T_base内，如果环形振荡器的周期数小于或等于周期数cycle_base1，则定义此时的工艺角为慢工艺角；在时间T_base内，如果环形振荡器的周期数大于周期数cycle_base1且小于或等于周期数cycle_base2，则定义此时的工艺角为典型工艺角；在时间T_base内，如果环形振荡器的周期数大于周期数cycle_base2，则定义此时的工艺角为快工艺角。cycle_count通过比较器comp_p1和比较器comp_p2与周期数cycle_base1和周期数cycle_base2进行比较，得到工艺角监测电路的输出信号sense_p1和输出信号sense_p2；如果芯片处于慢工艺角，则：cycle_count小于等于cycle_base1，输出信号sense_p1＝0；cycle_count小于cycle_base2，输出信号sense_p2＝0。如果芯片处于典型工艺角，则：cycle_count大于cycle_base1，输出信号sense_p1＝1。cycle_count小于等于cycle_base2，输出信号sense_p2＝0如果芯片处于快工艺角，则：cycle_count大于cycle_base1，输出信号sense_p1＝1；cycle_count大于等于cycle_base2，输出信号sense_p1＝1。本实用新型工艺角监测电路还可以扩展为n位输出，具体电路包括n-2个比较器，这n-2个比较器的输出端分别为工艺角监测电路的第3至第n位输出，n为大于2的正整数；每一个比较器的输入端均分别接cycle_base3、cycle_base4、……、cycle_basen，同时每一个比较器的另一输入端均同时接cycle_count，输出端输出信号sense_p3、sense_p4……、sense_pn，输出信号sense_p3、sense_p4……、sense_pn的输出结果与输出信号sense_p1和输出信号sense_p2的输出结果相类似。具体的，以输出信号sense_p3为例，当cycle_count小于等于cycle_base3时，输出信号sense_p3＝0；当cycle_count大于cycle_base3时，输出信号sense_p3＝1。逻辑控制电路对电源电压监测电路的输出结果sense_v和工艺角监测电路的输出结果sense_p进行处理，产生配置信号trim，控制时钟产生电路输出时钟clk0的频率。逻辑控制电路产生配置信号trim可以通过以下三种方式实现：1)逻辑控制电路的输入端Pin接收工艺角监测电路的输出信号sense_p，产生配置信号trim；2)逻辑控制电路的输入端Vin接收电源电压监测电路的输出信号sense_v，产生配置信号trim；3)逻辑控制电路的输入端Pin和输入端Vin同时接收工艺角监测电路的输出信号sense_p和电源电压监测电路的输出信号sense_v，产生配置信号trim。由此，实现了通过电源电压监测电路、工艺角监测电路和逻辑控制电路使时钟产生电路的输出时钟clk0在不同的电源电压、不同的工艺角条件下具有不同的振荡频率。表1所示是电源电压监测电路的一个真值表，表2是工艺角监测电路的一个真值表，表3A是逻辑控制电路仅接收工艺角监测电路的输出信号时的真值表，表3B是逻辑控制电路仅接收电源电压监测电路的输出信号时的真值表，表3C是逻辑控制电路接收工艺角监测电路和电源电压监测电路的输出信号时的真值表。表1电源监测电路的真值表：电源电压sense_v1sense_v2低00典型01高11表2工艺角监测电路的真值表：工艺角sense_p1sense_p2慢00典型01快11表3A逻辑控制电路仅接收工艺角监测电路的输出信号时的真值表：表3B逻辑控制电路仅接收电源电压监测电路的输出信号时的真值表：表3C逻辑控制电路接收工艺角监测电路和电源电压监测电路的输出信号时的真值表：本实用新型时钟产生电路的输出时钟Clk0可以直接连接到电荷泵的时钟输入端CK，电荷泵在时钟信号Clk0上升沿的作用下使其输出信号Vout逐渐上升，如图3A所示。或者，时钟产生电路的输出时钟Clk0与电压调整器的输出信号En_osc相与后得到信号Clk，作为电荷泵的输入时钟，电荷泵在其上升沿的作用下使输出信号Vout逐渐上升，如图3B所示。电压调整器接收电荷泵的输出信号Vout，通过电阻分压器产生反馈信号Vfb，将其与参考电压Vref进行比较，产生控制信号En_osc。当反馈信号Vfb大于参考电压Vref时，En_osc为低；反之，当反馈信号Vfb小于参考电压Vref时，En_osc为高。控制信号En_osc作为时钟产生电路的使能信号控制时钟产生电路的工作，如图3A所示。或者，时钟产生电路一直工作，控制信号En_osc与时钟产生电路的输出时钟Clk0作与操作，控制时钟Clk0能否正常传递到电荷泵的时钟输入端，如图3B所示。以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。当前第1页1 2 3