（材料物理与化学专业论文）片上电荷泵的研究.pdf

摘要 摘要 片上电荷泵电路是一种一d c - d c升压转换电路，广泛应用于各种需要由低电 源电压产生小电流和高电压的电压源的电路系统中。随着便携式电子产品的飞 速发展，低功耗，微面积，高效率的片上电荷泵成为设计的主流。 本文首先分析了d i c k s o n电荷泵的实际工作状态，推导了mo s电荷泵的 上升时间模型。作者根据m o s 电荷泵实际工作情况.加入寄生电容影响因子和 mo s管衬偏效应影响因子两个参数。经过 ma t l a b对解析式的模拟和 h s p i c e对电路模拟结果比较，改进后的模型更加符合实际 mo s电荷泵工作情 况，对设计工作有很好的指导作用。 本文接着论述了交叉祸合电荷泵单元，该单元是近年来出现的新型电荷泵 的结构，作者提出了 6管 m o s交叉祸合电荷泵链的结构，并比较了该结构与 d i c k s o n电荷泵的输出特性。电路采用c s m c的0 .6 u m的 s p i c e模型，通过 h s p i c e 仿真器模拟，证明6 管交叉祸合电 荷泵链在低电 源电 压工作状态下，输 出电压特性和上升时间特性均优于传统的d i c k s o n电荷泵。 本文在6 管交 叉祸 合电 荷 泵的 基础上 提出了 一种8 ( 7 ) 管4 倍电 荷泵。该电 荷泵经过 面积优 化， 并 且 加入 防l a t c h - u p 效 应的p m o s 管。 通过h s p i c e 仿真 器模拟，以7 管交叉藕合电 荷泵为例，输出电 压是2 级6 管m o s 交叉祸合电荷 泵链输出电压的1 3 0 .4 %，而前者使用的器件数目仅为后者的5 8 . 3 %. 关键词:电荷泵电 路:上升时间; 衬偏( 体) 效应;交叉祸合电 路; 人b s tr act abs tract o n - c h i p c h a r g e p u m p i s a k i n d o f c i r c u i t f o r d c i d c c o n v e r ti n g . c h a r g e p u m p h a s a w i d e r a n g e o f a p p l i c a t i o n i n m a n y s y s t e m s w h ic h n e e d t o p ro d u c t s m a l l c u r r e n t a n d h i g h v o l t a g e s o u r c e f r o m l o w - v o l t a g e s o u r c e . a l o n g w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f m o b i l e e l e c t r o n ic p r o d u c t s , t h e d e s i g n d i r e c t i o n o f c h a r g e p u m p i s m o v e d t o lo w p o w e r , s m a l l a r e a a n d h i g h e f f i c i e n c y . f i r s t , d y n a m i c s o f t h e d ic k s o n c h a r g e p u m p c i r c u it h a v e b e e n a n a ly z e d a n d t h e v o lt a g e r i s e t i m e o f mo s c h a r g e p u m p a re m o d e l e d . b a s e d o n t h e p h y s ic a l w o r k i n g c o n d i t i o n o f c h a r g e p u m p c i r c u i t , t w o p a r a m e t e r s a r e t a k e n i n t o a c c o u n t . t h e n e w m o d e l a n a l y t i c a l re s u l t s s i m u l a t e d b y m a t l a b h a v e b e e n i n g o o d a g r e e m e n t w i t h t h e c i r c u i t s i m u l a t i o n r e s u l t s o f hs p i c e . s e c o n d , a n e w k i n d o f c h a r g e p u m p b a s e d o n c r o s s - c o u p l e d s t r u c t u r e w h i c h i n c l u d e d 6 mo s d e v i c e s i s p r e s e n t e d . t h e c i r c u i t i s d e s ig n e d i n c s mc 0 .6 u m t e c h n o lo g y . c o m p a r e d w i t h t h e s i m u l a t io n r e s u l t o f d i c k s o n c h a r g e p u m p , it i s e a s y t o f i n d : wh e n t h e s u p p l y p o w e r i s g o i n g d o w n , t h e c r o s s - c o u p l e d c h a r g e p u m p h a s m a n y a d v a n t a g e s c o m p a r e s w i t h d i c k s o n c h a r g e p u m p , s u c h a s t h e h i g h e r o u t p u t v o l t a g e a n d t h e s h o r t e r r is e t im e . f i n a l ly t h e t h e s i s d i s c u s s e s a f o u r f o l d v o l t a g e c h a r g e p u m p o n l y h a s 8 mo s d e v i c e s , e v e n 7 mo s . t h e n e w c h a r g e p u m p i s a re a - e f f i c i e n t a n d w i t h t h e p mo s d e v i c e p r e v e n t s f r o m l a t c h - u p . s i m u l a t i o n r e s u l t s o f h s p i c e p r o v e t h a t t h e o u t p u t v o l t a g e o f t h e n e w c h a r g e p u m p o f 7 m o s i s 1 3 0 .9 % o f 2 - s t a g e 6 m o s c r o s s - c o u p l e d c h a r g e p u m p , w h i l e t h e n u m b e r o f u s e d d e v i c e s i s o n l y 5 8 .3 %. k e y wo r d s : c h a r g e p u m p ; r i s e t i m e ; b o d y e f f e c t ; c r o s s - c o u p l e d 前言 月 1舀 人类社会发展进入信息时代后，人们对信息的获取和相互之间的传递有很 高的要求。社会的高度流动性导致了 便携式电 子产品的迅猛发展:从移动电 话 到笔记本电 脑，从数码摄照相机到 u盘，便携式电子产品已 经与人们的生活息 息相关，成为电子行业增长速度最快的一个分支。 通讯和计算机领域的手机、掌上电脑、电子字典;消费类电子的 c d机、 v c d机、彩色液晶电 视、各种袖珍电子游戏机;工业领域的小型仪器如便携式 测湿度计、频率计、抄表器;医疗保健用的测血压的手表、能塞入耳道的助听 器、随身携带的动态心电图仪、能达到 0 .0 1 c 测温精度的体温计以及各种理疗 功能的电子仪器等等。 这些便携式电 子产品具有操作简单和易于携带等显著优 点。为了 满足这些优点，与一般固定仪器相比. 在便携式仪器的设计中应该更 多的考虑到尺寸、重量、功耗等问题。 对于便携式电 子产品来说，电 源的可靠性、 精度、体积和效率直接影响甚 至决定该产品的一些重要特性。在不同的应用环境中需要有不同的电压等级， 如液晶显示的 l c d器一般需要士 5 v或土 9 v的工作电压;a d转换器一般需要 士 5 v或士1 2 v的工作电 压。便携式电子产品大多包含存储单元或存储器，如 e e p r o m, d r a m, f l a s h等等， 这些存储器的写入以 及擦除工作状态都需要 较高的电平，一般在8 v 到1 2 v 之间。 由于便携式电子产品绝大多数由电池供电，而一般通用电池所提供的电压 有限，并且为便携式电子产品的电池电压一般不符合多数 i c的供电要求，电池 本身无法提供 1 2 v / 5 v / 3 .3 v / 3 v等标准电压，而且电池电压不稳定，因此 d c - d c升压变换器应运而生。从低压向高压转换的角度来讲，电荷泵 ( c h a r g e p u m p ) 就是 这一 类d c - d c升 压 变换器的 代表。随 着c m o s 工艺的 成 熟， 人们 要求在芯片内部搭建 d c - d c升压变换器，即将 d c - d c升压变换器集成到芯片 内，这就需要生产 d c - d c升压变换器包含的所有器件可以在 c m o s工艺条件 下完成。电 荷泵的 所有 器件均与c m o s 工艺 兼容， 因 此片 上电 荷泵 ( o n - c h ip c h a r g e p u m p ) 受到 广 泛关注， 众多的 科技人员 对其 进行深入 研究。 下面将从能量的角度和电路设计的角度来论述片上电荷泵的优势: 从能量的角度来说，能量的存储元件主要有电容和电感两类。电荷泵的能 量存储元件为电容，实际应用中的电容比电感有许多的优越之处，比如: i . 电 容的制造工艺可以 与c m o s 工艺兼容， 而在芯片中集成电 感则需要增 加额外的工艺步骤; 2 ， 电容存贮的能量密度高于电感存贮的能量密度; 前言 3电容存贮能量的时间比电感存储能量的时间长许多倍。 因此，将电容作为能量存储元件的电荷泵也是比较有效率的能量转换器。 从设计的角度来说，电感型升压变换器 ( 即开关型)一般对整个输入电压 范围具有较高变换效率.而电容型变换器 ( 即电荷泵)则对所选择的输入电压 范围具有较高变换效率。由于电容型变换器的设计不需要了解磁学方面的知 识，因此比较容易实现，可大大缩短设计时间.另外，电容型变换器的最大优 点是无需电感，所以不存在电磁噪声。 因此，不论是从能量存储的角度还是从设计的角度上说，电荷泵都是很好 的选择。 本文主要针对片上电荷泵进行研究工作，共分五章: 第一章主要论述电荷泵电路的历史发展，电荷泵在实际中的应用以及相关 的文献综述。 第二章从原理出发，主要论述电 荷泵的经典模型以 及理论，并而分析了 集 成电容元器件的种类以及其性能差异。 第三章推导了电荷泵上升时间的具体模型公式，并针对电荷泵的实际工作 情况，对该模型进行改进和优化。 第四章阐述一种新型的交叉祸合电荷泵的结构，并而全面的比较了 d i c k s o n电 荷泵与交叉祸合电 荷泵的 性能特点。 第五章对上述工作做出总结，并提出今后工作的方向。 其中第三章和第四章是本文的重点。 第一章 电荷泵的应用 第一章 电荷泵的应用 本章主要论述电荷泵电路在实际中的应用以及文献综述。第一节从第一个 有文献记载的电荷泵谈起，叙述历史上的电荷泵;第二节具体说明电荷泵在实 际中的应用;第三节为文献综述. 1 . 1 历史上的电 荷泵 历史上的第一个电 荷泵是考克拉夫 特( j .d .c o c k c r o ft , 1 8 9 7 -1 9 6 7 ) 与沃尔顿 ( e .t . w a lt o n ) 在 1 9 3 2 年发明高电 压倍加器， 用以 加速质子， 实现人工核蜕变。 1 9 5 1 年， 考克拉夫 特( j .d . c o c k c r o ft ) 由 于 用人工加 速粒子轰击原子产生原子核 殖变而获得诺贝尔物理学奖，这其中电 荷泵也是功不可没。 第一个电荷泵是由真空管作为二极管搭建而成的，整个系统占 用了一个房 间。尽管占用这么大的体积，第一个电荷泵仍然值得尊敬。因为其输出电压为 6 9 a k v ，即使是今天的科技水平，整个系统还是 会占 用相当的体积。 当然:今天的电 荷泵大多数为片上电 荷泵 ( o n - c h i p )， 对比第一个电荷泵 来说，体积上小了几个数量级。 电荷泵最早起源于倍压电路，如图 1 . 1 所示;在 1 9 7 6 年，由 j .k . d i c k s o n 提出经典的电 荷泵模型5 7 3 ， 如图1 .2 所示。 澎概翎 ;厂八认卜 一川曰 图1 . 1倍压电路 第一章 电荷泵的应用 冷w 图1 .2 d i c k s o n电荷泵 d i c k s o n模型莫定了片上电荷泵的基础。后人又将 d i c k s o n模型应用 到 c mo s工艺中，并衍生出了不同的改进电路。倍压电路以及 d i c k s o n电荷 泵的工作原理将在第二章中具体描述。 1 . 2 电荷泵的应用 电荷泵可以应用在不同类型电压之间的转换，如交流到直流 ( a c - d c )、 直流到直流 ( d c - d c )、直流到交流 ( d c - a c )。 在上世纪七十至八十年代，电荷泵主要用于产生高压，并将产生的高压提 供给x - r a y 设备，高压输电 系统 ( h v d c ) 绝缘测试设备， 低压供电的马达控制 设备，电视机的阴极射线管等等。 一些产生中档电压的电荷泵今天仍然沿用，这些电荷泵主要应用于荧光灯 管控制器，变级器以及一些直流到直流 ( d c - d c )的升压变换器。 现在大多数片上电荷泵用于产生低电源电压，小电流，高电压的电压源。 主要应用有: 1 存储器: ( m e m o r y ) 常见的存储器包括 e e p r o m, d r a m, s r a m, f l a s h等等。这些存储 器的电源电压一般只有 1 . 5 - 5 v ，而写入和擦除的电压一般要求在 8 - 1 2 v 左右。因 此需要由片上电荷泵完成直流到直流 ( d c - d c )的转换工作，如图 1 . 3 所示. 第一章电荷泵的应用 现在电荷泵主要向低功耗，小纹波，高效率，微面积，输入电压范围宽等 等方向发展。随着电源电压的不断降低，工艺尺寸的不断减小，电荷泵的性能 要不断的提高才能满足应用上的要求。仅仅在2 0 0 2 年度和2 0 0 3 年度，i e e e刊 登的关于电荷泵的文章就有 1 3 8篇之多。因此，将电荷泵作为研究课题是很有 现实意义的。 l . 3 文献综述 本章节将通过表格形式总结已往研究电荷泵的文献专著。 电荷泵的电路结构主要分为输出电压反馈型和输出电压无反馈型两大类。 电荷泵的电路组成元件主要分为分立元器件和半导体集成元器件两大类。 表1 . 1 罗列了 使用分立元器件并带有反馈结构的电 荷泵。 表1 .2 罗列了 使用分立元器件但不含反馈结构的电荷泵。 表1 . 3 罗列了使用半导体集成元器件的电荷泵。 表 1 .4 罗列了针对电荷泵的理论研究和分析。 论文应用领域分析方法 电路结构反馈形式 1p o w e rn o n e b i - d i r e c t i o n a lc u r r e n t 2p o w e rs s a d i v i d e r c u r r e n t 3p o w e r s s ad u a l c l a s s i c c u r r e n t 4p o w e r s s a d c / a c d u t y - c y c l e 5p o w e rs s a d i v i d e r d u t y - c y c l e 6p o w e rm s s a d i v i d e r d u t y - c y c l e 7p o w e rs s a d u a l c l a s s i c d u t y - c y c l e 8p o w e rt h e o r y d u a l c l a s s i c d u t y - c y c l e 9p o w e rs s a d u a l c l a s s i c d u t y - c y c l e 1 0p o w e rn o n e h y b r i dd u t y - c y c l e 1 1p o w e rn o n e h y b r i d , r e s o n a n t d u t y - c y c l e 1 2p o w e rw a v e f o r m m a n y d u t y - c y c l e 1 3p o w e r s t a t e e q u a t i o n sr i n g - t y p e d u t y - c y c l e 1 4p o w e rs s a r o t a t i n g c a p d u t y - c y c l e 1 5p o w e r s t a t e e q u a t i o n sd i v i d e r f r e q u e n c y 1 6p o w e rs s a d u a l c l a s s i c c u r r e n t 表1 . 1使用分立元器件并带 有反 馈结构的电 荷泵 第一章电 荷泵的应用 论文应用领域分析方法电路结构反馈形式 1 7p o w e r c h a r g ec l a s s i c n o n e 1 8p o w e rc h a r g ec wn o n e 1 9p o w e rc i r c u i td i v i d e rn o n e 2 0p o w e rd i s c r e t ec l a s s i cn o n e 2 1p o w e rd i s c r e t ed i c k s o nn o n e 2 2p o w e re n e r g y 枷n y n o n e 2 3 v o l t a g e n o n ec wn o n e 2 4p o w e rn o n ed c / a cn o n e 2 5p o w e rn o n ed i v i d e rn o n e 2 6p o w e rn o n ef i b o n a c c in o n e 2 7p o w e rn o n ec w n o n e 2 8p o w e r s t a t e e q u a t i o n s f i b o n a c c in o n e 2 9p o w e r s t a t e e q u a t i o n ss e r i a l f i x - t y p e n o n e 3 0p o w e r s t a t e e q u a t i o n s c wn o n e 3 1p o w e r t h e o r ya c / d cn o n e 3 2p o w e rw a v e f o r m c l a s s i c , r e s o n a n t n o n e 3 3p o w e rw a v e f o r m c wn o n e 表1 .2 使用分立元器件但不含反馈结构的电荷泵 论文应用领域分析方法电路结构 反读形式 3 4p o w e rn o n ed u a l c u r r e n t 3 5p o w e rn o n e d u a l c l a s s i c f r e q u e n c y 3 6p o w e rn o n e d u a l h y s t e r e t i c 3 7p o w e rn o n e d u a l c l a s s i cl d o 3 8p o w e rn o n e d u a l c l a s s i cc u r r e n t 3 9p o w e rn o n e d u a ln o n e 4 0p o w e r c h a r g ed u a l c l a s s i cn o n e 4 1p o w e rn o n e d u a l p u s h - p u l l n o n e 4 2p o w e rc i r c u i t t r i p l e r n o n e 4 3p o w e rn o n ec l a s s i cc u r r e n t 4 4 v o l t a g en o n ec l a s s i cn o n e 1 0 第一章 电荷泵的应用 4 5 v o l t a g e n o n ec l a s s i cn o n e 4 6 v o l t a g e c i r c u i tc l a s s i cn o n e 4 7 v o l t a g e n o n ed u a ln o n e 4 8 v o l t a g e n o n em p v d n o n e 表1 .3 使用半导体集成元器件的电荷泵 论文应用领域分析方法电路结构反馈形式 4 9p o w e rc h a r g ec w n o n e 5 0p o w e rc h a r g ec l a s s i c n o n e 5 1 v o l t a g ec h a r g e d i c k s o nn o n e 5 2 p o w e rd i s c r e t ed i c k s o n n o n e 5 3p o w e rt h e o r ym a n y n o n e 表1 .4电荷泵的理论研究和分析 以上表格并未完全包括所有的电荷泵研究的文献专著，但大多数研究电荷 泵的文献类型己经在表 1 . 1 一表1 .4 中总结. 其中，表 1 . 1 一表 1 .4 中: 1 应用领域: p o w e 一电荷泵作为电 源使用。 v o lt a g e 电 荷 泵用 来产生 高 压。 2 卜 分析方法: c h a r g 二使用电 荷建模分析。 e n e r g y 一 一 用能 量的 转移和损失进行分析。 s t a t e e q u a t io .使 用 状 态 公 式 建 模 分 析 . d i s c r e t e 使用状态公 式建模分析，并 进行z 变换。 wa v e f o n n 使用充电和放电时的电流电压波形进行分析。 c i r c u i t - 使用平均电 流进行稳态分析。 t h e o ry 一一 针对各种电 荷泵整体 进行统一的分析。 s s a -平均态分析。 ms s a 一 一 改进型 s s a. 3 .电路结构: c w一 一 一 c o c k c r o ft - wa l t o n 电荷泵。 d i c k s o n -d i c k s o n 电荷泵 c la s s i一倍 频 器 ， 除 法 器 等。 第一章 电荷泵的应用 f ib o n a c c i -f i b o n a c c i 电荷泵。 r o ta t i n g c a p a c it o .旋 转电 容式电 荷 泵。 t r a n s f e 一转换 器。 d u a l/ d u a l c l a s s i c -互补开关型电电荷泵。 4 反馈形式: c u r r e n t 电 流型反 馈。 d u t y - c y c l e - d u t y 循环 式反 馈。 f r e q u e n c y 频 率 型 反 馈。 h y s te r e t i一磁 滞 型反 馈。 l d o 集成l d o ( l o w d r o p o u t )型反馈。 第二章 电 荷泵的原理及电容性能分析 第二章 电荷泵的原理及电容性能分析 本章从原理出发，主要论述电荷泵的经典模型，理论以及集成电容元器件 对电荷泵性能的影响。本章第一节介绍倍压电路的工作原理，第二节介绍电荷 泵经典 d i c k s o n模型的工作原理，第三节论述集成电路中的不同类型电容元 器件的优缺点。 2 . i倍压电路 倍压整流电路是指利用电容的存贮作用，由多个电容和二极管可以获得几 倍于输入电压的输出电压的电路。最初的升压电路就是倍压电路，因此倍压电 路是电荷泵的雏形。 我们以二倍压电路为例，讨论倍压电路的工作原理。 二倍压电路如图2 . 1 所示。 图2 . 1二倍压电路工作原理 二倍压电路由一个变压器，两个电容，两个二极管以及一个负载电阻组 成。 当u : 为正半周时， u : 极性如图2 . 1 ( a ) 所示。 此时d 2 截止， d ， 导 通， u 2 通过d , 向c , 充电，使u . , = u 2 0 当u : 为负 半 周 时， u : 极 性 如图2 . 1 ( b ) 所示。 此时d , 截 止， d : 导 通， u 2 与 u c : 正向串联， c . 上的电压与变压器上的电压相加，通过 d : 向 c : 充电。经 多次 反 复 充电 后， 可 使u . 2 = u c , + u 2 = 2 u 2 - 可见，由 于 c , 对电荷的存储作用， 使输出电 压 ( 即 c 2 上的电压) 为变压 器输入端的2 倍，利用相同原理可以实现所需倍数的输出电压。 图2 . 2 所示为多倍压电路。 第二荤电 荷泵的原理及电 容性能分析 图2 .2 多倍压电路 在空载的情况下，根据上述分析方法可得，以c 、 两端作为输出 端，输出电 压的值为u z ，以c两端作为输出端， 输出电 压的值为2 姚.依此类推，从不同 的位置输出，可获得不同倍数的输出电压值。 倍压电路应用到电荷泵中则被称为c o c k c ro ft - w a l to n 电荷泵。 2 . 2 d i c k s o n 模型 1 9 7 6年， d i c k s o n发表论文 o n - c h i p h i g h v o l t a g e g e n e r a t i o n in n m o s i n te g r a te d c i r c u it s u s in g a n i m p r o v e d v o lta g e m u lt ip l ie r t e c h n iq u e s 5 7 1 , 在 这篇 论文中，作者提出了 经典的d i c k s o n电 荷泵模型。 d i c k s o n电荷泵模型如图2 .3 所示。 与与 v c l .几几fl = v c l h 几 丁 盯 u刊 几几 月 丁叮甘甘uuu 图2 . 3 d i c k s o n电 荷泵模型 d i c k s o n电 荷泵是由一组首尾相连的二极管连接一 组电容 c组成的。 其 中v c l k 与v c l k 是两组相位相反，幅度一致的时钟脉冲。 d i c k s o n电 荷泵主要 是利用二极管单向导通的特性，由电 容交替充放电，从而得到累 积高压，产生 的输出电压主要与级数、 二极管的阐值电 压、 脉冲高度、 脉冲频率有关。 通过倍压电路的分析， 我们获知:随 v c l * 与v c l k 的跳变.二 级管将交替 导通，同时各申容也将亨替竟 m电。 第二章电 荷泵的原理及电容性能分析 设某一时刻 v c l k 处于 0 -1 跳变瞬间，与该时钟祸合的栅极将感应到通过 c泄放的电压 v m ( v m 为时钟幅度)，该电压附加到各点的初始电压值上，瞬 间的电压变化使半数的 mo s 管导通，相邻的半数截止。 产生流过mo s 管的电流i 可以认为是最终稳定输出的电流i o u t i由: i x t = c x v可得 导通的mo s 管输入端的电压减少 v l = 在扣除漏源相接的m o s 管导通的阐值电压v tn,输出电压为 v - 。 一 v= v m 一 v l 一 v tn 这样，电荷泵以v ， 为起始电位，沿着m o s 管链，电 位逐级增加，输出电 位于输入电位v in ,频率f ，级数n有这样的关系: vou: 一 、 一 卜 一 、 一 loutf x c 式( 2 . 1 ) 考虑到电路的寄生效应，d i c k s o n电荷泵电路模型修正为图 2 .4 所示。 c sr c sr c sr c s r v c l k v c l k 丁u飞 l . f u 几月 飞几 11 ij 飞 j l - u ul一 i j v u l k f t f几几ri l l i f i f u 图2 .4 包含寄生电容的d i c k s o n电荷泵 每一级电容都受到寄生电容的影响，通过电荷充放而获得的电压将被寄生 电容分压，重新计算可得 v out - v w + n i c+ c s 、 一 、 - i o ut ， i f 长+ c s ) 式( 2 . 2 ) 第三章 电荷泵上升时间模型的建立 第三章 电荷泵上升时间模型的建立 人们研究电荷泵时，往往关注于电荷泵的输出电压值以及能量转化效率，而 忽视电荷泵的上升时间。随着对存储器擦写速度的要求不断提高，电荷泵的上升 时间日益成为判断其性能优劣的重要指标。本章在 t o r u t a n z a w a和 t o m o h a r u t a n a k a对电荷泵动态分析的基础上，推导了电荷泵上升时间的具体模型公式，并 针对电荷泵的实际工作情况， 对该模型进行改进和优化。第一节推出原始模型; 第二节考虑寄生电容效应对模型进行修正;第三节考虑 mo s管衬偏效应对模型 进行修正:第四节比对解析结果与h s p i c e 模拟结果。 3 . 1 电荷泵上升时间的动态分析 d i c k s o n电荷泵的模型如图2 .3 所示。但一般在 c mo s 工艺中，常用 mo s 管栅漏短接以代替二极管，形成mo s 电荷泵，如图3 . 1 所示。 图3 . 1 m o s 电荷泵模型 电荷泵电路主要是利用二极管单向导通的特性， 到累积高压，产生的 v o u 下 主要由级数 v c l k 、脉冲频率f 有关。 voir 一 vu, n (c x v clk 一 、 一 概) 、二极管的 v t h c l o a d i 去 ，从而得 脉冲高度 由电容交替充放电 式( 3 . 1 ) 假设所有二极管以及电容参数相同。不考虑二极管上的泄漏电流且电路的 r c常数远小于时钟周期， 令lv m i- iv c l k i- iv c l k i m o s电 荷泵电路用栅漏短接的 m o s管代替二极管，忽略寄生电容，电感及电阻的影响。脉冲时钟 v c l k 与 v c l k 如图3 .2 所示。 第三章 电荷泵上升时间模型的建立 ” 个! ! 一t v c tx _ i t -1 i - j + 1 t 图3 . 2 脉冲时钟信号 第一部分: 设q w, 为 时 刻.l 时 存 贮 在 c ( i ) 上 的 电 荷 在1 时 刻 ， d ， 导 通: q ( 1 ) , = c ( v ,n 一 v r x ) 二 c ( v , “一 v i - h ) = cv, 其 中v k 代 表 每 一 级 二 极 管 的 电 压 最 大 增 益。 式( 3 .2 ) 在 ， + 1+ 2 时 亥 ” d ， 截止， d 2 导通。 此时由c ， 向c ， 传送电 荷g ,_ , q ( 2 ) ， i = q (2 ) j + 。 ，一 。 ，告 = q ( 1) ， 一 g ，一 q ( 2 ) ，+zj i 一 q (1)， + , + c (v ,2一 v . ) 综合以上三式可得 q ( 2 ) j = 2 c 气一 2 g rn . 同理在.1 时刻， d 3 导通: q ( 3 ) ; “ q ( 2 ) , + c 气 故有: q ( 3 ) , = 3 c 气一 2 g rro . 以 此类推， 在.l 时刻: 式( 3 . 3 ) 式( 3 . 3 ) q ( 2 k 一 1 ) j q ( 2 k ) = ( 2 k 一 1 ) c 叽一 2 ( k 一 1 ) 9 ,_ . ， = 2 k c 气一 2 杯. 式( 3 .4 ) 式( 3 . 5 ) 其中1 一 生时 ， 2万rc 尽可能的减小时钟脉冲周期。 b .尽可能利用片上最高的电源电压来产生时钟脉冲，以获得最高的时钟 脉冲的幅值。 c .为了达到相同的输出电压，在一定的范围内尽可能使用较多的级数的 电荷泵单元。 d .在集成电容器的选择上，应该选用寄生电容因子小的电容器，目前来 说，多晶一多晶电容的。 因子为 0 .0 5是比较理想的。电容类型确定后，选择较 大的电容对缩短电荷泵的上升时间也有所帮助。 e .尽可能的减少mo s 管的衬偏效应，也可以缩短电荷泵的上升时间。 二、交叉祸合电荷泵单元是近年来出现的新型电荷泵的结构，作者提出了6 管m o s 交叉祸合电 荷泵 链的结 构， 并比 较了 该结构与d i c k s o n电 荷泵的 输出 特性，结论如下: a.在低电源电压条件下，由于结构限制，d i c k s o n 电荷泵损失电压严 重:交叉祸合电荷泵由于结构上的优势，更适合工作在低电源电压下。 b .在低电源电 压条件下，交又祸合电荷泵链的输出电压性能优越. 第五章 结论 c .交叉祸合电荷泵链的上升时间性能优越。 三、本文在 6 管交叉祸合电荷泵的基础上提出了一种 8 管 4 倍电荷泵以及 其改进 7 管4 倍电 荷泵。该电 荷泵经过面积优化，并且加入防l a t c h - u p 效应的 p mo s管。以7 管交叉祸合电荷泵为例，输出电压比2级6 管交叉祸合电荷泵 链输出电压的提高了 3 0 .9 %;使用的器件数目比 2级 6管交叉藕合电荷泵链所 使用的器件数目 减少了4 1 .6 %a 以后的工作: 1 . d i c k s o n电荷泵上升时间表达式对n的微分方程对电荷泵优化设计有很 好的指导作用。在第三章中，作者给出了该超越方程。在以后的工作中，可以 将方程整理化简，使之更加方便的指导设计工作。 2 .6管交叉藕合电荷泵链的上升时间的模型建立也是下一步工作的方向，从 理论上比较6 管交叉祸合电荷泵链和d i c k s o n电荷泵的上升时间。 3 . 可以进一步优化 8 管 4 倍电荷泵单元， 将其连接成为链状结构，进一步 改进其输出电压性能。 参考文献 参考文献 1 c h u n g , h . s . h a n d w.c . c h o w , d e v e l o p m e n t o f s w it c h e d - c a p a c i t o r - b a s e d d c / d c c o n v e rt e r , i e e e i s c a s 1 9 9 9 , 1 9 9 9 . 5 : p . 2 0 2 - 2 0 5 ( 2 n g o , k . d .t a n d r . w e b s t e r , s t e a d y - s t a t e a n a ly s i s a n d d e s i g n o f a s w i t c h e d - c a p a c i t o r c i r c u i t , i e e e t r a n s a c t io n s o n a e ro s p a c e a n d e l e c t r o n ic s y s t e m s , 1 9 9 4 . 3 0 ( 1 ) 二 p . 9 2 - 1 0 1 3 c h u n g , h . s . h , d e v e l