專利名稱：一種新型cmos電荷泵及其級聯(lián)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成電路領(lǐng)域中的升壓裝置。
電荷泵的應用領(lǐng)域非常廣泛，如給dc-to-dc轉(zhuǎn)換器提供除電源電壓以外的電平，如給運算放大器提供高電壓，及應用于所有外部提供單一電壓、而內(nèi)部需要多種電平的電路。尤其是在給不揮發(fā)性存儲器提供所需電壓方面，發(fā)揮著極其重要的作用。
Dickson電荷泵是最早的片內(nèi)電荷泵結(jié)構(gòu)，提出了用電容推舉電壓、以二極管限制電荷轉(zhuǎn)移方向的基本思路。而后，又相繼出現(xiàn)了幾種電荷泵結(jié)構(gòu)，對Dickson電荷泵某些性能進行了改進。然而，這些電荷泵中，有些是輸出電壓隨級數(shù)線性升壓，升壓的速度較慢；有些的輸出電壓會有閾值損失；有些電路結(jié)構(gòu)比較復雜，芯片面積很大；最重要的是，它們都沒有考慮能量效率這個極其關(guān)鍵的性能指標，在便攜設備日益普及的今天更加強調(diào)能量效率的提高。
本發(fā)明的目的是為了提高電荷泵的能量效率；實現(xiàn)電荷泵內(nèi)部倍壓級聯(lián)，指數(shù)升壓；消除電荷泵中的閾值損失；簡化電荷泵的結(jié)構(gòu)，縮小面積；提高電荷泵輸出紋波質(zhì)量。
本發(fā)明的設計方案是為了實現(xiàn)上述目的。本發(fā)明提供了一種新型CMOS電荷泵，它由時鐘輸入部分11，推舉部分12，電壓輸出部分13和時鐘轉(zhuǎn)換部分14四個部分組成。時鐘輸入部分11包括兩個串接的反相器15、16。反相器15由PMOS管m7和NMOS管m2組成，m7和m2的柵極都連接到輸入時鐘CLOCK上，m7的源端與其襯底接在一起連到輸入電壓信號VIN上，m2的源端與其襯底接在一起連到系統(tǒng)地，m7的漏端與m2的漏端連接在一起形成反相器15的輸出，產(chǎn)生時鐘信號nock；反相器16由PMOS管m8和NMOS管m3組成，m8和m3的柵極都連接到反相器15的輸出時鐘nock上，m8的源端與其襯底接在一起連到輸入電壓信號VIN上，m3的源端與其襯底接在一起連到系統(tǒng)地，m8的漏端與m3的漏端連接在一起形成反相器16的輸出，產(chǎn)生時鐘信號ck；時鐘ck與nock連入推舉部分12和時鐘轉(zhuǎn)換部分14。推舉部分12由一對互相耦合的NMOS管(推舉管)m1、m6與一對推舉電容C9_10、C8_11組成。m1的漏端與m6的漏端接在一起連到輸入電壓信號VIN上，m1與m6的襯底接到系統(tǒng)地上，m1的柵極連接到m6的源端為節(jié)點out2，m6的柵極連接到m1的源端為節(jié)點out1；推舉電容C9_10的一端接在out1節(jié)點上，另一端接到由時鐘輸入部分11提供的ck信號上；推舉電容C8_11的一端接在節(jié)點out2上，另一端接到由時鐘輸入部分11提供的nock信號上。推舉部分在反相時鐘ck和nock的推舉作用下，在節(jié)點out1、out2處產(chǎn)生一對上移VIN(假定時鐘輸入信號CLOCK的幅值為VIN)的時鐘脈沖(較好情況下，電壓范圍近似從VIN到2VIN)，將其提供給電壓輸出部分13和時鐘轉(zhuǎn)換部分14。電壓輸出部分13由4個PMOS管(一對傳輸管m13、m10和一對襯底管m14、m9)、2個電容(濾波電容C3_2和襯底電容C2_12)與負載電阻R19組成。傳輸管m13的源端接在節(jié)點out2上，柵極接在節(jié)點out1上，漏端接在輸出電壓節(jié)點VOUT上，襯底接在節(jié)點high上；傳輸管m10的源端接在節(jié)點out1上，柵極接在節(jié)點out2上，漏端接在輸出電壓節(jié)點VOUT上，襯底接在節(jié)點high上；襯底管m14的源端接在節(jié)點out2上，柵極接在節(jié)點out1上，漏端與襯底相連，接在節(jié)點high上；襯底管m9的源端接在節(jié)點out1上，柵極接在節(jié)點out2上，漏端與襯底相連，接在節(jié)點high上；濾波電容C32的一端接在輸出電壓節(jié)點VOUT上，另一端接到系統(tǒng)地；襯底電容C2_12的一端接在節(jié)點high上，另一端接到系統(tǒng)地；負載電阻R19的一端接在輸出電壓節(jié)點VOUT上，另一端接到系統(tǒng)地。兩個傳輸管m13、m10每隔半周期輪換傳遞最高電壓2VIN到輸出電壓節(jié)點VOUT，而兩個襯底管m14、m9則每隔半周期輪換傳遞最高電壓2VIN到節(jié)點high。時鐘轉(zhuǎn)換部分14由兩個類似于反相器的部件17、18組成。17由PMOS管m12和NMOS管m5組成，m12的柵極連接在節(jié)點out1上，m5的柵極連接在時鐘ck上，m12的源端與其襯底接在一起連到輸出電壓節(jié)點VOUT上，m5的源端與其襯底接在一起連到系統(tǒng)地，m12的漏端與m5的漏端連接在一起形成17的輸出時鐘信號CKOUT提供給下一級；18由PMOS管m11和NMOS管m4組成，m11的柵極連接在節(jié)點out2上，m4的柵極連接在時鐘nock上，m11的源端與其襯底接在一起連到輸出電壓節(jié)點VOUT上，m4的源端與其襯底接在一起連到系統(tǒng)地，m11的漏端與m4的漏端連接在一起形成18的輸出時鐘信號NOCKOUT提供給下一級。與反相器不同的地方是每個部件的PMOS和NMOS的柵極接到不同的時鐘脈沖上，PMOS管柵極所接的時鐘脈沖范圍近似為VIN-2VIN，NMOS管柵極所接的時鐘脈沖范圍是0-VIN，兩部件17、18的輸出電壓范圍近似是0-2VIN。
為了實現(xiàn)輸出電壓呈2的指數(shù)增長，本發(fā)明還提供了一種上述CMOS電荷泵的倍壓級聯(lián)方式。它的第一級由上述電荷泵單元模塊構(gòu)成(沒有電阻R19)；它的以下各級由上述電荷泵單元模塊中的推舉部分12，電壓輸出部分13(除最后一級外，沒有電阻R19)和時鐘轉(zhuǎn)換部分14構(gòu)成。第一級的輸入作為整個電路的輸入，第一級的電壓輸出作為第二級的電源電壓輸入，第一級的時鐘輸出作為第二級的時鐘輸入，以此類推；最后一級的輸出作為整個電路的輸出。
為了實現(xiàn)輸出電壓呈線性增長，本發(fā)明還提供了一種上述CMOS電荷泵的線性級聯(lián)方式。它的第一級由上述電荷泵單元模塊構(gòu)成(沒有電阻R19)；它的以下各級由上述電荷泵單元模塊中的推舉部分12和電壓輸出部分13(除最后一級外，沒有電阻R19)構(gòu)成。第一級的輸入作為整個電路的輸入，第一級的電壓輸出作為第二級的電源電壓輸入，以此類推；第一級的時鐘輸出作為后續(xù)各級的時鐘輸入；最后一級的輸出作為整個電路的輸出。
本發(fā)明的優(yōu)點及效果使用本發(fā)明提供的CMOS電荷泵，能量效率得到了很大提高，最高可達到99％左右；并且可以消除輸出電壓的閾值損失，使得輸出電壓可以接近理想值(對一級為兩倍的輸入電壓)；該電荷泵還具有結(jié)構(gòu)簡單，單元模塊面積較小，輸出電壓穩(wěn)定，紋波質(zhì)量好等優(yōu)點。
本發(fā)明提出的倍壓級聯(lián)工作模式，即倍壓級聯(lián)方法。使得多級級聯(lián)輸出電壓可隨級數(shù)以2的指數(shù)增長，尤其適用于那些需要很大電壓增幅的應用。如果電路要求從1.5V升到約24V，那么倍壓級聯(lián)只需要4級電荷泵單元；若用線性增長的電荷泵(如Dickson電荷泵)，則至少需要20級。


圖1是本發(fā)明中支持倍壓級聯(lián)聯(lián)結(jié)的新型CMOS電荷泵的單元模塊電路結(jié)構(gòu)圖。
圖2是實現(xiàn)兩級倍壓級聯(lián)聯(lián)結(jié)的新型CMOS電荷泵電路結(jié)構(gòu)圖。
圖3是實現(xiàn)兩級線性級聯(lián)聯(lián)結(jié)的新型CMOS電荷泵電路結(jié)構(gòu)圖。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細說明，給出該發(fā)明的實施例。
圖1所示的支持倍壓級聯(lián)聯(lián)結(jié)的新型CMOS電荷泵單元模塊電路，由四個部分組成時鐘輸入部分11，推舉部分12，電壓輸出部分13，和時鐘轉(zhuǎn)換部分14。
時鐘輸入部分11包括兩個串接的反相器15、16。反相器15由PMOS管m7和NMOS管m2組成，m7和m2的柵極都連接到輸入時鐘CLOCK上，m7的源端與其襯底接在一起連到輸入電壓信號VIN上，m2的源端與其襯底接在一起連到系統(tǒng)地，m7的漏端與m2的漏端連接在一起形成反相器15的輸出，產(chǎn)生時鐘信號nock；反相器16由PMOS管m8和NMOS管m3組成，m8和m3的柵極都連接到反相器15的輸出時鐘nock上，m8的源端與其襯底接在一起連到輸入電壓信號VIN上，m3的源端與其襯底接在一起連到系統(tǒng)地，m8的漏端與m3的漏端連接在一起形成反相器16的輸出，產(chǎn)生時鐘信號ck；時鐘ck與nock連入推舉部分12和時鐘轉(zhuǎn)換部分14。
推舉部分12由一對互相耦合的NMOS管(推舉管)m1、m6與一對推舉電容C9_10、C8_11組成。m1的漏端與m6的漏端接在一起連到輸入電壓信號VIN上，m1與m6的襯底接到系統(tǒng)地上，m1的柵極連接到m6的源端為節(jié)點out2，m6的柵極連接到m1的源端為節(jié)點out1；推舉電容C9_10的一端接在out1節(jié)點上，另一端接到由時鐘輸入部分11提供的ck信號上；推舉電容C8_11的一端接在節(jié)點out2上，另一端接到由時鐘輸入部分11提供的nock信號上。推舉部分在反相時鐘ck和nock的推舉作用下，在節(jié)點out1、out2處產(chǎn)生一對上移VIN(假定時鐘輸入信號CLOCK的幅值為VIN)的時鐘脈沖(較好情況下，電壓范圍近似從VIN到2VIN)，將其提供給電壓輸出部分13和時鐘轉(zhuǎn)換部分14。具體說來，當ck為‘0’、nock為‘1’時，節(jié)點out1、out2已經(jīng)預充到VIN-VT；當ck變?yōu)椤?’、nock同時變?yōu)椤?’時，節(jié)點out1的電壓被抬高到2VIN-VT，這使得推舉管m6處于線性區(qū)工作，電源VIN通過m6向節(jié)點out2充電，直至節(jié)點out2的電壓達到VIN；當ck再變?yōu)椤?’、nock同時變?yōu)椤?’時，初時節(jié)點out1電壓再降回VIN-VT，而節(jié)點out2的電壓則被抬高到2VIN，這使得推舉管m1處于線性區(qū)工作，電源VIN通過m1向節(jié)點out1充電，直至節(jié)點out1的電壓達到VIN；這樣的過程隨著時鐘ck和nock的變化而繼續(xù)下去，穩(wěn)定狀態(tài)下節(jié)點out1、out2的電壓在VIN-2VIN之間，節(jié)點out1與out2的電壓信號始終保持反相。從上看出，節(jié)點out1、out2的高電壓可以達到2VIN，電源VIN通過推舉管m1、m6傳輸電壓沒有閥值損失。
電壓輸出部分13由4個PMOS管(一對傳輸管m13、m10和一對襯底管m14、m9)、2個電容(濾波電容C3_2和襯底電容C2_12)與負載電阻R19組成。傳輸管m13的源端接在節(jié)點out2上，柵極接在節(jié)點out1上，漏端接在輸出電壓節(jié)點VOUT上，襯底接在節(jié)點high上；傳輸管m10的源端接在節(jié)點out1上，柵極接在節(jié)點out2上，漏端接在輸出電壓節(jié)點VOUT上，襯底接在節(jié)點high上；襯底管m14的源端接在節(jié)點out2上，柵極接在節(jié)點out1上，漏端與襯底相連，接在節(jié)點high上；襯底管m9的源端接在節(jié)點out1上，柵極接在節(jié)點out2上，漏端與襯底相連，接在節(jié)點high上；濾波電容C3_2的一端接在輸出電壓節(jié)點VOUT上，另一端接到系統(tǒng)地；襯底電容C2_12的一端接在節(jié)點high上，另一端接到系統(tǒng)地；負載電阻R19的一端接在輸出電壓節(jié)點VOUT上，另一端接到系統(tǒng)地。PMOS管在傳遞高電壓時，沒有閾值損失。兩個傳輸管m13、m10每隔半周期輪換傳遞最高電壓2VIN到輸出電壓節(jié)點VOUT，而兩個襯底管m14、m9則每隔半周期輪換傳遞最高電壓2VIN到節(jié)點high。具體地說，當節(jié)點out1電壓為VIN，節(jié)點out2電壓為2VIN時，傳輸管m13和襯底管m14導通，由節(jié)點out2通過m13給節(jié)點VOUT充電，通過m14給節(jié)點high充電；當節(jié)點out1電壓為2VIN，節(jié)點out2電壓為VIN時，傳輸管m10和襯底管m9導通，由節(jié)點out1通過m10給節(jié)點VOUT充電，通過m9給節(jié)點high充電。達到穩(wěn)定狀態(tài)后，輸出電壓節(jié)點VOUT與節(jié)點high的電壓值都接近2VIN。襯底管m14、m9和襯底電容C2_12共同作用，穩(wěn)定節(jié)點high的電壓于高值，提供給4個PMOS管的襯底，實現(xiàn)了襯底替代技術(shù)，確保了PMOS管源-襯底結(jié)、漏-襯底結(jié)的反偏，從而提高了能量效率。濾波電容起到穩(wěn)定輸出電壓于近似2VIN的作用，可以提高輸出電壓的紋波質(zhì)量。輸出電壓信號VOUT不僅作為單元模塊的輸出電壓，還要提供給時鐘轉(zhuǎn)換部分14作為其電源電壓。
時鐘轉(zhuǎn)換部分14由兩個類似于反相器的部件17、18組成。17由PMOS管m12和NMOS管m5組成，m12的柵極連接在節(jié)點out1上，m5的柵極連接在時鐘ck上，m12的源端與其襯底接在一起連到輸出電壓節(jié)點VOUT上，m5的源端與其襯底接在一起連到系統(tǒng)地，m12的漏端與m5的漏端連接在一起形成17的輸出時鐘信號CKOUT提供給下一級；18由PMOS管m11和NMOS管m4組成，m11的柵極連接在節(jié)點out2上，m4的柵極連接在時鐘nock上，m11的源端與其襯底接在一起連到輸出電壓節(jié)點VOUT上，m4的源端與其襯底接在一起連到系統(tǒng)地，m11的漏端與m4的漏端連接在一起形成18的輸出時鐘信號NOCKOUT提供給下一級。與反相器不同的地方是每個部件的PMOS和NMOS的柵極接到不同的時鐘脈沖上，PMOS管柵極所接的時鐘脈沖范圍近似為VIN-2VIN，NMOS管柵極所接的時鐘脈沖范圍是0-VIN，兩部件17、18的輸出電壓范圍近似是0-2VIN。具體來說，以17為例，電源電壓是輸出電壓節(jié)點VOUT提供的2VIN。當節(jié)點out1電壓為2VIN，時鐘ck為VIN時，m5導通，m12關(guān)斷，節(jié)點CKOUT通過m5放電，直至其電壓降為0V；當節(jié)點out1電壓為VIN，時鐘CK為0V時，m12導通，m5關(guān)斷，電源VOUT通過m12向節(jié)點CKOUT充電，直至節(jié)點CKOUT的電壓升到2VIN；18同理。另外，兩個部件17、18之間，輸入時鐘脈沖信號分別對應地構(gòu)成反相，所輸出的時鐘信號也是反相的。此部分14輸出的時鐘脈沖信號CKOUT、NOCKOUT將作為下一級電荷泵單元模塊的時鐘輸入。
圖2是本發(fā)明所指新型CMOS電荷泵的兩級倍壓級聯(lián)聯(lián)結(jié)電路結(jié)構(gòu)圖，即為倍壓級聯(lián)方法。它的第一級由圖1中的單元模塊構(gòu)成(沒有電阻R19)；它的第二級由圖1單元模塊中的推舉部分12，電壓輸出部分13和時鐘轉(zhuǎn)換部分14構(gòu)成。第一級的輸入V1和CLOCK作為整個電路的輸入；第一級的電壓輸出V2作為第二級的電源電壓輸入，第一級的時鐘輸出twock、twonock作為第二級的時鐘輸入；第二級的輸出V3，THREECK，THREENOCK作為整個電路的輸出，本電路可以實現(xiàn)輸出電壓呈2的指數(shù)增長。
圖3是本發(fā)明所指新型CMOS電荷泵的兩級線性級聯(lián)聯(lián)結(jié)電路結(jié)構(gòu)圖，即為線性級聯(lián)方法。它的第一級由圖1中的單元模塊構(gòu)成(沒有時鐘轉(zhuǎn)換部分14和電阻R19)；它的第二級由圖1單元模塊中的推舉部分12和電壓輸出部分13構(gòu)成。第一級的輸入V1和CLOCK作為整個電路的輸入；第一級的電壓輸出V2作為第二級的電源電壓輸入，第一級的時鐘CK、NOCK也作為第二級的時鐘輸入；第二級的輸出V3作為整個電路的輸出，本電路可以實現(xiàn)輸出電壓呈2的線性倍增。
權(quán)利要求
1.一種新型CMOS電荷泵，它由時鐘輸入部分11，推舉部分12，電壓輸出部分13和時鐘轉(zhuǎn)換部分14組成；它的時鐘輸入部分由兩個反相器組成，提供兩個反相時鐘；推舉部分由一對相互耦合的NMOS管與一對推舉電容組成；電壓輸出部分由一對PMOS傳輸管和一對PMOS襯底管，一個濾波電容，一個襯底電容和一個負載電阻構(gòu)成；其特征在于時鐘轉(zhuǎn)換部分14由兩個類似于反相器的部件17、18組成；17由PMOS管m12和NMOS管m5組成，m12的柵極連接在節(jié)點out1上，m5的柵極連接在時鐘ck上，m12的源端與其襯底接在一起連到輸出電壓節(jié)點VOUT上，m5的源端與其襯底接在一起連到系統(tǒng)地，m12的漏端與m5的漏端連接在一起形成17的輸出時鐘信號CKOUT提供給下一級；18由PMOS管m11和NMOS管m4組成，m11的柵極連接在節(jié)點out2上，m4的柵極連接在時鐘nock上，m11的源端與其襯底接在一起連到輸出電壓節(jié)點VOUT上，m4的源端與其襯底接在一起連到系統(tǒng)地，m11的漏端與m4的漏端連接在一起形成18的輸出時鐘信號NOCKOUT提供給下一級；與反相器不同的地方是每個部件的PMOS和NMOS的柵極接到不同的時鐘脈沖上，PMOS管柵極所接的時鐘脈沖范圍近似為VIN-2VIN，NMOS管柵極所接的時鐘脈沖范圍是0-VIN，兩部件17、18的輸出電壓范圍近似是0-2VIN。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS電荷泵，其特征在于它的時鐘轉(zhuǎn)換部分可以用于由幅度為0-VIN的時鐘脈沖產(chǎn)生幅度為0-2VIN的時鐘脈沖的發(fā)生器。
3.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的CMOS電荷泵的級聯(lián)方法，其特征在于在倍壓級聯(lián)聯(lián)結(jié)電路結(jié)構(gòu)中，第一級由圖1中的單元模塊構(gòu)成；后續(xù)各級由圖1單元模塊中的推舉部分12，電壓輸出部分13和時鐘轉(zhuǎn)換部分14構(gòu)成，除最后一級外，各級的電壓輸出部分13都不加電阻R19；第一級的輸入V1和CLOCK作為整個電路的輸入；第一級的電壓輸出V2作為第二級的電源電壓輸入，第一級的時鐘輸出twock、twonock作為第二級的時鐘輸入；第二級的電壓輸出V3作為第三級的電源電壓輸入，第二級的時鐘輸出THREECK、THREENOCK作為第三級的時鐘輸入，以下各級依此類推最后一級的輸出作為整個電路的輸出。
全文摘要
本發(fā)明是一種新型CMOS電荷泵及其級聯(lián)方法,這種新型CMOS電荷泵由時鐘輸入部分11,推舉部分12,電壓輸出部分13和時鐘轉(zhuǎn)換部分14組成。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單,輸出電壓穩(wěn)定,能量效率高,減少了閾值損失,適用于集成電路中的升壓裝置中。它可以給需要高電壓的電路模塊提供電源;它還可以應用于所有外部提供單一電壓、而內(nèi)部需要多種電平的電路;它尤其是在對不揮發(fā)性存儲器提供所需電壓方面,發(fā)揮著重要作用。
文檔編號H03F3/343GK1256554SQ9911896
公開日2000年6月14日 申請日期1999年9月3日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月3日
發(fā)明者吉利久, 林斌, 郭胤, 傅一玲 申請人:北京大學