（微电子学与固体电子学专业论文）低压cmos电荷泵的设计及应用.pdf

低压c m o s 电荷泵的设计及应用 摘要 电荷泵是一种运用电荷在电容中的积累来产生高压( 高于电源电压) 的电 路，它广泛应用在存储器电路中，诸如f 1 a s hm e m o r y ，用于对悬浮栅器件进行 写或擦除操作。同时，电荷泵还可以应用在需要高压来驱动模拟开关低电源电 压的开关电容系统和d c t o d c 转换器等电路中。 随着移动通讯系统的发展，低压低功耗已成为集成电路设计要求的趋势， 所以电源电压不断地降低。当电源电压减小到较低时( 比如1 伏) ，模拟m o s 开关将不能正常工作。为了解决这个问题，对低压模拟电路来说，设计高性能 的电荷泵电路是十分重要的。 在传统的c m o s 电荷泵电路中，电荷泵输出的电压受m o s 管的闽值电压限制， 所以当要求电荷泵的输出电压较高时，则不得不连很多阶来达到要求。特别是 在n 阱集成电路工艺，体效应使得每一阶n m o s 管的闽值电压都不断抬升，以至 于电荷泵的最高输出电压受到限制。针对这个问题，四相位的电荷泵电路由此 产生。但是这个电路的电流负载能力不太好并且它的驱动时钟信号必须是四相 位且不重叠。 本文首先对几种传统的电荷泵电路进行了系统的阐述和分析，在此基础上 提出了一种新型的二相位电荷泵电路，对该电路的结构设计和工作原理进行了 深入的理论分析，并对包括新型电路在内的几种电荷泵电路仿真比较，证实了 新型电荷泵电路能克服传统电路的不足，具有更高的性能。此外，基于新型的 电荷泵电路，设计了用于模拟开关电路的1 v 到3 3 v 的高压产生系统和用于 f l a s hm e m o r y 的3 v 到l o v 的高压产生系统，详细讨论了两种高压产生系统的 电路组成和设计考虑，并用台积电o 1 8 j i m c m o s 工艺( t 0 1 8 u ) 对两种高压产生 系统进行了h s p i c e 仿真，结果表明以新型电荷泵电路为核心的两个高压产生系 统都具有较高的性能。 关键词：c m o s 电荷泵；高压产生系统：仿真 d e s i g n a n d a p p l i c a t i o no f l o w v o l t a g e c m o s c h a r g ep u m p a b s t r a c t c h a r g ep u m p c 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 o ni nt h ec a p a c i t o r c a n p u m pc h a r g eu p w a r d t op r o d u c ev o l t a g eh i g h e rt h a nt h er e g u l a rs u p p l yv o l t a g e ， a n dt h e ya r ew i d e l yu s e di nm e m o r yc i r c u i t s ，s u c ha sf l a s hm e m o r y ，f o rt h e p r o g r a m m i n g a n de r a s i n go ft h ef l o a t i n g - g a t ed e v i c e s a tt h es a m et i m e ，c h a r g e p u m p c i r c u i t sa r ea l s ou s e di nt h el o w s u p p l y v o l t a g es w i t c h e d c a p a c i t o rs y s t e m s t h a tr e q u i r eh i g hv o l t a g et od r i v et h ea n a l o gs w i t c h e sa n dd e - t o - - d cc o n v e r t e r sa n d s of o r t h r e c e n td e v e l o p m e n to f p o r t a b l em i x e d m o d ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a v e b r o u g h tl o wv o l t a g e a n dl o w p o w e rc o n s u m p t i o n t ob eat e n d e n c yf o rc i r c u i td e s i g n ， s ot h es u p p l yv o l t a g ef a l l sc o n t i n u o u s l y w h e nt h es u p p l yv o l t a g ei sr e d u c e dt oa l e v e l ，s u c ha sl v ，t h ea n a l o gm o s s w i t c hw i l ln o t o p e r a t ea d e q u a t e l y i no r d e rt o o v e r c o m et h i sp r o b l e m ，c o n s t r u c t i n gt h eh i g hp e r f o r m a n c e c h a r g ep u m p c i r c u i t si s e s s e n t i a lf o rl o wv o l t a g ea n a l o gc i r c u i td e s i g n i nc o n v e n t i o n a lc m o s c h a r g ep u m pc i r c u i t s ，t h ep u m p i n gh i g hv o l t a g ei s l i m i t e db ym o st h r e s h o l dv o l t a g e ，s ot h a ti tc a nn o tu s el e s sc a s c a d es t a g e st op u l l u pah i g hv o l t a g ew h i c h w ew a n tt og e n e r a t e ，e s p e c i a l l yi nc m o sn w e l l i n t e g r a t e dc i r c u i t st e c h n o l o g y ，t h eb o d y e f f e c tw i l lc a u s et h en m o st h r e s h o l d v o l t a g ef o ll o w i n gt h ep u m p i n gv o l t a g et ob el i f t e da n dt h e nt h eh i g h e s tp u m p i n g v o l t a g ew i l lb el i m i t e d t h e r e f o r e ，af o u r p h a s ec h a r g ep u m pc i r c u i ti si n v e n t e dt o s u r m o u n tt h i sp r o b l e m ，b u tt h ec u r r e n tl o a d i n gc a p a b i l i t yo ft h i sc i r c u i ti s n n f a v o r a b l ea n dt h ed r i v i n gc l o c k sm u s th a v ef o u r - p h a s e n o n o v e r l a p p e ds i g n a l s ， t h i st h e s i s f i r s t l y m a k e sad e t a i l e d a n a l y s i s a n d e x p a t i a t i o n f o rs e v e r n l c o n v e n t i o n a l c h a r g ep u m pc i r c u i t s ，a n dt h e np r o p o s e sa n e wt w o p h a s e c h a r g e p u m p ，a n da n a l y z e si t ss t r u c t u r ea n do p e r a t i o n a lp r i n c i p l e a n dt h es i m u l a t i o n so f s e v e r a lc h a r g ep u m pc i r c u i t si n c l u d i n gt h en e w t w o p h a s ec h a r g ep u m pc i r c u i ta r e c o m p a r e d ，t h e r e s u l ti n d i c a t e st h a tt h en e w c h a r g ep u m p o v e r c o m e st h e s h o r t c o m i n g s o ft h ec o n v e n t i o n a l c i r c u i t sa n dh a st h eb e t t e r p e r f o f i n a n c e f u r t h e r m o r e ，b a s e do nt h ep r o p o s e dn e wc h a r g ep u m pc i r c u i t ，a1vt o3 3 vh i g h v o l t a g eg e n e r a t o rw h i c hi s u s e di n a n a l o gs w i t c hc i r c u i ta n da3 vt o 10 vh i g h v o l t a g eg e n e r a t o rw h i c hi sa p p l i e dt oe e p r o m o rf l a s hm e m o r ya r ed e s i g n e d ，t h e c o m p o n e n t sa n dd e s i g nt h o u g h to f t w oh i g h v o l t a g eg e n e r a t o r sa r ea l s od i s c u s s e di n d e t a i l a n dt h es i m u l a t i o n so ft w oh i g h v o l t a g eg e n e r a t o r sa r ea c c o m p l i s h e db y t s m co18 删c m o s t e c h n o l o g y ( t 0 18 u ) ，t h eo u t c o m et e s t i f i e st h a tt w oh i g h v o l t a g eg e n e r a t o r st h a tt a k et h en e wc h a r g ep u m pa st h ec o r ec i r c u i th a v et h eh i g h e r p e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：c m o s c h a r g ep u m p ；h i g hv o l t a g eg e n e r a t o r ；s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得钓研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒起王些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥魍王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒 蟹曼些叁堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：导师签名 签字日期：年月日 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 本论文是在合肥工业大学毛友德教授和合肥工业大学兼职教授、世宏科技 ( 苏州) 有限公司总裁、叶兆屏博士的悉心指导下完成的。两位导师学识渊博、 治学严谨，对科学有着浓厚的兴趣。他们平易近人的工作作风和循循善诱的师 长风范，给我留下了深刻的印象，将使我终生受益。感谢两位导师的支持、培 养和无私的教诲! 该课题研究工作是在世宏科技( 苏州) 有限公司完成的。在课题研究期间， 世宏为我提供了良好的软、硬件环境。在日常生活中受到了世宏公司上下员工 的关照，在此向他们表示我由衷的感谢。特别要感谢朱美虹工程师和王竞工程 师在我的课题研究期间给予的帮助! 同时，感谢所有教育和帮助过我的老师感谢他们在我成长的道路上给予 的教育、培养和关心! 楚薇 2 0 0 4 年3 月 第一章绪 论 1 。l集成电路的发展状况 自1 9 5 8 年美国德克萨斯仪器公司( t i ) 发明集成电路( i c ) 后，随着硅平 面技术的发展，二十世纪六十年代先后发明了双极型和m o s 型两种重要的集成 电路，它标志着由电子管和晶体管制造电子整机的时代发生了量和质的飞跃， 创造了一个前所未有的具有极强渗透力和旺盛生命力的新兴的集成电路产业。 集成电路是现代信息产业和信息社会的基础，是改造和提升传统产业的核 心技术。随着全球信息化、网络化和知识经济浪潮的到来，集成电路产业的战 略地位越来越重要，它己成为事关国民经济、国防建设、人民生活和信息安全 的基础性、战略性产业。 在集成电路的发展历程中，世界i c 产业为适应技术的发展和市场的需求， 其产业结构经历了三次变革。 第一次变革：以加工制造为主导的i c 产业发展的初级阶段。 7 0 年代，集成电路的主流产品是微处理器、存储器以及标准通用逻辑电路。 这一时期i c 制造商( i d m ) 在i c 市场中充当主要角色，i c 设计只作为附属部门 而存在。 第二次变革；f o u n d r y 公司与i c 设计公司的崛起。 8 0 年代，集成电路的主流产品为微处理器( m p u ) 、微控制器( m c u ) 及 专用i c ( a s i c ) 。这时，无生产线的i c 设计公司( f a b l e s s ) 与标准工艺加工线 ( f o u n d r y ) 相结合的方式开始成为集成电路产业发展的新模式。 第三次变革：”四业分离”的i c 产业 9 0 年代，随着i n t e r n e t 的兴起，i c 产业跨入以竞争为导向的高级阶段， 国际竞争由原来的资源竞争、价格竞争转向人才知识竞争、密集资本竞争。i c 产业结构向高度专业化转化成为一种趋势，开始形成了设计业、制造业、封装 业、测试业独立成行的局面。并且若再依靠高投入提升技术，追求大尺寸硅片、 追求微细加工，从大生产中来降低成本，推动其世界半导体工业的增长，将难 以为继。而i c 设计企业更接近市场和了解市场，通过创新开发出高附加值的产 品，直接推动着电子系统的更新换代；同时，在创新中获取利润，在快速、协 调发展的基础上积累资本，带动半导体设备的更新和新的投入；i c 设计业作为 集成电路产业的”龙头”，为整个集成电路产业的增长注入了新的动力和活力。 目前，世界集成电路产业的发展十分迅速。2 0 0 0 年世界半导体产值达2 0 0 0 亿美元，而以集成电路为基础的电子信息产品的世界市场总额超过l 万亿美元， 成为世界第一大产业。据国外权威机构预测，未来十年内，世界半导体的年平 均增长率将达l5 以上，到2 0 1 0 年全世界半导体的年销售额可达n 6 0 0 0 、8 0 0 0 亿美元，它将支持4 5 万亿美元的电子装备市场。集成电路的技术进步e j 新月异。 目前世界集成电路大生产的主流技术为8 英寸0 。2 5 微米，正在向1 2 英寸0 1 8 微米 过渡，根据美国半导体协会( s i a ) 预测，至u 2 0 1 0 年将能达到1 8 英寸0 0 7 0 0 5 微 米。集成电路的技术进步还将继续遵循摩尔定律，即每1 8 个月集成度提高一倍， 成本降低一半。 1 2电荷泵电路设计的必要性 我们通常所说的“芯片”是指集成电路，它是微电子技术的主要产品。自 上世纪5 0 年代晶体管诞生以来，微电子技术发展异常迅速，目前已进入甚大规 模集成电路和系统集成时代，微电子技术已经成为整个信息时代的标志和基础。 可以毫不夸张地说，没有微电子就没有今天的信息社会。现在，电子信息产业 已经成为世界第一产业。毫无疑义，本世纪将是信息化的世纪，因此本世纪的 微电子技术将得到高速发展。 随着工艺水平的不断提高。器件特征尺寸不断减小，低功耗的要求越来越 高，对于将来的c m o s 甚大规模集成( u l s i - - u l t r a l a r g es c a l ei n t e g r a t e d ) 电 路设计来说。电源电压低于2 v 已成为必要。尤其，对于可移动通讯系统来说， 为了降低成本节省能源延长电池寿命，低功耗是至关重要的，由此一个主要的 设计趋势就是降低电源电压。在传统的数字c m o si c s 中，电源电压的降低直 接导致速度变慢，噪声容限变小。而在模拟开关控制的应用中，低于2 v 将不 能正常工作。并且要让整个系统能正常工作，系统中的不同成份必须工作在不 同的电源电压下。要解决这个问题，方法就是用电荷泵电路来泵出电压以满足 不同的要求。 如图1 l 所示，在开关电容系统中，电荷泵输出的高压被用在模拟开关上 来控制m o s 开关“打开”和“闭合”。 如图卜2 所示，是高压产生器应用的另一例子，应用在f l a s hm e m o r y 中对 存储单元进行写或擦除操作。大部分f l a s h m e m o r y 擦除采用的方法是隧穿效 应，而编程采用的方法是热电子注入效应。 s w h c h f u l l y 哺r m , t t l n l s 嘲d h o u 如u t c 幻ac j l o r甜r i j c t u r e c a p a c l t o r 图1 - i开关电容系统 c o n t m lg 8 t el d v p s u b s t r d l e 图l - 2f l a s h 存储单元结构写操作 图1 2 所示的f l a s h 存储单元结构由i n t e l 公司提出，结构中采用了非常薄 的一层隧道氧化层，利用栅氧化层的不同部位分别进行编程和擦除操作。编程 时，在栅极上加上1 0 v 左右的电压，漏极上加5 v 左右的电压，而源极接地， 产生热电子注入，从而进行写操作。 1 3本文的组织框架 。 本论文共分为五章，这是第一章即绪论。第二章对几种传统的电荷泵进行 了系统的阐述和分析，并且提出了一种新型的两相位电荷泵。此外，在这章中 这几种电荷泵还进行了比较，结果表明相对于传统的电荷泵电路，新型电荷泵 电路的效率大为提高。在第三章中，介绍了一种应用在模拟开关电容中的1 v 到3 3 v 高压产生系统，在这个系统中包括电荷泵电路和一些稳定输出高压的反 馈电路，诸如高压传感电路和压控振荡电路等。而在第四章也介绍了一种3 v 到1 0 v 高压产生系统，它应用在f l a s h m e m o r y 中，进行f l a s h 单元的写操作或 擦除操作。在这个系统中有电荷泵电路和较为稳定的时钟电路，还应用了带隙 基准电压源( b a n d g a pr e f e r e n c e ) 产生的参考电压与输出电压进行比较，从而 稳定输出。最后，给出了结论和将来进一步需要深入的工作。 2 1概述 第二章m o s 电荷泵电路 电荷泵电路是一种运用电荷在电容中的积累来产生高压( 高于电源电压) 的电路，它广泛应用在存储器电路中。对于s r a m ( 静态存储器) 或者 d r a m ( 动态存储器) 来说，它可以用来减少漏电流或者加快对存储器单元充放 电的时间：而在非挥发性存储器，如f l a s hm e m o r y ( 快闪式存储器) 中，需要 用电荷泵电路产生的高压来实现对存储器单元( 即浮动栅器件) 的写操作或擦 除操作。同时，随着低功耗的需求越来越高，电源电压则不断将低，电荷泵电 路应用也变得更加广泛。电荷泵电路还可以应用在需要高压来驱动模拟开关的 低电源电压开关电容系统、数模转换器和d c t o d c 转换器等电路中。 本章将对几种传统的电荷泵电路进行系统的阐述和分析。这几种传统的电 荷泵电路是d i c k s o n 电荷泵电路、k i u c h i 电荷泵电路、t s u f i m o t o 电荷泵电 路、四相位电荷泵电路和j i e h - t s o r n gw u 电荷泵电路。其中，由于d i c k s o n 电荷泵电路的每一阶都有阕值电压损失，从而使得它输出的最高电压受到限 制。而k i u c h i 电荷泵电路和t s u j i m o t o 电荷泵电路都是基于d i c k s o n 电荷泵 电路设计的，所以这两种电荷泵电路有着与d i c k s o n 电荷泵电路同样的问 题。目前，四相位电荷泵电路被认为是一种较好的电荷泵电路，常常被工程师 采用。它解决了d i c k s o n 电荷泵电路出现的问题，但麻烦的是，它必须用四 相位时钟信号来驱动电荷泵电路。j i e h t s o r n gw u 电荷泵电路虽然也克服了 每阶阈值电压损失问题，但它的输出端却存在阈值电压损失，使得它的效率有 所降低。 在这章中，一种新型的电荷泵电路被提出，它克服了以上几种传统的电荷 泵电路出现的问题，效率大为提高。 2 2传统的电荷泵电路 2 2 1d ic k s o n 电荷泵电路 图2 一l 所示的是四阶d i e k s o n 电荷泵电路，它是由二极管连接并联电容组 成，二极管的作用是使电荷只能朝个方向传送，即v 1 n 到v o u t 。图中，c 和q 分别是耦合电容和寄生电容：c o u t 是负载电容；c l k a 和c l k b 是时钟 信号且互不重叠，两者电压振幅大小都为屹( 一般以等于电源电压v d d ) ， 如图2 2 所示。 通常，为了输出电压能够高于电源电压，就要让这个电路对寄生电容不敏 感，我们选择c g 0 1 c 。在图2 1 中，第i 个节点和第i + 1 个节点的电压差 为： v 工 k “一哆= ，一吒一 ( 2 1 ) 翠举举举 ； ； i ； 山、j ，j j clk clk b 圈2 1 d i c ks o d 电荷泵电路( 二极管连接) vdut 似a 厂 厂 厂 厂 广 熘 厂 厂 厂 厂 厂 图2 2互不重叠的时钟信号c l k 4 和c l k b 其中，矿是i 节点处的电压： + l 是i + 1 节点处的电压； 是二极管的正向偏置电压； 是指在节点i 处时钟信号电压被耦合电容c 和寄生电容c 。分压 后的电压值，即 吒嘶燕= 讫磊 协z ， k 是指当电荷泵向外界提供电流时从i 点处流走的电荷量所引起的 电压降，即： 圪= 瓦再l 丽o u t ，这里。是输出电流：厂是时钟频率( 2 - 3 ) 把( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) 式代入( 2 1 ) 式可得： k r = ，瓦c 百i 一丽1 , m r 一= a v 一 ( 2 - 4 ) 这里矿代表在第i 个节点上的电压增量。 而对于 阶的电荷泵电路，输出电压。，则用下式表示： w 一2 n 。石睾杀一话再l 丽o u t 一 ；即( 矿一) 爿卜 v o = + n o x v 一) ( 2 - 5 ) 从( 2 - 5 ) 式可知，输出电压。，随着阶数 的增加而增大，但电流的驱 动能力却与阶数 无关。 事实上，在m o s 工艺中，由于p ，| 结的正向偏置问题，二极管很难制造， 所以通常都用m o s 管来代替二极管，如图2 3 所示。 * 图2 - 3用m o s 管代替二极管 图2 1 就变为图2 - 4 ： vdd c c 螋 c s 扯 图2 4d i c k s o n 电荷泵电路( m o s 管连接) v0u t t 用m o s 管代替二极管时，由于m o s 管的体效应，d i c k s o n 电荷泵电路的 输出电压将会被限制。此时( 2 - 5 ) 式将改为： ，1 f g o u t - - 钏燕一丽l o u t 一巧( 例= 啦y 一( 2 爿卜 w = + n a v 一( + 1 ) 】 ( 2 - 6 ) 这里巧( + ，) 是指i + 1m o s 管的闽值电压。 当m o s 管的源极和衬底之间的电压不为零时，体效应发生，源极和衬底 间的反偏电压将使m o s 管的阈值电压变大。它们之间的关系用下式表示： = o + y 2 q ) i + y 一4 2 ( k s 】 ( 2 - 7 ) 其中，坼是m o s 管的阈值电压： 巧。是指m o s 管的源极和衬底之间的电压为零( 即= o v ) 时的 阈值电压； r 举 ；l 举：卫 sc 翠址 鸲 2 矽，是指强反型发生时在耗尽层上的压降，等于两倍的费米势能 ( 费米势能大小是，) ； 而参数y 用下式表示： t ，x _ 2 q s 。n h ( 2 8 ) 6 帕 其中，口是电子电量( 1 6 1 0 。9 c o u l o m b ) ； 占。，是硅的介电常数； f 。是氧化层的介电常数； t 。是氧化层的厚度； 是指衬底的掺杂浓度： 假设电荷泵电路的输出电流，。为零，此时电路j 节点的电压增益。( f ) 可 用下式表示： r f m ( ) 2 c i 羔+ c s i 一_ ( f ) ( 2 _ 9 ) 从等式( 2 - 7 ) 可知，电路中m o s 管的阈值电压随着源极和衬底之间的电 压( f ) 的增大而增大。在等式( 2 口) 中，当石睾高等于( f ) 时，增益 ，。( ，) 为零。也就是说，在电路中随后的第，+ 1 阶、第i + 2 阶都不会比前 一级的电压增加，自然也不能使输出端的电压更有所增加。 如果c c ，则( 2 - 9 ) 式变为： 。( i ) = 一巧( f ) ( 2 10 ) 当。( i ) = 0 时， = ( f )( 2 11 ) 也就是， = + y 扫而一两】 ( 2 。1 2 ) 从上式可得出d i c k s o n 电荷泵电路输出电压的最大值( ，) 。，即 。( i ) ： ( k 一，) 。= ，( f ) = f 竿 iyj 综上所述，d i c k s o n 电荷泵电路的每一阶都有阈值电压损失，而且它的输 出电压的最大值还会受到限制。 2 2 2kiu c hi 电荷泵电路 k i u c h i 电荷泵电路是基于d i c k s o n 电荷泵电路设计的，它的结构如图2 5 所示。其中，在每个虚线框中都是一个d i c k s o n 电荷泵电路。k i u c h i 电荷泵 电路由d i c k s o n 电荷泵电路并行连接到同个输出组成。在电路中，有f 对时 钟信号c l k a ，c l k b ，c l k a l ，c l k b l ，c l k a n ，c l k b n ，如图2 - 6 所示，它们都错 开t i n 相位。这使得输出电容c 。，每隔巧n 秒充一次电，而不像d i e k s o n 电荷 c l k b n l i o 一- l 倒2 5k i u c h i 电荷杂电路 w n - 卜 呲a 广 广一l 厂 乱姗 厂 厂 l _ t hi c 。k 剐厂 厂l 厂 钆媚1 厂 广 i ； ； ： - ： ： ： 一 c 。脚广 广l 厂 吼舳“ 厂厂 闰2 - 6 k i u c h i 电荷泵电路的时钟信号 泵电路一个周期t 才充一次电。所以，它的输出电压更稳定，电流驱动能力比 d i c k s o n 电荷泵电路更大。但是，它需要更大的芯片面积，并且它的输出电 压也受到限制，因为它的主体结构仍是d i c k s o n 电荷泵电路。 2 2 3 t s u ji m o t o 电荷泵电路 t s u j i m o t o 电荷泵电路的结构如图2 7 所示，是由两个d i c k s o n 电荷泵电 路组成，克服了一些m o s 管阈值电压以的限制。 广i f i r 。s t c h a r g ep u m p c i r t u r 一一一一一一一一。一一一一一? 0 竺竺瞥竺晋三竺吁! 苎- i 图2 7t s u j i m o t o 电荷泵电路 在t s u j i m o t o 电荷泵电路中，第一个电荷泵电路实质上与传统的d i c k s o n 电荷泵电路一样，但是它的输出端。连接了高阻单元，使得这个电路几乎 没有外部电流损失。因此，从等式( 2 - 6 ) 可看出，从某一阶传输到下一阶的 ， 电荷量鲁( 以下的式子都是在c c 。条件下的) 是非常小的：每节点的电 l 矿 ， 压增益也由一笔一( + i ) 几乎变为v d d - - ( 形+ ，) 。所以，对于几乎没有外 l v 部电流损失的电路来讲，即使输入电压较低，输出电压。，也能够输出较 高的电压。 在第二个电荷泵电路中，m o s 管的栅极都连着第一个电荷泵电路相应的 节点，而不是把m o s 管的栅极和漏极连在一起。这个电路实际上就是一个开 关电路，它通过控制m o s 管的栅端电压，来让m o s 管处于“打开”或“关 闭”状态，从而克服了在二极管连接式的m o s 管中存在的阈值电压损失问 ， 题。此时，每节点的电压增益也从一熹一( k + ，) 变为一( + ，) 。所 l p 以，对于给定的输出电流f 。，输出电压v o 。：也能够输出较高的电压；换句话 讲，对于给定的输出电压k 。：，电路则可以带较大的输出电流，。 然而，由于第一个电荷泵电路是与d i c k s o n 电荷泵电路一样，尽管它几 乎没有外部电流损失，但此电路仍然受到阖值电压的限制，不能输出很高的电 压。自然，控制第二个电荷泵电路中m o s 管的栅端电压也会有一定的限制。 因此，它的输出电压也不会有明显的提升。 2 2 4四相位电荷泵电路 为了解决以上传统电荷泵电路出现的问题，提高效率，一种四相位电荷泵 电路被采用，如图2 8 所示。它需要四个时钟信号，其相位如图2 - 9 所示。 fd 上 f 1 zt7 f 山山山 幽2 - 8四阶四相位电荷泵电路 四相位电荷泵电路的工作原理如下：根据四相位电荷泵电路时钟信号图 2 9 所示，( 1 ) 最初时时钟信号f 3 为高电位，则m c 2 管处于导通状态：( 2 ) 当时 钟信号f l 由低电位变为高电位时，f l 的脉冲电压经电容c l 耦合，通过m c 2 管给电容c g 2 充电，也就是给m 2 管的栅端充电，使得m 2 管的栅端电位与它 的漏端电位相同；( 3 ) 当时钟信号，3 由高电位变为低电位时，m c 2 管截止，从 而m 2 管的栅端与漏端断开，但电容c g 2 上仍保持刚才充电时的电压，同时， m 2 管的源极电位下降，m 2 管开始导通；( 4 ) 当时钟信号f 2 由低电位变为高 电位时，由于电容c g 2 已预充了一定的电量，f 2 的脉冲电压会经电容c g 2 祸 合，使得m 2 管的栅端电压比它漏端电压高出很多，也就是说，m 2 管漏端的 电位会完全地传到它的源端。闺值电压”损失的消除意味着从电容c 1 到下一 卜一t 一 a ) ! ：o ) f ( 4 ) ：( 6 ) ! 幛) ( 7 ) j 啦) f _ 图2 - 9四相位电荷泵电路的时钟信号 阶可以提供更大的电流。电容c 1 上的高压也开始给电容c 2 充电并且它也通过 m c 3 管快速地给电容c g 3 充电。( 5 ) 当时钟信号f 2 由高电位降到低电位时， m 2 管开始截止：( 6 ) 当时钟信号f 3 由低电位升为高电位时，m c 2 管导通，电 容c g 2 开始放电，使m 2 管的栅端电压和它的漏端电压相同，以至于m 2 管能 够迅速截止；( 7 ) 当时钟信号f 1 由高电位变为低电位时，m 2 管截止而此时 m c 2 管导通，使m 2 管的栅端与漏端电位相等：( 8 ) 当时钟信号f 4 由低电位变 为高电位时，m 3 管完全导通，电容c 2 开始给电容c 3 充电，使电荷一步步向 。传输。 从以上分析，可知四相位电荷泵电路中的m o s 管通过控制它的栅端电压 从而作为开关元件，而不像二极管，从而避免了闽值电压损失，增强了电路的 效率。缺点正如前面所讲的，它需要四个不同相位的时钟信号。 2 。2 。5 j i e h - t s o r n g 撵u 电荷泵电路 为了使电荷泵电路所需时钟信号简单，且效率能较为提高，j i e h t s o r n g w u 提出了一种电荷泵电路，如图2 1 0 所示。其中， f 管作用是给每个节 点预充一定的电位：m s i 管是传输管；m n i 管和脚f 管是用来控制m s i 管的栅 端电压，使之“打开”或“关闭”；6 z k a 和c l k b 是两个反向的时钟信号。 它的工作原理如下： 假设时钟信号c l k b 是高电位而c l k a 是低电位，脚j 管( i 是奇数) 导通， m n i 管( i 是奇数) 截止，m s i 管( i 是奇数) 的栅端连接到下一个节点i + l ( f 是奇 图2 一1 0四阶j i e h ts o r n gw u 电荷泵电路 数) 上，电压从输入节点经过m s i 管( f 是奇数) 传输到输出节点i ( i 是奇数) 。因 此电容c f ( i 是奇数) 被充电，直到时钟信号c l k a 变为高电位。当时钟信号 c l k a 由低电位升到高电位时，m n i 管( i 是奇数) 导通，m p i 管( i 是奇数) 截 止，并且m s i 管( i 是奇数) 也截止用来防止反向电流发生。同时，由于节点i ( i 是偶数) 此时处于较低电位状态，则m p i 管( i 是偶数) 导通，m n i 管( i 是偶数) 截止，而m s i 管( i 是偶数) 的栅端连接到下一个节点f + 1 ( i 是偶数) 上，所以此 时m s i 管( i 是偶数) 的栅端处于较高的电位，能够使电位从节点i ( i 是偶数) 传 输到下一个节点i + l ( i 是偶数) 上。 从图2 1 0 可以看出，四阶的j i e h t s o r n gw u 电荷泵电路为了保证每阶的 m p i 管能够有效地控制相应的m - n i 管的栅端电位，通过反向控制在需要“关 闭”时能够使m n i 管完全处于导通状态，则必须使用五个电荷泵电容c f 来满 足要求，增大了芯片的面积。还有它的输出端也必须用二极管连接式的m o s 管来引出输出，这样做会使此电路在输出端有了阚值电压h 损失，降低了电 路的效率。 事实上，此电路还可以简化成图2 1 1 ，并不影响电路的运作。 图2 1 1简化的四阶j i e h y s o r n gw u 电荷泵电路 2 3新型的电荷泵电路 正如前面所讲述的，d i c k s o n 电荷泵电路由于有阈值电压损失而不能输出 很高的电压。对于基于d i c k s o n 电荷泵电路设计的k i u e h i 和t s u j i m o t o 电荷 泵电路来讲，存在着同样的问题。尽管四相位电荷泵电路解决了以上几种电路 出现的问题，但它却需要四个不同相位的时钟信号。j i e h t s o r n gw u 电荷泵 电路虽然也克服了阈值电压损失问题，但它的输出端却存在阈值电压损失，使 得它的效率有所降低。下面，本文将提出一种新型的电荷泵电路，它解决了阈 值电压损失问题，并使用了简单的时钟信号，也防止了输出端的闽值电压损 失，从而这个电路的效率更高、更加实用。 本节首先介绍在新型电荷泵电路中运用的时钟产生电路的基本原理，接着 再阐述这个电路的基本结构和工作原理。 2 3 1 时钟产生电路的基本原理 在新型的电荷泵电路中，这个时钟产生电路起着重要的作用，它控制电路 中m o s 传输管的栅端，让m o s 管完全地“打开”或“闭合”，从而能够让电 压一阶一阶地没有闽值损失的传输下去，其结构如图2 1 2 所示。 图2 12时钟产生电路 clk 3 在图2 - 1 2 中，c l k l 和c l k 2 是输入时钟信号：c l k 3 是输出时钟信号。 假设时钟信号c l k l 和c l k 2 的脉冲振幅都是o v 到。，且两者是反相位的， 如图2 13 所示。 假设当时钟信号c l k l 为o v 时，a 点的初始电位是。，此时时钟信号 c l k 2 为m p 管截止，而m n 管导通，输出时钟信号c l k 3 为o y ：当时钟 信号c l k l 变为，时钟信号c l k 2 变为0 矿时，c l k l 的脉冲电压经电容c k 耦 合，a 点电位变为2 v o 。，此时m n 管截止，而御管导通，a 点电压通过脚 管传输到时钟信号c l k 3 ，使之电位为2 。所以输出的时钟信号c l k 3 的振 幅为0 y 到2 。，但周期仍跟时钟信号c l k l 相同。 在新型电荷泵电路中，当时钟信号c l k l 为o v 时，a 点的初始电位并不总 v v d d c l k l 0 v v d d c i 妇 0 t t v 2 v d d c l i 。 0 图2 1 3时钟产生电路波形图1 t t 是矿。，假设a 点的初始电位是2 。，让我们来分析一下这个时钟电路如何得 到输出的时钟信号c l k 3 的振幅是0 矿到3 矿。如图2 1 4 所示，这里，时钟信 号c l k l 的脉冲振幅仍然是o 矿到。，为了得到输出的时钟信号c l k 3 的振幅是 0 y 到3 。，时钟信号c l k 2 的脉冲振幅必须变为o 矿到2 ，当时钟信号c l k i 为o v ，时钟信号c l k 2 为2 哌。时，a 点的初始电位是2 。，m p 管截止，而 m n 管导通，此时输出时钟信号c l k 3 为0 矿：当时钟信号c l k l 变为，时钟 信号c l k 2 变为0 矿时，c l k i 的脉冲电压经电容c k 耦合，a 点电位变为3 。， 此时m n 管截止，而m p 管导通，爿点电压通过m p 管传输到时钟信号c l k 3 ， 使之电位为3 n 。 v v d d c l k r 0 v 2 v d d 0t t v 3 v d d 2 v d d a 点 0 v 3 v d d c l l 锄m 宜 昌 0 歹矿。 十、 ，一：； c l -： l c l i ，t ： ll ，： i 赫一 ? 。扛： ：*， i?； ”u 咖 赭( t | m e ) 吼咖9 舶 图3 15时钟缓冲电路的仿真波形 表3 - 6时钟缓冲电路的器件尺寸 器件尺寸 p m o s = 1 2 0 t m三= 0 5 j m n o r 、n o r 4 w = 5 0 t i n l = o s u mn m o s n a n d 、fn a d n 2p m 0 s w = 1 0 0 9 ml = 0 5 g n n m o s = 2 5 p r ol = o 5 p m n a n d 3 | n a n d 4p m o s = 6 0 0 , u r n= 0 5 , u r n n m o s w = 1 5 0 m tl = o 5 p m 3 7仿真结果 整个l v 到3 3 v 的高压产生系统在温度为2 5 。c 时的仿真结果如图3 - 1 6 所 示，从上到下，依次是高压产生系统的输出电压。，、高压传感电路的输出电 压坶、压控振荡电路的输出时钟信号c 丛1 和 髟2 以及用来驱动电荷泵电路的 时钟缓冲电路的输出时钟信号c l k a 和c l k b 。 4 0 ；2 0 l 0 0 1 2 1 o 一 兰 0 8 0 6 ，。 ( v ) ：t ( s ) v ( v o u t ) ( v ) ：t ( s ) 二二 。 1 0 0 8 ，0 6 。0 4 0 2 0 0 三篓 图垂一亘v ( c l k a ) 图3 1 7 所示的是这个高压产生系统在温度为1 2 5 。c 时的输出电压，和高 压传感电路的输出电压坶的波形图。从此图中可以看出，高压传感电路的输出 电压耀仍然随。的增大而降低；高压产生系统的输出电压。也基本稳定在 3 3 v ，几乎不随温度变化。 4 0 2 d 0 0 i ，。 ( v ) ：t ( s ) v ( v o u t ) l 【s ， 蚓3 17i v 到