CN1230969C - 调节器电路、调节器系统和调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及调节器电路、调节器系统和调节方法。调节器电路控制充电泵电路的输出，降低充电泵电路的有效输出电流上操作温度和工艺变化的影响。将充电泵电路的输出电压的预定部分反馈到差分放大器的输入，将输出电压的预定部分与基准电压进行比较。差分放大器的输出馈送到压控振荡器(VCO)，反过来，生成用来驱动充电泵电路的时钟脉冲信号。该结构的正常温度特性使充电泵电路的输出随温度变化降低。可将调节电路放在差分放大器和压控振荡器(VCO)间，以便调整驱动包含可用可编程逻辑选择的具有负温度系数的偏压电阻器或多个这样的电阻器的压控振荡器(VCO)的电压。

Description

调节器电路、调节器系统和调节方法
技术领域
本发明通常涉及电子电路。具体来说，涉及充电泵电路。
背景技术
充电泵提供高于其自已的电源电压的输出电压。闪速存储器能使用充电泵来产生擦除和编程电压。
图1A示出了简单的充电泵电路1的示意图，具有驱动负载12的两级充电泵11。该图仅示出了产生电压V1、V2和V3的电容器C1-C2和二极管D1-D3以及提供负载的电阻器RL和电容器CL，但为提供性能可为电路增加其他元件。图1B示出了由该电路产生的各种波形。充电泵的操作是公知的，在此不再进一步描述该电路。
充电泵的效率是由时钟脉冲源的频率而定，因为时钟周期影响在电容器中发生的充电和放电量。
图2表示充电泵控制电路2。压控振荡器(VCO)22提供具有由差分放大器21的输出控制的频率的时钟脉冲源。时钟驱动器23将单个VCO输出转换成驱动多级充电泵电路24所需的多个时钟。由电压驱动器25采样由充电泵电路24产生的电压VOUT，电压驱动器将VOUT的预定一小部分反馈成电压VFDBK。由差分放大器21将该电压VFDBK与稳定的基准电压VREF进行比较，以及VREF和VFDBK间的差值控制差分放大器21的输出，反过来，差分放大器控制VCO时钟的频率。该闭合环路通过控制操作充电泵的时钟的频率来调节充电泵的输出。在指定的一组状况下，每个充电泵电路具有产生可从电路获得的最大电流量的最佳频率。
不幸的是，充电泵以及调节电路由于操作过程中的温度变化和制作期间工艺变化很容易变化。通常，对VCO22的指定频率，充电泵电路的最大电流随温度变化而变化。
图3示出了典型的操作泵电路的操作特性图。x轴测量VCO偏压电平(VCO输入的电压电平)，而y轴以微安培测量相应的输出电流，充电泵电路能生成相应的输出电流。虚线表示100℃的温度时电路的特性。对该例子，当偏压电平达到0.5伏时，有效的输出电流相当恒定，但超过0.5伏时，输出电流急剧下降，使最佳偏压为约0.5伏或稍微小些。
实线表示用于-40℃的温度的相同的曲线。通过有效数，将整个曲线位移到左边，该曲线在0.3V时具有最佳偏压电平。从该图可能看出较高的温度需要较高的偏压，如果在任何操作温度下可从电路获得最大电流的话。
不幸的是，常规电路不提供该调节机构，而且必须将电路设计成用于最糟糕的情况。这导致更昂贵和电路资源浪费的保险设计。
发明内容
本发明的目的在于克服以上现有技术的缺陷。
根据本发明，提供了一种调节器电路，包括：
偏压线，耦合到差分放大器的输出以及压控振荡器的输入；
电阻器电路，具有负温度系数，耦合在偏压线和第一电压电源之间以便调节偏压线上的偏压；以及
偏压电路，耦合在偏压线和第二电压电源之间，所述偏压电路控制差分放大器的输出电流。
本发明还提供了一种调节器系统，包括：
压控振荡器；
时钟脉冲电路，耦合到压控振荡器；
充电泵电路，耦合到时钟脉冲电路；
分压器电路，耦合到充电泵电路；
差分放大器，耦合到分压器电路；
调节电路，耦合在差分放大器和压控振荡器之间，调节电路包括：
偏压线，耦合到差分放大器的输出以及压控振荡器的输入；
电阻器电路，具有负温度系数，耦合在偏压线和第一电压电源之间以便调节偏压线上的偏压；以及
偏压电路，耦合在偏压线和第二电压电源之间，所述偏压电路控制差分放大器的输出电流。
本发明还提供了一种方法，包括：
检测充电泵电路输出的预定部分；
用差分放大器检测预定部分和基准电压之间的差值；
用差分放大器的输出来驱动压控振荡器的输入，以便控制时钟脉冲的频率来驱动充电泵电路；
用温度补偿调节电路来调节差分放大器的输出电压以便控制频率，所述温度补偿调节电路控制差分放大器的输出电流。
附图说明
图1A表示现有技术的充电泵电路。
图1B表示由图1A的电路产生的各种波形。
图2表示现有技术的充电泵系统。
图3表示常规充电泵的特性图。
图4表示本发明的系统。
图5表示本发明的一个实施例的电路。
图6表示本发明的另一实施例的电路。
图7表示本发明的充电泵的特性图。
图8表示本发明的方法的流程图。
具体实施方式
本发明能通过补偿温度改变和工艺变化来提供改进的充电泵调节。可将调节电路放在图2的差分放大器和VCO间来控制输入VCO的电压，从而调节由VCO提供的频率。该频率调节可用来调整充电泵电路的时钟来实现提高的电流输出。
本领域的普通技术人员能意识到充电泵系统的各种元件将在同样的相对热的环境中操作。尽管每个元件可产生不同的热量，导致用于每个元件的稍微不同的内部操作温度，但操作环境的温度的改变将产生所有元件温度相应改变。因此所有元件在操作温度中应当视为同样增加或减小。通过允许基于操作环境中改变的温度补偿，简化了任何热分析，而不考虑一个元件到另一个元件的温度方面的单个差值。
图4表示充电泵控制系统4，具有与图2中的对应元件21、22、23、24和25对应的差分放大器41、VCO42、时钟驱动电路43、充电泵电路44以及电压驱动器45。在本发明的系统中，可将调节电路40放在差分放大器41的输出和VCO42的输入间。通过改变放在差分放大器输出上的负载，调节电路40可改变差分放大器的输出电压。然后将该调节电压传递给VCO42。
图5表示调节电路40的实施例40a的示意图，以及与差分放大器41和VCO42的连接。偏压线51将差分放大器41的输出连接到VCO42的输入。偏压线51能提供直接连接，而没有介入任何有源元件。尽管称为“线”，偏压线51可具有任何结构，而不应当推断其物理形状或大小。可用二极管53以及晶体管52在0V和Vcc之间来改变偏压线51上的差分放大器输出电压V4。在输出电压V4等于Vcc时，振荡器将断开，以及当输出电压V4降低到低于Vcc时，VCO42的泵时钟脉冲的频率将增加。
晶体管52可以是尾电流偏压晶体管。晶体管52可通过偏压放大器的输出，从而控制放大器输出电压特性来控制流过差分放大器41的电流。晶体管52的栅压控制其输出电导，反过来，输出电导影响由差分放大器41所见的负载，从而影响电压V4。本领域公知的尾电流偏压电路通常具有为负的温度系数。当其温度增加时，它将V4拉到较低值。然而，V4是用于VCO42的偏压。如图3中所看到，如果获得充电泵的电流输出的最佳电平，温度的增加应当伴随VCO偏压的增加。因此，如果在所有操作温度获得最佳充电泵电流的话，晶体管的温度特性在和期望相反的反向中操作。
可使用包括电阻器54的电阻器电路来控制从Vcc到二极管53的电压降，从而控制电压V4。如果电阻管54是标准电阻器，其电阻将随其温度增加而增加，产生更大的电压降并降低V4的值。再参考图3，如果获得充电泵的电流输出的最佳电平，温度方面的增加应当伴随VCO偏压的增加。因此，标准电阻器将在和期望相反的反向中操作。结合上述晶体管的与温度相关的影响，通过增大温度改变时产生的充电泵输出方差，该操作将恶化充电泵的温度特性。
通过使用具有相反温度特性的电阻器能抵消这些影响。在本发明的一个实施例中，电阻器54具有负温度系数。在具有负温度系数的电阻器中，当温度增加，电阻降低。当具有负温度系数的电阻器用作图5的电路中的电阻器54时，温度方面的增加降低了电阻器54的电阻，从而降低经过电阻器的电压降并增加V4的值。再参考图3，可以看出提高温度使特性曲线以及其相关的最佳电流点移到右边。在图3中增加V4使VCO偏压移到右边，因此当温度改变时，偏压能坚持最佳电流点。使用具有负温度系数的电阻器54可用来部分或全部抵消尾电流偏压晶体和充电泵的温度依存特性，温度依存特性使有效的输出电流随温度改变而降低。
除温度以外，其他状况也可引起设备到设备的偏压中的变化。由于制造差分放大器、VCO、充电泵和电阻器中的正常工艺变化，电阻器54可在一个单元中提供最佳偏压，而在另一单元中提供非最佳偏压。图6中示出的调节电路40的实施例40b能提供用于这种状况的调节。不是图5的单个电阻器54，图6示出了包括多个电阻器62-65、开关66-69以及可编程逻辑61的电阻器电路。每个电阻器62-65能具有稍微不同的电阻。通过打开或关闭相关的开关66-69可启动或禁用(连接到Vcc或与Vcc分离)每个电阻器62-65(连接到Vcc或与Vcc分离)。每个开关可包括晶体管。如果打开一个开关66-69，将其相关的电阻器62-65有效地连接在Vcc和二极管53间，从而向二极管53提供偏压电阻器。如果关闭一个开关66-69，实质上从Vcc断开其相关的电阻器62-65，从该电路有效地删除那个电阻器。可编程逻辑61可用来单个地打开或关闭单个的晶体管66-69。在制造过程中，能确定将为电路40b提供所需的偏压的最佳电阻。然后能编程可编程逻辑61来打开或关闭将最接近于提供该最佳电阻的合适的电阻器，或电阻器的组合。在一个实施例中，每次仅打开一个电阻器62-65。在一个实施例中，与相邻电阻器相比，每个电阻器向二极管53提供75毫伏的压差。
通过在制造过程中在控制状态下测量VCO和/或充电泵特性，可选择适当的电阻器来向VCO提供最佳或接近最佳的电压，然后能编程可编程逻辑61来选择适当的电阻器。因此，可单独制造每个充电泵系统来为其特定的操作特性提供正确的偏压。可编程逻辑61可以是非易失性存储器或锁存电路的任何一种形式，如熔线连接或可编程门阵列。
图7表示用可编程逻辑61适当选择并具有负温度系数的电阻器如何能随温度改变改变VCO的输出电压以便充电泵输出电流将保持接近最佳的水平的例子。假定温度从-40℃增加到+100℃，差分放大器41的输出可从0.3伏改变到0.5伏。当曲线从左移动到右时，将VCO偏压保持在或接近曲线的最佳部分。当输出电流不再强烈地依赖于温度时，不必保险设计用于很少遇到的最坏情况下的温度的电路，而且可将电路设计成用于正常操作温度。
图8表示本发明的方法的流程图。在点A开始，通过差分放大器，可将充电泵的输出电压部分与基准电压比较。在步骤810分压器电路可用来获得预定的小部分输出，因为全部输出电压可能太高而不能在步骤820进行有用的比较。在步骤830，差分放大器的输出可用来驱动压控振荡器的输入。在步骤840，使用具有负温度系数的偏压电阻电路，偏压差分放大器的输出。
为编程电阻器电路来适应工艺变化，可使用流程图B。为了简化起见，在该流程图中将步骤810-840合并在单个步骤850中。在步骤860，使用可编程逻辑，选择电阻器电路中多个电阻器的一个。在步骤870，将选择的电阻器耦合在电压电源以及差分放大器的输出之间。尽管在该流程图中未示出，可将选择的电阻器通过其他元件，如图5中的二极管53来耦合。
在此描述的充电泵用来放大相同极性的电压。例如，示出的+3的电源增加到约+7.5伏。电源电压和终止电压可能不同于这些数字，而不脱离本发明的范围。另外，可改变电压的极性，例如从正电源电压改变成负终止电压。在一个实施例中，闪速存储器电源电压约+1.8伏以及擦除电压为约-10伏。极性改变可用各种已知方式来实现，包括电平移动电路。这些技术在本领域是非常公知的，在此不再进一步描述。
在图中将特定的晶体管视为P-沟道或N-沟道。可使用这些选择来描述本发明的特定实施例，但P-或N-沟道设计的选择可不同于上述实施例而不脱离本发明的范围。
上述描述是用于描述而不是限定。本领域的技术人员将做出改变。这些改变规定为包含在本发明中，本发明仅通过附加权利要求书的精神和范围来限定。

Claims (18)

1、一种调节器电路，包括：
偏压线，耦合到差分放大器的输出以及压控振荡器的输入；
电阻器电路，具有负温度系数，耦合在偏压线和第一电压电源之间以便调节偏压线上的偏压；以及
偏压电路，耦合在偏压线和第二电压电源之间，所述偏压电路控制差分放大器的输出电流。
2、如权利要求1的电路，进一步包括耦合在电阻器电路和偏压线间的二极管。
3、如权利要求1的电路，其中第二电压源是信号地线。
4、如权利要求1的电路，其中电阻器电路包括连接到第一电压电源并耦合到偏压线的第一电阻器。
5、如权利要求1的电路，其中电阻器电路包括：
耦合到第一电压电源的第一和第二开关；
耦合在偏压线和第一开关间的第一电阻器；
耦合在偏压线和第二开关间的第二电阻器；
耦合到第一和第二开关以便控制第一和第二开关的可编程逻辑。
6、如权利要求5的电路，其中可编程逻辑用来通过启动第一和第二开关中的一个以及停用第一和第二开关中的另一个来选择第一和第二电阻器中的一个。
7、如权利要求6的电路，其中第一和第二开关包括晶体管。
8、一种调节器系统，包括：
压控振荡器；
时钟脉冲电路，耦合到压控振荡器；
充电泵电路，耦合到时钟脉冲电路；
分压器电路，耦合到充电泵电路；
差分放大器，耦合到分压器电路；
调节电路，耦合在差分放大器和压控振荡器之间，调节电路包括：
偏压线，耦合到差分放大器的输出以及压控振荡器的输入；
电阻器电路，具有负温度系数，耦合在偏压线和第一电压电源之间以便调节偏压线上的偏压；以及
偏压电路，耦合在偏压线和第二电压电源之间，所述偏压电路控制差分放大器的输出电流。
9、如权利要求8的系统，进一步包括耦合在电阻器电路和偏压线间的二极管。
10、如权利要求8的系统，其中第二电压源是信号地线。
11、如权利要求8的系统，其中电阻器电路包括连接到第一电压电源并耦合到偏压线的第一电阻器。
12、如权利要求8的系统，其中电阻器电路包括：
耦合到第一电压电源的第一和第二开关；
耦合在偏压线和第一开关间的第一电阻器；
耦合在偏压线和第二开关间的第二电阻器；
耦合到第一和第二开关以便控制第一和第二开关的可编程逻辑。
13、如权利要求12的系统，其中可编程逻辑用来通过启动第一和第二开关中的一个以及停用第一和第二开关中的另一个来选择第一和第二电阻器中的一个。
14、如权利要求12的系统，其中第一和第二开关包括晶体管。
15、一种方法，包括：
检测充电泵电路输出的预定部分；
用差分放大器检测预定部分和基准电压之间的差值；
用差分放大器的输出来驱动压控振荡器的输入，以便控制时钟脉冲的频率来驱动充电泵电路；
用温度补偿调节电路来调节差分放大器的输出电压以便控制频率，所述温度补偿调节电路控制差分放大器的输出电流。
16、如权利要求15的方法，其中调节包括：
用具有负温度系数的电阻器电路来偏置输出电压。
17、如权利要求15的方法，其中调节包括：
选择多个具有负温度系数的电阻器的至少一个；
将至少一个电阻器耦合在电压电源和差分放大器的输出之间以便偏置输出电压。
18、如权利要求17的方法，其中所述选择包括用可编程逻辑进行选择。
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