CN102480223A

CN102480223A - 一种仅采用低压mos管实现的负电压电荷泵电源电路

Info

Publication number: CN102480223A
Application number: CN2010105584114A
Authority: CN
Inventors: 鞠建宏; 刘楠
Original assignee: DIOO MICROELECTRONIC Co Ltd
Current assignee: DIOO MICROELECTRONIC Co Ltd
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2012-05-30

Abstract

本发明公开一种仅采用低压晶体管实现的负电压电荷泵电源电路，包括一P型场效应晶体管、四个N型场效应晶体管和两个电容，各晶体管栅极连有电平移位模块；P型场效应晶体管源极与衬底相连后连于电源输入端，且漏极与第一N型场效应晶体管漏极相连；第一N型场效应晶体管源极与衬底短接到地电位；第二、三N型场效应晶体管漏极连到地电位，且源极与各自的衬底相连后连于第四N型场效应晶体管漏极；第四N型场效应晶体管衬底与源极短接，并连到电压输出端；第一电容连接于P型场效应晶体管漏极和第二N型场效应晶体管源极；第二电容连到第四N型场效应晶体管源极和地电位。本发明实现负电压电源，减小了电荷泵版图面积，并丰富了工艺的选择。

Description

一种仅采用低压MOS管实现的负电压电荷泵电源电路

技术领域

本发明涉及一种仅采用低压MOS管实现的负电压电荷泵电源电路。

背景技术

负电压电荷泵电源在模拟芯片中有着广泛的应用，它可以使芯片输出摆幅增大一倍，提高动态范围，也可以实现基于地电位的信号输出等特殊功能，一般来说对负电压电荷泵模块的要求包括转换效率高，版图面积小等，一项美国专利（专利号6,803,807）提出了一种负电压电荷泵电路，如图1所示，信号S1控制开关管EP1和DP1，而信号S2控制开关管EN1和DP2。当开关EP1，DP1导通时，C1被充电至Vin，而当EN1,DP2开关导通时，C1,C2电荷重分配，经过若干周期后，输出OUT将达到-Vin。这种结构能够将正输入电压Vin转换成其对应的负输出电压OUT，但这种结构也存在一些缺点，以Vin=5V为例：

1.专利中DP1和DP2需要额外考虑可靠性问题。当DP1或DP2关断时，其栅极和衬底电压为5V，其漏极电位约为-5V，因此需要使用耐压能力更强的高压PMOS来承受这栅-漏，衬底-漏的10V电压差，高压器件的使用一方面限制了工艺的选择，另一方面，由于高压器件栅氧单位电容和阈值电压的影响，使得要达到相同电荷泵驱动能力，DP1,DP2必须使用更大的版图面积。

2.专利中DP1和DP2的衬底电位都连接到最正电位，Vin，这使得这两个PMOS存在严重的衬底偏置效应，降低其电流驱动能力，因此要想保证相同的电荷泵性能，必须加大DP1,DP2的版图面积。

3.专利中为了传递0V和-5V（B点电位），DP1和DP2选择了耗尽型的PMOS，虽然这可以有效的实现低电压传输，但特殊器件的使用也限制了工艺的选择。

发明内容

由于现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提出一种仅采用低压MOS管实现的负电压电荷泵电源电路，其可有效解决现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提出的一种仅采用低压晶体管实现的负电压电荷泵电源电路，包括一P型场效应晶体管、四个N型场效应晶体管和两个电容，其中各晶体管的栅极连有一电平移位模块； P型场效应晶体管的源极与衬底相连后连接于电源输入端，且其漏极与第一N型场效应晶体管的漏极相连；第一N型场效应晶体管的源极与其衬底相连后连接到地电位；第二、第三N型场效应晶体管的漏极都连接到地电位，且其源极与其各自的衬底相连后连于第四N型场效应晶体管的漏极；第四N型场效应晶体管的源极与其衬底相连后连接到电压输出端；第一电容的两端分别连接于P型场效应晶体管的漏极和第二N型场效应晶体管的源极；第二电容的两端分别连接到第四N型场效应晶体管的源极和地电位。

作为本发明的进一步特征，各晶体管为低压管。

由于采用了以上技术方案，本发明仅采用普通的低压晶体管器件就能实现负电压电源，减小了电荷泵的版图面积，并丰富了工艺的选择，可有效解决现有技术存在的问题。

附图说明

图1为美国专利6,803,807中提出的负电压电荷泵电路示意图；

图2为本发明的负电压电荷泵电源电路示意图；

图3为本发明中隔离的N型场效应晶体管（NM2A,NM2B,NM3）示意图；

图中：

N+： N型注入

P+： P型注入

NWELL: N型阱区

Psub： P型衬底

NBL： N型埋层区域

D,S,G,B: N型场效应晶体管的漏端，源端，栅端和衬底端

VCC：电源电压

图4为本发明中Vc的产生电路示意图；

图5为本发明中电平移位电路示意图。

具体实施方式

下面根据附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

如图2所示，本发明提出的一种仅采用低压晶体管实现的负电压电荷泵电源电路，包括一P型场效应晶体管PM1、四个N型场效应晶体管NM1、NM2、NM3、NM4和两个电容C1、C2，其中各晶体管的栅极连有一电平移位模块（Level Shift Block）；P型场效应晶体管PM1的源极与衬底相连后连接于电源输入端Vin，且其漏极与第一N型场效应晶体管NM1的漏极相连；第一N型场效应晶体管NM1的源极与其衬底相连后连接到地电位；第二、第三N型场效应晶体管NM2、NM3的漏极都连接到地电位，且其源极与其各自的衬底相连后连于第四N型场效应晶体管NM4的漏极；第四N型场效应晶体管NM4的源极与其衬底相连后连接到电压输出端Vout；第一电容C1的两端分别连接于P型场效应晶体管PM1的漏极和第二、三N型场效应晶体管NM2的源极；第二电容C2的两端分别连接到第四N型场效应晶体管NM4的源极和地电位。

在本实施例中，P型场效应晶体管PM1和第一N型场效应晶体管NM1栅极电压为0V至电源电压Vcc，所加入的电平移位模块（level shift block）仅为延迟模块，为了能在时序上与其它开关保持一致；第二N型场效应晶体管NM2的栅极控制信号为VN～VP，当该开关导通时，其栅极电压为VP，以VCC=5V为例，VP=5V，此时第二N型场效应晶体管NM2传输0V到N点；当该开关关断时，第二N型场效应晶体管NM2的栅极电压为VN，而此时第一N型场效应晶体管NM1, 第四N型场效应晶体管NM4导通，VN点电压为-5V，因此第二N型场效应晶体管NM2有效的隔断了其漏端的0V与其源端的-5V；第四N型场效应晶体管NM4的栅极控制电压选择Vout～Vout+Vc，Vc需要根据所采用器件的可靠性要求来选择，在本发明中，Vc=5V。当第四N型场效应晶体管NM4导通时，其源端和漏端电压基本相等，即Vout=VN=-5V，而此时其栅极电压为0V，因此可以有效传递-5V至Vout端；当第四N型场效应晶体管NM4关断时，Vout=-5V，VN=0V，此时其栅极电压为-5V，有效的隔断源漏两端电压。第三N型场效应晶体管NM3的引入是为了改善启动时电荷泵的性能。在启动初期，N点和P点电压均为0V，这使得在此阶段第二N型场效应晶体管NM2栅极的控制信号变化幅度为0V，因此无法正常开启，从而电荷泵无法正常启动，第三N型场效应晶体管NM3的栅极电压变化范围为Vout～Vout+Vc，启动阶段，即使Vout=0V，但第三N型场效应晶体管NM3的栅极高电压为Vout+Vc，即5V，这使得第三N型场效应晶体管NM3能有效的开启，将0V传递到N点。而在正常工作阶段，当第一P型场效应晶体管PM1, 第二N型场效应晶体管NM2导通时，加在第三N型场效应晶体管NM3的栅极电位为Vout+Vc，即OV，N点电位也为0V，因此第三N型场效应晶体管NM3为关断状态，主要由第二N型场效应晶体管NM2将0V传递到N点；当第一P型场效应晶体管PM1, 第二N型场效应晶体管NM2关断时，加在第三N型场效应晶体管NM3的栅极电位为Vout，即-5V，因此此时第三N型场效应晶体管NM3仍然为关断状态。所以，第三N型场效应晶体管NM3仅在启动初期起作用，在正常状态下，其一直保持关断状态。通过上述分析，所有开关管，在任意工作状态下，栅，源，漏和衬底之间相互电位差都没有超过电源电压，VCC，因此也就不会出现可靠性问题。

本实施例中，各晶体管为低压管(如图3所示)，这样有效的保证了该电路具有最小的版图面积。由于采用了低压晶体管开关，因此必须根据不同的工作状态设计不同的栅极控制电压，以保证负电压的正常传输并避免可靠性问题的出现；使用NBL层将第二、第三和第四N型场效应晶体管NM2、NM3、NM4设计成隔离的N型场效应晶体管；让各晶体管的衬底电位独立，并与各自源极相连，可避免衬底偏置效应，减小开关管的宽长尺寸。

在本实施例中，如图2所示，开关PM1、NM1、NM2、NM3、NM4宽长尺寸要根据电荷泵的负载大小，开关控制时钟频率，电容C1,C2的容值来折中选择，由于NM3仅在启动初期起作用而在正常工作状态下处于关断状态，因此其宽长比可以选取稍小些以节省面积。电容C1,C2一般为片外电容，其容值根据芯片应用选取，这里都选择1uF. Vout+Vc是由图4所示的电路产生的，通过合理选择Ibias和R1，可以很容易的得到Vc=5V。控制所有开关栅极电压的电平移位电路的输出电平各不相同，但电平移位电路本身结构相同，如图5所示，该移位电路采用两级移位方案，首先将输入电平范围GND～VCC调整到VL～VCC，再将VL～VCC调整到VL～VH,并作为最终输出电平，因此只需要合理选择VH,VL即可得到不同的栅极控制电压。

但是，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。

Claims

1.一种仅采用低压晶体管实现的负电压电荷泵电源电路，其特征在于：包括一P型场效应晶体管、四个N型场效应晶体管和两个电容，其中各所述晶体管的栅极连有一电平移位模块；所述的P型场效应晶体管的源极与其自己的衬底相连后连接于电源输入端，且其漏极与第一N型场效应晶体管的漏极相连；所述第一N型场效应晶体管的源极与其衬底相连后连接地电位；所述第二、第三N型场效应晶体管的漏极都连接到地电位，且其源极与其各自的衬底相连后连于所述第四N型场效应晶体管的漏极；所述第四N型场效应晶体管的源极与其衬底相连后连接到电压输出端；所述第一电容的两端分别连接于P型场效应晶体管的漏极和所述第二、三N型场效应晶体管的源极；所述第二电容的两端分别连接到所述第四N型场效应晶体管的源极和地电位。

2.根据权利要求1所述的仅采用低压晶体管实现的负电压电荷泵电源电路，其特征在于：所述的各晶体管为低压管。