一种芯片内负升压电路及其充放电方法与流程

1.本发明涉及负升压电路技术领域，具体涉及一种芯片内负升压电路及其充放电方法。


背景技术：

2.随着图像传感器被广泛用于手机、笔记本、数码相机、视频游戏机、车载、视觉机器人等领域，提高成像质量成为图像传感器技术不断追求的目标，而图像传感器的像素尺寸与成像质量正相关。因此，为满足市场需求，设计时图像传感器的像素尺寸越来越大。
3.当像素的设计尺寸不断增大，就需要图像传感器的各种电源能够提供更大的驱动能力。另一方面，随着无线设备所使用的频率范围越来越广，抗电磁干扰（emi）特性也越来越受到关注。
4.图像传感器工作期间需要负偏压，该负偏压一般通过负升压电路（negative boost circuit）生成。负升压电路通过电荷泵实现充放电，传统的电荷泵电路随着所需驱动能力的增大，其产生的尖峰电流也随之变大，由此产生瞬时压降会对整个电路系统造成损坏，甚至影响图像传感器的正常工作。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是抑制负升压电路充放电过程中的尖峰电流，改善emi特性。本发明目的在于提供一种芯片内负升压电路及充放电方法。
6.本发明通过下述技术方案实现：第一方面，本发明提供了一种芯片内负升压电路，该电路结构包括电流源i3、电阻r1、r2，比较器11、控制单元12、充放电单元13，进一步地，充放电单元13包括可调电流源i1、可调电流源i2、电容c、n沟道型mos管m1和m2，其中，可调电流源i1与可调电流源i2串联，可调电流源i1的输入端接电源vdd，可调电流源i2的输出端接地，nmos管m2的漏极接地，m2的源极接nmos管m1的漏极，m1的源极接电阻r2；电容c的一端接可调电流源i1与可调电流源i2的公共端，电容c的另一端接m2的源极与m1的漏极的公共端；控制单元12用于控制可调电流源i1、可调电流源i2的电流大小，同时控制所述电流源i1和所述电流源i2的导通和关断。
7.进一步地，电流源i3与电阻r1、电阻r2依次串联，电流源i3的一端接电源vdd，电阻r1与电阻r2的公共端接比较器11的反相输入端；比较器11的输出端接控制单元12的输入端，控制单元12的输出端分别连接可调电流源i1和可调电流源i2。
8.进一步地，参考电压v1接比较器11的正相输入端，反馈电压v2接比较器11的反相输入端；时钟信号clka输入控制单元12的输入端；时钟信号clkb输入晶体管m2的栅极，时钟信号clkc输入晶体管m1的栅极。
9.第二方面，本发明还提供了一种负升压电路的充放电方法，包括以下步骤：
s1、启动阶段：接入电源vdd生成电流i3，并输入参考电压v1；所述参考电压可以根据设计需求进行设定。
10.s2、充电阶段：输入时钟信号clka为低电平，通过控制单元12将可调电流源i1导通，可调电流源i2关断，同时输入时钟信号clkb为高电平，时钟信号clkc为低电平，从而nmos管m1关断、nmos管m2导通，开始充电；s3、放电阶段：充电结束，时钟信号clka变为高电平，通过控制单元12将可调电流源i1关断，将可调电流源i2导通，同时时钟信号clkb变为低电平，时钟信号clkc变为高电平，从而nmos管m1导通、nmos管m2关断，开始放电；s4、比较器比较阶段：vout电压通过由电流源i3、电阻r1和电阻r2构成的反馈环路后形成反馈电压v2，该电压输入比较器11的反相输入端，步骤s1参考电压v1输入比较器11的正相输入端，反馈电压v2与参考电压v1经比较器进行比较。
11.进一步地，比较器比较阶段包括以下步骤：s4.1、当参考电压v1 《反馈电压v2时，比较器的输出ampout为低电平，此时控制单元12将可调电流源i1的充电电流增大，将可调电流源i2的放电电流也增大，在放电过程中vtop电压变化很大，进而vbottom的电压变化也大，说明此时vout电压还未达到设计的电压，还需要进行全力充电和放电。
12.s4.2、当参考电压v1 》反馈电压v2时，比较器的输出ampout为高电平，此时控制单元12将可调电流源i1的充电电流减小，将可调电流源i2的放电电流也减小，在放电过程中vtop电压变化不大，进而vbottom的电压变化也不大，说明此时vout电压已经基本达到了设计的电压，则充放电过程维持这种周期性动态平衡状态。
13.进一步地，步骤s4.1和s4.2中所述设计的输出电压为。
14.本发明的充放电原理：通过可调电流源i1以电流的方式对电容c进行充电，vtop电压从0v逐渐上升至接近vdd电压，此时vbottom电压为0v，使得充电过程中的尖峰电流基本上等于平均电流；通过可调电流源i2以电流的方式对电容c进行放电，因为电容c两端的电荷量不能突变，所以vtop电压通过可调电流源i2放电至接近于0v时，vbottom电位也从0v变为-vdd电压，电荷进而转移到vout节点，该放电过程因为是通过电流的方式对c电容进行放电的，使得放电过程中的尖峰电流也基本上等于平均电流。
15.本发明充电和放电过程中，由于尖峰电流小，emi特性得到较大改善。此外，本发明采用电流方式对电容c进行充放电，所以增加负载电流以及电容c不会在环路带宽内引入新的极点，因此并不会影响整体的环路稳定性。
16.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：1、本发明负升压电路充放电过程中尖峰电流小，emi特性好。
17.2、在不影响整体环路的稳定性前提下，能够更便捷地提高电荷泵电路的驱动能力。本发明只需要调整电容c和电流源i1和i2的电流，且该调整不会影响整体环路的稳定性。
18.3、有效提高了负载驱动效率，并且有效减小了电荷泵电路的面积。
19.4、在相同负载电流条件下，输出电压变化率更小，即在相同的输出电压变化率前提下，本发明的负载电流驱动能力更强。
附图说明
20.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：图1本发明负升压电路结构示意图；图2本发明负升压电路的工作时序图；图3本发明比较器比较过程示意图；图4本发明负升压电路与传统电路的负载电流驱动能力比较。
具体实施方式
21.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
22.实施例1本实施例提供一种芯片内负升压电路，该电路结构包括电流源i3、电阻r1、r2，比较器11、控制单元12、充放电单元13，充放电单元13包括可调电流源i1、可调电流源i2、电容c、n沟道型mos管m1和m2，其中，可调电流源i1与可调电流源i2串联，可调电流源i1的输入端接电源vdd，可调电流源i2的输出端接地，nmos管m2的漏极接地，m2的源极接nmos管m1的漏极，m1的源极接电阻r2；电容c的一端接可调电流源i1与可调电流源i2的公共端，电容c的另一端接m2的源极与m1的漏极的公共端；电流源i3与电阻r1、电阻r2依次串联，电流源i3的一端接电源vdd，电阻r1与电阻r2的公共端接比较器11的反相输入端；比较器11的输出端接控制单元12的输入端，控制单元12的输出端分别连接可调电流源i1和可调电流源i2，可调电流源i2的输出端接地。
23.进一步地，参考电压v1接比较器11的正相输入端，反馈电压v2接比较器11的反相输入端；时钟信号clka输入控制单元12的输入端；时钟信号clkb输入晶体管m2的栅极，时钟信号clkc输入晶体管m1的栅极。
24.图2示出本实施例负升压电路的工作时序，本发明负升压电路的充放电步骤包括：s1、启动阶段：接入电源vdd生成电流i3，并输入参考电压v1；所述参考电压可以根据设计需求进行设定。
25.s2、充电阶段：输入时钟信号clka为低电平，通过控制单元12将可调电流源i1导通，可调电流源i2关断，同时输入时钟信号clkb为高电平，时钟信号clkc为低电平，从而nmos管m1关断、nmos管m2导通，开始充电；s3、放电阶段：充电结束，时钟信号clka变为高电平，通过控制单元12将可调电流源i1关断，将可调电流源i2导通，同时时钟信号clkb变为低电平，时钟信号clkc变为高电平，从而nmos管m1导通、nmos管m2关断，开始放电；需要说明的是，本发明随着时钟动作而进行周期性充电和放电。
26.s4、比较器比较阶段：vout电压通过由电流源i3、电阻r1和电阻r2构成的反馈环路后形成反馈电压v2，该电压输入比较器11的反相输入端，步骤s1参考电压v1输入比较器11的正相输入端，反馈电压v2与参考电压v1经比较器进行比较；
s4.1、当参考电压v1 《反馈电压v2时，比较器的输出ampout为低电平，如图3所示，此时控制单元12将可调电流源i1的充电电流增大，将可调电流源i2的放电电流也增大，在放电过程中vtop电压变化很大，进而vbottom的电压变化也大，说明此时vout电压还未达到设计的输出电压，还需要进行全力充电和放电。
27.s4.2、当参考电压v1 》反馈电压v2时，比较器的输出ampout为高电平，如图3所示，此时控制单元12将可调电流源i1的充电电流减小，将可调电流源i2的放电电流也减小，在放电过程中vtop电压变化不大，进而vbottom的电压变化也不大，说明此时vout电压已经基本达到了设计的输出电压，则充放电过程维持这种周期性动态平衡状态。
28.本发明的充放电原理：通过可调电流源i1以电流的方式对电容c进行充电，vtop电压从0v逐渐上升至接近vdd电压，此时vbottom电压为0v，使得充电过程中的尖峰电流基本上等于平均电流；通过可调电流源i2以电流的方式对电容c进行放电，因为电容c两端的电荷量不能突变，所以vtop电压通过可调电流源i2放电至接近于0v时，vbottom电位也从0v变为-vdd电压，电荷进而转移到vout节点，该放电过程因为是通过电流的方式对电容c进行放电的，使得放电过程中的尖峰电流也基本上等于平均电流。
29.本发明充电和放电过程中，由于尖峰电流小，emi特性得到较大改善。此外，本发明采用电流方式对电容c进行充放电，所以增加负载电流以及电容c不会在环路带宽内引入新的极点，因此并不会影响整体的环路稳定性。
30.与传统的负升压电路相比，在电容大小相同的情况下，本发明的负升压电路因为减小了尖峰电流所带来的ir-drop相关的问题，因此能够有效提高负载的驱动效率，如图4所示。
31.在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
32.在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语（诸如在一般使用的词典中限定的术语）将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
33.以上所述实施例的各个技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
34.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明
的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。