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        一種高電壓轉(zhuǎn)換倍率的電荷泵設(shè)計

        2021-09-03 01:52:38都文和楊占宇程秀娟康嘉浩鞏秋野
        微處理機 2021年4期
        關(guān)鍵詞:電荷泵襯底偏置

        都文和,楊占宇,程秀娟,康嘉浩,徐 正,楊 軻,鞏秋野

        (1.齊齊哈爾大學通信與電子工程學院,齊齊哈爾 161006;2.哈爾濱第一機械集團有限公司,哈爾濱 150056)

        1 引言

        隨著5G 技術(shù)的高速發(fā)展,近些年來,智能家居逐漸取代了傳統(tǒng)家居,越來越多的智能設(shè)備進入了人們的視野。這些智能家居依靠軟硬件協(xié)同將各種分離的家用設(shè)備有機結(jié)合在一起,進行統(tǒng)一集中的控制與管理。儲存器作為智能家居儲存信息的載體,是智能家居系統(tǒng)必不可少的單元之一。Flash 儲存器作為一種非易失儲存器,因其在斷開供電之后也能長久保存數(shù)據(jù)和體積小等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)中[1]。Flash 儲存器在進行擦寫工作時通常需要較高的電壓,而電荷泵電路的電容積累傳遞電荷的特性可用來產(chǎn)生高于電源電壓的輸出電壓,因此成為Flash 儲存器必不可少的電路之一。為達到高可靠性和低功耗的目標,隨著集成電路工藝的更新,電源電壓逐漸降低,傳統(tǒng)電荷泵受閾值壓降和體效應(yīng)等問題影響,當電源電壓靠近閾值電壓時,電壓轉(zhuǎn)換倍率大大降低。因此,設(shè)計一種低壓工作也能具有高電壓轉(zhuǎn)換倍率的電荷泵至關(guān)重要。

        2 傳統(tǒng)電荷泵電路技術(shù)

        2.1 技術(shù)發(fā)展

        Dickson 于1976 年提出了如圖1 所示的電荷泵電路,利用電容和二極管實現(xiàn)了將輸入電壓升高、翻倍輸出[2]。通常采取柵漏短接的MOS 管來代替二極管。該電荷泵結(jié)構(gòu)簡單,但由于電路受閾值壓降效應(yīng)和體效應(yīng)影響,Dickson 電荷泵作為高級數(shù)升壓電路工作時,輸出電壓以及電壓轉(zhuǎn)換倍率較低,并且在電源電壓與傳輸管閾值電壓接近時,Dickson 電荷泵將無法正常工作。

        圖1 Dickson 電荷泵電路原理圖

        為了優(yōu)化閾值壓降效應(yīng),之后的大多數(shù)電荷泵結(jié)構(gòu)都是在Dickson 電荷泵的基礎(chǔ)上改進優(yōu)化得來。其中比較經(jīng)典的結(jié)構(gòu)有圖2 所示的JT-Wu 電荷泵[3],此外還有四相位電荷泵[4]、六相位電荷泵[5]、交叉耦合電荷泵[6],以及采取共振開關(guān)的電荷泵[7]等。其中,交叉耦合電荷泵通過互補支路的電容來提高傳輸管的柵極電壓,使傳輸管工作在線性區(qū),優(yōu)化了閾值壓降效應(yīng),但其襯底電位無法保證與傳輸管源極電位一致,傳輸管存在體效應(yīng)。

        圖2 JT-Wu 電荷泵電路原理圖

        2.2 工作原理

        圖1 所示即為4 級Dickson 電荷泵原理圖。圖中,M1~M5為柵漏短接的NMOS 二極管,所有MOS管的襯底都接地。CLK1 和CLK2 為兩相非交疊時鐘,其時鐘信號幅值與電源電壓相同。C1~C4為容值相同的泵電容,電容上極板與NMOS 管的源端相接,下極板依次與CLK1 和CLK2 相接。當CLK1 為低電平時,CLK2 為高電平,M1管導通,M2管截止,電源Vin通過M1管對電容C1充電。當CLK1 為高電平時,CLK2 為低電平,M1管截止,M2管導通,由于電容兩端電壓不能突變,忽略非理想因素,C1上極板電壓變?yōu)? 倍的Vin,并通過M2管對C2充電,此時,電荷源源不斷地從電源傳遞到輸出端,獲得高于電源電壓的輸出電壓??紤]非理想因素時,N 級電荷泵電路的實際輸出電壓由下式給出[8]:

        式中,N為電荷泵的級數(shù),Cs為MOS 管的寄生電容,Iload為流進負載的電流,Vth為MOS 管的閾值電壓,ΔVthi為考慮體效應(yīng)后的閾值電壓修正項。根據(jù)MOS管的體效應(yīng),體效應(yīng)的表達式為[9]:

        按照式(2),MOS 管的閾值電壓不是常數(shù),這與MOS 管的源極和襯底之間的電壓差有關(guān)。Dickson電荷泵工作時,傳輸管的源極電位隨著級數(shù)的增大而增大,由于所有傳輸管的襯底接地,導致隨著級數(shù)的增加,傳輸管的VSB逐漸增大,體效應(yīng)越來越明顯,MOS 管的閾值電壓越來越大,嚴重影響Dickson電荷泵電路的輸出電壓和電壓轉(zhuǎn)換倍率。

        針對上述問題,在新的設(shè)計中,基于交叉耦合電荷泵結(jié)構(gòu),增加襯底動態(tài)偏置電路,保證傳輸管的襯底電位與源極電位始終保持一致,以提高電荷泵的輸出電壓和電壓轉(zhuǎn)換倍率。

        3 改進的高電壓轉(zhuǎn)換比電荷泵

        3.1 襯底動態(tài)偏置電路設(shè)計

        由式(2)可知,MOS 管產(chǎn)生體效應(yīng)的根本原因為源級和襯底的電壓不同,只要保證MOS 管的源極電壓和襯底電壓相同,則可以消除體效應(yīng)。對于PMOS來說,源漏兩端電位高的一端即為源端;對于NMOS來說,源漏兩端電位低的一端即為源端。襯底動態(tài)偏置電路可以自動將MOS 管的襯底與源漏之間高電位的一端相連[10]。襯底動態(tài)偏置電路如圖3 所示。

        圖3 襯底動態(tài)偏置電路

        PMOS 管的襯底動態(tài)偏置電路由兩個PMOS 管組成,如圖3(a)所示,A、B 兩端分別接在電荷泵PMOS傳輸管的源、漏兩級,MP1和MP2的漏端相連為電荷泵PMOS 傳輸管的襯底提供VBIAS偏置電壓。

        電路工作時,當A 端電位為高電平,B 端電位為低電平,MP1管導通,MP2管截止,VBIAS電位等于A端電位;當A 端電位為低電平,B 端電位為高電平時,MP1管截止,MP2管導通,VBIAS電位等于B 端電位。由此可知,VBIAS端電位始終與A、B 兩端中高電位的一端相同。

        NMOS 管的襯底動態(tài)偏置電路功能與PMOS 管的襯底動態(tài)偏置電路類似,VBIAS端電位始終與A、B兩端中低電位的一端相同。即電荷泵中MOS 管的襯底電位始終與其源極電位相同,消除掉了體效應(yīng)。

        3.2 改進電荷泵結(jié)構(gòu)設(shè)計

        傳統(tǒng)的交叉耦合電荷泵雖然能夠大幅優(yōu)化閾值壓降,但由于其傳輸管襯底電位無法保證與源極電位一致,隨著級數(shù)的增加,傳輸管的體效應(yīng)逐級加重,傳輸管的閾值電壓升高,最終導致輸出電壓降低,電壓轉(zhuǎn)換倍率降低。

        改進后的電荷泵結(jié)構(gòu)如圖4 所示。在交叉耦合電荷泵的基礎(chǔ)上,使用襯底動態(tài)偏置電路(即圖中SDB 模塊)產(chǎn)生的VBIAS來偏置電荷泵中每一級MOS管的襯底。此電荷泵有上下兩條支路構(gòu)成,可以看為兩路互補的電荷泵,在工作時相互耦合,相互作用。上支路由MOS 管MN1、MP1、MN2、MP2、MN3、MP3與泵電容C1、C2、C3構(gòu)成。下支路由MOS 管MN4、MP4、MN5、MP5、MN6、MP6與泵電容C4、C5、C6構(gòu)成。同一支路的相鄰泵電容各自連接相位相反的CLK 時鐘信號,同時,上、下支路對應(yīng)的電荷泵單元泵電容也分別連接相位相反的CLK 時鐘信號。電荷泵中所有PMOS 管的襯底接襯底動態(tài)偏置模塊。

        圖4 改進設(shè)計的電荷泵結(jié)構(gòu)

        以第一階電荷泵單元為例分析改進后電荷泵如何消除閾值壓降效應(yīng)和體效應(yīng)。閾值壓降的產(chǎn)生原因為當MOS 管以二極管連接方式工作在開關(guān)狀態(tài)下,由于柵極與漏極短接,當電源通過MOS 二極管為泵電容充電時,源極電位不斷抬升,當抬升至柵極和源極之間的壓差小于閾值電壓時,MOS 二極管關(guān)閉,源極電位無法升高,損失了Vth,引起了閾值壓降。在此電荷泵電路結(jié)構(gòu)中,由于MOS 管的柵極和漏極沒有短接,通過兩條支路來分別產(chǎn)生MOS 管的柵極控制信號,其上支路和下支路對應(yīng)的泵電容接的是相位相反的時鐘信號。當時鐘信號CLK1 為低電平時,CLK2 為高電平,此時泵電容C4已經(jīng)完成電壓抬升,C4的上極板電壓為2 倍的Vin,則MN1的柵極電位為2 倍的Vin,MN1的漏極電位即為電源電壓Vin。此時電源電壓對C1充電,電壓可以充至Vin,基本上消除了閾值壓降。隨著級數(shù)的升高,傳輸管的源極電位也逐級升高,由于電路采取襯底動態(tài)偏置電路產(chǎn)生的VBIAS來偏置每級MOS 管的襯底,保證了每級MOS 管的襯底電位都與其源極電位一致,消除了傳輸管的體效應(yīng)。通過互補支路泵電容產(chǎn)生的高電位柵極電壓消除閾值壓降效應(yīng),同時通過襯底動態(tài)偏置電路消除傳輸管的體效應(yīng),提高了電荷泵電路的電壓轉(zhuǎn)換倍率。

        4 仿真實驗及結(jié)論

        對電荷泵電路的仿真驗證基于SMIC 0.18 μm CMOS 工藝進行。仿真平臺環(huán)境參數(shù)設(shè)置如下:

        環(huán)境溫度:27℃;

        時鐘頻率:10Mhz;

        泵電容:5pF;

        負載電容:10pF。

        在1.8V 電源電壓下,仿真得到三種電荷泵的輸出電壓對比圖。仿真結(jié)果如圖5 所示。

        圖5 三種電荷泵的輸出電壓仿真曲線

        由仿真結(jié)果可見,在電源電壓為1.8 V、電荷泵級數(shù)為4 級時,Dickson 電荷泵、JT-Wu 電荷泵、高電壓轉(zhuǎn)換倍率(Hvcr)電荷泵的穩(wěn)定輸出電壓分別為5.256V、7.678V、8.883V。Hvcr 電荷泵的輸出電壓最高,最接近4 級電荷泵的理想輸出電壓9V,因此Hvcr 電荷泵的電壓轉(zhuǎn)換倍率最高,達到了98.6%。同時Hvcr 電荷泵的啟動時間也最短。

        在不同電源電壓下,三種電荷泵的輸出電壓曲線的仿真結(jié)果如圖6 所示。在相同的仿真環(huán)境下,三種電荷泵的輸出電壓都隨輸入電壓的增大而增大,對于某一給定輸入電壓,Hvcr 電荷泵輸出電壓最高,在輸入電壓幅值接近MOS 管閾值電壓時,Dickson電荷泵基本上起不到電壓抬升的作用,JT-Wu 電荷泵的電壓轉(zhuǎn)換倍率也較低,而Hvcr 電荷泵在0.8V~1.8V 的輸入電壓范圍內(nèi)都能保證很高的電壓轉(zhuǎn)換倍率。

        圖6 三種電荷泵輸出輸入電壓變化仿真曲線

        在不同級數(shù)情況下三種電荷泵的輸出電壓曲線仿真結(jié)果如圖7 所示??梢?,在相同的仿真環(huán)境下,三種電荷泵的輸出電壓都隨著級數(shù)的增加而增大,Dickson 電荷泵的輸出電壓變化最不明顯,JT-Wu和Hvcr 電荷泵輸出電壓隨著級數(shù)的變化相對呈線性化。對于某一給定的級數(shù),Hvcr 電荷泵的輸出電壓最高,電壓轉(zhuǎn)換倍率最高,并且隨著級數(shù)的升高,Hvcr 電荷泵與Dickson 電荷泵的輸出電壓差距越來越大。

        圖7 三種電荷泵輸出電壓隨級數(shù)變化仿真曲線

        5 結(jié) 束 語

        在傳統(tǒng)的交叉耦合電荷泵的基礎(chǔ)上通過增加襯底動態(tài)偏置電路保證MOS 管的襯底電位始終與源極電位一致,消除了體效應(yīng)的影響。對于給定的電荷泵級數(shù),提高了電荷泵的輸出電壓,提高了電荷泵的電壓轉(zhuǎn)換倍率。高電壓轉(zhuǎn)換倍率電荷泵相比于傳統(tǒng)的Dickson 電荷泵,消除了閾值壓降效應(yīng)和體效應(yīng)的影響,提高了電荷泵的輸出電壓和電壓轉(zhuǎn)換倍率,在較低電源電壓下也能保持極為理想的電壓轉(zhuǎn)換倍率。

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