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哈尔滨理- t 大学t 学硕士学位论文 高速片上c m o s 电荷泵研究 摘要 电荷泵是一种运用电荷在电容器中积累产生高压的电路，它广泛应用于 串口通信电路、e e p r o m 、动态随机存储器等需要高压的领域。在 e e p r o m 中，电荷泵用于对悬浮栅器件进行写入或者擦除操作。如果电荷 泵泵压速度慢，e e p r o m 就不能实现高速数据改写，数据可能会丢失、误 传，影响器件性能。本文通过研究减少电压上升时间的方法，设计一种应用 于e e p r o m 的片上电荷泵系统，实现了快速升压的目的 本文基于华虹n e c 0 5 岬c m o s 工艺，设计了片上电荷泵系统，该电 路系统包含时钟产生电路、电荷泵核和调压电路三部分，其中时钟产生电路 由基准电压源、共源电压放大器、压控振荡器和时序电路组成。 所设计的时钟产生电路输出占空比约为3 0 的高频时钟信号，用此信 号驱动电荷泵，减小了电荷泄漏等不利因素，使电压上升时间得到明显减 小；对d i c k s o n 电荷泵进行改进，提出一种在电路的前四级加入4 个预充管 的电荷泵模型。电荷泵核采用这种模型，增加了节点初始电压，迸一步减小 了电压上升时间；通过使用调压电路，将电荷泵核输出的电压调整为可供 e e p r o m 进行读、写、擦操作所需要的电压信号；在电路中加入了使能信 号，控制电荷泵的开启与关闭，减小了电源功耗。 利用h s p i c e 电路仿真软件，对各个模块及电路系统进行仿真验证。仿 真结果表明，电荷泵系统的时钟频率高达2 0 7 1 m h z ，时钟占空比为 3 1 5 6 5 。电荷泵仅需5 1 6 5 0 1 i s 就可以从5 v 升压到1 6 v ，电压稳定在 1 7 6 9 1 v 。电荷泵完全关闭时，其静态电流为8 6 1 1 1 1 a 。以上指标符合电路 设计要求。 本文设计的片上电荷泵系统，具有升压速度快、电路容易实现等特点， 可以提供正常电压和高压，满足e e p r o m 读、写、擦的操作要求，可以应 用在需要快速读写的e e p r o m 芯片中。 关键词电荷泵；d i c k s o n 电路；e e p r o m ；压控振荡器；上升时间 哈尔滨理t 大学工学硕卜学位论文 r e s e a r c ho ff a s to n - c h i pc m o s c h a r g ep u m p a bs t r a c t c h a r g ep u m pc i r c u i t st h a tm a k eu s eo fc h a r g ea c c u m u l a t i n gi nt h ec a p a c i t o r p u m pc h a r g eu p w a r dt op r o d u c eh i g h e r v o l t a g et h a nt h ea v a i l a b l es u p p l yv o l t a g e t h e ya r ew i d e l yu s e di nt h ef i e l dw h i c hn e e d sh i g hv o l t a g e ，s u c h 躯s e r i a lp o r t c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t s ，e e p r o ma n dd r a m t h ec h a r g ep u m pc i r c u i t sa r e u s e df o rp r o g r a m m i n ga n de r a s i n gt h ef l o a t i n g g a t ed e v i c e si ne e p r o m i ft h e s p e e do fp u m p i n gc h a r g ei ss l o w , t h ed a t aw o n tb er e w r i t t e nr a p i d l yf o r e e p r o ma n dt h ed a t am a yl o s eo rm i s r e p r e s e n t f o rt h es a k eo fd e c r e a s i n gt h e r i s et i m eo ft h eo u t p u tv o l t a g eo ft h ec h a r g ep u m p ，ac i r c u i to fo n - c h i pc h a r g e p u m ps y s t e mf o ru s ei ne e p r o mi sd e s i g n e d t h ed e s i g ni sb a s e do no 5 斗mc m o st e c h n o l o g y t h ec h a r g ep u m ps y s t e m d e s i g n e di sc o m p o s e do fc l o c kg e n e r a t i o nc i r c u i t ，c h a r g ep u m pn u c l e a ra n d v o l t a g ea d j u s t i n gc i r c u i t n ec l o c kg e n e r a t i o nc i r c u i tc o n s i s t so fv o l t a g e r e f e r e n c es o u r c e ，c o m m o ns o u r c ev o l t a g ea m p l i f i e r , v c oa n ds e q u e n c ec i r c u i t t h ec l o c kg e n e r a t i o nc i r c u i to u t p u t sb o t hh i g hf r e q u e n c yc l o c k so ft h ed u 锣 c y c l ea b o u t3 0 t h ec h a r g ep u m pd r i v e nb yt h e s es i g n a l sa v o i d st h eb a d p h e n o m e n o no fc h a r g el e a kd r a m a t i c a l l y , w h i c hm a k e st h er i s et i m eo ft h eo u t p u t v o l t a g ed e c r e a s ep r o m i n e n t l y w i t ht h ec o n s i d e r a t i o no ft h ei n i t i a ln o d ev o l t a g e ， 孤i m p r o v e dd i c k s o nc i r c u i ti sp r o p o s e d ，w h i c hr e d u c e st h er i s et i m eo ft h e o u t p u tv o l t a g ef u r t h e r t h eo u t p u tv o l t a g eo ft h ec h a r g ep u m pn u c l e a ri sc h a n g e d b yt h ea d j u s t i n gc i r c u i t ，w h i c hm a k e st h ev o l t a g es u i tw i t l lt h eo p e r a t i o nv o l t a g e o fe e p r o m t h cc h a r g ep u m ps y s t e mw i t ha ne n a b l es i g n a lc a nb et u r n e do n a n ds h u td o w n ，s ot h a tt h es u p p l yp o w e rc o n s u m p t i o ni ss a v e d e a c hm o d u l ea n dt h ee n t i r es y s t e mo ft h eo n c h i pc h a r g ep u m pa r e s i m u l a t e db yh s p i c e t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ec l o c kf r e q u e n c yi s2 0 71m h z a n dt h ed u t yc y c l ei s31 5 6 5 w h e ns u p p l yv o l t a g ei s5 v t h er i s et i m ef r o m5 v t 0l6 vo n l yn e e d s51 6 5 0 岬f o rt h ec h a r g ep u m ps y s t e ma n dt h em a x i m u m o u t p u tv o l t a g ei s1 7 6 9 1 v t h es t a t i cc u r r e n ti s8 6 1l p aw h e nt h ec h a r g ep u m pi s o u to fw o r k t h ed a t as a t i s f yt h et a r g e t 一i i - 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 t h eo n - c h i pc h a r g ep u m ps y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e so ft h ev o l t a g er i s i n g r a p i d l ya n dt h ec i r c u i ti m p l e m e n t e de a s i l y rc a np r o v i d eg e n e r a lv o l t a g ea n d h i g hv o l t a g ef o re e p r o mt or e a d ，w r i t ea n de r a s e rc a nb eu s e di nt h ec h i p s t h a tn e e df a s ts p e e do fr e a d i n ga n dw r i t i n g k e y w o r d sc h a r g ep u m p ；d i c k s o nc i r c u i t ；e e p r o m ；v o l t a g ec o n t r o l l e d o s c i l l a t o r ；r i s et i m e - i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文：高速片上c m o s 电荷泵研 究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：穆耗瑕 日期： 罕0 0 8 年弓月l 。日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 高速片上c m o s 电荷泵研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大 学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔 滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提 交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内 容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密面。 ( 请在以上相应方框内打，) 作者签名：静男 日期：2 0 0 矗年多月，。e l 靳繇陟1 1 2 f 嗍2 。孑年弓刖日 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 当今世界，人们的生活已经片刻离不开电子设备。电源管理芯片可以说是 电子设备的生命之源，它在电子设备中担负起对电能的变换、分配、检测及其 它电能管理的职责电源管理芯片对电子系统而言是不可缺少的，其性能的优 劣对整机的性能有直接的影响【n 。 目前，在电源半导体市场占据统治地位的仍然是1 i 、飞兆半导体、国际整 流器、国家半导体、安森美、凌特和a d i 等国际巨头 2 , 3 1 。近年来，中国大陆 和台湾地区的技术供应商靠各自产业优势，不断切入电源管理半导体市场，逐 渐在中低端应用领域中站稳了脚根。中国作为全球电源管理市场重要的组成部 分，无疑将成为各大厂商争夺的焦点。据中国权威1 1 r 研究与咨询机构赛迪咨 询( c c i dc o n s u l t i n g ) 提供的数据，2 0 0 6 年中国功率i c 市场依然保持一如既往 的高增长率，市场销售额达2 7 2 1 亿元，2 0 0 2 年- 2 0 0 6 年实现复合增长率 3 0 1 。赛迪顾问认为，未来几年中国功率i c 市场有几个明显的增长点，包括 数字电视、3 g 产品和便携设备等。从应用环境来看，2 0 0 8 年奥运会、节能需 求和中国政府对于芯片行业的鼓励政策仍将刺激功率i c 市场的发展 4 1 电荷泵作为电源家族的一员，以其所需电压不高、占用p c 板面积小、低功 率、低成本、操作简单等优势，成为各厂家的首选【5 ，6 1 ，在很多电子产品，如手 持式计算机、移动通信装置、视频或音频产品、照相机、医疗仪器及测试仪器 与汽车电子领域中，都成为不可缺少的一部分。随着电子信息时代的来临，对 电荷泵电源的需求也在与日俱增。仅以笔记本计算机、手机电缆和手机显示板 用到的系统芯片为例，其用量就极为可观。以手机为例，2 0 0 7 年8 月赛迪咨询 ( c c i dc o n s u l t i n g ) 发布报告称，今年内中国手机销售总量将达到1 5 1 3 9 9 亿部， 比上年增长2 6 9 1 n 。这说明手机l c d 背光驱动电荷泵的需求量就达上亿片，而 每片的价格大约为l o 元，每年的市场需求就约为亿元。由此可见，电荷泵电源 市场前景非常可观。 然而，电荷泵属于纯模拟性质的电路，且涉及高压，它需要严格满足芯片 对功耗和面积的要求。因此在设计电荷泵电路时，需要周密的设计技术，透彻 的半导体器件分析，审慎的设计布局规划，准确的寄生提取工艺，才可以在实 哈尔滨理_ 大学工学硕i ：学位论文 际的硅片操作时生产出性能优越的产品。因此，对高性能电荷泵的研究与设计 仍然是一个热门话题。 1 2 电荷泵的种类及应用 1 2 1 电荷泵的种类 电荷泵按结构可分为以下3 类：电感开关式电荷泵，如图l l a ) 所示；无 电压调整电容式电荷泵，如图1 1 b ) 所示；带电压调整电容式电荷泵，如图1 - l c ) 所示。 a ) 电感开关式电荷泵 a ) i n d u c t o rs w i t c h - m o d ec h a r g ep u m p ”无电压调整电容式电荷泵 c ) 带电压调整电容式电荷泵 b ) c a p a c i t a n c e - m o d ec h a r g ep u m p c ) c a p a c i t a n c e - m o d ec h a r g ep u m p w i t h o u tv o l t a g ea d j u s t m e n t w i t hv o l t a g ea d j u s t m e n t 图1 1 三种典型电荷泵变换器框图 f i g u r el lab l o c kd i a g r a m so f t h r e et y p i c a lc h a r g ep u m pc o n v e r t e r s 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 三种电荷泵电路的工作过程均为：首先储存能量，然后以受控方式释放能 量，获得所需的受控电压。不同的是，电感开关式电荷泵采用电感来储存能 量，而电容式电荷泵采用电容来储存能量。 1 2 2 电荷泵的应用 随着纳米时代的到来，电荷泵以其优越的性能倍受关注，在很多应用中都 显示出了越来越重要的地位。 电荷泵可以为子系统提供电源。在系统工程中，一个比较广泛的问题是很 多主电源不能满足子系统对电源的需求。在这种情况下，如果在系统内部列入 最佳数目的电池，就会浪费大量空间。另外，电池电压会因为放电而逐渐衰 减，降低系统的可靠性。而电荷泵电源不需要额外分立元件，就可以解决上述 问题。此外，在某些固定应用中，例如在电信应用中，需要从- 4 8 v 电压产生 + 5 v 电压，电荷泵成为唯一的选择。 电荷泵可以驱动白光l e d 【s 9 】。随着手机、掌上电脑和数码相机的彩色液 晶显示器( l c d ) 的日益普及，白色发光二极管( l e d ) 正在成为热门照明来源。 单色显示器可以使用彩色光源，如电致背光或者彩色发光二极管。而彩色显示 器则需要白色光源，以正确显示颜色。红色和绿色发光二极管非常常见，它们 的典型正向压降约为1 6 v 2 4 v ，因此，可以被一个简单的电池包驱动。白色 发光二极管的正向压降约为3 w ，并且需要用一个单独的电源驱动。虽然电 荷泵和升压转换器都可以驱动白光l e d ，但是，电荷泵仅仅依靠小型电容器就 可以产生高压，成为了驱动l e d 的首选【l o l 。随着视频功能更加融入手机的使 用，如果想维持和改善电池寿命，就必须减小背光液晶显示器的功耗，而电荷 泵电源可以在更大更复杂的便携无线设备中为彩色显示器提供更大的背光功 率。因此，芯片制造商对这一炙手可热的l e d 驱动器市场的争夺，都把注意 力放在了先进电荷泵的来源上。 电荷泵可以提供片上高压。许多系统模块，如e e p r o m 、闪存、电源管理 模块、音频视频编解码器、图像传感器、显示器等，都需要内部电压高于系统 电源电压，这个内部高压需要在系统或者芯片内部产生。传统方法的开关电容 电路或电感型线性稳压器电路由于功耗大、占用芯片面积多而不能满足当今紧 缩型的需求。而片上电荷泵无需再使用电感，减小了潜在的电磁干扰问题【1 1 1 ， 同时降低了使用离散外围元件的成本，解决了便携设备和手机对尺寸的限制。 个人信息设备时代的来临，如数码相机和m p 3 播放器等等，引发了非挥发性存 哈尔滨理工大学t 学硕 ：学位论文 储器尤其是快闪存储器的热潮。即使电源电压在不断降低，e e p r o m 仍然需要 一个高达1 0 v 的内部编程擦除电压( 闪存仍然需要一个高达3 0 v 的内部编程擦 除电压) ，不论电源的趋势如何，这些器件的性能仍将取决于电荷泵在片上升 压的能力。 1 3 电荷泵变换器的发展趋势 2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，各半导体器件厂生产的电荷泵变换器是以 i c l 7 0 为基础开发出的一些改进型产品，如m a x i m 公司的m a x l 0 4 、t e l c o m 公司的t c l 0 4 4 s 、t c 7 6 0 0 和l t c 公司的l t c l 0 4 4 7 6 6 0 等。这些改进型器件 功能与i c l 7 6 6 0 相同，性能上有所改进，管脚排列与i c l 7 6 6 0 完全相同，可以 互换。这一类器件的缺点是：输出电流小；输出电阻大；振荡器工作频率低， 使外接电容容量大；静态电流大2 0 世纪9 0 年代以后，随着半导体工艺技术 的进步与便携式电子产品的迅速发展，各半导体器件公司开发出各种新型电荷 泵变换器，它们在器件封装、功能和性能方面都有较大改进，并开发出一些专 用的电荷泵变换器。它们的发展热点可归纳为以下几剧1 2 j ： ( 1 ) 提高输出电流及降低输出电阻。早期的电荷泵产品，如i c l 7 6 6 0 在输 出电流为4 0 m a 时，5 v 输出电压降为3 v ( 相差2 。而新型m a x 6 6 0 在输出 电流为1 0 0 m a 时，其输出电阻仅为6 5q 。m a x 6 6 0 在输出电流为4 0 m a 时，5 v 输出电压降为- 4 7 4 v ( 相差仅o 2 6 ，即输出特性有较大的提高。 m a x 6 2 8 的输出电流可达2 5 0 m a ，并且在器件内部增加了稳压电路，即使在 输出2 5 0 m a 时，其输出电压变化也甚小。这种带稳压的电荷泵产品还有a d 公司的a d m 8 6 6 0 、l t 公司的l t l 0 5 4 等； ( 2 ) 减小功耗。为了延长电池的寿命或两次充电之间的间隔，要尽可能减小 电荷泵的静态电流。近年来，开发出一些微功耗的新产品。i c l 7 6 6 0 的静态电 流典型值为5 0 衅，m a x l6 7 3 的静态电流典型值仅为3 5 衅。另外，为更进一 步减小电路的功耗，已开发出能关闭负电源的功能，使电荷泵的耗电降到l 衅 以下，在关闭负电源后使部分电路不工作而进一步达到减小功耗的目的。例如 m a x 6 2 2 a 、a i c l 8 4 1 两种电荷泵都具有关闭功能，在关闭状态时耗电小于 1 衅，几乎可忽略不计。这一类电荷泵器件还有t c l l 2 1 、t c 2 1 9 、a d m 6 6 0 及 a d m 8 8 2 8 等； ( 3 ) 扩大输入电压范围。i c l 7 6 6 0 型电荷泵的输入电压范围为1 5 v - 1 0 v ， 为了满足部分电路对更高负电压的需要，已开发出输入电压可达1 8 v 或0 v 的 哈尔滨理j t 大学t 学硕：卜学位论文 电荷泵新产品，既可转换成1 8 v 或- 2 0 v 的负电压。例如，t c 9 6 2 与t c a 的输 入电压范围为3 v - 1 8 v ，i c l 7 6 6 2 与s i 7 6 6 l 的输入电压可达2 0 v ； ( 4 ) 减少占印制板的面积减少电荷泵变换器占印制板面积有两种措施：采 用贴片或小尺寸封装i c ，新产品采用s o 封装、i i m a x 封装及开发出尺寸更小 的s o t - 2 3 封装；其次是减小外接泵电容的容量。在输出电流一定时，电荷泵 变换器的外接电容的容量与振荡器工作频率有关：工作频率越高，电容容量越 小。工作频率在几千赫兹到几十千赫兹时，往往需要外接1 0 t t f 的泵电容。新 型电荷泵器件工作频率已提高到几百千赫兹，个别的甚至到1 m h z ，其外接泵 电容容量可降低到l 心加2 2 心。 i c l 7 6 6 0 工作频率为1 0 k h z ，外接泵电容容量为1 0 心；新型t c 7 6 6 0 h 的 工作频率提高到1 2 0 k h z ，其外接泵电容容量已降为l 心。m a x l 6 8 0 1 6 8 1 的工 作频率高达1 m h z ，在输出电流为1 2 5 m a 时，外接泵电容容量仅为l t t f 。 m a x 8 8 1 r 工作频率1 0 0 k h z ，输出电流较小，其外接泵电容容量仅为 0 2 2 ：心。若采用s o t - 2 3 封装的器件及贴片式电容器，则整个电荷泵变换器的 面积可做的很小； ( 5 ) 输出负电压可调整。一般的电荷泵变换器的输出负电压u = ，它是o- u l 不可调整的。但新型产品m a x l 6 7 3 可外接两个电阻r j 和飓来调整输出负电 压，输出电压与电阻r ，和恐的关系为 ，尼、 v o = - t 詈腰 ( 1 一1 ) 式( 1 1 ) 中娠髓为外接的基准电压( 典型值为1 2 3 5 v ) 。m a x 8 8 1 r 、 a d p 3 6 0 3 a d p 3 6 0 5 、触c 1 8 4 0 1 8 4 l 器件等都具有这种功能； ( 6 ) 新型四倍压器件。m a x 6 6 2 a 是一种输入5 v 电压输出1 2 v 带稳压的电 荷泵变换器，输出电流可达3 0 m a ，可用于闪速存储器的编程电源。l t c l 5 0 2 是另一种工作原理与m a x 6 6 2 a 相同的四倍压器件，l t c l 5 0 2 是l t 公司1 9 9 9 年一季度推出的新产品。该器件用一节可充电电池或一节碱性电池就可输出 3 3 v 稳定的电压； ( 7 ) 砷化镓f e t 偏置电源。通信电路中应用的砷化镓f e t 往往需要2 v 偏 置电压。m a x 8 8 1 r 、a c l 8 4 0 、t c m 8 5 0 t c m 8 5 3 等就是专为砷化镓f e t 提供 偏置电压的器件。这类器件输出噪声低( 一般峰值电压为l m v 2 m v ) ，并且具 有关闭电源控制。这种电荷泵变换器已广泛应用于蜂窝电话、p c s 电话、p h s 电话等通信装置中。 哈尔滨理丁大学t 学硕士学位论文 1 4 本课题研究目的和意义 e e p r o m 是一种可用电气方法在线擦除和编程的只读存储器，其写入的 数据在常温下至少可以保持十年，写入擦除周期寿命可以达到1 0 万次或者更 高，e e p r o m 已成为信息电子产品存储器的一个重要选择。由于e e p r o m 存 储器需要很高的电压对存储器单元( 即浮动栅器件) 进行写入或擦除操作1 1 3 l ，为 了不增加系统的负担，一般都采用单电源供电。因此，一个高效、精确的片上 升压系统就成为e e p r o m 产品应用的关键，对存储器电路乃至整个集成电路 的发展尤为重要。 在e e p r o m 电路中广泛采用电荷泵作为片上升压系统眇切，当电荷泵升 压速度足够快时，e e p r o m 可以实现高速数据改写，保证数据不丢失、误 传，也可以节省电路的功耗【1 8 搠。为了满足日益增多的3 g 手机、p d a 、m p 3 等便携式设备和高速数据读写场合的要求，本课题以研究如何提高电荷泵的升 压速度，减小电压上升时间为目的，设计一个高速片上电荷泵系统。本课题的 研究将为电荷泵电源以及存储器的发展提供一定的借鉴经验。 由于我国半导体技术与工艺跟不上国际的发展，导致我们自己研制和生产 出的电荷泵很多都是采用进口的晶体管，这就限制了高端芯片的发展。因此， 本文开展的研究可以在国内现有的工艺水平上，提供快速升压的片上电荷泵电 路，而且还可以作为将来先进工艺水平之上的电荷泵电路的参考，实用性强。 本文研究的片上电荷泵系统，不仅可以应用在e e p r o m 上，还可以应用在很多 需要高压的电子产品中。因此在我国现有的工艺水平之上，加紧对高性能电荷 泵的研究和开发具有重要意义，也会带来可观的经济效益。 1 5 本课题的研究内容 本课题来源于哈尔滨工业大学深圳研究生院多媒体芯片设计实验室的研究 项目。 电荷泵升压速度的快慢，决定了e e p r o m 性能的优劣。本课题针对如何 减小电压上升时间进行研究，设计一个片上电荷泵系统，使其输出电压符合 e e p r o m 读、写、擦的操作要求。具体研究内容如下： ( 1 ) 根据d i c k s o n 电荷泵的工作原理以及对电荷泵的动态分析，研究电压上 升时间与哪些因素有关，确定减小电压上升时间的方法； ( 2 ) 根据课题目的，确定电路设计指标，选择合适的工艺模型。建立片上电 哈尔滨理十t 大学t 学硕1 j 学位论文 荷泵系统的电路结构，明确各电路模块之间的关系； ( 3 ) 对本电荷泵系统中的子电路模块进行设计，其中包括基准电压源、共源 电压放大器、压控振荡器、时序电路、电荷泵核以及调压电路，并对各子电路 模块进行仿真，研究改进电路对电压上升时间的影响； ( 4 ) 对片上电荷泵系统整体电路进行仿真，包括电荷泵开启模式和电荷泵关 闭模式，给出电路仿真结果。 哈尔滨理工大学t 学硕七学位论文 第2 章d i c k s o n 电荷泵的基本原理 自从电学发展以来，人们就在不断寻求由低压产生高压的方法。1 8 3 1 年， 英国物理学家和化学家迈克尔法拉第( m i c h a e lf a r a d a y ) 发明了“感应线圈”，人 类从此进入了应用变压器从低压获得高压的时代。然而，物理学家为了研究原 子物理学，需要给粒子加速器施加更高的电压以制造高能粒子，这就加剧了对 高压的需求。1 9 3 2 年，考克饶夫( j o h nd o u g l a sc o c k c r o r ) 和瓦尔顿( e r n e s t t h o m a ss i n t o nw a l t o n ) 采用了分立二极管和电容的独特连接方法产生了极高的 电压 2 0 j ，他们也因此获得了诺贝尔奖。1 9 7 6 年，这种技术被d i c k s o n ( j o h ne d i c k s o n ) 采用到现代集成电路中，他提出了最早的理想电荷泵模型f 2 l 】，使集成 电路得到了飞速的发展。在几年之间，几乎所有的高压产生电路都采用了 d i c k s o n 电荷泵，它在现代集成电路的发展中起着非常重要的作用。现在，大 部分电荷泵也都是基于d i c k s o n 电荷泵而进行设计的 本章将详细介绍传统d i c k s o n 电荷泵和m o s 管连接的d i c k s o n 电荷泵的 结构和工作原理，并对d i c k , s o n 电荷泵进行动态分析，讨论影响电压上升时间 的因素，为设计快速升压的电荷泵提供理论依据。 2 1 传统d i c k s o n 电荷泵的工作原理 d i c k s o n 电荷泵如图2 1 所示，它由二极管连接并联电容组成。 缈 缈 t_ y ?。 f i , 1 1 阿- c 葶t - c , c 冉- l - 二 l ojl 一 c it c 2 。一c 3 t c + 3 一一c + 2t c + i 一 - = i - 吉 图2 1 二极管电容连接的原始d i c k s o n 电荷泵 f i g u r e2 - 1o r i g i n a ld i c k s o nc h a r g ep u m pw i t hd i o d e - c 盈p a c i t o r 其中缈和歹是两相非交叠时钟，时钟幅值是( 一般与电源电压相等) ，二 极管正向压降为虼。c l n 是耦合电容，设电容值均为c ，c 。是各个节点的寄 哈尔滨理t 大学1 = 学硕七学位论文 生电容，设其电容值均为g ，般情况下c j 与c 的比值在0 1 o 2 之间 2 2 1 ， c 咖是电容值为的负载电容，r l 是阻值为凡的负载电阻。 d i c k s o n 电荷泵的操作过程是借助极性相反的驱动信号对电容进行充放电 的过程，它将电源和前一级的电荷不断地推入后一级，使后一级电位高于前一 级，从而在最后一级得到高压。当时钟相位9 为低电平时，二极管d i 导通， 对c l 充电，直到节点l 的电压变为乃；当妒跳变为时，节点1 的电压变为 h 峰虼) ，导致二极管d 2 导通，给c 2 充电，直到节点2 的电压变为h 降 酚乃；当缈再一次变为低电平，节点2 的电压跳变为+ 2 ( 吩功。这样，电荷 就从左边传到了右边。由于二极管的单向导通性，电荷无法从右边返回左边， 随着电荷泵级数的增加，电荷就源源不断地从电源传递到输出端，从而褥到所 需的高压。在n 级之后，输出电压为： = 圪+ 帆一匕) 一匕 ( 2 一1 ) 当各个节点的寄生电容c s 也加入考虑时，时钟的幅值减小到石i i _ 。 因此，准确的输出电压公式为： = 讲( ( 矗卜圪卜 协2 ， 式( 2 2 ) 是假设没有负载连接到电荷泵输出端时，电荷泵输出电压计算公式。 当电路中接入负载，并且因此引起了一个电流，输出电压就会减小 燕，其中厶是电荷泵的工作频率输出电压变为： = 圪m ( ( 矗卜屯一赢茏卜 协3 ， 从式( 2 - 3 ) 中可以很明显的看出，仅有当 两c ，_ 圪一陬l o u t 。 ( 2 4 ) 时电荷泵才能工作。式( 2 - 3 ) 可以写成 = 圪一l r ( 2 - 5 ) 其中 哈尔滨理t 犬学t 学硕上学位论文 圪= 屹啊吖矗中叫 忍5 而可n 石 由式( 2 - 3 ) 可以得到电荷泵的等价电路如图2 - 2 所示。 图2 - 2d i c k s i o n 电荷泵的等效电路 f i g u r e2 - 2e q u i v a l e n tc i r c u i to fd i c k , s o nc h a r g ep u m p ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 值得注意的是由于负载电阻r l 的存在，在输出端将会产生一个小的波纹 电压。这个波纹电压由下式给出： 2 击2 矗蠹 ( 2 - 8 ) 增加时钟频率或者使用大的输出电容都可以充分的减小这个波纹电压，当电荷 泵的级数特别多时，也可以使输出达到稳定状态。 2 2m o s 管d i c k s o n 电荷泵的工作原理 2 2 1 工作原理 在m o s 工艺中，由于p n 结的正向偏置问题，二极管很难制造。同时，双 极器件也存在面积大、转换效率低等缺点。所以，在制造工艺中通常采用二极 管连接的m o s 管代替二极管使用 2 3 , 2 4 i ，如图2 3 所示。 于是，传统d i c k s o n 电荷泵就转变为采用m o s 管连接的d i c k s o n 电荷泵 的形式，如图2 4 所示。这种电荷泵采用了m o s 管控制电容的充放电，从而 实现电压转换，在达到同样泵压值的同时，可以极大的缩小电路面积、减小电 压上升时间。 哈尔滨理t 大学丁学硕i ：学位论文 图2 - 3 用n m o s 管代替二极管 f i g u r e2 - 3u s i n gn m o s f e tr e p l a c ed i o d e c 。t c 21 _ c 3 卜c 们c 越t c + l 一一c 。 l 在图2 4 中，二极管的正向压降乃被m o s 管的阈值电压代替。输出 电压由下式给出： = 讲( ( 南卜一赢卜9 ， 定义变量4 以代表电荷泵各级串联节点在一个时钟周期内的电压波动， 即电荷泵从一个时钟周期跳变到另一个时钟周期时，发生在每个节点的电压改 变量，图2 - 5 能很好的解释这个概念。 v r i f l _ r _ v ln j ? ：- _ ? j v ： 在d i e k s o n 电荷泵中，电压波动表示成： 矿= 毒_ 一彘 c 2 1 。， 哈尔滨理丁大学t 学硕 ：学位论文 定义变量g y ，代表泵电压提取增益。 q = 珞一。 ( 2 1 1 ) 在d i c k s o n 电荷泵中有 q = a v 一吃 ( 2 1 2 ) 从式( 2 - 1 1 ) 和式( 2 1 2 ) q 可以看出g r 越大越好，电荷泵正常工作的必须条件是 q = a v - 圪 0 ( 2 1 3 ) 随着工艺技术的发展，系统的电源电压越来越小，导致时钟的幅值圪也 越来越小，根据公式( 2 1 0 ) 可知4 y 也越来越小因此，式( 2 1 2 ) 描述的电荷泵 提取增益也随之减小。很明显，d i c k s o n 电荷泵不适合在低压下进行操作。为 了使d i c k s o n 电荷泵适用于低压供电的电路系统，必须改善电路的性能，以提 供更好的电压提取增益和输出电压。 2 2 2 体效应对电荷泵的影响 在m o s 工艺中，体效应是指m o s 管源和衬底之间的电压差对阈值电压 的影响，源电压比衬底电压高的越多，阈值电压就越大。n m o s 晶体管的阈值 电压可以用下式表示： k = k 。+ 厂两i 一厄) ( 2 1 4 ) 其中以为栅氧化物一硅界面处的静电势( 简称为表面势) ，由下式给出： 吮：2 k l n 丝：2 塑h l 生 ( 2 1 5 ) n i q 玎i y 为体效应系数，由下式给出： 户t * 4 2 q 6 , n 4 。：丁4 2 q c , , n a ( 2 - 1 6 ) 是源到衬底的偏置电压，是零偏置时( 即当v s 旷- - o 时) 的阈值电压。 由式( 2 1 4 ) 可以看出，当n m o s 场效应管的源端电压增加时，n m o s 场效 应管的阈值电压也随之增加，导致其漏电流如减小，发生电荷转移的数量也 减小。 哈尔滨理工大学t 学硕 ：学位论文 在m o s 管连接的d i c k s o n 电荷泵中，第n 级的电压增益由下式给出： ，矿 一 g y , = 杀告一k 阮( 刀) 】 ( 2 1 7 ) i l 十l ，j 在式( 2 1 7 ) 中，v o o 是时钟振幅，等于电源电压，巧 例】代表衬底偏压为 的第n 个n m o s 晶体管的阈值电压。这个等式说明：体效应随着每级输出电 压的增加而增加，从而导致g 妇的减少。当最后一级晶体管的阈值电压变为 c ( c + e ) 时，输出电压就不随级数的增加而增加。因为在典型情况下，c 远大于g ，最大的输出电压计算公式如下： ，矿一矿、2 = l 卫吐+ 2 办l 一2 办 ( 2 1 8 ) ， 其中办是衬底费米势。由式( 2 1 8 ) 可以看出当电源电压v d d 低于2 v 时，晶体 管的阈值电压将开始主宰输出电压。 因此，m o s 管连接的d i c k s o n 电荷泵存在的不足之处就是其对体效应非常 敏感。在这种结构中，由于体效应的影响，随着级数的增加，每级m o s 管的 阈值电压会随之增大，所以其最终输出电压就不是级数的线性函数【2 5 2 6 1 ，导致 电荷泵不能输出很高的电压，影响了电荷泵的效率 2 7 , 2 8 1 。另外，每个节点到地 的寄生电容也降低了放大的效率，输出电阻也会很大，使该电路只能提供较小 的电流。为了解决m o s 管连接的d i c k s i o n 电荷泵中体效应引起的阈值电压损 失的问题，提高效率，人们设计出了许多新型的电荷泵电路。 2 3d i c k s o n 电荷泵动态分析 前面介绍的d i c k s i o n 电荷泵的工作原理，是对它的静念分析。而d i c k s o n 电荷泵在工作时，电荷在转移的过程中存在损失，输出电压不能简单的被定义 成一个常量。对d i c k s o n 电荷泵进行动态分析【2 蚓】，可以研究电荷是如何转移 到输出端的，从而研究电压上升时间与电路其他参数的关系。 由于传统的d i c k s o n 电荷泵和m o s 管d i c k s o n 电荷泵工作原理基本相 同，本文只对传统d i c k s o n 电荷泵做动态分析。图2 - 6 是d i c k s o n 电荷泵的电 路及其时钟信号图。在图2 6 中，电荷泵的输入信号为电源电压v d d ，v o 以是 输出电压，缈和歹是两相非交叠时钟信号，c 咖是电容值为的负载电容。 在做动态分析之前作以下假定：每一个二极管的正向压降和电荷泵的耦合电容 都分别为常数形和c 相比于耦合电容的值，寄生电容何以忽略；驱动电荷泵 哈尔滨理丁大学- t 学硕i j 学位论文 的时钟周期非常大，r c 时间常数可以忽略。 缈 o 缈 o j 卜1 2p 1 图2 - 6d i c k s o n 电荷泵及其时钟信号 f i g u r e2 - 6t h ed i c k s o nc h a r g ep u m p c i r c u i ta n dd r i v i n gc l o c k s 在此假定条件下，作为一个供给e e p r o m 高压的片上升压电路，电荷泵 的设计需要考虑输出电流的能力、电压上升时间、电源的转换效率等因素。根 据图2 - 6 ，对电荷泵进行动态分析。 g 删代表一个时钟周期罩，从一个电容转移到下一个电容的电荷， q o x l i ) 代表在j 时刻存储在电容器c f 中的电荷。在_ ，时n - - 极管d l 关 断，此时，存储在c l 中的电荷量为： q ( 1 ) = c 一一) 暑c 匕 ( 2 1 9 ) 在式( 2 1 9 ) 中，代表电源电压，代表每级最大的电压增益。在产l 2 时 刻，二极管d 2 关断，存储在电容器c i 和c 2 中的电荷为0 0 ) - q 训和 q ( 2 ) + g 州，则有下式：+ 型：一华：l ( 2 - 2 0 ) 将式( 2 - 1 9 ) 代入到式( 2 - 2 0 ) 中，得到存储在电容器c 2 中的电荷q ( 2 ) 为： o ( 2 ) = 2 c v g 一2 9 喇 ( 2 2 1 ) 哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学位论文 同样，二极管d 3 在时刻被关断，有： + 譬一譬= 巧 ( 2 珑) 将式( 2 2 1 ) 代入到式( 2 2 2 ) 中，得到存储在电容器c 3 中的电荷q ( 3 ) 为： q ( 3 ) = 3 c v - 2 q 喇( 2 - 2 3 ) 电荷一直沿着二极管链传输下去，存储在电容器c j 中的电荷g j ) 的一般形 式被表示成： q ( 2 七一1 ) = ( 2 七一i ) c v s 一2 ( k l ：b 。 ( 2 - 2 4 ) q ( 2 k ) = 2 k c l s - 2 k q 喇 ( 2 2 5 ) 这里，1 k n 2 。最终，二极管d n + l 在时刻关断。则有如下表达式： + 掣一：k ( 2 - 2 6 ) q i ( 可以用电荷泵的输出电压表示： q ( ) = c 吒一名)