减少电荷泵基板噪声的方法和系统技术方案

提供了减少具有飞跨电容器的电荷泵中的基板噪声的方法和系统。飞跨电容器的输入节点以第一转换速度预充电。飞跨电容器的输入节点以比第一转换速度快的第二转换速度下充电。飞跨电容器的输入节点以第三转换速度预放电。飞跨电容器的输入节点以比第一转换速度快的第四转换速度放电。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】减少电荷泵基板噪声的方法和系统
本公开一般涉及电荷泵，更具体地，涉及具有减少的基板噪声的电荷泵。
技术介绍
近年来，一直致力于改善性能，增加附加特征，降低成本，并且在半导体集成电路(IC)中占用较少的空间。因此，电路的速度逐渐增加，IC变得更加密集，并且引入了共享公共基板的更多电路块。这些先进的数字，混合信号或模拟IC面临的一个挑战是最大限度地降低系统各部分之间的噪声耦合，以避免性能下降甚至出现故障。寄生效应引起的耦合可能导致IC的性能不可靠。例如，在混合信号电路中，作为噪声源的敏感模拟电路和高频数字电路都可能存在于同一IC上，导致通过导电基板在这两种类型的电路之间产生不希望的信号耦合。这些电路越密集，基板噪声问题就越明显。示例性高频和高功率电路是电荷泵，其是DC到DC转换器，其使用电容器作为能量存储元件以从参考输入提供更低或更高的电压电平。电荷泵可以通过公共节点(例如基板)引入混合信号噪声耦合。电荷泵的高频开关操作引起下面的基板电压的波动，该基板电压通过公共基板扩散，引起基板电位的变化，影响IC的各种部件，包括敏感的模拟部分。附图说明附图是说明性实施例。它们没有示出所有实施例。可以另外或替代地使用其他实施例。可省略可能明显或不必要的细节以节省空间或用于更有效的说明。一些实施例可以用附加的组件或步骤和/或没有所示的所有组件或步骤来实践。当相同的数字出现在不同的图中时，它指的是相同或相似的组件或步骤。图1A示出了典型的电荷泵阶段。图1B示出了与图1A的电荷泵阶段的操作有关的几个波形。图2示出了与示例性实施例一致的电荷泵阶段200。图3示出了与图2的电荷泵阶段的操作有关的几个波形，与说明性实施例一致。具体实施方式综述在以下详细描述中，通过示例阐述了许多具体细节，以便提供对相关教导的透彻理解。然而，应该显而易见的是，可以在没有这些细节的情况下实践本教导。在其他情况下，已经相对高级地描述了众所周知的方法、过程、组件和/或电路，而没有详细描述，以避免不必要地模糊本教导的各方面。一些实施例可以用附加的组件或步骤和/或没有所描述的所有组件或步骤来实践。这里公开的方法和电路一般涉及提供低噪声电荷泵的方法和电路。更具体地，本公开描述了具有减小的基板噪声的有源电荷泵。电荷泵使用开关装置来控制电容器两端的电压。在这方面，可以使用多级来逐步增加从一级到另一级的参考电压。在每级中使用的电容器有时被称为“飞跨电容器”，其在第一电源(例如，Vin)和第二电源(例如，地)之间循环。飞跨电容器通常具有到地(例如，当用作外部装置时)或基板(例如，当集成在芯片上时)的寄生电容。该寄生电容用作将噪声耦合到共享相同接地和/或基板的其他电路部件的导管。现在参考图1A，其示出了可以在各种典型的电荷泵中找到的电荷泵阶段100。电荷泵阶段100包括飞跨电容器116，其具有第一节点(V驱动)114。在节点102处的第一电压源(Vs+)与V驱动114之间耦合有第一开关θ1(112)，第二开关θ2(120)耦合在节点130处的第二电压源(Vs-)与V驱动114之间。在V驱动114和基板终端之间存在寄生电容Cp122。基板端子一般连接到地或外部电源。寄生电容Cp122表示V驱动节点114处的总寄生电容，其可包括飞跨电容器116的寄生电容、第一开关112、第二开关120、节点114处的布线寄生等，以及节点118处的任何寄生物。在一个估计中，寄生电容122可以是实际飞跨电容器116的1/10到1/5，其可以在纳瓦法拉范围内。现在参考图1B，其示出了与图1A的电荷泵阶段100的操作有关的若干波形。V驱动节点114在节点102处的第一电压源(Vs+)和节点130处的第二电压源(Vs-)之间循环，如波形142所示。为此，当开关θ1112为ON时，在节点102处的Vs+和V驱动114之间产生路径以对飞跨电容器116充电，如波形144所示。飞跨电容器116通过开关θ2120放电。因此，当开关θ2120接通时，在节点130处的第二电压源Vs-与V驱动节点114之间产生路径，如波形146所示。飞跨电容器116上的电压转换通常非常快，1纳秒上升时间或更短时间。因此，由开关θ1112和θ2120驱动的瞬态电流也非常快。由此产生的di/dt通过基板连接线电感产生大的电压瞬变。产生的噪声电流在波形148中示出，并由下面的等式1提供：因此，噪声电流I噪声是寄生电容Cp122和V驱动节点114处的电压变化dv的函数。由于飞跨电容器116的尖锐电压边缘引起的电流尖峰148通常难以抑制。申请人已经确定，通过使用这里讨论的配置和定时序列，可以主动控制在充电/放电操作期间流向基板/从基板流出的电流，从而降低电荷泵阶段的基板的本底噪声。为此，飞跨电容器的输入节点以第一转换速度预充电。飞跨电容器的输入节点在第二转换速度下充电，该速度比第一转换速度快，但在V驱动处具有小的电压变化。飞跨电容器的输入节点在第三转换速度预先放电。飞跨电容器的输入节点在第四转换速度下放电，该转速速度比第一转换速度快，但也小幅度。借助于这里讨论的方法和架构，减少了具有飞跨电容器的电荷泵中的基板噪声。示例性实施图2示出了与示例性实施例一致的电荷泵阶段200。电荷泵阶段200包括飞跨电容器216，其耦合在V驱动节点214和输出218之间。在多种实施方案中，输出节点218可以耦合到一个或多个电荷泵阶段以实现期望的输出电压。存在第一开关θ1(212)，在本文中有时称为驱动开关，耦合在节点202处的第一电压源(Vs+)与V驱动节点214之间，以及存在第二开关θ2(120)，有时在这里称为放电开关，耦合在节点230处的第二电压源(Vs-)和V驱动214之间。第一开关θ1(212)被配置为对V驱动节点214快速充电，而第二开关θ2(220)被配置为对V驱动节点214快速放电。在一个实施方案中，第一电流源204耦合到节点202处的第一电压源(Vs+)，第二电流源210耦合到第二电压源(Vs-)。第三开关θ3(206)耦合到第一电流源(204)和V驱动节点214之间。第四开关θ4(208)耦合到V驱动节点214和第二电流源l2(210)之间。第三开关θ3(206)被配置为以转换速度对V驱动节点214进行预充电，该转换速度基本上慢于由第一开关θ1引起的转速速度。例如，θ3周期可以是时钟周期的四分之一。如果时钟频率是1MHz，则θ3周期将是250nsec，比1nsec不受控制的边缘慢得多。第四开关θ4(208)被配置为以转换速度对V驱动节点214进行预放电，该转换速度基本上慢于由第二开关θ2(220)引起的转换速度。在一个实施方案中，第三开关θ3(206)和第四开关θ4(208)的转换速度基本相似。下面的等式2提供了对于示例实施例的第一电流源204和第二电流源210的指导。I1和I2≥4×Cp(VS+-VS-)×Fosc等式2其中：I1是通过第一电流源204的电流；I2是通过第二电流源210的电流；Cp是寄生电容222；FOSC是开关θ1(212)和θ2(220)的周期的倒数。借助于上述等式2中的关系，电荷泵阶段200提供具有转换速度的预充电和预放电，该转换速度分别比充电开关θ1(212)和放电开关θ2(220)的转换速度慢得多。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.电荷泵，包括：耦合在驱动节点和输出之间的飞跨电容器；第一驱动开关，耦合在第一电源和所述驱动节点之间，并且可操作以对所述飞跨电容器充电；第二驱动开关，耦合在第二电源和所述驱动节点之间，并且可操作以对所述飞跨电容器放电；第三开关，耦合在所述第一电源和所述驱动节点之间，并且可操作以对所述驱动节点进行预充电；第四开关，耦合在所述第二电源和所述驱动节点之间，并且可操作以对所述驱动节点进行预放电。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.02.28 US 15/445,9261.电荷泵，包括：耦合在驱动节点和输出之间的飞跨电容器；第一驱动开关，耦合在第一电源和所述驱动节点之间，并且可操作以对所述飞跨电容器充电；第二驱动开关，耦合在第二电源和所述驱动节点之间，并且可操作以对所述飞跨电容器放电；第三开关，耦合在所述第一电源和所述驱动节点之间，并且可操作以对所述驱动节点进行预充电；第四开关，耦合在所述第二电源和所述驱动节点之间，并且可操作以对所述驱动节点进行预放电。2.权利要求1所述的电荷泵，其中所述第三开关被配置为在所述第一开关接通之前接通。3.权利要求2所述的电荷泵，其中所述第三开关被配置为在所述第一开关接通时保持接通。4.权利要求1所述的电荷泵，其中所述第四开关被配置为在所述第二开关接通之前接通。5.权利要求4所述的电荷泵，其中所述第四开关被配置为在所述第二开关接通时保持接通。6.权利要求1所述的电荷泵，还包括：耦合在所述第一电源和所述驱动节点之间的第一电流源；和耦合在所述第二电源和所述第四开关之间的第二电流源。7.权利要求1所述的电荷泵，其中所述第三开关的转换速度比所述第一开关的转换速度慢。8.权利要求1所述的电荷泵，其中所述第四开关的转换速度比第二开关的转换速度慢。9.权利要求1所述的电荷泵，其中通过所述第三开关的电流和通过所述第二开关的电流l2基于：在所述驱动节点处的寄生电容Cp；第一电源Vs+；第二电源Vs-；和所述第一和第二驱动开关的周期的倒数，其中以及I1和I2≥4×Cp(Vs+－Vs-)×FOSC。10.一种降低具有飞跨电容器的电荷泵中的基板噪声的方法，该方法包括：以第一转换速度对所述飞跨电容器的输入节点预充电；以比所述第一转换速度快的第二转换速度对所述飞跨电...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·哈维伊，
申请(专利权)人：线性技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US