专利名称：一种tft驱动电路中的电荷泵电路的制作方法
技术领域：
最常见的电荷泵电路的应用是在可擦可编程只读存储器电路的设计上。到目前为止，电荷泵和电压倍增技术已经成功的应用在LCD/TFT/OLED设计中的低压低功耗模拟集成电路设计方面。这个发明与LCD电路尤其是与LCD驱动设计相关，这种设计通过可编程数字逻辑在高压CMOS工艺中提供多层电压转换器。
背景技术：
随着工艺向纳米的逼近，模拟电路设计必须面对降低电压所带来的挑战。许多LCD设计不得不在内部使用高压来满足LCD材料的要求。因此，在芯片中电荷泵和电压倍增器成为低压模拟和数字电路设计中的主要部分。如图1TFT(薄膜晶体管)的驱动电路。为了能使TFT面板正常显示，电荷泵必须能提供+40V/-40V的驱动电压给Panel的Gateline，同时也能提供15V的高压给Panel的Source line。
常规的电荷泵被分为两类，一类是如图2示的由Cockcroft和Walton(见J.D.Cockcroft and E.T.Walton，“Production of highvelocity position ions，”Proc.Roy.Soc.，A，vol.136，pp.619-630，1932)提出的电荷泵的结构。电压倍增器是通过连续层叠多个电容来实现。使用这种装置能得到稳定的800000伏的电压，这种方法也被广泛的运用于高能物理中的电子质子加速和对撞中。三个电容Ca，Cb，Cc，连续接在一起，而Ca又与VDD相连。在时钟相位φ中，C1与Ca相连，被充电到电压为VDD。而在开关转换，在另一个时钟相位φ^中，C1与Cb共享电荷，如果两者电容相同，都被充电到电压为VDD/2。在下一个周期，C2与Cb相连，共享电压为Vdd/4，此时C1再次被充电到VDD。随着这个进程的继续，电荷传输到每个电容中去，直到3VDD超过电压VOUT。这原理能被推广到更多电容相连，因此可以得到任意的电压。但是，在实际应用中，Cock-croft-Walton倍增器因为在有巨大的寄生电容，所以如果应用在单片集成电路中，效率比较低下。另外，它还需要占用太多的硅片面积。
为了克服以上的缺陷，Dickson(见J.Dickson，“On-chipHigh-Voltage Generation in NMOS Integrated Circuits Using anImproved Voltage Multiplier Technique，”IEEE J.Solid-StateCircuits，vol.11，no.6，pp.374-378，June 1976)提出了另外一种适合硅集成电路的电荷泵电路，如图3示。这个电路包含两个时钟φ和φ^，它们具有相反的时钟相位和相同的电压Vφ。二极管作为同步开关被正向偏压Vd控制，寄生电容Cs被完全包含在每个节点上。倍增器在不同的时钟周期在二极管链路上充放电荷。我们易得到输出电压为Vout＝Vin+N.(Vφ Vd) Vd通过变化Vφ到C/(C+Cs)Vφ，可把寄生电容Cs考虑在内。理论上，Dickson电荷泵能得到任何电压。但不幸的是，随着输入电压的减少，Vφ减小，Vd将限制输出电压。因此，Dickson电压泵不适合低压操作。
发明内容
本发明的目的是提供一种新电路以改进Cockcroft and Walton电路，也能克服Dickson电荷泵低压时的缺点。主要是能够获得一个能产生内部电压的倍增器电荷泵，并通过数字控制电荷泵来同时获得任何LCD驱动电路要求的正负电压。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种电荷泵电路，它包含一个控制逻辑来选择电压等级，一个控制时序逻辑来选择产生正负电压和一个开关电容堆积电荷以便在最后级上分别获得正高压和负低压，并且产生正高压和负低压时所需的电容可以尽可能地共用。电荷泵电路更深一层包含有水平相移电路以产生不同电压控制信号，传输门用以控制充电和放电电容器，多相时钟用以开关传输门。
本电路揭露了一个获得多种不同程度电压，特别是同时能够产生正负电压的方法。这方法包含了由上述电荷泵产生一个控制逻辑的步骤以及产生一个控制逻辑来产生充放信号来调节电荷泵的电压的步骤。
图1为LCD驱动电路模块图；图2为Cockcroft-Walton电压倍增器；图3为Dickson电荷泵；图4为数字控制电荷泵功能模块图；图5为正双倍压器电路模块图；图6为正四倍压器电路模块图；图7为正六倍压器电路模块图；图8为正电压输出级电路模块图；图9为负一倍压器电路模块图；图10为负三倍压器电路模块图；图11为负五倍压器电路模块图；图12为负电压输出级电路模块图；图13为水平平移电路模块图。
具体实施例方式
在阅读以下各方面的详细描述，还包括附图的说明后，本发明的这些和其他优点将显现无疑。下面结合附图对本发明作一详细说明。
图4是数字控制电荷泵功能模块图，它有一个控制逻辑和许多具有不同功能的分离模拟模块组成。可以根据它们的独立的功能来划分各个不同的模块。VDD提供了电荷泵的参考电压并直接输入到正双倍压器41和负一倍压器45中。在逻辑控制电路的输出端依次并列连接有正双倍压器41、正四倍压器42，正六倍压器43，正电压输出级44，负一倍压器45负三倍压器46，负五倍压器47，负电压输出级48。正双倍压器的输入端并列连接有时钟控制信号PCK1及其反向时钟PCK1B。其中正双倍压器41的另一输入端连接电源VDD，正双倍压器41的输出端与分别与正四倍压器42，正六倍压器43，负三倍压器37和负五倍压器47等的另一输入端相接，正四倍压器42的输出端与正六倍压器43的另一输入端相接，正六倍压器43的输出端与正电压输出级44的一输入端相接；负一倍压器45的输出端与负三倍压器46的另一输入端相接，负三倍压器46的输出端与负五倍压器47另一输入端相接，负五倍压器47的输出端与负电压输出级48的输入端相接。
正双倍压器图5是正双倍压器基本电路结构，用来提高电压到2VDD，具体如下正双倍压器的输入端与参考电压VDD连接。在模拟开关1和4闭合(控制信号PCK1有效)时，电流通过6号线路径充电，C1上电荷被充到C1*VDD；在模拟开关2和3闭合(控制信号PCK1B有效)时，在C1的A端口通过5号路径被充电到电压为2VDD，因此输出电压有电位2VDD。这样通过一个完整的时钟周期，A点输出端电位被抬高到2VDD。
正四倍压器用来提高电压到4VDD或3VDD，它的输入端来自正双倍压器的输出端A和VDD。其基本电路图见图6正四倍压器和图5中的正双倍压器结构近似。当模拟开关7和10闭合(控制信号PCK2有效)时，电容C2沿着箭头12被充电到2VDD*C2，当模拟开关8和9闭合(控制信号PCK2B和PCK2BA有效)时，节点B以及电容C2电压被抬高了一个2VDD，总电压达到4VDD，从而实现了正四倍压器的功能；或者它可以实现升压到3VDD的功能。当模拟开关7和10闭合(控制信号PCK2有效)时，电容C2沿着箭头12被充电到2VDD*C2，当模拟开关8和49闭合(控制信号PCK2B和PCK2BB有效)时，节点B以及电容C2电压被抬高了一个1VDD，总电压达到3VDD正六倍压器用来提高电压到6VDD，它的输入端分别来自正双倍压器的输出端A和正四倍压器输出端B，电路图如图7。当模拟开关13和16闭合(控制信号PCK3有效)时，电流对电容C3的充电线路如图中18号线，C3被充电到2VDD*C3；当模拟开关14和15闭合(控制信号PCK3有效)时，在C3的A端口通过17号路径被充电，节点C以及电容C2电压被抬高了一个4VDD，并达到6VDD。
正电压输出级用来保持正六倍压器输出端D的电压，电路图如图8。当模拟开关19闭合(控制信号PCK4B有效)时，电流对电容C4的充电线路如图中20号线，C4被充电到2VDD*C4，从而达到保持节点C的电压的功能。
负一倍压器用来降低电压到负VDD，它的输入端来自VDD，电路图如图9。负一倍压器和正双倍压器的结构近似，当模拟开关21和23闭合(控制信号NCK1有效)时，电容C5沿着箭头25被充电到2VDD*C5，当模拟开关22和24闭合(控制信号NCK2B有效)时，节点E以及电容C5电压被降低了一个VDD，总电压达到负VDD，从而实现了负一倍压器的功能。
负三倍压器用来降低电压到负3VDD，它的输入端分别来自正双倍压器的输出端A和负一倍压器的输出端E，电路图如图10。负三倍压器和正双倍压器的结构近似，当模拟开关27和29闭合(控制信号NCK2有效)时，电容C3沿着箭头31被充电到2VDD*C3，当模拟开关28和30闭合(控制信号NCK2B有效)时，节点F以及电容C3电压被降低了2VDD，总电压达到负3VDD，从而实现了负三倍压器的功能。
负五倍压器用来降低电压到负5VDD，它的输入端分别来自正双倍压器的输出端A和负三倍压器的输出端F，电路图如图11。负五倍压器和负三倍压器的结构近似，当模拟开关33和35闭合(控制信号NCK3有效)时，电容C2沿着箭头31被充电到2VDD*C2，当模拟开关34和36闭合(控制信号NCK3B有效)时，节点F以及电容C2电压被降低了2VDD，总电压达到负3VDD，从而实现了负五倍压器的功能。
负电压输出级用来保持负五倍压器输出端G的电压，电路图如图12。当模拟开关39闭合(控制信号NCK4B有效)时，电流对电容C4的充电线路如图中40号线，C6被充电到负5VDD*C6，从而达到保持节点G的电压的功能。
图8和图12已经电压将各自分别提高和降低到了6VDD和负5VDD。随着工艺的发展，相同的电路能在任何电压下设计。其中最重要的因素就是电路中能根据需要把VDD提高到4倍，5倍，6倍和降低到负3倍，负4倍，负5倍，而不用改变电路。我们所需要做的只是设定可编程逻辑和改变各个不同时钟的开关。
为了在节点D获得5倍VDD，只须用正四倍压器来实现升压3VDD；为了在节点D获得4倍VDD，只须关断正四倍压器的充电时钟。
6倍VDD，我们已经在前描述过；为了在节点H获得负4倍VDD，我们关断负一倍压器的充电时钟；为了在节点H获得负3倍VDD，我们关断负三倍压器的充电时钟；负5倍VDD，我已经在前描述过。
对于大于6倍和小于负5倍VDD的电压，用正双倍压器、正四倍压器，正六倍压器，正电压输出级，负一倍压器，负三倍压器，负五倍压器组合，能得到各种倍数的电压。
所有的时钟控制电路都由水平平移电路控制，对于不同的电压需要根据不同的电压程度开关CMOS传输门。基本的水平平移电路如图13所示。
权利要求
1.一个用于LCD驱动电路的电荷泵，其特征在于包含一个可编程控制逻辑来控制输出，输入电位，从而获得不同LCD的驱动电压，尤其是同时获得不同的正负电压。
2.如权利要求1所述的一个电荷泵，其特征在于包含有一个正电压双倍器以获得2VDD的提供电压，这种正双倍压器是通过一个电容及一个充放电电路取得的，它为下一级提供了两倍于基准电压的输入电压，同时它给控制逻辑电路提供电压，它的输入端接VDD，基本电路结构如图5；如权利要求1所述的一个电荷泵，其特征在于包含有一个正四倍压器以获得4VDD的提供电压它为下一级提供了四倍于基准电压的输入电压，正四倍压器的输入端来自双倍器的输出端A，其基本电路图见图6；如权利要求1所述的一个电荷泵，其特征在于包含了一个正六倍压器它为下一级提供了6倍于基准电压的输入电压，同时它给控制逻辑电路提供电压，它的输入端分别接正双倍压器的输出端A和正四倍压器的输出端B，其基本电路图见图7；如权利要求1所述的一个电荷泵，其特征在于包含有一个正电压输出级模块，用来保持正六倍压器的输出电压D，其基本电路图见图8；如权利要求1所述的一个电荷泵，其特征在于包含有一个负一倍压器，它为下一级提供了负一倍于基准电压的输入电压，它的输入端接VDD，其基本电路图见图9；如权利要求1所述的一个电荷泵，其特征在于包含有一个负三倍压器，它为下一级提供了负三倍于基准电压的输入电压，它的输入端分别接正双倍压器的输出电压A和负一倍压器的输出电压E，其基本电路图见图10；如权利要求1所述的一个电荷泵，其特征在于包含有一个负五倍压器，它为下一级提供了负五倍于基准电压的输入电压，它的输入端分别接正双倍压器的输出电压A和负三倍压器的输出电压F，其基本电路图见图11；如权利要求1所述的一个电荷泵，其特征在于包含有一个负电压输出级模块，用来保持负五倍压器的输出电压G，其基本电路图见图12。
3.如权利要求1所述的一个电荷泵，其特征在于包含有如果同时需要任何正负电压，就任何次通过这个结构获得提供电压。这是因为本电荷泵具有积木式结构，它可以通过41，42，43，44，45，46，47，48等电路单元组合出任意的输出正负电压，并由一个多重时钟相位的电路，通过逻辑电路控制产生不同电压的控制脉冲。
4.如权利要求1，3，4，5，6所述的一个电荷泵，其特征在于包含有一个同时应用在正负电压下的水平平移电路，以通过改变低压信号到高压信号来控制电荷泵时钟。这个水平平移电路被用于不同的逻辑控制时钟单元中，来产生所要求的时钟电压。
5.如权利要求1所述的一个电荷泵，这个电荷泵电路包含有一个非重叠时钟方法，能产生多个时钟而且它们不重叠，并达到所要求的低功耗和低泄露电流。
6.如权利要求4所述的一个电荷泵，其特征在于设计了一个电压平移电路，意味着不同的时钟控制电路具有不同级别的电压，这种设计是通过调整供电电压及晶体管参数获得的。
7.如权利要求1所述的一个电荷泵，其特征在于存储电容意味着在不同的时钟相位里积累电荷，因此产生出不同级别的电压，这种电容是本电荷泵所必需的，但电容数目可根据实际应用而定。
8.如权利要求1所述的一个电荷泵，其特征在于使用传输门来降低CMOS开关电压的损失，本电荷泵的所有模拟开关是传输门电路。
9.如权利要求1所述的一个电荷泵，其特征在于可编程逻辑的作用就是设定所需要的充电级数并能达到最终的电压值。
10.如权利要求1所述的一个电荷泵，其特征在于它能够通过同一个电荷泵同时产生正负电压，并且分别产生正负电压的电容器能够公用。
全文摘要
本发明描述了一种能获得不同电压特别是同时可产生正负电压的可编程电荷泵电路，其电路框图见摘要附图。这个电荷泵电路通过不同电压控制器来选择所要求的输出电压。不同的开关电容用来积累电压以达到可编程LCD驱动电路所需的电压。本发明通过少数电容来单输出节点达到不同输出电压的目的，同时分别产生正负电压时可共用电容。本发明电荷泵可用于高压集成电路芯片中，它实现了低功耗，高效率，并可以根据实际要求扩展此电路结构获取所需电压。本发明电荷泵具有积木式结构具有灵活拆配功能并能通过控制逻辑控制时钟时序来达到可编程输出电压值。本电荷泵的高效性在于其结构使用了较少的电容，并合理的利用电平转移电路通过较少的级数产生出高电压。本电荷泵的低功耗在于设计上采用了非重叠时序最大程度减小了直流到地的通路。
文档编号G02F1/133GK101034536SQ200610058160
公开日2007年9月12日 申请日期2006年3月8日 优先权日2006年3月8日
发明者林丰成, 林昕 申请人:天利半导体(深圳)有限公司