PDF《一种低电压、高增益电荷泵》

第29 卷第

8 期电子与信息学报Vol.

29No.8

2007 年8月Journal of Electronics &

Information Technology Aug. .2007 一种低电压、高增益电荷泵 杨盛光 何书专 高明伦 李伟周松明 (南京大学微电子设计研究所 南京 210093) (南京大学江苏省光电信息功能材料重点实验室 南京 210093) 摘要:电荷泵在低压电路中扮演着重要的角色.作为片上电荷泵,其面临的主要问题是:电压增益、电压纹波和 面积效率.该文提出了一种新型的电荷泵电路,它采用辅助电荷泵、电平转移电路结构来产生不同摆幅的时钟,该 时钟被用来驱动开关管的栅极,以有效控制开关管的电导,提高电压增益.由于采用PMOS管作为开关管,传输过 程中避免了阈值电压损失.仿真结果显示,与以往文献中提到的电荷泵结构相比,该电荷泵具有更高的电压增益, 开启时间短,纹波小,在低压应用环境优势更为突出. 关键词:电荷泵;

电压增益;

开关管;

阈值电压;

电导 中图分类号:TN43 文献标识码:A 文章编号:1009-5896(2007)08-2001-05 A New Charge Pump with High Voltage Gain for Low Supply Environment Yang Sheng-guang He Shu-zhuan Gao Ming-lun Li Wei Zhou Song-ming (Institute of VLSI Design, Nanjing University, Nanjing 210093, China) (Key Laboratory of Advanced Photonic and Electronic Materials, Nanjing University, Nanjing 210093, China) Abstract: Charge pump plays an important role in low supply voltage integrated circuits. Three important issues of on-chip charge pump circuits are voltage gain, output voltage ripple and area efficiency. A new charge pump is proposed in this paper which introduces a subsidiary charge pump and two voltage level shifters. The new structure can generate different magnitude clocks to drive the gates of switch transistors, which will improve voltage gain of charge pump greatly by means of effective control of conduction of them. At the other hand, we can avoid the threshold voltage loss by taking PMOS transistors as switch transistors. Simulation results show: The new charge pumps have higher voltage gain, shorter start up time and small voltage ripple compared with those proposed in earlier papers, especially in low supply voltage environment. Key words: Charge pump;

Voltage gain, Switch transistor;

Threshold voltage;

Conductance

1 引言 电荷泵能够产生一个高于输入电源的电压.它们常被用 于非挥发性记忆体,如EEPROM和闪存,用来编程该类器 件的浮栅;

它们也可以被用在需要高压来驱动模拟开关的低 电压源开关电容系统[1] . 片上电荷泵的设计涉及一些重要问题:(1)电压增益,如 果电荷泵具有很低的电压增益,那将会导致很大的功率浪 费,不能满足便携式设备节能的要求;

(2)输出电压纹波,大 多数应用要求输出电压低纹波,如果纹波太大,电荷泵供电 的电路的性能会大大下降;

(3)面积效率,一般要求最小化电 荷泵占据的芯片面积,这样可减小整个芯片的面积,并且降 低制造成本[2] .

2 相关研究 最简单的电荷泵是二极管电荷泵,它用二极管作为电荷 2005-11-25收到,2006-05-08改回 国家自然科学基金(90307011)资助课题 传输器件.二极管电荷泵的理想输出电压表达式为 ( ) OUT DD DD t V V V N V 1) 其中 为二极管的正向压降,N 为级数, - 为单级电 压增益.可见输出电压随着级数的增加呈线性增加.但是由 于在同一块衬底上形成许多相互独立的二极管是非常困难 的,而且二极管的正向压降很难按比例增加或缩小.于是, Dickson 提出一种改进的电荷泵结构,用二极管连接的 MOSFET 代替二极管作为传输器件,即Dickson 电荷泵 (CP1). t V DD V t V 图1Dickson 电荷泵电路

2002 电子与信息学报第29 卷Dickson 电荷泵的结构如图

1 所示.电荷泵泵送电荷过 程当中,每一级的输出电压随之增加,由于 MOSFET 的体 效应,导致 MOSFET 的阈值电压( )也随之增加.衬偏电 压( )与传输管的 之间的关系如式(2)所示. th V SB V th V ( ) th th0 FB SB FB

2 V V V γ φ φ = + + ?

2 (2) 其中 为衬偏电压为零时的阈值电压, 为平带电压,γ 为常系数.可见,其单级电压 - 和输出电压都低于相 同级数的理想二极管电荷泵,而且随着级数增加,效率下降 显著. th0 V FB φ DD V th V 一些缓解 损失问题的方法相继被提出来.可以采用 复杂的时序控制表 th V [3] 或者利用反馈控制[1] 的方法,但是它们 都有引入反向电流的风险;

有些文献中还提到了采用浮栅器 件来消除体效应的方法[4] ,但是该类电荷泵容易产生衬底电 流.文献[5]中提出了一种改善 损失问题的电荷泵结构 (CP2,见图 2).它将MOSFET的衬底当作一个有源端使用, 通过控制衬底电压,可以得到比Dickson电荷泵更高的电压 增益. 该结构使得衬底和实际的源端(源端和漏端的较高电压 者)连接在一起, 去除了体效应对阈值电压的影响, 有效抑制 了衬底漏电流,但是也从一定程度上减弱了开关管的电导, 启动较慢,并且制作工艺也会变得复杂. th V 图2衬底受控制的电荷泵电路 文献[1]提出了一种新颖的电荷泵结构(CP3,见图 3), 该结构采用电荷传输开关(Charge Transfer Switch, CTS)来 引导电流,并产生电压增益.利用内部 Dickson 电荷泵产生 的增强电压来控制 CTS 中的传输开关,这种电荷泵适用于 低压操作.该方法的设计思想是以 MOSFET 开关周期性的 导通/截止来引导电流,而不是以二极管的单向导电性来引 导电流, 其特点是启动时间短和具有较高的电压增益. 但是, 反向电荷共享却成为该结构不可避免的缺点. 本文提出了一种新型的电荷泵结构(CP4),采用 PMOS 管作为传输开关,并且利用辅助电荷泵和电平转移电路来产 生开关控制时钟,能够较大地缓解阈值电压损失和反向电荷 共享带来的电压增益下降问题.实验结果显示:该新型电荷 泵比上述几种电荷泵具有更好的电压增益. 图3采用静态 CTS 的电荷泵电路

3 基本原理 新型电荷泵的设计需要考虑到以下一些基本问题: (1)NMOS/PMOS 管传输特性 根据 MOS 管自身的特 性,可以知道:将NMOS 管作为传输管,则其在传输高电 平(>

)时会有阈值损失,然而截止条件自然满足;

将PMOS 管作为传输管,则其在传输低电平(<

)时会有 阈值损失,但是截止条件较难实现.可见,如果栅控电压可 以满足要求,那么 PMOS 管更适合于传输高电平. CC th - V V th V (2)开关管电导 串联开关管的电导是由其过驱动电压 ( )决定的, 并与其呈正比关系. 传导电流( ) 与 的关系(忽略了沟道长度调制效应)如式(3)所示: OV GS th = V V V ? D I OV V OV OV

2 DS OX OV DS OV OV DS

2 OV OX OV OV DS exp ,

0 1 , 0,

2 , 0, S D qV I V kT W I uC V V V V V L W u V C V L ? ? ? ? ? ? ? <

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? = ? ≥ >

? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ≥ ≤ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? V V V (3) 其中 为与 无关的常数,q 为单位电荷,k 为珀尔兹曼 常数, T 为温度, u 为载流子迁移率, 为栅氧电容, (W/L) 为沟道宽长比, 为漏源电压.当≥0 时,开关管处于三极管区,开关 管电流与 成线性关系;

当≥≥0 时,开关管处 于饱和区,开关管电流与 成平方关系. S I OV V ox C DS V OV V OV V OV V DS V OV V DS V OV V OV V 可见,要提高电压增益:第一,要保证开关管在时钟的 控制下能周期性地导通/截止;

第二,在导通状态时,开关 管电导需要尽可能大,即 尽可能大,在截止状态时,开 关管电导需要尽可能小,即 尽可能小.由于在电荷泵泵 送电荷的过程中,串联的开关管处在不同的电压条件下,因 此控制时钟的幅度也必须根据各个开关管所处电压环境来 确定. OV V OV V (3)非交叠时钟 在较高频率(约大于 1MHz)时,动态功 耗就变得特别重要.为了减小动态功耗,必须避免使用交叠 时钟来控制相邻的两个串联开关管.设计中通过加入非同步 第8期杨盛光等: 一种低电压、 高增益电荷泵

2003 生一四倍增电平( =4 ),中间两个电平转移电路实现 CP V IN V 延迟的方法来产生非交叠时钟,文中不介绍时钟产生电路. 了时钟由摆幅 到和的转变,而其产生的时钟用 来控制主电荷泵的工作. IN V DD V CP V

4 电路实现 考虑到阈值电压损失的影响,我们采用 P 型MOSFET 作为开关管,因为其可以防止阈值损失,理想情况可以实现 零传输损耗.将衬底与源端(正向泵送电流时的源端)相连, 去除衬底偏压对阈值电压的影响,结构简单,利于集成. 假设 = ,时钟CLK

1、CLK2 为反相时钟,幅值 为 .理想情况下,分析图

5 的电路可知,辅助电荷泵可 以将 抬升至

2 ;

由图

6 电路可知,电平转移电路实 现了时钟(CLK)摆幅的提升,CLK_H1 摆幅为 ,CLK_ H2 摆幅为 - , 且两时钟反相;

由图

4 可知, 在和2之间作周期性变化,V IN V CC V CC V DD V CC V DD V CP V be V CC V CC V 2在2和3之间作周期性 变化, V CC V CC V 3在3和4之间作周期性变化, 而 基本稳 定在

4 . 开关管处在导通/截止状态时各端点的状态如表

1 所示. CC V CC V CP V CC V 使用 P 型MOSFET 作为开关管面临的主要问题就是如 何使开关管有效地截止或导通(即周期性地控制开关管的电 导). 本设计中采用辅助电荷泵和电平转移电路, 用于调整控 制时钟信号的幅值,以达到有效控制开关管电导的目的.新 型电荷泵系统结构如图

4 所示.它由辅助电泵(SUB CP,具 体电路结构见图 5)、电平转移电路(LEVEL SHIFTER,具 体电路结构见图 6)和主电荷泵(MS CP)3 部分组成. 对于 PMOS 管而言, 其导通条件为: .通常情况: . OV GS =Max( , V V ? GD TP ) | |

0 V V ? ? ≥ CC TP be TP V V V V 由表

1 可知:P1-P4都能保证有效导通( 都较大,表 明开关管导通状态时的电导有了很大的改善), P OV V

1、 P3和P4能 保证有效截止( 都小于 0),P OV V 2在截止周期也将处在弱导 通状态.P2的状态会导致节点V2至V1的反向电流,影响电压 增益,但是由于P

1、P4的有效截止使得从输出端( )至输 入端( )的反向通路受阻,不会对电压增益造成很大的影 响,而且P CP V IN V 2正向导通电导远大于反向导通电导;

另外,开关 时钟频率越高,其影响也越小. 图4新型电荷泵的系统框图 需要指出的是:辅助电荷泵独立于主电荷泵,它能保证 P1开关的有效截止,从而防止了电荷向电源回流,这也是设 计中提高电压增益的一个重点;

辅助电荷泵还有利于低压环 境中主电荷泵工作点的建立.

5 相关性能分析 5.1 面积效率 电荷泵电路面积的大部分被电容占据, 其中时钟耦合电 容又处在支配性地位,故提升面积效率的关键在时钟耦合电 容的选取.计入节点寄生电容的影响,N级PMOS开关管电 荷泵的电压增益可表示为[6] 图5辅助电荷泵电路结构 图6电平移位电路结构 辅助电荷泵产生一两倍增电平( =2 ),主电泵产 DD V IN V 表1开关管处在不同状态时各端点的电压情况 Device Con. Terminal P1 P2 P3 P4 D CC V CC 2V

3 CC V

4 CC V G

0 0 CC be 2V V ? CC 2V ? be V S(B) CC V CC 2V

3 CC V

4 CC V Close state Max( ) GS GD , V V ? ? CC V CC 2V CC V + be V CC 2V + be V D CC V CC V

2 CC V

2 CC V G CC 2V CC 2V

4 CC V ? be V

4 CC V ? be V S(B) CC 2V

3 CC V

4 CC V

4 CC V Open state Max( ) GS GD , V V ? ?

0 CC V be V be V

2004 电子与信息学报第29 卷OUT CC g V V NV = + (4) out CC par g L C I V V R C C = ? + (5) out switch

1 R R fC = + (6) 将式(5)、式(6)式代入式(4),可以得到 switch OUT CC CC par

1 L C V V N V I R C fC C ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? = + ? + ? ? ? ? ? ? ? + ? ? ? (7) 式中 为电源电压, 为单级增益,N为级数,C为时钟 耦合电容,C CC V g V par为节点寄生电容,Rout为输出阻抗, 为负 载电流, f为时钟频率, 为开关管导通电阻――电导的 倒数(改善电导和抑制反向电荷共享来提高电压增益是本文 的主要特点,并且取得了显著的效果,见3,

4 节和图 7-图9). L I switch R 显然可见,其它参数确定的情况下,增加C可以提高 ,但是考虑到面积因素,C只能在电压增益和面积之间 取折衷值:即在满足 和 要求的情况下尽量减小C. 通常C要远大于 ,在以前的文献中C几乎都采用pF级以 上的电容 OUT V OUT V L I par C [5,7-9] 或外接更大的电容[10,11] .图10 给出了设计中 C取值的依据. 5.2 电压纹波 电压纹波指电荷泵泵送电流周期和阻塞周期转换时输 出电压的变化量.它是电荷泵的重要参数之一,可表示为[11] pump OUT L I V f C Δ = (8) 式中 为输出节点的净电流,在泵送和阻塞的暂态时近 似为由时钟耦合电容向输出端泵送的电流,稳态时等于 . 从表达式看,减小 或增大 和f可以减小纹波.实际 上, 是由应用情况决定的,不可以随意选择,而表征了电荷泵驱动负载的能力,也不................