專(zhuān)利名稱(chēng)：一種低成本高效率分時(shí)復(fù)用的電荷泵電路的制作方法
一種低成本高效率分時(shí)復(fù)用的電荷泵電路技術(shù)領(lǐng)域一種低成本高效率分時(shí)復(fù)用的電荷泵電路屬于模擬集成電路設(shè)計(jì)和LCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及到基于HiFas掃描方式的LCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
在許多集成電路系統(tǒng)中都需要在片內(nèi)產(chǎn)生高于電源電壓VCI 的正高壓或者負(fù)高壓。圖1是基于HiFas掃描方式的LCD驅(qū)動(dòng)電 路的驅(qū)動(dòng)波形，其中列電壓VG和GND、正高壓VO和負(fù)高壓XVO均 關(guān)于行電壓VM對(duì)稱(chēng)，另外系統(tǒng)在正極性的時(shí)候需要產(chǎn)生一個(gè)正高 壓V0作為行選中信號(hào)；在負(fù)極性的時(shí)候需要產(chǎn)生 一個(gè)負(fù)高壓XVO 作為行選中信號(hào)。傳統(tǒng)做法是使用兩個(gè)單獨(dú)的電荷泵電路 一個(gè)正高壓電荷泵 用于產(chǎn)生正高壓(VO)，而另 個(gè)負(fù)高壓電荷泵用于產(chǎn)生負(fù)高壓(XVO)。但是這樣無(wú)疑會(huì)占據(jù)很大的芯片面積，因此有文獻(xiàn)提出一種基于耦合電容共享的電荷泵電路并且被應(yīng)用于快閃存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域；圖2是這種電荷泵的電路圖，CK1和CK2是兩相非 交疊時(shí)鐘，正電荷泵和負(fù)電荷泵通過(guò)一組由VCP和VCN控制的耦 合開(kāi)關(guān)共享一組電容；其中耦合開(kāi)關(guān)中的PMOS和麗OS的襯底端 都分別接了系統(tǒng)最正的電壓VPP和系統(tǒng)鏺負(fù)電壓VPN ，這嚴(yán)重的 束縛了該電路的效率、增大了該電路的內(nèi)耗；另外該電路用PMOS 傳輸管傳遞低電平、用麗OS傳輸管傳遞高電平，均存在一個(gè)閾值 電壓的損失，所以只能產(chǎn)生(N+l) * (VCI-Vt)的正高壓禾卩-N* (Vt-VCI)的負(fù)高壓，其巾N為電荷泵的級(jí)數(shù)，Vt為傳輸管的閾 值。這樣對(duì)于給定的電壓將需要更多的級(jí)數(shù)也即更多的面積來(lái)實(shí) 現(xiàn)電路的設(shè)計(jì)；而且這個(gè)問(wèn)題會(huì)隨著工藝特征尺寸不斷縮小、系 統(tǒng)的電源電壓的不斷降低日趨嚴(yán)重。尤其是在LCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，因?yàn)橄到y(tǒng)往往都需要至少20V左右的高壓。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種低成本高效率分時(shí)復(fù)用的電荷泵 電路。其基于分時(shí)復(fù)用技術(shù)，使得設(shè)計(jì)對(duì)工藝耐壓值的要求降低為原來(lái)的一半；其基于空間交疊技術(shù)，可以將耦合電容的面積縮小 到原來(lái)的四分之一以?xún)?nèi)；其極性轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)上節(jié)省了一個(gè)外接 電容；其正高壓電荷泵和負(fù)高壓電荷泵設(shè)計(jì)采用了零稱(chēng)偏技術(shù)和 電荷分享技術(shù)可以很大程度上降低了該電路的內(nèi)耗，提高該電路 的效率。本發(fā)明提出一種低成本高效率分時(shí)復(fù)用的電荷泵電路，含有正 高壓電荷泵和負(fù)高壓電荷泵、耦合電容電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路和極 性轉(zhuǎn)換電路；其特征在于，該電路在系統(tǒng)設(shè)計(jì).t采用了分時(shí)復(fù)用 技術(shù)。正高壓電荷泵和負(fù)高電荷泵通過(guò)共享的耦合電容分時(shí)產(chǎn)生 正高壓和負(fù)高壓，使得設(shè)計(jì)對(duì)工藝耐壓值的要求降低為原來(lái)的-一 半。其特征還在于，所述正高壓電荷泵和負(fù)高壓電荷泵采用了零襯 偏技術(shù)。在正極性時(shí)需要產(chǎn)生正高壓，通過(guò)將正高壓電荷泵電路 的PMOS傳輸管襯底端接在本級(jí)電容正極板即該P(yáng)MOS傳輸管的源 端來(lái)實(shí)現(xiàn)零襯偏，而此時(shí)負(fù)高壓電荷泵的NMOS傳輸管的柵端和襯 底端均接系統(tǒng)最低電位；在負(fù)極性時(shí)需要產(chǎn)生負(fù)高壓，通過(guò)將負(fù) 高壓電荷泵電路的NMOS傳輸管襯底端接在本級(jí)電容負(fù)極板即該 麗OS傳輸管的源端來(lái)實(shí)現(xiàn)零襯偏，而此時(shí)正高壓電荷泵的PMOS傳 輸管的柵端和襯底端均接系統(tǒng)最高電位；其特征還在于，所述正高壓電荷泵和負(fù)高壓電荷泵采用了電荷 分享技術(shù)，在正極性時(shí)候，相鄰兩級(jí)電容的負(fù)極板電位分別是電 源電位和地電位，而下半個(gè)周期時(shí)候要把原來(lái)的電源電位放電到 地電位，把原來(lái)的地電位充電到電源電位，這樣浪費(fèi)了大量的電 荷。在電位切換時(shí)候，通過(guò)將相鄰兩級(jí)電容的負(fù)極板短接從而實(shí) 現(xiàn)了電荷分享；同樣在負(fù)極性時(shí)可以通過(guò)將相鄰兩級(jí)電容正極板短接實(shí)現(xiàn)電荷分享。其特征還在于，所述耦合電容電路采用了空間交疊技術(shù)，即在M0S電容的上方做MIM (Metal-Insulator-Metal)電容，并將兩 種電容并聯(lián)在一起作為每一級(jí)的電容。其特征還在于，所述時(shí)鐘產(chǎn)生電路為正高壓電荷泵、負(fù)高壓電 荷泵、耦合電容電路和極性轉(zhuǎn)換電路提供需要的時(shí)鐘，為了節(jié)省 功耗，正高壓電荷泵和負(fù)高壓電荷泵每一級(jí)的時(shí)鐘電位都利用了 本級(jí)電容上的電位，在正極性時(shí)候，正高壓電荷泵中控制PMOS傳 輸管柵端的時(shí)鐘信號(hào)的高電平是該P(yáng)MOS管所在那一級(jí)的電容的正 極板的電位，而低電平則是地電位；在負(fù)極性時(shí)候，負(fù)高壓電荷 泵中控制麗0S傳輸管柵端的時(shí)鐘信號(hào)的低電平是該腿0S管所在 那一級(jí)電容的負(fù)極板的電位，而高電平則是電源電位。其特征還在于，所述極性轉(zhuǎn)換電路為系統(tǒng)提供需要的基準(zhǔn)電壓， 從而產(chǎn)生LCD驅(qū)動(dòng)電路所需要的正電壓和負(fù)電壓。在正極性時(shí)候， 極性轉(zhuǎn)換電路中源端與(VG)相連的PMOS管關(guān)斷、源端與GND相 連的麗0S管打開(kāi)，所以產(chǎn)生的正高壓(V0)是以地電位為基準(zhǔn)的； 在負(fù)極性時(shí)候，極性轉(zhuǎn)換電路中源端與GND相連的麗OS管關(guān)斷、 源端與(VG)相連的PMOS管打開(kāi)，所以產(chǎn)生的負(fù)高壓(XVO)是 以列電壓(VG)為基準(zhǔn)的。因?yàn)榱须妷?VG)和地電位關(guān)于行電 壓(VM)對(duì)稱(chēng)，所以產(chǎn)生的正高壓(VO)和負(fù)高壓(XVO)也是是 關(guān)于行電壓(VM)對(duì)稱(chēng)，這符基于HiFas掃描方式的LCD驅(qū)動(dòng)電 路設(shè)計(jì)的要求。試驗(yàn)證明，所以本發(fā)明能夠在很大程度上降低設(shè)計(jì)成本，提高電路效率.達(dá)到了預(yù)期的目的。


—n哲結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一歩詳細(xì)說(shuō)明。圖1基于HiFas掃描方式的LCD驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)波形圖；圖2基于耦合電容共:享的電荷泵電路圖；圖3本發(fā)明提出的一種低成本高效率分時(shí)復(fù)用的電荷泵電路框圖；圖4本發(fā)明提出的一種低成本高效率分時(shí)復(fù)用的電荷泵電路詳 圖；圖5A正極性等效原理圖；圖5B正極性時(shí)鐘信號(hào)波形圖；圖6A負(fù)極性等效原理圖；圖6B負(fù)極性時(shí)鐘信號(hào)波形圖。
具體實(shí)施方式
結(jié)合

本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。圖1為基于HiFas掃描方式的LCD驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)波形圖。圖2為基于耦合電容共亨的電尙泵電路圖。如圖3，為了實(shí)現(xiàn)正高壓和負(fù)高壓分時(shí)產(chǎn)生，在正極性時(shí)，時(shí) 鐘產(chǎn)生電路105將負(fù)高壓電荷泵103關(guān)斷，正高壓電荷泵102、耦 合電容電路104和極性轉(zhuǎn)換電路101在時(shí)鐘產(chǎn)生電路105的控制 下產(chǎn)生正高壓V0;在負(fù)極性時(shí)，時(shí)鐘產(chǎn)生電路105將正高壓電荷 泵102關(guān)斷，負(fù)高壓電荷泵103、耦合電容電路104和極性轉(zhuǎn)換電 路101在時(shí)鐘產(chǎn)生電路105的控制下產(chǎn)生負(fù)高壓XVO;如圖4，其中正高壓電荷泵負(fù)高壓電荷泵均為7級(jí)高壓電荷泵， 每一級(jí)結(jié)構(gòu)均相同，且與極性轉(zhuǎn)換電路101結(jié)構(gòu)也相同，比如， 第i (i=l~8)級(jí)包括兩個(gè)PMOS管MPi—1、 MPi—2，兩個(gè)NMOS 管MNi—1、 MNi—2， 5個(gè)開(kāi)關(guān)Si—1、 Si—2、 Si—3、 Si—4、 Si—5, — 個(gè)電容Ci;其中電荷分享電路包括一組開(kāi)關(guān)管SI—6、S2—6......S6_6，這些幵關(guān)都是由高電平打開(kāi)，由低電平關(guān)閉的。在正極性時(shí)候，其中正高壓電荷泵102和負(fù)高壓電荷泵103 每一級(jí)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作相同，且與極性轉(zhuǎn)換電路101中的開(kāi)關(guān)動(dòng)作一 致，比如在第i (i=l 8)級(jí)中，開(kāi)關(guān)Si一l向右閉合與時(shí)鐘產(chǎn)生電 路105的輸出CKPi相連接，開(kāi)關(guān)Si一2向右閉合與本級(jí)電容Ci正 極板Pi相連,開(kāi)關(guān)Si—3和Si—4均向左閉合與正極性時(shí)系統(tǒng)的最低電位(GND)相連接；開(kāi)關(guān)Si—5向上閉合與本級(jí)電容Ci負(fù)極板 Ni相連接；另外在正極性時(shí)，時(shí)鐘產(chǎn)生電路105的控制信號(hào)CK一P 和CK^N均為系統(tǒng)最高電位V0，所以在正極性時(shí)，圖4所示的電 路等效為圖5A所示的電路；在負(fù)極性時(shí)候，其中正高壓電荷泵102和負(fù)高壓電荷泵103 每一級(jí)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作也相同，且與極性轉(zhuǎn)換電路101中的開(kāi)關(guān)動(dòng)作 一致，比如在第i (i=l 8)級(jí)中，開(kāi)關(guān)Si一l和S^2均向左閉合與 負(fù)極性時(shí)系統(tǒng)的最高電位(VCI)相連接，開(kāi)關(guān)Si_3向右閉合與 本級(jí)電容Ci負(fù)極板Ni相連接,開(kāi)關(guān)Si—4向右閉合與時(shí)鐘產(chǎn)生電路 105的輸出CKNi相連接；開(kāi)關(guān)Si—5向下閉合與本級(jí)電容Ci正極 板Pi相連;另外在負(fù)極性時(shí)，時(shí)鐘產(chǎn)生電路105的控制信號(hào)CK—P 和CK一N均為系統(tǒng)最低電位XV0，所以在負(fù)極性時(shí)，圖4所示的 電路等效為圖6A所示的電路。圖5A是圖4在正極性時(shí)候的等效電路圖，所以圖5A中所有的 標(biāo)識(shí)都繼承了圖4 ;圖5B是正極性時(shí)時(shí)鐘產(chǎn)生電路105輸出的時(shí) 鐘信號(hào)波形圖，其中VPi (i=l 8)表示電容Ci正極板Pi上的電 壓，POLAR表示極性信號(hào)。圖5A與基本的DIKSON電荷泵結(jié)構(gòu)相似，工作原理也與 DIKSON電荷泵相同，但是其中正高壓電荷泵102中的PMOS傳 輸管(MPl一l MPn—1)的襯底端都連接在本級(jí)電容的正極板 (Pl Pn),從而實(shí)現(xiàn)了零襯偏，大大提高了該電路的電荷傳輸效率； 另外，在時(shí)鐘切換的時(shí)候，開(kāi)關(guān)(SI—6~S6—6)在時(shí)鐘產(chǎn)生電路105 輸出信號(hào)CKPO的作用下短時(shí)間閉合，從而實(shí)現(xiàn)了電荷分享，進(jìn)一 步提節(jié)省了該電路的內(nèi)耗。另外控制每一級(jí)的時(shí)鐘的電位都利用 了本級(jí)電容上的電位，比如，CKPi (i=l~8)的高電平VPi則來(lái)自 于電容Ci的正極板Pi，從而也在很大程度上節(jié)省該電路的內(nèi)耗；圖6A是圖4在負(fù)極性時(shí)的等效電路圖，所以圖6A中所有的標(biāo) 識(shí)都繼承了圖4 ;圖6B是負(fù)極性時(shí)時(shí)鐘產(chǎn)生電路105輸出的時(shí)鐘 信號(hào)波形圖，其中VNi (i=l 8)表示電容Ci負(fù)極板Ni上的電壓，POLAR表示極性信號(hào)。與正極性相似，圖6A與基本的DIKSON電荷泵結(jié)構(gòu)相似，工 作原理也與DIKSON電荷泵相同，其中負(fù)高壓電荷泵103中的 NMOS傳輸管(MNl一l MNn一l)的襯底端都連接在本級(jí)電容的負(fù) 極板(Nl Nn),從而實(shí)現(xiàn)了零襯偏，大大提高了該電路的電荷傳 輸效率；另外，在時(shí)鐘切換的時(shí)候開(kāi)關(guān)(S1_6 S6_6)在時(shí)鐘產(chǎn)生電路105輸出信號(hào)CKP0的作用下短時(shí)間閉合，從而實(shí)現(xiàn)了電荷分 享，進(jìn)一步提節(jié)省了該電路的內(nèi)耗。另外控制每一級(jí)的時(shí)鐘的電 位都利用了本級(jí)電容上的電位，比如，CKNi (i=l~8)的低電平 VNi則來(lái)自于電容Ci的負(fù)極板Ni,從而也在很大程度上節(jié)省該電 路的內(nèi)耗。正極性時(shí)負(fù)高壓電荷泵103不工作，從而系統(tǒng)產(chǎn)生了相對(duì)于地 電位的正高壓V0，負(fù)極性時(shí)正高壓電荷泵102不工作，從而系統(tǒng) 產(chǎn)生了相對(duì)于VG的負(fù)高壓XV0;從而實(shí)現(xiàn)了正負(fù)電壓分時(shí)產(chǎn)生， 使得設(shè)計(jì)對(duì)工藝耐壓值降低為原來(lái)的一半，在很大程度上節(jié)省了 芯片的成本。正高壓電荷泵102和負(fù)高壓電荷泵103共享耦合電容電路104， 而且在耦合電容電路的設(shè)計(jì)上采用了 MOS電容和MIM電容空間 交疊技術(shù)，與傳統(tǒng)做法相比，電容的面積節(jié)省了四分之三；也在 很大程度上節(jié)省了芯片的成本。極性轉(zhuǎn)換電路101根據(jù)不同極性靈活切換電容極板的電位， 節(jié)省了一個(gè)外接電容給芯片的應(yīng)用帶來(lái)了很大的方便。
權(quán)利要求
1、一種低成本高效率分時(shí)復(fù)用的電荷泵電路，含有正高壓電荷泵和負(fù)高壓電荷泵、耦合電容電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路和極性轉(zhuǎn)換電路，其特征在于該電路在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用了分時(shí)復(fù)用技術(shù)，所述正高壓電荷泵和負(fù)高壓電荷泵采用了零襯偏技術(shù)和電荷分享技術(shù)；所述耦合電容電路在設(shè)計(jì)采用了空間交疊技術(shù)；所述時(shí)鐘產(chǎn)生電路產(chǎn)生系統(tǒng)各個(gè)模塊需要的時(shí)鐘信號(hào)；所述的極性轉(zhuǎn)換電路為系統(tǒng)提供基準(zhǔn)電壓，從而產(chǎn)生LCD驅(qū)動(dòng)電路所需要的正電壓和負(fù)電壓。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種低成本高效率分時(shí)復(fù)用的電荷泵 電路，其特征在于該電路在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用了分時(shí)復(fù)用技術(shù)， 正高壓電荷泵和負(fù)高電荷泵通過(guò)共享的耦合電容分時(shí)產(chǎn)生正高壓 和負(fù)高壓，使得設(shè)計(jì)對(duì)工藝耐壓值的要求降低為原來(lái)的一半。
3、 如權(quán)利要求1所述的一種低成本高效率分時(shí)復(fù)用的電荷泵電路，其特征在亍所述正高壓電荷泵和負(fù)高壓電荷泵采用了零 襯偏技術(shù)，在正極性時(shí)需要產(chǎn)生正高壓，通過(guò)將正高壓電荷泵電路的PM0S傳輸管襯底端接在本級(jí)電容正極板即該P(yáng)M0S傳輸管的 源端來(lái)實(shí)現(xiàn)零襯偏，而此時(shí)負(fù)高壓電荷泵的麗0S傳輸管的柵端和 襯底端接系統(tǒng)最低電位；在負(fù)極性時(shí)候需要產(chǎn)生負(fù)高壓，通過(guò)將 負(fù)高壓電荷泵電路的麗0S傳輸管襯底端接在本級(jí)電容負(fù)極板即該 麗0S傳輸管的源端來(lái)實(shí)現(xiàn)零襯偏，而此時(shí)正髙壓電荷泵的PM0S傳 輸管的柵端和襯底端接系統(tǒng)最高電位。
4、 如權(quán)利要求1所述的一種低成本高效率分時(shí)復(fù)用的電荷泵電路，其特征在于所述正高壓電荷泵和負(fù)高壓電荷泵采用了電 荷分享技術(shù)，在正極性時(shí)候，相鄰兩級(jí)電容的負(fù)極板電位分別是 電源電位和地電位，而下半個(gè)周期時(shí)候要把原來(lái)的電源電位放電 到地電位，把原來(lái)的地電位充電到電源電位，這樣浪費(fèi)了大量的 電荷；在電位切換時(shí)候，通過(guò)將相鄰兩級(jí)電容的負(fù)極板短接從而實(shí)現(xiàn)了電荷分享；同樣在負(fù)極性時(shí)候也可以通過(guò)將相鄰兩級(jí)電容 正極板短接實(shí)現(xiàn)電荷分享。
5、 如權(quán)利要求1所述的一種低成本高效率分時(shí)復(fù)用的電荷泵 電路，其特征在于所述耦合電容電路采用了空間交疊技術(shù)，即 在M0S電容的上方做M頂(Meta1-Insulator-Metal)電容，并將兩 種電容并聯(lián)在一起作為每一級(jí)的電容。
6、 如權(quán)利要求1所述的一種低成本高效率分時(shí)復(fù)用的電荷泵 電路，其特征在于所述時(shí)鐘產(chǎn)生電路為正高壓電荷泵、負(fù)高壓 電荷泵、耦合電容電路和極性轉(zhuǎn)換電路提供需要的時(shí)鐘，為了節(jié) 省功耗，正高壓電荷泵和負(fù)高壓電荷泵每一級(jí)的時(shí)鐘電位都利用 了本級(jí)電容上的電位，在正極性時(shí)候，正高壓電荷泵中控制PM0S 傳輸管柵端的時(shí)鐘信號(hào)高電平是該P(yáng)M0S管所在那一級(jí)的電容的正 極板的電位，而低電平則是地電位；在負(fù)極性時(shí)候，負(fù)高壓電荷 泵中控制醒0S傳輸管柵端的時(shí)鐘信號(hào)低電平是該麗0S管所在那 一級(jí)的電容的負(fù)極板的電位，而高電平則是電源電位。
7、 如權(quán)利要求1所述的一種低成本高效率分時(shí)復(fù)用的電荷泵 電路，其特征在于所述極性轉(zhuǎn)換電路為系統(tǒng)提供需要的基準(zhǔn)電 壓，從而產(chǎn)生LCD驅(qū)動(dòng)電路所需要的正電壓和負(fù)電壓，在正極性 時(shí)候，極性轉(zhuǎn)換電路中的PMOS管關(guān)斷、麗0S管打開(kāi)，所以產(chǎn)生的 正高壓(V0)是以地電位為基準(zhǔn)的；在負(fù)極性時(shí)候，將極性轉(zhuǎn)換 電路的麗OS管關(guān)斷、PM0S管打開(kāi)，所以產(chǎn)生的負(fù)高壓(XV0)是 以列電壓(VG)為基準(zhǔn)的。因?yàn)榱须妷?VG)和地電位關(guān)于行電 壓(VM)對(duì)稱(chēng)，所以產(chǎn)生的正高壓(V0)和負(fù)高壓(XV0)也是是 關(guān)于行電壓(VM)對(duì)稱(chēng)，這符合基于HiFas掃描方式的LCD驅(qū)動(dòng) 電路設(shè)計(jì)的要求。
全文摘要
本發(fā)明是一種低成本高效率分時(shí)復(fù)用的電荷泵電路，它屬于模擬集成電路設(shè)計(jì)和LCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及到基于HiFas(High Frequency Amplitude Selection)掃描方式的LCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì).其特征在于，系統(tǒng)采用了分時(shí)復(fù)用技術(shù)，從而降低了設(shè)計(jì)對(duì)工藝耐壓值的要求；在耦合電容設(shè)計(jì)上采用了空間交疊技術(shù)，從而更加合理的利用了芯片的面積。在極性轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)上通過(guò)靈活的切換電容極板上的電壓節(jié)省了一個(gè)外接電容。在正高壓電荷泵和負(fù)高壓電荷泵設(shè)計(jì)上采用了零襯偏技術(shù)和電荷分享技術(shù)，從而提高了電荷傳輸效率，降低了該電路的內(nèi)耗。本發(fā)明利用以上技術(shù)能夠在很大程度上降低設(shè)計(jì)成本，提高電路效率。
文檔編號(hào)H02M3/07GK101335486SQ20071011810
公開(kāi)日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2007年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月28日
發(fā)明者昕 林, 林豐成, 博 陳, 雙 韓 申請(qǐng)人:天利半導(dǎo)體(深圳)有限公司