溫度補償電壓泵的製作方法

2023-05-13 08:41:16

專利名稱：溫度補償電壓泵的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有溫度補償電路的集成電路電壓泵，該溫度補償電路在可操作 的溫度範圍上提供改善的DC輸出電壓精確度。該補償電路可操作為消除或減小跨過該集 成電路電壓泵的半導體二極體的電壓降的由溫度引起的變化。
背景技術：
集成電路電壓泵或電荷泵被用於各種應用範圍，其中，需要提供數值上大於在特 定應用中的任何有用或可獲得的正或負DC電壓的DC電壓。這些應用中的許多應用涉及便 攜式以及電池供電式設備，諸如移動終端或者因此電子或電聲部件。電壓泵應用的一個重 要領域是將DC偏置電壓提供給電容式麥克風，諸如用於電信設備的微型微機電電容式麥 克風。在這種類型的麥克風應用中，集成電路電壓泵通常集成有其他類型的信號處理和調 節電路，諸如常用半導體管晶片上的前置放大器、I/O接口、電壓調整器、A/D轉換器等。電容式麥克風包括換能器元件，該換能器元件包括和多孔背板相鄰設置的可移位 膜片。膜片與背板之間的距離通常稱為氣隙高度。在操作中，由極高阻抗DC電壓源在膜片 與背板之間施加DC偏置電壓。膜片和背板形成具有由DC偏置電壓生成的中間電場的電容 器結構的板。由於DC電壓源的極高阻抗，電容結構上的電荷在操作期間基本上保持恆定， 並且可以通過放大基本上與衝擊膜片的聲壓成比例的感生AC或信號電壓來檢測聲壓。電容式麥克風可以包括微機電(MEMQ換能器元件或常規電容式換能器元件。基 於MEMS的麥克風通常通過應用半導體工藝技術用面向大批量的工藝來製造。通常期望使得集成電路電壓泵的DC輸出電壓在如下範圍上儘可能精確，S卩，半導 體工藝變化、電源電壓變化以及遍布可操作溫度範圍或目標溫度範圍(諸如0攝氏度與70 攝氏度之間)。這對於用於電容式麥克風的電壓泵同樣成立，其原因在於，電容式麥克風的電聲 敏感度直接與所施加的DC偏置電壓的電平相關。然而，具有集成電路電壓泵的電信電容式 麥克風銷量很高並且價格很低。由於集成電路的成本基本上直接與半導體晶片的面積相 關，所以出於降低價格的目的，重要的是使電壓泵所佔用的晶片面積最小化。WO 2005/05M05公開了基於迪克森(Dickson)轉換器的示例性現有技術集成電 路電壓泵。迪克森轉換器包括多個級聯的泵級，其中，每個泵級包括兩個級聯的半導體二極 管或二極體，其中，第一泵電容器設置在這些二極體之間，而第二電容器電連接至第二二極 管的陰極。分別提供給第一泵電容器和第二泵電容器的一對非重疊電壓脈衝使得每個二極 管以交替方式進入和退出其正向或導通模式。由於每個二極體都是與其相應的泵電容器串 聯的，例如由溫度變化或半導體工藝變化所引起的跨過二極體的電壓降的變化，在導通模 式下導致泵電容器電壓的相應變化。泵電容器電壓的該變化將遍及泵級的級聯而反映到集 成電路電壓泵的DC輸出電壓。跨過諸如二極體接法(diode-cormectecOPMOS電晶體的二 極管的二極體的電壓降具有大約2mV每攝氏度的溫度係數，從而使得操作溫度的40度的變 化導致二極體電壓降的大約SOmV的變化。該溫度效應隨著單個泵級的數量而明顯倍增，並且導致集成電路電壓泵的DC輸出電壓(跨越額定或期望溫度範圍)的不期望且可能很大 的變化。根據本發明，解決了該問題和其他問題，其中集成電路電壓泵包括溫度補償電路， 該溫度補償電路消除或減小了導通模式下二極體電壓降的上述由溫度引起的變化的效應。
現有技術EP 1176603 Al公開了一種用於向半導體存儲器的單元提供電壓的電荷泵電路。 通過返回迴路，針對溫度變化、設計和製造變化補償了電荷泵的輸出電壓。US 6，5 ，421公開了一種耦合到SRAM存儲器單元中的NMOS下拉電晶體的電荷泵 電路。該電荷泵電路對於下拉電晶體起到體偏置發生器(「反向偏置」)的作用，並且對溫 度變化進行響應以補償NMOS下拉電晶體的閾值電壓的由溫度引起的變化。 US2004/0066225公開了一種耦合到反饋型調整電路的雙電荷泵電路。該調整電路 將雙電荷泵的輸出電壓與基準電壓進行比較，並且將時鐘周期不同的第一時鐘信號和第二 時鐘信號提供給雙電荷泵電路以保持其輸出電壓恆定。

發明內容
根據本發明的第一方面，提供了 一種集成電路電壓泵，包括輸入端子，適於接收DC 輸入電壓；輸出端子，提供從DC輸入電壓得到的DC輸出電壓。泵級設置在輸入端子與輸出 端子之間，並且包括分別電連接到第一泵電容器和第二泵電容器的第一半導體二極體和第 二半導體二極體。第一半導體二極體和第二半導體二極體中的每個都具有在導通模式下具 有預定溫度係數的二極體電壓降。補償電路適於基於第一非重疊時鐘信號和第二非重疊時 鍾信號生成具有各幅度的第一非重疊電壓脈衝和第二非重疊電壓脈衝，以及將第一電壓脈 衝和第二電壓脈衝分別施加到第一泵電容器和第二泵電容器。補償電路適於調整第一非重 疊電壓脈衝和第二非重疊電壓脈衝中的至少一個的幅度，以補償所述二極體電壓降中的至 少一個的由溫度引起的變化。本發明的集成電路電壓泵或電壓泵優選地包括迪克森泵架構，其中在第一非重疊 電壓脈衝和第二非重疊電壓脈衝的控制下，使得第一半導體二極體和第二半導體二極體以 交替的方式進入和退出導通模式。將第一非重疊電壓脈衝和第二非重疊電壓脈衝分別施加 到(在與電連接到半導體二極體的節點相對的電容器節點上的)第一泵電容器和第二泵電 容器。第一泵電容器和第二泵電容器用作各電荷存儲器件。補償電路優選地適於調整第一非重疊電壓脈衝和第二非重疊電壓脈衝的各幅度， 以補償第一半導體二極體和第二半導體二極體的二極體電壓降的各由溫度引起的變化。根 據本發明的一個實施方式，第一電壓脈衝的幅度可以獨立於第二電壓脈衝而調整。這可能 是有利的，如果第一半導體二極體的溫度係數與第二半導體二極體的溫度係數不同——例 如，如果半導體二極體屬於不同類型。然而，在第一半導體二極體和第二半導體二極體屬於 具有基本上相同的溫度係數的相同類型的實施方式中，可以有利地以相同的量調整第一電 壓脈衝和第二電壓脈衝的幅度。第一半導體二極體和第二半導體二極體優選地包括選自以下各項構成的組的二 極管多晶矽二極體、N阱中的擴散二極體、二極體接法MOS電晶體、二極體接法雙極型電晶體。第一半導體二極體和第二半導體二極體優選地屬於相同類型，例如二極體接法PMOS晶 體管，但在某些本發明實施方式中也可以屬於不同類型，特別是在儘管類型不同但半導體 二極體在導通模式或正向偏置模式下具有合理匹配的溫度係數的實施方式中。泵電容器可 以包括各金屬電容器、各多晶矽-多晶矽電容器或者MOS (金屬-氧化物-矽)電容器或者 對於所討論的特定集成電路技術可用的任何其他一種或多種適當類型的電容器器件。該集成電路電壓泵可以包括多個級聯的泵級，其中每個泵級包括電連接到各泵電 容器的各半導體二極體。從第一電壓脈衝和第二電壓脈衝的幅度的角度來看，泵級的數量 通常適於期望或目標DC輸出電壓。多個級聯的泵級的所有半導體二極體優選地屬於相同 類型，並且可以另外具有相同的尺寸以簡化集成半導體襯底上的電路布局。通過調整級聯 泵級的數量，能夠以直接的方式獲得很寬範圍的DC輸出電壓。在某些實施方式中，可以將 級聯泵級的數量選取為提供在數值上處於DC輸入電壓的2倍至10倍之間的電壓泵的DC輸 出電壓。例如，如果DC輸入電壓是1.8伏特，則DC輸出電壓範圍落在3. 6伏特與18伏特 之間，如果DC輸入電壓是-1. 8伏特，則DC輸出電壓範圍落在-3. 6伏特與-18伏特之間。根據本發明的特別有利的實施方式，補償電路被配置為從溫度敏感性DC電壓源 得到第一非重疊電壓脈衝和第二非重疊電壓脈衝的各預定幅度。溫度敏感性DC電壓源具 有與第一半導體二極體和/或第二半導體二極體的溫度係數基本上相同的溫度係數，這使 得其非常適合於得到跟隨或跟蹤跨過第一半導體二極體和第二半導體二極體的二極體電 壓降的溫度變化的各種類型的AC或DC電壓。在該實施方式的一個變形中，正向偏置半導 體二極體連接在溫度敏感性DC電壓源與基本上與溫度無關的DC電壓源之間。基本上與溫 度無關的DC電壓源可以包括帶隙電壓基準、發電機或者任何其他類型的合適的與溫度無 關的DC電壓源，諸如其溫度係數低於0. an伏特/攝氏度的DC電壓源，或者更優選地低於 0. Im伏特/攝氏度。溫度敏感性DC電壓源優選地包括與第一半導體二極體和第二半導體二極體中的 至少一個屬於相同類型的正向偏置半導體二極體，以使得輸出DC電壓可以跟蹤跨過第一 半導體二極體和第二半導體二極體的二極體電壓降的變化。另外，可以有利地將通過正向偏置半導體二極體的靜態電流電平設定為與通過第 一半導體二極體和/或第二半導體二極體的靜態電流電平基本上相同，以使得跨過正向偏 置半導體二極體的電壓降的溫度係數進一步改善在跨過第一半導體二極體和/或第二半 導體二極體的二極體電壓降與溫度敏感性DC電壓源的DC電壓之間的跟蹤。在本發明的上 下文中，靜態電流電平是在電壓泵的DC輸出電壓已經達到其靜態值之後通過每個半導體 二極體的平均電流。在本發明的多個有用的實施方式中，將正向偏置半導體二極體進行偏置在弱反轉 區中，在該弱反轉區中，通過泵級的第一半導體二極體和第二半導體二極體的鏡頭電流電 平比較小，諸如在ΙμΑ至ΙΟΟμΑ之間或者在5μΑ至ΙΟμΑ之間。在集成電路電壓泵上的 負載阻抗非常大的應用中，通過泵級的半導體二極體的靜態電流電平通常較小。大的負載 阻抗通常由耦合到電壓泵的DC輸出電壓的電容性電聲換能器元件代表。在微型電容式麥 克風應用中，電聲換能器元件的阻抗通常對應於0. 5pF至IOpF之間的電容。可選地，特別地但不排他地，在電壓泵上的負載阻抗較小並且通過第一半導體二 極管和第二半導體二極體中中的每個的靜態電流相應地較大的應用中，使正向偏置半導體二極體偏置在中等反轉區或強反轉區中。在本發明的一個有利的實施方式中，將通過正向偏置半導體二極體的靜態電流電 平自適應地調整為通過第一半導體二極體和第二半導體二極體之一或兩者的電流電平。這 具有如下優點，即，電壓泵能夠處理很大範圍的負載阻抗，並且仍然以較低的溫度變化傳遞 DC輸出電壓，其原因在於，通過泵級的第一半導體二極體和/或第二半導體二極體的靜態 電流電平與通過正向偏置半導體二極體的靜態電流電平之間的緊密匹配得以維持。根據該 實施方式，補償電路包括-電流傳感器，適於檢測通過第一半導體二極體或第二半導體二極體的電流電 平；-自適應控制迴路，適於調整通過溫度敏感性DC電壓源的正向偏置半導體二極體 的電流電平以匹配於所檢測到的通過第一半導體二極體或第二半導體二極體的電流電平。在本發明的一個實施方式中，補償電路包括時鐘泵電路，該時鐘泵電路利用上述 溫度敏感性DC電壓源和與溫度無關的DC電壓源，從第一非重疊時鐘信號和第二非重疊時 鍾信號生成具有適當的溫度依賴性的第一非重疊電壓脈衝和第二非重疊電壓脈衝。根據該 實施方式，補償電路包括第一級，耦合到第一非重疊時鐘信號和第二非重疊時鐘信號，並且 從與溫度無關的DC電壓源被供電。第二級操作性地連接到第一級的信號輸出，並且從溫度 敏感性DC電壓源被供電，以生成第一非重疊電壓脈衝和第二非重疊電壓脈衝。第一級可以 包括第一反相器和第二反相器，其中各輸入耦合到第一非重疊時鐘信號和第二非重疊時鐘 信號，輸出耦合到第二級的各輸入。電壓泵可以包括一體地形成的時鐘發生器，其適於生成第一非重疊時鐘信號和第 二非重疊時鐘信號。可選地，可以將時鐘發生器設置在電壓泵外部，並且通過適當的時鐘輸 入端子或襯墊將適當的非重疊時鐘信號施加到電壓泵。本發明的另一方面涉及一種電容式麥克風，其包括麥克風換能器元件。麥克風換 能器元件優選地包括可移位膜片和相鄰設置的多孔背板。根據任何上述實施方式的集成電 路電壓泵操作性地連接到麥克風換能器元件，並被配置為在可移位膜片與多孔背板之間施 加DC偏置電壓。DC偏置電壓可以針對基於微機電(MEMQ換能器元件的電容式麥克風具有 4伏特至10伏特之間的幅度，或者針對常規電容式換能器元件具有10伏特至60伏特之間 的幅度。


將結合附圖更詳細地描述本發明的優選實施方式，其中圖1是根據本發明的第一實施方式的集成電路電壓泵的示意圖，圖2是圖1所示的集成電路電壓泵的基於二極體的電壓泵級的示意圖，圖3是用於圖1所示的集成電路電壓泵的補償電路的第一部分的示意圖，圖4是用於圖1所示的集成電路電壓泵的補償電路的第二部分中所包括的時鐘泵 電路的示意圖，以及圖5是針對根據本發明第二實施方式的實驗性集成電路電壓泵的DC輸出電壓相 對於溫度的圖線。
具體實施例方式圖1示出了根據本發明優選實施方式的集成電路電壓泵或電壓泵100。電壓泵100 基於所謂的迪克森泵架構，該迪克森泵架構包括四個級聯的泵級114、116、118、120。迪克 森電荷泵架構的特徵在於簡單的電路配置，該電路配置可以通過許多不同的集成電路半導 體工藝或技術(例如，CMOS或BiCMOS亞微米工藝)來實現，並且具有非常小的晶片面積佔 用。本電壓泵優選地用(通常對高耐壓部件具有某種程度的支持的)標準半導體工藝來制 作。可選地，高壓半導體工藝可以用於例如通過利用高壓集成電路部件的能夠承受比額定 電源電壓高的電壓的選定子集來實現本電壓泵100。迪克森泵架構使得能夠使用高壓部件 的這種子集，例如深N阱。基於迪克森的電荷泵的另一優點是，其在驅動高阻抗負載(例如，由電容式麥克 風換能器的膜片和背板結構形成的電容器板)時的低噪聲以及DC輸出電壓中的低輸出紋 波。即，當電壓泵100的DC輸出電壓已經達到額定DC電壓時，通過實施為二極體接法PMOS 電晶體(參考圖2)的整流二極體Dl、D2、D3和D4的電流變得非常小。這導致二極體D1、 D2、D3和D4的阻抗顯著增加，並由此有效地過濾了任何切換噪聲和來自其他電路部分的噪 聲。在圖1中，第一電路部分101包括非重疊時鐘發生器(OSC) 110，操作性地連接到補 償電路(CCl) 112。第二電路部分102包括設置在提供DC電壓輸出的電壓泵100的輸入端 子(a)與輸出端子Vott之間的四個級聯的泵級114、116、118、120。任選的低通/平滑濾波 器(包括串聯電阻&和平滑電容器CJ連接在泵輸出節點(e)與Vot端子之間。該低通/ 平滑濾波器可操作為使Vot處的DC輸出電壓中的噪聲分量(諸如與切換相關的噪聲)衰 減。串聯電阻Rtj可以包括電阻器、二極體、甚至一對反並聯二極體或者其任何組合。由於 具有大電阻的電阻器(其要求良好的噪聲分量衰減)傾向於佔據集成半導體晶片或襯底的 較大表面積，因此將串聯電阻Rtj實現為二極體或二極體網絡可能是有利的。特別是如果通 過輸出端子Vot牽引的負載電流非常小，例如小於InA或小於ΙρΑ，就屬於這種情況。電壓泵的DC電源電壓是通過DC電源端子Vdd提供的。該Vdd端子可以連接到包括 本電壓泵100的集成電路的合適的DC電源線或電源軌，或者其可以電連接到可攜式通信設 備的外部電源軌。在本發明的某些實施方式中，將電壓調整器插入電壓泵100的所示的Vdd 端子與DC電源線103之間，以獨立於DC電源端子Vdd上的可能的電壓變化或波動而向電壓 泵100提供穩定的DC電源電壓。此外，從帶隙電壓發生器(未示出)通過端子Vbandmp將精確且基本上與溫度無關 的DC電壓提供給補償電路112。非重疊時鐘發生器110生成一組非重疊時鐘或振蕩器信號並且通過電路節點或 端子Pl和P2將其提供給補償電路112。本電壓泵100尤其非常適合作為集成電路上的用 於電信電容式麥克風的構造塊(buildingblock)。本電壓泵100在端子Vqut上的DC輸出電 壓優選地適於落在5伏特至20伏特之間的範圍中。在本電壓泵的其他實施方式中，可以提 供高達大約60伏的DC輸出電壓，儘管該後者電壓可能需要定製的高壓IC工藝。在本應用中，非重疊時鐘信號的時鐘頻率優選地在lOOkHz-lOMHz的範圍內，但其 他實施方式根據特定應用的要求可能需要更高或更低的時鐘頻率。補償電路112包括時鐘泵電路，時鐘泵電路適於提升或增加端子Pl和P2上提供的第一非重疊時鐘信號和第二非重疊時鐘信號的幅度，並且生成各幅度的第一和第二相應 非重疊電壓脈衝。這將結合圖4來詳細說明。非重疊電壓脈衝分別通過端子ΡΓ和P2』來 提供，並且施加到每個級聯的泵級114、116、118、120。向優選地基本上相同的泵級(表示 為UPC2)中的每個提供輸入信號，這些輸入信號在電路節點(b)、(c)和(d)處表徵為被振 蕩信號重疊的DC電壓，該振蕩信號所具有的脈衝幅度大致對應於ΡΓ或P2』的脈衝幅度。節點(a)優選地耦合為接收來自補償電路CCl (112)的DC輸入電壓。在本發明的 本實施方式中，該DC輸入電壓為大約1.0伏，但可以根據泵級的數量、泵級的特性以及電壓 泵100的期望/目標DC輸出電壓而變化。DC輸入電壓優選地由高度地與溫度無關且與工 藝無關的DC電壓源構成或得到，以維持從DC輸入電壓得到的泵浦的或倍增的DC輸出電壓 的精確度。在本發明的本實施方式中，DC輸入電壓從電壓泵100外部的片上帶隙電壓基準 得到，正如結合圖3而說明的那樣。泵級的級聯114、116、118、120生成從電路節點(a)到電路節點(b)，到電路節點 (C)、到電路節點(d)、再到電路節點(e)的逐漸變大的電壓電平。如圖2所示，本發明的本實施方式針對每個泵級114、116、118、120使用四個單獨 的二極體-電容器耦合或組件，但也可以使用更少或更多的耦合，諸如在一個泵級中使用 兩個二極體-電容器耦合。類似地，根據可用的DC輸入電壓、第一電壓脈衝ΡΓ和第二電 壓脈衝P2』的幅度和/或期望/目標DC輸出電壓，在電壓泵的其他實施方式中可以使用額 外的或更少的二極體-電容器耦合。迪克森電壓泵通常包括多個(諸如5至20個)二極 管-電容器耦合。如圖2所示，將送往泵級的輸入信號提供給第一二極體接法PMOS電晶體Dl或表 示為「In」(輸入)的端子處的PMOS 二極體，並且在表示為「Out」(輸出)的端子處提供泵 浦的輸出信號。泵級包括四個泵電容器C1-C4，其中每個都具有連接到內部電路節點的第 一端子，該內部電路節點設置在一對級聯的PMOS 二極體之間。泵電容器的另一端子或第二 端子操作性地連接到施加第一非重疊電壓脈衝和第二非重疊電壓脈衝的端子P1』和P2』之 一。泵級通過如下方式操作，即，令ΡΓ和P2』上的第一非重疊電壓脈衝和第二非重疊電壓 脈衝分別交替地對電容器Cl、C3以及C2、C4充電。在ΡΓ無效或邏輯「0」 (例如，在接地 電平上)的時鐘階段，泵電容器Cl通過正向偏置(導通模式)的PMOS 二極體Dl被充電， 而PMOS 二極體D2是逆向偏置(非導通模式)的，其原因在於，P2』上的電壓脈衝在為有效 或者預定幅度處的邏輯「1」。在相反的時鐘階段，ΡΓ有效而在P2』上無效，這意味著PMOS 二極體Dl和D2之間的內部節點提升到如下電壓，S卩，該電壓對應於「In」電壓加上脈衝電 壓ΡΓ的幅度減去在其導通模式下跨過Dl的正向二極體電壓降。通過正確選取電壓脈衝 ΡΓ和P2』的幅度，泵級的所有內部節點都可以相應地逐漸提升到「^1」的電壓電平之上的 電壓電平。然而，電壓泵100的Vqut上的DC輸出電壓的精度直接與P1，和P2，上的第一非重 疊電壓脈衝和第二非重疊電壓脈衝的幅度二者以及在其導通模式下跨過每個級聯的PMOS 二極體(諸如Dl和D2)的二極體電壓降相關。由於迪克森型電壓泵通常包括大量級聯的 二極體，例如在本發明的本實施方式中的在四個相同的泵級之間均勻分布的16個PMOS 二 極管，因此二極體電壓降的任何變化都將導致DC輸出電壓中的倍增效應並且導致相對於 其額定值或預期值的不期望的變化。
由於在導通模式或狀態下跨過PMOS 二極體的二極體電壓降具有大約2mV每攝氏 度的溫度依賴性，因此如果電壓泵沒有得到補償(假定所有二極體屬於相同類型並且在相 同溫度上工作)，則本電壓泵100的從0到70攝氏度的工作溫度變化將導致DC輸出電壓的 大約16*140mV = 2. M伏特的顯著的由溫度引起的變化。其他類型的半導體二極體表現出 相應的溫度依賴性。值得注意的是，二極體電壓降及其關聯溫度依賴性是由特定類型二極體的基本半 導體物理特性決定的，從而很大程度上獨立於二極體的尺寸、幾何形狀和工藝產量。圖3和圖4示出了適於補償本電壓泵100中的PMOS 二極體電壓降的上述由溫度 引起的變化的補償電路CCl (112)的各部分llh、112b。補償電路112的操作提高了本電壓 泵100的DC輸出電壓遍布其工作溫度範圍的精確度。圖3示出了補償電路112的第一部分11加，並且包括電阻性分壓器，該電阻性分壓 器包括電阻Rl和R2，電阻Rl和R2從片上帶隙電壓基準通過端子Vbandmp耦合到高精確度DC 帶隙電壓，如上所述。耦合有單位增益(unity-gain)的同相運算放大器301將來自電阻性 分壓器的DC帶隙電壓的被緩衝且被縮放的複製品提供為端子Vkef上的基本上與溫度無關 的DC電壓。在端子Vekk上生成溫度敏感性DC電壓，並且該DC電壓是在DC基準電壓之上的 一個PMOS 二極體電壓降，其原因在於，二極體接法PMOS電晶體303在其正向或導通模式下 被恆定電流生成器IDCBUS305所偏置。優選地將IDCbias的DC電流調整為1 μ Α-100 μ A之間 (諸如5 μ A-IO μ A之間)的值，以在PMOS電晶體303所具有的尺寸大約為200/0. 35 ym(ff/ L)時保持其被偏置在弱反轉(weak-inversion)區中。IDCbias的值的該範圍提供了與每個 級聯的PMOS 二極體(本發明的本實施方式中的D1-D4)的靜態電流的良好匹配，因此確保 了二極體接法PMOS電晶體303的溫度特性緊密地匹配於每個泵級的級聯的PMOS 二極體 D1-D4在導通或正向偏置模式下的溫度特性。另外，由於補償電路112的二極體耦接PMOS電晶體303與每個泵級114、116、118、 120的整流PMOS 二極體D1-D4屬於相同類型(圖2和圖3)，因此導通模式下整流PMOS 二 極管D1-D4的任何由溫度引起的二極體電壓降的變化通過跨過二極體接法PMOS電晶體303 的二極體電壓降的成比例的變化來跟蹤。另外，在這種情況下，甚至整流PMOS 二極體D1-D4 的由半導體工藝引起的二極體電壓降的變化也通過二極體耦接PMOS電晶體303來跟蹤。這 意味著端子Vekk上的溫度敏感性DC電壓經受著與每個整流PMOS 二極體D1-D4相同的由溫 度引起的DC電壓變化，其原因在於，端子Vkef上的DC電壓基本上與溫度無關，正如下面詳 細說明的那樣。在端子V·上的溫度敏感性DC電壓與跨過整流PMOS 二極體D1-D4的各二 極管電壓降之間的這種跟蹤被圖4所示的補償電路112(圖1上的CCl)部分所採用。圖4示出了時鐘泵電路112b，時鐘泵電路112b包括兩個基本上相同的部分，用於 生成第一非重疊電壓脈衝ΡΓ和第二非重疊電壓脈衝P2』，如虛線框所示。時鐘泵電路112b 適於增加由非重疊時鐘發生器110(參見圖1)分別在輸入端子Pl和P2上提供的第一非重 疊時鐘信號和第二非重疊時鐘信號的各幅度或電平。時鐘泵電路112b的輸出信號為提供 給泵級114、116、118、120的上述第一非重疊電壓脈衝P1』和第二非重疊電壓脈衝P2』(參 見圖2和圖3)。時鐘泵電路11 包括反相器405形式的第一級，該反相器405(以及虛線框中的 重複電路內的對應反相器)從端子Vkef上的DC基準電壓被供電。這意味著從反相器405出來的時鐘信號所具有的幅度基本上與DC基準電壓相同。然而，第二級包括第二反相器403， 第二反相器403通過PMOS電晶體401耦合到端子Vekk上所生成的溫度敏感性DC電壓。由 於該第二反相器403操作性地連接到第一級並且從端子Vekk上的溫度敏感性DC電壓被供 電，因此第一非重疊電壓脈衝ΡΓ的幅度由(端子Vekk上的)溫度敏感性DC電壓和第一級 反相器405的輸出處的時鐘信號的DC基準電壓電平的疊加決定。因此，第一非重疊電壓脈 衝ΡΓ的幅度(以及第二非重疊電壓脈衝P2』的幅度)包括來自溫度敏感性DC電壓的貢 獻，溫度敏感性DC電壓跟蹤溫度變化和半導體工藝變化，正如補償電路11 的第一部分中 的二極體耦接PMOS電晶體303那樣。這意味著導通模式下跨過整流PMOS 二極體D1-D4的 二極體電壓降的由溫度引起的或由半導體工藝引起的變化通過電壓脈衝ΡΓ和P2』的幅度 的相應變化來跟蹤。對電壓脈衝PUP P2』的幅度的調整相應地補償了由跨過PMOS 二極體 D1-D4的電壓降的變化引起的每個泵級中的內部節點上的電壓變化，其原因在於，這些內部 節點處的各電壓是由非重疊電壓脈衝ΡΓ和P2』的各幅度決定的。在本發明的本實施方式中，電壓泵100的所有泵級114、116、118、120(參見圖2和 圖3)基本上相同。電壓脈衝ΡΓ和P2』的幅度是相等的並且遍布溫度彼此跟蹤，其原因在 於，這兩個電壓脈衝都是從在端子Vekk上生成的溫度敏感性DC電壓得到的。另外，由於相 同的電壓脈衝PlIP P2』被施加到所有(基本上相同的)泵級114、116、118、120，因此可以 通過圖3和圖4所示的單個低複雜度電路來同時補償所有泵級。本發明的本實施方式的另 一個非常有利的性質是單個泵級的數量可在不需要對補償電路112進行任何修改的情況 下進行縮放。該特徵使得電壓泵100的DC輸出電壓以可靠且迅速的方式適合於任何特定 應用的要求。在許多成本敏感的高產量應用中，補償電路112的低複雜度和低晶片面積佔用也 是非常有利的，其原因在於，這保持了電壓泵100的低成本。圖5示出了與不具有本發明的溫度補償電路的相應電壓泵相比，針對根據本發明 的實驗性集成電路電壓泵的DC輸出電壓相對於溫度的曲線圖。受測的實驗性電壓泵實 施方式與圖1-圖4所示的電壓泵100在電路拓撲方面大體相同，但包括七個單獨的二極 管-電容器耦合或組件，這與上述的具有16個單獨的二極體-電容器耦合的實施方式相 反。受測的實驗性集成電路電壓泵以0.35 μ m CMOS半導體工藝(包括深N阱)製造，並且 使用一對二極體來實現在端子Vott處的DC輸出電壓之前的低通/平滑濾波器的電阻Rtj(圖 1的部件R0)。對於曲線圖所示的測量結果，將實驗性集成電路電壓泵的DC輸入電壓設定為1.8 伏特。在曲線圖中，沿y軸繪出電壓泵100的端子Vot處的所測量的DC輸出電壓，而沿χ軸 繪出以攝氏度為單位的電壓泵的溫度。如圖所示，測試溫度從大約負30度到正70度掃過。曲線圖的實線501示出了針對實驗性電壓泵(即，實施本發明)，端子Vqut處的所 測量的DC輸出電壓相對於溫度的關係，而虛線502示出了不具有溫度補償電路的電壓泵的 所測量的DC輸出電壓。應當理解，已經獲得了 DC輸出電壓隨溫度變化的顯著減小。該變 化對於未經補償的電壓泵為大約2. 5伏特，對於實驗性電壓泵僅為大約0.7伏特。另外，對 該實驗性電壓泵的補充研究表明，所測量的殘留DC輸出電壓隨溫度的變化可歸因於用於 實現低通/平滑濾波器的電阻&的上述一對串聯二極體(參見圖1)。相應地，通過用溫度 係數更小但電阻值相似的電阻器或其他電阻性部件來替換一對串聯二極體，容易地獲得對實驗性電壓泵的進一步性能改善。
權利要求
1.一種集成電路電壓泵，包括-輸入端子，適於接收DC輸入電壓，-輸出端子，提供從所述DC輸入電壓得到的DC輸出電壓，-泵級，設置在所述輸入端子與所述輸出端子之間，並且包括分別電連接到第一泵電容 器和第二泵電容器的第一半導體二極體和第二半導體二極體，-第一半導體二極體和第二半導體二極體中的每個都具有在導通模式下具有預定溫度 係數的二極體電壓降，-補償電路，適於基於第一非重疊時鐘信號和第二非重疊時鐘信號生成各幅度的第一 非重疊電壓脈衝和第二非重疊電壓脈衝，以及將所述第一電壓脈衝和第二電壓脈衝分別施 加到所述第一泵電容器和所述第二泵電容器，-其中，所述補償電路適於調整所述第一非重疊電壓脈衝和所述第二非重疊電壓脈衝 中的至少一個的幅度，以補償所述二極體電壓降中的至少一個的由溫度引起的變化。
2.根據權利要求1所述的集成電路電壓泵，其中，所述補償電路適於調整所述第一非 重疊電壓脈衝和所述第二非重疊電壓脈衝的各幅度，以補償第一二極體電壓降和第二二極 管電壓降的各由溫度引起的改變。
3.根據權利要求1或2所述的集成電路電壓泵，包括設置在所述輸入端子與所述輸出 端子之間的多個級聯的泵級。
4.根據前述權利要求中任一項所述的集成電路電壓泵，其中，每個半導體二極體都包 括選自以下各項構成的組的二極體{多晶矽二極體、N阱中的擴散二極體、二極體接法MOS 電晶體、二極體接法雙極型電晶體}。
5.根據前述權利要求中任一項所述的集成電路電壓泵，其中，所述泵級的所有半導體 二極體或者所述多個級聯的泵級的所有半導體二極體屬於相同類型。
6.根據前述權利要求中任一項所述的集成電路電壓泵，其中，所述補償電路被配置為 從溫度敏感性DC電壓源得到第一非重疊電壓脈衝和第二非重疊電壓脈衝的各幅度，-所述溫度敏感性DC電壓源具有與所述第一半導體二極體或所述第二半導體二極體 的溫度係數基本上相同的溫度係數。
7.根據權利要求6所述的集成電路電壓泵，其中，所述溫度敏感性DC電壓源包括與所 述第一半導體二極體和所述第二半導體二極體中的至少一個屬於相同類型的正向偏置半 導體二極體。
8.根據權利要求7所述的集成電路電壓泵，其中，所述正向偏置半導體二極體連接在 所述溫度敏感性DC電壓源與基本上與溫度無關的DC電壓源之間。
9.根據權利要求68中任一項所述的集成電路電壓泵，其中，所述補償電路包括時鐘泵 電路，所述時鐘泵電路包括-第一級，耦合到所述第一非重疊時鐘信號和所述第二非重疊時鐘信號，並且從所述與 溫度無關的DC電壓源被供電，-第二級，操作性地連接到所述第一級的信號輸出，並且從所述溫度敏感性DC電壓被 供電，以生成所述第一非重疊電壓脈衝和所述第二非重疊電壓脈衝。
10.根據前述權利要求中任一項所述的集成電路電壓泵，其中，所述補償電路包括-電流傳感器，適於檢測通過所述第一半導體二極體或所述第二半導體二極體的電流的電平，-自適應控制迴路，適於調整通過所述溫度敏感性DC電壓源的所述正向偏置半導體二 極管的電流的電平，以匹配於所檢測到的通過所述第一半導體二極體或所述第二半導體二 極管的電流的電平。
11.根據前述權利要求中任一項所述的集成電路電壓泵，其中，所述第一泵電容器和所 述第二泵電容器包括各金屬電容器、多晶矽-多晶矽電容器或者MOS電容器。
12.一種電容式麥克風，包括-麥克風換能器元件，包括可移位膜片和相鄰設置的多孔背板， -根據權利要求1至11中任一項所述的集成電路電壓泵，操作性地連接到所述麥克風 換能器元件，並被配置為在所述可移位膜片與所述多孔背板之間施加DC偏置電壓。
全文摘要
本發明涉及一種具有溫度補償電路的集成電路電壓泵，該溫度補償電路在可操作的溫度範圍上提供改善的DC輸出電壓精確度。該補償電路可操作為消除或減小跨過該集成電路電壓泵的半導體二極體的電壓降的由溫度引起的變化。
文檔編號H02M3/07GK102119479SQ200980131257
公開日2011年7月6日 申請日期2009年7月30日 優先權日2008年8月13日
發明者烏爾裡克·維斯馬 申請人:音頻專用集成電路公司