一種高效率低電壓3倍負(fù)壓電荷泵的設(shè)計(jì)

根據(jù)正壓電荷泵的理論推導(dǎo)出負(fù)壓電荷泵的基本單元，得出了低電壓供電的2倍負(fù)壓泵和為提高其效率而采取的一些優(yōu)化方法。最后在2倍負(fù)壓泵的基礎(chǔ)上給出一個(gè)1.5 V工作電壓高性能3倍負(fù)壓泵的設(shè)計(jì)實(shí)例。該3倍負(fù)壓泵的設(shè)計(jì)經(jīng)流片證明是成功的，并且已經(jīng)應(yīng)用于量產(chǎn)產(chǎn)品中。
關(guān) 鍵 詞 電荷泵; 3倍負(fù)壓泵; 效率

1 電荷泵原理
電荷泵能夠產(chǎn)生高于電源電位或者低于地電位的直流電壓。電荷泵分為兩類：開關(guān)電容電荷泵和Dickson電荷泵[1~7]。因采用N襯底P阱工藝實(shí)現(xiàn)，故本文只討論負(fù)壓電荷泵。本節(jié)根據(jù)開關(guān)電容正壓電荷泵的理論得到相應(yīng)的負(fù)壓電荷泵基本單元。本文所述的2倍和3倍電壓是將最高供電電壓作為參考電壓而言。
負(fù)壓泵核心電路如圖1所示[1]。P1, P2為PMOS管；C1, C2為電容；CLK1, CLK2為不重疊時(shí)鐘信號(hào)；VDD為供電電壓。C1和C2上極板交替產(chǎn)生負(fù)電壓。如果沒有產(chǎn)生穩(wěn)定電壓的需要，該電路是比較理想的。因?yàn)镻1和P2不存在像Dickson電荷泵中的閾值損耗問題；且襯底接VDD保證了P1和P2中PN結(jié)反相偏置。但我們需要產(chǎn)生的是穩(wěn)定的負(fù)電壓，這就需要一組時(shí)序開關(guān)管把C1和C2上極板的負(fù)電壓交替輸出。設(shè)計(jì)一組高性能的開關(guān)管是整個(gè)電荷泵設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。因?yàn)檩敵鲐?fù)電壓，為了避免閾值損耗，開關(guān)管選用NMOS管。但隨著NMOS管的引入，問題也隨之而來：由于不能保證NMOS管P阱電位為最低電位，從而不能保證傳輸時(shí)NMOS管所有PN結(jié)都反相偏置。 圖1 負(fù)壓泵核心電路VDDVDDP1P2C1C2CLK1CLK2
一種解決方法可以根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]提出的針對(duì)正壓泵的解決方法，本文得到相應(yīng)的負(fù)壓泵的解決方法如圖2所示。Vin為供電電壓，Vout為負(fù)壓輸出。該方法通過使用兩個(gè)電荷泵解決了NMOS開關(guān)管N1中PN結(jié)正向偏壓?jiǎn)栴}，但NMOS開關(guān)管N2中PN結(jié)正向偏壓?jiǎn)栴}仍未解決。
另一種解決方法如圖3所示[2]，其通過NMOS管N3和N4選擇最低電位接入NMOS管N1和N2的襯底，這避免了N1和N2中PN結(jié)正向偏壓，但N3和N4中PN結(jié)正向偏壓?jiǎn)栴}仍未解決。
文獻(xiàn)[2, 3]中的方法都需要增加額外的電路，且無法完全避免PN結(jié)正向偏壓?jiǎn)栴}。本文從應(yīng)用的角度出發(fā)，提出一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法，最大限度減小NMOS開關(guān)管中PN結(jié)正向偏壓?jiǎn)栴}給負(fù)壓電荷泵正常工作帶來的影響。

2 2倍負(fù)壓泵的設(shè)計(jì)及優(yōu)化
針對(duì)參考文獻(xiàn)[4]，將其中2倍正壓泵稍加改進(jìn)得到的2倍負(fù)壓泵電路，如圖4所示。圖4中，PMOS管P1, P2和電容C1, C2構(gòu)成一個(gè)電荷泵，作用是提供NMOS開關(guān)管N1和N2的開啟和截至動(dòng)作的柵極電壓，所以C1和C2的值可以很?。籔MOS管P3, P4和電容C3, C4構(gòu)成另一個(gè)電荷泵。產(chǎn)生的負(fù)壓通過NMOS開關(guān)管N1, N2輸出，通過控制N1和N2開關(guān)動(dòng)作順序就可以產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出負(fù)壓。電容Cout作用是平滑輸出電壓。下面就2倍負(fù)壓泵關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)和優(yōu)化做詳細(xì)討論。
2.1 NMOS開關(guān)管
NMOS開關(guān)管的wafer剖面圖以及寄生電路圖如圖5所示[3]。要完全消除寄生晶體管M1、M2和M3，必須讓P阱B接最低電位。文獻(xiàn)[2, 3]為了消除寄生晶體管(即避免PN結(jié)正向偏壓)而提出了不同的解決方法，但是都沒有解決所有的開關(guān)管的寄生晶體管問題。

下面討論P(yáng)阱B和漏極D相連的寄生電路情況，因?yàn)镹襯底接最高電位，又由于漏極D和源極S分別接電容，所以NMOS開關(guān)管的寄生電路可以簡(jiǎn)化為圖6所示。
觀察圖4和圖6，可以知道N1導(dǎo)通時(shí)，也是C3下極板放電且上極板產(chǎn)生負(fù)電壓的時(shí)候。如果這時(shí)N1中B點(diǎn)電位比S點(diǎn)電位高，寄生二極管D1導(dǎo)通，從而使C3的上極板產(chǎn)生不了理想的負(fù)壓，使電荷泵效率下降。要使C3的上極板產(chǎn)生較理想的負(fù)壓，就必須使C3下極板放電速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于N1中B點(diǎn)向S點(diǎn)放電的速度。實(shí)現(xiàn)這種功能，只要使驅(qū)動(dòng)CLK的NMOS下拉管尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于NMOS開關(guān)管尺寸就可以了。
2.2 時(shí)鐘信號(hào)
從圖4電荷泵的結(jié)構(gòu)可知，不重疊的CLK1和CLK2對(duì)保證電荷泵正常工作是非常重要的，負(fù)壓電荷泵的不重疊時(shí)鐘信號(hào)可以由圖7所示的方法實(shí)現(xiàn)，CLK為電荷泵的工作時(shí)鐘。
由2.1節(jié)的分析可知，提高CLK1和CLK2的邊沿垂直度可以提高C3下極板放電速度。提高時(shí)鐘信號(hào)的邊沿垂直度在低電壓、集成電容非常小的設(shè)計(jì)中，對(duì)提高電荷泵工作性能是非常有利的。所以可以在圖7的基礎(chǔ)上增加一個(gè)施密特觸發(fā)器(圖中標(biāo)識(shí)為SMIT)，如圖8所示。

2.3 電平轉(zhuǎn)換電路
圖4中，N1和N2 的柵極控制電壓邏輯擺幅是?1.5～0 V；N1和N2導(dǎo)通時(shí)其柵極電壓為0 V。如可以使N1和N2的柵極控制電壓邏輯擺幅為?1.5～1.5 V，即讓N1和N2導(dǎo)通時(shí)的柵極電壓為1.5 V，則可大大降低N1和N2的導(dǎo)通電阻，從而提高電荷泵的工作效率。負(fù)壓電荷泵的電平轉(zhuǎn)換電路[4]如圖9所示。圖中輸出電壓Vcon1用來控制圖4中N1的柵極，Vout為2倍負(fù)壓泵的輸出負(fù)壓。用CLK1作為電平轉(zhuǎn)換電路的輸入，這可以保證在C3上極板產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)N1管才導(dǎo)通?？刂芅2的柵極的電平轉(zhuǎn)換電路和圖9基本一樣，只要把圖9中CLK1換成CLK2，N2的柵極控制電壓為Vcon2。